中职学生数控技术教学研究

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【摘 要】本文以一个技师加工难度的正反面薄壁零件为例，从薄壁零件的特点及加工难点出发，分析了零件在数控铣床上应用Master CAM进行自动编程加工时，如何选择合理的加工方法及优化刀具路径，保证加工质量，同时提高生产效率的办法。只有在教学中真正让学生自主学习，才能实现其职业能力的全面提升。

【关键词】薄壁零件 刀具路径 数控铣 Master CAM

【中图分类号】G712 【文献标识码】A 【文章编号】1674-4810（2014）11-0172-03

对于中职学生的素质教育来说，主要表现在具有较高的专业技能和实操能力，因此，中职教学应着重从岗位技能方面进行全面的提高。高精度、薄壁腔体类零件在军事电子行业的应用越来越广泛，该类零件一般由铝板整体加工而成，材料去除率最高达90%以上。高精度、薄壁腔体类零件金属切除量大、工件壁薄、刚性低，加工中需要解决的主要问题是控制和减少变形，在此基础上，以期能尽可能地提高切削效率，缩短加工周期。

Master CAM提供了多种的二维轮廓加工和丰富的曲面粗/精加工功能。加工刀路的编排及精加工的走刀形式都对零件尺寸和表面质量有直接影响，要达到图纸要求的尺寸精度和表面粗糙度，需在编制刀具路径时针对零件特点合理选择走刀方式。对于同一个零件，可能在不同的部位需要不同的走刀方式，对于零件的特殊部位（如薄壁，圆弧过度面等）还需要专门的刀路来特殊处理。此外还需要合理选择刀具，优化刀路路径，减少提刀、空刀及不必要的重复路径，在改善加工质量的同时提高效率。对于以下薄壁零件（如图1所示）如何编制合理的刀具路径以达到加工要求呢？

一 零件特点及技术要求

1.零件特点

如图所示，零件是一个尺寸为95×75×28mm正反面有轮廓特征的薄壁长方体，零件的四个角为由三段圆弧（R5、R12.5、R5）组成的圆角。A面为沿零件实体四周的薄壁，薄壁的壁厚为1mm，高5mm，中间有两个椭圆（73×33、58×28）组成的凸台，高度为10mm，凸台中间位置有一个由椭圆（50×30）圆弧切割形成的曲面凹槽，横向对称轴上有两个孔距为55mm的R4通孔。B面为沿零件实体四周的薄壁，中间位置为一个正六边形薄壁，两个薄壁的壁厚为1mm，高5mm。

2.技术要求

技术要求：（1）所有表面粗糙度要求Ra1.6；（2）零件表面无缺陷，圆角部位无残料；（3）未注公差按IT13确定；（4）未注角度公差均为：±3′；（5）椭圆长短轴尺寸公差为：±0.03mm；（6）未注倒角为：0.5×45°；（7）批量生产条件编程；（8）坯料尺寸为：100×80×30mm。

二 机床型号的确定

该薄壁零件属于中小型零件，故选用工作台宽度400mm以下的升降台式数控铣床。我国已制定了数控铣床的精度标准，其中数控立式铣床升降台铣床已有专业标准。标准规定其直线运动坐标的定位精度为0.04/300mm，重复定位精度为0.025mm，铣圆精0.035mm。实际上，机床出厂精度均有相当的储备量，比国家标准的允差值大约压缩20%左右。因此，从改零件精度来看，一般的数控铣床即可满足加工需要。零件加工部位含有曲面轮廓，决定了必须选择三坐标联动系统数控铣床。该薄壁零件是中小批量而又是经常周期性重复投产，那么采用普通数控铣床而非专用铣床就很合适，因为第一批量中准备好多工夹具、程序等，可以存储起来重复使用。

综上所述，确定选用以下数控铣床，具体参数如下：

数控铣床型号：XK713

系统：华中HNC-22M

工作台尺寸：700×300

工作台行程：X500、Y300、Z400

T型槽尺寸：3-14-100

定位精度：±0.005

主轴端面至工作台面距离：200-700

主轴电机功率：7.5KW

主轴转速：4000r/min

快速移动速度：X 8m/min、Y 8m/min、Z 8m/min

主轴锥孔：BT40

生产厂家：武汉华中数控股份有限公司

三 装夹方式的选择

数控加工的特点对夹具提出了两个基本要求：一是要保证夹具的坐标方向与机床的坐标方向相对固定；二是要能保证零件与机床坐标系之间的准确尺寸关系。依据零件毛料的状态和数控机床的安装要求，应选取能保证加工质量、满足加工需要的夹具。除此之外，还要考虑以下几点：（1）当零件加工批量不大时，应尽量采用组合夹具、可调夹具和其他通用夹具，以缩短生产准备时间，节省生产费用。在大批量生产时可以考虑采用专用夹具，同时要求夹具的结构简单。（2）装夹零件要方便可靠，避免采用占机人工调整的装夹方式，以缩短辅助时间，尽量采用液压、气动或多工位夹具，以提高生产效率。（3）尽量减少装夹次数，做到一次装夹后完成全部零件表面的加工或大多数表面的加工，以减少装夹误差，提高加工表面之间的相互位置精度，达到充分提高数控机床效率的目的。

