《數(shù)控加工工藝學(xué)》課件第6章

第6章復(fù)雜形狀零件的數(shù)控加工工藝6.1復(fù)雜形狀零件的數(shù)控加工工藝概況6.2機床類型與工藝特點6.3復(fù)雜形狀零件數(shù)控加工工藝方案6.4其他工藝問題

6.1復(fù)雜形狀零件的數(shù)控加工工藝概況

各種復(fù)雜形狀零件的數(shù)控加工工藝，如粗、精加工，用戶可以根據(jù)零件結(jié)構(gòu)、加工表面形狀和加工精度要求選擇合適的加工類型。

復(fù)雜形狀零件的數(shù)控加工工藝，都必須采用相應(yīng)的數(shù)控編程軟件來實現(xiàn)自動編程，對于不同的加工類型，各種數(shù)控編程軟件CAM的數(shù)控編程過程都需經(jīng)過獲取零件模型、加工工藝分析及規(guī)劃、完善零件模型、設(shè)置加工參數(shù)、生成數(shù)控刀路、檢驗數(shù)控刀路和生成數(shù)控程序七個步驟，其流程如圖6－1所示。圖6－1復(fù)雜零件數(shù)控加工流程圖

1.建立或者獲取零件模型

零件的CAD模型是數(shù)控編程的前提和基礎(chǔ)，CAM數(shù)控程序的編制必須有CAD模型作為加工對象。CAD/CAM軟件要具有強大的CAD系統(tǒng)，用戶可以通過模塊之間的切換，在零件設(shè)計、曲面造型等模塊中建立所需的零件CAD模型，完成后再切換到相應(yīng)的數(shù)控加工模塊中。用戶也可以將其他CAD系統(tǒng)所建立的零件模型轉(zhuǎn)換為公共的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換格式，如iges、step等，再導(dǎo)入相應(yīng)的CAD/CAM軟件中并得到零件模型。

2.加工工藝分析及規(guī)劃

加工工藝分析和規(guī)劃在很大程度上決定了數(shù)控程序的質(zhì)量，主要是確定加工區(qū)域、加工性質(zhì)、走刀方式、使用刀具、主軸轉(zhuǎn)速和切削進給等項目。加工工藝分析及規(guī)劃主要包括以下內(nèi)容：

(1)加工對象的確定：通過對模型的分析，確定工件的哪些部位需要在數(shù)控銑床上或者數(shù)控加工中心加工。數(shù)控銑床加工的工藝適應(yīng)性也是有一定限制的，對于尖角、細小的筋條等部位是不適合加工的，應(yīng)使用線切割或者電加工來加工；而某些加工內(nèi)容可能使用普通機床有更好的經(jīng)濟性，如孔的加工可以使用鉆床，回轉(zhuǎn)體加工可以用車床來加工。

(2)加工區(qū)域規(guī)劃：即對加工對象進行分析，按其形狀特征、功能特征及精度、粗糙度要求將加工對象分成若干個加工區(qū)域。對加工區(qū)域進行合理規(guī)劃，可以達到提高加工效率和加工質(zhì)量的目的。

(3)加工工藝路線規(guī)劃：從粗加工到精加工，再到清根加工的加工流程規(guī)劃，以及加工余量分配。

(4)加工工藝和加工方式確定：如刀具選擇、加工工藝參數(shù)和切削方式的選擇等。

3.完善零件模型

由于CAD造型人員更多地考慮零件設(shè)計的方便性和完整性，較少顧及零件模型對CAM加工的影響，因此要根據(jù)加工對象的確定及加工區(qū)域劃分對模型做一些完善。零件模型的完善通常有以下一些內(nèi)容。

(1)確定坐標系。坐標系是加工的基準，應(yīng)將坐標系定位在適合機床操作人員確定的位置，同時應(yīng)保持坐標系的統(tǒng)一。

(2)清理隱藏的、對加工不產(chǎn)生影響的元素。

(3)修補部分曲面。對于因有不加工部位存在而造成的曲面空缺部位，應(yīng)該補充完整。如鉆孔的曲面，在狹小的凹槽部位等，應(yīng)該將這些曲面重新做完整，這樣獲得的刀具路徑規(guī)范而且安全。

