加工中心技師論文——薄壁件的數(shù)控銑削加工及工裝設(shè)計(jì)

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國(guó)家職業(yè)資格全國(guó)統(tǒng)一鑒定 加工中心技師論文 (國(guó)家職業(yè)資格二級(jí)) 論文題目: 薄壁件的數(shù)控銑削加工及工裝設(shè)計(jì) 姓 名： 身份證號(hào)： 準(zhǔn)考證號(hào)： 所在省市： 江蘇省南京市 所在單位： 薄壁件的數(shù)控銑削加工及工裝設(shè)計(jì) 姓 名： 單 位： 摘要: 薄壁零件已日益廣泛地應(yīng)用在各工業(yè)部門，因?yàn)樗哂兄亓枯p，節(jié) 約材料，結(jié)構(gòu)緊湊等特點(diǎn)。但薄壁零件很難加工，原因是薄壁零件 剛性差，強(qiáng)度弱，在加工中極容易變形，使零件的形位誤差增大， 不易保證零件的加工質(zhì)量。但是薄壁零件尺寸較大、加工余量大、 相對(duì)剛度較低。在切削力、切削熱、切削振顫等因素影響下，易發(fā) 生加工變形，不易控制加工精度和提高加工效率。加工變形和加工 效率問(wèn)題已成為薄壁結(jié)構(gòu)加工的重要約束本文就以典型薄壁零件的 數(shù)控加工進(jìn)加工分析，解決以上問(wèn)題為更好的加工薄壁零件提供了 好的依據(jù)及借鑒。 關(guān)鍵詞：薄壁；工裝設(shè)計(jì)；工藝分析；數(shù)控編程 一、計(jì)算機(jī)輔助制造 計(jì)算機(jī)輔助制造(computer aided manufacturing)是指在機(jī)械制造業(yè)中，利用電子數(shù)字計(jì)算機(jī)通過(guò)各種數(shù)值控制機(jī)床和設(shè)備，自動(dòng)完成離散產(chǎn)品的加工、裝配 、檢測(cè)和包裝等制造過(guò)程。簡(jiǎn)稱CAM。除CAM的狹義定義外，國(guó)際計(jì)算機(jī)輔助制造組織(CAM-I)關(guān)于計(jì)算機(jī)輔助制造有一個(gè)廣義的定義：“通過(guò)直接的或間接的計(jì)算機(jī)與企業(yè)的物質(zhì)資源或人力資源的聯(lián)接界面，把計(jì)算機(jī)技術(shù)有效地應(yīng)用于企業(yè)的管理、控制和加工操作?！卑凑者@一定義，計(jì)算機(jī)輔助制造包括企業(yè)生產(chǎn)信息管理、計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)（CAD）和計(jì)算機(jī)輔助生產(chǎn)、制造3部分。計(jì)算機(jī)輔助生產(chǎn) 、制造又包括連續(xù)生產(chǎn)過(guò)程控制和離散零件自動(dòng)制造兩種計(jì)算機(jī)控制方式。這種廣義的計(jì)算機(jī)輔助制造系統(tǒng)又稱為整體制造系統(tǒng)(IMS）。采用計(jì)算機(jī)輔助制造零件、部件，可改善對(duì)產(chǎn)品設(shè)計(jì)和品種多變的適應(yīng)能力，提高加工速度和生產(chǎn)自動(dòng)化水平，縮短加工準(zhǔn)備時(shí)間，降低生產(chǎn)成本，提高產(chǎn)品質(zhì)量和批量生產(chǎn)的勞動(dòng)生產(chǎn)率。 二、影響其加工精度的因素 大家都知道影響加工精度的因素很多，其中有以下三方面最為主要。①受力變形。因工件薄壁，在夾緊力的作用下容易產(chǎn)生變形，從而影響工件的尺寸精度和形狀精度。②受熱變形。切削熱會(huì)引起工件熱變形，使工件尺寸難于控制。