数控加工中工艺路线设计原则及方法 4页

文章编号:1001-2265(2005)11-0069-04数控加工中工艺路线设计原则及方法陈光明(南京农业大学工学院,南京　)摘要:文章重点介绍了数控加工中工艺设计的特点、零件数控加工工艺性分析要点,阐述了数控加工中工艺过程和走刀路线设计原则与方法实例,为编制优化的数控程序打下了基础。关键词:数控加工;数控编程;工艺设计;走刀路线中图分类号:TG659　　　文献标识码:AThePrincipleandMethodofProcessRouteDesignBasedonNCMachiningCHENGuang-ming(EngineeringCollegeofNanjingAgriculturalUniversity,NanjingChina)Abstract:ThearticlediscussesthefeaturesofprocessdesignandthemainpointsoftechnologicalanalysisonNCmachining.principleTheandexamplesofNCmachiningprocessandcutterroutearealsopresented,whichlaysafoundationforabetterNCprogramming.Keywords:machining;programming;processdesign;cutterrouteNCNC0　引言数控加工工艺设计是对工件进行数控加工的前期工艺准备工作,无论是手工编程还是自动编程,这项工作必须在程序编制工作以前完成。因为只有工艺设计方案确定以后,编程才有依据。根据大量加工实例分析,数控加工中失误的主要原因多为工艺方面考虑不周和计算与编程时粗心大意。在编制数控工艺和数控程序中必须注意加工过程中的每一个细节。若数控加工的工艺设计方案不合理,往往要成倍增加工作量,有时甚至要推翻重来,造成一些不必要的损失。因此数控加工的工艺设计是数控加工中的重要环节,处理正确与否,关系到所编制零件加工程序的正确性与合理性,其工艺方案的好坏,直接影响数控加工的质量、效益以及程序编制的效率。为了优化数控程序设计、提高编程效率、合理使用数控机床,有必要对数控加工工艺设计等技术问题加以分析、研究,以做好数控机床加工前的技术准备工作。的划分与安排、刀具的几何形状、走刀路线、切削用量选择等,在很大程度上都是由操作工人根据自己的实践经验和习惯自行考虑和决定的,一般无须工艺人员在设计工艺规程时进行过多的规定。而在数控加工时,上述这些具体工艺问题,不仅成为数控工艺设计时必须认真考虑的内容,而且还必须作出正确的选择并编入加工程序中。也就是说,本来由操作工人在加工中灵活掌握并可通过适时调整处理的许多工艺问题,在数控加工时就转变为编程人员必须事先设计和安排的内容。在数控加工的工艺设计中必须注意加工过程中的每一个细节。同时在对图形进行数学处理、计算和编程时,都要力求准确无误。在实际工作中,由于一个小小的疏忽,造成重大机床事故和质量事故的例子已屡见不鲜。(数控加工的工艺“复合性”。采用数控加工后,工件在一2)次装夹下能完成镗、铣、铰、攻丝等多种加工,而这些加工在传统工艺方法下需分多道工序才能完成。因此,数控加工工艺具有复合性特点,传统加工工艺下的一道工序在数控加工工艺中已转变为一个或几个工步,也可以说数控加工工艺的工序把传统工艺中的工序“集成”了,这使得零件加工所需的专用夹具数量大为减少,零件装夹次数及周转时间也大大减少了,从而使零件的加工精度和生产效率有了较大的提高。1　数控加工工艺的特点数控机床加工工艺与普通机床加工工艺相比较,数控加工工艺设计的原则和内容在许多方面与普通机床加工工艺相同。由于采用数控机床加工具有加工工序少,所需专用工装数量少等特点,克服了普通传动工艺方法的弱点,使数控加工工艺相应形成了自身的加工特点。一般说来,数控加工的工序内容要比普通机床加工的工序内容复杂。