四川工程职业技术学院 课时授课教案 学年第期 课程名称:_数控加工工艺 授课班级:(三专)数控01-1、 授课时间:第周星期 课题:加工中心的工艺特点 教学目的 了解数控镗铣、加工中心机床的类型 掌握加工中心的工艺特点 掌握装夹方案的确定和夹具的选择 重点、难点: 工艺特点、装夹方案 使用教具:_课件 课后作业:1 课后记录 年月日
四 川 工 程 职 业 技 术 学 院 课 时 授 课 教 案 / 学年第 期 课程名称： 数控加工工艺 授课班级： （三专）数控 01-1、2 授课时间： 第 周星期 第 节 课 题： 加工中心的工艺特点 教学目的： 了解数控镗铣、加工中心机床的类型 掌握加工中心的工艺特点 掌握装夹方案的确定和夹具的选择 重点、难点： 工艺特点、装夹方案 使用教具： 课件 课后作业： 1 课后记录： 年 月 日
授课主要内容 数控镗铣、加工中心加工的类型 数控镗铣床和加工中心(MC, Machine center)在结构、工艺和编程等方 面有许多相似之处。特别是全功能型数控镗铣床与加工中心相比,区别主要 在于数控镗铣床没有自动刀具交换装置(ATC, Automatic Toos Changer)及 刀具库,只能用手动方式换刀,而加工中心因具备ATC及刀具库,故可将 使用的刀具预先安排存放于刀具库内,需要时再通过换刀指令,由AIC自 动换刀。数控镗铣床和加工中心都能够进行铣削、钻削、镗削及攻螺纹等加 数控镗铣、加工中心机床的类型 按主轴的空间状态 (1)立式加工中心机床 (2)卧式加工中心机床 (3)立、卧两用式加工中心机床 2.按联动轴数目: (1)25轴联动的加工中心机床 (2)3轴联动的加工中心机床 (3)4轴联动的加工中心机床 (4)5轴联动的加工中心机床 二、加工中心的工艺特点 加工中心是一种功能较全的数控机床,它集铣削、钻削、铰削、镗削 攻螺纹和切螺纹于一身,使其具有多种工艺手段,与普通机床加工相比,加 工中心具有许多显著的工艺特点。 1.加工精度高 在加工中心上加工,其工序高度集中,一次装夹即可加工出零件上大部 分甚至全部表面,避免了工件多次装夹所产生的装夹误差,因此,加工表面 之间能获得较高的相互位置精度。 2.精度稳定 整个加工过程由程序自动控制,不受操作者人为因素的影响,加上机床 的位置补偿功能和较高的定位精度和重复定位精度,加工出的零件尺寸一致 性好 3.效率高 次装夹能完成较多表面的加工,减少了多次装夹工件所需的辅助时
授课主要内容 一、数控镗铣、加工中心加工的类型 数控镗铣床和加工中心(MC，Machine Center)在结构、工艺和编程等方 面有许多相似之处。特别是全功能型数控镗铣床与加工中心相比，区别主要 在于数控镗铣床没有自动刀具交换装置( ATC , Automatic Toos Changer )及 刀具库，只能用手动方式换刀，而加工中心因具备 ATC 及刀具库，故可将 使用的刀具预先安排存放于刀具库内，需要时再通过换刀指令，由 ATC 自 动换刀。数控镗铣床和加工中心都能够进行铣削、钻削、镗削及攻螺纹等加 工。 数控镗铣、加工中心机床的类型 1．按主轴的空间状态： （1） 立式加工中心机床 （2） 卧式加工中心机床 （3） 立、卧两用式加工中心机床 2．