③機(jī)械振動(dòng)。在切削力的作用下，容易產(chǎn)生振動(dòng)和變形。影響工件的尺寸精度、形狀、位置精度和表面粗糙度。 三、提高薄壁零件加工精度的方法 3.1 采用數(shù)控機(jī)床加工 目前，我國(guó)加工此類零件多采用數(shù)控機(jī)床加工。數(shù)控機(jī)床具有精度高、穩(wěn)定性好，刀庫(kù)大等特點(diǎn)，在加工薄壁零件的過(guò)程中，大大的縮短了傳統(tǒng)的機(jī)加工工藝規(guī)程和工時(shí).提高了零件的加工精度。采用數(shù)控機(jī)床時(shí)應(yīng)注意下面幾方面。①裝夾方式，采用普通的三爪卡盤容易因受力不均造成工件變形?？梢圆捎瞄_口過(guò)渡環(huán)、專用卡爪、心軸或?qū)Ｓ脢A具等避免工件變形。②合理選擇刀具幾何角度，減少?gòu)较蚯邢髁?。③合理選擇切削用量減少工件變形。④合理編寫程序，以達(dá)到提高工件加工精度和質(zhì)量的目的。 3.2 采用高速加工技術(shù) 高速加工(HSM或HSC)是二十世紀(jì)九十年代迅速發(fā)展應(yīng)用的先進(jìn)加工技術(shù)。通常是指高的主軸轉(zhuǎn)速(10000-100000r/min)、高的進(jìn)給速度(40m-180m/min)下的銑削加工。高速加工在實(shí)際應(yīng)用中能解決新材料的加工問(wèn)題，適應(yīng)表面質(zhì)量高、精度高、形狀復(fù)雜的三維曲面加工，減少和避免效率低的電火花加工，解決薄壁零件的加工問(wèn)題。高速銑削銑削力小，有較高的穩(wěn)定性，可高質(zhì)量地加工出薄壁模具和整體結(jié)構(gòu)式零件。如高速切削可使飛機(jī)大量采用整體結(jié)構(gòu)零件，明顯減輕部件重量，提高零件可靠性，減少裝配工時(shí)。在數(shù)碼產(chǎn)品或繼電器產(chǎn)品中，薄壁模具加工困難，但采用高速銑削技術(shù)可以大大改善。能加工出壁厚0.2mm，壁高20mm的薄壁零件。 3.3 進(jìn)刀和退刀方法 每次當(dāng)一個(gè)銑刀刀片進(jìn)入切口時(shí)，切削刃可能會(huì)遭受到?jīng)_擊載荷影響，這取決于切屑截面、工件材料和切削類型。對(duì)于銑削過(guò)程來(lái)講，切削刃和工件材料之間最初接觸與最終接觸的類型是否合適是極為重要的。另外，對(duì)于切削刃的進(jìn)入和退出，準(zhǔn)確定位刀具也很重要。 在第一種情形下，刀具的中心線完全位于工件寬度之外，并且刀片進(jìn)入時(shí)最外端的刀尖會(huì)受到猛烈碰撞，這意味著刀具最敏感的部位易受到初始的沖擊載荷影響。刀片也會(huì)離開切口僅保持刀尖接觸，這意味著會(huì)將切削力完全施加到刀片的最外端，并保持到刀片突然脫離工件為止。這就是沖擊卸載力。 在第二種情形下，刀具的中心線與工件邊緣處于同一條直線。當(dāng)切削厚度處于最大值時(shí)，刀片便會(huì)離開切口，并且在刀片進(jìn)入和退出時(shí)沖擊載荷會(huì)非常高。 在第三種情形下，刀具的中心線完全位于工件寬度之內(nèi)。當(dāng)?shù)镀M(jìn)入切口時(shí)，初始撞擊更多會(huì)沿著切削刃，而遠(yuǎn)離敏感的刀尖；并且在刀片退出時(shí)，刀片會(huì)逐漸地離開切口。 這種使切削刃離開工件材料的方式是非常重要的。在逐漸接近切口末端時(shí)，剩余材料會(huì)稍微退開，從而減少了刀片間隙。另外在將切削排出時(shí)會(huì)順著刀片表面產(chǎn)生瞬間張力，并且常常會(huì)導(dǎo)致在工件上形成毛刺的風(fēng)險(xiǎn)。