典型凸模零件数控加工工艺研究与设计

2020-02-11黄继战肖根先

机械工程师 2020年1期

黄继战，肖根先

（1.江苏建筑职业技术学院，江苏徐州 221116；2.徐州市模具新技术工程研究中心，江苏徐州221116）

0 引言

数控机床由于加工精度高、柔性好，在机械制造企业应用日趋广泛。立式数控铣床是数控机床中应用较多的品种之一，在机械加工中占有重要的地位。合理地规划工艺可有效地提高零件加工质量和数控机床利用率[1]。凸模类零件在生产中广泛存在，故本文以典型凸模零件为载体，研究凸模零件的数控加工工艺设计及编程，具有重要的现实意义和价值。

1 零件工艺性分析

图1所示为某凸模零件，毛坯为长方体，外形尺寸为95 mm×95 mm×25 mm，材料45钢，切削性能较好，单件小批生产，未注表面粗糙度为Ra3.2 μm，未注圆角半径为R5。由图1可知，该零件主要由平面、带抛物线的凸台外轮廓、倾斜矩形腔、均布三角形槽及孔结构组成，结构较为复杂，具有典型性。考虑到该零件为单件小批生产，加工内容多且精度要求较高，因此适合采用数控铣床加工。

图1 零件图

2 零件工艺路线的拟定

基于零件的工艺性分析，考虑到工序集中、先面后孔及先粗后精的工艺原则，确定该零件工艺路线有6道工序，具体为：1）铣六面。工序内容为采用数控铣床铣毛坯4个侧面和上、下平面，保证外形尺寸90 mm×90 mm×20 mm和对面平行、邻面垂直。2）钻、扩孔。内容为采用数控铣床在凸模顶面上钻3-φ3 mm定心孔，钻3-φ9.9 mm通孔，并扩mm孔，将其孔径尺寸由φ9.9 mm加工至φ20 mm。3）凸台抛物线外廓和沉孔加工。内容为粗、精铣凸台抛物线外廓，以铣代镗的加工方法半精铣、精铣沉孔4）斜矩形槽和三角形槽加工。内容为粗、精铣斜矩形槽，粗、精铣3个三角形槽。5）铰孔。内容为机动铰削两个通孔。

3 数控加工工序的设计

3.1 数控机床的选择

根据数控车间现有设备情况和零件毛坯的外形尺寸95 mm×95 mm×25 mm，选择机床型号为VM600立式数控铣床。

3.2 工件的装夹

工件的装夹主要解决零件的定位和夹紧问题，由于该零件生产类型为单件小批，且形状为长方体，故选择精密平口钳装夹。零件铣五面后装夹时，其下底面与垫块接触，零件后侧面与固定钳口接触，用活动钳口夹紧零件，并通过零件中心对刀建立工件坐标系与机床坐标系之间的位置关系。

3.3 刀具的选择

刀具的选用主要取决于被加工零件的形状、材料和机床性能[1]。该零件各道工序刀具选择分析如下：1）铣六面。平面一般采用端铣刀和立铣刀加工，端铣刀用于大平面的铣削，刀材为硬质合金，而立铣刀用于小平面的加工，刀材为高速钢。由于该零件六平面尺寸较小，因此选择直径D16 mm的立铣刀。2）钻、扩孔。钻孔类加工为定尺寸加工，即加工孔的直径与刀具直径一样大小。刀具材料选为高速钢，刀具规格为钻中心孔选择直径D3 mm的定心钻，扩孔加工分别选择直径D9.9 mm和D20 mm的麻花钻头。3）凸台抛物线外廓和沉孔加工。凸台外廓由于没有内凹轮廓，从理论上讲选任意大小直径的刀具加工均可；沉孔的圆形轮廓属于内凹轮廓，选择的刀具半径要求不大于沉孔半径12.5 mm，并考虑到减少刀具的规格，粗、精加工均选择与六面铣同一把刀具。4）斜矩形槽和三角形槽加工。由于斜矩形槽和三角形槽的拐角半径均为R5 mm，拐角属于内凹轮廓，因此选择的刀具直径要不大于R5 mm；再考虑到斜矩形槽的粗加工走刀路线，如图2所示，刀具先沿旋转后的坐标系从P1到P2满刀加工一刀，建立刀具半径左补偿，再沿矩形轮廓走一圈加工，最后由P2返回到P11,取消刀具半径左补偿，由此可确定该走刀路线加工不留残料的最小刀具半径R=矩形槽宽度/6=25/6≈4.17 mm，由此可知，刀具半径应满足4.17 mm≤R刀≤5 mm。本设计选择刀具半径R5 mm的键槽铣刀，键槽铣刀的特点是切削底刃过中心点，可直接在实体上Z轴进刀。5）铰孔。选择直径D10 mm铰刀。

