加工中心工艺方案的制订

4.1.2　加工中心工艺方案的制订

1.零件的工艺分析

零件的工艺分析是制订加工中心加工工艺的首要工作。其任务是分析零件图的完整性、正确性和技术要求，选择加工内容，分析零件的结构工艺性和定位基准等。

（1）零件图的完整性与正确性分析

零件的视图应足够、正确及表达清楚，并符合国家标准，尺寸及有关技术要求应标注齐全，几何元素（点、线、面）之间的关系（如相切、相交、垂直、平行等）应明确。

（2）零件技术要求分析

零件的技术要求主要指尺寸精度、形状精度、位置精度、表面粗糙度及热处理等。这些要求在保证零件使用性能的前提下应经济合理。过高的精度和表面粗糙度要求会使工艺过程复杂、加工困难、成本提高。

（3）零件结构的工艺性分析

从机械加工的角度考虑，在加工中心上加工的零件，其结构工艺性应具备以下几点要求。

①零件的切削加工量要小，以便减少加工中心的切削加工时间，降低零件的加工成本。

②零件上的孔（包括台阶孔）和螺纹的尺寸规格尽可能少，减少加工时钻头、铰刀及丝锥等刀具的数量，以防刀库容量不够。

③零件尺寸规格尽量标准化，以便采用标准刀具。

④零件加工表面应具有加工的方便性和可能性。

⑤零件结构应具有足够的刚性，以减少夹紧变形和切削变形。

表4-1中给出改进零件结构提高工艺性的措施。

表4-1　改进零件结构提高工艺性

续表

续表

2.加工工艺路线的确定

（1）工序的划分

在确定加工内容和加工方法的基础上，根据加工部位的性质、刀具使用情况以及现有的加工条件，参照工序划分原则和方法，将这些加工内容安排在一个或几个数控铣削加工工序中。

①当加工中使用的刀具较多时，为了减少换刀次数，缩短辅助时间，可以将一把刀具所加工的内容安排在一个工序（或工步）中。

②按照工件加工表面的性质和要求，将粗加工、精加工分为依次进行的不同工序（或工步）。先进行所有表面的粗加工，然后再进行所有表面的精加工。

一般数控铣削采用工序集中的方式，这时工步的顺序就是工序分散时的工序顺序。通常按照从简单到复杂的原则，先加工平面、沟槽、孔，再加工外形、内腔，最后加工曲面；先加工精度要求低的表面，再加工精度要求高的部位等。

在确定了某个工序的加工内容后，要进行详细的工步设计，即安排这些工序内容的加工顺序，同时考虑程序编制时刀具运动轨迹的设计。一般将一个工步编制为一个加工程序，因此，工步顺序实际上也就是加工程序的执行顺序。

（2）加工路线的确定

在确定走刀路线时，除了遵循有关原则外，对于数控铣削应重点考虑以下几个方面。

①应能保证零件的加工精度和表面粗糙度要求。

如图4-8所示，当铣削平面零件外轮廓时，一般采用立铣刀侧刃切削。刀具切入工件时，应避免沿零件外廓的法向切入，而应沿外廓曲线延长线的切向切入，以避免在切入处产生刀具的刻痕而影响表面质量，保证零件外廓曲线平滑过渡。同理，在切离工件时，也应避免在工件的轮廓处直接退刀，而应该沿零件轮廓延长线的切向逐渐切离工件。

图4-8　外轮廓加工刀具的切入和切出

图4-9　内轮廓加工刀具的切入和切出

铣削封闭的内轮廓表面时，若内轮廓曲线允许外延，则应沿切线方向切入切出。若内轮廓曲线不允许外延（见图4-9），则刀具只能沿内轮廓曲线的法向切入切出，此时刀具的切入切出点应尽量选在内轮廓曲线两几何元素的交点处。当内部几何元素相切无交点时（见图4-10），为防止刀补取消时在轮廓拐角处留下凹口（见图4-10（a）），刀具切入切出点应远离拐角（见图4-10（b））。