按联动轴数目： （1） 2.5 轴联动的加工中心机床 （2） 3 轴联动的加工中心机床 （3） 4 轴联动的加工中心机床 （4） 5 轴联动的加工中心机床 二、加工中心的工艺特点 加工中心是一种功能较全的数控机床，它集铣削、钻削、铰削、镗削、 攻螺纹和切螺纹于一身，使其具有多种工艺手段，与普通机床加工相比，加 工中心具有许多显著的工艺特点。 1． 加工精度高 在加工中心上加工，其工序高度集中，一次装夹即可加工出零件上大部 分甚至全部表面，避免了工件多次装夹所产生的装夹误差，因此，加工表面 之间能获得较高的相互位置精度。 2． 精度稳定 整个加工过程由程序自动控制，不受操作者人为因素的影响，加上机床 的位置补偿功能和较高的定位精度和重复定位精度，加工出的零件尺寸一致 性好。 3． 效率高 一次装夹能完成较多表面的加工，减少了多次装夹工件所需的辅助时 间
4.表面质量好 加工中心主轴转速和各轴进给量均是无级调速,有的甚至具有自适应控 制功能,能随刀具和工件材质及刀具参数的变化,把切削参数调整到最佳数 值,从而提高了各加工表面的质量。 软件适应性大 零件每个工序的加工内容、切削用量、工艺参数都可以编入程序,可以 随时修改,这给新产品试制,实行新的工艺流程和试验提供了方便。 三坐标三坐标数控镗铣床与加工中心的共同特点是除具有普通铣床 的工艺性能外,还具有加工形状复杂的二维以至三维复杂轮廓的能力。这些 复杂轮廓零件的加工有的只需二轴联动(如二维曲线、二维轮廓和二维区域 加工),有的则需三轴联动(如三维曲面加工),它们所对应的加工一般相应称 为二轴(或2.5轴)加工与三轴加工。对于三坐标加工中心(无论是立式还是 卧式),由于具有自动换刀功能,适于多工序加工,如箱体等需要铣、钻 铰及攻螺纹等多工序加工的零件。特别是在卧式加工中心上,加装数控分度 转台后,可实现四面加工,而若主轴方向可换,则可实现五面加工,因而能 够一次装夹完成更多表面的加工,特别适合于加工复杂的箱体类、泵体、阀 体、壳体等零件。 四坐标四坐标是指在X、Y和Z三个平动坐标轴基础上增加一个转 动坐标轴(A或B),且四个轴一般可以联动。其中,转动轴既可以作用于刀 具(刀具摆动型),也可以作用于工件(工作台回转/摆动型);机床既可以是 立式的也可以是卧式的;此外,转动轴既可以是A轴(绕X轴转动)也可以 是B轴(绕Y轴转动)。由此可以看出,四坐标数控机床可具有多种结构类型, 但除大型龙门式机床上采用刀具摆动外,实际中多以工作台旋转/摆动的结 构居多。但不管是哪种类型,其共同特点是相对于静止的工件来说,刀具的 运动位置不仅是任意可控的,而且刀具轴线的方向在刀具摆动平面内也是可 以控制的,从而可根据加工对象的几何特征按保持有效切削状态或根据避免 刀具干涉等需要来调整刀具相对零件表面的姿态。因此,四坐标加工可以获 得比三坐标加工更广的工艺范围和更好的加工效果 五坐标对于五坐标机床,都具有两个回转坐标。相对于静止的工件 来说,其运动合成可使刀具轴线的方向在一定的空间内(受机构结构限制)任 意控制,从而具有保持最佳切削状态及有效避免刀具干涉的能力。因此,五 坐标加工又可以获得比四坐标加工更广的工艺范围和更好的加工效果,特别 适宜于三维曲面零件的高效高质量加工以及异型复杂零件的加工。采用五轴 联动对三维曲面零件的加工,可用刀具最佳几何形状进行切削,不仅加工表 面粗糙度低,而且效率也大幅度提高。一般认为,一台五轴联动机床的效率 可以等于两台三轴联动机床,特别是使用立方氮化硼等超硬材料铣刀进行高 速铣削淬硬钢零件时,五轴联动加工可比三轴联动加工发挥更高的效益
