數控車削加工技術 教案 項目八 內孔切削工藝及編程

PAGEPAGE12數控車削加工技術課程教案授課時間第周授課方式（請打√）□講授□上機□實驗/訓□其它課時安排授課題目（章節(jié)或單位課時）：項目八內孔切削工藝及編程教學目的與要求（分了解、熟悉、掌握三個層次）：1.了解軸套類零件工藝結構的作用；2.掌握軸套類零件常見的表達方法；3.掌握軸套類零件的尺寸及技術要求的標注方法；教學重點與難點：1.掌握軸套類零件的尺寸及技術要求的標注方法；2.掌握復合內孔切削循環(huán)指令G71的格式及應用。教學內容備注8.1內孔車削工藝任務導入：車削加工圖8.1所示隔套加工案例。圖8.1軸套隔套加工案例零件說明：該隔套加工案例零件材料為45＃鋼，毛坯尺寸為φ64mm×23mm，試制10件，隔套內孔已用鉆床鉆孔至φ35mm。8.1.1完成工作任務需掌握的相關知識：1.套類零件的加工工藝特點及毛坯選擇1）套類零件的工藝特點套類零件在機器中主要起支承和導向作用，一般主要由有較高同軸度要求的內外圓表面組成。一般套類零件的主要技術要求是:(1)內孔及外圓的尺寸精度、表面粗糙度以及圓度要求；(2)內外圓之間的同軸度要求；(3)孔軸線與端面的垂直度要求。薄壁套類零件壁厚很薄，徑向剛度很弱,在加工過程中受切削力、切削熱及夾緊力等因素的影響，極易變形，導致以上各項技術要求難以保證。裝夾加工時,必須采取相應的預防糾正措施，以免加工時引起工件變形，或因裝夾變形加工后變形恢復，造成已加工表面變形，加工精度達不到圖紙技術要求。2）加工套類零件的加工工藝原則(1)粗、精加工應分開進行。(2)盡量采用軸向壓緊，如采用徑向夾緊應使徑向夾緊力分布均勻。(3)熱處理工序應安排在粗、精加工之間進行。(4)中小型套類零件的內外圓表面及端面，應盡量在一次安裝中加工出來。(5)在安排孔和外圓加工順序時，應盡量采用先加工內孔，然后以內孔定位加工外圓的加工順序。(6)車削薄壁套類零件時，車削刀具選擇較大的主偏角，以減小背向力，防止加工工件變形。3）毛坯選擇套類零件的毛坯主要根據零件材料、形狀結構、尺寸大小及生產批量等因素來選?？讖捷^小時，可選棒料，也可采用實心鑄件；孔徑較大時，可選用帶預孔的鑄件或鍛件，壁厚較小且較均勻時，還可選用管料。2.套類零件的定位與裝夾方案1）套類零件的定位基準選擇套類零件的主要定位基準為內外圓中心。2）套類零件的裝夾方案(1)套類零件的壁厚較大,零件以外圓定位時，可直接采用三爪卡盤裝夾，零件軸向尺寸較小時，可與已加工過的端面組合定位裝夾，如采用反爪裝夾；工件較長時可加頂尖裝夾，再根據工件長度，是否再加中心架或跟刀架，采用“一夾一托”法裝夾。(2)套類零件以內孔定位時，可采用心軸裝夾（圓柱心軸、可脹式心軸）；當零件的內、外圓同軸度要求較高時，可采用小錐度心軸裝夾。當工件較長時，可在兩端孔口各加工出一小段60度錐面，用兩個圓錐對頂定位裝夾。(3)當套類零件壁厚較小時，也即薄壁套類零件，直接采用三爪卡盤裝夾會引起工件變形，可采用軸向裝夾、剛性開縫套筒裝夾和圓弧軟爪裝夾等辦法。軸向裝夾法軸向裝夾法也就是將薄壁套類零件由徑向夾緊改為軸向夾緊，如圖8.2所示：圖8.2工件軸向夾緊示意圖剛性開縫套筒裝夾法薄壁套類零件采用三爪自定心卡盤裝夾，如圖8.3所示，零件只受到三個爪的夾緊力，夾緊接觸面積小，夾緊力不均衡，容易使零件發(fā)生變形。圖8.3薄壁套裝夾示意圖采用圖8.4所示的剛性開縫套筒裝夾，夾緊接觸面積大，夾緊力較均衡，不容易使零件發(fā)生變形。