第三章 数控铣削加工实例Word格式.docx

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在图3.1中，

图3.1数控工艺分析

如按P1—P2—P3—P4—P5—P6的路线加工，y向的反向间隙会使定位误差增加，从而影响P5、P6孔与其他孔的位置精度。

正确的加工路线应为P1—P2—P3—P4，刀具退回到P1点，然后折回来加工P6一P5，这样是为了加工方向一致，避免反向间隙的引入。

由于本例中6个孔的位置精度要求不是很高，因此可按第一种方案加工。

5、加工中如果受重复定位误差影响较大时，必须一次定好位，按顺序连续换刀加工，完成同轴孔的加工，然后再加工其他坐标位置的孔，以提高孔系的同轴度。

6、应采取相同工位集中加工的方法，尽量就近加工，以缩短刀具的移动距离，减少空运行时间。

7、按刀具划分工步。

在不影响精度的前提下，为了减少换刀次数、空行程时间、不重要的定位误差等，要尽可能用同一把刀完成同一个工位的加工。

8、在一次装夹中要尽可能完成较多表面的加工。

3.1.3数控刀具的选用

1、数控刀具介绍

铣刀的类型很多，这里只介绍在数控机床上常用的铣刀。

（1）面铣刀

面铣刀主要用于加工较大的平面。

如图3.2所示，面铣刀的圆周表面和端面上都有切削刃，圆周表面上的切削刃为主切削刃，端面切削刃为副切削刃。

面铣刀多制成套式镶齿结构，刀齿为高速钢或硬质合金钢。

图3.2面铣刀

与高速钢面铣刀相比，硬质合金面铣刀的铣削速度较高，可获得较高的加工效率和加工表面质量，并可加工带有硬皮和淬硬层的工件，故得到广泛的应用。

按刀片和刀齿的安装方式不同，硬质合金面铣刀可分为整体焊接式、机夹焊接式和可转位式三种。

由于整体焊接式、机夹焊接式面铣刀难于保证焊接质量，刀具耐用度较低，重磨较费时，现在已逐渐被可转位式面铣刀所替代。

可转位式面铣刀是将可转位刀片通过夹紧元件夹固在刀体上，当刀片的一个切削刃用钝

后，直接在机床上将刀片转位或更换新刀片。

这种铣刀在提高加工质量和加工效率，降低成

本，方便操作使用等方面都表现出明显的优越性，目前已得到广泛应用。

标准可转位面铣刀的直径为16-630mm。

粗铣时，铣刀直径要小些，因为粗铣切削力大，选小直径铣刀可减小切削扭距。

精铣时，铣刀直径要选大些，尽量包容工件整个加工宽度，以提高加工精度和效率，并减小相邻两次进给之间的接刀痕迹。

（2）立铣刀

图3.3（a）立铣刀

立铣刀是数控加工中用得最多的一种铣刀，主要用于加工凹槽、较小的台阶面以及平面轮廓。

如图3.3（a）所示，立铣刀的圆柱表面和端面上都有切削刃，它们既可以同时进行切削，也可以单独进行切削。

圆柱表面的切削刃为主切削刃，端面上的切削刃为副切削刃。

主切削刃一般为为螺旋槽，这样可增加切削的平稳性，提高加工精度。

端面刃主要用来加工与侧面垂直的底平面，普通立铣刀的端面中心处无切削刃，故一般立铣刀不宜做轴向进给。

目前，市场上已推出了有过中心刃的立铣刀，过中心刃立铣刀可直接轴向进给。

如图3.3（b）所示

图3.3（b）过中心四刃立铣刀

为了能加工较深的沟槽，并保证有足够的备磨量，立铣刀的轴向长度一般较长。

另外，为改善切屑卷曲情况，增大容屑空间，防止切屑堵塞，立铣刀的刀齿数比较少，容屑槽圆弧

半径则较大。

一般粗齿立铣刀刀齿数Z=3~4，细齿立铣刀刀齿数Z=5~8，套式结构Z=10~20。

容屑槽圆弧半径为2~5mm。

由于数控机床要求铣刀能快速自动装卸，而立铣刀刀柄部结构有很大不同。

一般由专业厂家按照一定的规范制造成统一形式、尺寸的刀柄。

直径大于Φ40~160mm立铣刀可做成套式结构。

立铣刀的有关尺寸参数，如图3.4所示，推荐用下述经验数据选取：

①刀具半径R应小于零件内轮廓面的最小曲率半径，R，一般取R=（0.8~0.9）R曲。

②零件的加工高度H≤（1/4~1/6）R，以保证刀具有足够的刚度。

③对于深槽，选取l=H+（5~10）mm（l为刀具切削部分长度）。

④加工肋时，刀具直径为D=（5~10）b（b为肋的厚度）。

（3）模具铣刀

模具铣刀由立铣刀发展而来，可分为圆锥形立铣刀、圆柱形球头铣刀和圆锥头铣刀三种。

其柄部有直柄、削平型直柄和莫氏锥柄。

模具铣刀的结构特点是球部或端面上布满切削刃，圆周刃与球部刃圆弧连接，可以作径向和轴向进给。

铣刀部分用高速钢或硬质合金钢制造。

国家标准规定刀柄直径为d=4~63mm。

直径较小的硬质合金模具铣刀多制成整体式结构，直径在Φ16mm以上的制成焊接式或机夹可转位刀片结构。

圆柱球头铣刀如图3.5所示，

图3.4立铣刀的尺寸选择

图3.5圆柱球头铣刀图样

（4）键槽铣刀

键槽铣刀主要用于加工封闭的键槽，键槽铣刀结构与立铣刀相近，圆柱面和端面都有切削刃，它只有两个刀齿，端面刃延至中心，既像立铣刀，又像钻头，加工时，先沿轴向进给达到键槽深度，然后，沿键槽方向铣出键槽全长，见图3.6。