图4-10　无交点内轮廓加工刀具的切入和切出

图4-11所示为圆弧插补方式铣削外整圆时的走刀路线。当整圆加工完毕时，不要在切点处直接退刀，而应让刀具沿切线方向多运动一段距离，以免取消刀补时，刀具与工件表面相碰，造成工件报废。铣削内圆弧时也要遵循从切向切入的原则，最好安排从圆弧过渡到圆弧的加工路线（见图4-12），这样可以提高内孔表面的加工精度和加工质量。

图4-11　外圆铣削

图4-12　内圆铣削

对于孔位置精度要求较高的零件，在精镗孔系时，镗孔路线一定要注意各孔的定位方向一致，即采用单向趋近定位点的方法，以避免传动系统反向间隙误差或测量系统的误差对定位精度的影响。例如图4-13（a）所示的孔系加工路线，在加工孔Ⅳ时，X方向的反向间隙将会影响Ⅲ、Ⅳ两孔的孔距精度；如果改为图4-13（b）所示的加工路线，可使各孔的定位方向一致，从而提高了孔距精度。

图4-13　孔系加工路线方案比较

铣削曲面时，常采用球头刀行切法进行加工。对于边界敞开的曲面加工，可采用两种走刀路线。图4-14所示的发动机大叶片，当采用图（a）所示的加工方案时，每次沿直线加工，刀位点计算简单，程序少，加工过程符合直纹面的形成，可以准确保证母线的直线度；当采用图（b）所示的加工方案时，符合这类零件数据给出情况，便于加工后检验，叶形的准确度较高，但程序较多。由于曲面零件的边界是敞开的，没有其他表面限制，所以边界曲面可以延伸，球头刀应由边界外开始加工。

图4-14　曲面加工的走刀路线

此外，轮廓加工中应避免进给停顿。因为加工过程中的切削力会使工艺系统产生弹性变形并处于相对平衡状态，进给停顿时，切削力突然减小，会改变系统的平衡状态，刀具会在进给停顿处的零件轮廓上留下刻痕。

为提高工件表面的精度和减小粗糙度，可以采用多次走刀的方法，精加工余量一般以0.2～0.5mm为宜。而且精铣时宜采用顺铣，以减小零件被加工表面粗糙度的值。

②应使走刀路线最短，减少刀具空行程时间，提高加工效率。

图4-15所示为正确选择钻孔加工路线的例子。按照一般习惯，总是先加工均布于同一圆周上的八个孔，再加工另一圆周上的孔（见图4-15（a））。但是对点位控制的数控机床而言，要求定位精度高，定位过程尽可能快，因此这类机床应按空程最短来安排走刀路线（见图4-15（b））。

图4-15　最短加工路线选择

③应使数值计算简单，程序段数量少，以减少编程工作量。

④顺铣和逆铣对加工的影响。在铣削加工中，采用顺铣还是逆铣方式是影响加工表面粗糙度的重要因素之一。逆铣时切削力F的水平分力FX的方向与进给运动Vf方向相反，顺铣时切削力F的水平分力FX的方向与进给运动Vf的方向相同。铣削方式的选择应视零件图样的加工要求，工件材料的性质、特点以及机床、刀具等条件综合考虑。通常，由于数控机床传动采用滚珠丝杠结构，其进给传动间隙很小，顺铣的工艺性就优于逆铣。

如图4-16（a）所示为采用顺铣切削方式精铣外轮廓，图4-16（b）所示为采用逆铣切削方式精铣型腔轮廓，图4-16（c）所示为顺、逆铣时的切削区域。

图4-16　顺铣和逆铣切削方式

同时，为了降低表面粗糙度值，提高刀具耐用度，对于铝镁合金、钛合金和耐热合金等材料，尽量采用顺铣加工。但如果零件毛坯为黑色金属锻件或铸件，表皮硬而且余量一般较大，这时采用逆铣较为合理。

3.刀具的选择

数控铣床上所采用的刀具要根据被加工零件的材料、几何形状、表面质量要求、热处理状态、切削性能及加工余量等，选择刚性好、耐用度高的刀具。常见刀具见图4-17。

铣刀类型应与工件表面形状与尺寸相适应。加工较大的平面应选择面铣刀；加工凹槽、较小的台阶面及平面轮廓应选择立铣刀；加工空间曲面、模具型腔或凸模成形表面等多选用模具铣刀；加工封闭的键槽选择键槽铣刀；加工变斜角零件的变斜角面应选用鼓形铣刀；加工各种直的或圆弧形的凹槽、斜角面、特殊孔等应选用成形铣刀。