這種張力可確保在此風(fēng)險(xiǎn)下切削刃的安全性。 當(dāng)?shù)毒叩闹行木€與工件邊緣一致或非?？拷鼤r(shí)，這種情形便非常明顯。此時(shí)，銑刀應(yīng)以一定的正前角而不是負(fù)前角（工件與切削刃的夾角）離開工件。當(dāng)工件表面上存在空間時(shí)就會(huì)出現(xiàn)問(wèn)題。在這種情形下，常用的解決方案是選擇更堅(jiān)固的切削刃，同時(shí)還有時(shí)必須重新考慮齒距或刀片槽形。在考慮所有方方面面的同時(shí)，應(yīng)將銑削工序看作為一個(gè)整體，以獲得最合適的刀具和刀片類型。 四、零件圖紙分析 4.1 尺寸標(biāo)注應(yīng)符合加工的特點(diǎn) 在編程中，所有點(diǎn)、線、面的尺寸和位置都是以編程原點(diǎn)為基準(zhǔn)的。因此零件圖樣上最好直接給出坐標(biāo)尺寸，或盡量以同一基準(zhǔn)引注尺寸。 4.2 零件圖的完整性與正確性分析 在程序編制中，必須充分掌握構(gòu)成零件輪廓的幾何要素，參數(shù)及各幾何要素間的關(guān)系。因?yàn)樵谧詣?dòng)編程時(shí)要對(duì)零件輪廓的所有幾何元素進(jìn)行定義，手工編程時(shí)要計(jì)算出每個(gè)節(jié)點(diǎn)的坐標(biāo)，無(wú)論哪一點(diǎn)不明確或不確定，編程都無(wú)法進(jìn)行。 4.3 零件技術(shù)要求分析 零件的技術(shù)要求主要指尺寸精度、形狀精度、位置精度、表面粗糙度及熱處理等，這些要求在保證零件使用性能的前提下，應(yīng)經(jīng)濟(jì)合理。 4.4 定位基準(zhǔn)的選擇 根據(jù)基準(zhǔn)選擇原則并結(jié)合該零件的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了專用夾具。由于該零件最大的特點(diǎn)就是壁薄，導(dǎo)致銑削加工時(shí)剛性不足。因此在工裝設(shè)計(jì)時(shí)既要考慮定位可靠、夾緊方便，還要考慮如何增加工件的剛性，減少銑削時(shí)的振動(dòng)及由于剛性不足而引起的變形，從而有效保證零件加工精度。定位夾具設(shè)計(jì)如圖1所示。 圖1 定位夾具的設(shè)計(jì) 五、薄壁的加工工藝性分析 薄壁件加工工藝性分析是編程前的重要工藝準(zhǔn)備工作之一，根據(jù)加工實(shí)踐，利用數(shù)控機(jī)床具有高精度、高柔性、高效率，尤其適合加工具有精度要求高，工序多和曲面輪廓復(fù)雜的零件等特點(diǎn)。零件圖紙如圖2所示。 5.1 薄壁件的圖樣工藝分析 圖樣分析主要有以下幾點(diǎn)： (1)尺寸精度要求和表面粗糙度要求。 (2)相互位置精度要求。 (3)復(fù)雜的曲線曲面。 (4)是否有集中加工的表面?！? 5.2選擇合適的機(jī)床 在選擇加工此件時(shí)，應(yīng)充分發(fā)揮加工中心的加工形狀復(fù)雜，工序集中，加工精度和定位精度高等加工優(yōu)勢(shì)。選擇數(shù)控加工中心的主要依據(jù)如下： 加工中心綜合了現(xiàn)代控制技術(shù)，計(jì)算機(jī)應(yīng)用技術(shù)，精密測(cè)量技術(shù)以及機(jī)床設(shè)計(jì)與制造等方面的最新成就，具有較高科技含量。 加工中心集中了金屬切削設(shè)備的優(yōu)勢(shì)，具有多工藝手段，能實(shí)現(xiàn)工件一次裝夾后銑、鏜、鉆、锪等綜合加工，對(duì)中等加工難度的批量工件，其生產(chǎn)效率是普通設(shè)備的5～10倍，而且還節(jié)省工裝，調(diào)換工藝時(shí)能體現(xiàn)出相對(duì)的柔性。 