图3.6键槽铣刀图样

（5）其他成形铣刀

成形铣刀一般是为了加工特定的工件专门设计制造的，如各种直形或圆弧形的凹槽、斜角面、特形孔等。

如图3.7所示。

图3.7其它成型刀具

3.1.4切削用量的选择

铣削加工的切削用量包括：

切削速度、进给速度、背吃刀量和侧吃刀量。

如图3.8所示。

图3.8铣削切削用量

从刀具耐用度出发，切削用量的选择方法是：

先选取背吃刀量或侧吃刀量，其次确定进给速度，最后确定切削速度。

（1）背吃刀量αp或侧吃刀量αe

背吃刀量αp为平行于铣刀轴线测量的切削层尺寸，单位为mm。

端铣时，αp为切削层深度，而圆周铣削时，αp为被加工表面的宽度。

侧吃刀量αe为垂直于铣刀轴线测量的切削层尺寸，单位为mm。

端铣时，αe为被加工表面宽度；

而圆周铣削时，αe为切削层深度。

背吃刀量或侧吃刀量的选取主要由加工余量和对表面质量的要求决定：

①当工件表面粗糙度值要求为Ra=12.5~25m时，如果圆周铣削加工余量小于5mm，端面铣削加工余量小于6mm，粗铣一次进给就可以达到要求。

但是在余量较大，工艺系统刚性较差或机床动力不足时，可分为两次或多次进给完成。

②当工件表面粗糙度值要求为Ra=3.2~12.5m时，应分为粗铣和半精铣两步进行。

粗铣时背吃刀量或侧吃刀量选取同前。

粗铣后留0.5~1.0mm余量，在半精铣时切除。

③当工件表面粗糙度值要求为Ra=0.8~3.2m时，应分为粗铣、半精铣、精铣三步进行。

半精铣时背吃刀量或侧吃刀量取1.5~2mm；

精铣时，圆周铣侧吃刀量取0.3~0.5mm，面铣刀背吃刀量取0.5~1mm。

（2）进给速度Vf进给速度

Vf是单位时间内工件与铣刀沿进给方向的相对位移，单位是mm/min。

它与铣刀转速n、铣刀齿数Z以及每齿进给量fz（单位为mm）的关系是：

Vf=fzZn。

每齿进给量fz的选取主要依据工件材料的力学性能、刀具材料、工件表面粗糙度等因素。

工件材料的强度和硬度越高，fz越小，反之则越大。

硬质合金铣刀的每齿进给量高于同类高速钢铣刀。

工件表面粗糙度要求越高，fz就越小。

每齿进给量的确定可参考表3-1选取。

工件刚性差或刀具强度低时，应取较小值。

表3-1铣刀每齿进给量参考值

工件材料

fz（mm）

粗铣

精铣

高速钢铣刀

硬质合金铣刀

钢

0.10~0.15

0.10~0.25

0.02~0.05

铸铁

0.12~0.20

0.15~0.30

（3）切削速度vc

铣削的切削速度vc与刀具的耐用度、每齿进给量、背吃刀量、侧吃刀量以及铣刀齿数成反比，而与铣刀直径成正比。

其原因是当fz，αp，αe和Z增大时，刀刃负荷增加，而且同时工作的齿数也增多，使切削热增加，刀具磨损加快，从而限制了切削速度的提高。

为提高刀具耐用度允许使用较低的切削速度。

但是加大铣刀直径则可改善散热条件，可以提高切削速度。

铣削加工的切削速度vc可参考表3-2选取，也可参考有关切削用量手册中的经验公式通过计算选取。

表3-2切削速度参考值

硬度（HBS）

Vc（m/min）

<

225

18~42

66~150

225~325

12~36

54~120

325~425

6~21

36~75

190

21~36

190~260

9~18

45~90

260~320

4.5~10

21~30

3.1.5夹具及夹紧方式的选用

1、装夹方案的确定

同普通机床一样，在确定装夹方案时，要根据已选定的加工表面和定位基准确定工件的夹紧定位方式，并选择合适的夹具。

需主要考虑以下几点：

（1）夹紧机构或其他元件不得影响进给，加工部位要敞开，要求夹持工件后夹具等一些组件不能与刀具运动轨迹发生干涉。

（2）必须保证最小的夹紧变形。

工件在加工时，切削力大，需要的夹紧力也大，但又不能把工件夹压变形。

因此，必须慎重选择夹具的支撑点、定位点和夹紧点。

如果采用了相应措施仍不能控制零件变形，只能将粗、精加工分开，或者粗、精加工采用不同的夹紧力。

（3）夹具结构应力求简单。

由于零件在数控铣床和加工中心上的加工大都采用工序集中的原则，加工的部位较多，同时批量较小，零件更换周期短，故夹具的标准化、通用化和自动化对加工效率的提高及加工费用的降低有很大影响。

因此，对批量小的零件应优先选用组合夹具。

对形状简单的单件小批量生产的零件，可选用通用夹具，如三爪卡盘、虎钳等。

只有对批量较大、加工精度要求较高的情况下才设计专用夹具，以保证加工精度和提高装夹效率。

2、数控机床常用夹具

（1）机用虎钳

在数控铣削加工中，当粗加工、半精加工和加工精度要求不高时，对于较小的零件通常利用机用虎钳进行装夹。

机用虎钳是常用的铣床通用夹具，用来装夹矩形和圆柱形一类的工件。

机用虎钳装夹的最大优点是快捷，但夹持范围不大。

其装夹如图3.9所示。

图3.9机用虎钳

（2）三爪卡盘

在数控铣床加工中，对于结构尺寸不大且零件外表面是不需要进行加工的圆形表面，可以利用三爪卡盘进行装夹。

三爪卡盘也是数控铣床的通用卡具，如图3.10所示。

（3）直接在数控铣床工作台上安装．

在单件或少量生产和不便于使用夹具夹持的情况下，常常直接在铣床工作台上安装工件。

使用压板、螺母、螺栓直接在铣床工作台上安装工件时，应该注意压板的压紧点尽量接近切削处，还应该使得压板的压紧点图3.10三爪卡盘和压板下面的支撑点相对应，如图3.11所示。

