加工中心的加工工艺

4.2.1 加工中心的工艺特点

数控加工中心可以归纳出如下一些工艺特点。

1. 适合加工周期性复合投产的零件

有些产品的市场需求具有周期性和季节性，如果采用专门生产线则得不偿失，用普通设备加工效率又太低，质量不稳定，数量也难以保证。而采用加工中心首件试切完成后，程序和相关生产信息可保留下来，下次产品再生产时只要很短的准备时间就可以开始生产。

2. 适合加工高效、高精度工件

有些零件需求甚少，但属关键部件，要求精度高且工期短。用传统工艺需要多台机床协调工作，周期长、效率低。在长工序流程中，受人为影响易出废品，从而造成重大经济损失。采用加工中心进行加工，生产完全由程序自动控制，避免了长工艺流程，减少了硬件投资和人为干扰，具有生产效益高及质量稳定的优点。

3. 适合加工具有合适批量的工件

加工中心生产的柔性不仅体现在对特殊要求的快速反应上，而且可以快速实现批量生产，拥有并提高市场竞争能力。加工中心适合于中小批量生产，特别是小批量生产。在应用加工中心时，尽量使批量大于经济批量，以达到良好的经济效果。随着加工中心及辅具的不断发展，经济批量越来越小，对一些复杂零件，达到5～10件就可生产，甚至单件生产时也可考虑用加工中心。

4. 适合于加工形状复杂的零件

四轴联动、五轴联动加工中心的应用及CAD/CAM技术的成熟发展，使加工复杂零件的自动化程度大幅提高。DNC的使用使同一程序的加工内容足以满足各种加工要求，使复杂零件的自动加工变得非常容易。

5. 其他特点

加工中心还适合于加工多工位和工序集中的工件及难测量工件。另外，装夹困难或完全由找正定位来保证加工精度的工件不适合在加工中心上生产。

4.2.2 加工中心刀具系统

1. 加工中心对刀具的要求

加工中心对刀具的基本要求主要体现在以下几个方面。

(1) 良好的切削性能，能承受高速切削和强力切削并且性能稳定。

(2) 较高的精度，刀具的精度指刀具的形状精度和刀具与装夹装置的位置精度。

(3) 配备完善的工具系统，满足多刀连续加工的要求。

加工中心所使用刀具的刀头部分与数控铣床所使用的刀具基本相同，除铣刀以外，加工中心使用比较多的是孔加工刀具，包括加工各种大小孔径的麻花钻、扩孔钻、锪孔钻、铰刀、镗刀、丝锥及螺纹铣刀等。为了适应高效、高速、高刚性和大功率的加工发展要求，在选择刀具材料时，一般尽可能选用硬质合金刀具，精密镗孔等还可选用性能更好、更耐磨的立方氮化硼和金刚石刀具。这些孔加工刀具一般都采用涂层硬质合金材料，分为整体式和机夹可转位式两类，如图4-3所示。加工中心所使用刀具的刀柄部分与一般数控铣床所用刀柄部分不同，加工中心用刀柄带有夹持槽供机械手夹持。

图4-3 硬质合金整体式系列刀具和硬质合金可转位式系列刀具

2. 自动换刀装置

在加工中心加工零件的过程中，换刀动作是由自动换刀装置完成的。自动换刀装置应该满足换刀时间短、刀具重复定位精度高、刀具储存数量足够、结构紧凑、便于制造、便于维修、便于调整、有防屑防尘装置、布局应合理等要求。同时也应具有较好的刚性，冲击、振动及噪声小，运转安全可靠等特点。自动换刀系统由刀库、选刀机构、刀具交换机构(如机械手)、刀具在主轴上的自动装卸机构等部分组成。

自动换刀方式分为两大类:一是由刀库和主轴的相对运动实现刀具交换，用这种形式交换刀具时，主轴上用过的刀具送回刀库和从刀库中取出新刀，这两个动作不能同时进行，选刀和换刀由数控定位系统来完成，因此换刀时间长，换刀动作也较多;二是由机械手进行刀具交换。

3. 刀库与刀具管理

刀库的功能是储存加工工序所需的各种刀具，并按程序T指令，把将要用的刀具准确地送到换(取)刀位置，并接受从主轴送来的已用刀具。刀库的储存量一般在8～64把范围内，多的可达100～200把。

1) 刀库的形式

加工中心普遍采用盘式刀库和链式刀库，如图4-4和图4-5所示。密集型的鼓刀库或格子式刀库虽然占地面积小，但由于结构的限制，很少用于单机加工中心。密集型的固定刀库目前多用于FMS中的集中供刀系统。盘式刀库一般用于刀具容量较少的刀库，而链式刀库一般刀具数量在30～120把，刀具数量大时多采用链式刀库。

