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高脚杯数控加工中振纹出现的原因及解决 【内容摘要】本文作者大胆探索了中等职业技术学校数控技术应用专业《数控编程与操作》课程的教学中，如何融入数控加工工艺的相关知识，使教学与实际生产岗位对接，培养学生分析问题、解决问题的能力。杨彬 【关键词】中职教学 数控加工 振纹 工艺分析 一、概述 在当前中等职业技术学校数控技术应用专业《数控编程与操作》课程的教学中，有一个现象值得注意，那就是很多教师注重对数控编程知识的讲解和数控操作方法的传授，而忽视了机械加工中工艺的重要性。他们在教学中通常选择一些比较简单的零件作为例子，比如典型的阶梯轴，轴套等，这些零件固然对学生学习数控编程知识和数控机床操作技能有所帮助，但在学习过程中出现的实际问题也较少，尤其是工艺方面的问题出现的很少。这样就不利于对学生进行工艺知识的传授，也不利于培养学生分析问题、解决问题的能力。所以会造成很多学生虽然在校期间理论知识和专业技能还不错，但是一旦进入企业后，面对企业所加工的复杂零件，其中的很多工艺问题一筹莫展，不知所措。 另一方面，很多中等职业技术学校数控专业所开设的《数控加工工艺》课，由于教师单纯地进行理论教学，虽然也有的教师想方设法创造了一些条件，比如自制了一些教具、将刀具等带入课堂、利用多媒体课件等，但是对于学生来说，这些东西还是过于抽象，很难理解，这就造成了《数控加工工艺》课成了“鸡肋”，老师教得吃亏，学生学得难受，于是睡觉的、玩手机的、看小说的成群。学生普遍认为《数控加工工艺》课没用，但真正到了企业才发现其重要性，此时为时已晚。 鉴于这种情况，近两年，我们在课程设置和教学内容制定时，不断探索如何将数控加工工艺的相关知识融入到数控编程、数控操作等课程的教学中。经过两年的摸索，我们已经逐渐总结出了一些较为行之有效的教学方案和教学手段。其中，我们设计的高脚杯的加工就是一个很有代表性的例子。 二、零件介绍 以下就是我们设计的高脚杯的工程图。 1、毛坯材料：有机玻璃 2、毛坯尺寸：Φ50×130 3、加工机床： CK6140数控车床，系统是华中数控世纪星HNC-21T 4、加工刀具：刀尖角35°外圆车刀×1 刀尖角80°内孔车刀×1 Φ23钻头×1 3mm切槽刀×1 5、量具：0～150mm游标卡尺×1 三、设计目的 之所以设计这个高脚杯作为学生的实训内容主要是出于以下考虑： 1、提高学生的学习兴趣。 如果采用常规的机械零件作为学生实训内容，学生容易产生厌倦情绪，影响教学效果。而采用高脚杯这种既具有观赏性，又具有实用性的产品作为学生的实训项目，既可以激发学生的学习兴趣，提高其学习效果，又可以使学生产生成就感，并且可以将所做的作品带回家向家人汇报，得到家人的鼓励和赞赏，进一步提高他们的学习热情，产生更大的学习动力。 2、体现常用的加工方法和刀具的使用。 高脚杯零件主要的加工方法就是外轮廓和内孔加工，使用的刀具是刀尖角35°的外圆车刀和刀尖角80°的内孔车刀。 3、学习使用常用的编程方法。 本零件主要的编程方法就是外轮廓的粗车循环、精车循环，内孔的粗车循环、精车循环等，属于数控编程中最基本、最常用的编程指令。 4、反映出常见的工艺问题。 本零件加工中主要的工艺问题有：（1）、内孔和外轮廓的加工顺序安排；（2）、刀具干涉的判断方法；（3）、粗、精车参数的选择 四、问题出现 1、加工顺序错误。 多数学生在安排加工顺序时，都知道先内后外的原则。工艺顺序是：钻孔——粗车内孔——精车内孔——粗车外圆——精车外圆——切断——掉头平端面。这种方法基本是正确的。 少数学生会采用先外后内的加工顺序，这种方法是错误的，因为先车完外轮廓再车内孔的话，由于杯脚加工后直径只有10mm，其强度和刚性都非常差，加工内孔时会导致杯脚断裂。 2、刀具选择错误。 外轮廓加工时，由于有凹槽，所以必须先对刀具干涉进行判断，以选取合适的加工刀具。如果不进行刀具干涉判断而随意地选用常用的刀尖角80°的外圆车刀，势必会产生刀具干涉而出现废品。 3、外轮廓加工振纹的产生。 即使按照以上正确的方法进行加工，在实际加工过程中，还会出现一个很严重的问题。