中職學生數控技術教學研究

【摘 要】本文以一個技師加工難度的正反面薄壁零件為例，從薄壁零件的特點及加工難點出發，分析了零件在數控銑床上應用Master CAM進行自動編程加工時，如何選擇合理的加工方法及優化刀具路徑，保證加工質量，同時提高生產效率的辦法。只有在教學中真正讓學生自主學習，才能實現其職業能力的全面提升。

【關鍵詞】薄壁零件 刀具路徑 數控銑 Master CAM

【中圖分類號】G712 【文獻標識碼】A 【文章編號】1674-4810（2014）11-0172-03

對于中職學生的素質教育來說，主要表現在具有較高的專業技能和實操能力，因此，中職教學應著重從崗位技能方面進行全面的提高。高精度、薄壁腔體類零件在軍事電子行業的應用越來越廣泛，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零件尺寸和表面質量有直接影響，要達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針對零件特點合理選擇走刀方式。對于同一個零件，可能在不同的部位需要不同的走刀方式，對于零件的特殊部位（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，優化刀路路徑，減少提刀、空刀及不必要的重復路徑，在改善加工質量的同時提高效率。對于以下薄壁零件（如圖1所示）如何編制合理的刀具路徑以達到加工要求呢？

一 零件特點及技術要求

1.零件特點

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

2.技術要求

技術要求：（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）批量生產條件編程；（8）坯料尺寸為：100×80×30mm。

二 機床型號的確定

該薄壁零件屬于中小型零件，故選用工作臺寬度400mm以下的升降臺式數控銑床。我國已制定了數控銑床的精度標準，其中數控立式銑床升降臺銑床已有專業標準。標準規定其直線運動坐標的定位精度為0.04/300mm，重復定位精度為0.025mm，銑圓精0.035mm。實際上，機床出廠精度均有相當的儲備量，比國家標準的允差值大約壓縮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聯動系統數控銑床。該薄壁零件是中小批量而又是經常周期性重復投產，那么采用普通數控銑床而非專用銑床就很合適，因為第一批量中準備好多工夾具、程序等，可以存儲起來重復使用。

綜上所述，確定選用以下數控銑床，具體參數如下：

數控銑床型號：XK713

系統：華中HNC-22M

工作臺尺寸：700×300

工作臺行程：X500、Y300、Z400

T型槽尺寸：3-14-100

定位精度：±0.005

主軸端面至工作臺面距離：200-700

主軸電機功率：7.5KW

主軸轉速：4000r/min

快速移動速度：X 8m/min、Y 8m/min、Z 8m/min

主軸錐孔：BT40

生產廠家：武漢華中數控股份有限公司

三 裝夾方式的選擇

數控加工的特點對夾具提出了兩個基本要求：一是要保證夾具的坐標方向與機床的坐標方向相對固定；二是要能保證零件與機床坐標系之間的準確尺寸關系。依據零件毛料的狀態和數控機床的安裝要求，應選取能保證加工質量、滿足加工需要的夾具。除此之外，還要考慮以下幾點：（1）當零件加工批量不大時，應盡量采用組合夾具、可調夾具和其他通用夾具，以縮短生產準備時間，節省生產費用。在大批量生產時可以考慮采用專用夾具，同時要求夾具的結構簡單。（2）裝夾零件要方便可靠，避免采用占機人工調整的裝夾方式，以縮短輔助時間，盡量采用液壓、氣動或多工位夾具，以提高生產效率。（3）盡量減少裝夾次數，做到一次裝夾后完成全部零件表面的加工或大多數表面的加工，以減少裝夾誤差，提高加工表面之間的相互位置精度，達到充分提高數控機床效率的目的。

結合數控加工裝夾要求和薄壁零件特點，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向對刀儀。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生，粗加工A面時用碰工件兩端再找中方式對刀，待半精加工和精加工時再利用光電尋邊器從新對刀提高對刀精度和加工精度。

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，根據零件的特點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對刀誤差出現的接刀痕跡，因此在B面加工時應把盡可能多的外輪廓一次裝夾加工完成，同時為保證有足夠的余量進行裝夾定位，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間內材料的去除率，并為后面的半精加工或精加工做準備。結合考慮槽內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；抬刀次數多走刀路徑長；耗時長（用時25分鐘）。

