数铣中球面零件的加工工艺与效率

刘钰

[摘           要]  主要介绍在数控铣加工过程中，球面零件的加工工艺与效率的问题。通过一个典型实例的加工，重点介绍了如何应用数控铣床与CAXA制造工程师2013，高效、高质量地加工球面零件。通过对比各种加工方式（等高线、参数线、轮廓导动）的优劣，找到适合于球面零件的加工方法，从而可以高效高质量地生产零件，降低生产成本，提高经济效益。

[关    键   词]  数控铣;CAXA制造工程师2013;球面;等高线;参数线;轮廓导动;效率

[中图分类号]  TH161+.11         [文献标志码]  A              [文章编号]  2096-0603（2019）09-0108-02

随着经济社会的发展，特别是模具制造业的高速发展、高精密度、高复杂度，加之各种产品更新换代快，这就对现代数控技术提出了更高的要求。而传统的机械加工设备已经无法满足上述需要，随着制造业技术在中国的发展，越来越多的制造企业开始引进数控车床、数控铣床、加工中心、细孔加工机、放电加工机、慢走丝线切割机、光学研磨机等数控加工设备。数控铣床数控铣削除了具有普通铣床加工的特点外，还有如下特点：（1）零件加工的适应性强、灵活性好，能加工轮廓形状特别复杂或难以控制尺寸的零件，如箱体类零件、壳体类零件等;（2）能加工普通机床无法加工或很难加工的零件，如球面零件;（3）能一次装夹定位后，加工多道工序;（4）加工精度高、加工质量稳定可靠;（5）生产自动化程序高，可以减轻操作者的劳动强度;（6）有利于生产管理自动化，生产效率高。

现代数控技术的崛起，对技术工人提出了更高的要求，不单单只是操作机床，而其要能够熟练使用CAD/CAM软件。特别是一些复杂的工件，如二次曲线零件、三次曲线零件、抛物线、正弦曲线等。这类零件，如果用手工编程的话，就必须使用宏程序，而其难度很高，对技术工人来说，难度很大。当前，各种产品的设计与制造都大量使用了CAD/CAM软件，如UG，PRO/E，Solidworks等。使用CAD软件进行产品设计、模具设计，利用CAM软件进行数控编程加工越来越普遍。而国产CAD/CAM软件CAXA制造工程师从面世至今已有十多年了，各项功能日趋完善，从辅助设计到辅助加工功能已经能完全满足现代制造加工的需求，而其在国家数控大赛中广泛使用。

现今，数控加工中，球面铣削的零件比较多，而球面铣削的质量与效率就是最为关注的问题。笔者在应用CAXA制造工程师2013进行数控铣削编程过程中，体会了球面铣削的几种编程方法编出加工刀路，通过合理的参数设置，后置设置，生成合理的加工程序。最终，把一个设计图纸变成零件。通过对球面加工几种方法（等高线、参数线、轮廓导动）的反复实践，总结了一些编程技巧、参数设置等，以提高球面质量及生产效率。下面就以CAXA制造工程师2013为例来说明球面加工中，如何提高球面加工质量及效率。

下图工件为一底座的三维图。

毛坯尺寸为105×80×30，材料：45

一、工艺分析

该零件图尺寸标注完整，轮廓描述清楚，材料为45#，切削性能良好，无热处理和硬度要求，尺寸精度及表面粗糙度要求较高，其孔的精度为H7，精度较高，需要先钻孔在铰孔来保证。需要两次装夹才能完成工件的正反两面加工。