从编程来看,加工程序的编制要比普通机床编制工艺规程复杂。(数控加工工艺的内容十分具体、工艺设计工作相当严1)密。在普通机床加工时,许多具体的工艺问题如:工艺中各工步2　零件数控加工工艺性分析要点2.　零件数控加工的合理性分析1审核零件数控加工的合理性,选择数控机床加工内容时不可“大材小用”,要防止把数控机床降格为普通机床使用。当选择并决定某个零件进行数控加工后,并不等于把它所有的加工内容都包下来,而可能只是其中一部分进行数控加工。应选择收稿日期:--20040425作者简介:陈光明(1967-,男,江苏泰兴人,南京农业大学工学院讲师,硕士,主要研究方向是先进制造技术、数控技术、模具设计与制造、计算机)辅助设计等,(-Email)letmesay@pk..cn。njauedu.·69· ·工艺与装备·那些最合适、最需进行数控加工的内容和工序进行数控加工。通常零件数控加工的合理性考虑的因素是:①零件的复杂程度高,精度要求高,多品种、小批量的生产,采用数控加工会获得较高的经济效益;②根据机床性能的不同和对零件要求的不同,对数控加工零件进行分类,不同类别的零件分配在不同类型的机床上加工,以获得较高的生产效率和经济效益。应尽量在普通机床上完成零件的大切削量粗加工,以提高数控机床加工效率。2.2　零件数控加工的工艺性分析要点数控加工前,必须首先对零件图纸进行仔细的数控加工工艺性分析,应重点从数控加工的方便性与可能性两个角度进行审查和分析。例如:1)(首先分析零件图纸中的尺寸数据的给出是否符合编程方便的原则。1)零件图纸中的尺寸标注方法是否适应数控加工的特点;构成零件轮廓的几何元素的条件是否2)充分。因为在手工编程时,要计算构成零件轮廓的每一个基点坐标;在自动编程时,要对构成零件轮廓的所有几何元素进行定义,如果某一条件不充分,则无法计算零件轮廓的基点坐标,无法表达零件轮廓的几何元素,导致无法进行编程,因此在分析零件图时,要分析几何元素的给定条件是否充分。(其次分析零2)件各加工部位的结构工艺性是否符合数控加工的特点。1)零件的内腔和外形最好采用统一的几何类型和尺寸。因为这样可以减少刀具规格和换刀次数,使编程方便。2)析零件定位基准分的可靠性。数控加工应尽量采用统一的基准定位,否则会因工件的安装定位误差而导致工件加工的位置误差和形状误差。(应分析零件所要求的加工精度等是否可以得到保证。总之,3)在数控机床上加工零件时,应先根据零件图样对零件进行全面分析,弄清零件的结构形状、尺寸和技术要求,由此确定零件加工的工艺过程和工艺路线。组合机床与自动化加工技术3.　数控加工工艺设计原则2设计零件数控加工的工艺过程时应遵循以下原则:(1)工序最大限度集中、一次定位的原则一般在数控机床上,特别是在加工中心上加工零件,工序可以最大限度集中,即零件在一次装夹中应尽可能完成本台数控机床所能加工的大部分或全部工序。数控加工倾向于工序集中,可以减少机床数量和工件装夹次数,减少不必要的定位误差,生产率高。对于同轴度要求很高的孔系加工,应在一次安装后,通过顺序连续换刀来完成该同轴孔系的全部加工,然后再加工其它坐标位置的孔,以消除重复定位误差的影响,提高孔系的同轴度。(先粗后精的原则2)在进行数控加工时,根据零件的加工精度、刚度和变形等因素来划分工序时,应遵循粗、精加工分开原则来划分工序,即先粗加工全部完成之后再进行半精加工、精加工。对于某一加工表面,应按粗加工——半精加工——精加工顺序完成。粗加工——时应当在保证加工质量、刀具耐用度和机床——夹具——刀具————工件工艺系统的刚性所允许的条件下,充分发挥机床的性—能和刀具切削性能,尽量采用较大的切削深度、较少的切削次数得到精加工前的各部余量尽可能均匀的加工状况,即粗加工时可快速切除大部分加工余量、尽可能减少走刀次数,缩短粗加工时间。精加工时主要保证零件加工的精度和表面质量,故通常精加工时零件的最终轮廓应由最后一刀连续精加工而成。为保证加工质量,一般情况下,精加工余量以留0.0.2～6mm为宜。