曹樹嶺 閔樹生 史秋華

摘? 要：本篇文章以某汽車變速箱零件為例，主要介紹了一種復(fù)雜曲面零件的數(shù)控加工方法。論述了復(fù)雜曲面零件的結(jié)構(gòu)、數(shù)控銑削工藝規(guī)劃的過程、零件圖的分析和加工方法、自動(dòng)編程、刀具軌跡設(shè)計(jì)、刀具選擇等。

關(guān)鍵詞：數(shù)控加工中心;數(shù)控銑削加工;工藝分析

中圖分類號(hào)：TH162? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

0引言

在現(xiàn)代生產(chǎn)中，數(shù)控機(jī)床已經(jīng)成為機(jī)床發(fā)展的主流。大多數(shù)數(shù)控機(jī)床不需要依靠手工操作，而是依靠數(shù)控程序?qū)α慵M(jìn)行全方位的加工，最終使其達(dá)到我們所期望的標(biāo)準(zhǔn)工件。該方法對(duì)零件加工的適應(yīng)性和靈活性強(qiáng)，可以加工形狀復(fù)雜的零件，生產(chǎn)率高，可以避免人為誤差，可以適應(yīng)大批量生產(chǎn)，易于盡早發(fā)現(xiàn)和解決問題。然而，數(shù)控機(jī)床的加工質(zhì)量不僅與自身的機(jī)械精度有關(guān)，還與數(shù)控加工工藝的確定密切相關(guān)。因此，在用數(shù)控機(jī)床加工機(jī)械零件時(shí)，為了保證生產(chǎn)效率和加工質(zhì)量，需要最大限度地考慮工藝分析的合理性。要充分考慮數(shù)控加工過程中可能出現(xiàn)的問題，分析問題，制定解決方案，從而高效地保證數(shù)控機(jī)床加工零件的質(zhì)量，對(duì)于充分發(fā)揮數(shù)控機(jī)床加工精度高的優(yōu)勢(shì)，提高生產(chǎn)效率具有現(xiàn)實(shí)意義。因此，編程中的過程分析是非常復(fù)雜和重要的。它不僅要求程序員有扎實(shí)的技術(shù)基礎(chǔ)知識(shí)和豐富的實(shí)際工作經(jīng)驗(yàn)，還必須有一絲不茍的工作作風(fēng)，設(shè)計(jì)中必須注意處理過程中的每一個(gè)細(xì)節(jié)，做到萬無一失。

加工工藝在零件加工中起著重要的作用，它可以給整個(gè)加工過程提供非常大的便利性，對(duì)于一個(gè)完整的零件加工過程來說這是非常重要也是不可或缺的一步。

綜上所述，本研究的目的是設(shè)計(jì)更經(jīng)濟(jì)的工藝方案，生成合理的G代碼程序，實(shí)現(xiàn)理論與實(shí)踐的結(jié)合，提高其質(zhì)量和水平，充分利用數(shù)控機(jī)床。

1對(duì)于零件工藝的分析

首當(dāng)其沖的是，對(duì)于零件的加工需要先從圖紙的繪制開始，依據(jù)其零件的二維圖形，對(duì)于圖紙進(jìn)行合理的分析，對(duì)于所需要零件進(jìn)行有效的結(jié)構(gòu)分析[1]。

根據(jù)數(shù)控機(jī)床的性能和自身在實(shí)際加工中的經(jīng)驗(yàn)，對(duì)加工圖進(jìn)行工藝分析，盡量減少后續(xù)加工中可能出現(xiàn)的錯(cuò)誤。當(dāng)我們分析零件繪制的過程時(shí)，我們可以主要考慮以下幾個(gè)方面：

（1）審查零件圖的完整性和正確性。對(duì)于需要加工的零件，我們需要檢查輪廓的加工尺寸以及加工尺寸之間的幾何關(guān)系是否完整。比如在實(shí)際加工中，經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)圖紙給出的幾何尺寸出現(xiàn)問題，導(dǎo)致無法完成編程計(jì)算?；蛘邘缀纬叽鐩]有問題，但是有尺寸矛盾。

