盘类的机械加工工艺过程

6.3　盘类的机械加工工艺过程

6.3.1　普通机械加工工艺

普通机械加工工艺，主要是采用普通机床对零件进行的加工，首先，要进行零件图分析、确定加工基准、安装方案、机床及刀具的选择、制订加工路线、切削参数的确定；然后，编写加工工艺过程卡片及加工工序卡片等工作；最后，经过审核和批准后投入生产。

1．零件图工艺分析

分析零件图从以下几个方面进行：一是对其尺寸及公差；二是对其精度方面的形位公差进行分析，找出最佳的加工方法和手段。必须依据本车间的具体设备来确定加工方法，再看其他的特殊要求，如热处理等，要安排好其加工工序。

针对D300N型汽轮机推力瓦块来说：

（1）构成零件轮廓的几何条件

从产品图可以看出，该零件是一个26°扇形块，内外半径分别为187.55R，R294.，>厚40，中间有一个凸台宽18以及两个的孔，还有一长槽孔以及中间的三个精度要求不高的小孔，两个5.2φ，1个7φ。

（2）尺寸精度要求

其中尺寸精度要求最高的是厚，内外直径分别为187.55R，。这些尺寸精度由车削端面时来保证。其他有关形状和位置精度的要求、表面粗糙度等要求不是很高，在一般的机械加工中都能得到保证。

（3）形位公差的要求

按国家标准的未注要求执行，特别要注意的是图纸中没有有关形位公差的具体标注时，并不是说没有对其作要求，而是要按国家标准的要求执行，它和尺寸大小以及形状有关系，要查相应的标准才行，只是一般的机床加工出来的产品基本都能满足这一要求。

2．基准选择

根据零件不同的作用，零件的主要基准会有所不同。一是以端面为主（如支承块），其零件加工中的主要定位基准为平面；二是以内孔为主，由于盘的轴向尺寸小，往往在以孔为定位基准（径向）的同时，辅以端面的配合；三是以外圆为主（较少），与内孔定位同样的原因，往往也需要有端面的辅助配合。

D300N型汽轮机推力瓦块的毛坯是一圆环，以无巴氏合金的一端和内圆表面为粗基准，加工有巴氏合金端面，然后再以加工的面为精基准，加工无巴氏合金的一端上所有要加工的部分，直到达到所要求的尺寸和公差。

3．安装方案

（1）在车床上加工圆环时用三爪卡盘安装

用三爪卡盘装夹外圆时，为稳定可靠的定位，由于内径很大而采用反爪装夹（共限制工件除绕轴转动外的5个自由度）；装夹内孔时，以卡盘的离心力作用完成工件的定位、夹紧（也限制了工件除绕轴转动外的5个自由度）。以无巴氏合金的一端和内圆表面为粗基准，加工有巴氏合金端面，然后再以加工的面为精基准，加工无巴氏合金的一端上所有要加工的部分，直到达到所要求的尺寸和公差。

（2）在铣床上加工台阶和孔时用普通的压板夹具安装

以有巴氏合金的一端和内外圆表面为定位基准时，压板搭压在上表面空余的地方，以不妨碍走刀和测量即可，将压板和端面夹紧，为不伤害上表面，在压板和上表面之间可以垫铝板或铜板等。

（3）在铣床上加工台阶和孔时也可用虎钳安装

采用虎钳装夹，在虎钳和工件之间要设计和推力瓦块内外圆相适应的支承块垫，侧面夹紧，下面用方形垫铁把工件垫高，使上表面高出虎钳的边，以防止刀具和虎钳发生碰撞。

4．表面加工

零件上回转面的粗、半精加工仍以车为主，精加工则根据零件材料、加工要求、生产批量大小等因素选择磨削、精车、拉削或其他操作。零件上非回转面加工，则根据表面形状选择恰当的加工方法，一般安排于零件的半精加工阶段。

