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数控车削加工工艺分析及数控车削加工工艺实用价值

作者:发布时间:2012-10-17

理想的加工程序不仅应保证加工出符合图样的合格工件,同时应能使数控机床的功能得到合理的应用和充分的发挥。数控机床是一种高效率的自动化设备,它的效率高于普通机床的2~3倍,要充分发挥数控机床的这一特点,必须在编程之前对工件进行工艺分析,根据具体条件,选择经济、合理的工艺方案。数控加工工艺考虑不周是影响数控机床加工质量、生产效率及加工成本的重要因素。本文从生产实践出发,探讨和总结一些数控车削过程中的工艺问题。

一、问题的提出
  数控车削加工主要包括工艺分析、程序编制、装刀、装工件、对刀、粗加工、半精加工、精加工。而数控车削的工艺分析是数控车削加工顺利完成的保障。
  数控车削加工工艺是采用数控车床加工零件时所运用的方法和技术手段的总和。其主要内容包括以下几个方面:
  (一)选择并确定零件的数控车削加工内容;(二)对零件图纸进行数控车削加工工艺分析;(三)工具、夹具的选择和调整设计;(四)切削用量选择;(五)工序、工步的设计;(六)加工轨迹的计算和优化;(七)编制数控加工工艺技术文件。

  最近观察了很多数控车的技术工人,阅读了不少关于数控车削加工工艺的文章,发现大部分的使用者采用选择并确定零件的数控车削加工内容、零件图分析、夹具和刀具的选择、切削用量选择 、划分工序及拟定加工顺序、加工轨迹的计算和优化、编制数控加工工艺技术文件的顺序来进行工艺分析。
  但是分析了上述的顺序之后,发现有点不妥。因为整个零件的工序、工步的设计是工艺分析这一环节中最重要的一部分内容。工序、工步的设计直接关系到能否加工出符合零件形位公差要求的零件。工序、工步的设计不合理将直接导致零件的形位公差达不到要求。换言之就是工序、工步的设计不合理直接导致产生次品。
二、分析问题
  目前,数控车床的使用者的操作水平非常高,并且能够独立解决很多操作上的难题,但是他们的理论水平不是很高,这是造成工艺分析顺序不合理的主要原因。
  造成工艺分析顺序不合理的另一个原因是企业的工量具设备不足。
三、解决问题
  其实分析了工艺分析顺序不合理的现象和原因之后,解决问题就非常容易了。需要做的工作只要将对零件的分析顺序稍做调整就可以。
  认为合理的工艺分析步骤应该是:
  (一)选择并确定零件的数控车削加工内容;(二)对零件图纸进行数控车削加工工艺分析;(三)工序、工步的设计;(四)工具、夹具的选择和调整设计;(五)切削用量选择;
  (六)加工轨迹的计算和优化;(七)编制数控加工工艺技术文件。
  本文主要对二、三、四、五三个步骤进行详细的阐述。
  (一)零件图分析
  零件图分析是制定数控车削工艺的首要任务。主要进行尺寸标注方法分析、轮廓几何要素分析以及精度和技术要求分析。此外还应分析零件结构和加工要求的合理性,选择工艺基准。
  1.选择基准
  零件图上的尺寸标注方法应适应数控车床的加工特点,以同一基准标注尺寸或直接给出坐标尺寸。这种标注方法既便于编程,又有利于设计基准、工艺基准、测量基准和编程原点的统一。
  2.节点坐标计算
  在手工编程时,要计算每个节点坐标。在自动编程时要对零件轮廓的所有几何元素进行定义。
  3.精度和技术要求分析
  对被加工零件的精度和技术进行分析,是零件工艺性分析的重要内容,只有在分析零件尺寸精度和表面粗糙度的基础上,才能正确合理地选择加工方法、装夹方式、刀具及切削用量等。
(二)工序、工步的设计
  1.工序划分的原则
  在数控车床上加工零件,常用的工序的划分原则有两种。
  (1)保持精度原则。工序一般要求尽可能地集中,粗、精加工通常会在一次装夹中全部完成。 为减少热变形和切削力变形对工件的形状、位置精度、尺寸精度和表面粗糙度的影响,则应将粗、精加工分开进行。
  (2)提高生产效率原则。为减少换刀次数,节省换刀时间,提高生产效率,应将需要用同一把刀加工的加工部位都完成后,再换另一把刀来加工其他部位,同时应尽量减少空行程。
  2.确定加工顺序
  制定加工顺序一般遵循下列原则 :
  (1)先粗后精。按照粗车半精车精车的顺序进行,逐步提高加工精度。
  (2)先近后远。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。此外,先近后远车削还有利于保持坯件或半成品的刚性,改善其切削条件。
  (3)内外交叉。对既有内表面又有外表面需加工的零件,应先进行内外表面的粗加工,后进行内外表面的精加工。
  (4)基面先行。用作精基准的表面应优先加工出来,定位基准的表面越精确,装夹误差越小。
  (三)夹具和刀具的选择
  1.工件的装夹与定位
  数控车削加工中尽可能做到一次装夹后能加工出全部或大部分代加工表面,尽量减少装夹次数,以提高加工效率、保证加工精度。对于轴类零件,通常以零件自身的外圆柱面作定位基准;对于套类零件,则以内孔为定位基准。数控车床夹具除了使用通用的三爪自动定心卡盘、四爪卡盘、液压、电动及气动夹具外,还有多种通用性较好的专用夹具。实际操作时应合理选择 。
  2.刀具选择
  刀具的使用寿命除与刀具材料相关外,还与刀具的直径有很大的关系。刀具直径越大,能承受的切削用量也越大。所以在零件形状允许的情况下,采用尽可能大的刀具直径是延长刀具寿命,提高生产率的有效措施。数控车削常用的刀具一般分为3类。即尖形车刀、圆弧形车刀和成型车刀。
  (四)切削用量选择
  数控车削加工中的切削用量包括背吃刀量ap、主轴转速S(或切削速度υ)及进给速度F(或进给量f )。
  切削用量的选择原则,合理选用切削用量对提高数控车床的加工质量至关重要。确定数控车床的切削用量时一定要根据机床说明书中规定的要求,以及刀具的耐用度去选择,也可结合实际经验采用类比法来确定。一般的选择原则是:粗车时,首先考虑在机床刚度允许的情况下选择尽可能大的背吃刀量ap;其次选择较大的进给量f;最后再根据刀具允许的寿命确定一个合适的切削速度υ。增大背吃刀量可减少走刀次数,提高加工效率,增大进给量有利于断屑。精车时,应着重考虑如何保证加工质量,并在此基础上尽量提高加工效率,因此宜选用较小的背吃刀量和进给量,尽可能地提高加工速度。主轴转速S(r/min )可根据切削速度υ(mm/min)由公式 S=υ1000/πD(D为工件或刀/具直径 mm)计算得出,也可以查表或根据实践经验确定。
数控车削加工工艺实用价值 

