典型零件数控加工工艺分析

1.数控车削零件加工工艺分析

【例3-9】轴类零件数控车削加工工艺分析。

以如图3-17所示轴类零件为例，介绍其数控车削加工工艺。所用机床为CJK6032-3数控车床。

图3-17 轴

（1）零件图工艺分析

该零件表面由圆柱、圆锥、顺圆弧、逆圆弧及双线螺纹等表面组成。其中多个直径尺寸有较严的尺寸精度和表面粗糙度等要求；球面Sϕ50mm的尺寸公差还兼有控制该球面形状（线轮廓）误差的作用。尺寸标注完整，轮廓描述清楚。零件材料为45#钢，无热处理和硬皮要求。通过上述分析，采取以下几点工艺措施。

1）对图样上给定的几个精度（IT7～IT8）要求较高的尺寸，因其公差数值较小，故编程时不必取平均值，全都取其基本尺寸即可。

2）在轮廓曲线上，有三处为过象限圆弧，其中两处为既过象限又改变进给方向的轮廓曲线，因此在加工时应进行机械间隙补偿，以保证轮廓曲线的准确性。

3）为便于装夹，坯件左端应预先车出夹持部分（双点画线部分），右端面也应先车出并钻好中心孔。毛坯选ϕ60mm棒料。

（2）确定装夹方案

确定坯件轴线和左端大端面为定位基带。左端采用三爪自定心卡盘定心夹紧，右端采用活动项尖支承的装夹方式。

（3）确定加工顺序及进给路线

加工顺序以由粗到精、由近到远（由右到左）的原则确定。即先从右到左进行粗车（留0.25mm精车余量），然后从右到左进行精车，最后车削螺纹。

CJK6032-3数控车床具有粗车循环和车螺纹循环功能，只要正确使用编程指令，机床数控系统就会自动确定其进给路线。因此，该零件的粗车循环和车螺纹循环不需要人为确定其进给路线。但精车的进给路线需要人为确定，该零件是从右到左，沿零件表面轮廓进给，如图3-18所示。

图3-18 轴的加工路线

（4）选择刀具

1）粗车选用硬质合金90°外圆车刀，副偏角不能太小，以防止与工件轮廓发生干涉，必要时应作图检验，本例取k_r=35°。

2）精车和车螺纹选用硬质合金60°外螺纹车刀，取刀尖角ε=59°30′，取刀尖圆弧半径r_ε=0.15～0.2mm。

（5）选择切削用量

1）粗车循环时的背吃刀量，确定为a_p=3mm；精车时a_p=0.25mm。

2）主轴转速：

a.车直线和圆弧轮廓时的主轴转速

查表取粗车的切削速度v_c=90m/min，精车的切削速度v_c=120m/min，根据坯件直径（精车时取平均直径），利用式（3-2）计算，并结合机床说明书选取；粗车时，主轴转速n=500r/min；精车时，主轴转速n=1200r/min。

b.车螺纹时的主轴转速用式（3-2）计算，取主轴转速n=320r/min。

c.进给速度

先选取进给量，然后用公式v=nf计算。粗车时，选取进给量f=0.4mm/r，精车时，选取f=0.15mm/r，计算得粗车进给速度v_f=200mm/min；精车进给速度v_f=180mm/min。车螺纹的进给量等于螺纹导程，即f=3mm/r。短距离空行程的进给速度取v_f=300mm/min。

（6）编制工艺文件

1）数控加工工序卡片

2）数控加工刀具卡片

图3-19 非圆零件的加工

【例3-10】非圆曲面的加工工艺分析。

数控车床一般只能作直线插补和圆弧插补。遇到回转轮廓是非圆曲线的零件时，数学处理的方法是用直线段或圆弧段去逼近非圆轮廓。如图3-19所示的工件，毛坯直径为ϕ40，选用刀具为90°正偏刀。

（1）工艺路线

1）夹工件右端，车工件左端。

2）粗精车工件左端圆柱ϕ38、ϕ25°。

3）调头，用三爪自定心卡盘夹住左端ϕ25mm处，工件伸出卡盘外30mm。

4）车右端面。

5）粗车外圆至ϕ33×25。

6）用车锥法粗车椭圆。

7）分别用直线、圆弧逼近法精车椭圆。

（2）相关计算

①椭圆方程：

（Z²/25²）+（X²/16²）=1

②直线插补点

在Z轴坐标上，以25mm为单位，正向等间距取点，通过椭圆方程算出相应的X坐标值，见表3-5。

表3-5 直线插补点

③圆弧插补点

从表3-5中可以看出，最后三点X轴数值差距较大，拟合误差也较大，所以一般在对椭圆进行拟合逼近时，通常对曲率半径较大的部分采用直线拟合计算，对曲率半径较小的部分采用圆弧拟合计算。先用“不在一条直线上的三个点确定一个圆”的定理，求出该圆的同心坐标和直径。设圆心坐标为（a，b），半径为r，则由圆的方程有：

（X-a）2+（Z-b）2=r²

（9.6-a）2+（20-b）2=r²

（6.97-a）2+（22.5-b）2=r²

（0-a）2+（25-b）2=r²(www.xing528.com)

用待定系数法解得a=-0.86，b=11.63，r=13.4。由此可用圆弧插补编程。

④拟合误差的计算

在AB两点之间取Z₁=21.25，在BC两点之间取Z₂=23.75，代入椭圆方程，求得X₁=8.429，X₂=4.996；代入圆方程，求得X₁=8.407，X₂=4.845。