圖8.4剛性開縫套筒裝夾示意圖圓弧軟爪裝夾法當被加工薄壁套類零件以三爪卡盤外圓定位裝夾時，采用內圓弧軟爪裝夾定位工件方法如前所述。當被加工薄壁套類零件以內孔（圓）定位裝夾（漲內孔）時，可采用外圓弧軟爪裝夾，在數控車床上裝刀根據加工工件內孔大小自車外圓弧軟爪，如圖8.5所示：圖8.5數控車自車加工外圓弧軟爪加工軟爪時要在與使用時相同的夾緊狀態(tài)下進行車削，以免加工過程中松動和由于卡爪反向間隙而引起定心誤差，車削時，要在靠卡盤處夾適當的圓盤料，以消除卡盤端面螺紋的間隙。自車加工的三外圓弧軟爪所形成的外圓弧直徑大小應比用來定心裝夾的工件內孔直徑略大一點。3.加工套類零件的常用夾具加工中小型套類零件的常用夾具有：手動三爪卡盤、液壓三爪卡盤和心軸等；加工中大型套類零件的常用夾具有：四爪卡盤和花盤，這些夾具在前面已識別并熟悉不再贅述，這里再介紹加工中小型套類零件常用的彈簧心軸夾具。當工件用已加工過的孔作為定位基準，并能保證外圓軸線和內孔軸線的同軸度要求時，常采用彈簧心軸裝夾。這種裝夾方法可保證工件內外表面的同軸度，較適合用于批量生產。彈簧心軸（又稱漲心心軸）既能定心，又能夾緊，是一種定心夾緊裝置。彈簧心軸一般分為直式彈簧心軸和臺階式彈簧心軸。1）直式彈簧心軸直式彈簧心軸如圖8.6所示，它的最大特點是直徑方向上膨脹較大，可達1.5mm-5mm。圖8.6直式彈簧心軸2）臺階式彈簧心軸臺階式彈簧心軸如圖8.7所示，它的膨脹量較小，一般為1.0mm-2.0mm。圖8.7臺階式彈簧芯軸8.1.2隔套加工案例裝夾方案該隔套加工案例零件主要由有一定同軸要求的內外圓表面組成，是典型的套類零件。套類零件在加工過程中受切削力、切削熱及夾緊力等因素的影響，極易變形，必須采取相應的預防糾正措施。該套類零件壁厚10mm，長度20mm，不算太薄，零件剛性還可以，但因工件有形位精度要求，還是要考慮零件裝夾時的夾緊變形?；谏鲜銮闆r，該案例零件裝夾采用圓弧軟爪裝夾法，在數控車床上裝刀根據工件內孔大小和外圓大小自車外圓弧軟爪和內圓弧軟爪，分別用于漲緊工件內孔和夾緊工件外徑，用自車軟爪加工出的軟爪軸向臺階面軸向定位裝夾。加工時先用內圓弧軟爪裝夾工件外圓，車右端面、內孔及倒角，再用外圓弧軟爪漲緊工件內孔，車左端面、外圓及倒角，保證零件的形位精度要求。8.2內孔加工方法8.2.1鉆孔用鉆頭在實體材料上加工孔的方法，稱為鉆孔。鉆削時，工件固定，鉆頭安裝在主軸上做旋轉運動(主運動)，鉆頭沿軸線方向移動(進給運動)。在實體上鉆孔刀具有普通麻花鉆、可轉位淺孔鉆及扁鉆等。1．實體上鉆孔加工刀具（1）麻花鉆麻花鉆是一種使用量很大的孔加工刀具。鉆頭主要用來鉆孔，也可用來擴孔。麻花鉆如圖8.8(a)所示，柄部用于裝夾鉆頭和傳遞扭矩,工作部分進行切削和導向。圖8.8麻花鉆=1\*GB3①柄部:根據柄部不同，麻花鉆有莫氏錐柄和圓柱柄兩種。直徑為0.1～20㎜的麻花鉆多為圓柱柄，可裝在鉆夾頭刀柄上(如圖8.8a所示)。直徑為8～80mm的麻花鉆多為莫氏錐柄，可直接裝在帶有莫氏錐孔的刀柄內，刀具長度不能調節(jié)(如圖8.8b所示)。中等尺寸麻花鉆兩種形式均可選用。=2\*GB3②工作部分工作部分又分為導向部分及切削部分。導向部分:麻花鉆導向部分起導向、修光、排屑和輸送切削液作用，也是切削部分的后備。切削部分:如圖8.8d所示：麻花鉆的切削部分有兩個主切削刃、兩個副切削刃和一個橫刃。