加工中心的工艺分析

6.1.4　加工中心的工艺分析

加工中心是一种工艺范围较大的数控加工机床，能进行铣削、镗削、钻削和螺纹加工等多项工作。加工中心特别适合于箱体类零件和孔系的加工。

1.工艺特点

·由于加工中心配置了自动换刀系统和回转工作台，与传统制造工艺相比，具有以下显著特点：

（1）在工件成形过程中，没有中间时效处理环节，内应力难以消除。

（2）由于加工中心工序集中，使用很多刀具，此时既要考虑粗加工时的大切削力，又要考虑精加工时的定位精度，因此机床的强度和刚度要满足这两方面的要求。

（3）由于机床加工经常处于粗、精加工交替的情况，所以要保证机床有良好的抗振性和精度保持性。

（4）多工序集中加工，切屑多，切屑的堆积对已加工表面产生影响，加工中应引起注意。

（5）零件每道工序的内容、切削用量和工艺参数可以随时改变，有很大的加工柔性。适应现代化制造的要求。

·根据加工中心工艺特点，要充分发挥加工中心的特长，提高产品质量，必须注意以下几点：

（1）工件须经过高温时效处理，消除内应力。

（2）安排其他设备完成准备工序。

（3）选择合适的刀具及夹具，使用优化的切削用量。

（4）选用复合刀具，尽量采用刀具机外预调，提高精度和机床利用率。

（5）合理安排加工工序。

2.加工中心加工零件的工艺性分析

（1）零件图样的工艺性分析

①选择加工内容

加工中心最适合加工形状复杂、工序较多、要求较高，需使用多种类型的通用机床、刀具和夹具，经多次装夹和调整才能完成加工的零件。

②检查零件图样

零件图样应表达正确，标注齐全。同时要特别注意，图样上应尽量采用统一的设计基准，从而简化编程，保证零件的精度要求。

图6-3　零件加工的基准统一

例如图6-3中所示零件图样。在图6-3（a）中，A、B两面均已在前面工序中加工完毕，在加工中心上只进行所有孔的加工。以A、B两面定位时，由于高度方向没有统一的设计基准，φ48H7孔和上方两个φ25H7孔与B面的尺寸是间接保证的，欲保证32.5±0.1和52.5±0.04尺寸，须在上道工序中对105±0.1尺寸公差进行压缩。若改为图6-3（b）所示标注尺寸，各孔位置尺寸都以A面为基准，基准统一，且工艺基准与设计基准重合，各尺寸都容易保证。

③分析零件的技术要求

根据零件在产品中的功能，分析各项几何精度和技术要求是否合理；考虑在加工中心加工，能否保证其精度和技术要求；选择哪一种加工中心最为合理。

④审查零件的结构工艺性

分析零件的结构刚度是否足够，各加工部位的结构工艺性是否合理等。

（2）工艺过程设计

工艺设计时，主要考虑精度和效率两个方面，一般遵循先面后孔、先基准后其他、先粗后精的原则。加工中心在一次装夹中，尽可能完成所有能够加工表面的加工。对位置精度要求较高的孔系加工，要特别注意安排孔的加工顺序，安排不当，就有可能将传动副的反向间隙带入，直接影响位置精度。例如，安排图6-4（a）所示零件的孔系加工顺序时，若按如图6-4（b）所示的路线加工，由于5、6孔与1、2、3、4孔在Y向的定位方向相反，Y向反向间隙会使误差增加，从而影响5、6孔与其他孔的位置精度。按图6-4（c）所示路线，可避免反向间隙的引入。

图6-4　镗孔加工路线

加工过程中，为了减少换刀次数，可采用刀具集中工序，即用同一把刀具把零件上相应的部位都加工完，再换第二把刀具继续加工。但是，对于精度要求很高的孔系，若零件是通过工作台回转确定相应的加工部位时，因存在重复定位误差，不能采取这种方法。

（3）零件的装夹

1）定位基准的选择

在加工中心加工时，零件的定位仍应遵循六点定位原则。同时，还应特别注意以下几点：

① 进行多工位加工时，定位基准的选择应考虑能完成尽可能多的加工内容，即便于各个表面都能被加工的定位方式。例如，对于箱体零件，尽可能采用一面两销的组合定位方式。

② 当零件的定位基准与设计基准难以重合时，应认真分析装配图样，明确该零件设计基准的设计功能，通过尺寸链的计算，严格规定定位基准与设计基准间的尺寸位置精度要求，确保加工精度。

③ 编程原点与零件定位基准可以不重合，但两者之间必须要有确定的几何关系。编程原点的选择主要考虑便于编程和测量。例如，图6-5中的零件在加工中心上加工φ80H7孔和4-φ25H7孔，其中4-φ25H7都以φ80H7孔为基准，编程原点应选择在φ80H7孔的中心线上。当零件定位基准为A、B两面时，定位基准与编程原点不重合，但同样能保证加工精度。

图6-5　编程原点与定位基准

2）零件的夹紧

在考虑夹紧方案时，应尽量减小夹紧变形。零件在粗加工时，切削力大，需要的夹紧力大，因此必须慎重选择定位基准和确定夹紧力。夹紧力应作用在主要支承范围内，并尽量靠近切削部位及刚性好的部位。如采用这些措施仍不能控制零件的变形，只能将粗、精加工工序分开，或者在粗加工程序后编入一段选择停止指令，粗加工后松开工件，使零件变形消除后，再重新夹紧零件继续进行精加工。