(4)增加安全曲面。

(5)對輪廓曲線進行修整。對于通過公共數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換格式得到的零件CAD模型，看似光滑的曲線可能存在斷點，看似一體的曲面在連接處可能不相交。可以通過修整或者創(chuàng)建輪廓線構(gòu)造出最佳的加工邊界曲線。

(6)構(gòu)建刀路限制邊界。需要使用邊界來限制加工范圍的加工區(qū)域，先構(gòu)建出邊界曲線。

4.設(shè)置加工參數(shù)

參數(shù)設(shè)置可視為對工藝分析和規(guī)劃的具體實施，它構(gòu)成了利用CAD/CAM軟件進行數(shù)控編程的主要操作內(nèi)容，直接影響生成的數(shù)控程序質(zhì)量。參數(shù)設(shè)置的內(nèi)容主要有以下幾個方面。

(1)設(shè)置加工對象：用戶通過交互手段選擇被加工的幾何體或其中的加工分區(qū)、毛坯和避讓區(qū)域等。

(2)設(shè)置切削方式：指定刀軌的類型及相關(guān)參數(shù)。

(3)設(shè)置刀具及機械參數(shù)：針對每一個加工工序選擇合適的加工刀具，并在CAD/CAM軟件中設(shè)置相應(yīng)的機械參數(shù)，包括主軸轉(zhuǎn)速、切削進給、切削液控制等。

(4)設(shè)置加工程序參數(shù)：包括對進退刀位置及方式、切削用量、行間距、加工余量、安全高度等的設(shè)置。這是參數(shù)設(shè)置中最主要的內(nèi)容之一。

5.生成數(shù)控刀路

在完成參數(shù)的設(shè)置后，CAD/CAM軟件將自動進行刀軌的計算。

6.檢驗數(shù)控刀路

為確保數(shù)控程序的安全性，必須對生成的刀軌進行檢查校驗，檢查刀路是否有明顯過切或者加工不到位等問題，并檢查是否發(fā)生與工件及夾具的干涉。當檢查中發(fā)現(xiàn)問題時，應(yīng)該調(diào)整參數(shù)的設(shè)置，再重新進行計算、校驗，直到準確無誤。

7.生成數(shù)控程序

前面生成的只是數(shù)控刀軌，還需要將刀軌以規(guī)定的標準格式轉(zhuǎn)換為數(shù)控代碼并輸出保存。數(shù)控程序文件可以用記事本進行打開。在生成數(shù)控程序后，還需要檢查這個程序文件，特別要對程序及程序尾部的語句進行檢查，如有必要可以修改。數(shù)控程序文件可以通過傳輸軟件傳輸?shù)綌?shù)控機床的控制器上，由控制器按程序語句驅(qū)動機床加工。 6.2機床類型與工藝特點

1.兩軸聯(lián)動數(shù)控機床

兩軸聯(lián)動的數(shù)控機床主要有數(shù)控車床。數(shù)控車床以主軸夾持工件旋轉(zhuǎn)，刀具隨X、Z軸的聯(lián)動插補，對工件進行加工。所以，數(shù)控車床是以回轉(zhuǎn)類零件為加工對象的，加工的工件形狀以平面二維曲線為主，是比較簡單的型面加工。

兩軸聯(lián)動的數(shù)控銑床，其X、Y、Z三軸中任意兩軸作插補聯(lián)動，第三軸作單獨的周期進刀，常稱2.5軸聯(lián)動。兩軸聯(lián)動加工所用的刀具通常是球刀銑頭（即指狀銑刀）。用這種刀具加工曲面，不易干涉相鄰表面，計算比較簡單。球狀銑刀的刀頭半徑應(yīng)選得大一些，有利于提高加工光潔度、增加刀具剛度、散熱等。但刀頭半徑應(yīng)小于曲面的最小曲率半徑。

