《數控加工工藝學》課件第6章

第6章復雜形狀零件的數控加工工藝6.1復雜形狀零件的數控加工工藝概況6.2機床類型與工藝特點6.3復雜形狀零件數控加工工藝方案6.4其他工藝問題

6.1復雜形狀零件的數控加工工藝概況

各種復雜形狀零件的數控加工工藝，如粗、精加工，用戶可以根據零件結構、加工表面形狀和加工精度要求選擇合適的加工類型。

復雜形狀零件的數控加工工藝，都必須采用相應的數控編程軟件來實現自動編程，對于不同的加工類型，各種數控編程軟件CAM的數控編程過程都需經過獲取零件模型、加工工藝分析及規(guī)劃、完善零件模型、設置加工參數、生成數控刀路、檢驗數控刀路和生成數控程序七個步驟，其流程如圖6－1所示。圖6－1復雜零件數控加工流程圖

1.建立或者獲取零件模型

零件的CAD模型是數控編程的前提和基礎，CAM數控程序的編制必須有CAD模型作為加工對象。CAD/CAM軟件要具有強大的CAD系統，用戶可以通過模塊之間的切換，在零件設計、曲面造型等模塊中建立所需的零件CAD模型，完成后再切換到相應的數控加工模塊中。用戶也可以將其他CAD系統所建立的零件模型轉換為公共的數據轉換格式，如iges、step等，再導入相應的CAD/CAM軟件中并得到零件模型。

2.加工工藝分析及規(guī)劃

加工工藝分析和規(guī)劃在很大程度上決定了數控程序的質量，主要是確定加工區(qū)域、加工性質、走刀方式、使用刀具、主軸轉速和切削進給等項目。加工工藝分析及規(guī)劃主要包括以下內容：

(1)加工對象的確定：通過對模型的分析，確定工件的哪些部位需要在數控銑床上或者數控加工中心加工。數控銑床加工的工藝適應性也是有一定限制的，對于尖角、細小的筋條等部位是不適合加工的，應使用線切割或者電加工來加工；而某些加工內容可能使用普通機床有更好的經濟性，如孔的加工可以使用鉆床，回轉體加工可以用車床來加工。

(2)加工區(qū)域規(guī)劃：即對加工對象進行分析，按其形狀特征、功能特征及精度、粗糙度要求將加工對象分成若干個加工區(qū)域。對加工區(qū)域進行合理規(guī)劃，可以達到提高加工效率和加工質量的目的。

(3)加工工藝路線規(guī)劃：從粗加工到精加工，再到清根加工的加工流程規(guī)劃，以及加工余量分配。

(4)加工工藝和加工方式確定：如刀具選擇、加工工藝參數和切削方式的選擇等。

3.完善零件模型

由于CAD造型人員更多地考慮零件設計的方便性和完整性，較少顧及零件模型對CAM加工的影響，因此要根據加工對象的確定及加工區(qū)域劃分對模型做一些完善。零件模型的完善通常有以下一些內容。

(1)確定坐標系。坐標系是加工的基準，應將坐標系定位在適合機床操作人員確定的位置，同時應保持坐標系的統一。

(2)清理隱藏的、對加工不產生影響的元素。

(3)修補部分曲面。對于因有不加工部位存在而造成的曲面空缺部位，應該補充完整。如鉆孔的曲面，在狹小的凹槽部位等，應該將這些曲面重新做完整，這樣獲得的刀具路徑規(guī)范而且安全。

(4)增加安全曲面。

(5)對輪廓曲線進行修整。對于通過公共數據轉換格式得到的零件CAD模型，看似光滑的曲線可能存在斷點，看似一體的曲面在連接處可能不相交?？梢酝ㄟ^修整或者創(chuàng)建輪廓線構造出最佳的加工邊界曲線。

(6)構建刀路限制邊界。需要使用邊界來限制加工范圍的加工區(qū)域，先構建出邊界曲線。

4.設置加工參數

參數設置可視為對工藝分析和規(guī)劃的具體實施，它構成了利用CAD/CAM軟件進行數控編程的主要操作內容，直接影響生成的數控程序質量。參數設置的內容主要有以下幾個方面。