粗、精加工之间,最好隔一段时间,以使粗加工后零件的变形得到充分恢复,再进行精加工,以提高零件的加工精度。(先近后远、先面后孔的原则3)按加工部位相对于对刀点的距离大小而言,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。对于车削而言,先近后远还有利于保持坯件或半成品的刚性,改善其切削条件。对于既有铣平面又有镗孔的零件的加工中,可按先铣平面后镗孔顺序进行。因为铣平面时切削力较大,零件易发生变形,先铣面后镗孔,使其有一段时间恢复,待其恢复变形后再镗孔,有利于保证孔的加工精度,其次,若先镗孔后铣平面,孔口就会产生毛刺、飞边,影响孔的装配。(先内后外、内外交叉原则4)对既有内表面(内型、内腔),又有外表面需加工的零件,安排加工顺序时,通常应安排先加工内表面,后加工外表面,应先进行内外表面粗加工,后进行内外表面精加工。通常在一次装夹中,切不可将零件上某一部分表面(外表面或内表面)加工完毕后,再加工零件上的其它表面(内表面或外表面)。(刀具最少调用次数原则5)在数控加工时,为了减少换刀次数,压缩空程时间,应按所用刀具来划分工序和工步。即可按刀具集中工序的方法加工零件。为了减少换刀时间,同一把刀具工序尽可能集中,尽可能用同一把刀具加工完零件表面上的相同切削部分,以避免同一把刀具的多次调用、安装。即在一次装夹中,尽可能用同一把刀具加工完工件上所有需要用该刀具加工的各个部位后,再换第二3　数控加工的工艺设计原则3.1　工序的划分方法设计零件的工艺过程,就是确定零件的哪些表面需要数控加工,经过哪些工序以及怎么安排这些工序顺序等等。一般在数控机床上划分零件加工工序有以下几种方法:(按所用刀具划分工序。为了减少换刀次数和空程时间,1)可以采用刀具集中的原则划分工序。在一次装夹中用一把刀完成可以加工的全部加工部位,然后再换第二把刀,加工其它部位。在专用数控机床或加工中心上大多采用这种方法。(按粗、精加工划分工序。对易产生加工变形的零件,考2)虑到工件的加工精度、变形等因素,可按粗、精加工分开的原则来划分工序,即先粗后精。(按加工部位划分工序。这种方法一般适应加工内容不3)多的工件,主要是将加工部位为几个部分,每道工序加工其中一部分。如加工外形时,以内腔夹紧;加工内腔时,以外形夹紧。在工序的划分中,一定要视零件的结构与工艺性、工件的安装方式、数控机床的功能、零件数控加工内容的多少、安装次数及工厂生产组织与管理状况等因素,灵活掌握,力求合理。加工顺序的安排应根据零件的结构和毛坯状况,以及定位安装与夹紧的重要性来考虑,重点在于工件的刚性不被破坏,以保证整体零件的加工精度。·70· 2005年第11期把刀具加工其它部位。(附件最少调用次数原则6)即在保证加工质量的前提下,一次附件调用后,每次最大限度进行加工切削,以避免同一附件的多次调用、安装。(走刀路线最短原则7)在保证加工质量的前提下,使加工程序具有最短的走刀路线,不仅可以节省加工时间,还能减少一些不必要的刀具磨损及其它消耗。走刀路径的选择主要在于粗加工及空行程的走刀路径的确定,因精加工切削过程的走刀路线基本上都是沿着其零件轮廓顺序进行的。一般情况下,若能合理选择起刀点、换刀点,合理安排各路径间空行程衔接,都能有效缩短空行程长度。(程序段最少原则8)在加工程序的编制工作中,总是希望以最少的程序段数即可实现对零件的加工,以使程序简洁,减少出错的几率及提高编程工作的效率,而且能减少程序段输入的时间及计算机内存容量的占有数。(数控加工工序和普通工序的衔接原则9)数控加工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,最好的办法是各道工序需要相互建立状态要求,各道工序必须前后兼顾,综合考虑,如:要不要留加工余量、留多少;基准面与孔的精度要求、对毛坯的热处理状态等,目的是达到相互能满足加工要求,且质量目标及技术要求明确;各道工序交接验收有依据。