数控加工中的精度与表面要求分析

2023-06-29 理论教育版权反馈

【摘要】：过高的精度及较小的表面粗糙度要求会使工艺过程复杂、加工困难、成本提高。虽然数控机床精度很高，但对一些特殊情况，例如过薄的底板与肋板，因为加工时产生的切削拉力及薄板的弹性退让极易产生切削面的振动，使薄板厚度尺寸公差难以保证，其表面粗糙度也将增大。因此，除板料外，不论是锻件、铸件还是型材，只要准备采用数控加工，其加工面均应有较充分的余量。

1.数控加工零件图的工艺性分析

数控加工零件的加工内容确定后，应对零件的数控加工工艺进行全面、仔细、认真的分析，主要是零件图分析、结构工艺性分析和零件的装夹方式的选择等内容。

（1）尺寸标注方式分析。为使编程方便，在数控加工零件图上，尺寸的标注方式应体现数控加工的特点，即以同一基准标注尺寸或直接按坐标方式标注尺寸。由于数控加工精度和重复定位精度都很高，不会因产生较大的累积误差而破坏零件的使用特性，因此，可将局部的分散标注法改为同一基准标注或直接给出坐标尺寸的标注法。如图7-5所示。

（2）零件图的完整性与正确性分析。构成零件轮廓的几何元素（点、线、面）的条件（如相切、相交、垂直和平行等），是数控编程的重要依据。审查与分析零件图纸中构成轮廓的几何元素的条件时，一定要仔细认真，看是否有构成零件轮廓的几何元素不充分或模糊不清的问题。手工编程时，要依据这些条件计算每一个节点的坐标；自动编程时，则要根据这些条件对构成零件的所有几何元素进行定义，无论哪一个条件不明确，编程都无法进行。因此，当审查与分析图样时，若发现构成零件轮廓的几何元素的条件不充分，则应及时与零件设计者协商解决。

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图7-5　零件尺寸标注分析

（3）零件技术要求与零件材料分析。零件的技术要求主要是指尺寸精度、形状精度、位置精度、表面粗糙度及热处理等。这些要求在保证零件使用性能的前提下，应经济合理。过高的精度及较小的表面粗糙度要求会使工艺过程复杂、加工困难、成本提高。

虽然数控机床精度很高，但对一些特殊情况，例如过薄的底板与肋板，因为加工时产生的切削拉力及薄板的弹性退让极易产生切削面的振动，使薄板厚度尺寸公差难以保证，其表面粗糙度也将增大。根据实践经验，对于面积较大的薄板，当其厚度小于3 mm 时，就应在工艺上充分重视这一问题。

此外，在满足零件功能的前提下，应选用廉价、切削性能好的材料。而且，材料选择应立足国内，不要轻易选用贵重或紧缺的材料。

2.零件的结构工艺性分析

零件的结构工艺性是指所设计的零件在满足使用要求的前提下制造的可行性和经济性。良好的结构工艺性，可以使零件加工容易，节省工时和材料；而较差的零件结构工艺性，会使加工困难，浪费工时和材料，有时甚至无法加工。因此，零件各加工部位的结构工艺性应符合数控加工的特点。

（1）零件的内腔和外形应尽量采用统一的几何类型和尺寸，尤其是加工面转接处的凹圆弧半径，一根轴上直径相差不大的各轴肩处的退刀槽宽度等最好统一尺寸。这样可以减少刀具规格和换刀次数，使编程方便，提高生产效率。

（2）内槽及缘板之间的转接圆角的大小决定着刀具直径的大小，所以内槽圆角半径不应太小。对于图7-6所示零件，其结构工艺性的好坏与被加工轮廓的高低、转角圆弧半径的大小等因素有关。图7-6（b）与图7-6（a）相比，转角圆弧半径大，可以采用较大直径的立铣刀来加工；加工平面时，进给次数也相应减少，表面加工质量也会好一些，因而工艺性较好。通常R＜0.2H 时，可以判定零件该部位的工艺性不好。

（3）铣削零件槽底平面时，槽底圆角半径r 不要过大。如图7-7所示，铣刀端面刃与铣削平面的最大接触直径d=D-2r （D 为铣刀直径），当D 一定时，r 越大，铣刀端面刃铣削平面的面积越小，加工平面的能力就越差，效率越低，工艺性也越差。当r 大到一定程度时，甚至必须用球头铣刀加工，这是应该尽量避免的。

