中職學(xué)生數(shù)控技術(shù)教學(xué)研究

【摘 要】本文以一個(gè)技師加工難度的正反面薄壁零件為例，從薄壁零件的特點(diǎn)及加工難點(diǎn)出發(fā)，分析了零件在數(shù)控銑床上應(yīng)用Master CAM進(jìn)行自動(dòng)編程加工時(shí)，如何選擇合理的加工方法及優(yōu)化刀具路徑，保證加工質(zhì)量，同時(shí)提高生產(chǎn)效率的辦法。只有在教學(xué)中真正讓學(xué)生自主學(xué)習(xí)，才能實(shí)現(xiàn)其職業(yè)能力的全面提升。

【關(guān)鍵詞】薄壁零件 刀具路徑 數(shù)控銑 Master CAM

【中圖分類號(hào)】G712 【文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼】A 【文章編號(hào)】1674-4810（2014）11-0172-03

對(duì)于中職學(xué)生的素質(zhì)教育來說，主要表現(xiàn)在具有較高的專業(yè)技能和實(shí)操能力，因此，中職教學(xué)應(yīng)著重從崗位技能方面進(jìn)行全面的提高。高精度、薄壁腔體類零件在軍事電子行業(yè)的應(yīng)用越來越廣泛，該類零件一般由鋁板整體加工而成，材料去除率最高達(dá)90%以上。高精度、薄壁腔體類零件金屬切除量大、工件壁薄、剛性低，加工中需要解決的主要問題是控制和減少變形，在此基礎(chǔ)上，以期能盡可能地提高切削效率，縮短加工周期。

Master CAM提供了多種的二維輪廓加工和豐富的曲面粗/精加工功能。加工刀路的編排及精加工的走刀形式都對(duì)零件尺寸和表面質(zhì)量有直接影響，要達(dá)到圖紙要求的尺寸精度和表面粗糙度，需在編制刀具路徑時(shí)針對(duì)零件特點(diǎn)合理選擇走刀方式。對(duì)于同一個(gè)零件，可能在不同的部位需要不同的走刀方式，對(duì)于零件的特殊部位（如薄壁，圓弧過度面等）還需要專門的刀路來特殊處理。此外還需要合理選擇刀具，優(yōu)化刀路路徑，減少提刀、空刀及不必要的重復(fù)路徑，在改善加工質(zhì)量的同時(shí)提高效率。對(duì)于以下薄壁零件（如圖1所示）如何編制合理的刀具路徑以達(dá)到加工要求呢？

一 零件特點(diǎn)及技術(shù)要求

1.零件特點(diǎn)

如圖所示，零件是一個(gè)尺寸為95×75×28mm正反面有輪廓特征的薄壁長方體，零件的四個(gè)角為由三段圓弧（R5、R12.5、R5）組成的圓角。A面為沿零件實(shí)體四周的薄壁，薄壁的壁厚為1mm，高5mm，中間有兩個(gè)橢圓（73×33、58×28）組成的凸臺(tái)，高度為10mm，凸臺(tái)中間位置有一個(gè)由橢圓（50×30）圓弧切割形成的曲面凹槽，橫向?qū)ΨQ軸上有兩個(gè)孔距為55mm的R4通孔。B面為沿零件實(shí)體四周的薄壁，中間位置為一個(gè)正六邊形薄壁，兩個(gè)薄壁的壁厚為1mm，高5mm。

2.技術(shù)要求

技術(shù)要求：（1）所有表面粗糙度要求Ra1.6；（2）零件表面無缺陷，圓角部位無殘料；（3）未注公差按IT13確定；（4）未注角度公差均為：±3′；（5）橢圓長短軸尺寸公差為：±0.03mm；（6）未注倒角為：0.5×45°；（7）批量生產(chǎn)條件編程；（8）坯料尺寸為：100×80×30mm。

二 機(jī)床型號(hào)的確定

該薄壁零件屬于中小型零件，故選用工作臺(tái)寬度400mm以下的升降臺(tái)式數(shù)控銑床。我國已制定了數(shù)控銑床的精度標(biāo)準(zhǔn)，其中數(shù)控立式銑床升降臺(tái)銑床已有專業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定其直線運(yùn)動(dòng)坐標(biāo)的定位精度為0.04/300mm，重復(fù)定位精度為0.025mm，銑圓精0.035mm。實(shí)際上，機(jī)床出廠精度均有相當(dāng)?shù)膬?chǔ)備量，比國家標(biāo)準(zhǔn)的允差值大約壓縮20%左右。因此，從改零件精度來看，一般的數(shù)控銑床即可滿足加工需要。零件加工部位含有曲面輪廓，決定了必須選擇三坐標(biāo)聯(lián)動(dòng)系統(tǒng)數(shù)控銑床。該薄壁零件是中小批量而又是經(jīng)常周期性重復(fù)投產(chǎn)，那么采用普通數(shù)控銑床而非專用銑床就很合適，因?yàn)榈谝慌恐袦?zhǔn)備好多工夾具、程序等，可以存儲(chǔ)起來重復(fù)使用。

