加工中心技师论文——薄壁件的数控铣削加工及工装设计

国家职业资格全国统一鉴定加工中心技师论文(国家职业资格二级)论文题目: 薄壁件的数控铣削加工及工装设计 姓 名： 身份证号： 准考证号： 所在省市： 江苏省南京市 所在单位： 薄壁件的数控铣削加工及工装设计姓 名： 单 位： 摘要: 薄壁零件已日益广泛地应用在各工业部门，因为它具有重量轻，节 约材料，结构紧凑等特点。但薄壁零件很难加工，原因是薄壁零件 刚性差，强度弱，在加工中极容易变形，使零件的形位误差增大， 不易保证零件的加工质量。但是薄壁零件尺寸较大、加工余量大、 相对刚度较低。在切削力、切削热、切削振颤等因素影响下，易发 生加工变形，不易控制加工精度和提高加工效率。加工变形和加工 效率问题已成为薄壁结构加工的重要约束本文就以典型薄壁零件的 数控加工进加工分析，解决以上问题为更好的加工薄壁零件提供了 好的依据及借鉴。关键词：薄壁；工装设计；工艺分析；数控编程 一、计算机辅助制造计算机辅助制造(computer aided manufacturing)是指在机械制造业中，利用电子数字计算机通过各种数值控制机床和设备，自动完成离散产品的加工、装配 、检测和包装等制造过程。简称CAM。除CAM的狭义定义外，国际计算机辅助制造组织(CAM-I)关于计算机辅助制造有一个广义的定义：“通过直接的或间接的计算机与企业的物质资源或人力资源的联接界面，把计算机技术有效地应用于企业的管理、控制和加工操作。”按照这一定义，计算机辅助制造包括企业生产信息管理、计算机辅助设计（CAD）和计算机辅助生产、制造3部分。计算机辅助生产 、制造又包括连续生产过程控制和离散零件自动制造两种计算机控制方式。这种广义的计算机辅助制造系统又称为整体制造系统(IMS）。采用计算机辅助制造零件、部件，可改善对产品设计和品种多变的适应能力，提高加工速度和生产自动化水平，缩短加工准备时间，降低生产成本，提高产品质量和批量生产的劳动生产率。 二、影响其加工精度的因素 大家都知道影响加工精度的因素很多，其中有以下三方面最为主要。受力变形。因工件薄壁，在夹紧力的作用下容易产生变形，从而影响工件的尺寸精度和形状精度。受热变形。切削热会引起工件热变形，使工件尺寸难于控制。机械振动。在切削力的作用下，容易产生振动和变形。影响工件的尺寸精度、形状、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 采用数控机床加工目前，我国加工此类零件多采用数控机床加工。数控机床具有精度高、稳定性好，刀库大等特点，在加工薄壁零件的过程中，大大的缩短了传统的机加工工艺规程和工时.提高了零件的加工精度。采用数控机床时应注意下面几方面。装夹方式，采用普通的三爪卡盘容易因受力不均造成工件变形。可以采用开口过渡环、专用卡爪、心轴或专用夹具等避免工件变形。合理选择刀具几何角度，减少径向切削力。合理选择切削用量减少工件变形。合理编写程序，以达到提高工件加工精度和质量的目的。 3.2 采用高速加工技术高速加工(HSM或HSC)是二十世纪九十年代迅速发展应用的先进加工技术。通常是指高的主轴转速(10000-100000r/min)、高的进给速度(40m-180m/min)下的铣削加工。高速加工在实际应用中能解决新材料的加工问题，适应表面质量高、精度高、形状复杂的三维曲面加工，减少和避免效率低的电火花加工，解决薄壁零件的加工问题。高速铣削铣削力小，有较高的稳定性，可高质量地加工出薄壁模具和整体结构式零件。如高速切削可使飞机大量采用整体结构零件，明显减轻部件重量，提高零件可靠性，减少装配工时。在数码产品或继电器产品中，薄壁模具加工困难，但采用高速铣削技术可以大大改善。能加工出壁厚0.2mm，壁高20mm的薄壁零件。 3.3 进刀和退刀方法每次当一个铣刀刀片进入切口时，切削刃可能会遭受到冲击载荷影响，这取决于切屑截面、工件材料和切削类型。对于铣削过程来讲，切削刃和工件材料之间最初接触与最终接触的类型是否合适是极为重要的。另外，对于切削刃的进入和退出，准确定位刀具也很重要。在第一种情形下，刀具的中心线完全位于工件宽度之外，并且刀片进入时最外端的刀尖会受到猛烈碰撞，这意味着刀具最敏感的部位易受到初始的冲击载荷影响。刀片也会离开切口仅保持刀尖接触，这意味着会将切削力完全施加到刀片的最外端，并保持到刀片突然脱离工件为止。这就是冲击卸载力。在第二种情形下，刀具的中心线与工件边缘处于同一条直线。