(1)設置加工對象：用戶通過交互手段選擇被加工的幾何體或其中的加工分區(qū)、毛坯和避讓區(qū)域等。

(2)設置切削方式：指定刀軌的類型及相關參數。

(3)設置刀具及機械參數：針對每一個加工工序選擇合適的加工刀具，并在CAD/CAM軟件中設置相應的機械參數，包括主軸轉速、切削進給、切削液控制等。

(4)設置加工程序參數：包括對進退刀位置及方式、切削用量、行間距、加工余量、安全高度等的設置。這是參數設置中最主要的內容之一。

5.生成數控刀路

在完成參數的設置后，CAD/CAM軟件將自動進行刀軌的計算。

6.檢驗數控刀路

為確保數控程序的安全性，必須對生成的刀軌進行檢查校驗，檢查刀路是否有明顯過切或者加工不到位等問題，并檢查是否發(fā)生與工件及夾具的干涉。當檢查中發(fā)現問題時，應該調整參數的設置，再重新進行計算、校驗，直到準確無誤。

7.生成數控程序

前面生成的只是數控刀軌，還需要將刀軌以規(guī)定的標準格式轉換為數控代碼并輸出保存。數控程序文件可以用記事本進行打開。在生成數控程序后，還需要檢查這個程序文件，特別要對程序及程序尾部的語句進行檢查，如有必要可以修改。數控程序文件可以通過傳輸軟件傳輸到數控機床的控制器上，由控制器按程序語句驅動機床加工。 6.2機床類型與工藝特點

1.兩軸聯動數控機床

兩軸聯動的數控機床主要有數控車床。數控車床以主軸夾持工件旋轉，刀具隨X、Z軸的聯動插補，對工件進行加工。所以，數控車床是以回轉類零件為加工對象的，加工的工件形狀以平面二維曲線為主，是比較簡單的型面加工。

兩軸聯動的數控銑床，其X、Y、Z三軸中任意兩軸作插補聯動，第三軸作單獨的周期進刀，常稱2.5軸聯動。兩軸聯動加工所用的刀具通常是球刀銑頭（即指狀銑刀）。用這種刀具加工曲面，不易干涉相鄰表面，計算比較簡單。球狀銑刀的刀頭半徑應選得大一些，有利于提高加工光潔度、增加刀具剛度、散熱等。但刀頭半徑應小于曲面的最小曲率半徑。

用球頭銑刀加工曲面時，總是用刀心軌跡的數據進行編程，常用于曲率變化不大以及精度要求不高的粗加工。

2.三軸聯動數控機床

三軸聯動數控機床是指機床的X、Y、Z三軸可同時插補聯動，若三個坐標軸中只有兩個或任意兩個可以同時控制（聯動），則稱其為三軸兩聯動。現代的三坐標數控機床一般都具有三軸聯動的能力，具有加工形狀復雜的二維以及三維復雜輪廓的能力，這些復雜輪廓零件的加工有的只需二軸聯動（如二維曲線、二維輪廓和二維區(qū)域加工），有的則需三軸聯動（如曲面加工）。三軸聯動的數控刀軌可以是平面曲線或者空間曲線。三坐標聯動加工常用于復雜曲面的精確加工（如精密鍛模）。對于三坐標數控加工中心，無論是立式還是臥式的，由于具有自動換刀能力，因此適合于多工序的加工，如箱體等需要銑、鉆、鉸及攻絲等多工序加工的零件。對于臥式加工中心，加裝分度轉臺后，可實現四面加工。若主軸方向可變換時，則可以實現五面的加工。這種機床能夠實現一次裝夾完成多表面的加工，可以保證形位公差（如垂直度、平行度等）的要求，提高加工質量。此種設備特別適合于加工復雜的箱體類零件、泵體、閥體、殼體等。

