超实用的平面及复杂曲面加工

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一、概述
     平面是箱体类零件、盘类零件的主要表面之一，平面加工的技术要求包括：平面本身的精度（例如直线度、平面度），表面粗糙度，平面相对于其它表面的尺寸精度、位置精度（例如平行度、垂直度等）。
     加工平面的方法很多，常用的有铣、刨、车、拉、磨削等方法。铣平面是平面加工最常用的方法。
     刨平面所用机床、工具结构简单，调整方便，通用性好。经粗刨—精刨后，两平面间的尺寸精度可达IT9~IT7级，表面粗糙度Ra可达

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，直线度可达0.04~0.08mm/m ；如果再经过宽刃细刨，刨削质量还可相应提高；但刨削为断续切削，往复运动换向时有较大的惯性冲击，刨削速度比其它切削方式低得多(一般都小于60m/min )，再加上刨平面还有空行程损失，故刨平面的生产效率较低；刨平面只适于在单件小批量生产中应用，尤其适于加工狭长平面，例如床身导轨等。
     平面加工中的车、拉、磨削等加工方法，其工艺特点与前面在外圆表面及孔加工中的论述基本相同。车平面主要用于加工轴、套、盘等回转体零件的端面，端面较大时，一般都在立式车床上加工；在车床上加工端面容易保证端面与轴线的垂直度要求。拉平面是一种加工精度高、生产效率高的先进加工方法，适于在大批大量生产中加工质量要求较高，但面积不大的平面。磨平面更适合于做精加工工作，它能加工淬硬工件。

二、铣平面
     铣削时，铣刀的旋转运动是主运动。

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为背吃刀量（铣削深度），是指平行于铣刀轴线方向测量的切削层尺寸；

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是侧吃刀量（铣削宽度），是指垂直于铣刀轴线方向测量的切削层尺寸；

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为进给速度，是单位时间内工件与铣刀沿进给方向的相对位移量。
     1. 铣削方式
     铣平面有端铣和周铣两种方式，端铣是指用分布在铣刀端面上的刀齿进行铣削的方法；周铣是指用分布在铣刀圆柱面上的刀齿进行铣削的方法。由于端铣的加工质量和生产效率比周铣高，在大批量生产中端铣比周铣用得多。周铣可使用多种形式的铣刀，能铣槽、铣成形表面，并可在同一刀杆上安装几把刀具同时加工几个表面，适用性好，在生产中用得也比较多。
     按照铣平面时主运动方向与进给运动方向的相对关系，周铣有顺铣和逆铣之分。工件进给方向与铣刀的旋转方向相反称为逆铣，工件进给方向与铣刀的旋转方向相同称为顺铣。
顺铣和逆铣各有特点，应根据加工的具体条件合理选择。
     ⑴从切屑截面形状分析　逆铣时，刀齿的切削厚度由零逐渐增加，刀齿切入工件时切削厚度为零，由于切削刃钝圆半径的影响，刀齿在已加工表面上滑擦一段距离后才能真正切入工件，因而刀齿磨损快，加工表面质量较差；顺铣时则无此现象。实践证明，顺铣时铣刀寿命比逆铣高2~3倍  ，加工表面也比较好，但顺铣不宜铣带硬皮的工件。
     ⑵从工件装夹可靠性分析　逆铣时，刀齿对工件的垂直作用力Fv向上，容易使工件的装夹松动；顺铣时，刀齿对工件的垂直作用力Fv向下，使工件压紧在工作台上，加工比较平稳。
     ⑶从工作台丝杠、螺母间隙分析　螺母固定不动，丝杠回转带动工作台(与工件)作进给运动。逆铣 时，工件受到的水平铣削力FH与进给速度vf的方向相反，铣床工作台丝杠始终与螺母接触。顺铣时，工件受到的水平铣削力FH与进给速度vf相同，由于丝杠螺母间有间隙，铣刀会带动工件和工作台连同丝杠一起窜动，使铣削进给量突然增大，容易打刀。采用顺铣法加工时必须采取措施消除丝杠与螺母之间的间隙。
     端铣时，铣刀刀齿切入切出工件阶段会受到很大的冲击。在刀齿切入阶段，刀齿完全切入工件的过渡时间越短，刀齿受到的冲击越大。刀齿完全切入工件时间的长短与刀具的切入角β有关，切入角β越小，刀齿全部切入工件的过渡时间越短，刀齿受到的冲击就越大，β趋于0时是最不利的情况。从减小刀齿切入工件时受到的冲击考虑，不对称铣比对称铣较为有利。
     2. 铣刀及其几何角度
     铣刀的种类很多，按用途可分为圆柱形铣刀、面铣刀、三面刃铣刀、立铣刀、键槽铣刀、角度铣刀、成形铣刀等。
     铣刀的几何角度如下：
     1）前角