（2）審查零件圖中的尺寸標(biāo)準(zhǔn)方式是否適應(yīng)數(shù)控加工的特點(diǎn)。對(duì)于數(shù)控加工方法，最適合編程的尺寸基準(zhǔn)是用同一基準(zhǔn)標(biāo)注尺寸或直接給出坐標(biāo)尺寸，這樣更便于相互協(xié)調(diào)，為保持工藝、設(shè)計(jì)、編程原點(diǎn)和測(cè)試基準(zhǔn)的統(tǒng)一提供了極大的方便。但是，在制作零件圖時(shí)，設(shè)計(jì)人員往往優(yōu)先考慮安裝的機(jī)器與其他零件的配合，導(dǎo)致需要采用局部分散的方式標(biāo)注尺寸，從而在實(shí)際加工和工序安排上造成一定的困難。但是數(shù)控加工和重復(fù)定位的精度很高，很大程度上可以避免較大誤差。因此，將局部分散的標(biāo)準(zhǔn)方式改為集中標(biāo)注尺寸或坐標(biāo)是完全可能的。

（3）檢查零件圖中構(gòu)成輪廓的幾何要素是否充分。無論是自動(dòng)編程還是手動(dòng)編程，都需要明確每一個(gè)尺寸、長(zhǎng)度、幾何關(guān)系。無論哪里有歧義，都會(huì)導(dǎo)致不編程，不數(shù)控加工，所以要認(rèn)真審核零件圖紙。發(fā)現(xiàn)問題后，必須及時(shí)與相關(guān)人員進(jìn)行變更，以保證數(shù)控加工的順利進(jìn)行。

該零件是板件模具，是汽車變速箱的重要零件。本文是對(duì)中間板的數(shù)控加工過程進(jìn)行分析，使數(shù)控加工過程更加簡(jiǎn)單明了。從多方面闡述了工藝分析的內(nèi)容和方法，并根據(jù)Ranger中間板零件圖進(jìn)行了工藝分析[2]。

（4）加工工藝路線的規(guī)劃。一般而言，零件主要是具備二維平面或者三維曲面的一個(gè)復(fù)雜的零件，主要由挖孔以及對(duì)于外邊緣的深入加工為主，零件一般對(duì)于精度細(xì)度具有很高的要求，其所在的范圍大約在±0.02的范圍左右，一般情況下，加工路線包括加工方法的選擇、加工階段的劃分、工序的劃分、加工順序的安排和飼料加工路線的確定。根據(jù)零件圖的要求，厚度為1.57的薄壁和直徑為45mm的坡口應(yīng)選用半精加工方法。另外，為了不損傷薄壁，達(dá)到更高的精度，深度為8mm和10mm的坡口應(yīng)留有足夠的精加工余量。根據(jù)加工方法，零件的加工工序分為粗加工、半精加工和精加工。加工順序按先粗后精的原則確定[3]。

（5）數(shù)控加工刀具的選用。在加工零件時(shí)，應(yīng)將粗加工和精加工分開，以保證零件的加工質(zhì)量。根據(jù)零件的工藝設(shè)計(jì)，毛坯的選擇是確定余量后，確定毛坯的類型、制造方法和毛坯尺寸。零件的材料是鋼。根據(jù)技術(shù)要求，要求零件去毛刺，即外觀光滑美觀。鍛件可根據(jù)零件的結(jié)構(gòu)、形狀和尺寸以及生產(chǎn)程序的大小進(jìn)行選擇。根據(jù)上述選擇原則分析，先銑外輪廓，再銑內(nèi)輪廓，最后鉆孔。毛坯的零件是用鑄鋁制成的?？紤]到鑄件的大變形，以及在NC銑削中定位和夾緊坯料的可靠性和方便性，應(yīng)留有足夠的余量。由于該零件材料具有良好的切削性能，在銑削平面、臺(tái)階面和輪廓時(shí)，要留有0.5mm的精加工余量、0.1mm的精鉸余量和0.2mm的精鏜余量。根據(jù)以上零件分析的工藝分析，選擇毛坯件，毛坯件最終尺寸為260mm×220mm×20mm。MasterCAM9.0用于MasterCAM9.0的三維建模和刀軌設(shè)計(jì)。其中，毛坯的形狀可以根據(jù)加工所需要的尺寸、形狀來進(jìn)行改變，毛坯是整個(gè)加工工藝的重要基礎(chǔ)。因此，在實(shí)際的生產(chǎn)應(yīng)用之中，需要選用質(zhì)量比較好的毛坯作為其基礎(chǔ)零件。

2設(shè)計(jì)加工工藝的選擇及加工程序編制

目前，我國機(jī)械零件的加工方式已經(jīng)逐漸從手工加工方式轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)控加工方式。因此，在加工零件之前，我們需要詳細(xì)了解零件的數(shù)控加工工藝，以保證零件加工的質(zhì)量和精度，并根據(jù)機(jī)械零件的實(shí)際設(shè)計(jì)和加工要求，制定出適合數(shù)控機(jī)床的加工方案。