用球頭銑刀加工曲面時，總是用刀心軌跡的數(shù)據(jù)進行編程，常用于曲率變化不大以及精度要求不高的粗加工。

2.三軸聯(lián)動數(shù)控機床

三軸聯(lián)動數(shù)控機床是指機床的X、Y、Z三軸可同時插補聯(lián)動，若三個坐標軸中只有兩個或任意兩個可以同時控制（聯(lián)動），則稱其為三軸兩聯(lián)動?，F(xiàn)代的三坐標數(shù)控機床一般都具有三軸聯(lián)動的能力，具有加工形狀復(fù)雜的二維以及三維復(fù)雜輪廓的能力，這些復(fù)雜輪廓零件的加工有的只需二軸聯(lián)動（如二維曲線、二維輪廓和二維區(qū)域加工），有的則需三軸聯(lián)動（如曲面加工）。三軸聯(lián)動的數(shù)控刀軌可以是平面曲線或者空間曲線。三坐標聯(lián)動加工常用于復(fù)雜曲面的精確加工（如精密鍛模）。對于三坐標數(shù)控加工中心，無論是立式還是臥式的，由于具有自動換刀能力，因此適合于多工序的加工，如箱體等需要銑、鉆、鉸及攻絲等多工序加工的零件。對于臥式加工中心，加裝分度轉(zhuǎn)臺后，可實現(xiàn)四面加工。若主軸方向可變換時，則可以實現(xiàn)五面的加工。這種機床能夠?qū)崿F(xiàn)一次裝夾完成多表面的加工，可以保證形位公差（如垂直度、平行度等）的要求，提高加工質(zhì)量。此種設(shè)備特別適合于加工復(fù)雜的箱體類零件、泵體、閥體、殼體等。

3.四軸聯(lián)動數(shù)控機床

四軸聯(lián)動數(shù)控機床除了有X、Y、Z三軸平動之外，還有工作臺或者刀具的轉(zhuǎn)動（A或B），且四個軸可以聯(lián)動。其中，轉(zhuǎn)動軸既可以作用于刀具（刀具擺動），也可以作用于工件（工作臺回轉(zhuǎn)/擺動）。機床既可以是立式的，也可以是臥式的。此外，轉(zhuǎn)動軸既可以是A軸（繞X軸轉(zhuǎn)動），也可以是B軸（繞Y軸轉(zhuǎn)動）。由此可以看出，四軸聯(lián)動數(shù)控機床可具有多種結(jié)構(gòu)類型。四軸聯(lián)動數(shù)控機床以工作臺回轉(zhuǎn)/擺動的結(jié)構(gòu)為多，相對于靜止的工件來說，刀具的運動位置不僅是任意可控的，而且刀具軸線的方向在刀具擺動平面內(nèi)也是可控的，因此其加工的工件型面可以是比較復(fù)雜的。與三軸聯(lián)動數(shù)控機床比較，其加工工藝范圍更廣，加工更加靈活，加工效果更好。

4.五軸聯(lián)動數(shù)控機床

數(shù)控機床除了X、Y、Z三軸的平動外還有刀具旋轉(zhuǎn)、工作臺的旋轉(zhuǎn)（A、B或A、C或B、C）。五軸聯(lián)動數(shù)控機床由于有兩個轉(zhuǎn)動軸，其運動軸的配置形式有很多種，可以歸納為以下三種結(jié)構(gòu)形式。

1)刀具擺動型

這種結(jié)構(gòu)類型是指兩個轉(zhuǎn)動軸都作用于刀具上，由刀具繞兩個互相正交的軸轉(zhuǎn)動，以使刀具能指向空間任意方向。由于運動是順序傳遞的，因而在兩個旋轉(zhuǎn)軸中，有一個的軸線方向在運動過程中始終不變，稱為定軸，而另一個的軸線方向則是隨著定軸的運動而變化的，稱為動軸（動軸緊靠刀具）。對于定、動軸的配置，理論上存在A－B、A－C、B－A、B－C、C－A和C－B等六種組合情況。但由于在A－C和B－C的配置情況下，動軸軸線與刀具軸線平行而沒有意義，因此，定、動軸的運動配置實際上只有A－B、B－A、C－A和C－B等四種。這類機床的主要特點是擺動機構(gòu)結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，一般剛性較差，但其運動靈活，機床操作（如裝卡工件）較方便，因而在大型龍門式機床上被廣泛采用。

