四川工程职业技术大学（四川工程职业技术学院）：《数控加工工艺》课程教学资源（教案讲义）第二十二讲加工中心的工艺特点

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。

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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

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