图2 矩形槽粗铣走刀路线

3.4 切削用量的确定

在数控编程时，编程者必须确定每道工序的切削用量，并以指令的方式编入程序中。切削用量数值合理与否对加工质量、加工效率、生产成本等有着非常重要的影响[2]。根据切削用量的确定原则，铣刀切削用量的确定步骤为：

1）确定背吃刀量。根据工件的材料及工艺系统的刚度来决定[3]。在数控铣床系统刚度允许的条件下，粗加工时应尽可能使背吃刀量与工件的加工余量相等，这样可提高生产效率；精加工时一般留0.2～0.5 mm精加工余量，且余量均匀，目的是保证加工表面质量。

2）确定主轴转速。主轴转速n应根据允许的切削速度vc和刀具直径d来选择，其计算公式为：n=1000vc/(πd)（式中：vc表示切削线速度，m/min，依据刀料和工料查切削手册可得；n表示主轴转速，r/min；d表示工件或刀具直径，mm）。由上式计算的主轴转速n取整作为编程转速，实际加工时应根据切削状况调整主轴倍率来修调主轴转速。

3）确定进给速度。进给速度主要根据零件的加工精度和表面粗糙度要求及刀具、工件的材料性质选取[1]。查切削手册可得刀具每齿进给量fz，将每齿进给量fz代入公式：vf=z·fz·n（式中：z为齿数；fz为刀具每齿进给量，mm/z；n为主轴转速，r/min），即得到刀具进给速度，实际加工时应根据切削状况调整进给倍率开关来调节进给速度。其余刀具切削用量确定方法与铣刀相类似。

综上所述，确定切削用量的加工工艺卡如表1所示。

4 零件加工程序的编制

数控加工程序的编制一般经过工件坐标系的建立、走刀路线的设计、基点/节点坐标的确定和程序代码的编写等4个环节。文中仅分析与研究编程难点抛物线轮廓的编程，其余不再赘述。抛物线编程方法有自动编程和宏程序编程，鉴于自动编程必须建模且编制的程序冗长、可读性差、精度控制能力差、柔性差[4]，而宏程序可克服上述缺点，因此确定抛物线采用宏程序编程法。

表1 数控加工工艺卡

4.1 工件坐标系的建立

该零件XY轴零点确定在工件的对称中心，Z轴零点在零件的上平面，建立的工件坐标系如图3所示。

图3 走刀路线图

4.2 走刀路线的设计

凸台抛物线轮廓采用G41指令编程，其粗、精加工只需改变刀具半径补偿号D01和切削用量即可，简化了编程。采用G41指令编程对应的外轮廓走刀路线为顺时针，相应的切削方式为顺铣，顺铣加工能保证加工质量、延长刀具使用寿命，一般优先选用，只有在工件有硬皮的情况下才选择逆铣[5]。考虑零件加工精度和方便编程，走刀路线的切入切出路径采用径向方式。综上所述，设计的走刀路线为图3所示的A1→A2→A3→A4→A5→A6→A2→A1。

4.3 基点/节点坐标的确定

通过CAD查询法得到：图3的抛物线外廓走刀路线基点坐标为A1（55，0）、A2（27,0）、A3（27，-30）、A4（-4.5,-30）、A5（3.625,35）、A6（27，35）。

图3中走刀路线上A4点到A5点为抛物线，其节点坐标确定的算法如下：由图1可知，抛物线的焦距P为20,顶点坐标为（-27，0），抛物线方程为y2=f(x)=40×（x+27），这里选取y为自变量，y∈[-30,35]，则x为因变量，由抛物线方程可推得因变量x计算公式为x=f(y)=-27+y2/40。为实现该抛物线的加工，本设计采用等间距法直线段逼近抛物线，即将Y坐标轴划分成相等的间距Δy，如图3所示，根据上述方程x=f(y)=-27+y2/40，可由Yi求得Xi，Xi+1=f（Yi+Δy）。如此即可求得一系列节点坐标值。在粗加工时Δy应取较大值，以提高机床加工效率；精加工时Δ应取较小值，以提高零件表面质量[6]。