数控铣数控加工.ppt

1,通常数控镗铣床和加工中心(MC，Machine Center)在结构、工艺和编程等方面有许多相似之处。特别是全功能型数控镗铣床与加工中心相比，区别主要在于数控镗铣床没有自动刀具交换装置( ATC , Automatic Toos Changer )及刀具库，只能用手动方式换刀，而加工中心因具备ATC及刀具库，故可将使用的刀具预先安排存放于刀具库内，需要时再通过换刀指令，由ATC自动换刀。数控镗铣床和加工中心都能够进行铣削、钻削、镗削及攻螺纹等加工。,2,数控镗铣、加工中心机床的类型 数控镗铣、加工中心的工艺特点 数控镗铣、加工中心加工的典型零件 数控镗铣、加工中心加工工艺的制定 典型零件加工工艺分析,3,数控镗铣、加工中心机床的类型,立式,龙门式,卧式,主要技 术参数,主要技 术参数,主要技 术参数,主要技 术参数,高速加 工中心,4,立式加工中心主要技术参数,数控镗铣、加工中心机床的类型,5,卧式加工中心主要技术参数,数控镗铣、加工中心机床的类型,6,龙门式加工中心主要技术参数,数控镗铣、加工中心机床的类型,7,高速加工中心主要技术参数,数控镗铣、加工中心机床的类型,8,数控镗铣、加工中心的工艺特点,三坐标数控镗铣床与加工中心的共同特点是除具有普通铣床的工艺性能外，还具有加工形状复杂的二维以至三维复杂轮廓的能力。这些复杂轮廓零件的加工有的只需二轴联动(如二维曲线、二维轮廓和二维区域加工)，有的则需三轴联动(如三维曲面加工)，它们所对应的加工一般相应称为二轴(或2.5轴)加工与三轴加工。 对于三坐标加工中心(无论是立式还是卧式)，由于具有自动换刀功能，适于多工序加工，如箱体等需要铣、钻、铰及攻螺纹等多工序加工的零件。特别是在卧式加工中心上，加装数控分度转台后，可实现四面加工，而若主轴方向可换，则可实现五面加工，因而能够一次装夹完成更多表面的加工，特别适合于加工复杂的箱体类、泵体、阀体、壳体等零件。,加工实例,三坐标立式加工中心,9,三轴加工实例,加工模具示意图,技术数据,数控镗铣、加工中心的工艺特点,粗加工,半精加工,精加工,10,数控镗铣、加工中心的工艺特点,四坐标是指在X、Y和Z三个平动坐标轴基础上增加一个转动坐标轴(A或B)，且四个轴一般可以联动。其中，转动轴既可以作用于刀具(刀具摆动型)，也可以作用于工件(工作台回转摆动型)；机床既可以是立式的也可以是卧式的；此外，转动轴既可以是A轴(绕X轴转动)也可以是B轴(绕Y轴转动)。由此可以看出，四坐标数控机床可具有多种结构类型，但除大型龙门式机床上采用刀具摆动外，实际中多以工作台旋转摆动的结构居多。但不管是哪种类型，其共同特点是相对于静止的工件来说，刀具的运动位置不仅是任意可控的，而且刀具轴线的方向在刀具摆动平面内也是可以控制的，从而可根据加工对象的几何特征按保持有效切削状态或根据避免刀具干涉等需要来调整刀具相对零件表面的姿态。 因此，四坐标加工可以获得比三坐标加工更广的工艺范围和更好的加工效果。,四坐标卧式加工中心,柔性制造单元（FMC）,11,数控镗铣、加工中心的工艺特点,对于五坐标机床，都具有两个回转坐标。相对于静止的工件来说，其运动合成可使刀具轴线的方向在一定的空间内(受机构结构限制)任意控制，从而具有保持最佳切削状态及有效避免刀具干涉的能力。因此，五坐标加工又可以获得比四坐标加工更广的工艺范围和更好的加工效果，特别适宜于三维曲面零件的高效高质量加工以及异型复杂零件的加工。采用五轴联动对三维曲面零件的加工，可用刀具最佳几何形状进行切削，不仅加工表面粗糙度低，而且效率也大幅度提高。一般认为，一台五轴联动机床的效率可以等于两台三轴联动机床，特别是使用立方氮化硼等超硬材料铣刀进行高速铣削淬硬钢零件时，五轴联动加工可比三轴联动加工发挥更高的效益,五坐标卧式加工中心,12,数控镗铣、加工中心的工艺特点,主轴头旋转型,工作台旋转型,复合型主轴和工作台旋转型,五坐标机床的类型及加工实例,实例1,实例2,实例3,13,数控镗铣、加工中心的工艺特点,课堂讨论1,对于如图所示形状零件上三个直槽，比较分别采用三坐标和五坐标加工中心加工对零件加工的影响（从装夹、加工精度和效率等方面比较）。