D300N型汽轮机推力瓦块，首先采用车削加工；然后上铣床加工。加工仿真如图6.3所示。

图6.3　铣削仿真

将零件上的台阶及孔加工完后，按均布的尺寸要求锯成成品。

5．刀具的选择

加工D300N型汽轮机推力瓦块的刀具具体见加工工艺过程卡。

选择刀具应根据机床的加工能力、工件材料的性能、加工工序、切削用量以及其他相关因素正确选用刀具及刀柄。刀具选择总的原则是：适用、安全和经济。

适用是要求所选择的刀具能达到加工的目的，完成材料的去除，并达到预定的加工精度。如粗加工时选择有足够大并有足够的切削能力的刀具能快速去除材料；而在精加工时，为了能把结构形状全部加工出来，要使用较小的刀具，加工到每一个角落；再如，当切削低硬度材料时，可以使用高速钢刀具，而当切削高硬度材料时，就必须要用硬质合金刀具。

安全指的是在有效去除材料的同时，不会产生刀具的碰撞、折断等。要保证刀具及刀柄不会与工件相碰撞或者挤擦，造成刀具或工件的损坏。如加长的直径很小的刀具用来切削硬质的材料时，很容易折断，选用时一定要慎重。

经济指的是能以最小的成本完成加工。在同样可以完成加工的情形下，选择相对综合成本较低的方案，而不是选择最便宜的刀具。刀具的耐用度和精度与刀具价格关系极大，必须引起注意的是：在大多数情况下，选择好的刀具虽然增加了刀具成本，但由此带来的加工质量和加工效率的提高则可能使总体成本比使用普通刀具更低，产生更好的效益。如进行钢材切削时，选用高速钢刀具，其进给只能达到100mm/min，而采用同样大小的硬质合金刀具，进给可以达到500mm/min以上，可以大幅缩短加工时间，虽然刀具价格较高，但总体成本反而更低。在通常情况下，优先选择经济性良好的可转位刀具。

在选择刀具时还要考虑安装调整的方便程度、刚性、耐用度和精度。在满足加工要求的前提下，刀具的悬伸长度应尽可能的短，以提高刀具系统的刚性。

6．切削用量三个要素

加工D300N型汽轮机推力瓦块的切削用量具体见加工工艺过程卡。

切削用量是用来表示切削运动、调整机床加工参数的参量，可用它对主运动和进给运动进行定量表述。切削用量包括切削速度、进给量和背吃刀量三个要素如图6.4所示。

图6.4　切削用量三要素

（1）切削速度（Vc）　切削刃上选定点相对于工件主运动的瞬时线速度。回转主运动的线速度Vc（mm/min）的计算公式如下：1000/

πdn V_c=　　　　　　　（6-1）

式中　d —— 切削刃上选定点处所对应的工件或刀具的回转直径，mm；

n —— 工件或刀具的转速，r/min。

需要注意的是：给车削加工时，应计算待加工表面的切削速度。

（2）进给量（f）　刀具在进给运动方向上相对于工件的位移量，称为进给量。用刀具或工件每转或每行程的位移量f（mm/r）来表示。其单位用mm/r或mm/行程（如刨削等）表示。

数控编程时，通常采用进给速度Vf（F指令）表示刀具与工件的相对运动速度，单位是mm/min。当车削时的进给速度Vf为

对于铰刀、铣刀等多齿刀具，通常规定每齿进给量f_z（mm），其含义是刀具每转过一个齿，刀具相对于工件在进给运动方向上的位移量。进给速度Vi与每齿进给量的关系为：

Z

inZf V=　　　　　　　 （6-3）

式中　Z——刀齿数。

（3）背吃刀量（α_p）　已加工表面与被加工表面之间的垂直距离，称为背吃刀量（mm），也称切削深度。车削外圆时：

式中　d_w—— 待加工表面直径，mm；

d_m—— 已加工表面直径，mm。在镗孔时，式中的d_w与d_m的位置互换一下。钻孔加工的背吃刀量为钻头的半径。

因此，制造切削用量就是要在已经选择好刀具材料和几何角度的基础上，确定切削深度α_p、进给量f和切削速度Vc。

7．切削用量的选择原则

切削用量的大小对切削力、切削功率、刀具磨损、加工质量和加工成本有显著影响。在数控加工中选择切削用量时，就是在保证加工质量和刀具耐用度的前提下，充分发挥机床性能和刀具切削性能，使切削功率最高，加工成本最低。制定切削用量的原则是在保证加工质量、降低成本和提高生产率的前提下，使v、f、α_p三者的乘积最大，此时，工序的切削工时最少。但是切削用量不能无限制的提高，过分增大切削用量会使刀具很快磨损，会使机床震动，也可能降低加工精度与表面质量。