那就是在最后精车外轮廓时，在杯壁部位出现很明显的振纹，而且振纹会越来越明显，还会伴随着刺耳的噪音，这种现象一直会持续到加工杯脚部位时才逐渐消除。 五、原因分析 由于在粗加工时并未出现这种情况，所以初步分析其产生的原因是精加工参数不合理。于是修改参数重新加工，但是情况依旧，显然主要原因并非如此。 于是重新分析，查阅资料了解到，加工时产生振动的主要原因有：工艺系统刚性不足；加工刀具角度不合理；刀具安装角度不合理等。 车削振动的主要类型是不随车削速度而改变的自激振动。主要是加工过程中工件系统变形及刀架系统变形而产生的振动频率接近于工件自然频率的低频振动和车刀的变形所产生的振动频率接近于车刀自然频率的高频振动。低频振动的主要特征是 :①振动频率低(5 0～ 30 0Ｈｚ) ,振动时发出的噪音低沉 ;②在工件切削表面留下的痕迹深而宽 ;③振动比较剧烈 ,常常使机床部件 (如尾座、刀架等 )松动并使硬质合金刀片碎裂。高频振动的主要特征是 :①振动频率高 (5 0 0～5 0 0 0Ｈｚ) ,振动产生噪音的调子很高 ,刺耳 ;②在工件切削表面留下的痕迹细而密 ;③只是刀具本身在振动 ,而工件及机床部件很平静。 通过以上资料分析，高脚杯加工中的振动应该属于低频振动，即加工过程中工件系统变形及刀架系统变形而产生的，考虑到所用材料是有机玻璃，而刀具是可转位机夹刀具，两者对比，刀具的强度和刚性远远好于有机玻璃的工件，所以可以排除刀具变形的可能，产生变形的只可能是工件。而高脚杯杯脚的直径只有10mm，其刚性是很差的，变形也在情理之中。 但是还有一个问题无法解释，那就是为什么在粗车时并未出现振动，而粗车时杯脚的直径也只有10.4mm（粗加工时留有0.4mm的精加工余量），按理说刚性也很差，也很容易产生振动的，但事实是，在粗车完成后，工件表面并没有出现振纹。 在排除了机床系统、刀架系统、刀具系统等方面的原因后，我们将查找的重点放到了数控程序上。经过仔细分析加工程序、加工时的刀路轨迹、并且在加工时跟踪观察加工各个阶段的现象并加以分析，终于找到了产生振纹的原因。 下面让我们先来看看外轮廓加工时的刀具轨迹： 如图所示，红色线条为外轮廓加工时的刀具轨迹，其具体的走刀路线为： 粗车时，第一部分先完成1—2—6—7—8部分的加工，这段加工中，由于杯脚的凹槽部分还未加工，所以整个工件系统刚性很好，不会产生振动。 粗车第二部分是完成2—3—4—5—6部分的加工，这段加工中，虽然杯脚部分已经加工得比较细了，但由于此时加工部位比较靠近卡盘，而且其高径比在2左右，还不属于细长轴的范畴，所以加工时的刚性足够了，因此也没有出现振纹。 精车时，刀具的运动轨迹为1—2—3—4—5—6—7—8，此时杯脚部位的直径只有10.4mm，而工件悬伸最远处距卡盘的距离为100mm左右，高径比达到了10左右，属于典型的细长轴，于是从加工1处开始就会产生工件的低频振动，这种振动会一直持续到3—4部分的中段才会逐渐减弱并消除，因为此时工件的高径比已经逐渐减小到2左右，工件系统的刚性大大的提高了，所以振纹也就消除了。 六、问题解决 产生问题的根源终于找到了，下面就要想办法解决问题了。 解决问题总体的思路就是，在粗、精加工整个过程中，始终保持工件系统具有较好的刚性。 具体的实施方法就是分段加工，即把整个外轮廓的加工分成2段完成，先完成1—2—6—7—8部分的粗加工和精加工，然后再完成2—3—4—5—6部分的粗加工和精加工。 这样一来，在加工的任何时候，工件系统都具有较好的刚性，也就解决了振纹的问题。至此，问题圆满解决。 以下是完成的零件实物： 七、总结 机械加工是一个很复杂、涉及领域很广的技术门类，要想掌握好这门技术，就需要对其相关的技术学科进行学习和研究，要不断丰富自身的知识、技术和经验，这样才能较好地运用这门技术从事相关的工作。 另外，还要不断积累经验，提高判断问题、分析问题、解决问题的能力，要学会理论联系实际，这样才能有的放矢、少走弯路。 【参考文献】张文东 刘哲 穆宏兵.车削加工中振动产生原因及消除措施. 《机械研究与应用》 2002年02期 本文曾获2012年湖北省职业技术教育研究中心论文评比二等奖。 |