(特殊情况特殊处理的原则10)上述的原则也不是一成不变的,对于某些特殊的情况,可根据实际情况,工艺设计则需要采取灵活可变的方案。这些有赖于编程者对实际加工经验的不断积累与学习。中,刀具不能与工件轮廓发生干涉。4.　加工路线设计方法实例2(数控车床加工路线设计实例1)·工艺与装备·1)最短的切削进给路线。如图1所示为粗车某轴类零件时的几种不同切削进给路线的安排示意图。其中图1a表示利用数控系统具有的封闭式复合循环功能控制车刀沿着零件轮廓进给的路线;1b为利用其程序循环功能安排的“三角形”进给路图线;1c为利用其矩形循环功能而安排的“矩形”进给路线。对图这三种切削进给路线,经分析和判断后可知矩形循环进给路线的进给长度总和最短。因此,在同等条件下,其切削所需时间(不含空行程)最短,刀具的损耗最少。图1　粗车轴类零件时的几种不同切削进给路线2)在数控车床上加工螺纹时,沿螺距方向的Z向进给和工件(即主轴)转动必须保持严格的相对运动关系。但考虑到沿Z向进给从停止状态达到指令的进给量,机床的进给系统总有一个过渡过程,因此安排Z向进给路径时,应使车刀的起点离待加工螺纹有一定的引入距离L1,如图2所示。保证刀具起动后进以给量达到稳定时才开始切削螺纹。通常取L1为2～5mm,螺距大与精度要求高时L1值取大些。4　数控加工的加工路线设计原则及其方法实例4.1　加工路线设计原则加工路线是指切削加工过程中刀具(严格说是刀位点)相对于被加工零件的运动轨迹和运动方向,即指刀具从对刀点开始运动起,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。加工路线是编制程序的依据之一。在确定加工路线时最好画一张工序简图,将已拟定的加工路线画上去,包括刀具进退路线,这样可为编程带来不少方便。在确定加工路线时应遵循以下原则:①加工路线应保证被加工工件的精度和表面粗糙度。为保证工件轮廓表面加工的表面粗糙度要求,最终轮廓表面应安排最后一次走刀连续加工出来;②应尽量使加工路线最短,减少空行程时间,以提高加工效率;③合理选用铣削加工中的顺铣或逆铣方式。一般来说,数控机床采用滚珠丝杠,运动间隙很小,因此,顺铣优点多于逆铣。④选择工件加工变形小的加工路线。在一次安装加工多道工序中,先安排对工件刚性破坏较小的工序。⑤使数值计算最简单和减少程序段,以减少编程工作量。⑥根据工件的形状、刚度、加工余量、机床系统的刚度等情况,确定循环加工次数。⑦合理设计刀具的切入与切出的方向。采用单向趋近定位方法,避免传动系统反向间隙而产生的定位误差。刀具的进退方向及路线要认真考虑,以尽量减少接刀痕迹。⑧在切削过程图2　切削螺纹时的引入距离(数控铣床加工路线设计实例。2)1)在数控铣床上铣削外轮廓零件时,为了保证轮廓表面质量的要求,减少接刀的痕迹,应设计合理的刀具切入和切出时的进、退刀位置。尽量避免沿零件轮廓法向切入和进给中途停顿。尽量不要在连续的轮廓中安排切入和切出或换刀及停顿,以免因切削力突然变化而造成弹性变形,致使光滑连续轮廓上产生表面划伤、形状突变或滞留刀痕等疵病。如图3所示,在数控铣床上进行铣削平面外轮廓零件时,一般采用立铣刀的侧刃切削,为了保证工件的外形光滑,应避免沿零件外轮廓的法向进刀切入和切出零件轮廓,如果铣刀沿法向直接切入零件,将在零件外形上留下明显的刀痕。因此应沿着外轮廓曲线延长线切向切入或切出零件轮廓,在切出工件时,应避免在工件的轮廓处直接抬刀,要沿着零件轮廓延伸线的切线逐渐切离工件。这样可避免刀具在切入或切出时产生的刀刃切痕,保证零件曲面的平滑过渡。2)铣削封闭内轮廓表面零件时也要注意刀具切入和切出时的运动轨迹。为了提高加工精度和减少表面粗糙度,在铣削封·71· ·工艺与装备·组合机床与自动化加工技术其空行程路线总和最短。例如以图6a所示的零件孔加工为例,按照一般习惯,都是先加工一圈均布于圆上的八个孔,然后再加工另一圈,如图6b所示。但对于数控加工来说,并不是最好的加工路线。