图3.11压紧点的选择

（4）利用角铁和V形铁装夹工件

此类装夹方式适合于单件或小批量生产。

如图3.12所示，工件安装在角铁上时，工件与角铁侧面接触的表面为定位基准面。

拧紧弓形夹上的螺钉，工件即被夹紧。

这类角铁常用来安装要求表面互相垂直的工件。

圆柱形工件（如轴类零件）通常用V形铁装夹，利用压板将工件夹紧。

V形铁的类型和装夹方式如图3.13所示。

图3.12角铁装夹工件图3.13V铁装夹工件

（5）组合夹具装夹工件

组合夹具是由一套预制好的标准元件组装而成的。

标准元件有不同的形状、尺寸和规格。

应用时可以按照需要选用某些元件，组装成各种各样的形式。

组合夹具的主要特点是元件可以长期重复使用，结构灵活多样。

组合夹具装夹工件示例参见图3.14、图3.15。

图3.14组合夹具装夹工件1图3.15组合夹具装夹工件2

3.1.6数控加工工艺路线的设计

数控机床的加工工艺与通用机床的加工工艺有许多相同之处，但在数控机床上加工零件比通用机床加工零件的工艺规程要复杂得多。

在数控加工前，要将机床的运动过程、零件的工艺过程、刀具的形状、切削用量和走刀路线等都编入程序，这就要求程序设计人员具有多方面的知识基础。

合格的程序员首先是一个合格的工艺人员，否则就无法做到全面周到地考虑零件加工的全过程，以及正确、合理地编制零件的加工程序。

数控加工工艺路线一般都贯穿零件加工的整个数控工艺过程。

数控加工工艺路线设计中应注意以下几个问题：

1、数控加工工艺内容的选择

对于一个零件来说，并非全部加工工艺过程都适合在数控机床上完成,而往往只是其中的一部分工艺内容适合数控加工。

这就需要对零件图样进行仔细的工艺分析，选择那些最适合、最需要进行数控加工的内容和工序。

在考虑选择内容时，应结合本企业设备的实际，立足于解决难题、攻克关键问题和提高生产效率，充分发挥数控加工的优势。

在选择时，一般可按下列顺序考虑：

（1）通用机床无法加工的内容应作为优先选择内容；

（2）通用机床难加工，质量也难以保证的内容应作为重点选择内容；

（3）通用机床加工效率低、工人手工操作劳动强度大的内容，可在数控机床尚存在富裕加工能力时选择。

2、工序的划分

　根据数控加工的特点，数控加工工序的划分一般可按下列方法进行：

（1）以一次安装、加工作为一道工序。

这种方法适合于加工内容较少的零件，加工完后就能达到待检状态。

（2）以同一把刀具加工的内容划分工序。

有些零件虽然能在一次安装中加工出很多待加工表面，但考虑到程序太长，会受到某些限制，如控制系统的限制（主要是内存容量），机床连续工作时间的限制（如一道工序在一个工作班内不能结束）等。

此外，程序太长会增加出错与检索的困难。

因此程序不能太长，一道工序的内容不能太多。

（3）以加工部位划分工序。

对于加工内容很多的工件，可按其结构特点将加工部位分成几个部分，如内腔、外形、曲面或平面，并将每一部分的加工作为一道工序。

（4）以粗、精加工划分工序。