当切削厚度处于最大值时，刀片便会离开切口，并且在刀片进入和退出时冲击载荷会非常高。在第三种情形下，刀具的中心线完全位于工件宽度之内。当刀片进入切口时，初始撞击更多会沿着切削刃，而远离敏感的刀尖；并且在刀片退出时，刀片会逐渐地离开切口。这种使切削刃离开工件材料的方式是非常重要的。在逐渐接近切口末端时，剩余材料会稍微退开，从而减少了刀片间隙。另外在将切削排出时会顺着刀片表面产生瞬间张力，并且常常会导致在工件上形成毛刺的风险。这种张力可确保在此风险下切削刃的安全性。当刀具的中心线与工件边缘一致或非常靠近时，这种情形便非常明显。此时，铣刀应以一定的正前角而不是负前角（工件与切削刃的夹角）离开工件。当工件表面上存在空间时就会出现问题。在这种情形下，常用的解决方案是选择更坚固的切削刃，同时还有时必须重新考虑齿距或刀片槽形。在考虑所有方方面面的同时，应将铣削工序看作为一个整体，以获得最合适的刀具和刀片类型。 四、零件图纸分析 4.1 尺寸标注应符合加工的特点 在编程中，所有点、线、面的尺寸和位置都是以编程原点为基准的。因此零件图样上最好直接给出坐标尺寸，或尽量以同一基准引注尺寸。 4.2 零件图的完整性与正确性分析 在程序编制中，必须充分掌握构成零件轮廓的几何要素，参数及各几何要素间的关系。因为在自动编程时要对零件轮廓的所有几何元素进行定义，手工编程时要计算出每个节点的坐标，无论哪一点不明确或不确定，编程都无法进行。 4.3 零件技术要求分析 零件的技术要求主要指尺寸精度、形状精度、位置精度、表面粗糙度及热处理等，这些要求在保证零件使用性能的前提下，应经济合理。 4.4 定位基准的选择 根据基准选择原则并结合该零件的特点，设计了专用夹具。由于该零件最大的特点就是壁薄，导致铣削加工时刚性不足。因此在工装设计时既要考虑定位可靠、夹紧方便，还要考虑如何增加工件的刚性，减少铣削时的振动及由于刚性不足而引起的变形，从而有效保证零件加工精度。定位夹具设计如图1所示。图1 定位夹具的设计 五、薄壁的加工工艺性分析薄壁件加工工艺性分析是编程前的重要工艺准备工作之一，根据加工实践，利用数控机床具有高精度、高柔性、高效率，尤其适合加工具有精度要求高，工序多和曲面轮廓复杂的零件等特点。零件图纸如图2所示。 5.1 薄壁件的图样工艺分析图样分析主要有以下几点：(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)复杂的曲线曲面。(4)是否有集中加工的表面。 5.2选择合适的机床在选择加工此件时，应充分发挥加工中心的加工形状复杂，工序集中，加工精度和定位精度高等加工优势。选择数控加工中心的主要依据如下：加工中心综合了现代控制技术，计算机应用技术，精密测量技术以及机床设计与制造等方面的最新成就，具有较高科技含量。加工中心集中了金属切削设备的优势，具有多工艺手段，能实现工件一次装夹后铣、镗、钻、锪等综合加工，对中等加工难度的批量工件，其生产效率是普通设备的510倍，而且还节省工装，调换工艺时能体现出相对的柔性。加工中心的控制系统功能较多，机床运动至少用个运动坐标轴，在机械制造领域承担着精密复杂的任务加工，按给定的工艺指令自动工出所需几何形状的工件。 a 俯视图 b 正视图 c 成型图图2 零件图纸 5.3 加工路线的选择加工中心刀具的进给路线包括孔加工进给路线和铣削加工进给路线： (1)孔加工进给路线的确定孔加工时，一般是先将刀具在XY平面内快速定位到孔中心线的位置上，然后再沿Z向运动进行加工。刀具在XY平面内的运动为点位运动，确定其进给路线是重点考虑：a.定位迅速，空行程路线要短；b.定位要准确，避免机械进给系统反向间隙对孔位置精度的影响；c.当定位迅速与定位准确不能同时满足时，若按最短进给路线进给能保证定位精度，则取最短路线。反之，应取能保证定位精度的路线。刀具在Z向的进给路线分为快速移动进给路线和工作进给路线。如图3所示。图3 刀具Z向的进给路线 (2)铣削加工进给路线的确定铣削加工进给路线包括切削进给和Z向快速移动进给两种进给路线。铣床加工进给路线的选择原则对加工中心同样适用。Z向快速移动进给长采用下列进给路线：a.铣削开口不通槽时，铣刀在Z向可直接快速移动到位，不需工作进给。b.铣削封闭槽时，铣刀需要有一段切入距离Za,先快速移动到距工件表面的切入距离位置之上，然后以工作进给速度进给至铣削深度H。c.铣削轮廓及通槽时，铣刀应有一段切出距离Zo，可直接快速移动到距工件表面Zo处。如图4所示。