程序编制中的工艺分析处理.ppt

第2章程序编制中的工艺分析处理 2 1数控加工工艺分析的特点及内容2 2数控加工工艺性分析2 3加工方法选择及加工方案确定2 4工艺路线的设计2 5加工路线的确定2 6确定零件的夹紧方法和夹具的选择 数控加工工艺 是采用数控机床加工零件时所运用各种方法和技术手段的总和 应用于整个数控加工工艺过程 数控加工工艺是伴随着数控机床的产生 发展而逐步完善起来的一种应用技术 它是人们大量数控加工实践的经验总结 数控加工工艺过程 是利用切削刀具在数控机床上直接改变加工对象的形状 尺寸 表面位置 表面状态等 使其成为成品或半成品的过程 2 1数控加工工艺分析的特点及内容 1 工艺的内容十分明确而具体数控加工工艺必须详细到每一次走刀路线和每一个操作细节 即普通加工工艺通常留给操作者完成的许多具体工艺与操作内容 如工步的安排 刀具几何形状及安装位置等 都必须由编程人员在编程时作出正确的选择 并编入加工程序中 2 工艺的设计要求非常严密数控机床虽然自动化程度较高 但自适性差 它不能像通用机床在加工时可以根据加工过程中出现的问题 比较灵活自由地适时进行人为调整 3 注重加工的适应性要根据数控加工的特点 正确选择加工方法和加工内容 2 1 1数控加工的工艺设计特点 4 采用多坐标联动自动控制加工复杂表面对于一些复杂表面 特殊表面或有特殊要求的表面 数控加工与普通加工有着根本不同的加工方法 5 采用先进的工艺装备数控加工中广泛采用先进的数控刀具 组合夹具等工艺装备 以满足数控加工中高质量 高效率和高柔性的要求 6 采用工序集中在工件的一次装夹中可以完成多个表面的多种加工 缩短了加工工艺路线和生产周期 根据实际应用需要 数控加工工艺主要包括以下内容 1 选择适合在数控机床上加工的零件 确定数控机床加工内容 2 对零件图纸进行数控加工工艺分析 明确加工内容及技术要求 3 具体设计数控加工工序 如工步的划分 工件的定位 夹具的选择 刀具的选择 切削用量的确定等 4 处理特殊的工艺问题 如对刀点 换刀点确定 加工路线确定 刀具补偿 分配加工误差等 5 处理数控机床上部分工艺指令 编制工艺文件 6 编程误差及其控制 2 1 2数控加工工艺的主要内容 数控加工工艺设计的主要内容 2 2数控加工工艺性分析 这里所指的数控加工的适用范围是广义的 不讨论某种具体机床加工什么零件 根据内外大量数控加工的应用实例 一般可按适应程度将零件分为下列三类 1 最适应类 1 形状复杂 加工精度要求高 使用通用机床无法加工或虽能加工但很难保证产品质量的零件 如图3 1所示 2 2 1从零件加工工艺分析决定零件进行数控加工的适用范围 图塑料模具 2 用数学模型描述的复杂曲线或曲面轮廓零件 如图3 2 图3 3所示 3 具有难测量 难控制进给 难控制尺寸的不开敞内型腔的壳体或盒型零件 如图所示的壳体零件 4 必须在一次装夹中完成铣 镗 锪 铰或攻丝等多工序的零件 图3 2管状零件图3 3叶片零件图3 4内型腔壳体零件 2 较适应类 1 在通用机床上加工时极易受人为因素 如情绪波动 体力强弱 技术水平高低等 干扰 零件价值又高 一旦质量失控便造成重大经济损失的零件 2 在通用机床上加工时 必须制造复杂的专用工装的零件 3 需要多次更改设计后才能定型的零件 4 在通用机床上加工需要作长时间调整的零件 5 普通机床难加工 质量也难以保证的内容应作为重点选择内容 6 用通用机床加工时 生产率很低或体力劳动强度很大的零件 3 一般来说 上述这些加工内容采用数控加工后 在产品质量 生产率与综合经济效益等方面都会得到明显提高 相比之下 下列一些内容则不宜选择采用数控加工 1 需要通过较长时间占机调整的加工内容 2 必须按专用工装协调的孔及其它加工内容 3 按某些特定的制造依据 如 样板 样件 模胎等 加工的型面轮廓 4 不能在一次安装中加工完成的零星分散部位 此外 要考虑生产批量 生产周期 