2)工作臺回轉(zhuǎn)/擺動型

這種結(jié)構(gòu)類型是指兩個轉(zhuǎn)動軸都作用于工件上，根據(jù)運動的相對性原理，它與刀具擺動型產(chǎn)生的效果在本質(zhì)上是一樣的。這種結(jié)構(gòu)也是定、動軸的配置（動軸緊靠工件），對于定、動軸的配置，理論上也存在A－B、A－C、B－A、B－C、C－A和C－B等六種組合情況。但由于此時的定軸到刀具間只存在平動，因而選C軸作為定軸將因不能改變刀具的軸線方向而失去意義，因此，定、動軸的運動配置實際上只有A－B、A－C、B－A和B－C等四種。這類機床的主要特點是其旋轉(zhuǎn)擺動工作臺機構(gòu)結(jié)構(gòu)剛性容易得到保證，工藝范圍廣，而且容易實現(xiàn)。但由于工件要隨工作臺一起在空間運動，其總重量較大，因此此種結(jié)構(gòu)主要適合中小規(guī)格的機床，用于加工體積和質(zhì)量不大的零件。

3)刀具與工作臺回轉(zhuǎn)/擺動型

這種結(jié)構(gòu)類型是指刀具與工件各具有一個轉(zhuǎn)動運動。這種結(jié)構(gòu)不是定、動軸結(jié)構(gòu)，兩個回轉(zhuǎn)軸在空間的方向都是固定的。對于兩個軸的配置情況，若按先工件后刀具的順序，則理論上也存在A－B、A－C、B－A、B－C、C－A和C－B等六種組合情況，刀具繞其轉(zhuǎn)動的軸不能平行于C軸，否則同樣將因不能改變刀具的軸線方向而失去意義。兩個回轉(zhuǎn)軸的運動配置實際上只有A－B、B－A、C－A和C－B等四種。此類結(jié)構(gòu)機床的特點介于上述兩類之間。

6.3復(fù)雜形狀零件數(shù)控加工工藝方案

6.3.1二維輪廓加工

平面輪廓加工一般采用環(huán)切方式，即刀具沿著某一固定的轉(zhuǎn)向圍繞著工件輪廓環(huán)形運動，最終一環(huán)刀具運動軌跡是工件輪廓的等距曲線，即將加工輪廓線按實際情況左偏或右偏一個刀具半徑。6.3.2二維型腔加工

二維型腔是指以平面封閉輪廓為邊界的平底直壁凹坑。二維型腔加工的一般過程是：沿輪廓邊界留出精加工余量，先用平底端銑刀用環(huán)切或行切法走刀，銑去型腔的多余材料，最后沿型腔底面和輪廓走刀，精銑型腔底面和邊界外形。型腔零件切削有兩種方式，一種是環(huán)切方式，另一種是行切方式。型腔的環(huán)切方式與平面輪廓的環(huán)切方式相似，刀具基本上是在與工件輪廓等距離的環(huán)上運動，逐步切近工件，最后一環(huán)是沿工件輪廓向左或右偏離一個刀具半徑的曲線。行切方式刀具可以按S形或Z形方式走刀，當型腔較深時，則要分層進行粗加工，這時還需要定義每一層粗加工的深度以及型腔的實際深度，以便計算需要分多少層進行粗加工。