,14,数控镗铣、加工中心的工艺特点,课堂讨论2,15,数控镗铣、加工中心的工艺特点,高速加工技术是当代先进制造技术的重要组成部分，拥有高效率、高精度及高表面质量等特征。有关高速加工的含义，通常有如下几种观点：切削速度很高，通常认为其速度超过普通切削的5-10倍；机床主轴转速很高，一般将主轴转速在10000-20000r/min以上定为高速切削；进给速度很高，通常达15-50m/min，最高可达90m/min；对于不同的切削材料和所釆用的刀具材料，高速切削的含义也不尽相同。其优点在于： 加工时间短，效率高。高速切削的材料去除率通常是常规的35倍。 刀具切削状况好，切削力小，主轴轴承、刀具和工件受力均小。切削力降低大概30%90%，提高了加工质量。 刀具和工件受热影响小。切削产生的热量大部分被高速流出的切屑所带走，故工件和刀具热变形小，有效地提高了加工精度。 工件表面质量好。首先ap与ae小，工件粗糙度好，其次切削线速度高，机床激振频率远高于工艺系统的固有频率，因而工艺系统振动很小,加工实例,16,高速加 工实例1,加工零件示意图,高速加工切削条件,数控镗铣、加工中心的工艺特点,17,高速加 工实例2,加工零件示意图,高速加工切削条件,数控镗铣、加工中心的工艺特点,18,高速加 工实例3,加工零件示意图,高速加工切削条件,数控镗铣、加工中心的工艺特点,19,数控镗铣、加工中心加工的典型零件,平面类零件 ：加工面平行或垂直于水平 面，以及加工面与水平面的夹角为一定 值的零件，这类加工面可展开为平面。,直纹曲面类零件：由直线 依某种规律移动所产生的 曲面类零件。,20,数控镗铣、加工中心加工的典型零件,立体曲面类零件:加工面为 空间曲面的零件称为立体 曲面类零件。这类零件的 加工面不能展成平面,箱体类零件：一般是指具 有孔系和平面，内部有一 定型腔，在长、宽、高方 向有一定比例的零件,异型件：外形不规则的 零件，大多要点、线、 面多工位混合加工,工艺分析,21,在数控镗铣及加工中心机床上，要想合理应用好夹具，首先要对机床的加工特点有比较深刻的理解和掌握，同时还要考虑加工零件的精度、批量大小、制造周期和制造成本； 根据数控镗铣及加工中心特点和加工需要，目前常用的夹具类型有专用夹具、组合夹具、可调夹具和成组夹具。一般的选择顺序是单件生产中尽量用虎钳、压板螺钉等通用夹具，批量生产时优先考虑组合夹具，其次考虑可调夹具，最后选用专用夹具和成组夹具。在生产批量较大时可考虑采用多工位夹具和气动、液压夹具。在选择时要综合考虑各种因素，选择最经济的、最合理的夹具形式,数控镗铣、加工中心加工工艺的制定,工件的装夹,数控夹具选择的一般规律,22,为了简化定位与夹紧，夹具的每个定位面相对加工中心的加工原点，都应有精确的坐标尺寸； 为保证零件装夹方位与编程中所选定的工件坐标系及机床坐标系方向一致性，及定向装夹； 能经短时间的拆卸，改成适合新工件的夹具； 夹具应具有尽可能少的元件和较高的刚度； 夹具要尽量敞开，夹紧元件的空间位置能低则低，夹具不能和工步刀具轨迹发生干涉； 保证在主轴的行程范围内使工件的加工内容全部完成； 对于有交互工作台的加工中心，由于工作台的移动、上托、下托和旋转等动作，夹具设计必须防止夹具和机床的空间干涉； 尽量在一次装夹中完成所有的加工内容。