若进行必要的尺寸换算,按图6c所示的走刀路线加工,据统计可以缩短定位时间和加工路线近一倍。上述基础工艺问题解决后就可进入数控程序的编制阶段,同时,当解决了上面的具体工艺问题后,编程人员就能编制出操作者满意的程序,而评价数控程序的优劣也不在于程序有多玄奥,而在于具体工序、刀具、切削用量参数的合理性。图3　铣削外轮廓零件的刀具切入和切出时的进、退刀位置闭的内轮廓时,因刀具切入、切出不允许外延,此时刀具的切入和切出点尽量选在内轮廓曲线两几何元素的交点处或者以圆弧切向进刀。图4所示铣凹槽的三种加工路线:4a为用行切法图加工凹槽,其加工路线最短,但表面粗糙度差,适用于对表面粗糙度要求不太高的粗加工或半精加工。图4b为环切法加工凹槽,其表面粗糙度最好,但加工路线最长。图4c为采用综合法加工凹槽,即先采用行切法粗加工,最终轮廓用环切法再沿轮廓切削一周进行精加工,使凹槽轮廓表面光整,易保证凹槽侧面达到所要求的表面质量。而其加工路线介于前两者之间,所以图4c的加工路线方案最为合理。图6　孔加工最短走刀路线的设计5　结论(现代数控加工与传统加工技术相比,无论在加工工艺,1)加工的自动控制,还是在加工设备与工装等诸多方面均有所不同。用数控机床加工零件比用普通机床加工零件更应重视加工之前的工艺分析。实现数控加工的关键在编程。但光有编程还不行,数控加工还包括编程前必须要做的一系列准备工作及编程后的善后处理工作。数控加工中的工艺设计是数控编程中重要的环节,处理正确与否,直接关系到数控机床的使用效率、零件的加工质量、刀具数量和经济性等问题。由于零件复杂多样,轮廓外形的形状各不相同,毛坯材料、大小不尽相同,因此数控加工编程人员在拟定零件数控加工工艺时,应进行充分、全面的工艺分析,灵活、合理地设计工艺,向优质、高效、低耗的目标方向努力。数控加工编程人员必须对数控加工的合理性和零件的工艺性分析、工序的正确划分、工艺路线的确定、加工顺序的合理安排、正确地选择对刀点和换刀点的位置、零件安装方法的确定、刀具及其切削用量的选择、工艺文件的编写以及数控加工工序与普通工序的衔接等等有明确的认识,应尽量做到工序集中,　图5　孔加工定位路线工艺路线最短,机床辅助时间最少。(选择合理、高效的工艺方法和加工路线,对编制高质量2)的数控加工程序,提高零件的加工质量、数控机床的生产效率和经济效益都有重要意义。数控加工工艺设计对工艺设计人员的要求很高,不仅需要懂得数控加工设备和编程技术,而且还必须具有丰富的数控工艺工装知识和具有较丰富的实际操作经验。只有在此基础上,运用正确的设计方法,通过认真细致的工作,才能完成高质量的数控加工工艺设计。这样,才能在数控机床上完成零件的正确加工,避免产生不必要的废品。[参考文献][1]董玉红.数控技术[M].北京:高等教育出版社,2004.[2]覃岭.数控加工工艺基础[M].重庆:重庆大学出版社,2004.(编辑　李秀敏)图4　铁凹槽的三种加工路线(孔加工路线设计实例。3)1)合理安排孔加工定位路线能提高孔的位置精度。刀具应尽量采用同向(单或向)趋近定位点和加工点的方法,以减少机械传动系统(如丝杆间隙)对定位精度的影响。空载运行时,应当按照先块后慢分级降速的顺序,接近并到达预定点,以避免速度过快、惯性过大而影响其运行和定位精度。例如:对于一些位置精度要求较高的各孔加工时,应特别关注各孔加工顺序的安排,各孔的加工顺序和路线应按同向行程进行,若安排不当,就有可能把坐标轴的反向间隙带入行程中,直接影响各孔之间的位置精度。如图5所示。在XOY平面内加工A、B、C、D四孔时,安排孔加工路线时一定要注意做到各孔定位方向的一致性,即采用单向趋近定位的方法,完成C孔加工后往左多移动一段距离,然后返回加工D孔,这样的定位方法避免因传动系统反向间隙的影响而产生的定位误差,提高了D孔与其它孔之间的位置精度。2)对于点位控制的数控机床(如数控冲床、钻床)的走刀路线应力求最短。尤其是对点群类零件,在规划走刀路线时,应使·72·