第4章 加工中心工艺设计
4.1 加工中心的工艺特点
1. 加工中心的工艺特点
加工中心集铣、钻、镗、铰、攻螺纹等功能于一身，综合加工能力强。显著的工艺特点有如下一些：
(1)能减少工件的装夹次数，从而减少多次装夹带来的定位误差，提高加工精度； (2)能减少装卸工件的辅助时间，节省大量的专用和通用工艺装备，降低生产成本； (3)能减少机床数量，并相应减少操作工人，并节省占地面积； (4)能减少周转次数和运输工作量，缩短生产周期； (5)在制品数量少，简化了生产调度和管理；
(6)在进行工艺设计时要避免干涉问题；
(7)夹具必须能适应粗、精加工的要求，并且夹紧变形要尽可能的小； (8)切屑处理要及时；
(9)在将毛坯加工为成品的过程中，内应力因不能进行时效而难以消除；
(10)技术复杂，对使用、维修、管理要求较高，要求操作者具有较高的技术水平； (11)加工中心一次性投资大，还需配置其它辅助装置，如刀具预调设备、数控工具系统或三坐标测量机等，机床的加工工时费用高，如果零件选择不当，会增加加工成本；
(12)由于采用自动换刀和自动回转工作台进行多工位加工，决定了卧式加工中心只能进行悬臂加工，所以应尽量使用刚性好的刀具，并解决刀具的振动和稳定性问题。另外，由于加工中心是通过自动换刀来实现工序或工步集中的，因此受刀库、机械手的限制，刀具的直径、长度、重量一般都不允许超过机床说明书所规定的范围。
2.适应于加工中心的零件类型 加工中心适用于复杂、工序多、精度要求较高、需用多种类型普通机床和众多刀具、工装，经过多次装夹和调整才能完成加工的零件，其主要加工对象有以下几类。
(1)有平面和孔系类的零件 加工中心具有自动换刀装置，在一次安装中，可以完成零件上平面的铣削、孔系的钻、镗、铰、铣及攻螺纹等多工步加工；加工的部位可以在一个平面上，也可以不在一个平面上。因此，加工中心的首选加工对象是既有平面又有孔系的零件，如箱体类零件，盘、套、板类零件等。
1)箱体类零件 一般是指具有多个孔系，内部有型腔或空腔，在长、宽、高方向有一定的比例的零件，如图4-1所示。如汽车的发动机缸体、变速箱体、机床的床头箱、主轴箱以及齿轮泵壳体等。
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图4-1 箱体类零件
箱体类零件一般都需要进行孔系、轮廓、平面的多工位加工，公差要求特别是形位公差要求较为严格，通常要经过铣、镗、钻、扩、铰、锪、攻丝等工序，使用的刀具、工装较多，在普通机床上需多次装夹、找正，测量次数多，导致工艺复杂，加工周期长、成本高，更重要的是精度难以保证。这类零件在加工中心上加工，一次装夹可以完成60%～95%的工序内容，零件各项精度一致性好，质量稳定，同时可缩短生产周期，降低生产成本。
当加工工位较多，工作台需多次旋转角度才能完成的零件时，一般选用卧式加工中心。当加工的工位较少，且跨距不大时，可选立式加工中心，从一端进行加工。
2)盘、套、板类零件 是指带有键槽或径向孔，或端面有分布孔系以及有曲面的盘套或轴类零件，如图4-2所示，如带法兰的轴套、带有键槽或方头的轴类零件等；具有较多孔加工的板类零件，如各种电机盖等。
端面有分布孔系，曲面的盘、套、板类零件宜选用立式加工中心，有径向孔的可选用卧式加工中心。
图4-2 盘、套、类零件
(2)复杂曲面类零件
对于由复杂曲线、曲面组成的零件，如凸轮类，叶轮类和模具类等零件，加工中心是加工这类零件的最有效的设备。
1)凸轮类 这类零件有各种曲线的盘形凸轮（如图4-3所示）、圆柱凸轮、圆锥凸轮和端面凸轮等，加工时，可根据凸轮表面的复杂程度，选用三轴、四轴或五轴联动的加工中心。
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图4-3 凸轮
2)整体叶轮类 整体叶轮除具有一般曲面加工的特点外，还有许多特殊的加工难点，如通道狭窄，刀具很容易与加工表面和邻近曲面发生干涉。图4-4所示为某叶轮，它的叶面是一个典型的三维空间曲面，加工这样的型面，一般需采用四轴以上联动的加工中心。
图4-4 叶轮
3)模具类 常见的模具有锻压、铸造，注塑以及橡胶模具等。图4-5所示为连杆及其凹模。采用加工中心来加工模具，由于工序高度集中，动、静模等关键件的精加工基本上是在一次安装中完成全部机加内容，尺寸累积误差及修配工作量小。同时，模具的可复制性强，互换性好。
图4-5所示凹模
