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带薄壁零件工艺分析案例


带薄壁复杂零件加工
【任务描述】 任务描述与图样 试加工如下图 8-3-1 所示复杂零件,材料为 45 号钢。其中,薄壁凸台厚度 2±0.03mm +0.1 的,高 100 mm。

其余

名称 钢块

材料 数量 钢

图号

图 8-3-1 带薄壁复杂零件图 知识点

与技能点 高速切削技术(HSM) ;带薄壁零件的数控加工工艺处理方法;复杂零件加工方法及质量 控制。 【知识学习】 一、高速切削技术(HSM) 高速切削技术,是一项先进制造技术,它是集高效、优质、低耗于一身。一般指切削速 度和进给速度比传统切削加工快 5—10 倍的加工方法。 切削用量由普通切削阶段跳过不可加 工阶段,进入高速加工阶段。 高速切削技术的优点主要有: (1)降低了切削力和切削热,提高了刀具寿命; (2)提高了加工效率,缩短产品加工时间; (3)提高了工件的加工精度和表面质量。 高速切削的应用有: (1)适合加工带薄壁和细筋的大型轻和静构件的加工,在航天航空领域应该广泛。材 料去除率可达 100—180cm3/min; (2)适合加工镍合金、钛合金材料的加工,切削速度可达 200—1000m/min;

(3)在模具加工中,以高速雕刻为代表的高速切削技术正逐步替代传统的电火花切割 和成型加工,加工精度和表面质量有较大提高,而且效率提高较大; (4)应用于精密、超低表面粗糙度零件的加工,如光学仪器零件。 二、薄壁零件的数控加工工艺 本任务要求加工一个带薄壁的复杂零件。 薄壁的加工是个难点, 薄壁零件加工精度的容 易受到多方面因素的影响,归纳起来主要有以下三方面: (1)受力变形; (2)受热变形; (3) 振动变形。 如果采用传统的数控加工工艺, 很难加工出符合精度要求的薄壁零件, 甚至使薄壁产生 破裂。主要原因如下: (1)在粗加工时,切削量较大,在切削力、夹紧力、残余应力和切削 热的作用下,会使薄壁产生一定程度的变形。 (2)半精加工和精加工时,随着材料的去除, 工件的刚度已降至非常低,薄壁部分的变形会进一步加剧。 因此,根据薄壁零件的结构特点和加工精度要求,对于薄壁零件,应尽可能选择高速切 削技术来加工。采用高速切削技术,可有效地降低切削力和切削热,消除工件的残余应力, 以提高薄壁零件的尺寸稳定性,同时要兼顾加工效率。 除采用高速切削技术外,薄壁零件的加工,还要合理安排加工顺序,尽可能保证内外轮 廓线依次交叉切削加工。以进一步消除工件变形带来的尺寸误差。 三、复杂零件加工工艺路线的设计 本任务要求加工一个复杂综合零件,该零件由 1 个薄壁、1 个正方形凸台、1 个椭圆凹 槽和 2 个通孔组成,工艺难点如下: (1)本零件加工内容较多,需要多把刀具加工,要合理 设计加工工序; (2)薄壁凸台的加工。 加工工艺设计如下: 1、工序的划分 本任务划分为两道工序,共分(1)工序一:薄壁加工; (2)工序二:铣凸台和椭圆槽。 (3)工序三:孔加工。 其中工序一是难点。划分 2 个工步,具体加工顺序如下: (1)选择φ 10 mm 双刃键槽 铣刀粗加工薄壁内外轮廓线,刀补值选 8.3mm,留出半精加工余量,深度方向分层切削, 留 0.2mm 余量; (2)换φ 10 mm 四刃立铣刀,采用高速切削技术半精加工薄壁内外轮廓线, 刀补值选 8.1 mm,深度方向分别留 0.1mm 余量; (3)用φ 10 mm 四刃立铣刀,采用高速切 削技术,精加工薄壁两条轮廓线,并根据实际测量尺寸控制零件加工精度。 注意事项:采用高速切削技术加工时,切削用量的选择务必谨慎合理,最好选择毛坯料 进行试切加工,以防止损坏刀具和机床。 工序二划分 2 个工步,具体加工顺序如下: (1)选φ 10 双刃键槽铣刀粗加工正方形凸 台和椭圆凹槽; (2)用φ 10 双刃键槽铣刀精加工正方形凸台和椭圆凹槽。 工序三划分 2 个工步, 具体加工顺序如下: (1) 选φ 12 麻花钻, 3 个φ 12mm 孔; 钻 (2) 换φ 12H8 铰刀,铰孔。 2、刀具及切削用量的选择 刀具及切削用量的选择见下表 8-3-1: 表 8-3-1 刀具及切削用量选择表

刀具 号

切削用量 刀具名称 刀具材料 工作内容 粗加工薄壁轮廓线 /粗精加工凸台和 凹槽 半精加工和精加工 薄壁轮廓线 钻φ 12孔 铰φ 12孔 n (r/min) Vf (mm/min) 100 ap (mm)

