零件轮廓的几何要素及结构工艺性分析

2023-06-26 理论教育版权反馈

【摘要】：数控车削加工工件的轮廓多是由直线、圆弧及曲线等几何元素组成的。下面以数控车床加工的典型结构为例，进行相应的工序分析。

1.零件轮廓的几何要素分析

数控车床加工零件是刀具沿工件轮廓线移动，同时工件绕主轴旋转，从而完成回转体零件的加工。数控车削加工工件的轮廓多是由直线、圆弧及曲线等几何元素组成的。

（1）直线直线在工件轮廓中最常见，直线可以存在于两种坐标系中，一是直角坐标系，二是极坐标系。

在直角坐标系中，只要给定终点坐标值X、Z即可。终点坐标值可以用两种方式给出，一是绝对坐标（用G90指明），二是增量坐标（用G91指明）。

极坐标是用极径和极角来表示直线的，极坐标与直角坐标可以互相转换，以方便编程。

（2）圆弧圆弧也是构成数控车削零件轮廓的主要几何要素，圆弧应指明转向（顺/逆时针方向）、圆弧终点、圆弧半径或圆弧起点相对圆心的增量值。圆弧加工可以使用偏刃尖刀或圆弧刀具，圆弧刀具的弧面有凸凹两种。

数控车床在车削圆弧的过程中，系统对刀具轨迹的计算实际上同数控铣床用立铣刀加工平面轮廓中的圆弧一样，都需要计算刀具半径补偿，只是车削刀具考虑的是刀尖圆弧半径和刀尖形状，铣刀考虑的是刀具半径。车削尺寸精度要求较高的弧面或锥面时，必须考虑刀具圆弧半径和刀尖形状，否则刀具误差将直接影响零件的加工精度。

（3）曲线曲线是按一定数学规律的点光滑连接而成。一般数控系统均能完成直线和圆弧插补，但有些数控系统具有基本的直线和圆弧插补功能以外，还能进行参数方程的插补，如双曲线、抛物线插补等。

（4）螺纹螺纹的车削是数控车床常见的加工任务，螺纹的作用主要是联接、传动。螺纹种类按牙型分为三角、梯形、矩形等，按螺纹在零件中的部位分有柱面螺纹、锥面螺纹、端面螺纹等。

螺纹实际上是由刀具的直线运动和主轴按预先输入的比例转数同时运动而形成的。切削螺纹使用的是成形刀具，螺距和尺寸精度受机床精度影响，牙型精度由刀具精度保证。

2.零件结构的工艺性分析

一般在编制数控程序之前要先安排工序，安排工序之前要先分析零件结构对加工工艺的影响。

数控车床所能加工零件的复杂程度比数控铣床简单，数控车床最多能控制三个轴（即X、Y、Z轴），加工出的曲面是刀具（包括成形刀具）的平面运动和主轴的旋转运动共同形成的，所以数控车床的刀具轨迹不会太复杂，其难点主要在于加工效率、加工精度的提高，特别是对切削性能差的材料或切削工艺性差的零件，如小深孔、薄壁件、窄深槽等，这些结构的零件允许刀具运动的空间狭小，工件结构刚性差，安排工序时要特殊考虑。下面以数控车床加工的典型结构为例，进行相应的工序分析。

（1）零件的配合表面和非配合表面一般零件包括配合表面和非配合表面。配合表面标注有尺寸公差、几何公差及表面粗糙度等要求，这些部位的加工包括三部分工艺安排：首先去除余量以接近工件形状，然后粗车至留有余量的工件轮廓形状，最后精加工完成。在实际生产中，为提高效率，延长刀具使用寿命，精加工时往往只对有精度要求的部位进行精加工。也就是说粗加工时只对需要精加工的部位留余量。为达到此目的需要人为地在编制加工工艺时改变被加工工件的结构尺寸，具体来讲就是改变需要精加工部位的尺寸。设改变后的尺寸为d，图样标注尺寸中值为D，则d=D+0.2（精加工余量）。采用改变工件结构尺寸的方法可以避免对工件不必要的部位进行精加工，特别是在大批量生产中可有效地提高生产率，减小刀具损耗，提高产品合格率。

（2）悬伸结构大部分车床在切削时是在零件悬伸状态下进行的。悬伸件的加工分两种形式，一种是尾端无支承，另一种是尾端有顶尖支承。尾端用顶尖支承是为了避免工件悬伸过长时，造成刚性下降，在切削过程引起工件变形。

工件切削过程中的变形与悬伸长度成正比，可以采取以下几种方式减小因工件悬伸过长造成的变形。

1）合理选择刀具。

2）选择循环去除余量方式。此方式适用于悬伸较长、尾端无支承、径向变形较小的阶梯轴。数控车床在粗加工时（棒料）要去除较多的余量，其合理的方法是循环去除余量。

3）改变刀具轨迹补偿切削力引起的变形。随着工件悬伸量的加大，工件因切削力产生的变形将增大，因切削力产生变形的规律是离固定端越远变形越大，在尾端无支承的情况下形成所谓的倒锥形；在尾端有支承的情况下形成所谓的腰鼓形。遇到这种情况时，可以改变刀具轨迹来补偿因切削力引起的变形，以加工出符合图样要求的工件。刀具轨迹的修改要根据实际测得的工件变形量来设计。

（3）空间狭小类结构某些套类零件直径较小、长度较长、内表面起伏较大，使得切削空间狭小，刀具动作困难。针对这类结构的工件在设定刀具切削运动轨迹时，不能完全按照工件的结构形状编程，必须留出退刀空间。

（4）台阶式曲线深孔结构台阶式曲线深孔结构与空间狭小类结构有相似之处，不同的是内孔曲面自端面向内逐渐缩小，且大、小端直径尺寸相差较大。加工这类结构零件的主要问题是刀杆刚性、刀头合理的悬伸长度及刀具的切削角度的选择。加强刀杆刚性有两种途径，一种是根据被加工型腔曲线设计变截面刀杆，材料可选用合金钢加淬火处理。如仍未能满足使用要求，可采用硬质合金刀杆，但成本相对较高。

（5）薄壁结构薄壁类零件自身结构刚性差。在切削过程中易产生振动和变形。承受切削力和夹紧力能力差。容易引起热变形。

对于结构刚性好的轴类零件，由于去除多余材料而产生变形的问题不严重，一般只安排粗车和精车两道工序。但对于薄壁类零件至少要安排粗车—半精车—精车甚至更多道工序。在半精车工序中修正因粗车引起的工件变形，如果还不能消除工件变形，要根据具体变形情况适当再增加切削工序。

从理论上讲，工件被去除的金属越多引起的变形量也越大，反之亦然。对于薄壁零件的前序加工给后序加工所留的加工余量是可以计算的，但引起薄壁件切削变形的因素较多且十分复杂，如材料、结构形状、切削力和切削热等，往往很难预先估计，通常是在实际加工中测量，根据实际测量值安排最佳切削工序和合理的后序余量。

零件轮廓的几何要素及结构工艺性分析

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