第四章数控铣床与加工中心的程序编制选编课件.ppt
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1、数控加工技术,长春理工大学机电工程学院,2023/3/28,2,2023/3/28,2,第四章 数控铣床与加工中心的程序编制,数控铣床是一种加工功能很强的数控机床,由于数控铣削工艺较为复杂,需要解决的技术问题也较多,因此,在研究数控机床加工程序编制时,数控铣削加工是一项重点内容。目前,迅速发展起来的加工中心、柔性加工单元等都是在数控铣床的基础上产生的,两者都离不开铣削方式。由于数控铣床加工和加工中心有许多共性问题,因而本章将以数控铣床的加工程序编制为基础,结合加工中心的编程特点,重点讨论加工程序编制的基本方法。第一节 程序编制的基础第二节 编程的基本方法第三节 图形的数学出处理第四节 典型零件
2、的程序编制,2,长春理工大学机电工程学院,2023/3/28,2023/3/28,3,2023/3/28,3,第一节 程序编制的基础,一、机床的主要功能及加工对象二、工艺装备的特点三、加工工艺性分析四、零件的加工工艺设计五、起始平面、返回平面、进刀平面、退刀平面及安全平面的确定六、切削方向、切削方式的确定,2023/3/28,长春理工大学机电工程学院,3,2023/3/28,4,2023/3/28,4,一、机床的主要功能及加工对象,1机床主要功能 数控铣床、加工中心像通用铣床一样分为立式、卧式和立卧两用式,其加工功能丰富,各类机床配置的数控系统虽不尽相同,但其主要功能是相同的。数控铣床可进行铣
3、削、钻削、镗削、螺纹等加工。加工中心相对于数控铣床的最大特点是通过自动换刀来实现工序或工步集中,因而加工中心不仅能完成数控铣床的加工内容,更适合于形状复杂、工序多、精度要求高、需用多种类型通用机床经过多次装夹才能完成加工的零件。立式加工中心主要用于Z轴方向尺寸相对较小的零件加工;卧式加工中心一般具有回转工作台,特别适合于箱体类零件的加工,一次装夹,可加工箱体的四个表面;立卧两用式加工中心主轴方向能作角度旋转,零件一次装夹后,能完成除定位基准面外的五个面的加工。数控铣床一般具有下列主要功能:(1)点位控制功能、(2)连续轮廓控制功能、(3)刀具半径自动补偿功能(4)刀具长度补偿功能、(5)镜像、
4、比例及旋转加工功能、(6)固定循环功能、(7)特殊功能2.加工工艺范围 铣削是机械加工中最常用的加工方法之一,它主要包括平面铣削和轮廓铣削,也可以对零件进行钻、扩、锪、铰和镗孔加工与螺纹等。在铣削加工中,它特别适用于加工下列几类零件:(1)平面类零件、(2)变斜角类零件、(3)曲面类(立体类)零件,2023/3/28,长春理工大学机电工程学院,4,2023/3/28,5,2023/3/28,5,(1)点位控制功能,利用点位控制功能,数控铣床可以进行只需要做点位控制的钻孔、扩孔、锪孔、铰孔和镗孔等加工。,2023/3/28,长春理工大学机电工程学院,5,2023/3/28,6,2023/3/28
5、,6,(2)连续轮廓控制功能,数控铣床通过直线插补和圆弧插补,可以实现对刀具运动轨迹的连续轮廓控制,加工出有直线和圆弧两种几何要素构成的平面轮廓工件。对非圆曲线(椭圆、抛物线、双曲线等二次曲线及对数螺旋线、阿基米德螺旋线和列表曲线等)构成的平面轮廓,在经过直线或圆弧逼近后也可以加工。除此之外,还可以加工一些空间曲线。,2023/3/28,长春理工大学机电工程学院,6,2023/3/28,7,2023/3/28,7,(3)刀具半径自动补偿功能,各数控铣床大都具有半径补偿功能,为程序的编制提供方便。总的来说,该功能有以下几方面的用途:在编程时可以很方便地按工件实际轮廓形状和尺寸进行编程计算,而加工