4． 表面质量好 加工中心主轴转速和各轴进给量均是无级调速，有的甚至具有自适应控 制功能，能随刀具和工件材质及刀具参数的变化，把切削参数调整到最佳数 值，从而提高了各加工表面的质量。 5． 软件适应性大 零件每个工序的加工内容、切削用量、工艺参数都可以编入程序，可以 随时修改，这给新产品试制，实行新的工艺流程和试验提供了方便。 三坐标 三坐标数控镗铣床与加工中心的共同特点是除具有普通铣床 的工艺性能外，还具有加工形状复杂的二维以至三维复杂轮廓的能力。这些 复杂轮廓零件的加工有的只需二轴联动(如二维曲线、二维轮廓和二维区域 加工)，有的则需三轴联动(如三维曲面加工)，它们所对应的加工一般相应称 为二轴(或 2.5 轴)加工与三轴加工。 对于三坐标加工中心(无论是立式还是 卧式)，由于具有自动换刀功能，适于多工序加工，如箱体等需要铣、钻、 铰及攻螺纹等多工序加工的零件。特别是在卧式加工中心上，加装数控分度 转台后，可实现四面加工，而若主轴方向可换，则可实现五面加工，因而能 够一次装夹完成更多表面的加工，特别适合于加工复杂的箱体类、泵体、阀 体、壳体等零件。 四坐标 四坐标是指在 X、Y 和 Z 三个平动坐标轴基础上增加一个转 动坐标轴(A 或 B)，且四个轴一般可以联动。其中，转动轴既可以作用于刀 具(刀具摆动型)，也可以作用于工件(工作台回转／摆动型)；机床既可以是 立式的也可以是卧式的；此外，转动轴既可以是 A 轴(绕 X 轴转动)也可以 是 B 轴(绕 Y 轴转动)。由此可以看出，四坐标数控机床可具有多种结构类型， 但除大型龙门式机床上采用刀具摆动外，实际中多以工作台旋转／摆动的结 构居多。但不管是哪种类型，其共同特点是相对于静止的工件来说，刀具的 运动位置不仅是任意可控的，而且刀具轴线的方向在刀具摆动平面内也是可 以控制的，从而可根据加工对象的几何特征按保持有效切削状态或根据避免 刀具干涉等需要来调整刀具相对零件表面的姿态。因此，四坐标加工可以获 得比三坐标加工更广的工艺范围和更好的加工效果。 五坐标 对于五坐标机床，都具有两个回转坐标。相对于静止的工件 来说，其运动合成可使刀具轴线的方向在一定的空间内(受机构结构限制)任 意控制，从而具有保持最佳切削状态及有效避免刀具干涉的能力。因此，五 坐标加工又可以获得比四坐标加工更广的工艺范围和更好的加工效果，特别 适宜于三维曲面零件的高效高质量加工以及异型复杂零件的加工。采用五轴 联动对三维曲面零件的加工，可用刀具最佳几何形状进行切削，不仅加工表 面粗糙度低，而且效率也大幅度提高。一般认为，一台五轴联动机床的效率 可以等于两台三轴联动机床，特别是使用立方氮化硼等超硬材料铣刀进行高 速铣削淬硬钢零件时，五轴联动加工可比三轴联动加工发挥更高的效益
高速加工高速加工技术是当代先进制造技术的重要组成部分,拥有 高效率、高精度及高表面质量等特征。有关高速加工的含义,通常有如下几 种观点:切削速度很高,通常认为其速度超过普通切削的5-10倍;机床主 轴转速很高,一般将主轴转速在100002000min以上定为高速切削:进给 速度很高,通常达15-50m/min,最高可达90mmin:对于不同的切削材料和 所釆用的刀具材料,高速切削的含义也不尽相同。其优点在于 加工时间短,效率高。高速切削的材料去除率通常是常规的3~5倍。 刀具切削状况好,切削力小,主轴轴承、刀具和工件受力均小。切削力 降低大概30%~90%,提高了加工质量。1刀具和工件受热影响小。