3.四軸聯動數控機床

四軸聯動數控機床除了有X、Y、Z三軸平動之外，還有工作臺或者刀具的轉動（A或B），且四個軸可以聯動。其中，轉動軸既可以作用于刀具（刀具擺動），也可以作用于工件（工作臺回轉/擺動）。機床既可以是立式的，也可以是臥式的。此外，轉動軸既可以是A軸（繞X軸轉動），也可以是B軸（繞Y軸轉動）。由此可以看出，四軸聯動數控機床可具有多種結構類型。四軸聯動數控機床以工作臺回轉/擺動的結構為多，相對于靜止的工件來說，刀具的運動位置不僅是任意可控的，而且刀具軸線的方向在刀具擺動平面內也是可控的，因此其加工的工件型面可以是比較復雜的。與三軸聯動數控機床比較，其加工工藝范圍更廣，加工更加靈活，加工效果更好。

4.五軸聯動數控機床

數控機床除了X、Y、Z三軸的平動外還有刀具旋轉、工作臺的旋轉（A、B或A、C或B、C）。五軸聯動數控機床由于有兩個轉動軸，其運動軸的配置形式有很多種，可以歸納為以下三種結構形式。

1)刀具擺動型

這種結構類型是指兩個轉動軸都作用于刀具上，由刀具繞兩個互相正交的軸轉動，以使刀具能指向空間任意方向。由于運動是順序傳遞的，因而在兩個旋轉軸中，有一個的軸線方向在運動過程中始終不變，稱為定軸，而另一個的軸線方向則是隨著定軸的運動而變化的，稱為動軸（動軸緊靠刀具）。對于定、動軸的配置，理論上存在A－B、A－C、B－A、B－C、C－A和C－B等六種組合情況。但由于在A－C和B－C的配置情況下，動軸軸線與刀具軸線平行而沒有意義，因此，定、動軸的運動配置實際上只有A－B、B－A、C－A和C－B等四種。這類機床的主要特點是擺動機構結構較復雜，一般剛性較差，但其運動靈活，機床操作（如裝卡工件）較方便，因而在大型龍門式機床上被廣泛采用。

2)工作臺回轉/擺動型

這種結構類型是指兩個轉動軸都作用于工件上，根據運動的相對性原理，它與刀具擺動型產生的效果在本質上是一樣的。這種結構也是定、動軸的配置（動軸緊靠工件），對于定、動軸的配置，理論上也存在A－B、A－C、B－A、B－C、C－A和C－B等六種組合情況。但由于此時的定軸到刀具間只存在平動，因而選C軸作為定軸將因不能改變刀具的軸線方向而失去意義，因此，定、動軸的運動配置實際上只有A－B、A－C、B－A和B－C等四種。這類機床的主要特點是其旋轉擺動工作臺機構結構剛性容易得到保證，工藝范圍廣，而且容易實現。但由于工件要隨工作臺一起在空間運動，其總重量較大，因此此種結構主要適合中小規(guī)格的機床，用于加工體積和質量不大的零件。

3)刀具與工作臺回轉/擺動型

這種結構類型是指刀具與工件各具有一個轉動運動。這種結構不是定、動軸結構，兩個回轉軸在空間的方向都是固定的。對于兩個軸的配置情況，若按先工件后刀具的順序，則理論上也存在A－B、A－C、B－A、B－C、C－A和C－B等六種組合情況，刀具繞其轉動的軸不能平行于C軸，否則同樣將因不能改變刀具的軸線方向而失去意義。兩個回轉軸的運動配置實際上只有A－B、B－A、C－A和C－B等四種。此類結構機床的特點介于上述兩類之間。

6.3復雜形狀零件數控加工工藝方案

6.3.1二維輪廓加工

平面輪廓加工一般采用環(huán)切方式，即刀具沿著某一固定的轉向圍繞著工件輪廓環(huán)形運動，最終一環(huán)刀具運動軌跡是工件輪廓的等距曲線，即將加工輪廓線按實際情況左偏或右偏一個刀具半徑。6.3.2二維型腔加工

二維型腔是指以平面封閉輪廓為邊界的平底直壁凹坑。二維型腔加工的一般過程是：沿輪廓邊界留出精加工余量，先用平底端銑刀用環(huán)切或行切法走刀，銑去型腔的多余材料，最后沿型腔底面和輪廓走刀，精銑型腔底面和邊界外形。型腔零件切削有兩種方式，一種是環(huán)切方式，另一種是行切方式。型腔的環(huán)切方式與平面輪廓的環(huán)切方式相似，刀具基本上是在與工件輪廓等距離的環(huán)上運動，逐步切近工件，最后一環(huán)是沿工件輪廓向左或右偏離一個刀具半徑的曲線。行切方式刀具可以按S形或Z形方式走刀，當型腔較深時，則要分層進行粗加工，這時還需要定義每一層粗加工的深度以及型腔的實際深度，以便計算需要分多少層進行粗加工。