6、中使刀具中心自动偏离工件轮廓一个刀具半径,加工出符合要求的轮廓表面。通过改变刀具半径补偿量的方法来弥补铣刀制造的尺寸精度误差,扩大刀具直径选用范围和刀具返修刃磨得允许误差。以同一加工程序实现分层铣削和粗、精加工或用于提高加工精度。通过改变刀具半径补偿值的正负号,可以用同一加工程序加工需要相互配合的工件,如相互配合的凸凹模等。,2023/3/28,长春理工大学机电工程学院,7,2023/3/28,8,2023/3/28,8,(4)刀具长度补偿功能,利用该功能可以自动改变切削平面高度,同时可以降低在制造与返修时对刀具长度尺寸的精度要求,还可以弥补轴向对刀误差。,2023/3/28,长春理工大学机电
7、工程学院,8,2023/3/28,9,2023/3/28,9,(5)镜像、比例及旋转加工功能,镜像加工也称轴对称加工,对于一个轴对称形状的工件来说,利用这一功能,只要编出一个或两个象限的程序,而其余象限的轮廓可以通过镜像加工来实现。比例功能可将编好的加工程序按指定比例改变坐标值执行。旋转功能可将编好的加工程序在加工平面内旋转任意角度执行。,2023/3/28,长春理工大学机电工程学院,9,2023/3/28,10,2023/3/28,10,(6)固定循环功能,利用数控铣床对孔进行钻、扩、锪和镗孔加工时,加工的基本动作是:刀具无切削快速到达孔位慢速切削进给快速退回。对于这种典型化动作,可以专门设
8、计一段程序(子程序)。在需要的时候进行调用来实现上述加工循环。特别是在加工许多相同的孔,应用固定循环功能可以大大简化程序。利用数控铣床的连续轮廓控制功能时,也常常遇到一些典型化的动作,如铣整圆、方槽等,也可以实现循环加工。对于大小不等的同类几何形状(圆、矩形、三角形、平行四边形等),也可以用参数方式编制出加工个种几何形状的子程序,在加工中按需要调用,并对子程序中设定的参数随时赋值,就可以加工出大小不同或形状不同的工件轮廓及孔径、孔深不同的孔。目前,已有不少数控铣床的数控系统附带有各种已编好的子程序库,并可以进行多重嵌套,用户可以直接加以调用,编程就更加方便。,2023/3/28,长春理工大学机
9、电工程学院,10,2023/3/28,11,2023/3/28,11,(7)特殊功能,有些数控铣床在增加了计算机仿形加工装置后,可以在数控和靠模两种控制方式中任选一种来进行加工,从而扩大了机床使用范围。具备自适应功能的数控铣床可以在加工过程中把感受到的切削状况(如切削力、温度等)的变化,通过适应性控制系统及时控制机床改变切削用量,使铣床及刀具始终保持最佳状态,从而可获得较高的切削效率和加工质量,延长刀具使用寿命。数控铣床在配置了数据采集系统后,就具备了数据采集功能。数据采集系统可以通过传感器(通常为电磁感应式、红外线或激光扫描式)对工件或实物依据(样板、模型等)进行测量和采集所需要的数据。而且
10、,目前已出现既能对实物扫描采集数据,又能对采集到的数据进行自动处理并生成数控加工程序的系统(简称录返系统)。这种功能为那些必须按实物依据生产的工件实现数控加工带来了很大的方便,大大减少了对实物的依赖,为仿制与逆向进行设计制造一体化工作提供了有效手段。,2023/3/28,长春理工大学机电工程学院,11,2023/3/28,12,2023/3/28,12,(1)平面类零件,平面类零件是指加工面平行、垂直于水平面或其加工面与水平面的夹角为一定值的零件。目前在数控铣床上加工的绝大多数零件属于平面类零件。这类零件的特点是,各个加工表面是平面,或可以展开为平面。图4-1所示的三个零件都属于平面类零件。其