兩個螺旋槽是切屑流經的表面，為前刀面；與孔底相對的端部兩曲面為主后刀面；與孔壁相對的兩條刃帶為副后刀面。為了提高麻花鉆鉆頭剛性，應盡量選用較短的鉆頭，但麻花鉆的工作部分應大于孔深，以便排屑和輸送切削液。圖8.9鉆引正孔刀具（2）鉆引正孔刀具在加工中心上鉆孔，因無夾具鉆模導向，受兩切削刃上切削力不對稱的影響，容易引起鉆孔偏斜，因此一般鉆深控制在直徑的5倍左右之內。一般在用麻花鉆鉆削前，要先用中心鉆，或剛性好的短鉆頭，打引正孔，用以準確確定孔中心的起始位置，并引正鉆頭，保證Z向切削的正確性。如圖8.9所示刀具為常用于鉆削引正孔的刀具，圖8.9a是中心孔鉆頭，圖8.9b刀尖角為一定角度的點鉆，圖8.9c是球頭銑刀，球頭面上具有延伸到中心的切削刃。引正孔鉆到指定深度后，不宜直接抬刀，而應有孔底暫停的動作，對引導面進行修磨（常常用G82循環(huán)加工引正孔）。（3）供應冷卻液的鉆頭在實體材料上加工孔時，鉆頭處于封閉的狀態(tài)下進行切削，傳熱、散熱困難，為此，一些鉆削刀具設計成鉆頭切削部為耐高溫的硬質合金，并且鉆頭設計有一個或兩個從刀柄通向切削點的孔，供應冷卻液，鉆頭工作時，壓縮空氣、油或切削液要流入鉆頭。這種設計使得鉆頭在排屑的同時，切削點和工作區(qū)域得到冷卻。鉆深孔時這種鉆頭特別有用。供應冷卻液的鉆頭，見圖8.10(a)。（4）扁鉆扁鉆由于結構簡單、剛性好及制造成本低，近年來在自動線及數控機床上也得到廣泛應用。圖8.10硬質合金刀尖鉆頭、扁鉆、可轉位硬質合金鉆頭整體式扁鉆主要用于加工小尺寸的淺孔，特別是加工φ0.03～O.5mm的微孔。裝配式扁鉆，見圖8.10(b)，由兩部分組成：扁鉆刀桿和用鏍釘安裝到刀桿的扁鉆刀片，用于加工大尺寸的淺孔。一般來說，當鉆直徑超過25mm的淺孔時，扁鉆要比麻花鉆更具優(yōu)勢。因為標準裝配式扁鉆刀桿可適用于多種刀片直徑，扁鉆上的磨損刀片可以重新磨刃，也可以直接更換新刀片。扁鉆刀片有齒槽結構，起到斷屑作用，有利于切屑的排除。扁鉆鉆孔時彎曲較小，因此加工出的孔精度會更高。扁鉆往往通過一次進給就加工出孔，不需要鉆中心孔或通過多次鉆孔來逐漸擴大孔尺寸。為合理地使用扁鉆，用扁鉆鉆孔時機床提供的扭矩要比用標準麻花鉆鉆孔時所用扭矩高50％以上，同時，還需要提高工藝系統(tǒng)剛度。大多數扁鉆鉆孔時，需要有流向刀具的冷卻液，以便散熱并排屑。因此，扁鉆通常需要有高壓冷卻系統(tǒng)。扁鉆的鉆孔深度受到一定的限制，不適合用于較深孔的加工，這是因為扁鉆上沒有用于排屑的鏍旋槽。（5）可轉位硬質合金鉆頭可轉位硬質合金刀片鉆頭，見圖8.10(c)，代表了CNC鉆孔技術發(fā)展的最新成就?？赊D位硬質合金刀片鉆頭有時用來代替高速鋼麻花鉆，其鉆孔速度要比高速鋼麻花鉆的鉆孔速度高很多，適用于鉆直徑為16～80mm的孔?？赊D位硬質合金刀片鉆頭具有扁鉆的全部優(yōu)點，同時還可以更換(或換位)刀片。用這種鉆頭鉆孔時的進給速度可以是麻花鉆或扁鉆的5～10倍。鉆頭的剛性很好，可保證鉆孔的精度，有易于排屑的容屑槽，孔加工質量好，表面粗糙度一般可達Ra6.3～3.2μm。硬質合金刀片鉆頭需要較大的加工功率和流向刀具的高壓冷卻系統(tǒng)。硬質合金刀片還允許加工較硬的材料。用可轉位硬質合金刀片鉆頭在實體工件上鉆孔，加工孔的長徑比宜控制在4︰1以內。1）實體上鉆孔加工特點、方法在實體材料上加工孔時，鉆頭是在半封閉的狀態(tài)下進行切削的，散熱困難，切削溫度較高，排屑又很困難。