圖6－2兩軸半坐標行切法加工曲面6.3.3三坐標曲面加工

1.對曲率變化不大和精度要求不高的曲面的粗加工

常用兩軸半坐標的行切法加工，即X、Y、Z三軸中任意兩軸作聯動插補，第三軸作單獨的周期進給。如圖6－2所示，將X向分成若干段，球頭銑刀沿YZ面所截進行銑削，每一段加工完后進給ΔX，再加工另一相鄰曲線，如此依次切削即可加工出整個曲面。在行切法中，要根據輪廓表面粗糙度的要求及刀頭不干涉相鄰表面的原則選取ΔX。球頭銑刀的刀頭半徑應選得大一些，有利于散熱，但刀頭半徑應小于內凹曲面的最小曲率半徑。

2.對曲率變化較大和精度要求較高的曲面的加工

兩軸半坐標加工曲面的刀心軌跡O1O2和切削點軌跡ab如圖6－3所示,圖6－3中,ABCD為被加工曲面，PYZ平面為平行于YZ坐標平面的一個行切面，刀心軌跡O1O2為曲面ABCD的等距面IJKL與行切面PYZ的交線。顯然，O1O2是一條平面曲線。由于曲面的曲率變化，改變了球頭刀與曲面切削點的位置，使切削點的連線成為一條空間曲線，從而在曲面上形成扭曲的殘留溝紋。采用三坐標數控銑床進行2.5軸加工。圖6－3兩軸半坐標行切法加工曲面的切削點軌跡工件是變斜角面的情形，其刀具常用球頭銑刀和鼓形銑刀，以直線或圓弧插補方式進行分層銑削加工，加工后的殘留面積用鉗修法清除。因為一般球頭銑刀的球徑較小，所以只能加工大于90°的開斜角面；而鼓形銑刀的鼓徑較大（比球頭銑刀的球徑大），能加工小于90°的閉斜角（指工件斜角α＞90°）面，且加工后的疊刀刀峰較小，因此鼓形銑刀的加工效果比球頭刀好。圖6－4所示是用鼓形銑刀銑削變斜角面的情形。由于鼓形銑刀的鼓徑可以做得比球頭銑刀的球徑大，因此加工后的殘留面積高度小，加工效果比球頭銑刀好。圖6－4用鼓形銑刀分層銑削變斜角面6.3.4五坐標曲面加工

對像葉輪、螺旋槳這樣的零件適合采用五坐標聯動加工。如圖6－5所示，因其葉片形狀復雜，刀具易與相鄰表面干涉，常用五坐標聯動加工。半徑為Ri的圓柱面與葉面的交線AB為螺旋線的一部分，螺旋角為ψi，葉片的徑向葉型線（軸向割線）EF的傾角α為后傾角，螺旋線AB用極坐標加工方法，并且以折線段逼近。逼近段mn是由C坐標旋轉Δθ與Z坐標位移ΔZ的合成。當AB加工完后，刀具徑向位移ΔX。（改變Ri），再加工相鄰的另一條葉型線，依次加工即可形成整個葉面。由于葉面的曲率半徑較大，因此常采用立銑刀加工，以提高生產效率并簡化程序。為保證銑刀端面始終與曲面貼合，銑刀還應作由坐標A和坐標B形成的θ1和α1的擺角運動。在擺角的同時，還應作直角坐標的附加運動，以保證銑刀端面中心始終位于編程值所規(guī)定的位置上，所以需要五坐標加工。這種加工的編程計算相當復雜，一般采用自動編程。圖6－5曲面的五坐標聯動加工對曲率變化較小的變斜角面，選用X、Y、Z和A四坐標聯動的數控銑床，采用立銑刀（但當零件斜角過大，超過機床主軸擺角范圍時，可用角度成型銑刀加以彌補）以插補方式擺角加工，如圖6－6（a）所示。加工時，為保證刀具與零件型面在全長上始終貼合，刀具繞A軸擺動角度α。