（4）应采用统一的基准定位。在数控加工中若没有统一的定位基准，则会因工件的二次装夹而造成加工后两个面上的轮廓位置及尺寸不协调现象。另外，零件上最好有合适的孔作为定位基准孔。若没有，则应设置工艺孔作为定位基准孔。若无法制出工艺孔，最起码也要用精加工表面作为统一基准，以减少二次装夹产生的误差。

此外，还应分析零件所要求的加工精度、尺寸公差等是否可以得到保证，有没有引起矛盾的多余尺寸或影响加工安排的封闭尺寸等。

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图7-6　内槽结构工艺性

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图7-7　零件槽底平面圆弧对加工工艺的影响

（5）注意分析零件的变形情况。零件在数控加工时的变形，不仅会影响加工质量，而且当变形较大时，将使加工不能继续进行下去。这时就应当考虑采取一些必要的工艺措施进行预防，如对钢件进行调质处理，对铸铝件进行退火处理，而对不能用热处理方法解决的，也可考虑粗、精加工及对称去余量等常规方法。

（6）考虑分析毛坯的结构工艺性。因为在数控加工零件时，加工过程是自动的，毛坯余量的大小、如何装夹等问题在选择毛坯时就要仔细考虑好。否则，一旦毛坯不适合数控加工，加工过程将很难进行下去。根据经验，确定毛坯的余量和装夹应注意以下两点：

①毛坯加工余量应充足和尽量均匀。毛坯主要指锻件、铸件。锻造时会因锻模时的欠压量与允许的错模量造成余量的不等；铸造时也会因砂型误差、收缩量及金属液体的流动性差不能充满型腔等造成余量的不等。此外锻造、铸造后，毛坯的挠曲与扭曲变形量的不同也会造成加工余量不充分、不稳定。因此，除板料外，不论是锻件、铸件还是型材，只要准备采用数控加工，其加工面均应有较充分的余量。

对于热轧中、厚铝板，经淬火时效后很容易在加工中与加工后出现变形现象，所以需要考虑在加工时要不要分层切削，分几层切削，一般尽量做到各个加工表面的切削余量均匀，以减少内应力所致的变形。

②分析毛坯的装夹适应性。主要考虑毛坯在加工时定位和夹紧的可靠性与方便性，以便在一次安装中加工出尽量多的表面。对于不便装夹的毛坯，可考虑在毛坯上另外增加装夹余量或工艺凸台、工艺凸耳等辅助基准。

3.工件装夹

在数控机床上进行工件定位安装与普通机床一样，也要合理选择定位基准和夹紧方案。选择定位方式时应具有较高的定位精度，考虑夹紧方案时，要注意夹紧力的作用点和作用力方向。

编程人员一般不进行数控加工的夹具设计，而是选用夹具或参与夹具设计方案的讨论。在选择夹具时，一般应注意以下几点。

（1）优先考虑使用通用夹具、组合夹具，必要时才设计专用夹具。要保证夹具的坐标方向与机床的坐标方向相对固定，同时协调工件和机床坐标系之间的尺寸关系。夹具在机床上定位、夹紧时要迅速、精确，并应考虑使用气动、液压或电动等自动夹紧机构，以尽量减少调整时间。定位夹紧机构应可靠，并考虑不要妨碍刀具对工件各部位的多面加工。

（2）工件的定位基准应与设计基准保持一致，注意防止定位干涉现象，且便于工件的安装，决不允许出现欠定位的情况。箱体工件最好选择一面两销作为定位基准。定位基准在数控机床上要细心找正，否则加工出来的工件绝不会是高精度的产品。为了找正方便，有的机床，例如卧式加工中心工作台侧面，安装有专用定位板。对于形状不规则或测定工件原点不方便的工件，可在夹具上设置找正定位面，以便设置工件原点。同时，选择定位方式时应尽量减少装夹次数。有些工件需要二次装夹时，应尽量采用同一定位基准以减少定位误差。

（3）由于在数控机床上通常一次装夹完成工件的全部工序，因此应防止工件夹紧引起的变形造成对工件加工的不良影响。夹紧力的作用点应靠近主要支承点或在支承点所组成的三角形区域内，力求靠近切削部位。对薄壁工件应考虑采取在粗加工后精加工前变换夹紧力（适当减少）的措施。

（4）夹具在夹紧工件时，要使工件上的加工部位开放，夹紧机构上各部位不得妨碍走刀。

（5）尽量使夹具的定位、夹紧装置部位无切屑积留，清理方便。

数控加工中的精度与表面要求分析

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