同時切削量大，需要較大的鉆削力，鉆孔容易產生振動，容易造成鉆頭磨損?？准庸ぞ容^低。在工件實體鉆孔，一般先加工孔口平面，再加工孔，刀具在加工過的平面上定位，穩(wěn)定可靠，孔加工的編程數據容易確定，并能減小鉆孔時軸線歪斜程度。在加工中心上，用麻花鉆鉆削前，要先打引正孔，避免兩切削刃上切削力不對稱的影響，防止鉆孔偏斜。對鉆削直徑較大的孔和精度要求較高的孔，宜先用較小的鉆頭鉆孔至所需深度Z，再用較大的鉆頭進行鉆孔，最后用所需直徑的鉆頭進行加工，以保證孔的精度。在進行較深的孔加工時，特別要注意鉆頭的冷卻和排屑問題，一般利用深孔鉆削循環(huán)指令G83進行編程，可以工進一段后，鉆頭快速退出工件進行排屑和冷卻，再工進，再進行冷卻斷續(xù)進行加工。2）選擇鉆削用量的原則在實體上鉆孔時，背吃刀量由鉆頭直徑所定，所以只需選擇切削速度和進給量。對鉆孔生產率的影響，切削速度和進給量是相同的；對鉆頭壽命的影響．切削速度比進給量大；對孔的粗糙度的影響，進給量比切削速度大。綜合以上的影響因素，鉆孔時選擇切削用量的基本原則是；在保證表面粗糙度前提下，在工藝系統(tǒng)強度和剛度的承受范圍內，盡量先選較大的進給量，然后考慮刀具耐用度、機床功率等因素選用較大的切削速度。⑴切削深度的選擇：直徑小于30mm的孔一次鉆出；直徑為30～80mm的孔可分為兩次鉆削，先用(0.5～0.7)D的鉆頭鉆底孔(D為要求的孔徑)，然后用直徑為D的鉆頭將孔擴大。這樣可減小切削深度，減小工藝系統(tǒng)軸向受力，并有利于提高鉆孔加工質量。⑵進給量的選擇：孔的精度要求較高和粗糙度值要求較小時，應取較小的進給量；鉆孔較深、鉆頭較長、剛度和強度較差時，也應取較小的進給量。⑶鉆削速度的選擇：當鉆頭的直徑和進給量確定后，鉆削速度應按鉆頭的壽命選取合理的數值，孔深較大時，鉆削條件差，應取較小的切削速度。高速鋼麻花鉆的進給量選用可參考表8.1；高速鋼麻花鉆的切削速度選用可參考表8.2。表8.1高速鋼麻花鉆的推薦進給量鉆頭直徑鋼σb／MPa鑄鐵／HB900以下900～11001100以上<170>170進給量㎜／r進給量㎜／r20.025～0.050.02～O.04O.015～0.0340.045～0.090.04～O.070.025～0.0560.080～0.16O.055～0.110.045～0.0980.10～0.200.07～O.14O.06～0.12100.12～0.25O.10～0.19O.08～0.150.25～0.450.20～0.35120.14～0.28O.11～0.210.09～O.170.30～0.500.20～0.3516O.17～0.34O.13～0.25O.10～0.200.35～0.60O.25～0.40200.20～O.390.15～0.290.12～0.230.40～0.700.25～0.40230.45～0.800.30～0.45240.22～0.430.16～0.320.13～0.26260.50～0.850.35～0.5028O.24～0.49O.17～0.34O.14～0.28290.50～O.900.40～0.60300.25～0.50O.18～0.360.15～0.3035O.27～0.540.20～0.40O.16～0.32表8.2高速鋼麻花鉆的推薦切削速度加工材料硬度／HB切削速度vm/s(m/min)低碳鋼100～125125～175175～2250.45(27)