图4-17　常见刀具

（1）刀柄

刀柄是机床主轴与刀具之间的连接工具。加工中心上一般都采用7：24圆锥刀柄。这类刀柄不自锁，换刀比较方便，比直柄有较高的定心精度与刚度。加工中心刀柄已系列化和标准化，其锥柄部分和机械手抓拿部分都有相应的国际和国家标准。ISO 7388/I和GB 10944—89《自动换刀机床用7：24圆锥工具柄部40、45和50号圆锥柄》对此作了统一规定。固定在刀柄尾部且与主轴内拉紧机构相适应的拉钉也已标准化，具体规定见ISO 7388和GB 10945—89《自动换刀机床用7：24圆锥工具柄部40、45和50号圆锥柄用拉钉》。柄部及拉钉的有关尺寸查阅相应标准。

（2）工具系统

由于在加工中心上要适应多种形式零件不同部位的加工，故刀具装夹部分的结构、形式、尺寸也是多种多样的。把通用性较强的几种装夹工具（例如装夹铣刀、镗刀、扩铰刀、钻头和丝锥等）系列化、标准化就成为通常所说的工具系统。工具系统分为整体式结构和模块式结构两大类。

整体式结构铣镗类工具系统把工具柄部和装夹刀具的工作部分连成一体。不同品种和规格的工作部分都必须带有与机床主轴相连接的柄部。其优点是使用方便、可靠。缺点是所用的刀柄规格品种数量较多。图4-18所示的TSG82工具系统就是这类系统。

模块式结构是把工具的柄部和工作部分分开，制成系统化的主柄模块、中间模块和工作模块，然后用不同规格的中间模块，组装成不同用途、不同规格的模块式工具。这样，既方便了制造，也方便了使用和保管，大大减少了用户的工具储备。图4-19所示为模块式工具的组成。国内的TMG10和TMG21工具系统就是属于这一类。

工具系统的代号可查阅有关手册。

图4-18　TSG82工具系统

图4-19　模块式工具组成

（3）选择刀柄的注意事项

选择加工中心用刀柄需注意的问题较多，主要应注意以下几点。

①刀柄结构形式的选择，需要考虑多种因素。对一些长期反复使用，不需要拼装的简单刀柄，如在零件外廓上加工用的装面铣刀刀柄、弹簧夹头刀柄及钻夹头刀柄等以配备整体式刀柄为宜。这样，工具刚性好，价格便宜。当加工孔径、孔深经常变化的多品种、小批量零件时，以选用模块式工具为宜。这样可以取代大量整体式镗刀柄。当应用的加工中心较多时，应选用模块式工具。因为选用模块式工具使各台机床所用的中间模块（接杆）和工作模块（装刀模块）都可以通用，能大大减少设备投资，提高工具利用率，同时也利于工具的管理与维护。

②刀柄数量应根据要加工零件的规格、数量、复杂程度以及机床的负荷等配置。一般是所需刀柄的2～3倍。这是因为要考虑到机床工作的同时，还有一定数量的刀柄正在预调或刀具修理。只有当机床负荷不足时，才取2倍或不足2倍。一般加工中心刀库只用来装载正在加工零件所需的刀柄。典型零件的复杂程度与刀库容量有一定关系，所以配置数量也大，约为刀库容量的2～3倍。

③刀柄的柄部应与机床相配。加工中心的主轴孔多选定为不自锁的7：24锥度。但是，与机床相配的刀柄柄部（除锥度角以外）并没有完全统一。尽管已经有了相应的国际标准，可是在有些国家并未得到贯彻。如有的柄部在7：24锥度的小端带有圆柱头，而另一些就没有。现在有几个与国际标准不同的国家标准。标准不同，机械手抓拿槽的形状、位置、拉钉的形状、尺寸或键槽尺寸也都不相同。我国近年来引进了许多国外的工具系统技术，现在国内也有多种标准刀柄。因此，在选择刀柄时，应弄清楚选用的机床应配用符合哪个标准的工具柄部，要求工具的柄部应与机床主轴孔的规格（40号、45号还是50号）相一致；工具柄部抓拿部位要能适应机械手的形态位置要求：拉钉的形状、尺寸要与主轴里的拉紧机构相匹配。