结合数控加工装夹要求和薄壁零件特点，选用通用夹具平口虎钳。具体的处理方法是：（1）先加工B面，一次装夹外形铣削至-19mm。（2）后加工A面，为保证零件高度精度使用较高精度的垫片和Z向对刀仪。为防止夹坏B面已加工的外形表面，在装夹面和钳口间垫铜片。另外为防止正反面加工接刀痕的产生，粗加工A面时用碰工件两端再找中方式对刀，待半精加工和精加工时再利用光电寻边器从新对刀提高对刀精度和加工精度。

四 零件加工工艺分析

加工材料为铝材（ZL401），根据加工材料的特性，选用白钢刀和麻花钻（HSS）。

零件需要正反面加工，根据零件的特点和加工过程装夹的要求，确定先加工B面，为减少正反面加工时对刀误差出现的接刀痕迹，因此在B面加工时应把尽可能多的外轮廓一次装夹加工完成，同时为保证有足够的余量进行装夹定位，坯料总高30mm，多余的2mm分配给B面0.5mm，剩余的1.5mm在加工A面时再把余量去除保证总高及精度。

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单位时间内材料的去除率，并为后面的半精加工或精加工做准备。结合考虑槽内空间以及刀具的切削刚性，粗加工使用φ12平底刀。

方法一：曲面挖槽粗加工。

存在问题：余量不均匀；抬刀次数多走刀路径长；耗时长（用时25分钟）。

方法二：外形铣削（四个角）外形铣削（四边余量）挖槽（两线框之间）挖槽（六边形内）。

优点：余量均匀；走刀路线简化且有针对性；节省时间（用时8分钟）。

综合上述比较，采用第二种加工方法。

B-2.平面精加工

顶面有平面的只是两个薄壁，把平面精加工安排在外形粗加工之后和薄壁精加工之前，原因有两个：一是减少不必要的切削，节省时间；二是粗加工留有足够余量，平面铣削时不会把薄壁挤压变形。选用φ12平底刀。

B-3.清角加工

在零件的挖槽加工中，因为使用的是φ12平底刀，槽内最窄处约为10mm并且最小的圆弧为R4，这样在最窄处和圆弧拐角地方会留有残料，所以在精加工前必须要增加一个清角加工。为保证薄壁两边余量的均匀，精加工时两边所受切削力一致，本人把外薄壁线框往里偏移1mm及六边形薄壁线框往里往外各偏移1mm，再利用偏移所得线框进行外形铣削来完成清角加工，这样就保证了薄壁两边的余量都为1mm，考虑最小圆弧为R3。选用φ6的平底刀。

B-4.槽底精加工

为防止在精加工槽底过程中，铣刀沿着薄壁轮廓进行铣削时对薄壁进行挤压而使薄壁产生变形，把槽底精加工安排在薄壁精加工前，并以薄壁轮廓偏移1mm的线框作为槽底精加工范围。选用φ6的平底刀。

B-5.薄壁精加工

加工难点分析及解决方法：零件中1mm的薄壁，在第一次加工中本人采用常规的加工方法是按一般的外形铣削进行刀路编制，但最后加工出来零件的垂直度已经不符合精度要求。加工时刀具路径的最后一刀是加工薄壁的内侧面，这样导致壁面向外偏0.15mm，特别是在圆弧拐角的地方，偏的更多，有的地方甚至出现了裂纹现象。经分析是因为这个位置的薄壁在加工时受到刀具切削力的挤压产生塑性变形而引起的。最后经过查找工具书和网上查阅相关资料找到了解决办法。铝材是一种难加工材料，铣削时粘刀严重，排屑不畅，并且强度低，硬度低。针对以上情况分析，在编写加工路线时，把薄壁轮廓往里外各偏移1mm，先加工完其他部分后，再来加工薄壁。如前面四步加工步骤都是为薄壁加工做准备，前面的外形加工、挖槽加工和清角加工铣去大量的余量，最后得到薄壁两边均匀的余量，总共2mm分成四次加工，每次加工量为0.5mm。刀具路径的编排为利用外形铣削内外交叉各加工一次，总共分四刀完成加工。这样就很好地保证了薄壁在加工时受力均匀，且排屑容易，不会产生挤压变形。选用φ6平底刀。