綜上所述，確定選用以下數(shù)控銑床，具體參數(shù)如下：

數(shù)控銑床型號(hào)：XK713

系統(tǒng)：華中HNC-22M

工作臺(tái)尺寸：700×300

工作臺(tái)行程：X500、Y300、Z400

T型槽尺寸：3-14-100

定位精度：±0.005

主軸端面至工作臺(tái)面距離：200-700

主軸電機(jī)功率：7.5KW

主軸轉(zhuǎn)速：4000r/min

快速移動(dòng)速度：X 8m/min、Y 8m/min、Z 8m/min

主軸錐孔：BT40

生產(chǎn)廠家：武漢華中數(shù)控股份有限公司

三 裝夾方式的選擇

數(shù)控加工的特點(diǎn)對(duì)夾具提出了兩個(gè)基本要求：一是要保證夾具的坐標(biāo)方向與機(jī)床的坐標(biāo)方向相對(duì)固定；二是要能保證零件與機(jī)床坐標(biāo)系之間的準(zhǔn)確尺寸關(guān)系。依據(jù)零件毛料的狀態(tài)和數(shù)控機(jī)床的安裝要求，應(yīng)選取能保證加工質(zhì)量、滿足加工需要的夾具。除此之外，還要考慮以下幾點(diǎn)：（1）當(dāng)零件加工批量不大時(shí)，應(yīng)盡量采用組合夾具、可調(diào)夾具和其他通用夾具，以縮短生產(chǎn)準(zhǔn)備時(shí)間，節(jié)省生產(chǎn)費(fèi)用。在大批量生產(chǎn)時(shí)可以考慮采用專用夾具，同時(shí)要求夾具的結(jié)構(gòu)簡單。（2）裝夾零件要方便可靠，避免采用占機(jī)人工調(diào)整的裝夾方式，以縮短輔助時(shí)間，盡量采用液壓、氣動(dòng)或多工位夾具，以提高生產(chǎn)效率。（3）盡量減少裝夾次數(shù)，做到一次裝夾后完成全部零件表面的加工或大多數(shù)表面的加工，以減少裝夾誤差，提高加工表面之間的相互位置精度，達(dá)到充分提高數(shù)控機(jī)床效率的目的。

結(jié)合數(shù)控加工裝夾要求和薄壁零件特點(diǎn)，選用通用夾具平口虎鉗。具體的處理方法是：（1）先加工B面，一次裝夾外形銑削至-19mm。（2）后加工A面，為保證零件高度精度使用較高精度的墊片和Z向?qū)Φ秲x。為防止夾壞B面已加工的外形表面，在裝夾面和鉗口間墊銅片。另外為防止正反面加工接刀痕的產(chǎn)生，粗加工A面時(shí)用碰工件兩端再找中方式對(duì)刀，待半精加工和精加工時(shí)再利用光電尋邊器從新對(duì)刀提高對(duì)刀精度和加工精度。

四 零件加工工藝分析

加工材料為鋁材（ZL401），根據(jù)加工材料的特性，選用白鋼刀和麻花鉆（HSS）。

零件需要正反面加工，根據(jù)零件的特點(diǎn)和加工過程裝夾的要求，確定先加工B面，為減少正反面加工時(shí)對(duì)刀誤差出現(xiàn)的接刀痕跡，因此在B面加工時(shí)應(yīng)把盡可能多的外輪廓一次裝夾加工完成，同時(shí)為保證有足夠的余量進(jìn)行裝夾定位，坯料總高30mm，多余的2mm分配給B面0.5mm，剩余的1.5mm在加工A面時(shí)再把余量去除保證總高及精度。

1.B面加工分析

B-1.外形粗加工

粗加工的主要目的是追求單位時(shí)間內(nèi)材料的去除率，并為后面的半精加工或精加工做準(zhǔn)備。結(jié)合考慮槽內(nèi)空間以及刀具的切削剛性，粗加工使用φ12平底刀。