图4-4 盘式刀库

图4-5 链式刀库

2) 自动换刀的选刀方式

(1) 顺序选刀。将刀具按预定工序的先后顺序插入刀库的刀座中，使用时按顺序转到取刀位置。用过的刀具放回原来的刀座内，也可以按加工顺序放入下一个刀座内。顺序选刀的特点是不需要刀具识别装置，驱动控制也较简单，工作可靠。但刀库中每一把刀具在不同的工序中不能重复使用，为了满足加工需要只有增加刀具的数量和刀库的容量，这就降低了刀具和刀库的利用率。此外，装刀时必须十分谨慎，如果刀具不按顺序装在刀库中，将会产生严重的后果，这种方式现在已很少采用。

(2) 任意选刀方式。目前绝大多数的数控系统都具有任意选择刀具功能。刀库中，刀具的排列顺序与工件加工顺序无关，数控系统根据程序T指令的要求任意选择所需要的刀具，相同的刀具可重复使用。

任选刀具的换刀方式主要有刀具编码识别、刀套编码识别和软件记忆识别方式。

刀具编码或刀套编码都需要在刀具或刀套上安装用于识别的编码条，每把刀具(或刀座)一般都是根据二进制编码原理进行编码。自动换刀时，刀库旋转，每把刀具(或刀座)都经过刀具识别装置接受识别，如图4-6所示。当某把刀具的代码(如00000111)与数控指令的代码(如T07)相符合时，该把刀具被选中，刀库驱动，将刀具送到换刀位置，等待机械手来抓取。

图4-6 刀具编码及编码识别结构

4.2.3 加工中心的加工工艺分析

1. 零件的工艺分析

1) 选择加工内容

加工中心最适合加工形状复杂、工序较多、要求较高的零件，这类零件常需使用多种类型的通用机床、刀具和夹具，经多次装夹和调整才能完成加工。

2) 检查零件图样

零件图样应表达正确，标注齐全。同时要特别注意，图样上应尽量采用统一的设计基准，从而简化编程，保证零件的精度要求。

例如，图4-7中所示零件图样。在图4-7(a)中，A、B两面均已在前面工序中加工完毕，在加工中心上只进行所有孔的加工。以A、B两面定位时，由于高度方向没有统一的设计基准，φ48H7孔和上方两个φ25H7孔与B面的尺寸是间接保证的，欲保证32.5±0.1和52.5 ±0.04尺寸，须在上道工序中对105±0.1尺寸公差进行压缩。若改为图4-7(b)所示标注尺寸，各孔位置尺寸都以A面为基准，基准统一，且工艺基准与设计基准重合，加工时各尺寸都容易得到保证。

图4-7 零件加工的基准统一

3) 分析零件的技术要求

根据零件在产品中的功能，分析各项几何精度和技术要求是否合理;考虑在加工中心上加工，能否保证其精度和技术要求;选择哪一种加工中心最为合理。

4) 审查零件的结构工艺性

分析零件的结构刚度是否足够，各加工部位的结构工艺性是否合理等。

2. 工艺过程设计

工艺设计时，主要考虑精度和效率两个方面，一般遵循“先面后孔、先基准后其他、先粗后精”的原则。加工中心在一次装夹中，尽可能完成所有能够加工表面的加工。对位置精度要求较高的孔系加工，要特别注意安排孔的加工顺序，安排不当，就有可能将传动副的反向间隙带入，直接影响位置精度。例如，安排图4-8(a)所示零件的孔系加工顺序时，若按图4-8(b)所示的路线加工，由于5、6孔与1、2、3、4孔在Y向的定位方向相反，Y向反向间隙会使误差增加，从而影响5、6孔与其他孔的位置精度。按图4-8(c)所示路线，可避免反向间隙的引入。

加工过程中，为了减少换刀次数，可采用刀具集中工序，即用同一把刀具把零件上相应的部位都加工完，再换第二把刀具继续加工。但是，对于精度要求很高的孔系，若零件是通过工作台回转确定相应的加工部位时，因存在重复定位误差，不能采取这种方法。

3. 零件的装夹

1) 定位基准的选择

用加工中心加工时，零件的定位仍应遵循六点定位原则。同时，还应特别注意以下几点。

图4-8 孔系加工顺序

(1) 进行多工位加工时，定位基准的选择应考虑能完成尽可能多的加工内容，便于各个表面都能被加工的定位方式。例如，对于箱体零件，尽可能采用一面两销的组合定位方式。

(2) 当零件的定位基准与设计基准难以重合时，应认真分析装配图样，明确该零件设计基准的设计功能，通过尺寸链的计算，严格规定定位基准与设计基准间的尺寸位置精度要求，确保加工精度。