切削 产生的热量大部分被高速流出的切屑所带走,故工件和刀具热变形小 有效地提高了加工精度。 工件表面质量好。首先ap与ae小,工件粗糙度好,其次切削线速度高 机床激振频率远高于工艺系统的固有频率,因而工艺系统振动很小。 、数控镗铣、加工中心加工的类型对象 1.既有平面又有孔系的零件 加工中心具有自动换刀装置,在一次安装中,可以完成零件上平面的铣 削、孔系的钻削、镗削、铰削、铣削及攻螺纹等多工步加工。加工的部位可 以在一个平面上,也可以在不同的平面上。五面体加工中心一次安装可以完 成除装夹面以外的五个面的加工。因此,既有平面又有孔系的零件是加工中 心的首选加工对象,这类零件常见的有箱体类零件和盘、套、板类零件。 1)箱体类零件箱体类零件一般是指具有孔系和平面,内部有一定型 腔,在长、宽、高方向有一定比例的零件。如发动机缸体、变速箱体,机床 的床头箱、主轴箱,齿轮泵壳体等。 2)盘、套、轴、板、壳体类零件带有键槽、径向孔或端面有分布的 孔系及曲面的盘、套或轴类零件,如带法兰的轴套,带键槽或方头的轴类零 件,具有较多孔加工的板类零件和各种壳体类零件等。 2.结构形状复杂、普通机床难加工的零件 主要表面是由复杂曲线、曲面组成的零件,加工时,需要多坐标联动加 工,这在普通机床上是难以甚至无法完成的,加工中心刀具可以自动更换, 工艺范围更宽,是加工这类零件的最有效的设备。常见的典型零件有以下几 1)凸轮类这类零件有各种曲线的盘形凸轮、圆柱凸轮、圆锥凸轮和 端面凸轮等 2)整体叶轮类整体叶轮常见于航空发动机的压气机、空气压缩机、 船舶水下推进器等,它除具有一般曲面加工的特点外,还存在许多特殊的加 工难点,如通道狭窄,刀具很容易与加工表面和邻近曲面产生干涉
高速加工 高速加工技术是当代先进制造技术的重要组成部分，拥有 高效率、高精度及高表面质量等特征。有关高速加工的含义，通常有如下几 种观点：切削速度很高，通常认为其速度超过普通切削的 5-10 倍；机床主 轴转速很高，一般将主轴转速在 10000-20000r/min 以上定为高速切削；进给 速度很高，通常达 15-50m/min，最高可达 90m/min；对于不同的切削材料和 所釆用的刀具材料，高速切削的含义也不尽相同。其优点在于： ⚫ 加工时间短，效率高。高速切削的材料去除率通常是常规的 3～5 倍。 ⚫ 刀具切削状况好，切削力小，主轴轴承、刀具和工件受力均小。切削力 降低大概 30%~90%，提高了加工质量。l 刀具和工件受热影响小。切削 产生的热量大部分被高速流出的切屑所带走，故工件和刀具热变形小， 有效地提高了加工精度。 ⚫ 工件表面质量好。首先 ap 与 ae 小，工件粗糙度好，其次切削线速度高， 机床激振频率远高于工艺系统的固有频率，因而工艺系统振动很小。 三、数控镗铣、加工中心加工的类型对象 1． 既有平面又有孔系的零件 加工中心具有自动换刀装置，在一次安装中，可以完成零件上平面的铣 削、孔系的钻削、镗削、铰削、铣削及攻螺纹等多工步加工。加工的部位可 以在一个平面上，也可以在不同的平面上。五面体加工中心一次安装可以完 成除装夹面以外的五个面的加工。因此，既有平面又有孔系的零件是加工中 心的首选加工对象，这类零件常见的有箱体类零件和盘、套、板类零件。 1）箱体类零件 箱体类零件一般是指具有孔系和平面，内部有一定型 腔，在长、宽、高方向有一定比例的零件。如发动机缸体、变速箱体，机床 的床头箱、主轴箱，齿轮泵壳体等。 