工序间周转情况等因素 要尽量合理使用数控机床 达到产品质量 生产率及综合经济效益等指标都明显提高的目的 要防止将数控机床降格为普通机床使用 首先应熟悉零件在产品中的作用 位置 装配关系和工作条件 搞清楚各项技术要求对零件装配质量和使用性能的影响 找出主要的和关键的技术要求 然后对零件图样进行分析 1 检查零件图的完整性和正确性在了解零件形状和结构之后 应检查零件视图是否正确 足够 表达是否直观 清楚 绘制是否符合国家标准 尺寸 公差以及技术要求的标注是否齐全 合理等 2 2 2分析零件图 2 零件的技术要求分析包括 加工表面的尺寸精度 主要加工表面的形状精度 主要加工表面之间的相互位置精度 加工表面的粗糙度以及表面质量方面的其它要求 热处理要求 其它要求 如动平衡 未注圆角或倒角 去毛刺 毛坯要求等 要注意分析这些要求在保证使用性能的前提下是否经济合理 在现有生产条件下能否实现 特别要分析主要表面的技术要求 因为主要表面的加工确定了零件工艺过程的大致轮廓 3 合理的标注尺寸原则 1 零件图上尺寸标注应适合数控加工的特点 2 构成零件轮廓的几何元素的条件应充分 3 审查与分析定位基准的可靠性 3 合理的标注尺寸原则 1 零件图上尺寸标注应适合数控加工的特点 在数控编程中 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 a 同基准标注 b 分散标注 1 零件图上的重要尺寸应直接标注 而且在加工时应尽量使工艺基准与设计基准重合 并符合尺寸链s最短的原则 如图2 2中活塞环槽的尺寸为重要尺寸 其宽度应直接注出 2 零件图上标注的尺寸应便于测量 不要从轴线 中心线 假想平面等难以测量的基准标注尺寸 如图2 3中轮毂键槽的深度 只有尺寸c的标注才便于用卡尺或样板测量 3 零件图上的尺寸不应标注成封闭式 以免产生矛盾 不正确正确图2 2直接标注重要尺寸 图2 3键槽深度的标注 2 构成零件轮廓的几何元素的条件应充分在程序编制中 编程人员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 无论哪一点不确定 编程都无法进行 3 审查与分析定位基准的可靠性 以同一基准定位十分必要 否则很难保证两次定位安装加工后两个面上的轮廓位置及尺寸协调 所以 如零件本身有合适的孔 最好用它来做定位基准孔 既使零件上没有合适的孔 也要想法专门设置工艺孔作为定位基准 如零件上无法做出工艺孔 可以考虑以零件轮廓的基准边定位或毛坯上增加工艺凸耳 打出工艺孔 完成定位加工后再去除的方法 1 零件的内腔和外形最好采用统一的几何类型和尺寸 这样可以减少刀具规格和换刀次数 使编程方便 效益提高 2 内槽圆角的大小决定着刀具直径的大小 因而内槽圆角半径不应过小 如图所示 零件工艺性的好坏与被加工轮廓的高低 转换圆弧半径的大小等有关 图b与图a相比 转接圆弧半径大 可以采用较大直径的铣刀来加工 加工平面时 进给次数也相应减少 表面加工质量也会好一些 所以工艺性较好 通常R 0 2H H为被加工零件轮廓面的最大高度 时 可以判定零件的该部位工艺性不好 2 2 3零件各加工部位的结构工艺性应符合数控加工的特点 图数控加工工艺性对比 3 铣削零件底面时 槽底圆角半径r不应过大 如图所示 圆角r越大 铣刀端刃铣平面的能力越差 效率也越低 当r大到一定程度时 甚至必须用球头刀加工 应尽量避免 因为铣刀与铣削平面接触的最大直径d D 2r D为铣刀直径 当D一定时 r越大 铣刀端刃铣削平面的面积越小 加工表面的能力越差 工艺性也越差 此外 还应分析零件要求的加工精度 尺寸公差等是否可以得到保证 是否有引起矛盾的多余尺寸或影响工序安排的封闭尺寸等 图零件底面圆弧的影响 毛坯的形状和特性 在很大程度上决定了以后机械加工的难易程度 工序数量 劳动量和材料消耗 确定毛坯种类时 主要考虑下列因素 1 零件的材料及机械性能要求2 