当非要更换夹紧点时，要特别注意不能因更换夹紧点而破坏定位精度，必要时在工艺文件中说明； 夹具底面与工作台的接触，夹具的底面平面度必须保证在0.010.02mm以内，表面粗糙度不大于Ra3.2um,数控镗铣、加工中心加工工艺的制定,工件的装夹,数控夹具设计及组装时应注意的问题,23,数控镗铣、加工中心加工工艺的制定,三维效果图,零件图样,工件的装夹实例1,24,数控镗铣、加工中心加工工艺的制定,装夹方案1：找正法,装夹方案2：用夹具装夹,工件的装夹实例1,25,数控镗铣、加工中心加工工艺的制定,工件装夹时必须使工件在机床上占有正确位置,工件装夹时找正过程,工件的装夹实例1,26,数控镗铣、加工中心加工工艺的制定,工件装夹时必须使工件在机床上占有正确位置,工件装夹时找正过程,工件的装夹实例1,27,工件的装夹实例2组合夹具装夹应用,工步1装夹示意图,工步2装夹示意图,工步3装夹示意图,工步1加工完成,工步2加工完成,工步3加工完成,表面1,表面1,表面2,表面2,表面1,表面1,数控镗铣、加工中心加工工艺的制定,加工中心加工工序的工步内容： 工步1：粗铣表面1及槽、钻扩铰孔 工步2：粗精铣表面2型面 工步3：精铣表面1型面,28,数控镗铣及加工中心加工工艺的制定,常用对刀方式,对刀是确定工件在机床上的位置， 也即是确定工件坐标系与机床坐 标系的相互位置关系。对刀过程 一般是从各坐标方向分别进行， 它可理解为通过找正刀具与一个 在工件坐标系中有确定位置的点 (即对刀点)来实现。,光电式寻边器对刀,心轴块规对刀,偏心式寻边器对刀,零件简图,工件原点,29,数控镗铣及加工中心加工工艺的制定,常用对刀方式,偏心式寻边器对刀,主要特点： 对刀时寻边器不需回转； 可快速对工件边缘定位； 对刀精度可达0.005mm； 应用范围包括表面边缘、内孔及外圆 的高效对刀,30,数控镗铣及加工中心加工工艺的制定,常用对刀方式,偏心式寻边器对刀,对刀过程： 10mm的直柄可安装于弹簧夹头刀柄或钻夹头刀柄上； 请以手指轻压测测头的侧边，使其偏心0.5mm； 使其以400-600rpm的速度转动； 如图2所示使测头与工件的端面相接触，慢慢地碰触移动， 就会变成如图3所示，测头不再振动，宛如静止的状态接触， 以更细微的进给来碰触移动的话，测头就会如图4所示，开始 朝一定的方向滑动。 这个滑动起点就是所要寻求的基准位置； 工件端面所在的位置，就是加上测头半径5mm的坐标位置,图1,图2,图3,图4,31,数控镗铣、加工中心加工工艺的制定,Z轴设定器,自动对刀器,刀具长度方向的对刀： Z轴设定器：是用以对刀具长度补偿的一种测量装置。对刀准确、效 率高等特点； 缩短了加工准备时间。采用手动方式工作，即：对刀时， 机床的运动由操作者手动控制，特别适合单件、小批量生产； 自动对刀器：能在对刀时将对刀器产生的信号通过电缆输出至机床的 数控系统，以便结合专用的控制程序实现自动对刀、自动设定或更新刀 具的半径和长度补偿值； 对刀仪：用于机外对刀，在使用前就可测量出刀具的准确尺寸数据,对刀仪,刀具长度测量,刀具直径测量,32,数控镗铣、加工中心加工工艺的制定,加工工艺分析,数控镗铣或加工中心加工零件的表面不外乎平面、轮廓、曲面、孔 和螺纹等，主要要考虑到所选加工方法要与零件的表面特征、所要 求达到的精度及表面粗糙度相适应。 在数控镗铣床及加工中心上可铣削平面、平面轮廓及曲面。 孔加工的方法有钻削、扩削、铰削、铣削和镗削等； 螺纹的加工可采用攻螺纹、铣螺纹等方法,33,数控镗铣、加工中心加工工艺的制定,平面轮廓加工,铣削平面类零件周边轮廓一般采用立铣刀。刀具的尺寸应满足： 刀具半径R小于朝轮廓内侧弯曲的最小曲率半径min， 一般 可取R=(0.80.9) min； 如果min过小，为提高加工效率，可先采用大直径刀具进行 粗加工，然后按上述要求选择刀具对轮廓上残留余量过大的局 部区域处理后再对整个轮廓进行精加工,刀具的选择,34,数控镗铣、加工中心加工工艺的制定,平面轮廓加工,确定走刀路线的一般原则是： 保证零件的加工精度和表面粗糙度要求。 缩短走刀路线，减少进退刀时间和其他辅助时间。 方便数值计算，减少编程工作量。 尽量减少程序段数。 