11、中的曲线轮廓面M和正圆台面N。展开后均为平面。平面类零件是数控铣削加工对象中最简单的一类,一般只须用三坐标数控铣床的两坐标联动(即两轴半坐标加工)就可以把它们加工出来。有些平面类零件的某些加工表面(或加工表面的母线)与水平面既不垂直也不平行,而是存在一个定角,这些斜面的加工常用以下几种方法:1)对图4-1b所示的斜面P,当工件尺寸不大时,可用斜板垫平后加工,如机床主轴可以摆角,则可以摆出适当的定角来加工。当工件尺寸很大,斜面坡度又较小时,也常用行切法加工,但会在加工面上留下迭刀时的刀锋残留痕迹,采用钳修方法加以清除。当然,加工斜面的最佳方法是用五坐标铣床主轴摆角后加工,可以不留残痕。2)图4-
12、1c所示的正圆台和斜肋表面,一般可用专用的角度成型铣刀来加工,此时若采用五坐标铣床摆角加工反而不经济。,2023/3/28,长春理工大学机电工程学院,12,2023/3/28,13,2023/3/28,13,(2)变斜角类零件,加工面与水平面的夹角呈连续变化的零件称为变斜角类零件。图4-2是飞机上的一种变斜角梁橼条,该零件在第2肋至第5肋的斜角从310均匀变化为232,从第5肋至第9肋再均匀变化为120,从第9肋到第12肋又均匀变化至0。变斜角类零件的变斜角加工面不能展开为平面,但在加工中,加工面与铣刀圆周接触的瞬间为一条直线。加工变斜角类零件最好采用四坐标和五坐标数控铣床摆角加工,在没有上述
13、机床时,也可在三坐标数控铣床上进行二轴半控制的近似加工,2023/3/28,长春理工大学机电工程学院,13,2023/3/28,14,2023/3/28,14,(3)曲面类(立体类)零件,加工面为空间曲面的零件称为立体曲面类零件。曲面类零件的加工面不能展出平面,一般使用球头铣刀切削,加工面与铣刀始终为点接触,若采用其他刀具加工,易于产生干涉而铣伤邻近表面。加工立体曲面类零件一般使用三坐标数控铣床,采用以下两种加工方法。1)行切加工法 采用三坐标数控铣床进行二轴半坐标控制加工,加工时只有两个坐标联动,另一个坐标按一定行距周期性进给,即行切加工法。如图4-3所示,球头铣刀沿XY平面的曲线进行直线插
14、补加工,当一段曲线加工完成后,沿X方向进给X再加工相邻的另一曲线,依次类推,用平面曲线来逼近整个曲面。相邻两曲线间的距离X应根据表面粗糙度的要求及球头铣刀的半径进行选取。球头铣刀的球半径应尽可能选得大一些,以增加刀具刚度,提高散热性,降低表面粗糙度值。加工凹圆弧时的铣刀球头半径必须小于被加工曲面的最小曲率。2)三坐标联动加工 采用三坐标数控铣床三轴联动加工空间曲线,即进行空间直线插补。如半球形,可用行切加工法加工,也可用三坐标联动的方法加工。这时,数控铣床用X,Y,Z三坐标联动的空间直线插补,实现球面加工,如图4-4所示。这种方法常用于发动机及模具等较复杂空间曲面的加工。,2023/3/28,
15、长春理工大学机电工程学院,14,2023/3/28,15,2023/3/28,15,二、工艺装备的特点,1.夹具 数控铣床和加工中心往往用于加工形状复杂的零件,夹具的任务不仅是装夹零件,而且要以定位基准为参考基准,确定零件的加工原点。零件在一次安装中,既要粗加工又要精加工,加工中心还需要多种多样的刀具,且不能使用镗套、钻套及对刀块等元件。因此,在选用夹具结构形式时,通常需要考虑零件的生产批量、生产效率、质量保证及经济性等;在生产批量较小或研制时,应尽量采用组合夹具;小批量或成批生产时可考虑采用专用夹具;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,但此类夹具结构较复杂,造价也较高,而