對曲率變化較大的變斜角面，用四坐標聯動加工難以滿足加工要求，最好用X、Y、Z、A和B（或C轉軸）的五坐標聯動數控銑床，以圓弧插補方式擺角加工，如圖6－6（b）所示。圖中,夾角A和B分別是零件斜面母線與Z坐標軸夾角α在ZOY平面上和XOZ平面上的分夾角。圖6－6變斜角面工件加工示意圖

（a）四坐標數控銑床加工變斜角面；

（b）五坐標數控銑床加工變斜角面6.3.5曲面粗加工

粗加工一般稱為區(qū)域清除。在此加工階段中，應該在公差允許范圍內盡可能多地切除材料。比較典型的區(qū)域清除方式是等高切面，即在毛坯上沿著高度方向等距離劃分出數個切削層，每次切削一個層面的毛坯余量。在這個階段一般采用圓柱立銑刀進行加工，除了切削角度外，選擇刀具的主要參數是刀具直徑。同時在粗加工階段，一般采用行切方式進行切削，產生區(qū)域清除刀具路徑。粗加工階段采取分層行切（也可以是環(huán)切）加工方式，刀具一般采用圓柱立銑刀。下面以電極的等高粗加工為例來討論曲面粗加工工藝。圖6－7所示是某模具加工電極的尺寸圖紙，加工材料為蠟模，由于都有拔模斜度，因此加工的曲面比較陡峭，本例采用等高線環(huán)切加工，擬采用如下加工方案：

等高線粗加工，選用R2球刀，加工余量為1。

等高線粗加工，選用R2球刀，加工余量為0，并對抬刀軌跡進行修剪。

選用R8、R6的鉆頭，在圓錐臺體加工出沉孔。圖6－7模具加工電極由于圓角過渡半徑是R3，因此這里選用半徑為R2的球刀。其他參數為：主軸轉速1200r/min，切削速度100mm/min，安全高度50mm，加工時層優(yōu)先，環(huán)切加工從外向里，加工行距取2mm，頂層高度45mm。經過計算生成如圖6－8所示的粗加工軌跡。圖6－8粗加工軌跡（主視圖）

6.4其他工藝問題

1.先精后粗

如圖6－9所示，如安排走刀路線為Φ80mm→60mm→52mm，則加工基準將由第一個臺階孔（80mm）來體現，對刀時也以其為參考。由于Φ52mm孔要求與滾動軸承形成過渡配合，因此其尺寸要求較嚴（IT7），該孔位置較深，車床縱向長絲杠在該加工段區(qū)域可能產生誤差，刀尖在切削過程中也可產生磨損，尺寸精度難以保證。所以，安排Φ52mm孔為加工（兼對刀）的基準，按Φ52mm→60mm→Φ80mm安排走刀路線，保證其尺寸公差要求。圖6－9套筒零件

2.分序加工

圖6－10(a)所示的手柄零件，在批量加工時，所用坯料為Φ32mm棒材，加工方案采用兩次裝夾，用三個程序安排加工。

第一次裝夾（棒頭）及第一個程序安排加工圖6－10(b)所示的部分：先車削Φ12mm和Φ20mm的兩圓柱面及20mm的圓錐面（粗車掉R42mm圓弧的部分余量），換刀后按總長要求留加工余量后切斷。

第二次裝夾（調頭）及第二個程序安排加工如圖6－10(c)所示的包絡SR7mm球面的30°圓錐面，對圓弧面半精車（留精車余量）。圖6－10手柄分序加工示意

3.巧用切斷（槽）刀

對切斷面帶一倒角要求的零件（如圖6－11(a)），為便于切斷并避免調頭倒角，可用切斷刀同時完成車倒角和切斷兩個工序。

圖6－11(b)表示用切斷刀先按4mm×Φ26mm工序尺寸安排車槽。

圖6－11(c)表示倒角時，切斷刀刀位點的起、止位置。

圖6－11(d)表示切斷時，切斷刀的起、止位置。圖6－11巧用切斷刀

4.斷屑處理

可采用改變刀具切削部分的幾何