数控车削的工艺性分析及优化

数控车削加工工艺性分析是数控车削编程前的重要工艺准备工作之一,根据加工实践,数控车削加工工艺分析所要解决的主要问题大致可归纳为以下几个方面。

1.选择并确定数控车削加工部位及工序内容

在选择数控车削加工内容时,应充分发挥数控车床的优势和关键作用。主要选择的加工内容有：

①端面和外圆表面的加工。

②螺纹与沟槽的加工。

③内孔的加工。

④能在一次安装中顺带车削出来的简单表面或形状。

⑤用数控车削方式加工后,能成倍提高生产率,大大减轻劳动强度的一般加工内容。

2.零件图工艺分析

分析零件图样是进行工艺分析的前提,它将直接影响零件加工程序的编制与加工。分析零件图样主要考虑以下几方面。

(1)构成零件轮廓的几何条件

由于设计等多方面的原因,可能在零件图样上出现构成零件加工轮廓的数据不充分、尺寸模糊不清等缺陷,这样会增加编程的难度,有时甚至无法编程。

①零件图上漏掉某尺寸,使其几何条件不充分,影响到零件轮廓的构成。

②零件图上的图线位置模糊或尺寸标注不清,使编程无法下手。

③零件图上给定的几何条件不合理,造成数学处理困难。

(2)尺寸精度要求

分析零件图样尺寸精度的要求,以判断能否利用车削工艺达到,并确定控制尺寸精度的工艺方法。

在该项分析过程中,还可以同时进行一些尺寸的换算,如增量尺寸与绝对尺寸及尺寸链计算等。在利用数控车床车削零件时,常常对零件要求的尺寸取最大和最小极限尺寸的平均值作为编程的尺寸依据。

(3)形状和位置精度要求

零件图样上给定的形状和位置公差是保证零件精度的重要依据。加工时,要按照其要求确定零件的定位基准和测量基准,还可以根据机床的特殊需要进行一些技术性处理,以便有效地控制零件的形状和位置精度。

(4)表面粗糙度要求

表面粗糙度是保证零件表面微观精度的重要要求,也是合理选择机床、刀具及确定切削用量的依据。

(5)材料与热处理要求

零件图样上给定的材料与热处理要求,是选择刀具、机床型号、确定切削用量的依据。

3.毛坯的确定

在确定毛坯种类及制造方法时,考虑现有的生产条件后主要应考虑下列因素。

(1)零件材料及其力学性能

零件的材料大致确定了毛坯的种类。例如,材料为铸铁和青铜的零件应选择铸件毛坯；钢质零件当形状不复杂、力学性能要求不太高时可选型材；重要的钢质零件,为保证其力学性能,应选择锻件毛坯。

(2)零件的结构形状与外形尺寸

形状复杂的毛坯,一般用铸造方法制造。薄壁零件不宜用砂型铸造；中小型零件可考虑用先进的铸造方法；大型零件可用砂型铸造。一般用途的阶梯轴,如各台阶直径相差不大,可用圆棒料；如各台阶直径相差较大,为减少材料消耗和机械加工的劳动量,则宜选择锻件毛坯。尺寸大的零件一般选择自由锻造；中小型零件可选择模锻件。

(3)生产类型

大量生产的零件应选择精度和生产率都比较高的毛坯制造方法,如铸件采用金属模机器造型或精密铸造；锻件采用模锻、精锻；采用冷轧和冷拉型材。零件产量较小时应选择精度和生产率较低的毛坯制造方法。

随着机械制造技术的发展,毛坯制造方面的新工艺、新技术和新材料的应用也发展很快,如精铸、精锻、冷挤压、粉末冶金和工程塑料等在机械中的应用日益增加。采用这些方法可大大减少机械加量,其经济效果非常显著。

4.数控加工工艺路线的确定

(1)制订工艺路线的原则

在数控车床加工过程中,由于加工对象复杂多样,特别是轮廓曲线的形状及位置千变万化,加上材料、批量不同等多方面因素的影响,在对具体零件制订工艺路线时,应该考虑以下原则。

①先粗后精。粗加工主要有3种不同的加工路线,如图3-4所示。加工时应考虑被加工工件的刚性及进给的工艺要求。

图3-4　粗加工进给路线

(a)沿工件轮廓进给；(b)“三角形”进给；(c)矩形循环进给

精加工时,零件的轮廓应由最后一刀连续加工而成。这时,加工刀具的进、退刀位置要考虑妥当,尽量沿轮廓的切线方向切入和切出,以免因切削力突然变化而造成弹性变形,致使光滑连接轮廓上产生表面划伤、形状突变或滞留刀痕等影响加工精度。

②先近后远。通常在粗加工时,离对刀点近的部位先加工,离对刀点远的部位后加工,以便缩短刀具移动距离,减少空行程时间。对于车削加工,先近后远还有利于保持坯件或半成品件的刚性,改善其切削条件。

③先内后外。对既有内表面(内型、腔),又有外表面的零件,在制定其加工方案时,通常应安排先加工内型和内腔,后加工外形表面。这是因为控制内表面的尺寸和形状较困难,刀具刚性相应较差,刀尖(刃)的耐用度易受切削热而降低,以及在加工中清除切屑较困难等。(www.xing528.com)

④刀具集中。即用一把刀加工完相应各部位,再换另一把刀,加工相应的其他部位,以减少空行程和换刀时间。

(2)确定走刀路线

确定走刀路线的重点在于确定粗加工及空行程的走刀路线。走刀路线包括切削加工的路径及刀具引入、切出等非切削空行程。

①刀具引入、切出。在数控车床上进行加工时,要安排好刀具的引入、切出路线,尽量使刀具沿轮廓的切线方向引入、切出。尤其是车螺纹时,必须设置升速段l1和降速段l2,这样可避免因车刀升降速而影响螺距的稳定,如图3-5所示。

