刘春亮
航空工业哈尔滨飞机工业集团有限责任公司 黑龙江省哈尔滨市 150000
摘要：凸模类零件在生产中广泛存在，基于此，本文探讨了典型凸模零件数控加工工艺与设计。
关键词：凸模；零件；数控加工；设计
在凸模零件工艺分析的基础上，设计了该零件的数控加工工艺，编制了抛物线轮廓加工程序。将编制的凸模零件加工程序输入数控铣床后，进行了程序校验、试加工与优化。结果表明，该数控工艺方案正确、合理，程序运行平稳，可保证零件加工精度，缩短加工时间，对同类零件的数控加工工艺设计具有借鉴意义。
一、数控加工简介
数控加工是指在数控机床上进行零件加工的一种工艺方法，数控机床加工与传统机床加工的工艺规程从总体上一致，但也发生了明显变化。用数字信息控制零件和刀具位移的机械加工方法。它是解决零件品种多变、批量小、形状复杂、精度高等问题，以及实现高效化和自动化加工的有效途径。
二、零件工艺性
某凸模零件毛坯为长方体，外形尺寸为95mm×95mm×25mm，材料45钢，切削性能较好，单件小批生产，未注表面粗糙度为Ra3.2μm，未注圆角半径为R5。该零件由平面、带抛物线的凸台外轮廓、倾斜矩形腔、均布三角形槽及孔结构组成，结构较复杂，具有典型性。考虑到该零件为单件小批生产，加工内容多且精度要求高，因此适合采用数控铣床加工。
该零件工艺为：①凸台抛物线外廓尺寸65±0.02 mm和mm精度要求高，需分粗、精加工来保证尺寸精度，其中抛物线是编程的难点；②倾斜矩形槽尺寸40±0.02mm和mm精度要求高，因而需分粗、精加工，编程时可采用刀具补偿功能和坐标旋转指令简化编程；③尺寸φ的沉孔加工精度要求高，普通机加工一般采用定心钻钻孔→钻孔→扩孔→粗镗→精镗孔的加工方案，为减少换刀次数和刀具成本，充分发挥数控机床性能，确定采用以铣代镗的新方法精加工该沉孔，因此最终确定该沉孔加工方案为定心钻钻孔→钻孔→扩孔→半精铣→精铣；④2-φ通孔精度要求高，为保证加工精度，该孔加工需从小到大逐步加工到位，因此确定的加工方案为定心钻钻孔→钻孔→扩孔→铰孔；⑤3个均布的三角形槽由于加工精度要求不高，确定加工方案为粗铣→精铣。
三、零件工艺路线的拟定
基于零件的工艺性分析，考虑到工序集中、先面后孔及先粗后精的工艺原则，确定该零件工艺路线有6道工序。①铣六面。工序内容为采用数控铣床铣毛坯4个侧面和上下平面，保证外形尺寸90mm×90mm×20mm和对面平行、邻面垂直。②钻、扩孔。内容为采用数控铣床在凸模顶面上钻3-φ3mm定心孔，钻3-φ9.9mm通孔，并扩φmm孔，将其孔径尺寸由φ9.9mm加工至φ20mm。③凸台抛物线外廓和沉孔加工。内容为粗、精铣凸台抛物线外廓，以铣代镗的加工方法半精铣、精铣沉孔φ。④斜矩形槽和三角形槽加工。内容为粗、精铣斜矩形槽，粗、精铣3个三角形槽。⑤铰孔。内容为机动铰削2-φ两个通孔。
四、数控加工工序的设计
1、数控机床的选择。根据数控车间现有设备情况和零件毛坯的外形尺寸95mm×95mm×25mm，选择机床型号为VM600立式数控铣床。
2、工件的装夹。其主要解决零件定位和夹紧问题，由于该零件生产类型为单件小批，且形状为长方体，因而选择精密平口钳装夹。零件铣五面后装夹时，其下底面与垫块接触，零件后侧面与固定钳口接触，用活动钳口夹紧零件，并通过零件中心对刀建立工件坐标系与机床坐标系间的位置关系。
3、刀具的选择。刀具的选用主要取决于被加工零件的形状、材料和机床性能。①铣六面。平面一般采用端铣刀和立铣刀加工，端铣刀用于大平面铣削，刀材为硬质合金，而立铣刀用于小平面加工，刀材为高速钢。由于该零件六平面尺寸小，因此选择直径D16mm的立铣刀。②钻、扩孔。钻孔类加工为定尺寸加工，即加工孔的直径与刀具直径一样大小。刀具材料选为高速钢，刀具规格为钻中心孔选择直径D3mm的定心钻，扩孔加工分别选择直径D9.9mm和D20mm的麻花