(3) 编程原点与零件定位基准可以不重合，但两者之间必须要有确定的几何关系。编程原点的选择主要考虑便于编程和测量。如图4-9所示的零件，在加工中心上加工φ80H7孔和4-φ25H7孔，其中4-φ25H7都以φ80H7孔为基准，编程原点应选择在φ80H7孔的中心线上。当零件定位基准为A、B两面时，定位基准与编程原点不重合，但同样能保证加工精度。

图4-9 编程原点与定位基准

2) 夹具的选用

在加工中心上，夹具的任务不仅是装夹零件，而且要以定位基准为参考基准，确定零件的加工原点。因此，定位基准要准确可靠。

3) 零件的夹紧

在考虑夹紧方案时，应保证夹紧可靠，并尽量减少夹紧变形。

4. 典型零件加工中心加工工艺

下面以槽型凸轮零件为例，讲解其加工中心的加工工艺。

图4-10所示为槽形凸轮零件，在铣削加工前，该零件是一个经过加工的圆盘，圆盘直径为φ280mm，带有两个基准孔φ35mm及φ12mm。φ35mm及φ12mm为两个定位孔，X面已在前面加工完毕，本工序是在铣床上加工槽。该零件的材料为HT200，分析其数控加工工艺。

图4-10 槽形凸轮零件

1) 零件图工艺分析

该零件凸轮轮廓由HA、BC、DE、FG和直线AB、HG及过渡圆弧CD、EF所组成。组成轮廓的各几何元素关系清楚，条件充分，所需要基点坐标容易求得。凸轮内外轮廓面对X面有垂直度要求。材料为铸铁，切削工艺性较好。

根据分析，采取以下工艺措施:凸轮内外轮廓面对X面有垂直度要求，只要提高装夹精度，使X面与铣刀轴线垂直，即可保证。

2) 选择设备

加工平面凸轮的数控铣削，一般采用两轴以上联动的数控铣床，首先要考虑的是零件的外形尺寸和质量，使其在机床的允许范围以内。其次考虑数控机床的精度是否能满足凸轮的设计要求。第三，看凸轮的最大圆弧半径是否在数控系统允许的范围之内。根据以上三条即可确定所要使用的数控机床为两轴以上联动的数控铣床或加工中心。

3) 确定零件的定位基准和装夹方式

定位基准，采用“一面两孔”定位，即用圆盘X面和两个基准孔作为定位基准。

根据工件特点，用一块320mm×320mm×40mm的垫块，在垫块上分别精镗φ35mm及φ12mm两个定位孔(当然要配定位销)，孔距离80±0.015mm，垫板平面度为0.05mm，该零件在加工前，先固定夹具的平面，使两定位销孔的中心连线与机床X轴平行，夹具平面要保证与工作台面平行，如图4-11所示。

图4-11 凸轮加工装夹示意图

4) 确定加工顺序及走刀路线

整个零件的加工顺序拟订按照“基面先行、先粗后精”的原则确定。因此应先加工用做定位基准的φ35mm及φ12mm两个定位孔和X面，然后再加工凸轮槽内外轮廓表面。由于该零件的φ35mm及φ12mm两个定位孔和X面已在前面工序加工完毕，在这里只分析加工槽的走刀路线。走刀路线包括平面内进给走刀和深度进给走刀两部分路线。平面内的进给走刀，对外轮廓是从切线方向切入;对内轮廓是从过渡圆弧切入。在数控铣床上加工时，对铣削平面槽形凸轮，深度进给有两种方法:一种是在XZ(或YZ)平面内来回铣削逐渐进刀到既定深度;另一种是先打一个工艺孔，然后从工艺孔进刀到既定深度。

进刀点选在P(150，0)点，刀具来回铣削，逐渐加深到铣削深度，当达到既定深度后，刀具在XY平面内运动，铣削凸轮轮廓。为了保证凸轮的轮廓表面有较高的表面质量，采用顺铣方式，即从P点开始，对外轮廓按顺时针方向铣削，对内轮廓按逆时针方向铣削。

5) 刀具的选择

根据零件结构特点，铣削凸轮槽内、外轮廓(即凸轮槽两侧面)时，铣刀直径受槽宽限制，同时考虑铸铁属于一般材料，加工性能较好，选用φ18mm硬质合金立铣刀，数控加工刀具卡片见表4-1。

表4-1 数控加工刀具卡片

6) 切削用量的选择

凸轮槽内、外轮廓精加工时留0.2mm铣削用量，确定主轴转速与进给速度时，先查切削用量手册，确定切削速度与每齿进给量，然后利用公式vc=πdn/1000，计算主轴转速n，利用公式vf=nZfz，计算进给速度。

7) 填写数控加工工序卡片(见表4-2)

表4-2 槽形凸轮的数控加工工序卡片