2）盘、套、轴、板、壳体类零件 带有键槽、径向孔或端面有分布的 孔系及曲面的盘、套或轴类零件，如带法兰的轴套，带键槽或方头的轴类零 件，具有较多孔加工的板类零件和各种壳体类零件等。 2． 结构形状复杂、普通机床难加工的零件 主要表面是由复杂曲线、曲面组成的零件，加工时，需要多坐标联动加 工，这在普通机床上是难以甚至无法完成的，加工中心刀具可以自动更换， 工艺范围更宽，是加工这类零件的最有效的设备。常见的典型零件有以下几 类： 1）凸轮类 这类零件有各种曲线的盘形凸轮、圆柱凸轮、圆锥凸轮和 端面凸轮等。 2）整体叶轮类 整体叶轮常见于航空发动机的压气机、空气压缩机、 船舶水下推进器等，它除具有一般曲面加工的特点外，还存在许多特殊的加 工难点，如通道狭窄，刀具很容易与加工表面和邻近曲面产生干涉
3)模具类常见的模具有锻压模具、铸造模具、注塑模具及橡胶模具 等 3.外形不规则的异形零件 由于外形不规则,在普通机床上只能采取工序分散的原则加工,需用工 装较多,周期较长。利用加工中心多工位点、线、面混合加工的特点,可以 完成大部分甚至全部工序内容 四、装夹方案的确定和夹具的选择 1.定位基准的选择 零件上应有一个或几个共同的定位基准。该定位基准一方面要能保证零 件经多次装夹后其加工表面之间相互位置的正确性,如多棱体、复杂箱体等 在卧式加工中心上完成四周加工后,要重新装夹加工剩余的加工表面,用同 一基准定位可以避免由基准转换引起的误差;另一方面要满足加工中心工序 集中的特点,即一次安装尽可能完成零件上较多表面的加工。定位基准最好 是零件上已有的面或孔,若没有合适的面或孔,也可专门设置工艺孔或工艺 凸台等作定位基准 选择定位基准时,应注意减少装夹次数,尽量做到在一次安装中能把零 件上所有要加工表面都加工出来。因此,常选择工件上不需数控铣削的平面 和孔作定位基准。对薄板件,选择的定位基准应有利于提高工件的刚性,以 减小切削变形。定位基准应尽量与设计基准重合,以减少定位误差对尺寸精 度的影响 2.装夹方案的确定 在零件的工艺分析中,已确定了零件在加工中心上加工的部位和加工时 用的定位基准,因此,在确定装夹方案时,只需根据已选定的加工表面和定 位基准确定工件的定位夹紧方式,并选择合适的夹具。此时,主要考虑以下 几点: 1)夹紧机构或其它元件不得影响进给,加工部位要敞开。要求夹持工 件后夹具上一些组成件(如定位块、压块和螺栓等)不能与刀具运动轨迹发 生干涉 2)必须保证最小的夹紧变形。工件在粗加工时,切削力大,需要夹紧 力大,但又不能把工件夹压变形。否则,松开夹具后零件发生变形。因此, 必须慎重选择夹具的支承点、定位点和夹紧点。有关夹紧点的选择原则见第 二章。如果采用了相应措施仍不能控制工件变形,只能将粗、精加工分开, 或者粗、精加工使用不同的夹紧力。 3)装卸方便,辅助时间尽量短。由于加工中心效率高,装夹工件的辅 助时间对加工效率影响较大,所以要求配套夹具在使用中也要装卸快而方 4)对小型零件或工序不长的零件,可以考虑在工作台上同时装夹几件 进行加工,以提高加工效率