加工中心的控制系統(tǒng)功能較多，機(jī)床運(yùn)動(dòng)至少用３個(gè)運(yùn)動(dòng)坐標(biāo)軸，在機(jī)械制造領(lǐng)域承擔(dān)著精密復(fù)雜的任務(wù)加工，按給定的工藝指令自動(dòng)工出所需幾何形狀的工件。 a 俯視圖 b 正視圖 c 成型圖 圖2 零件圖紙 5.3 加工路線的選擇 加工中心刀具的進(jìn)給路線包括孔加工進(jìn)給路線和銑削加工進(jìn)給路線： (1)孔加工進(jìn)給路線的確定 孔加工時(shí)，一般是先將刀具在XY平面內(nèi)快速定位到孔中心線的位置上，然后再沿Z向運(yùn)動(dòng)進(jìn)行加工。 刀具在XY平面內(nèi)的運(yùn)動(dòng)為點(diǎn)位運(yùn)動(dòng)，確定其進(jìn)給路線是重點(diǎn)考慮： a.定位迅速，空行程路線要短； b.定位要準(zhǔn)確，避免機(jī)械進(jìn)給系統(tǒng)反向間隙對(duì)孔位置精度的影響； c.當(dāng)定位迅速與定位準(zhǔn)確不能同時(shí)滿足時(shí)，若按最短進(jìn)給路線進(jìn)給能保證定位精度，則取最短路線。反之，應(yīng)取能保證定位精度的路線。刀具在Z向的進(jìn)給路線分為快速移動(dòng)進(jìn)給路線和工作進(jìn)給路線。如圖3所示。 圖3 刀具Z向的進(jìn)給路線 (2)銑削加工進(jìn)給路線的確定 銑削加工進(jìn)給路線包括切削進(jìn)給和Z向快速移動(dòng)進(jìn)給兩種進(jìn)給路線。銑床加工進(jìn)給路線的選擇原則對(duì)加工中心同樣適用。Z向快速移動(dòng)進(jìn)給長(zhǎng)采用下列進(jìn)給路線： a.銑削開口不通槽時(shí)，銑刀在Z向可直接快速移動(dòng)到位，不需工作進(jìn)給。 b.銑削封閉槽時(shí)，銑刀需要有一段切入距離Za,先快速移動(dòng)到距工件表面的切入距離位置之上，然后以工作進(jìn)給速度進(jìn)給至銑削深度H。 c.銑削輪廓及通槽時(shí)，銑刀應(yīng)有一段切出距離Zo，可直接快速移動(dòng)到距工件表面Zo處。如圖4所示。 圖4 銑削加工進(jìn)給路線 5.4 工藝分析 薄壁零件主要由圓弧和圓組成，由于該零件的中間是空的，外壁與內(nèi)壁只有5mm厚，所以在加工時(shí)要考慮用量不能太大，為了保證精度首先選擇精確的刀具定位點(diǎn)。可以從外壁進(jìn)行加工切削要留有加工余量。由于薄壁零件太薄只有5cm的厚度，而且深度有19cm深，對(duì)尺寸精度要求很高，所以正確的選用切削用量是保證尺寸精度的首要因素，我們可通過(guò)分層銑削加工保證精度。 在加工薄壁時(shí)為了保證整個(gè)零件的完整性，在進(jìn)刀時(shí)可以先加工內(nèi)輪廓，這樣可以減少在加工壁厚時(shí)用太多的切削量。因?yàn)楸”谑莾蛇叾家庸ざ疑疃容^深在加工時(shí)會(huì)產(chǎn)生讓刀現(xiàn)象導(dǎo)致尺寸的不精確。所以我們?cè)诩庸ご祟惲慵r(shí)還要在外部留有相應(yīng)的厚度用來(lái)保證薄壁的加工精度使它有足夠的強(qiáng)度不產(chǎn)生讓刀。 由于該零件的中間部分是空的，所以我們?cè)诩庸r(shí)一定要注意。在下刀時(shí)銑削到最后時(shí)要注意中間的余量。在分層加工時(shí)保證了薄壁的垂直度也去除了薄壁以外的多余余料。 