3）夹具的选用

在加工中心上，夹具的任务不仅仅是装夹零件，而且要以定位基准为参考基准，确定零件的加工原点。加工中心的自动换刀功能又决定了在加工中不能使用钟套、钻套及对刀块等元件。因此，在选用夹具结构形式时要综合考虑各种因素，尽量做到经济、合理。在加工中心台面上有基准T形槽、转台中心定位孔、工作台侧面基准定位元件。

夹具的安装必须利用这些定位件，夹具底面表面粗糙度值不低于Ra3.2μm和平面度误差为0.01～0.02mm的要求。夹具选择必须注意以下几点：

① 定位夹具必须有高的切削刚性。由于零件在一次装夹中要同时完成粗加工和精加工，夹具既要满足零件的定位要求，又要承受大的切削力。

② 夹紧零件后必须为刀具运动留有足够的空间。由于钻夹头、弹簧夹头、镗刀杆很容易与夹具发生干涉，尤其是零件外轮廓的加工，很难安排定位夹紧元件的位置，箱体零件可利用零件内部空间来安排夹紧方式。

③ 夹具必须保证零件最小变形。由于零件在粗加工时切削力较大，当粗加工后松开压板零件可能产生变形，夹具必须谨慎地选择支承点、定位点和夹紧点。夹紧点尽量接近支承点，避免夹紧力作用在零件中间空的区域。如果上述方法仍不能控制零件变形，就只能分开零件的精加工程序，或者在编制精加工前使用机床暂停指令，让操作者放松夹具调节夹紧力，消除零件后变形再进行精加工。

④ 对于批量不大又经常换品种的零件来说，可优先使用组合或成组夹具。但是组合夹具的精度必须满足零件加工的要求。

⑤ 对小型、宽度小的工件可考虑在工作台上装夹几个零件同时加工。

常用的夹具有组合夹具、成组夹具、可调整夹具、拼装夹具和专用夹具。

夹具在机床上的安装误差和零件在夹具中的装夹误差对加工精度都将产生直接的影响。即使在编程原点与定位基准重合的情况，也要求对零件在机床坐标系中的位置进行准确的调整。夹具中零件定位支承的磨损及污垢都会引起加工误差，因此，操作者在装夹零件时一定将污物去除干净。

3.刀具的选择

加工中心上使用的刀具分刃具部分和连接刀柄部分。刃具部分包括钻头、铣刀、铰刀、丝锥等。加工中心有自动换刀装置。连接刀柄要满足机床主轴自动松开和拉紧、定位准确、安装方便、适应机械手的夹持和搬运、适应在自动化刀库中的储存和识别的要求，通常用ISO40、45、50锥孔数据。

（1）刀柄的选择

标准刀柄与机床主轴联接结合面的锥度是7∶24，国际标准（ISO）有30，35，40，45，50等型号。刀柄尺寸的选择需考虑机械手夹持尺寸和机床主轴夹紧刀柄的尾拉钉尺寸的要求。TSG工具系统中有一部分刀柄不带刃具，必须配置相应的刀具如铣刀、钻头、镗刀头、丝锥和附件，如钻夹头、弹套、丝锥转矩保护套等。用户可根据典型零件的工艺分析，编制刀具卡片，考虑易损的备件。刀柄的选择直接影响机床效能的发挥，刀柄数量少，不能充分发挥机床的功能；刀柄数量多，又会影响投资。如何恰当地选择，只有根据典型零件和批量情况而定。如果刀库容量大，刀具更换频繁，可选用模块式刀柄。对批量大又反复生产的典型零件，可选用复合刀柄。对特殊刀柄的选用，可扩大加工范围，如把增速刀柄用于小孔加工，则转速比主轴转速增高几倍；多轴加工动力头刀柄可同时加工小孔；万能铣头刀柄可改变刀具与主轴轴线夹角，扩大工艺范围；内冷却刀具刀柄冷却液通过刀柄，经过刃具内通孔，直接在切削刃区冲击，可得到很好的冷却效果，适用于深孔加工；高速磨头刀柄适于在加工中心磨削淬火加工面或抛光模具面等。特殊刀柄的选用必须考虑对机床主轴端面安装位置要求，并考虑可否实现。

（2）对刀具的要求

加工中心用刀具必须具有能够承受高速切削和强力切削的性能，并且性能稳定。在选刀具材料时，一般应尽可能选用硬质合金涂层刀片，精密镗孔等还可选用性能好、耐磨的立方氮化硼和金刚石刀具。加工中心的ATC功能要求能快速、准确地完成自动换刀，同时加工的零件日益复杂和精密，这就要求刀具必须具备较高的形状精度。例如，加工中心上不能使用钻模板等辅助装置，钻孔精度除受机床结构因素影响外，主要取决于钻头本身，这就要求钻头的两切削刃必须有较高的对称度精度（一般为依靠钻模板加工时钻头对称度值的一半）。同时，对刀具装夹装置也应提出较高要求，必须保证刀具同心地夹持在刀具装夹装置内。

近年来发展起来的模块式工具系统是配备完善的工具系统，能更好地适应多品种零件的加工要求，且有利于工具的生产、使用和管理，能有效地减少使用厂家的工具储备。配备完善的、先进的工具系统，是用好加工中心的重要一环。

另外，在根据工艺卡片确定所用的刃具及刀柄、编制刀具卡片时，还应注意下列因素：

（1）机床允许的最大直径和质量。

（2）注意刀具与夹具及零件发生涉及的可能性，零件形状越复杂，此项检验越重要。

（3）零件精度要求高、材料硬度高时，要注意刀具寿命的控制和备用刀具的准备。

（4）采用通用还是专用夹具，要根据生产批量、零件精度及刀库容量等因素决定。