注意：对于平面轮廓的铣削，无论是外轮廓或内轮 廓，要安排刀具从切向进入轮廓进行加工，当轮廓 加工完毕之后，要安排一段沿切线方向继续运动的 距离退刀，这样可以避免刀具在工件上的切人点和 退出点处留下接刀痕,走刀路线的确定,35,铣削圆的切入切出路径,切入切出路径,数控镗铣、加工中心加工工艺的制定,平面轮廓加工,36,课堂讨论3,数控镗铣、加工中心加工工艺的制定,请仔细观察如下视频，说明刀具走刀路径是否合理？为什么？,37,数控镗铣、加工中心加工工艺的制定,平面轮廓加工,走刀路线对切削加工影响实例,铣削夹紧不良的工件时刀具 的路径：对于长刀具长度（大 于3倍直径），在由于振动不 可能侧铣的情况下推荐使用插 铣（轴向铣削）,插铣加工,侧铣加工,38,数控镗铣、加工中心加工工艺的制定,型腔加工,型腔三种走刀路线,环切法,行切法,行切+环切法,型腔加工,39,数控镗铣、加工中心加工工艺的制定,型腔加工,开始切削型腔的方法,主要有以下三种方法： 预钻削起始孔。不推荐这种方法： 这需要增加一种刀具，从切削的观 点看，刀具通过预钻削孔时因切削力而产生不利的振动。当使用预钻削 孔时，常常会导致刀具损坏； 最佳的方法之一是使用X/Y和Z方向的线性坡走切削，以达到全部轴向 深度的切削； 可以以螺旋形式进行圆插补铣。这是一种非常好的方法，因为它可产 生光滑的切削作用，而只要求很小的开始空间,坡走铣,螺旋插补铣,40,数控镗铣、加工中心加工工艺的制定,传统切削型腔角方法的不足： 传统的切削角的方法是使用直线插补（G01）,在角的过渡不连续。 这就是说，当刀具到达角落时，由于线性轴的动力特性限制，刀 具必须减速。在电机改变进给方向前，有一短暂的停顿，这会产 生大量的热量和摩擦。很长的接触长度会导致切削力的不稳定， 并常常使角落切削不足。典型的结果是振动刀具越大和越长， 或刀具总悬伸越大，振动越强,课堂讨论4 ：加工型腔角落的方法,解决方案?,41,数控镗铣、加工中心加工工艺的制定,问题的最佳解决方案： 使用圆角半径比角圆角半径小的刀具。用圆插补 加工角落。这种加工方法通过刀具的运动产生了光 滑和连续的过渡，产生振动的可能性大大地降低了。 另一种解决方案是通过圆插补产生比图样上的规 定稍大些的圆角半径。这是很有利的，这样，有时 就可在粗加工中使用较大的刀具，以保持高生产率。 在角落处余下的加工余量可以采用较小的刀具进行 固定铣削或圆插补切削,课堂讨论5 ：加工型腔角落的方法,42,数控镗铣、加工中心加工工艺的制定,曲面加工,走刀路线的选择,2轴半联动加工,3轴联动加工,5轴联动加工,刀具轴线,补偿平面,实际刀具轨迹,编程轨迹,加工工件,适用于曲率半径变化不大和精 度要求不高的曲面的粗加工,各种曲面类零件最理想的加工 方法,适用于曲率半径变化较大和精 度要求较高的曲面的精加工,43,数控镗铣、加工中心加工工艺的制定,顺铣与逆铣,顺 铣,逆 铣,在铣削加工中，铣刀的走刀方向与在切削点的切削分力方向相同,在铣削加工中，铣刀的走刀方向与在切削点的切削分力方向相反,44,数控镗铣、加工中心加工工艺的制定,顺铣与逆铣,顺铣与逆铣比较： 一般来说，在逆铣中刀具寿命比在顺铣中 短，这是因为在逆铣中产生的热量比在顺铣 中明显的高。在逆铣中当切屑厚度从零增加 到最大时，由于切削刃受到的摩擦比在顺铣 中强，因此会产生更多的热量。 逆铣中径向力也明显高，这对主轴轴承有 不利影响。在顺铣中，切削刃主要受到的是 压缩应力，这与逆铣中产生的拉力相比，对 硬质合金刀具或整体硬质合金刀具的影响有 利得多,顺铣与逆铣的选择： 通常，由于数控机床传动采 用滚珠丝杠结构，其进给传动 间隙很小，顺铣的工艺性就优 于逆铣。 如果零件毛坯为黑色金属锻 件或铸件，表皮硬而余量一般 较大，这时采用逆铣较为合理,45,数控镗铣、加工中心加工工艺的制定,请仔细观察如下视频，说明铣削轮廓采用的是 顺铣还是逆铣？