1 数控加工工序
    数控加工工序的划分在数控机床上加工零件,工序比较集中,一次装夹应尽可能完成全部工序,常用的工序划分原则有以下两种。
    保证精度原则
    数控加工具有工序集中的条件,粗、精加工常在一次装夹中完成,以保证零件的加工精度,当热变形和切削力变形对零件的加工精度影响较大时,应将粗、精加工分开进行。
 
提高生产效率的原则 :
    数控加工中,为减少换刀次数,节省换刀时间,应将需用同一把刀加工的加工部位全部完成后,再换另一把刀来加工其它部位。同时应尽量减少空行程,用同一把刀加工工件的多个部位时,应以最短的路线到达各加工部位。
实际生产中,数控加工常按刀具或加工表面划分工序。
    2 车刀刀位点的选择
    数控加工中,数控程序应描述出刀具相对于工件的运动轨迹。在数控车削中,工件表面的形成取决于运动着的刀刃包络线的位置和形状,但在程序编制中,只需描述刀具系统上某一选定点的轨迹即可。刀具的刀位点即为在程序编制时,刀具上所选择的代表刀具所在位置的点,程序所描述的加工轨迹即为该点的运动轨迹。
    在数控车削中,从理论上讲可选择刀具上任意一点作为刀位点,但为了方便编程和保证加工精度,刀位点的选择有一定的要求和技巧。在数控加工中,刀位点的选择一般遵循以下规则:立铣刀应是刀具轴线与刀具底面的交点:球头铣刀是球头的球心:钻头应是钻尖:车刀应是假想刀尖或刀尖圆弧中心,刀具刀位点在选择时应注意: 选择刀具上能够直接测量的点,刀位点与刀具长度预调时的测定点应尽量一致: 在可能的情况下,刀位点应直接与精度要求较高的尺寸或难于测量的尺寸发生联系: 所选择的刀位点能使刀具极限位置直接体现于程序的运动指令中: 编程人员应有习惯性的刀位点选择方法,不宜多变。
3、分层切削时刀具的终止位置
    当某外圆表面的加工余量较多需分层多次走刀切削时,从第二刀开始要注意防止走刀至终点时背吃刀量的突增。如图2所示,设以90°主偏角的刀具分层车削外圆,合理的安排应是每一刀的切削终点依次提前一小段距离e(e=0.05)。如果e=0,即每一刀都终止在同一轴向位置上,车刀主切削刃就可能受到瞬时的重负荷冲击。如分层切削时的终止位 作出层层递退的安排,有利于延长粗加工刀具的使用寿命。   
4、“让刀”时刀补值的确定
    对于薄壁工件,尤其是难切削材料的薄壁工件,切削时“让刀”现象严重,导致所车削工件尺寸发生变化,一般是外圆变大,内孔变小。“让刀”主要是由工件加工时的弹性变形引起,“让刀”程度与切削时的背吃刀量密切相关。采用“等背吃刀深度法”,用刀补值作小范围调整,以减少“让刀”对加工精度的影响。如图3所示,设欲加工的外圆尺寸为a,双面余量为2t。试切削时,取t值的一半作为切削时的背吃刀量,试切削在该表面的全长上进行,试切削后,程序安排停车,测量该外圆尺寸是否等于a+t,按出现的误差大小调整刀具的刀补值,然后继续运行程序,完成精加工走刀。由于精加工过程与试切削过程采用相同的背吃刀量和同样的切削速度和进给速度,切削抗力相同,工件相应的弹性变形相同,所输入的刀补值刚好能抵消“让刀”所产生的变形,保证车削工件的尺寸精度。
5、车削时的断屑问题