5.5 加工工藝的設(shè)計(jì) 根據(jù)加工的特點(diǎn)加工工序的劃分一般可按下列方法進(jìn)行： ⑴以一次安裝、加工作為一道工序。 ⑵以同一把刀具加工的內(nèi)容劃分工序。 ⑶以加工部位劃分工序。 ⑷以粗、精加工劃分工序。 選用直徑為10cm的立銑刀，薄壁零件的加工順序的擬定要按照先里后外、先粗后精的原則確定。因此要首先加工內(nèi)部輪廓，在加工外部輪廓，這樣就可以留有很多的內(nèi)外加工余量。精加工過(guò)內(nèi)外輪廓后，在加工輪廓一邊的圓弧，再用加工中心四軸銑削該零件的另一端的輪廓和四個(gè)圓孔。加工工藝卡片如表1所示。 表1 加工工藝卡片 工步 工步內(nèi)容 刀具號(hào) 刀具規(guī)格 主軸轉(zhuǎn)速(r/min) 進(jìn)給速度(mm/min) 被吃刀量(mm) 1 粗加工內(nèi)輪廓 T01 Φ10立銑刀 1500 300 4.5 2 粗加工外輪廓 T01 Φ10立銑刀 1500 300 4.5 3 粗精加工內(nèi)外輪廓 T01 Φ10立銑刀 3000 600 4.5 4 粗加工上端直線輪廓 T01 Φ10立銑刀 1500 300 4.5 5 精加工上端直線輪廓 T01 Φ10立銑刀 1500 600 4.5 6 加工上端圓弧曲面 T02 Φ10球頭刀 3000 700 4.5 7 粗加工下端輪廓 T01 Φ10立銑刀 1500 300 4.5 8 精加工下端輪廓 T01 Φ10立銑刀 3000 600 4.5 9 粗加工四周圓孔 T01 Φ10立銑刀 1500 300 4.5 10 精加工四周圓孔 T01 Φ10立銑刀 3000 600 4.5 六、編寫加工程序 該薄壁零件加工的輪廓均為圓弧直線組成，因而只要計(jì)算出基點(diǎn)坐標(biāo)，就可編制程序。薄壁零件加工的程序及程序說(shuō)明如下： (1)正方形內(nèi)輪廓 O0001；(程序名) N12 G90 G54 G0 X-37 Y32 S1500 M03；（定位） N14 G43 H1 Z100； （下刀銑削） N16 Z10； N18 G1 Z-10 F20； （分層銑） N20 Y-32 F120； N22 G17 G3 X-32 Y-37 I5 J0； N24 G1 X32； N26 G3 X37 Y-32 I0 J5； N28 G1 Y32； N30 G3 X32 Y37 I-5 J0； N32 G1 X-32； N34 G3 X-37 Y32 I0 J-5； N36 G0 Z100； N38 Z10； N40 G1 Z-20 F20； N42 Y-32 F120； N44 G3 X-32 Y-37 I5 J0； N46 G1 X32； N48 G3 X37 Y-32 I0 J5； N50 G1 Y32； N52 G3 X32 Y37 I-5 J0； N54 G1 X-32； N56 G3 X-37 Y32 I0 J-5； N58 G0 Z100； N60 Z10； N62 G1 Z-28.5 F20； N64 Y-32 F120； N66 G3 X-32 Y-37 I5 J0； N68 G1 X32； N70 G3 X37 Y-32 I0 J5； N72 G1 Y32； N74 G3 X32 Y37 I-5 J0； N76 G1 X-32； N78 G3 X-37 Y32 I0 J-5； N80 G0 Z100； N82 M05； N84 M30； (2)正方形外輪廓 O0002； N12 G90 G54 G0 X-52 Y-32 S1200 M03； （定位） N14 G43 H1 Z100； N16 Z10； N18 G1 Z-10 