零件的结构形状和外形尺寸3 生产类型4 具体生产条件5 充分考虑利用新工艺 新技术和新材料的可能性 2 2 4零件毛坯的工艺性分析 2 3加工方法选择及加工方案确定 在数控机床上加工零件 一般有以下两种情况 一种是有零件图样和毛坯 要选择适合加工该零件的数控机床 另一种是已经有了数控机床 要选择适合该机床加工的零件 无论那种情况 考虑的因素主要有毛坯的材料和类型 零件轮廓形状复杂程度 尺寸大小 加工精度 零件数量 热处理要求等 概括起来机床的选用要满足以下要求 保证加工零件的技术要求 能够加工出合格产品 有利于提高生产率 可以降低生产成本 2 3 1数控机床的合理选用 1 数控车床适用于加工形状比较复杂的轴类零件和由复杂曲线回转形成的模具内型腔 2 对于不太复杂 尺寸不大的孔系加工 可选用数控钻床而不必用价格昂贵的加工中心 3 数控立式镗铣床和立式加工中心适于加工箱体 箱盖 平面凸轮 样板 形状复杂的平面或立体零件 以及模具的内 外型腔等 卧式镗铣床和卧式加工中心适于加工复杂的箱体类零件 泵体 阀体 壳体等 4 多坐标联动的卧式加工中心还可以用于加工各种复杂的曲线 曲面 叶轮 模具等 机械零件的结构形状是多种多样的 但它们都是由平面 外圆柱面 内圆柱面或曲间 廓形面等基本表面组成的 加工方法的选择原则是保证加工表面的精度和表面粗糙度的要求 由于获得同一级精度及表面粗糙度的加工方法一般有许多 因而在实际选择时 应结合零件的结构形状 尺寸大小 材料及生产类型等因素全面考虑 1 外圆表面加工方法的选择外圆表面的主要加工方法是车削和磨削 当表面粗糙度要求较高时 还要经光整加工 2 内孔表面加工方法的选择内孔表面加工方法有钻孔 扩孔 铰孔 镗孔 拉孔 磨孔和光整加工 常用空的加工方案 应根据被加工孔的加工要求 尺寸 具体生产条件 批量的大小及毛坯上有无预制孔等情况合理选用 3 平面加工方法的选择平面的主要加工方法有铣削 刨削 车削 磨削和拉削等 精度要求高的平面还需要经研磨或刮削加工 2 32加工方法的选择 常见平面加工方式如图所示 其中尺寸公差等级是指平行平面之间距离尺寸的公差等级 图常见平面加工方法 4 平面轮廓和空间曲面轮廓加工方法的选择 1 平面轮廓常用的加工方法有数控铣 线切割及磨削等 2 空间曲面加工方法主要是数控铣削 根据曲面形状 刀具形状以及精度要求等通常采用二轴半联动或三轴联动 如图所示 图二轴半联动加工 零件上的加工表面 常常是通过粗加工 半精加工和精加工逐步达到 对这些表面仅根据质量要求选择相应的最终加工方法是不够的 应正确地确定从毛坯到最终成形的加工方案 2 3 3加工方案设计的原则 2 4数控加工工艺路线的设计 1 工序划分的原则工序的划分可以采用两种不同原则 即工序集中原则和工序分散原则 1 工序集中原则将工件的加工集中在少数几道工序内完成 每道工序的加工内容较多 有利于采用高效的专用设备和数控机床 减少了机床数量 操作工人数和占地面积 一次装夹后可加工较多表面 不仅保证了各个加工表面之间的相互位置精度 同时还减少了工序间的工件运输量和装夹工件的辅助时间 但数控机床 专用设备和工艺装备投资大 尤其是专用设备和工艺装备调整和维修比较麻烦 不利于转产 2 41工序的划分 2 工序分散原则将工件的加工分散在较多的工序内进行 每道工序的加工内容很少 使设备和工艺装备结构简单 调整和维修方便 操作简单 转产容易 有利于选择合理的切削用量 减少机动时间 但工艺路线长 所需设备及工人人数多 占地面积大 2 工序划分方法主要考虑生产纲领 所用设备及零件本身的结构和技术要求等 大批量生产时 若使用多轴 多刀的高效加工中心 可按工序集中原则组织生产 若在由组合机床组成的自动线上加工 工序一般按分散原则划分 随着现代数控技术的发展 特别是加工中心的应用 工艺路线的安排更多地趋向于工序集中 单件小批生产时 通常采用工序集中原则 对于结构尺寸和重量都很大的重型零件 