图4 铣削加工进给路线5.4 工艺分析薄壁零件主要由圆弧和圆组成，由于该零件的中间是空的，外壁与内壁只有5mm厚，所以在加工时要考虑用量不能太大，为了保证精度首先选择精确的刀具定位点。可以从外壁进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，对尺寸精度要求很高，所以正确的选用切削用量是保证尺寸精度的首要因素，我们可通过分层铣削加工保证精度。在加工薄壁时为了保证整个零件的完整性，在进刀时可以先加工内轮廓，这样可以减少在加工壁厚时用太多的切削量。因为薄壁是两边都要加工而且深度较深在加工时会产生让刀现象导致尺寸的不精确。所以我们在加工此类零件时还要在外部留有相应的厚度用来保证薄壁的加工精度使它有足够的强度不产生让刀。由于该零件的中间部分是空的，所以我们在加工时一定要注意。在下刀时铣削到最后时要注意中间的余量。在分层加工时保证了薄壁的垂直度也去除了薄壁以外的多余余料。 5.5 加工工艺的设计 根据加工的特点加工工序的划分一般可按下列方法进行： 以一次安装、加工作为一道工序。 以同一把刀具加工的内容划分工序。 以加工部位划分工序。 以粗、精加工划分工序。 选用直径为10cm的立铣刀，薄壁零件的加工顺序的拟定要按照先里后外、先粗后精的原则确定。因此要首先加工内部轮廓，在加工外部轮廓，这样就可以留有很多的内外加工余量。精加工过内外轮廓后，在加工轮廓一边的圆弧，再用加工中心四轴铣削该零件的另一端的轮廓和四个圆孔。加工工艺卡片如表1所示。表1 加工工艺卡片工步工步内容刀具号刀具规格主轴转速(r/min)进给速度(mm/min)被吃刀量(mm)1粗加工内轮廓T0110立铣刀15003004.52粗加工外轮廓T0110立铣刀15003004.53粗精加工内外轮廓T0110立铣刀30006004.54粗加工上端直线轮廓T0110立铣刀15003004.55精加工上端直线轮廓T0110立铣刀15006004.56加工上端圆弧曲面T0210球头刀30007004.57粗加工下端轮廓T0110立铣刀15003004.58精加工下端轮廓T0110立铣刀30006004.59粗加工四周圆孔T0110立铣刀15003004.510精加工四周圆孔T0110立铣刀30006004.5 六、编写加工程序 该薄壁零件加工的轮廓均为圆弧直线组成，因而只要计算出基点坐标，就可编制程序。薄壁零件加工的程序及程序说明如下：(1)正方形内轮廓O0001；(程序名)N12 G90 G54 G0 X-37 Y32 S1500 M03；（定位）N14 G43 H1 Z100； （下刀铣削）N16 Z10；N18 G1 Z-10 F20； （分层铣）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)正方形外轮廓O0002；N12 G90 G54 G0 X-52 Y-32 S1200 M03； （定位）N14 G43 H1 Z100； N16 Z10； N18 G1 Z-10 F20； （分层铣）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)四个圆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实物如图5所示。图5 工件实物图 八、结论 薄壁零件加工过程中，涉及到了坯料的选择、加工顺序的确定、装夹方式的选择、刀具选用、走刀路线安排、切削参数的设定等工艺内容。工艺设计的好坏直接影响到加工的尺寸精度和表面粗糙度。实践证明在零件切削前分析零件工艺性，以制定较合理的工艺过程和操作方法，切削中，以减少切削力，控制变形，保证加工精度为首要目的，找出工艺存在影响加工质量的种种因素，通过改变切削参数，合理选用刀具材料和角度，提高工艺系统的刚度，及应用一些弥补方法等，来达到薄壁零件的精度要求 参考文献:1.王佃超主编. 数控铣床/加工中心实训指导书(高级). 校本教材. 2012.2.汤习成主编. 机械制造工艺学. 北京：中国劳动社会保障出版社，2004.3.翟瑞波主编数控机床编程与操作北京：中国劳动社会保障出版社，2004.4.翟瑞波主编数控铣床/加工中心编程训练图集. 北京：中国劳动社会保障出版社， 2015.5. 数控加工技师手册编委会编数控加工技术手册北京：机械工业出版社，20056. 杨钢，小川，李渝昆数控铣及加工中心编程. 重庆：重庆大学出版社,2007.11