T01

φ 10双刃键槽铣 刀 φ 10四刃立铣刀 φ 12麻花钻 φ 12H8铰刀

高速钢

800

/

T02 T03 T04

硬质合金 高速钢 高速钢

3000 700 100

200 60 40

10 35 35

3、走刀路线的确定 本复杂零件由 1 个薄壁、1 个正方形凸台、1 个椭圆凹槽和 2 个通孔组成,设计走刀路 线时,先加工薄壁轮廓线,再加工凸台和椭圆内槽轮廓线,最后进行孔加工。 三、多把刀具加工工艺处理要领 本任务要求使用 4 把刀具进行加工,加工过程中,要求经常换刀,其加工工艺较难,稍 有不慎容易撞刀,造成刀具和设备的损坏,甚至人生伤害事故。 1、多把刀具加工工序的划分 一般工序划分的原则有:工序集中原则和工序分散原则。具体划分依据有: (1)按照刀 具划分; (2)按工件装夹划分; (3)按加工内容划分; (4)按粗、精、半精加工阶段划分。 本任务选择按加工内容划分加工工序,即工序一:薄壁加工; (2)工序二:铣凸台和椭 圆槽。 (3)工序三:孔加工。 2、多把刀具对刀要领 由于涉及到多把刀具,每把刀具尺寸不同,因此加工时,每换一把刀具必须重新对刀, 或者使用相对的刀具补偿来消除相应的尺寸差别。否则加工时可能造成撞刀事故。 本加工任务具体对刀方式如下: (1)X、Y轴方向对刀:为了保证工件定位精度,不管选择粗加工刀具,还是选择精加工 刀具,X、Y轴方向只能对刀一次,否则会带来对刀误差。一般我们选择粗加工刀具来对X、Y 轴。 X、Y方向采试切法对刀,将机床坐标系原点偏置到工件坐标系原点上,通过对刀操作得 到X、Y偏置值输入到G54中。 (2)Z轴方向对刀:依次安装粗、半精和精加工铣刀,没换一次刀具必须重新对Z轴。分 别测量每把刀的刀位点到工件上表面的Z数据, 输入到G54中。 或者测量每把刀的刀位点从参 考点到工件上表面的Z数据输入到相应的刀具补偿号中,加工时使用刀具长度补偿调用。 加工准备与要求 选用机床 选用 TK7640 型数控铣床,FANUC 0i-MB 系统。 选用夹具 机用平口钳 使用毛坯 100×100mm,材料 45 号钢。 工量具与刀具: (1)工具选择机用平口钳,扳手,垫铁等。

(2)量具选择轮廓尺寸用游标卡尺测量,深度尺寸用深度游标卡尺测量,表面质量用表 面粗糙度样板检测,另用百分表校正平口钳及工件上表面。 (3)刃具选择铣刀直径不得大于φ 20mm,本任务选用直径为φ 16mm 双刃键槽铣刀和φ 16mm 四刃立铣刀。粗加工用键槽铣刀铣削,半精加工和精加工用四刃立铣刀。工件材料为 45 号钢,铣刀材料用普通高速钢铣刀。具体选择见下表 8-3-2。 表 8-3-2 工、量、刃具清单 工、量、刃具清单 种类 序号 l 工具 2 3 4 1 量具 2 3 4 1 刃具 2 3 4 课题评分表 表8-3-3 课题评分表
班级 课题 序号 编程 基本 检查 1 2 3 4 操作 5 6 7 工作态度 8 9 10 尺寸检查 11 姓名 简单型腔零件加工 检查内容 加工工艺制定正确 切削用量选择合理 程序正确、简单、规范 设备操作、维护保养正确 安全文明生产 刀具选择和安装正确、规范 工件找正和安装正确、规范 行为规范、纪律表现 薄壁2±0.03mm 薄壁100
+0.1

图号 规格 QH l35 精度/mm 单位 个 把 副 个 0~150mm 0~200mm 0~lOmm NO—N1 ф 10mm ф 10mm φ 12 mm φ 12 mm H8 0.02 O.02 O.01 12级 把 把 个 副 个 个 个 个

图6-6 数量 1 l 1 1 1 1 1 l l 1 1 1

名称 平口钳 扳手 平行垫铁 塑胶锤子 游标卡尺 深度游标卡尺 百分表及表座 表面粗糙度样板 双刃键槽铣刀 四刃立铣刀 麻花钻 铰刀

学号 零件图号 配分 10 5 10 5 10 5 5 10 10 10 5 5 5 学 生

日期 图5-1 教师评分

自评分

mm

42-0.03 mm
椭圆

0

12

φ 12H8 (3处)