（一）工艺路线如下

1.以底面做为基准面，先将基准面铣削出来。

2.粗铣工件外形削轮廓，高度为17 mm，留精加工余量0.2 mm;粗铣工件84 mm×64 mm×5 mm凸台，留精加工余量0.2 mm。

3.粗铣底面椭圆槽及两个R8的半圆槽，深度为8 mm，留精加工余量0.2 mm。

4.精铣外形轮廓84 mm×64 mm×5 mm凸台及椭圆槽及两个R8的半圆槽至公差尺寸。

5.拆下工件装夹加工另一面，装夹时放两块平行垫铁，注意避开钻孔位置，使基准面紧贴平行垫铁，毛坯顶面距离虎钳口15 mm左右。

6.用分中棒对刀，保证工件上下部错位。

7.铣削顶面至尺寸公差要求。

8.粗铣84 mm×64 mm×12 mm凸台，留精加工余量0.2 mm。

9.粗铣SR18 mm的半球面，留精加工余量0.2 mm。

10.粗、精铣18 mm的槽及两个沉头孔。

11.精铣84 mm×64 mm×12 mm凸台。

12.粗、精铣圆弧形槽。

13.精铣SR18 mm的半球面。

14.用？椎7.7的钻头钻孔，用？椎8的铰刀铰孔。

二、选择刀具：选用硬质合金直径12 mm、8 mm四齿铣刀6 mm球刀

装夹方式：采用平口虎鉗及平行垫铁装夹。

对刀点（程序原点）：按照设计基准和工艺基准统一的原则选取工件上表面中心为原点。

三、工艺安排及程序编制要求

（一）数控编程走刀路线选择考虑要点

1.尽量缩短走刀路线，采用较少的刀具，节省换刀时间，减少空走刀时间，减少装夹次数，提高生产效率。

2.能保证加工零件的精度和表面粗糙度要求。

3.合理、优化数控程序，减少程序段数目。

4.降低工人的劳动强度，提高生产率。

（二）针对球面加工的几种走刀方式

1.该零件其他部分的加工，这里不再详述;而对球面部分的加工，必须分成两步：粗加工和精加工。

（1）粗加工

首先采用等高线粗加工刀具直径8 mm的立铣刀，留0.2 mm的精加工余量。

生成该刀路需要一个完整的球面及一个边界线，而此零件有一个18 mm宽、10 mm深的槽，影响了球面的完整性，从而影响刀路的生成。

解决办法;

①先删除挖槽部分，保证球面的完整性，以便于生成刀路。

②在三维空间内，XZ平面内画一截面线及一旋转轴，然后用曲面工具，旋转生成一球面。

从而可以生成等高线的刀路。

等高线刀路的特点：通用性强，但刀路生成时计算时间较长，程序较长较大（113K，约占整个零件加工程序的20%），机床加工效率明显受影响。

（2）精加工

①采用等高线精加工，使用？椎6的球头刀，刀路图略。

经查实相关数据，等高线精加工程序（286K）相当大，走刀的时间相当长，而其加工的表面粗糙度明显不好。

②采用参数线精加工，使用？椎6的球头刀，刀路图略。

经查实相关数据，参数线精加工程序（393K）相当大，比等高线精加工（286K）大的多，走刀的时间也更长，但加工的表面粗糙度明显较好，符合该零件的加工质量要求，特别是表面粗糙度的要求。

③采用轮廓导动精加工，使用？椎6的球头刀，刀路图略。

经查实相关数据，轮廓导动精加程序（6.67K）极小，程序段的段数（360行）也非常少，约占等高线精加工程序（286K）的2.3%，程序行数（12305行）;约占参数线精加工程序（393K）的1.6%，程序行数（16804行）。

其次，再比较程序的内容，轮廓导动精加工所产生的程序中出现的是G00、G01、G02或G03（由加工方向决定）;而等高线精加工，参数线精加工等所产生的程序中出现的全是G00、G01，也就是说它的刀路是由小段小段的直线拟合而成，而轮廓导动精加工则是由一圈一圈的圆弧拟合而成。从而计算机的运算量完全不同，机床加工起来，效率完全不一样，但其加工的表面质量也完全可以达到图纸的要求。

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三种加工刀路程序长度的对比图

综上所述，现实的数控加工中，很多种加工方法都可以达到图纸所需的要求，各种刀路都有自己的优势与不足，为高质量、高效率地加工工件，必须不断总结经验，不断优化程序。

2.球面加工部分的工艺参数如下：

数控加工工艺卡片

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数控铣削加工中，要高质量、高效率地加工零件，获得更高的经济效益，除了技术工人的经验、细心的对刀外，程序的优化、刀路的选择至关重要。正如本文所述球面零件加工的几种刀路，加工效率与加工质量明显不同，所带来的经济效益也是可想而知的。随着数控技术的不断发展，对编程人员、对技术工人的要求将会越来越高，这就对我们提出了新的要求：在做中學，在学中做，活到老，学到老。

参考文献：

[1]张方阳.数控铣床编程与竞技[M].武汉：华中科技大学出版社，2011.

[2]罗军，杨国安.CAXA制造工程师项目教程[M].机械工业出版社，2018.

◎编辑 张 慧