方法一：曲面挖槽粗加工。

存在問題：余量不均勻；抬刀次數(shù)多走刀路徑長；耗時(shí)長（用時(shí)25分鐘）。

方法二：外形銑削（四個(gè)角）→外形銑削（四邊余量）→挖槽（兩線框之間）→挖槽（六邊形內(nèi)）。

優(yōu)點(diǎn)：余量均勻；走刀路線簡化且有針對(duì)性；節(jié)省時(shí)間（用時(shí)8分鐘）。

綜合上述比較，采用第二種加工方法。

B-2.平面精加工

頂面有平面的只是兩個(gè)薄壁，把平面精加工安排在外形粗加工之后和薄壁精加工之前，原因有兩個(gè)：一是減少不必要的切削，節(jié)省時(shí)間；二是粗加工留有足夠余量，平面銑削時(shí)不會(huì)把薄壁擠壓變形。選用φ12平底刀。

B-3.清角加工

在零件的挖槽加工中，因?yàn)槭褂玫氖铅?2平底刀，槽內(nèi)最窄處約為10mm并且最小的圓弧為R4，這樣在最窄處和圓弧拐角地方會(huì)留有殘料，所以在精加工前必須要增加一個(gè)清角加工。為保證薄壁兩邊余量的均勻，精加工時(shí)兩邊所受切削力一致，本人把外薄壁線框往里偏移1mm及六邊形薄壁線框往里往外各偏移1mm，再利用偏移所得線框進(jìn)行外形銑削來完成清角加工，這樣就保證了薄壁兩邊的余量都為1mm，考慮最小圓弧為R3。選用φ6的平底刀。

B-4.槽底精加工

為防止在精加工槽底過程中，銑刀沿著薄壁輪廓進(jìn)行銑削時(shí)對(duì)薄壁進(jìn)行擠壓而使薄壁產(chǎn)生變形，把槽底精加工安排在薄壁精加工前，并以薄壁輪廓偏移1mm的線框作為槽底精加工范圍。選用φ6的平底刀。

B-5.薄壁精加工

加工難點(diǎn)分析及解決方法：零件中1mm的薄壁，在第一次加工中本人采用常規(guī)的加工方法是按一般的外形銑削進(jìn)行刀路編制，但最后加工出來零件的垂直度已經(jīng)不符合精度要求。加工時(shí)刀具路徑的最后一刀是加工薄壁的內(nèi)側(cè)面，這樣導(dǎo)致壁面向外偏0.15mm，特別是在圓弧拐角的地方，偏的更多，有的地方甚至出現(xiàn)了裂紋現(xiàn)象。經(jīng)分析是因?yàn)檫@個(gè)位置的薄壁在加工時(shí)受到刀具切削力的擠壓產(chǎn)生塑性變形而引起的。最后經(jīng)過查找工具書和網(wǎng)上查閱相關(guān)資料找到了解決辦法。鋁材是一種難加工材料，銑削時(shí)粘刀嚴(yán)重，排屑不暢，并且強(qiáng)度低，硬度低。針對(duì)以上情況分析，在編寫加工路線時(shí)，把薄壁輪廓往里外各偏移1mm，先加工完其他部分后，再來加工薄壁。如前面四步加工步驟都是為薄壁加工做準(zhǔn)備，前面的外形加工、挖槽加工和清角加工銑去大量的余量，最后得到薄壁兩邊均勻的余量，總共2mm分成四次加工，每次加工量為0.5mm。刀具路徑的編排為利用外形銑削內(nèi)外交叉各加工一次，總共分四刀完成加工。這樣就很好地保證了薄壁在加工時(shí)受力均勻，且排屑容易，不會(huì)產(chǎn)生擠壓變形。選用φ6平底刀。

B-6.外輪廓精加工

為避免產(chǎn)生接痕，減少切削受力，因此從底部（-19mm）分兩刀進(jìn)行外形銑削加工，每刀加工量0.5mm。選用φ12平底刀。

B-7.鉆孔加工

為保證孔的定位精度和孔距精度，以及避免鉆孔加工過程中鉆頭碰到薄壁產(chǎn)生刮痕，所以在B面進(jìn)行鉆孔加工。零件的孔是φ8通孔，其加工方法很多，有鉆孔、擴(kuò)孔、鉸孔、鏜孔等，但對(duì)于直徑小于φ30mm的孔，通常采用打中心孔→鉆孔→擴(kuò)孔的加工方案。先用中心鉆點(diǎn)窩，再用φ6mm的鉆頭鉆孔，最后用φ8mm的鉆頭擴(kuò)孔。鉆孔刀路選用深孔啄鉆，因?yàn)檫@種加工方式可以更改排屑時(shí)刀具回退的高度，且排屑容易。