16、且制造周期较长。夹具在机床上的安装误差和零件在夹具中的装夹误差对加工精度都将产生直接的影响。即使在编程原点与定位基准重合的情况下,也要求对零件在机床坐标系中的位置进行准确的调整。夹具中零件定位支承面的磨损及污垢也会引起加工误差,因此,操作者在装夹零件时一定要将污物去除干净。2.刀具 根据被加工零件材料、热处理状态、切削性能及加工余量,选择刚性好、耐用度高的刀具,是充分发挥机床的生产效率和获得满意加工质量的前提。在加工中心上,为实现自动换刀功能,刀柄要满足机床主轴的自动松开和拉紧定位,适应机械手的夹持和搬运等。数控机床大多采用已经系列化、标准化的刀具,这类刀具的标准主要是针对刀柄和刀头两部分而规
17、定的,选用刀具时应注意查阅有关使用手册。(1)铣刀类型选择、(2)铣刀结构选择、,2023/3/28,长春理工大学机电工程学院,15,2023/3/28,16,2023/3/28,16,(1)铣刀类型选择,被加工零件的几何形状是选择刀具类型的主要依据。常用的刀具主要有各种通用铣刀、加工曲面类零件的球头铣刀、为特定的工件或加工内容专门设计制造的成形铣刀、加工变斜角的鼓形铣刀等。加工曲面类零件时,为了保证刀具切削刃与加工轮廓在切削点相切,避免刀刃与工件轮廓发生干涉,一般采用球头铣刀。粗加工用两刃铣刀,半精加工和精加工用四刃铣刀。铣较大平面时,为了提高生产效率和减小加工表面粗糙度值,一般采用盘形铣刀
18、,铣小平面或台阶面时一般采用通用立铣刀。加工毛坯表面或加工孔可选用镶硬质合金的玉米铣刀;曲面加工常采用球头铣刀,但加工曲面较平坦的部位应采用环形铣刀;加工空间曲面、模具型腔或凸模成形表面等多选用模具铣刀;加工封闭的键槽选择键槽铣刀;选用鼓形铣刀、锥形铣刀可加工类似飞机上的变斜角零件的变斜角面。孔加工时,常采用钻头、镗刀等孔加工类刀具,如图4-6所示。,2023/3/28,长春理工大学机电工程学院,16,2023/3/28,17,2023/3/28,17,图4-5 各种数控铣刀的形状 图4-6 孔加工刀具a)钻头 b)镗刀,2023/3/28,长春理工大学机电工程学院,17,2023/3/28,
19、18,2023/3/28,18,(2)铣刀结构选择,铣刀一般由刀片、定位元件、夹紧元件和刀体组成。由于刀片在刀体上有多种定位与夹紧方式,刀片定位元件的结构又有不同类型,因此铣刀的结构形式有多种,分类方法也较多。选用时,主要可根据刀片排列方式。铣刀结构按刀片排列方式可分为平装结构和立装结构两大类。1)平装结构(刀片径向排列)平装结构铣刀(见图4-7)的刀体结构工艺性好,容易加工,并可采用无孔刀片(刀片价格较低,可重磨)。由于需要夹紧元件,刀片的一部分被覆盖,容屑空间较小,且在切削力方向上的硬质合金截面较小,故平装结构的铣刀一般用于轻型和中量型的铣削加工。2)立装结构(刀片切向排列)立装结构铣刀(
20、见图4-8)的刀片只用一个螺钉固定在刀槽上,结构简单,转位方便。虽然刀具零件较少,但刀体的加工难度较大,一般需用五坐标加工中心进行加工。由于刀片采用切削力夹紧,夹紧力随切削力的增大而增大,因此可省去夹紧元件,增大了容屑空间。由于刀片切向安装,在切削力方向上的硬质合金截面较大,因而可进行大背吃刀量、大进给量切削。这种铣刀适用于重型和中量型的铣削加工。,2023/3/28,长春理工大学机电工程学院,18,2023/3/28,19,2023/3/28,19,(2)铣刀结构选择,端铣刀是数控铣床最常用的刀具,编程前经常要对端铣刀的几何尺寸进行选择。图4-9是一把典型的端铣刀加工简图。其中:D为铣刀直径