0.40(24)0.35(21)中、高碳鋼125～175175～225225～275275～3250.37(22)0.33(20)0.25(15)0.20(12)合金鋼175～225225～275275～325325～3750.30(18)0.25(15)0.20(12)0.17(10)高速鋼200～2500.22(13)灰鑄鐵100～140140～190190～220220～260260～3200.55(33)0.45(27)0.35(21)0.25(15)0.15(9)鋁合金、鎂合金1.25～1.50(75～90)銅合金0.33～0.80(20～48)3）鉆孔時的冷卻和潤滑鉆孔時，由于加工材料和加工要求不一，所用切削液的種類和作用也不一樣。⑴鉆孔一般屬于粗加工，又是半封閉狀態(tài)加工，摩擦嚴重，散熱困難，加切削液的目的應以冷卻為主。⑵在高強度材料上鉆孔時，因鉆頭前刀面要承受較大的壓力，要求潤滑膜有足夠的強度，以減少摩擦和鉆削阻力。因此，可在切削液中增加硫、二硫化鉬等成分，如硫化切削油。⑶在塑性、韌性較大的材料上鉆孔，要求加強潤滑作用，在切削液中可加入適當的動物油和礦物油。⑷孔的精度要求較高和表面粗糙度值要求很小時，應選用主要起潤滑作用的切削液。8.2.2擴孔用擴孔工具(如擴孔鉆)擴大工件鑄造孔和預鉆孔孔徑的加工方法稱為擴孔。用擴孔鉆擴孔，可以是為鉸孔作準備，也可以是精度要求不高孔加工的最終工序。鉆孔后進行擴孔，可以校正孔的軸線偏差，使其獲得較正確的幾何形狀與較小的表面粗糙度值。擴孔的加工經濟精度等級為IT10～IT11，表面粗糙度Ra值為6.3～3.2μm。1．用麻花鉆擴孔如果孔徑較大或孔面有一定的表面質量要求，孔不能用麻花鉆在實體上一次鉆出，常用直徑較小的麻花鉆預鉆一孔，然后用修磨的大直徑麻花鉆進行擴孔。由于擴孔時避免了麻花鉆橫刃切削的不良影響，擴孔時可適當提高切削用量，同時，由于吃刀量的減小，使切屑容易排出，孔的粗糙度可減小。用麻花鉆擴孔時，擴孔前的鉆孔直徑為所擴孔徑的50％～70％，擴孔時的切削速度約為鉆孔的1／2，進給量為鉆孔的1.5～2倍。2.用擴孔鉆擴孔為提高擴孔的加工精度，預鉆孔后，在不改變工件與機床主軸相互位置的情況下，換上專用擴孔鉆進行擴孔。這樣可使擴孔鉆的軸心線與已鉆孔的中心線重合，使切削平穩(wěn)，保證加工質量。擴孔鉆對已有的孔進行再加工時，其加工質量及效率優(yōu)于麻花鉆。圖8-11擴孔鉆專用擴孔鉆通常有3～4個切削刃，主切削刃短，刀體的強度和剛度好，導向性好，切削平穩(wěn)。擴孔鉆刀體上的容屑空間可通暢地排屑，因此可以擴盲孔。對于在原鑄孔、鍛孔上進行擴孔，為提高質量，可先用鏜刀鏜出一段直徑與擴孔鉆相同的導向孔，然后再進行擴孔。這樣可使擴孔鉆在一開始進行擴孔時就有較好的導向，而不會隨原有不正確的孔偏斜。擴孔鉆的結構有高速鋼整體式，見圖8.11(a)；鑲齒套式，見圖8.11(b)；鑲硬質合金套式，見圖8.11(c)。3．擴孔的余量與切削用量擴孔的余量一般為孔徑的1／8左右，對于小于φ25mm的孔，擴孔余量為1～3mm、較大的孔為3～9mm。擴孔時的進給量大小主要受表面質量要求限制，切削速度受刀具耐用度的限制8.2.3鉸孔鉸孔是孔的精加工方法之一，鉸孔的刀具是鉸刀。鉸孔的加工余量小(粗鉸為O.15～0.35mm，精鉸為0.05～0.15mm)，鉸刀的容屑槽淺，剛性好，刀刃數目多(6～12個)，導向可靠性好，刀刃的切削負荷均勻。