F20； （分層銑） N20 Y32. F120； N22 G17 G2 X-32 Y52 I20 J0； N24 G1 X32； N26 G2 X52 Y32 I0 J-20； N28 G1 Y-32； N30 G2 X32 Y-52 I-20 J0； N32 G1 X-32； N34 G2 X-52 Y-32 I0 J20； N36 G0 Z100； N38 Z10； N40 G1 Z-20 F20； N42 Y32 F120； N44 G2 X-32 Y52 I20 J0； N46 G1 X32； N48 G2 X52 Y32 I0 J-20； N50 G1 Y-32； N52 G2 X32 Y-52 I-20 J0； N54 G1 X-32； N56 G2 X-52 Y-32 I0 J20； N58 G0 Z100； N60 Z10； N62 G1 Z-28.5 F20； N64 Y32 F120； N66 G2 X-32 Y52 I20 J0； N68 G1 X32； N70 G2 X52 Y32 I0. J-20； N72 G1 Y-32； N74 G2 X32 Y-52 I-20 J0； N76 G1 X-32； N78 G2 X-52. Y-32 I0 J20； N80 G0 Z100； N82 M05； N84 M30； (3)四個(gè)圓 O0003； N12 G90 G54 G0 X4 Y0 S3000 M03； （定位） N14 G43 H1 Z100； N16 Z10； N18 G1 Z-3 F20； (下刀) N20 G17 G3 I-4 J0 F600； N22 G0 Z100； N24 Z10； N26 G1 Z-6 F20； N28 G3 I-4 J0 F600； N30 G0 Z100； N32 M05； N34 M30； 七、工件成型 工件加工成型后的實(shí)物如圖5所示。 圖5 工件實(shí)物圖 八、結(jié)論 薄壁零件加工過(guò)程中，涉及到了坯料的選擇、加工順序的確定、裝夾方式的選擇、刀具選用、走刀路線安排、切削參數(shù)的設(shè)定等工藝內(nèi)容。工藝設(shè)計(jì)的好壞直接影響到加工的尺寸精度和表面粗糙度。 實(shí)踐證明在零件切削前分析零件工藝性，以制定較合理的工藝過(guò)程和操作方法，切削中，以減少切削力，控制變形，保證加工精度為首要目的，找出工藝存在影響加工質(zhì)量的種種因素，通過(guò)改變切削參數(shù)，合理選用刀具材料和角度，提高工藝系統(tǒng)的剛度，及應(yīng)用一些彌補(bǔ)方法等，來(lái)達(dá)到薄壁零件的精度要求 參考文獻(xiàn): 1.王佃超主編. 數(shù)控銑床/加工中心實(shí)訓(xùn)指導(dǎo)書(高級(jí)). 校本教材. 2012. 2.湯習(xí)成主編. 機(jī)械制造工藝學(xué). 北京：中國(guó)勞動(dòng)社會(huì)保障出版社，2004. 3.翟瑞波主編．?dāng)?shù)控機(jī)床編程與操作．北京：中國(guó)勞動(dòng)社會(huì)保障出版社，2004. 4.翟瑞波主編．?dāng)?shù)控銑床/加工中心編程訓(xùn)練圖集. 北京：中國(guó)勞動(dòng)社會(huì)保障出版社， 2015. 5. 數(shù)控加工技師手冊(cè)編委會(huì)編．?dāng)?shù)控加工技術(shù)手冊(cè)．北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2005． 6. 楊鋼，小川，李渝昆．?dāng)?shù)控銑及加工中心編程. 重慶：重慶大學(xué)出版社,2007. 11