对于复杂曲面类零件，在不出现加工过切或加工盲区时，曲面部分一般选择用球头铣刀进行三坐标联动加工，加工精度较高，但效率较低。若工件存在加工过切或加工盲区（如整体叶轮等），就必须使用四坐标或五坐标联动机床。
(3)外形不规则零件 异形件大多数需要进行点、线、面多工位混合加工，如支架、基座、样板、靠模支架等，如图4-6所示。由于异形件的外形不规则，刚性一般较差，夹紧及切削变形难以控制，加工精度难以保证，因此在普通机床上只能采取工序分散的原则加工，需要用较多的工装，周期较长。这时可充分发挥加工中心工序集中，多工位点、线、面混合加工的特点，采用合理的工艺措施，一次或二次装夹，可完成大部分甚
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至全部加工内容。
图4-6 外形不规则零件
(4)周期性投产的零件 工时主要包括基本时间和准备时间。用加工中心加工零件时，准备时间占很大比例，如工艺准备、程序编制、首件试切等。这些时间往往是单件基本时间的几十倍，采用加工中心可以将这些准备时间的内容储存起来，供以后反复使用，这样可大大缩短周期性投产的零件的生产周期。
(5)加工精度要求较高的中小批量零件 针对加工中心加工精度高、尺寸稳定的特点，对加工精度要求较高的中小批量零件，选择加工中心加工，容易获得所要求的尺寸精度和形状位置精度，并可得到很好的互换性。
(6)新产品试制中的零件 在新产品定型之前，需经反复试验和改进。选择加工中心试制，可省去许多通用机床加工所需的试制工装。当零件被修改时，只需修改相应的程序及适当地调整夹具、刀具即可，节省了费用，缩短了试制周期。
4.2加工中心加工工件的安装、对刀与换刀
4.2.1加工中心加工工件的安装
1.加工中心加工定位基准选择
(1)加工中心加工选择定位基准的基本要求
同普通机床一样，在加工中心上加工时，零件的装夹仍然遵循六点定位原则。在选择定位基准时，要全面考虑各个工位的加工情况，满足三个要求：
1)所选基准应能保证工件定位准确，装卸方便、迅速，夹压可靠，夹具结构简单； 2)所选基准与各加工部位间的各个尺寸计算简单； 3)保证各项加工精度。
(2)选择定位基准应遵循的原则
1)尽量选择零件上的设计基准作为定位基准；
2)对定位基准与设计基准不能重合且加工面与其设计基准又不能在一次安装内同时加工的零件，应认真分析装配图纸，确定该零件设计基准的设计功能，通过尺寸链的计算，严格规定定位基准与设计基准间的公差范围，确保加工精度；
3)当无法同时完成包括设计基准在内的全部表面加工时，要考虑用所选基准定位后，通过一次装夹，完成全部关键精度部位的加工；
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4)定位基准的选择要保证完成尽可能多的加工内容；
5)批量加工时，零件定位基准应尽可能与建立工件坐标系的对刀基准重合； 6)必须多次安装时应遵从基准统一原则。
2.加工中心夹具的确定
(1)对夹具的基本要求 加工中心加工时实际上一般只要求有简单的定位、夹紧机构，其设计原理与通用镗、铣床夹具是相同的。基本要求如下:
1)夹紧机构或其它元件不得干涉进给运动，加工部位要敞开。为保持工件在本工序中所有需要完成的待加工面充分暴露在外，夹具要做得尽可能开敞，因此要求夹紧工件后夹具上一些组成件(如定位块、压块和螺栓等)不能与刀具运动轨迹发生干涉。夹紧机构元件与加工面之间应保持一定的安全距离，夹紧机构元件能低则低，以防止与加工中心主轴套筒或刀套、刃具在加工过程中发生干涉。图4-7所示为零件用立铣刀铣削零件的六边形。若用压板机构压住工件的A面，（图中无AB面）则压板易与铣刀发生干涉，若夹压B面，就不影响刀具进给。
图4-7 不影响进给的装夹示例
当在卧式加工中心上对工件的四周进行加工时，若很难安排夹具的定位和夹紧装置，则可以通过减少加工表面来留出定位夹紧元件的空间。图4-8所示为一箱体零件，可利用其内部空间来安排夹紧机构，将其加工表面敞开。
图4-8 敞开加工面的装夹示例
2)为保持零件安装方位与机床坐标系及编程坐标系方向的一致性，夹具应能保证在机床上实现定向安装，还要求能使零件定位面与机床之间保持一定的坐标联系。
3)夹具的刚性和稳定性要好。在考虑夹紧方案时，夹紧力应力求靠近主要支撑点，或在支撑点所组成的三角形内，并靠近切削部位及刚性好的地方，尽量不要在被加工孔的上方。零件在粗加工时，切削力大，需要夹紧力大，但又不能使零件发生变形，因此，
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