,课堂讨论6 ：顺铣与逆铣,46,数控镗铣、加工中心加工工艺的制定,孔加工,孔加工方法的选择,孔加工的常用方法选择： 对于直径大于30mm的已铸出或锻出的毛坯孔的孔加工，一般 采用粗镗半精镗孔口倒角精镗的加工方案； 孔径较大的可采用立铣刀粗铣精铣加工方案； 孔中空刀槽可用锯片铣刀在孔半精镗之后、精镗之前铣削完成， 也可用镗刀进行单刀镗削，但单刀镗削效率较低； 对于直径小于30mm无底孔的孔加工，通常采用锪平端面 打中心孔钻扩孔口倒角铰加工方案，对有同轴度 要求的小孔，需采用锪平端面打中心孔钻半精镗 孔口倒角精镗(或铰)加工方案,孔加工主要方法： 钻削、扩削、铰削、 铣削和镗削,47,数控镗铣、加工中心加工工艺的制定,请仔细观察如下视频，说明零件中 各孔加工采用的是什么方法？为什么？,课堂讨论7 ：孔加工方法的选择,48,数控镗铣、加工中心加工工艺的制定,螺纹加工,螺纹加工方法的选择,螺纹加工方法选择： 内螺纹的加工根据孔径的大小，一般情况下，M6M20之间的螺纹， 通常采用攻螺纹的方法加工。因为加工中心上攻小直径螺纹丝锥容易 折断，M6以下的螺纹，可在加工中心上完成底孔加工再通过其他手段 攻螺纹。对于外螺纹或M20以上的内螺纹，一般采用铣削加工方法,螺纹加工主要方法： 攻螺纹、铣螺纹,攻螺纹,铣螺纹,49,数控镗铣、加工中心加工工艺的制定,切削用量的确定,粗加工时，一般以提高生产率为主，但也应考虑经济性和加工成本； 半精加工和精加工时，应在保证加工质量的前提下，兼顾切削效率、 经济性和加工成本。具体数值应根据机床说明书、切削用量手册， 并结合经验而定。切削速度的选择主要取决于被加工工件的材质； 进给速度的选择主要取决于被加工工件的材质及刀具的直径。刀具 生产厂家的刀具样本附有刀具切削参数选用表，可供参考。 但切削参数的选用同时又受机床、刀具系统、被加工工件形状以及 装夹方式等多方面因素的影响，应根据实际情况适当调整切削速度 和进给速度。当以刀具寿命为优先考虑因素时，可适当降低切削速度 和进给速度；当切屑的离刃状况不好时，则可适当增大切削速度,。,合理选择切削用量的原则,50,数控镗铣、加工中心加工工艺的制定,切削用量的确定,切削速度(vc),D1(mm);铣刀直径 (3.14):圆周率 n(min-1):主轴转速 vc(m/min):切削速度,平面铣削加工的计算式,51,数控镗铣、加工中心加工工艺的制定,切削用量的确定,每齿进给量(fz)、工作台进给速度(Vf),vf(mm/min): 每分钟工作台进给速度 z:刃数 n(min-1): 主轴转速(每转进给量 fzfz) fz(mm/tooth): 每齿进给量,平面铣削加工的计算式,52,数控镗铣、加工中心加工工艺的制定,切削用量的确定,用 计算P点切削速度。 (倾斜面加工时，切深边界部的切削速度) n（min-1）刀具转速,用ap 计算Q点切削速度。 (切深边界部的切削速度) n（min-1）刀具转速,实际切削速度的计算方法,53,数控镗铣、加工中心加工工艺的制定,切削用量的确定,孔加工的计算式,vc(m/min)：切削速度 (3.14)：圆周率 D1 (mm)：钻头直径 n(min-1) ：主軸转速,用1000去除，为将mm换算成m,vf(mm/min)：主轴（Z轴）进给速度 fr(mm/rev)：每转进给量 n(min-1) ：主轴转速,主轴每分钟进给量(vf),切削速度(vc),54,数控镗铣、加工中心加工工艺的制定,切削用量选用综合实例1,55,数控镗铣、加工中心加工工艺的制定,切削用量选用综合实例2,56,典型零件加工工艺分析,典型零件加工工艺分析,已知该零件的毛坯为100mm80mm27mm的方形坯料，材料为45钢，且底面和四个轮廓面均已加工好，要求在立式加工中心上加工顶面、孔及沟槽。,零件图样,57,数控加工工序卡片,典型零件加工工艺分析,58,典型零件加工工艺分析,59,课堂讨论8 ： 请仔细观察视频，分析该零件 加工工艺遵循了哪些工艺原则?,典型零件加工工艺分析,60,