复杂型面零件的数控铣削加工工艺分析

曹树岭 闵树生 史秋华

摘  要：本篇文章以某汽车变速箱零件为例，主要介绍了一种复杂曲面零件的数控加工方法。论述了复杂曲面零件的结构、数控铣削工艺规划的过程、零件图的分析和加工方法、自动编程、刀具轨迹设计、刀具选择等。

关键词：数控加工中心;数控铣削加工;工艺分析

中图分类号：TH162    文献标识码：A

0引言

在现代生产中，数控机床已经成为机床发展的主流。大多数数控机床不需要依靠手工操作，而是依靠数控程序对零件进行全方位的加工，最终使其达到我们所期望的标准工件。该方法对零件加工的适应性和灵活性强，可以加工形状复杂的零件，生产率高，可以避免人为误差，可以适应大批量生产，易于尽早发现和解决问题。然而，数控机床的加工质量不仅与自身的机械精度有关，还与数控加工工艺的确定密切相关。因此，在用数控机床加工机械零件时，为了保证生产效率和加工质量，需要最大限度地考虑工艺分析的合理性。要充分考虑数控加工过程中可能出现的问题，分析问题，制定解决方案，从而高效地保证数控机床加工零件的质量，对于充分发挥数控机床加工精度高的优势，提高生产效率具有现实意义。因此，编程中的过程分析是非常复杂和重要的。它不仅要求程序员有扎实的技术基础知识和丰富的实际工作经验，还必须有一丝不苟的工作作风，设计中必须注意处理过程中的每一个细节，做到万无一失。

加工工艺在零件加工中起着重要的作用，它可以给整个加工过程提供非常大的便利性，对于一个完整的零件加工过程来说这是非常重要也是不可或缺的一步。

综上所述，本研究的目的是设计更经济的工艺方案，生成合理的G代码程序，实现理论与实践的结合，提高其质量和水平，充分利用数控机床。

1对于零件工艺的分析

首当其冲的是，对于零件的加工需要先从图纸的绘制开始，依据其零件的二维图形，对于图纸进行合理的分析，对于所需要零件进行有效的结构分析[1]。

根据数控机床的性能和自身在实际加工中的经验，对加工图进行工艺分析，尽量减少后续加工中可能出现的错误。当我们分析零件绘制的过程时，我们可以主要考虑以下几个方面：

（1）审查零件图的完整性和正确性。对于需要加工的零件，我们需要检查轮廓的加工尺寸以及加工尺寸之间的几何关系是否完整。比如在实际加工中，经常会出现图纸给出的几何尺寸出现问题，导致无法完成编程计算。或者几何尺寸没有问题，但是有尺寸矛盾。

（2）审查零件图中的尺寸标准方式是否适应数控加工的特点。对于数控加工方法，最适合编程的尺寸基准是用同一基准标注尺寸或直接给出坐标尺寸，这样更便于相互协调，为保持工艺、设计、编程原点和测试基准的统一提供了极大的方便。但是，在制作零件图时，设计人员往往优先考虑安装的机器与其他零件的配合，導致需要采用局部分散的方式标注尺寸，从而在实际加工和工序安排上造成一定的困难。但是数控加工和重复定位的精度很高，很大程度上可以避免较大误差。因此，将局部分散的标准方式改为集中标注尺寸或坐标是完全可能的。

（3）检查零件图中构成轮廓的几何要素是否充分。无论是自动编程还是手动编程，都需要明确每一个尺寸、长度、几何关系。无论哪里有歧义，都会导致不编程，不数控加工，所以要认真审核零件图纸。发现问题后，必须及时与相关人员进行变更，以保证数控加工的顺利进行。

该零件是板件模具，是汽车变速箱的重要零件。本文是对中间板的数控加工过程进行分析，使数控加工过程更加简单明了。从多方面阐述了工艺分析的内容和方法，并根据Ranger中间板零件图进行了工艺分析[2]。