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

優點：余量均勻；走刀路線簡化且有針對性；節省時間（用時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：一是減少不必要的切削，節省時間；二是粗加工留有足夠余量，平面銑削時不會把薄壁擠壓變形。選用φ12平底刀。

B-3.清角加工

在零件的挖槽加工中，因為使用的是φ12平底刀，槽內最窄處約為10mm并且最小的圓弧為R4，這樣在最窄處和圓弧拐角地方會留有殘料，所以在精加工前必須要增加一個清角加工。為保證薄壁兩邊余量的均勻，精加工時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行銑削時對薄壁進行擠壓而使薄壁產生變形，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的加工方法是按一般的外形銑削進行刀路編制，但最后加工出來零件的垂直度已經不符合精度要求。加工時刀具路徑的最后一刀是加工薄壁的內側面，這樣導致壁面向外偏0.15mm，特別是在圓弧拐角的地方，偏的更多，有的地方甚至出現了裂紋現象。經分析是因為這個位置的薄壁在加工時受到刀具切削力的擠壓產生塑性變形而引起的。最后經過查找工具書和網上查閱相關資料找到了解決辦法。鋁材是一種難加工材料，銑削時粘刀嚴重，排屑不暢，并且強度低，硬度低。針對以上情況分析，在編寫加工路線時，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受力均勻，且排屑容易，不會產生擠壓變形。選用φ6平底刀。

B-6.外輪廓精加工

為避免產生接痕，減少切削受力，因此從底部（-19mm）分兩刀進行外形銑削加工，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生刮痕，所以在B面進行鉆孔加工。零件的孔是φ8通孔，其加工方法很多，有鉆孔、擴孔、鉸孔、鏜孔等，但對于直徑小于φ30mm的孔，通常采用打中心孔→鉆孔→擴孔的加工方案。先用中心鉆點窩，再用φ6mm的鉆頭鉆孔，最后用φ8mm的鉆頭擴孔。鉆孔刀路選用深孔啄鉆，因為這種加工方式可以更改排屑時刀具回退的高度，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）槽內無法下刀，造成加工不完整。（2）耗時長（20分鐘）。

方法二：挖槽（凸臺四周）→挖槽（凸臺與四周薄壁之間）→外形銑削（四個角）→外形銑削（四邊余量）→曲面粗加工（凸臺曲面）。

優點：凸臺和薄壁余量均勻；走刀路徑簡化且有針對性；減少加工時間。

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，節省時間。

A-3.清角加工

零件外形粗加工的挖槽加工中，因為使用的是φ12平底刀，薄壁跟凸臺間最窄處為8.5mm，并且薄壁最小圓弧為R4，凸臺最小的圓弧為R5，這樣在最窄處和圓弧拐角地方會留有殘料，所以在精加工前必須要增加一個清角加工。為保證薄壁兩邊余量的均勻，精加工時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行銑削時對薄壁進行擠壓而產生變形，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.凸臺曲面半精加工

凸臺曲面粗加工中，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，提高曲面精加工質量，因此選用φ6mm平底刀，采用曲面挖槽粗加工對曲面進行半精加工。

A-6.薄壁精加工

加工難點分析及解決方法：

針對B薄壁加工情況分析，繼續沿用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

1.刀具

考慮到加工所用機床無自動換刀和對刀裝置，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 結束語

數控銑床上零件加工的編程具有很大的靈活性，只有在實踐中不斷進行總結，才能編制出高效率的加工程序，加工出高質量的零件。

以上是我們通過對薄壁零件的薄壁加工方法經過反復修改實驗，并對刀具路徑進行分析及優化后，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到了尺寸要求，又保證了形位精度。使用以上加工程序進行加工，由于走刀路徑合理，不單保證了零件的表面精度，同時提高了加工效率。在加工參數設置基本相同，保證加工質量的前提下，零件加工程序顯示A面用時45分鐘，B面用時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

[1]王睿編.MasterCAM9實用教程[M].北京：人民郵電出版社，2008

[2]朱淑萍編著.機械加工工藝及裝備[M].北京：機械工業出版社，2010

[3]關雄飛編.數控加工工藝與編程[M].北京：機械工業出版社，2011

〔責任編輯：高照〕