鉸刀制造精度高，其圓柱校準部分具有校準孔徑和修光孔壁的作用。鉸孔時排屑和冷卻潤滑條件好，切削速度低(精鉸2～5m／min)，切削力、切削熱都小，并可避免產生積屑瘤。因此，鉸孔的精度可達IT6～IT8；表面粗糙度值為Ra1.6～0.4μm。鉸孔的進給量一般為0.2～1.2mm／r，約為鉆孔進給的3～4倍，可保證有較高的生產率。鉸孔直徑一般不大于80mm。鉸孔不能糾正孔的位置誤差，孔與其他表面之間的位置精度，必須由鉸孔前的加工工序來保證。8.3典型內孔車削編程任務導入:已知粗車切深為4mm，余量在X軸方向為1.0mm（mm值），Z軸方向為2.0mm，試用粗車循環(huán)加工指令G71完成下圖零件的加工。圖8.12階梯孔1.簡單工藝編制1）車端面粗車毛坯右端面，建立工件坐標系。2）粗車內孔粗車時主軸轉速S設為300r/min，進給速度F設為50mm/min，被吃刀量設為1mm。3）精車內孔精車時主軸轉速S設為500r/min，進給速度F設為30mm/min，被吃刀量設為0.5mm。2.程序清單表8.3程序表數控車床程序卡編程原點工件右端面與軸線交點編寫日期零件名稱階梯孔零件圖號圖8.12材料45#車床型號CJK6240夾具名稱三爪卡盤實訓車間數控中心程序號O0073編程系統(tǒng)FANUC0-TD序號程序簡要說明N010G50X200Z200；建立工件坐標系N020M03S500T0101；主軸正轉，選擇1號外圓刀N030G99進給速度設為mm/rN040G00X42.0Z2.0；粗車循環(huán)起點N060G71W1.0R0.5；調用粗車循環(huán)，每次切深1mm，留精加工余量單邊0.5mmN070G71P80Q180U0.5W0.5F0.2；N080G01X44Z-20.F0.15S800；進給加工至（X44，Z-20）的位置N090X34.0Z-20.；進給加工至（X34，Z-20）的位置N100Z-40.0；進給加工至（X34，Z-40）的位置N110G03X20Z-47.0R7；進給加工至（X20，Z-47）的位置N130G01Z-57.0；進給加工至（X20，Z-57）的位置N150G02X10.0Z-62.0R5；進給加工至（X10，Z-62）的位置N160G01Z-80.0；進給加工至（X10，Z-80）的位置N170G01X8Z-82.0；進給加工至（X8，Z-82）的位置N180X6.0Z2.0退刀N190G70P80Q170；精車循環(huán)N200G00X100.0Z100.0；回換刀點N210M30；程序結束8.4薄壁結構零件加工工藝任務導入：圖8.13套筒薄壁工件因為具有重量輕、節(jié)約材料、結構緊湊等特點，薄壁零件已日益廣泛地應用在各工業(yè)部門。但薄壁零件的加工是比較棘手的，原因是薄壁零件剛性差、強度弱，在加工中極容易變形，不易保證零件的加工質量。

薄壁零件的加工問題，一直是較難解決的。薄壁件目前一般采用數控車削的方式進行加工，為此要對工件的裝夾、刀具幾何參數、程序的編制等工藝分析方面進行試驗，合理的選擇加工方法從而有效地克服了薄壁零件加工過程中出現的變形，保證加工精度。8.4.1零件圖分析?該零件圖是薄壁套類零件由外圓、內孔組成。尺寸標注完整，表面粗糙度為1.6，選用毛坯是45＃鋼。毛坯尺寸Φ35mm×50mm,表面無熱處理等要求。8.4.2確定加工方法確定加工方法的原則是保證加工表面加工精度和表面粗糙度。薄壁類零件應按