4.对刀及对刀点

加工开始前，首先应将刀具定位，即对刀操作。对刀的目的与车削相同，主要为确定刀位点的位置及各把刀具相对标准刀具的补偿值。

（1）确定对刀点的原则如下

①对刀点应该与工件的定位基准有一定的坐标尺寸关系，以便确定机床坐标系与工件坐标系间的相互位置关系。

如图4-20所示，在有机床原点的数控机床上，对刀点距工件坐标系原点P的距离是x₁、y₁，据此可以设定工件坐标系（XPY坐标系）。而对刀点距机床坐标系（XOY坐标系）原点O的坐标为（x₀、y₀），这样p点与O点的位置即可确定，工件坐标系与机床坐标系之间的关系也就确定了。

图4-20　对刀点的设定

②对刀点应尽量选择在工件的设计基准或工艺基准上，以保证加工的位置精度。

③对刀点应尽量选择在找正容易、便于对刀且在加工中检查方便的地方。在确定工件坐标系的原点时应注意：对于对称的零件，原点可设在对称中心上；对于一般零件，工件的原点设在工件外轮廓的某一角上；Z轴方向上的原点，一般设在工件上表面。

（2）对刀方法

对刀的准确程度将直接影响加工精度。因此，对刀操作一定要仔细，对刀方法应同零件加工精度要求相适应，生产中常使用百分表、中心规及寻边器。寻边器如图4-21所示。

图4-21　寻边器

数控铣削加工常用的对刀方法如下：

①机内对刀

数控铣床在设定工件坐标系和设置刀具长度补偿值时可使用机内对刀。其基本原理为：先设定标准刀具，将标准刀具的Z向轻微接触工件上表面后坐标置零。更换其他刀具接触同一表面，通过机床的刀具参数设置功能和坐标值显示，计算并输入刀具补偿量，再根据试切加工情况修正误差。具体操作步骤与数控机床类型有关。

②机外对刀

由于采用机外对刀省去了在数控机床上的对刀时间，能有效地提高数控机床的使用率，尤其在数控设备台数较多的情况，利用一台对刀仪为多台数控机床对刀服务，是最经济合理的，所以，随着数控机床的普及，它必将会更广泛地被采用。这里对图4-22所示常用对刀仪的基本组成说明如下。

图4-22　对刀仪的示意图

a.刀柄定位机构

刀柄定位基准是测量的基准，所以有很高的精度要求，一般都要和机床主轴定位基准的要求接近，这样才能使测量数据接近在机床上使用的实际情况。定位机构实质上是一个回转精度很高、与刀柄锥面接触很好、带拉紧刀柄机构的对刀仪主轴。该主轴的轴向尺寸基准面与机床主轴相同。主轴能高精度回转，便于找出刀具上刀刃的最高点。对刀仪主轴中心线对测量轴Z、X有很高的平行度和垂直度要求。

b.测头部分

有接触式测量和非接触式测量。接触式测量用百分表（或扭簧仪）直接测量刀刃最高点，测量精度可达0.002～0.01mm左右。接触式测量比较直观，但容易损伤表头和切削刃。

非接触式测量用得较多的是投影光屏。投影物镜放大倍数有8、10、15和30倍等。由于光屏的质量、测量技巧、视觉误差等因素，其测量精度在0.005mm左右。非接触式测量不太直观，但可以综合检查切削刃质量。

c.Z、X轴尺寸测量机构

通过对带测头部分的两个坐标轴的移动，测得Z轴和X轴尺寸，即为刀具的轴向尺寸和半径尺寸。两轴使用的实测元件有许多种：机械式的有游标刻线尺、精密丝杠和刻线尺加读数头；电测量的有光栅数显、感应同步器数显和磁尺数显等。

d.测量数据处理装置

由于柔性制造技术的发展，对数控机床的刀具测试数据需要进行有效管理，因此在对刀仪上再配置计算机及附属装置，用来存储、输出、打印刀具预调数据，并与上一级管理计算机（刀具管理工作站、单元控制器）联网，形成供柔性制造单元（FMC）、柔性制造系统（FMS）使用的有效刀具管理系统。