B-6.外轮廓精加工

为避免产生接痕，减少切削受力，因此从底部（-19mm）分两刀进行外形铣削加工，每刀加工量0.5mm。选用φ12平底刀。

B-7.钻孔加工

为保证孔的定位精度和孔距精度，以及避免钻孔加工过程中钻头碰到薄壁产生刮痕，所以在B面进行钻孔加工。零件的孔是φ8通孔，其加工方法很多，有钻孔、扩孔、铰孔、镗孔等，但对于直径小于φ30mm的孔，通常采用打中心孔钻孔扩孔的加工方案。先用中心钻点窝，再用φ6mm的钻头钻孔，最后用φ8mm的钻头扩孔。钻孔刀路选用深孔啄钻，因为这种加工方式可以更改排屑时刀具回退的高度，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，选用φ12mm平底刀。

存在问题：（1）槽内无法下刀，造成加工不完整。（2）耗时长（20分钟）。

方法二：挖槽（凸台四周）挖槽（凸台与四周薄壁之间）外形铣削（四个角）外形铣削（四边余量）曲面粗加工（凸台曲面）。

优点：凸台和薄壁余量均匀；走刀路径简化且有针对性；减少加工时间。

综上比较，故选用方法二。

A-2.平面精加工

平面加工只有椭圆73×33两边各有一小平面和周边薄壁顶面，为防止薄壁在平面铣削过程中产生挤压变形，因此把平面精加工安排在薄壁精加工之前，并画好线框控制加工范围，减少不必要的切削，节省时间。

A-3.清角加工

零件外形粗加工的挖槽加工中，因为使用的是φ12平底刀，薄壁跟凸台间最窄处为8.5mm，并且薄壁最小圆弧为R4，凸台最小的圆弧为R5，这样在最窄处和圆弧拐角地方会留有残料，所以在精加工前必须要增加一个清角加工。为保证薄壁两边余量的均匀，精加工时两边所受切削力一致，本人把薄壁线框往里偏移1mm，再利用偏移所得线框进行外形铣削来完成清角加工，这样就保证了薄壁两边的余量都为1mm，考虑最小圆弧为R3。选用φ6的平底刀。

A-4.槽底精加工

为防止在精加工槽底过程中，铣刀沿着薄壁轮廓进行铣削时对薄壁进行挤压而产生变形，把槽底精加工安排在薄壁精加工前，并以薄壁轮廓偏移1mm的线框作为槽底精加工范围。选用φ6的平底刀。

A-5.凸台曲面半精加工

凸台曲面粗加工中，选用的是φ12mm平底刀，故曲面残留余量大特别是曲面底部位置。为使余量均匀，减少精加工刀具的磨损，提高曲面精加工质量，因此选用φ6mm平底刀，采用曲面挖槽粗加工对曲面进行半精加工。

A-6.薄壁精加工

加工难点分析及解决方法：

针对B薄壁加工情况分析，继续沿用B面薄壁加工方法，把薄壁轮廓往里外各偏移1mm，前面的外形加工、挖槽加工和清角加工铣去大量的余量，最后得到薄壁两边均匀的余量，总共2mm分成四次加工，每次加工量为0.5mm。刀具路径的编排为利用外形铣削内外交叉各加工一次，总共分四刀完成加工。选用φ6mm平底刀。

A-7.凸台曲面精加工

采用曲面平行精加工法，选用S10球刀。

五 工艺参数

1.刀具

考虑到加工所用机床无自动换刀和对刀装置，为减小换刀过程带来的加工误差，提高加工效率，B面加工步骤1、2、6采用 12的立式平底刀；步骤3～5采用6立式平底刀；步骤7采用中心钻；步骤6、8采用麻花钻。A面加工步骤1、2采用12立式平底刀；步骤3～6采用12立式平底刀；步骤7采用S10立式球头铣刀。具体见工艺卡。

2.工艺卡

六 结束语

数控铣床上零件加工的编程具有很大的灵活性，只有在实践中不断进行总结，才能编制出高效率的加工程序，加工出高质量的零件。

以上是我们通过对薄壁零件的薄壁加工方法经过反复修改实验，并对刀具路径进行分析及优化后，得出的最佳加工方案。特别是以上薄壁加工方法，加工出来的薄壁既达到了尺寸要求，又保证了形位精度。使用以上加工程序进行加工，由于走刀路径合理，不单保证了零件的表面精度，同时提高了加工效率。在加工参数设置基本相同，保证加工质量的前提下，零件加工程序显示A面用时45分钟，B面用时60分钟，共105分钟左右可以完成，比第一次加工效率提高了20%。

参考文献

[1]王睿编.MasterCAM9实用教程[M].北京：人民邮电出版社，2008

[2]朱淑萍编著.机械加工工艺及装备[M].北京：机械工业出版社，2010

[3]关雄飞编.数控加工工艺与编程[M].北京：机械工业出版社，2011