（4）加工工艺路线的规划。一般而言，零件主要是具备二维平面或者三维曲面的一个复杂的零件，主要由挖孔以及对于外边缘的深入加工为主，零件一般对于精度细度具有很高的要求，其所在的范围大约在±0.02的范围左右，一般情况下，加工路线包括加工方法的选择、加工阶段的划分、工序的划分、加工顺序的安排和饲料加工路线的确定。根据零件图的要求，厚度为1.57的薄壁和直径为45mm的坡口应选用半精加工方法。另外，为了不损伤薄壁，达到更高的精度，深度为8mm和10mm的坡口应留有足够的精加工余量。根据加工方法，零件的加工工序分为粗加工、半精加工和精加工。加工顺序按先粗后精的原则确定[3]。

（5）数控加工刀具的选用。在加工零件时，应将粗加工和精加工分开，以保证零件的加工质量。根据零件的工艺设计，毛坯的选择是确定余量后，确定毛坯的类型、制造方法和毛坯尺寸。零件的材料是钢。根据技术要求，要求零件去毛刺，即外观光滑美观。锻件可根据零件的结构、形状和尺寸以及生产程序的大小进行选择。根据上述选择原则分析，先铣外轮廓，再铣内轮廓，最后钻孔。毛坯的零件是用铸铝制成的。考虑到铸件的大变形，以及在NC铣削中定位和夹紧坯料的可靠性和方便性，应留有足够的余量。由于该零件材料具有良好的切削性能，在铣削平面、台阶面和轮廓时，要留有0.5mm的精加工余量、0.1mm的精铰余量和0.2mm的精镗余量。根据以上零件分析的工艺分析，选择毛坯件，毛坯件最终尺寸为260mm×220mm×20mm。MasterCAM9.0用于MasterCAM9.0的三维建模和刀轨设计。其中，毛坯的形状可以根据加工所需要的尺寸、形状来进行改变，毛坯是整个加工工艺的重要基础。因此，在实际的生产应用之中，需要选用质量比较好的毛坯作为其基础零件。

2设计加工工艺的选择及加工程序编制

目前，我国机械零件的加工方式已经逐渐从手工加工方式转变为数控加工方式。因此，在加工零件之前，我们需要详细了解零件的数控加工工艺，以保证零件加工的质量和精度，并根据机械零件的实际设计和加工要求，制定出适合数控机床的加工方案。

一般情况下的零件可以手动或自动编程。手动是一种手工编程，常用于外形简单、方便、经济的工件;自动编程又称计算机辅助编程，它是利用专门的计算机软件编制数控加工程序，常用于轮廓复杂的零件，特别是三维形状或刀轨计算繁琐时。零件分三维表面的加工和小凸缘的加工，外形比较复杂。为提高工作效率，而且不易出错，所以采用自动编程[4]。

3刀具切削用量的选择

在数控铣床上按照粗加工阶段和精加工阶段进行加工。通过检查切削参数手册选择合适的进给速度和每齿切削速度，然后根据公式SπD=1000Vc和F=fns计算主轴速度和进给速度。但是在实际生产中，我们通常会根据运行经验选择合适的值。 通过分析零件图，确定各曲面的数控加工刀具。考虑到刀具在工作中可以合理切入和切出，应选择合适的刀具直径，道具应尽可能包括整个工件的加工宽度，以提高加工精度和效率，避免切割痕迹的出现。凸台及其轮廓用端铣刀加工，刀具半径R受轮廓最小曲率半徑限制，所以R=6mm。每个孔加工步骤的刀具直径是根据加工余量和孔径确定的。

根据平常的实践经验，大切削深度、低进给量适合于常规零件的粗加工，以提高加工效率。在精加工中，需要合理的切削速度、较小的进给量和进给速度，以获得较好的切削深度和加工精度。零件表面的粗糙度为Ra 0.8～Ra3.2m时，在精铣，圆铣侧进给0.3～0.5mm，面铣后进给0.5～1mm。

4机床、夹具的选择

夹具是机床的附加装置，用于正确确定工件与刀具的相对位置，并在加工过程中按有关规定的要求适当、快速地夹紧。机床夹具种类繁多，选择夹具时应注意：夹紧机构或其它部件不应影响进给，加工部分应打开。我们这里用的夹具是机用虎钳、组合压板、定位销，零件底面定位为基准面。

5定位基准的选择

在机床上加工工件时，定位基准是决定每个加工零件位置的重要因素。一旦定位基准出现问题，将直接导致加工工件完全达不到图纸要求。偏差严重时，甚至可能造成刀具碰撞，损坏刀具和工件。所以每一步的定位都很重要[5]。