表面粗糙度

13 综合得分

Ra3.2μ m

5 100

工艺分析 本零件的加工工艺路线如下: 1、加工方法的确定 采用铣削,选择 TK7640 型数控铣床。 2、工序的划分 本任务划分为两道工序,共分(1)工序一:薄壁加工; (2)工序二:铣凸台和椭圆槽。 (3)工序三:孔加工。 其中工序一划分 2 个工步,具体加工顺序如下: (1)选择φ 10 mm 双刃键槽铣刀粗加 工薄壁内外轮廓线,刀补值选 8.3mm,留出半精加工余量,深度方向分层切削,留 0.2mm 余量; (2)换φ 10 mm 四刃立铣刀,采用高速切削技术半精加工薄壁内外轮廓线,刀补值 选 8.1 mm,深度方向分别留 0.1mm 余量; (3)用φ 10 mm 四刃立铣刀,采用高速切削技术, 精加工薄壁两条轮廓线,并根据实际测量尺寸控制零件加工精度。 工序二划分 2 个工步,具体加工顺序如下: (1)选φ 10 双刃键槽铣刀粗加工正方形凸 台和椭圆凹槽; (2)用φ 10 双刃键槽铣刀精加工正方形凸台和椭圆凹槽。 工序三划分 2 个工步, 具体加工顺序如下: (1) 选φ 12 麻花钻, 3 个φ 12mm 孔; 钻 (2) 换φ 12H8 铰刀,铰孔。 3、刀具及切削用量的选择 刀具及切削用量的选择见表 8-3-1。 4、走刀路线的确定 本复杂零件由 1 个薄壁、1 个正方形凸台、1 个椭圆凹槽和 2 个通孔组成,设计走刀路 线时,先加工薄壁轮廓线,再加工凸台和椭圆内槽轮廓线,最后进行孔加工。 5、数学处理 以工件中心点为坐标原点,建立编程坐标系。 分别计算型腔薄壁轮廓线、正方形凸台轮廓线各基点坐标和椭圆凹槽轮廓线节点坐标, 以及孔中心点的坐标值。 其中薄壁轮廓线建议采用坐标系比例指令处理, 椭圆曲线的加工建 议采用宏程序编程,以简化数学处理。 参考程序 (1)主程序(精加工) 表8-3-4 主程序
程序段号 程序内容 程序注释

(2)子程序 表8-3-5 子程序
程序段号 程序内容 程序说明

操作步骤 1、加工准备 (1)阅读分析零件图,并检查坯料的尺寸。 (2)开机,机床回参考点。 (3)输入程序并检查该程序。 (4)工件装夹:把机用平口钳装夹在工作台上,用百分表校正钳口,工件装夹在平口 钳上,底部加垫块,使工件高出钳口5-10mm,用百分表校正上表面。 (5) 刀具装夹: 本任务共使用了4把刀具, 把不同类型的刀具分别安装到对应的刀柄中。 根据加工情况,分别把粗、半精加工和精加工铣刀装入铣床主轴。若使用加工中心,则把相 应刀具装入刀库中。 2、对刀 (1)X、Y轴方向对刀:为了保证工件定位精度,不管选择粗加工刀具,还是选择精加 工刀具,X、Y轴方向只能对刀一次,否则会带来对刀误差。一般我们选择粗加工刀具来对X、 Y轴。

X、Y方向采试切法对刀,将机床坐标系原点偏置到工件坐标系原点上,通过对刀操作得 到X、Y偏置值输入到G54中。 (2)Z轴方向对刀:依次安装粗、半精和精加工铣刀,没换一次刀具必须重新对Z轴。 分别测量每把刀的刀位点到工件上表面的Z数据, 输入到G54中。 或者测量每把刀的刀位点从 参考点到工件上表面的Z数据输入到相应的刀具补偿号中,加工时使用刀具长度补偿调用。 3、刀具补偿值调整:采用刀具半径补偿功能时,机床中刀具半径补值应作相应调整, 调整方法如下: 按 键, 安[补正]软键, 出现刀具补偿值设置画面, 把光标移动至所用刀具号的(形

状)D处,输入相应的刀具半径值,按[输入]软键即可。 4、空运行及仿真 注意空运行及仿真时,使机床机械锁定或把G54中的Z坐标增加50mm,按下启动键,适 当降低进给速度,检查刀具运动轨迹是否正确。若在机床机械锁定状态下,空运行结束后必 须回机床参考点。 5、零件自动加工 首先使各个倍率开关达到最小状态,按下循环启动键。机床正常加工过程中适当调整 各个倍率开关,保证加工正常进行。 6、零件检测 零件加工结束后,进行尺寸检测,把自我检测结果写在评分表中。 7、加工结束。清理机床 松开夹具,卸下工件,清理机床。 注意事项 1、采用高速切削技术加工时,切削用量的选择务必谨慎合理,最好选择毛坯料进行试 切加工,以防止损坏刀具和机床。 2、工艺分析要合理。 3、设计走刀路线时,应保证切向切入与切出轮廓线。 4、换刀后,不要忘记重新对 Z 轴。


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