一般情況下的零件可以手動(dòng)或自動(dòng)編程。手動(dòng)是一種手工編程，常用于外形簡(jiǎn)單、方便、經(jīng)濟(jì)的工件;自動(dòng)編程又稱計(jì)算機(jī)輔助編程，它是利用專門的計(jì)算機(jī)軟件編制數(shù)控加工程序，常用于輪廓復(fù)雜的零件，特別是三維形狀或刀軌計(jì)算繁瑣時(shí)。零件分三維表面的加工和小凸緣的加工，外形比較復(fù)雜。為提高工作效率，而且不易出錯(cuò)，所以采用自動(dòng)編程[4]。

3刀具切削用量的選擇

在數(shù)控銑床上按照粗加工階段和精加工階段進(jìn)行加工。通過檢查切削參數(shù)手冊(cè)選擇合適的進(jìn)給速度和每齒切削速度，然后根據(jù)公式SπD=1000Vc和F=fns計(jì)算主軸速度和進(jìn)給速度。但是在實(shí)際生產(chǎn)中，我們通常會(huì)根據(jù)運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)選擇合適的值。 通過分析零件圖，確定各曲面的數(shù)控加工刀具。考慮到刀具在工作中可以合理切入和切出，應(yīng)選擇合適的刀具直徑，道具應(yīng)盡可能包括整個(gè)工件的加工寬度，以提高加工精度和效率，避免切割痕跡的出現(xiàn)。凸臺(tái)及其輪廓用端銑刀加工，刀具半徑R受輪廓最小曲率半徑限制，所以R=6mm。每個(gè)孔加工步驟的刀具直徑是根據(jù)加工余量和孔徑確定的。

根據(jù)平常的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，大切削深度、低進(jìn)給量適合于常規(guī)零件的粗加工，以提高加工效率。在精加工中，需要合理的切削速度、較小的進(jìn)給量和進(jìn)給速度，以獲得較好的切削深度和加工精度。零件表面的粗糙度為Ra 0.8～Ra3.2m時(shí)，在精銑，圓銑側(cè)進(jìn)給0.3～0.5mm，面銑后進(jìn)給0.5～1mm。

4機(jī)床、夾具的選擇

夾具是機(jī)床的附加裝置，用于正確確定工件與刀具的相對(duì)位置，并在加工過程中按有關(guān)規(guī)定的要求適當(dāng)、快速地夾緊。機(jī)床夾具種類繁多，選擇夾具時(shí)應(yīng)注意：夾緊機(jī)構(gòu)或其它部件不應(yīng)影響進(jìn)給，加工部分應(yīng)打開。我們這里用的夾具是機(jī)用虎鉗、組合壓板、定位銷，零件底面定位為基準(zhǔn)面。

5定位基準(zhǔn)的選擇

在機(jī)床上加工工件時(shí)，定位基準(zhǔn)是決定每個(gè)加工零件位置的重要因素。一旦定位基準(zhǔn)出現(xiàn)問題，將直接導(dǎo)致加工工件完全達(dá)不到圖紙要求。偏差嚴(yán)重時(shí)，甚至可能造成刀具碰撞，損壞刀具和工件。所以每一步的定位都很重要[5]。

在加工工件的第一步，我們需要確定一個(gè)基準(zhǔn)面。在這次加工工藝分析中，我選擇了下端面作為基準(zhǔn)面，因?yàn)橄露嗣嬷挥幸粋€(gè)臺(tái)階面，加工方便。加工上、下端面后，加工輪廓面。加工輪廓面時(shí)，首先加工前端面，然后以前端面為參照面加工其他三個(gè)輪廓面。各輪廓面加工結(jié)束之后開始加工各個(gè)孔，在研究圖紙之后決定將1號(hào)和2號(hào)孔作為定位孔，且工件裝夾的“兩銷定位法”也需要用到這兩個(gè)孔，在加工1號(hào)和2號(hào)孔時(shí)要一定注意避免人工誤差，否則后面加工的所有孔都有可能出現(xiàn)位置偏差，因而導(dǎo)致加工出來的成品不符合圖紙要求。然后加工3號(hào)孔，加工3號(hào)孔時(shí)以下端面和1號(hào)2號(hào)孔作為定位基準(zhǔn)。加工4號(hào)和5號(hào)孔時(shí)也按照加工3號(hào)孔的方式，以下端面和1號(hào)2號(hào)孔為定位基準(zhǔn)，在確定位置時(shí)以3號(hào)孔的位置進(jìn)行驗(yàn)證，保證每個(gè)孔的位置都確認(rèn)無誤。在加工6號(hào)和7號(hào)孔時(shí)，根據(jù)5號(hào)孔圓心的位置和1號(hào)2號(hào)孔計(jì)算出6號(hào)和7號(hào)孔的位置，從而進(jìn)行準(zhǔn)確的加工。加工8號(hào)9號(hào)10號(hào)孔時(shí)根據(jù)5號(hào)孔的位置，再根據(jù)1號(hào)和2號(hào)孔的位置進(jìn)行驗(yàn)證。加工11號(hào)和12號(hào)螺紋孔時(shí)，先根據(jù)1號(hào)和2號(hào)孔的位置鉆出中心孔，然后根據(jù)中心孔的位置來攻螺紋孔。