在加工工件的第一步，我们需要确定一个基准面。在这次加工工艺分析中，我选择了下端面作为基准面，因为下端面只有一个台阶面，加工方便。加工上、下端面后，加工轮廓面。加工轮廓面时，首先加工前端面，然后以前端面为参照面加工其他三个轮廓面。各轮廓面加工结束之后开始加工各个孔，在研究图纸之后决定将1号和2号孔作为定位孔，且工件装夹的“两销定位法”也需要用到这两个孔，在加工1号和2号孔时要一定注意避免人工误差，否则后面加工的所有孔都有可能出现位置偏差，因而导致加工出来的成品不符合图纸要求。然后加工3号孔，加工3号孔时以下端面和1号2号孔作为定位基准。加工4号和5号孔时也按照加工3号孔的方式，以下端面和1号2号孔为定位基准，在确定位置时以3号孔的位置进行验证，保证每个孔的位置都确认无误。在加工6号和7号孔时，根据5号孔圆心的位置和1号2号孔计算出6号和7号孔的位置，从而进行准确的加工。加工8号9号10号孔时根据5号孔的位置，再根据1号和2号孔的位置进行验证。加工11号和12号螺纹孔时，先根据1号和2号孔的位置钻出中心孔，然后根据中心孔的位置来攻螺纹孔。

6数控铣削加工工艺的主要内容

在数控加工中，大部分是小批量的或者是单件的加工，零件的轮廓复杂多样，坯料、形状和尺寸不同，但数控加工工艺的想法基本相同：首先要分析加工零件的零件图;确定加工内容和技术要求，并将尺寸公差转换成对称公差，方便数控的加工，确定毛坯的尺寸。然后确定零件结构及加工方案。再然后就是设计加工的程序，确定加工的顺序，选择合理的切削参数，设计刀具轨迹。最后再利用CAM软件对加工过程进行仿真验证，并调整加工程序。主要包涵以下几方面：

（1）数控加工工艺的各个过程，包括零件图的基本检查内容、加工工艺的基本内容和影响设计的因素、如何选择加工方法以及模具夹具、切削参数和刀具的原则[6]。

（2）定位基准，定位基准分为粗基准定位和精基准定位。在确定定位基准时，尽量保证整个加工过程的定位基准不变，然后说明正向铣削和反向铣削的区别，选择数控加工中采用正向铣削还是反向铣削。

（3对零件图纸的详细数控加工工艺分析，确定整个数控加工步骤，加工每个平面和每个孔的顺序。因为不同的孔孔径不同，表面粗糙度不同，对应的加工方法也不同，使用的工具自然也不同。确定每一步的工具和参数，便于实际加工，然后说明每一步定位基准的选择，最后根据这个工艺分析的全部内容制定工艺卡。

由于数控加工的复杂性，其工艺设计非常灵活，没有固定的加工模式。但是，只要认真总结，对于常见的加工结构，如平面、曲面、斜面、箱体、薄壁件等，总能找出一定的加工规律，建立工艺库或模块化工艺，从而不断完善数控加工工艺。

7总结

数控加工工艺设计是制造过程中的重要环节，关系到数控机床的使用效率、零件的加工质量、刀具的耐用度等问题。因此，数控编程人员在编制零件数控加工工艺时，应充分、全面地进行工艺的分析，灵活、合理地设计数控加工工艺。

参考文献

[1]王爱玲.数控机床加工工艺[M].北京：机械工业出版社，2006.

[2]董天毅.加工工艺对加工精度的影响[J].汽车制造业，2008（7）：84-85.

[3]谭雪松，姜胜，陈霖.Mastercam数控加工实战训练[M].北京：人民邮电出版社，2005.

[4]赵婷.数控加工仿真与自动编程技术[M].北京：机械工业出版社，2011.

[5]田萍，杜家熙，李琳.数控机床加工工艺及设备[M].北京：电子工业出版社，2005.

[6]蔡汉明.实用数控加工手册[M].北京：人民邮电出版社，2007.

收稿日期：2021-08-16

作者简介：曹树岭（1986—），男，山东聊城人，本科，讲师，研究方向：数字化制造。