应采用工序集中原则 以减少装夹次数和运输量 对于刚性差 精度高的零件 应按工序分散原则划分工序 1 按零件装夹定位方式划分工序由于每个零件结构形状不同 各表面的技术要求也有所不同 所以按加工时的定位方式划分工序 也就是以完成相同型面的那一部分工艺过程为一道工序 对于加工表面多而复杂的零件 可按其结构特点 如内形 外形 曲面和平面等 划分成多道工序 一般加工外形时 以内形定位 加工内形时以外形定位 因而可根据定位方式的不同来划分工序 如图所示的片状凸轮 按定位方式可分为两道工序 第一道工序可在普通机床上进行 以外圆表面和B平面定位加工端面A和 22H7的内孔 然后再加工端面B和 4H7的工艺孔 第二道工序以已加工过的两个孔和一个端面定位 在数控铣床上铣削凸轮外表面曲线 图片状凸轮 2 按粗 精加工划分工序根据零件的加工精度 刚度和变形等因素来划分工序时 可按粗 精加工分开的原则来划分工序 即粗加工中完成的那一部分工艺过程为一道工序 精加工中完成的那一部分工艺过程为一道工序 此时可用不同的机床或不同的刀具进行加工 如图所示的零件 3 按所用刀具划分工序为了减少换刀次数 压缩空程时间 减少不必要的定位误差 可按刀具集中工序的方法加工零件 图车削加工的零件 2 42加工顺序的安排 加工方法选定和工序划分以后 紧接着便是合理安排加工工序的顺序 1 切削加工顺序的安排 1 基准先行原则作为精基准的表面一般应优先加工 因为定位基准的表面越精确 装夹误差就越小 以便用它定位加工其他表面 2 先粗后精原则各个表面的加工顺序按照粗加工一半精加工 精加工一光整加工的顺序依次进行 逐步提高表面的加工精度和减小表面粗糙度 3 先主后次原则主要表面一般是零件上的工作表面 装配基面等 它们的技术要求较高 加工工作量较大 故应先安排加工 以便及早发现毛坯中主要表面可能出现的缺陷 4 先面后孔原则对箱体 支架类零件 平面轮廓尺寸较大 一般先加工平面 再加工孔和其他尺寸 这样安排加工顺序 5 先近后远原则在一般情况下 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 2 热处理工序的安排热处理可以提高材料的力学性能 改善金属的切削性能以及消除残余应力 在制订工艺路线时 应根据零件的技术要求和材料的性质 合理地安排热处理工序 1 退火与正火 2 时效处理 3 调质 4 淬火 渗碳淬火和渗氮3 辅助工序的安排检验 表面强化 去毛刺 倒棱 清洗 防锈等辅助工序 2 4 3顺序的安排顺序的安排应根据零件的结构和毛坯状况 以及定位与夹紧的需要来考虑 重点使工件的刚性不被破坏 顺序安排一般应按下列原则进行 1 上道工序的加工不能影响下道工序的定位与夹紧 中间穿插有通用机床加工工序的也应综合考虑 2 先进行内腔加工 后进行外形加工 3 以相同定位 夹紧方式加工或用同一把刀具加工的工序 最好连续加工 以减少重复定位次数 换刀次数与挪动压板次数 4 在同一次安装中进行的多道工序 应先安排对工件刚性破坏较小的工序 2 44数控加工工序与普通加工工序的衔接 数控工序前后一般都穿插有其它普通工序 如衔接得不好就容易产生矛盾 因此熟悉整个加工工艺内容的同时 相互建立技术状态要求 如 要不要留加工余量 留多少 定位面与孔的精度要求及形位公差 对校形工序的技术要求 对毛坯的热处理状态等 目的是达到相互能满足加工需要 且质量目标及技术要求明确 交接验收有依据 数控工艺路线的设计是下一步走刀路线的设计基础 会对零件的加工质量与生产效率造成较大的影响 设计工艺路线时应对认真分析零件图 结合数控加工的特点和实际经验来灵活运用普通加工工艺的一般原则 尽量把数控加工工艺路线设计得更趋合理 2 5走刀路线的设计 加工路线 即走刀路线 在数控加工中刀具刀位点相对于工件的运动轨迹 即刀具从起始点开始运动 直至返回该点并结束加工程序所经过的路径 包括切削加工的路径及刀具引入 