钻头。③凸台抛物线外廓和沉孔φ加工。凸台外廓由于无内凹轮廓，从理论上讲选任意大小直径的刀具加工均可；沉孔的圆形轮廓属于内凹轮廓，选择的刀具半径要求不大于沉孔半径12.5mm，并考虑到减少刀具的规格，粗、精加工均选择与六面铣同一把刀具。④斜矩形槽和三角形槽加工。由于斜矩形槽和三角形槽的拐角半径均为R5mm，拐角属于内凹轮廓，因此选择的刀具直径要不大于R5mm；再考虑到斜矩形槽的粗加工走刀路线，刀具先沿旋转后的坐标系从P1到P2满刀加工一刀，建立刀具半径左补偿，再沿矩形轮廓走一圈加工，最后由P2返回到P11,取消刀具半径左补偿，由此可确定该走刀路线加工不留残料的最小刀具半径R=矩形槽宽度/6=25/6≈4.17mm，由此可知，刀具半径应满足4.17 mm≤R刀≤5mm。本设计选择刀具半径R5mm的键槽铣刀，键槽铣刀的特点是切削底刃过中心点，可直接在实体上Z轴进刀。⑤铰孔。选择直径D10mm铰刀。
五、零件加工程序的编制
数控加工程序的编制一般经工件坐标系的建立、走刀路线的设计、基点/节点坐标的确定、程序代码的编写等环节。本文分析与研究编程难点抛物线轮廓的编程，抛物线编程方法有自动编程和宏程序编程，鉴于自动编程必须建模且编制的程序冗长、可读性差、精度控制能力差、柔性差，而宏程序可克服上述缺点，因此确定抛物线采用宏程序编程法。
1、工件坐标系的建立。该零件XY轴零点确定在工件的对称中心，Z轴零点在零件的上平面，建立的工件坐标系如图1所示。
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2、走刀路线的设计。凸台抛物线轮廓采用G41指令编程，其粗、精加工只需改变刀具半径补偿号D01和切削用量即可，简化了编程。采用G41指令编程对应的外轮廓走刀路线为顺时针，相应的切削方式为顺铣，顺铣加工能保证加工质量、延长刀具使用寿命，一般优先选用，只有在工件有硬皮时才选择逆铣。考虑零件加工精度和方便编程，走刀路线的切入切出路径采用径向方式。因此，设计的走刀路线为A1→A2→A3→A4→A5→A6→A2→A1。
3、基点/节点坐标的确定。通过CAD查询法得到：图1的抛物线外廓走刀路线基点坐标为A1(55,0)、A2(27,0)、A3(27,-30)、A4(-4.5,-30)、A5(3.625,35)、A6(27,35)。
图1中走刀路线上A4点到A5点为抛物线，其节点坐标确定的算法为：抛物线的焦距P为20,顶点坐标为(-27,0)，抛物线方程为y2=f(x)=40×(x+27)，里选取y为自变量，y∈[-30,35]，则x为因变量，由抛物线方程可推得因变量x计算公式为x=f(y)=-27+y2/40。为实现该抛物线的加工，本设计采用等间距法直线段逼近抛物线，即将Y坐标轴划分成相等的间距Δy，如图1所示，根据上述方程x=f(y)=-27+y2/40，可由Yi求得Xi，Xi+1=f(Yi+Δy)。如此即可求得一系列节点坐标值。在粗加工时，Δy应取较大值，以提高机床加工效率；精加工时Δ应取较小值，以提高零件表面质量。
4、加工程序的编写。加工程序的编写即是将上述内容代码化，编制的参考程序为O0003。粗、精加工时只需修改D01值和切削用量即可，粗加工D01为8.5mm，精加工D01理论上为R8mm，实际加工时需根据实测结果来修正。
参考文献：
[1]罗友兰.数控加工工艺设计与程序编制[M].北京:人民邮电出版社,2016.
[2]吴陈艳.基于宏程序的正切曲线加工研究[J].煤矿机械,2018(08).