自动换刀数控机床往主轴或刀库上装刀费时间较多，所以选择切削用量要保证刀具加工完一个零件，或保证刀具耐用度不低于一个工作班，最少不低于半个工作班。对易损刀具可采用姐妹刀形式，以保证加工的连续性。

粗、精加工时切削用量的选择原则如下：

（1）粗加工时切削用量的选择原则

首先选取尽可能大的背吃刀量；其次要根据机床动力和刚度的限制条件等，选取尽可能大的进给量；最后根据刀具耐用度确定最佳切削速度。

（2）精加工时切削用量的选择原则

首先根据粗加工后的余量确定背吃刀量；其次要根据已加工表面的粗糙度要求，选取较小的进给量；最后在保证刀具耐用度的前提下，尽可能选取较大的切削速度。

8．切削用量要素的选择

（1）切削深度的选择

切削深度应根据加工余量确定。粗加工时，除留下精加工的余量外，应尽可能一次性走刀切除全部粗加工余量。这样不仅能在保持一定耐用度的前提下使v⋅f⋅α_p的乘积最大，而且可以减少走刀次数。在中等功率的机床上，粗车时切削深度可达8～10mm；半精车（表面粗糙度值一般是Ra5～10μm）时，韧削深度可取为0.5～2.0mm；精车（表而粗糙度值一般是Ra1.25～2.50μm）时，切削深度可取为0.1～0.4mm。

在加工余量过大或工艺系统刚度（即机床——刀具——工件系统抵抗变形的能力）不足或刀片强度不足等情况下，应分成两次以上走刀。这时，应将第一次走刀的切削深度取大些，可占全部余量的2/3～3/4，而第二次定刀的切削深度小些，以使精加工工序获得较小的表面粗糙度及较高的加工精度。

切削零件表层有硬皮的铸、锻件或不锈钢等冷硬较严重的材料时，应使切削深度超过硬皮或冷硬层，以避免切削刃直接在硬皮或冷硬层上切削。

（2）进给量的选择

切削深度确定以后，应该进一步按工艺条件的限制选择最大的进给量。进给量的合理数值应当保证机床、刀具不至于因切削力太大而损坏，切削力所造成的工件变形量不至于超出工件精度允许的数值，表面粗糙度不至于太大等。

① 粗加工的进给量

在粗加工时限制进给量的因素主要是切削力，进给量应当根据被加工材料的性质与切削深度来决定。工件材料强度越大，切削深度越大，则切削力越大，允许的进给量越小。进给量还应根据工艺条件确定，机床越小或刀杆尺寸、工件尺寸越小，允许的进给量就越小。

在切削时，一般应根据所拥有的机床的尺寸先确定刀杆与刀片尺寸。以车削为例，先按表6.1选取车刀刀杆与刀片尺寸。根据这些选取数据，再参考切削用量手册按被加工材料与切削深度的不同选取进给量。

刀杆尺寸

表6.1　车刀刀杆与刀片尺寸选择的推荐值

②精加工和半精加工的进给量

在精加工和半精加工时，限制进给量的主要因素是表面粗糙度。应根据工件材料、刀尖圆弧半径、刀具副偏角、切削速度等影响表面粗糙度的因素选择进给量。当刀尖圆弧半径增大、副偏角减小时，加工表面粗糙度值较小，可选较大的进给量；当切削速度较高时，切削力降低，可适当增大进给量；当加工脆性材料时，得到崩碎切屑，切削层与加工表面的分界线不规则，加工表面不平整，表面粗糙度值较大，应选较小的进给量。在半精车时允许的进给量数值见切削用量手册。

（3）切削速度的确定

当α_p与f选定以后，应当在此基础上再选最大的切削速度。此速度主要受刀具耐用度的限制，但是在比较小、比较旧的机床上，限制切削速度的因素也可能是机床功率。因此，可以先按刀具耐用度来求出切削速度，然后再校验机床功率是否足够。车削时切削速度的计算公式见切削用量手册。用该式算出的是保证刀具耐用度为T（T应先选定）时的切削速度。