圖6－2兩軸半坐標行切法加工曲面6.3.3三坐標曲面加工

1.對曲率變化不大和精度要求不高的曲面的粗加工

常用兩軸半坐標的行切法加工，即X、Y、Z三軸中任意兩軸作聯(lián)動插補，第三軸作單獨的周期進給。如圖6－2所示，將X向分成若干段，球頭銑刀沿YZ面所截進行銑削，每一段加工完后進給ΔX，再加工另一相鄰曲線，如此依次切削即可加工出整個曲面。在行切法中，要根據(jù)輪廓表面粗糙度的要求及刀頭不干涉相鄰表面的原則選取ΔX。球頭銑刀的刀頭半徑應(yīng)選得大一些，有利于散熱，但刀頭半徑應(yīng)小于內(nèi)凹曲面的最小曲率半徑。

2.對曲率變化較大和精度要求較高的曲面的加工

兩軸半坐標加工曲面的刀心軌跡O1O2和切削點軌跡ab如圖6－3所示,圖6－3中,ABCD為被加工曲面，PYZ平面為平行于YZ坐標平面的一個行切面，刀心軌跡O1O2為曲面ABCD的等距面IJKL與行切面PYZ的交線。顯然，O1O2是一條平面曲線。由于曲面的曲率變化，改變了球頭刀與曲面切削點的位置，使切削點的連線成為一條空間曲線，從而在曲面上形成扭曲的殘留溝紋。采用三坐標數(shù)控銑床進行2.5軸加工。圖6－3兩軸半坐標行切法加工曲面的切削點軌跡工件是變斜角面的情形，其刀具常用球頭銑刀和鼓形銑刀，以直線或圓弧插補方式進行分層銑削加工，加工后的殘留面積用鉗修法清除。因為一般球頭銑刀的球徑較小，所以只能加工大于90°的開斜角面；而鼓形銑刀的鼓徑較大（比球頭銑刀的球徑大），能加工小于90°的閉斜角（指工件斜角α＞90°）面，且加工后的疊刀刀峰較小，因此鼓形銑刀的加工效果比球頭刀好。圖6－4所示是用鼓形銑刀銑削變斜角面的情形。由于鼓形銑刀的鼓徑可以做得比球頭銑刀的球徑大，因此加工后的殘留面積高度小，加工效果比球頭銑刀好。圖6－4用鼓形銑刀分層銑削變斜角面6.3.4五坐標曲面加工

對像葉輪、螺旋槳這樣的零件適合采用五坐標聯(lián)動加工。如圖6－5所示，因其葉片形狀復(fù)雜，刀具易與相鄰表面干涉，常用五坐標聯(lián)動加工。半徑為Ri的圓柱面與葉面的交線AB為螺旋線的一部分，螺旋角為ψi，葉片的徑向葉型線（軸向割線）EF的傾角α為后傾角，螺旋線AB用極坐標加工方法，并且以折線段逼近。逼近段mn是由C坐標旋轉(zhuǎn)Δθ與Z坐標位移ΔZ的合成。當AB加工完后，刀具徑向位移ΔX。（改變Ri），再加工相鄰的另一條葉型線，依次加工即可形成整個葉面。由于葉面的曲率半徑較大，因此常采用立銑刀加工，以提高生產(chǎn)效率并簡化程序。為保證銑刀端面始終與曲面貼合，銑刀還應(yīng)作由坐標A和坐標B形成的θ1和α1的擺角運動。在擺角的同時，還應(yīng)作直角坐標的附加運動，以保證銑刀端面中心始終位于編程值所規(guī)定的位置上，所以需要五坐標加工。這種加工的編程計算相當復(fù)雜，一般采用自動編程。圖6－5曲面的五坐標聯(lián)動加工對曲率變化較小的變斜角面，選用X、Y、Z和A四坐標聯(lián)動的數(shù)控銑床，采用立銑刀（但當零件斜角過大，超過機床主軸擺角范圍時，可用角度成型銑刀加以彌補）以插補方式擺角加工，如圖6－6（a）所示。加工時，為保證刀具與零件型面在全長上始終貼合，刀具繞A軸擺動角度α。

對曲率變化較大的變斜角面，用四坐標聯(lián)動加工難以滿足加工要求，最好用X、Y、Z、A和B（或C轉(zhuǎn)軸）的五坐標聯(lián)動數(shù)控銑床，以圓弧插補方式擺角加工，如圖6－6（b）所示。圖中,夾角A和B分別是零件斜面母線與Z坐標軸夾角α在ZOY平面上和XOZ平面上的分夾角。圖6－6變斜角面工件加工示意圖