3）模具类 常见的模具有锻压模具、铸造模具、注塑模具及橡胶模具 等。 3． 外形不规则的异形零件 由于外形不规则，在普通机床上只能采取工序分散的原则加工，需用工 装较多，周期较长。利用加工中心多工位点、线、面混合加工的特点，可以 完成大部分甚至全部工序内容。 四、装夹方案的确定和夹具的选择 1．定位基准的选择 零件上应有一个或几个共同的定位基准。该定位基准一方面要能保证零 件经多次装夹后其加工表面之间相互位置的正确性，如多棱体、复杂箱体等 在卧式加工中心上完成四周加工后，要重新装夹加工剩余的加工表面，用同 一基准定位可以避免由基准转换引起的误差；另一方面要满足加工中心工序 集中的特点，即一次安装尽可能完成零件上较多表面的加工。定位基准最好 是零件上已有的面或孔，若没有合适的面或孔，也可专门设置工艺孔或工艺 凸台等作定位基准。 选择定位基准时，应注意减少装夹次数，尽量做到在一次安装中能把零 件上所有要加工表面都加工出来。因此，常选择工件上不需数控铣削的平面 和孔作定位基准。对薄板件，选择的定位基准应有利于提高工件的刚性，以 减小切削变形。定位基准应尽量与设计基准重合，以减少定位误差对尺寸精 度的影响。 2．装夹方案的确定 在零件的工艺分析中，已确定了零件在加工中心上加工的部位和加工时 用的定位基准，因此，在确定装夹方案时，只需根据已选定的加工表面和定 位基准确定工件的定位夹紧方式，并选择合适的夹具。此时，主要考虑以下 几点： 1）夹紧机构或其它元件不得影响进给，加工部位要敞开。要求夹持工 件后夹具上一些组成件（如定位块、压块和螺栓等）不能与刀具运动轨迹发 生干涉。 2）必须保证最小的夹紧变形。工件在粗加工时，切削力大，需要夹紧 力大，但又不能把工件夹压变形。否则，松开夹具后零件发生变形。因此， 必须慎重选择夹具的支承点、定位点和夹紧点。有关夹紧点的选择原则见第 二章。如果采用了相应措施仍不能控制工件变形，只能将粗、精加工分开， 或者粗、精加工使用不同的夹紧力。 3）装卸方便，辅助时间尽量短。由于加工中心效率高，装夹工件的辅 助时间对加工效率影响较大，所以要求配套夹具在使用中也要装卸快而方 便。 4）对小型零件或工序不长的零件，可以考虑在工作台上同时装夹几件 进行加工，以提高加工效率
5)夹具结构应力求简单。由于零件在加工中心上加工大都采用工序集 中原则,加工的部位较多,同时批量较小,零件更换周期短,夹具的标准化、 通用化和自动化对加工效率的提高及加工费用的降低有很大影响。因此,对 批量小的零件应优先选用组合夹具。对形状简单的单件小批量生产的零件, 可选用通用夹具。只有对批量较大,且周期性投产,加工精度要求较高的关 键工序才设计专用夹具,以保证加工精度和提高装夹效率。 6)夹具应便于与机床工作台面及工件定位面间的定位连接。加工中心 工作台面上一般都有基准T形槽,转台中心有定位圆、台面侧面有基准档 板等定位元件。固定方式一般用T形槽螺钉或工作台面上的紧固螺孔,用 螺栓或压板压紧。夹具上用于紧固的孔和糟的位置必须与工作台上的T形 槽和孔的位置相对应
5）夹具结构应力求简单。由于零件在加工中心上加工大都采用工序集 中原则，加工的部位较多，同时批量较小，零件更换周期短，夹具的标准化、 通用化和自动化对加工效率的提高及加工费用的降低有很大影响。因此，对 批量小的零件应优先选用组合夹具。对形状简单的单件小批量生产的零件， 可选用通用夹具。只有对批量较大，且周期性投产，加工精度要求较高的关 键工序才设计专用夹具，以保证加工精度和提高装夹效率。 6）夹具应便于与机床工作台面及工件定位面间的定位连接。加工中心 工作台面上一般都有基准 T 形槽，转台中心有定位圆、台面侧面有基准档 板等定位元件。固定方式一般用 T 形槽螺钉或工作台面上的紧固螺孔，用 螺栓或压板压紧。夹具上用于紧固的孔和糟的位置必须与工作台上的 T 形 槽和孔的位置相对应