式中的k_v是修正系数，用它表示除α_p、f与T以外，当其他因素与建立公式的条件不同时对切削速度的影响。这些因素很多，主要的是

它们分别表示工件材料、毛坯表面状态、刀具材料、车削方式、主偏角不同时对切削速度的修正系数。车削速度的修正系数见切削用量手册。

9．工艺路线

D300N型汽轮机推力瓦块工艺路线如下，当然，随零件组成表面的变化，牵涉的加工方法也会有所不同。因此，该“典型”主要在于理解基础上的灵活运用，而不能死搬硬套：

备坯→去应力处理→粗车→半精车→精车→中检→非回转面加工→去毛刺→终检

10．机械加工工艺过程卡（如表6.4所示）

表6.4　D300N型汽轮机推力瓦块机械加工工艺过程卡

（续表）

（续表）

6.3.2　盘类零件的数控加工工艺制订

盘类零件选择数控车床加工，数控车床是目前使用得最广泛的数控机床之一。数控车床、车削中心，是一种高精度、高效率的自动化机床。它具有广泛的加工工艺性能，具有直线插补、圆弧插补各种补偿功能，并在复杂零件的批量生产中发挥了良好的经济效果。数控车床主要用于加工轴类、盘类等回转体零件。通过数控加工程序的运行，可自动完成内外圆柱面、圆锥面、成型表面、螺纹和端面等工序的切削加工，并能进行车槽、钻孔、扩孔、铰孔等工作。车削中心与数控车床的主要区别是：车削中心具有动力刀架和C轴功能，可在一次装夹中完成更多的加工工序，提高加工精度和生产效率，如法兰盘内外圆、端面及圆周均布的通孔或台阶孔的加工，同时还可以加工变节距变径螺纹、端面凸轮槽、交叉槽等，特别适合于复杂形状回转类零件的加工。工艺分析是数控车削加工的前期工艺准备工作。工艺制订得合理与否，对程序编制、机床的加工效率和零件的加工精度都有重要的影响。因此，应遵循一般的工艺原则并结合数控车床的特点，认真而详细地制订好零件的数控加工工艺。

在制订数控车削加工工艺的过程中，工艺编制应遵循前面所述的加工工艺设计的总体原则，在这里主要针对数控车削加工常用的原则进行叙述，同时还对数控车削加工的特点进行分析。

对于D300N型汽轮机推力瓦块来说，可以先用普通车床加工好一端面作为定位基准，其余的工序都可以在数控铣床上完成所有的加工。

采用数控加工同样也要进行零件图的工艺分析，基本和普通加工类似，在这里就不再重述，可以查阅相关的资料，不同之处就是要进行一些必要的计算，为编程做准备。

D300N型汽轮机推力瓦块加工方式主要是采用车削，先在车床上车出回转结构，然后通过数控铣加工出其他结构，如图6.5所示。

图6.5　推力瓦块

1．零件图工艺分析

在设计零件的加工工艺规程时，首先要对加工对象进行深入分析。

分析同前普通加工。

2．确定零件的定位基准和装夹方式

（1）定位基准　以毛坯工件外圆及左端面为工艺基准。

（2）装夹方法　采用三爪自定心卡盘自定心夹紧。

3．制订加工方案

根据图样要求、毛坯及前道工序加工情况，确定工艺方案及加工路线。

数控加工顺序：

（1）车各回转面；

（2）铣两辐射面及平面1、钻铰销孔3和4、铣腰型孔、钻φ7测温孔6、钻螺孔5底孔φ2.5。

（3）铣锯开槽（立式加工中心加工）；

（4）锯开各段；

（5）铣两端面；

（6）钳工攻M3螺孔。

数控加工过程简洁明了，根据推力瓦材料较软（材料为铸铜）的特性，使用合金钻头，调整好切削参数，钻削瓦背上φ12、φ8销孔后就已达到图纸要求，省去了铰孔工步；而M3螺纹底孔，通过高转速、小进给、循环钻孔，使排屑流畅，只要注意钻头的使用寿命，在寿命期前及时更换，极少有断钻头的情况发生。铣完配合凸台两侧的平面后，根据图纸角度在每两块之间铣出一条5mm深的凹槽（我们称之为画线槽），既方便后序锯床按此槽找正、锯开，再也不会发生锯偏的情况，又给后面铣床铣准两辐射端面时提供了找正和铣削的基准，按此槽铣平即可。