（a）四坐標數(shù)控銑床加工變斜角面；

（b）五坐標數(shù)控銑床加工變斜角面6.3.5曲面粗加工

粗加工一般稱為區(qū)域清除。在此加工階段中，應(yīng)該在公差允許范圍內(nèi)盡可能多地切除材料。比較典型的區(qū)域清除方式是等高切面，即在毛坯上沿著高度方向等距離劃分出數(shù)個切削層，每次切削一個層面的毛坯余量。在這個階段一般采用圓柱立銑刀進行加工，除了切削角度外，選擇刀具的主要參數(shù)是刀具直徑。同時在粗加工階段，一般采用行切方式進行切削，產(chǎn)生區(qū)域清除刀具路徑。粗加工階段采取分層行切（也可以是環(huán)切）加工方式，刀具一般采用圓柱立銑刀。下面以電極的等高粗加工為例來討論曲面粗加工工藝。圖6－7所示是某模具加工電極的尺寸圖紙，加工材料為蠟?zāi)?，由于都有拔模斜度，因此加工的曲面比較陡峭，本例采用等高線環(huán)切加工，擬采用如下加工方案：

等高線粗加工，選用R2球刀，加工余量為1。

等高線粗加工，選用R2球刀，加工余量為0，并對抬刀軌跡進行修剪。

選用R8、R6的鉆頭，在圓錐臺體加工出沉孔。圖6－7模具加工電極由于圓角過渡半徑是R3，因此這里選用半徑為R2的球刀。其他參數(shù)為：主軸轉(zhuǎn)速1200r/min，切削速度100mm/min，安全高度50mm，加工時層優(yōu)先，環(huán)切加工從外向里，加工行距取2mm，頂層高度45mm。經(jīng)過計算生成如圖6－8所示的粗加工軌跡。圖6－8粗加工軌跡（主視圖）

6.4其他工藝問題

1.先精后粗

如圖6－9所示，如安排走刀路線為Φ80mm→60mm→52mm，則加工基準將由第一個臺階孔（80mm）來體現(xiàn)，對刀時也以其為參考。由于Φ52mm孔要求與滾動軸承形成過渡配合，因此其尺寸要求較嚴（IT7），該孔位置較深，車床縱向長絲杠在該加工段區(qū)域可能產(chǎn)生誤差，刀尖在切削過程中也可產(chǎn)生磨損，尺寸精度難以保證。所以，安排Φ52mm孔為加工（兼對刀）的基準，按Φ52mm→60mm→Φ80mm安排走刀路線，保證其尺寸公差要求。圖6－9套筒零件

2.分序加工

圖6－10(a)所示的手柄零件，在批量加工時，所用坯料為Φ32mm棒材，加工方案采用兩次裝夾，用三個程序安排加工。

第一次裝夾（棒頭）及第一個程序安排加工圖6－10(b)所示的部分：先車削Φ12mm和Φ20mm的兩圓柱面及20mm的圓錐面（粗車掉R42mm圓弧的部分余量），換刀后按總長要求留加工余量后切斷。

第二次裝夾（調(diào)頭）及第二個程序安排加工如圖6－10(c)所示的包絡(luò)SR7mm球面的30°圓錐面，對圓弧面半精車（留精車余量）。圖6－10手柄分序加工示意

3.巧用切斷（槽）刀

對切斷面帶一倒角要求的零件（如圖6－11(a)），為便于切斷并避免調(diào)頭倒角，可用切斷刀同時完成車倒角和切斷兩個工序。

圖6－11(b)表示用切斷刀先按4mm×Φ26mm工序尺寸安排車槽。

圖6－11(c)表示倒角時，切斷刀刀位點的起、止位置。

圖6－11(d)表示切斷時，切斷刀的起、止位置。圖6－11巧用切斷刀

4.斷屑處理

可采用改變刀具切削部分的幾何