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及

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铣刀前角 在正交平面

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中测量。为了便于铣刀制造和测量，圆柱
柱形铣刀还要标注法平面

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内的法前角

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。
     2）后角

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铣刀后角在正交剖面 中测量。
     3）刃倾角

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铣刀的刃倾角是主切削刃和基面之间的夹角，在切削平面

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中测量。圆柱形铣刀的刃倾角就是刀齿的螺旋角

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。
     3. 铣削的工艺特点及应用范围
     由于铣刀是多刃刀具，刀齿能连续地依次进行切削，没有空程损失，且主运动为回转运动，可实现高速切削，故铣平面的生产效率一般都比刨平面高。其加工质量与刨平面相当，经粗铣--精铣后，尺寸精度可达IT9～IT7级，表面粗糙度Ra可达6.3~1.6 。
     由于铣平面的生产率高，在大批大量生产中铣平面已逐渐取代了刨平面。在成批生产中，中小件加工大多采用铣削，大件加工则铣刨兼用，一般都是粗铣、精刨。而在单件小批生产中，特别是在一些重型机器制造厂中，刨平面仍被广泛采用。因为刨平面不能获得足够的切削速度，有色金属材料的平面加工几乎全部都用铣削。

三、复杂曲面加工
     除前面讨论过的外圆、内孔表面（同属旋转表面）的加工及平面加工外，在机械制造中复杂曲面加工也占一定比例。表面不能通过一条固定形状的母线沿另一条导线运动形成，通常称为复杂曲面。
     复杂曲面由刀具相对于工件在三维空间内作坐标运动形成，其切削加工方法主要有仿形铣和数控铣两种，使用的刀具一般为头部为圆形的球头铣刀。仿形铣必须预先制造出具有与被加工曲面相同形状的样件作为靠模。加工中与球头铣刀直径相同的球形仿形头始终以一定的压力紧靠样件表面，仿形头相对样件的运动被转换成电信号，经数据处理后用来控制仿形铣床各相应坐标轴的伺服进给机构，球头铣刀便在工件上加工出与样件具有相同形状的曲面。
     随着数控加工技术的发展及数控加工设备的普及，特别是随着CAD/CAM和计算机辅助编程技术的发展，数控铣削现已成为复杂曲面切削加工最主要的方法。在数控铣床或加工中心上加工曲面时，由加工程序控制机床运动，使球头铣刀逐点按曲面三维坐标加工，被加工曲面是球头铣刀刃形在各点切削时形成的包络面。
     在数控编程中处理的复杂曲面有两类，一类是用方程式描述的解析曲面；另一类是以复杂方式自由变化的曲面，称为自由曲面，这类曲面通常是用三维离散坐标点表示的。对于解析曲面，只要给出任意两个坐标值就可以求出第三个坐标值，曲面上的每个点都可由曲面方程严格定义。对于自由曲面，首先应采用适当的数学方法对曲面进行描述，建立曲面数学模型，然后将数学模型转换成计算机能够接受的形式输入计算机，编程时再由计算机按照输入的数据对曲面进行计算和处理，形成数控加工程序。复杂曲面的数控加工程序一般情况下要由计算机辅助完成。一些大型的商业化CAD/CAM集成软件包（如pro/E、UG、CATIA、Mastercam等）可利用零件设计时提供的信息，自动生成复杂曲面的数控加工程序，并可进行加工过程的动态模拟。
     大型的复杂曲面需要在多轴联动加工中心上加工，加工中心上设有刀库，一般都配备十几把、几十把甚至上百把刀具用来完成不同曲率半径曲面的粗、精加工。
数控加工与仿形法加工相结合，产生了数控仿形技术。对于要根据实物模型来进行加工的零件，数控仿形加工系统可在利用数控机床本身的数控坐标测量系统对实物模型进行仿形测量的同时，完成物体几何形状的数字化转换，直接进行仿形加工。
     数控仿形加工的另一种加工方式是利用机床本身的测量系统或三坐标测量机先进行型面测量，对测量结果进行数字化建模处理后，再生成数控加工程序，然后按此程序加工出原实物模型的复制品，这种方式称为数字化仿形加工。数字化仿形加工的数字化模型可以是实物模型型面密集测量后的点集，按照它进行复制加工；也可在型面上有选择地测量少量特征点，通过这些点进行几何反求，建立CAD曲面模型后，再生成数控加工程序进行加工，后者称作反求工程。