5．数控加工编程

在数控加工时主要针对某个面、孔、边来进行编程，针对此工件加工工序多，程序较多，篇幅有限，只以两个加工工序为例说明编程情况。

下面以铣两辐射面及钻孔为例，采用自动编程系统编制的程序如下：

（1）铣两辐射面（如图6.6所示）

图6.6　铣两辐射面

N15 G0 G17 G99

N20 G90 G94

N25 G0 G49

N30 T1 M06　　　 （换刀）

N35 S2000 M03　　　（设定转速）

N40 G0 G43 Z20. H1　　 （刀长补偿）

N45 X-108.059 Y329.958　　（起点坐标）

N50 Z5.　　　　　　（下刀）

N55 G1 Z-3.1 F700.　　　　 （切削进刀）

N60 X-100.401 Y298.888

N65 X-97.537 Y293.432

N70 X-75.401 Y305.05

N75 X-75. Y304.287

N80 X-76.821 Y288.391

N85 X-66. Y267.773

N90 Y291.058

N95 X-75. Y304.287

N100 Y305.149

N105 Z20.　　　　　 （抬刀准备第二次循环）

N110 X-75.401 Y305.05 F2540.

N115 G0 Z5.

N120 G1 Z-3.1 F700.

N125 X-97.537 Y293.432

N130 X-50. Y202.858

N135 X-51.821 Y186.962

N140 X-45.058 Y174.075

N145 X-41. Y175.076

N150 Y189.629

N155 X-50. Y202.858

N160 Y311.311

N165 Z20.

…………

N2190 M30

％

（2）钻φ7孔（如图6.7所示）

图6.7　钻头

N5 G71

N10（ / M165242400A）

N15 G0 G17 G99

N20 G90 G94

N25 G0 G49

N30 T3 M06

N35 S600 M03

N40 G0 G43 Z20. H3

N45 X0. Y276.

N50 G81 X0. Y276. Z-16.605 R5. F60.　　（钻孔循环）

N55 G80　　　　　　　　（取消循环）

N60 G0 Z20.

N65 X-128.264 Y244.386

N70 G81 X-128.264 Y244.386 Z-16.605 R5. F60.

N75 G80

N80 G0 Z20.

N85 X-227.144 Y156.786

N90 G81 X-227.144 Y156.786 Z-16.605 R5. F60.

N95 G80

N100 G0 Z20.

N105 X-273.988 Y33.268

N110 G81 X-273.988 Y33.268 Z-16.605 R5. F60.

N115 G80

N120 G0 Z20.

N125 X-258.064 Y-97.871

N130 G81 X-258.064 Y-97.871 Z-16.605 R5. F60.

N135 G80

N140 G0 Z20.

N145 X-183.022 Y-206.589

N150 G81 X-183.022 Y-206.589 Z-16.605 R5. F60.

N155 G80

N160 G0 Z20.

N165 X-66.051 Y-267.98

N170 G81 X-66.051 Y-267.98 Z-16.605 R5. F60.

N175 G80

N180 G0 Z20.

N185 X66.051

N190 G81 X66.051 Y-267.98 Z-16.605 R5. F60.

N195 G80

N200 G0 Z20.

N205 X183.022 Y-206.589

N210 G81 X183.022 Y-206.589 Z-16.605 R5. F60.

N215 G80

N220 G0 Z20.

N225 X258.065 Y-97.871

N230 G81 X258.065 Y-97.871 Z-16.605 R5. F60.

N235 G80

N240 G0 Z20.

N245 X273.988 Y33.268

N250 G81 X273.988 Y33.268 Z-16.605 R5. F60.

N255 G80

N260 G0 Z20.

N265 X227.143 Y156.786

N270 G81 X227.143 Y156.786 Z-16.605 R5. F60.

N275 G80

N280 G0 Z20.

N285 X128.263 Y244.386

N290 G81 X128.263 Y244.386 Z-16.605 R5. F60.

N295 G80

N300 G0 Z20.

N305 M30

％