图3-5　螺纹加工时刀具的引入、切出

②确定最短的空行程路线。确定最短的走刀路线,可以将换刀点设在安全位置,且随加工位置的改变而改变。切削过程中起刀点靠近工件加工位置。除了依靠大量的实践经验外,还应善于分析,必要时可辅以一些简单计算。如图3-6中(b)比(a)走刀路线短。

图3-6　巧用对刀点

③确定最短的切削进给路线。切削进给路线短,可有效地提高生产效率,降低刀具的损耗等。在安排粗加工或半精加工的切削进给路线时,应同时兼顾到被加工零件的刚性及加工的工艺性等要求,不要顾此失彼。

图3-4中,三种切削进给路线,经分析和判断后可知矩形循环进给路线的走刀长度总和为最短。因此,在同等条件下,其切削所需时间(不含空行程)为最短,刀具的损耗小。另外,矩形循环加工的程序段格式较简单,所以这种进给路线在制订加工方案时应用较多。

(3)特殊处理

①先精后粗。在特殊情况下,其加工顺序可不按“先近后远”“先粗后精”的原则考虑。如加工图3-7所示套筒零件时,若按一般情况安排,则加工各孔的走刀路线为φ80 mm→φ60 mm→φ52 mm。这时,加工基准将由所车第一个台阶孔(φ80 mm)来体现,对刀时也以其为参考。由于该零件上的φ52 mm孔要求与滚动轴承形成过渡配合,其尺寸公差较严(IT7)。另外,该孔的位置较深,因此,车床纵向长丝杠在该加工段区域可能产生误差,车刀的刀尖在切削过程中也可能产生磨损等,使其尺寸精度难以保证。对此,在安排工艺路线时,宜将φ52 mm孔作为加工(兼对刀)的基准,并按φ52 mm→φ80 mm→φ60 mm的顺序车各孔,就能较好地保证其尺寸公差要求。

图3-7　套筒零件

②分序加工。对于车削图3-8(a)所示手柄零件,需要经过分序加工的特殊安排,整个手柄的形状才便于加工。

图3-8　手柄分序加工示意图

设批量加工该手柄时,所用坯料为φ32 mm棒材,制订其加工方案则宜采用两次装夹、三个程序进行安排。

第一次装夹(棒材)及第一个程序段安排加工图3-8(b)所示部分：先车削φ12 mm和φ20 mm两圆柱面及φ20 mm圆锥面(粗车掉R 42 mm圆弧的部分余量),换刀后按总长要求留加工余量切断。

第二次装夹(调头)及第二个程序段安排粗加工,即包络SR 7 mm球面的30°圆锥面,然后对全部圆弧表面半精车(留较少精车余量),如图3-8(c)所示。

换精车刀后,保持第二次装夹状态,按第三个程序安排即可将全部圆弧表面一刀精车成形。

虽然按上述过程制订其加工方案比较烦琐,但因第一、第二次加工程序都很简单,可采用作图法或直接编制,而第二、第三次加工程序可合并为一个加工程序连续执行,故该方案在车削实践中常常采用。

③巧用切断(槽)刀。图3-9(a)可巧用切断刀同时完成车倒角和切断。图3-9(b)表示用切断刀先车槽,后倒角,减小了刀具切断较大直径坯件时的长时间摩擦,有利于切断时的排屑。图3-9(c)表示倒角时,切断刀刀位点的起、止位置。图3-9(d)表示切断时,切断刀的起、止位置。

图3-9　巧用切断刀

④断屑处理。在数控机床加工中,除了采取改变刀具切削部分的几何角度和增加断屑器等措施外,还可通过编程技巧制订其相应的加工方案,以满足加工中的断屑要求,如使切屑形成比较理想的“C”形。

a.连续进行间隔式暂停　根据粗加工切削的需要,可对一连续运动轨迹进行分段加工安排,每相邻加工段中间用G04(延时暂停)指令功能将其隔开。

b.进、退刀交替安排　在钻削深孔等加工时,为了便于及时排出切屑,可通过加工程序使钻头钻入材料内一段并经短暂延时后,快速退离坯件,然后再钻进一段,并以此循环进行下去,就能满足其断屑(兼排屑)要求。

c.进给方向的特殊安排　在数控车削加工中,一般情况,Z坐标轴方向的进给运动都是沿着负方向走刀的,但有时按其常规的负方向安排走刀路线并不合理,甚至可能车坯工件。

例如,当采用尖形车刀加工大圆弧内表面零件时,图3-10(a)为沿Z负向走刀,图3-10(b)为沿Z正向走刀。(b)图走刀比(a)图好。

图3-10　进刀方案

d.灵活选用不同形式的切削路线　图3-11为切削半圆弧凹表面时,几种常见切削路线的形式。

图3-11　切削路线的形式

(a)同心圆；(b)等径圆弧(不同圆心)；(c)三角形；(d)梯形

·程序段数最少的为同心圆及等径圆形式。

·走刀路线最短的为同心圆形式,其余依次为三角形、梯形及等径圆形式。

·计算和编程最简单的为等径圆形式(可利用程序循环功能),其余依次为同心圆、三角形和梯形形式。

·金属切除率最高、切削力分布最合理的为梯形形式。

·精车余量最均匀的为同心圆形式。