6數(shù)控銑削加工工藝的主要內(nèi)容

在數(shù)控加工中，大部分是小批量的或者是單件的加工，零件的輪廓復(fù)雜多樣，坯料、形狀和尺寸不同，但數(shù)控加工工藝的想法基本相同：首先要分析加工零件的零件圖;確定加工內(nèi)容和技術(shù)要求，并將尺寸公差轉(zhuǎn)換成對(duì)稱公差，方便數(shù)控的加工，確定毛坯的尺寸。然后確定零件結(jié)構(gòu)及加工方案。再然后就是設(shè)計(jì)加工的程序，確定加工的順序，選擇合理的切削參數(shù)，設(shè)計(jì)刀具軌跡。最后再利用CAM軟件對(duì)加工過程進(jìn)行仿真驗(yàn)證，并調(diào)整加工程序。主要包涵以下幾方面：

（1）數(shù)控加工工藝的各個(gè)過程，包括零件圖的基本檢查內(nèi)容、加工工藝的基本內(nèi)容和影響設(shè)計(jì)的因素、如何選擇加工方法以及模具夾具、切削參數(shù)和刀具的原則[6]。

（2）定位基準(zhǔn)，定位基準(zhǔn)分為粗基準(zhǔn)定位和精基準(zhǔn)定位。在確定定位基準(zhǔn)時(shí)，盡量保證整個(gè)加工過程的定位基準(zhǔn)不變，然后說明正向銑削和反向銑削的區(qū)別，選擇數(shù)控加工中采用正向銑削還是反向銑削。

（3對(duì)零件圖紙的詳細(xì)數(shù)控加工工藝分析，確定整個(gè)數(shù)控加工步驟，加工每個(gè)平面和每個(gè)孔的順序。因?yàn)椴煌目卓讖讲煌砻娲植诙炔煌?，?duì)應(yīng)的加工方法也不同，使用的工具自然也不同。確定每一步的工具和參數(shù)，便于實(shí)際加工，然后說明每一步定位基準(zhǔn)的選擇，最后根據(jù)這個(gè)工藝分析的全部?jī)?nèi)容制定工藝卡。

由于數(shù)控加工的復(fù)雜性，其工藝設(shè)計(jì)非常靈活，沒有固定的加工模式。但是，只要認(rèn)真總結(jié)，對(duì)于常見的加工結(jié)構(gòu)，如平面、曲面、斜面、箱體、薄壁件等，總能找出一定的加工規(guī)律，建立工藝庫或模塊化工藝，從而不斷完善數(shù)控加工工藝。

7總結(jié)

數(shù)控加工工藝設(shè)計(jì)是制造過程中的重要環(huán)節(jié)，關(guān)系到數(shù)控機(jī)床的使用效率、零件的加工質(zhì)量、刀具的耐用度等問題。因此，數(shù)控編程人員在編制零件數(shù)控加工工藝時(shí)，應(yīng)充分、全面地進(jìn)行工藝的分析，靈活、合理地設(shè)計(jì)數(shù)控加工工藝。

參考文獻(xiàn)

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[3]譚雪松，姜?jiǎng)伲惲?Mastercam數(shù)控加工實(shí)戰(zhàn)訓(xùn)練[M].北京：人民郵電出版社，2005.

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[5]田萍，杜家熙，李琳.數(shù)控機(jī)床加工工藝及設(shè)備[M].北京：電子工業(yè)出版社，2005.

[6]蔡漢明.實(shí)用數(shù)控加工手冊(cè)[M].北京：人民郵電出版社，2007.

收稿日期：2021-08-16

作者簡(jiǎn)介：曹樹嶺（1986—），男，山東聊城人，本科，講師，研究方向：數(shù)字化制造。