ΔX₁=8.429-8.407=0.022，ΔX₂=4.996-4.845=0.151。

ΔX₂小于轮廓精度0.2，故拟合方法能满足工件的加工要求。

2.铣削零件的数控加工工艺

【例3-11】：平面轮廓零件的加工工艺分析。

对如图3-20所示纸垫落料模凸模轮廓进行加工。刀具直径为ϕ10，X刀号为01，切削深度为5mm，工件表面Z坐标为0（给定毛坯为160×100×20，所有表面的粗糙度Ra为3.2）。

图3-20 平面轮廓零件

a）平面轮廓图 b）加工后的立体图

工艺分析如下：

（1）几何尺寸分析

从平面轮廓图中知，所有尺寸的公差设有标注，即为一般公差，选用中等级（GB1804-m），其极限偏差为±0.3。数控机床在正常维护和操作情况下是完全可以达到的。

图3-21 刀具路径的规划

（2）规划刀具路径

根据零件表面粗糙度的要求，应有粗、精加工。根据毛坯、刀具的直径，分两次进刀进行粗加工。留出加工余量0.2mm。加工的起刀点设置在工件轮廓外面，距离工件边约10mm，并设置刀补。为保证加工平稳不振动。起刀点与切入点在一条直线上，如图3-21所示。

（3）将典型零件的尺寸作如下变化：

80→80^+0.03₀，40→40_-0.039⁰，140→140^+0.04₀。

当尺寸带有公差时，必须对尺寸公差进行处理。一是直接换算，将公差换算成几何尺寸，供编程和绘图用。二是用刀补值来完成对公差的处理。

平面轮廓零件的数控工艺特点是：保证轮廓的加工精度和位置要求。合理设置刀补，安排好刀具的切入与切出路线。

【例3-12】钻孔、挖槽的加工工艺分析。

如图3-22所示的槽形零件，其毛坯四周已加工（厚为20mm）。槽宽6mm，槽深2mm。槽的表面粗糙度为Ra3.2，其余为Ra12.5。该槽形零件的工艺分析如下：

图3-22 槽形零件

（1）工艺和操作清单

该槽形零件除了槽的加工外，还有螺纹孔的加工。其工艺安排为“钻孔→扩孔→攻螺纹→铣槽”，其工艺清单见表3-6。

表3-6 槽形零件的工艺清单

（2）钻孔

在数控机床和加工中心上钻孔是无钻模直接钻孔。钻孔前最好用中心钻钻一个中心孔，或用一个刚性较好的短钻头划一个窝，以解决铸件毛坯表面的引正。当工件毛坯非常硬，钻头无法划窝时，可先用硬质合金立铣刀在要钻孔的部位先铣出一个小平面，然后用中心钻钻孔，从而解决硬表面钻孔的引正问题。

（3）刀具轴向进给的切入与切出距离的确定

钻孔的切入与切出如图3-23所示。

图3-23 钻孔的切入与切出

钻头定位于R点，从R点以进给速度作Z′向进给，钻到孔底后，快速退到R点，图中A为切入距离，λ为切出距离。刀具的轴向引入距离的经验数据为

在已加工面上钻、镗、铰孔，A=1～3mm；

在毛坯表面上钻、镗、铰孔，A=5～8mm。

钻孔时刀具的轴向切出距离为1～3mm，当顶角θ=118°，切入、切出长度λ=Dcosθ/2≈0.3D。

钻孔零件的工艺特点是：准确定位，确定孔的加工方案，确定孔的轴向切入与切出距离。

【例3-13】曲面零件的加工工艺分析。

图3-24所示为某快餐盒凹模的零件图。快餐盒的主要结构是由多个曲面组成的凹形型腔，型腔四周的斜平面之间采用半径为20mm的圆弧过渡，斜平面与底平面之间采用半径为5mm的圆弧过渡，在凹模的底平面上有一个四周为斜平面的锥台。凹模上部型腔为锥面，用于压边，模具的外形结构较为简单，为标准的长方体。

图3-24 快餐盒凹模

工艺分析如下：

（1）数控加工工艺

粗加工整个型腔，去除大部分加工余量；精加工上凹槽；精加工下凹槽；精加工底部锥台四周表面；精加工底部上表面；精加工上、下凹槽过渡平面。

（2）工件的定位与夹紧

工件直接安装在机床工作台面上，用两块压板压紧。凹模中心为工件坐标系X轴、Y轴的原点，上表面为工件坐标系Z轴的零点。

（3）刀具选择

根据工件的加工工艺，型腔粗加工选用ϕ20mm波刃立铣刀；上凹槽精加工采用ϕ20mm平底立铣刀；下凹槽精加工为ϕ6mm球头铣刀。底面锥台四周表面的精加工采用直径为ϕ4mm的平底立铣刀（因锥台边角边与底平而交线距离仅为4.113mm）；用ϕ20mm的平底立铣刀精加工底部锥台上表面和上、下凹槽过渡平面。上、下凹槽粗加工一起进行，精加工采用ϕ6mm的球头铣刀。

4）填写切削用量加工工序卡，其内容见表3-7。

表3-7 快餐盒凹模的加工工序卡

曲面零件的工艺特点在于合理利用各种铣刀，确定合理的加工路线，以方便程序的编制。