2.A面加工分析

A-1.外形粗加工

方法一：曲面挖槽粗加工，選用φ12mm平底刀。

存在問題：（1）槽內(nèi)無法下刀，造成加工不完整。（2）耗時(shí)長（20分鐘）。

方法二：挖槽（凸臺(tái)四周）→挖槽（凸臺(tái)與四周薄壁之間）→外形銑削（四個(gè)角）→外形銑削（四邊余量）→曲面粗加工（凸臺(tái)曲面）。

優(yōu)點(diǎn)：凸臺(tái)和薄壁余量均勻；走刀路徑簡化且有針對(duì)性；減少加工時(shí)間。

綜上比較，故選用方法二。

A-2.平面精加工

平面加工只有橢圓73×33兩邊各有一小平面和周邊薄壁頂面，為防止薄壁在平面銑削過程中產(chǎn)生擠壓變形，因此把平面精加工安排在薄壁精加工之前，并畫好線框控制加工范圍，減少不必要的切削，節(jié)省時(shí)間。

A-3.清角加工

零件外形粗加工的挖槽加工中，因?yàn)槭褂玫氖铅?2平底刀，薄壁跟凸臺(tái)間最窄處為8.5mm，并且薄壁最小圓弧為R4，凸臺(tái)最小的圓弧為R5，這樣在最窄處和圓弧拐角地方會(huì)留有殘料，所以在精加工前必須要增加一個(gè)清角加工。為保證薄壁兩邊余量的均勻，精加工時(shí)兩邊所受切削力一致，本人把薄壁線框往里偏移1mm，再利用偏移所得線框進(jìn)行外形銑削來完成清角加工，這樣就保證了薄壁兩邊的余量都為1mm，考慮最小圓弧為R3。選用φ6的平底刀。

A-4.槽底精加工

為防止在精加工槽底過程中，銑刀沿著薄壁輪廓進(jìn)行銑削時(shí)對(duì)薄壁進(jìn)行擠壓而產(chǎn)生變形，把槽底精加工安排在薄壁精加工前，并以薄壁輪廓偏移1mm的線框作為槽底精加工范圍。選用φ6的平底刀。

A-5.凸臺(tái)曲面半精加工

凸臺(tái)曲面粗加工中，選用的是φ12mm平底刀，故曲面殘留余量大特別是曲面底部位置。為使余量均勻，減少精加工刀具的磨損，提高曲面精加工質(zhì)量，因此選用φ6mm平底刀，采用曲面挖槽粗加工對(duì)曲面進(jìn)行半精加工。

A-6.薄壁精加工

加工難點(diǎn)分析及解決方法：

針對(duì)B薄壁加工情況分析，繼續(xù)沿用B面薄壁加工方法，把薄壁輪廓往里外各偏移1mm，前面的外形加工、挖槽加工和清角加工銑去大量的余量，最后得到薄壁兩邊均勻的余量，總共2mm分成四次加工，每次加工量為0.5mm。刀具路徑的編排為利用外形銑削內(nèi)外交叉各加工一次，總共分四刀完成加工。選用φ6mm平底刀。

A-7.凸臺(tái)曲面精加工

采用曲面平行精加工法，選用S10球刀。

五 工藝參數(shù)

1.刀具

考慮到加工所用機(jī)床無自動(dòng)換刀和對(duì)刀裝置，為減小換刀過程帶來的加工誤差，提高加工效率，B面加工步驟1、2、6采用 12的立式平底刀；步驟3～5采用6立式平底刀；步驟7采用中心鉆；步驟6、8采用麻花鉆。A面加工步驟1、2采用12立式平底刀；步驟3～6采用12立式平底刀；步驟7采用S10立式球頭銑刀。具體見工藝卡。

2.工藝卡

六 結(jié)束語

數(shù)控銑床上零件加工的編程具有很大的靈活性，只有在實(shí)踐中不斷進(jìn)行總結(jié)，才能編制出高效率的加工程序，加工出高質(zhì)量的零件。

以上是我們通過對(duì)薄壁零件的薄壁加工方法經(jīng)過反復(fù)修改實(shí)驗(yàn)，并對(duì)刀具路徑進(jìn)行分析及優(yōu)化后，得出的最佳加工方案。特別是以上薄壁加工方法，加工出來的薄壁既達(dá)到了尺寸要求，又保證了形位精度。使用以上加工程序進(jìn)行加工，由于走刀路徑合理，不單保證了零件的表面精度，同時(shí)提高了加工效率。在加工參數(shù)設(shè)置基本相同，保證加工質(zhì)量的前提下，零件加工程序顯示A面用時(shí)45分鐘，B面用時(shí)60分鐘，共105分鐘左右可以完成，比第一次加工效率提高了20%。

參考文獻(xiàn)

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[2]朱淑萍編著.機(jī)械加工工藝及裝備[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2010

[3]關(guān)雄飛編.數(shù)控加工工藝與編程[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2011

〔責(zé)任編輯：高照〕