21、,L为铣刀总长,l为铣刀刃长,r为铣刀端刃圆角半径,H为所要铣削的工件侧壁最大高度(或最大槽深),R为工件壁板之间的转接圆弧半径。,2023/3/28,长春理工大学机电工程学院,19,在选择铣刀直径时,首先要认真考虑工件加工部位的几何尺寸,一般说来,为减少走刀次数和提高生产率及保证铣刀有足够的刚性,应尽量选择直径较大的铣刀。但选择铣刀直径时常常受到某些因素的制约,例如,加工区域的开敞行、内腔尺寸的大小、工件材料及工件的刚性等。特别是当工件内轮廓转接圆弧(凹圆弧)R较小,而槽深或壁板高度H较大时,会将刀具限制为细长形,其刚性就很差。铣刀直径D与刃长l的比值大小能客观地反映出铣刀刚性特征,这里推荐
22、将D/l0.5作为检验铣刀刚性的条件。为了解决当工件内转接半径R较小,而槽深或壁板高度H较大时,铣刀刚性差、加工困难的问题,通常要采取大小不同的两把铣刀进行粗、精加工来处理。在使用中要防止因盲目选用了过大直径的粗加工铣刀而产生在精加工后留下未能铣去的“死角”,或因留给精加工的余量过大而造成精加工困难等问题。,2023/3/28,20,2023/3/28,20,(2)铣刀结构选择,铣刀刃长以避免刀具细长提高刚性为好,故其刃长只能保证将工件铣出即可。1)当加工深槽或盲孔时,选l=H+2mm;2)当加工外形或通孔、通槽时,选l=H+r+2mm;铣刀端刃圆角半径r的大小一般应与零件图样要求一致,但粗加
23、工铣刀因尚未切削到工件的最终轮廓尺寸,也可以适当选得小些,有时甚至可选为“清根”(r=00.5mm),但在编程时需要认真考虑精加工以后留下多少余量,以保证精加工铣刀可以把图样要求的r加工出来,不要造成其根部缺损。,2023/3/28,长春理工大学机电工程学院,20,2023/3/28,21,2023/3/28,21,图4-7 平装结构铣刀,2023/3/28,长春理工大学机电工程学院,21,2023/3/28,22,2023/3/28,22,图4-8 立装结构铣刀,2023/3/28,长春理工大学机电工程学院,22,2023/3/28,23,2023/3/28,23,三、加工工艺性分析,机械加
24、工的工艺性分析关系到机械加工的效果,对于数控铣削和加工中心加工也是如此,因此加工工艺性分析是编程前的重要工艺准备工作之一,不可忽视。1.选择并确定数控加工部位及工序内容2.零件图样的工艺性分析(1)数控铣削的工艺性分析(2)加工中心的加工工艺分析3.零件毛坯的工艺性分析 进行零件铣削加工时,由于加工过程的自动化,使余量的大小、如何定位装夹等问题在设计毛坯时就要仔细考虑好。否则,如果毛坯不适合数控铣削,加工将很难进行下去。根据经验,下列几方面应作为毛坯工艺性分析的要点:(1)毛坯应有充分、稳定的加工余量(2)分析毛坯在装夹定位方面的适应性(3)分析毛坯的余量大小及均匀性,2023/3/28,长春
25、理工大学机电工程学院,23,2023/3/28,24,2023/3/28,24,1.选择并确定数控加工部位及工序内容,在选择数控加工内容时,应充分发挥数控机床的优势和关键作用。主要选择的加工内容有:1)工件上的曲线轮廓,特别是由数学表达式给出的非圆曲线与列表曲线等曲线轮廓,如图4-10所示的正弦曲线。2)已给出数学模型的空间曲面,如图4-11所示的球面。3)形状复杂、尺寸繁多、划线与检测困难的部位。4)用通用铣床加工时难以观察、测量和控制进给的内外凹槽。5)以尺寸协调的高精度孔和面。6)能在一次安装中顺带加工出来的简单表面或形状。7)用数控切削方式加工后,能成倍提高生产率,大大减轻劳动强度的一
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