返回等非切削空行程 确定走刀路线 主要是确定粗加工及空行程的走刀路线 因为精加工切削过程的走刀路线基本上是沿零件轮廓顺序进行的 编程时 加工路线的确定原则有 1 加工路线应保证被加工零件的加工精度和表面粗糙度要求 且效率要较高 2 应使加工路线最短 这样既可简化程序段 又可减少空走刀时间以提高生产率 3 保证零件的工艺要求 4 利于简化数值计算 减少程序段的数目和程序编制的工作量 2 51点位控制加工路线 点位控制数控机床的走刀路线包括在XY平面上的走刀路线和Z向的走刀路线 对点位控制机床 只要求定位精度较高 定位过程尽可能快 而刀具相对于工件的运动路线无关紧要 因此 这类机床应按空程最短来安排加工路线 欲使刀具在XY平面上的走刀路线最短 必须保证各定位点间的路线的总长最短 如加工下图a所示零件上的孔系 图b的走刀路线为先加工完外圈孔后 再加工内圈孔 若改用图c的走刀路线 减少空刀时间 则可节省定位时间近1倍 提高了加工效率 图最短加工路线的选择 a b c 除此之外还要确定刀具轴向的运动尺寸 其大小主要由被加工零件的孔深来决定 但也应考虑一些辅助尺寸 如刀具轴向引入距离 Z和超越量 Z 钻孔的尺寸关系如图所示 图中Zd 被加工孔的深度 图数控钻孔的尺寸关系 对于点位控制方式加工 一般要求定位精度高 定位过程尽可能地快 而刀具相对于工件的运动轨迹是无关紧要的 为此 人们常常同时采用两种方法予以满足 一种是单向趋向定位点的方法 见图 图单向趋近定位点 另一种是分级降速趋近定位点的方法 图表示出了分级降速趋向定位点的两种方式 其中图 a 为用电磁离合器控制齿轮分级减速和爬行趋近终点 图 b 为用直流电机或液压传动进行逐渐减速趋近终点 图分级降速趋近定位点 2 5 2孔系加工的路线 对于位置精度要求较高的孔系加工 特别要注意孔的加工顺序的安排 安排不当时 有可能将坐标轴的反向间隙带入 直接影响位置精度 如图所示 图镗孔加工路线示意图 2 5 3车螺纹的加工线路 在数控机床上车螺纹时 沿螺距方向的Z向进给应和机床的旋转保持严格的速度比关系 因此应避免在进给机构加速或减速过程中切削 为此要有引入距离 1和 2超越距离 如图所示 1与 2的数值与机床拖动系统的动态特性有关 与螺纹的螺距和螺纹的精度有关 一般 1为2 5mm 对大螺距和高精度的螺纹取大值 2一般取为 1的1 4左右 若螺纹收尾处没有退刀槽时 一般按45 退刀收尾 图切削螺纹时的引入距离 2 5 4铣削平面的加工路线 刀具切入工件和切离工件时 如图所示 应避免沿零件外廓的法向切入 而应沿外廓曲线延长线的切向切入 以避免在切入处由于法向力过大产生刀具的刻痕 而影响表面质量 保证零件外廓曲线平滑过渡 图切向加工原理 切向切入 法向切入 切出 切向切出 左图所示为圆弧插补方式铣削外整圆时的走刀路线图 如右图所示铣削内圆弧时也要遵循从切向切入的原则 最好安排从圆弧过渡到圆弧的加工路线 图外圆铣削图内圆铣削 图所示为加工凹槽的三种加工路线 图中 a 和 b 分别为采用行切法和环切法加工凹槽的走刀路线 c 图为先用行切法加工去除大部分材料 最后环切光整轮廓表面 c 方案结合二者优点 最好 图凹槽加工路线 a b c 2 5 5铣削曲面的加工路线 在机械加工中 常会遇到各种平面及曲面轮廓零件 如凸轮 模具 叶片螺旋桨等 由于这类零件型面复杂 需用多坐标联动加工 因此多采用数控铣床 数控加工中心进行加工 如图所示的发动机大叶片 可采用三种加工路线 图直纹曲面的加工路线 a b c 2 6确定零件的夹紧方法和夹具的选择 工件的定位基准与夹紧方案的确定 应遵循前面所述有关定位基准的选择原则与工件夹紧的基本要求 此外 还应该注意下列三点 1 力求设计基准 工艺基准与编程原点统一 2 设法减少装夹次数 以减少装夹误差 提高加工表面之间的相互位置精度 3 避免采用占机人工调整方案 影响加工效率 2 6 1工件的定位与夹紧方案的确定