    数控车削是自动化加工,如果刀具的断屑性能太差,将严重妨碍加工的正常进行。为解决这一问题,首先应尽量提高刀具本身的断屑性能,其次应合理选择刀具的切削用量,避免产生妨碍加工正常进行的条带形切屑。数控车削中,最理想的切屑是长度为50~150mm,直径不大的螺卷状切屑,或宝塔形切屑,它们能有规律地沿一定方向排除,便于收集和清除。如果断屑不理想,必要时可在程序中安排暂停,强迫断屑:还可以使用断屑台来加强断屑效果。使用上压式的机夹可转位刀片时,可用压板同时将断屑台和刀片一起压紧:车内孔时,则可采用刀具前刀面朝下的切削方式改善排屑。
6、可转位刀具刀片形状的选择
    与普通机床加工方法相比,数控加工对刀具提出了更高的要求,不仅需要刚性好、精度高,而且要求尺寸稳定,耐用度高,断屑和排屑性能好:同时要求安装调整方便,这样来满足数控机床高效率的要求。数控机床上所选用的刀具常采用适应高速切削的刀具材料(如高速钢、超细粒度硬质合金)并使用可转位刀片。
    数控车削中广泛采用机夹可转位刀具,它是提高数控加工生产率,保证产品质量的重要手段。可转位车刀刀片种类繁多,使用最广的是菱形刀片,其次是三角形刀片、圆形刀片及切槽刀片。菱形刀片按其菱形锐角不同有80°、55°和35°三类。 80° 菱形刀片刀尖角大小适中,刀片既有较好的强度、散热性和耐用度,又能装配成主偏角略大于90°的刀具,用于端面、外圆、内孔、台阶的加工。同时,这种刀片的可夹固性好,可用刀片底面及非切削位置上的80°刀尖角的相邻两侧面定位,定位方式可靠,且刀尖位置精度仅与刀片本身的外形尺寸精度相关,转位精度较高,适合数控车削。 35°菱形刀片因其刀尖角小,干涉现象少,多用于车削工件的复杂型面或开挖沟槽。
7、切槽的走刀路线
    较深的槽型,在数控车床上常用切槽刀加工,如果刀宽等于要求加工的槽宽,则切槽刀一次切槽刀位,若以较窄的切槽刀加工较宽的槽型,则应分多次切入。合理的切削路线是:先切中间,再切左右。因为刀刃两侧的圆角半径通常小于工件槽底和侧壁的转接圆角半径,左右两刀切下时,当刀具接近槽底,需要各走一段圆弧。如果中间的一刀不提前切削,就不能为这两段圆弧的走刀创造必要的条件。即使刀刃两侧圆角半径与工件槽底两侧的圆角半径一致,仍以中间先切一刀为好,因这一刀切下时,刀刃两侧的负荷是均等的,后面的两刀,一刀是左侧负荷重,一刀是右侧负荷重,刀具的磨损还是均匀的。机夹式的切槽刀不宜安排横走刀,只宜直切。
8 、小结
    数控机床作为一种高效率的设备,欲充分发挥其高性能、高精度和高自动化的特点,除了必须掌握机床的性能、特点及操作方法外,还应在编程前进行详细的工艺分析和确定合理的加工工艺,以得到最优的加工方案。
数控加工的程序是数控机床的指令性文件,数控机床受控于程序指令,加工的全过程是按程序指令自动进行,数控加工程序不仅包括零件的工艺过程,还要包括切削用量、走刀路线、刀具尺寸以及机床的运动过程,数控加工的工艺更加详细,其工艺方案的好坏直接影响机床效率的发挥和零件加工质量,在实际生产中应特别重视。


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