对于经加工后易发生变形的工件，由于对粗加工后可能发生的变形需要进行校形，故一般来说，凡要进行粗、精加工的过程，都要将工序分开。

3、顺序的安排

　　顺序的安排应根据零件的结构和毛坯状况，以及定位、安装与夹紧的需要来考虑。

顺序安排一般应按以下原则进行：

（1）上道工序的加工不能影响下道工序的定位与夹紧，中间穿插有通用机床加工工序的也应综合考虑；

（2）先进行外形加工，后进行内腔加工。

（3）以相同定位、夹紧方式加工或用同一把刀具加工的工序，最好连续加工，以减少重复定位次数、换刀次数与改变装夹次数；

4、数控加工工艺与普通工序的衔接

　　数控加工工序前后一般都穿插有其它普通加工工序，若衔接得不好就容易产生矛盾。

因此在熟悉整个加工工艺内容的同时，要清楚数控加工工序与普通加工工序各自的技术要求、加工目的、加工特点，如要不要留加工余量，留多少；

定位面与孔的精度要求及形位公差；

对校形工序的技术要求；

对毛坯的热处理状态等，这样才能使各工序达到相互满足加工需要，且质量目标及技术要求明确，交接验收有依据。

3.1.7、制定加工工艺，安排工艺路线案例

1、零件图纸分析

如图3.16所示，该零件毛坯尺寸为100x70x12，且不需要加工。

在零件上有四个加工特征，分别为外形轮廓、内腔、台阶孔、键槽，尺寸标注完整。

2、选择机床确定装夹方案

由于零件上表面有外形轮廓加工内容，只需单工位、单面加工即可，我们选择立式数控铣。

零件尺寸不大，一般的机床的加工范围都可以满足，采用虎钳装夹，为增加夹紧力，我们选取100长的方向平行于装夹面。

3、选择加工方法：

外形轮廓采用型芯加工方法，内腔采用型腔加工方法，台阶孔采用固定循环指令、键槽可采用刀具走中心线的方法进行。

4、刀具选择：

根据图纸，选取外形轮廓加工刀具时考虑台阶孔的加工，为了减少刀具数量，减少刀具更换，使用Ø

10铣刀。

在内腔加工时精加工刀具R应小于R4，钻头直径依照图纸就可以，键槽可采用键槽刀，刀具切削参数参照附表。

5、确定工艺路线：

根据图3.16所示工件的实际情况，其工艺路线为：

①钻6个Ø

8孔的中心孔；

②钻6个Ø

8孔；

③铣外轮廓深度为6；

④钻6个Ø

10台阶孔；

⑤铣深6的型腔；

⑥铣深8.5的键槽。

6、确定编程坐标系（工件坐标系）进行数学处理计算个节点坐标满足编程需要。

图3.16工艺路线

7、走刀路线与走刀方向的安排：

刀具的运动方向、轨迹是指加工过程中刀具的走势，铣削加工时有顺铣和逆铣两种，它们对刀具的耐用度、已加工表面的质量和铣削的平稳性等有重要影响。

逆铣如图3.17（a）所示，铣刀在切削区的切削速度的方向与工件进给速度f的方向相反。

顺铣图3.17（b）所示，铣刀在切削区的切削速度v的方向与工件进给速度f的方向相同。

逆铣、顺铣的选择如下：

（1）当工件表面有硬皮，机床的进给系统有间隙时，应选用逆铣，按照逆铣方式安排进给路线。

因为逆铣时，刀齿是从已加工表面切入，不易崩刃；

机床进给机构的间隙不会引起振动和爬行，这正符合粗铣的要求，因此粗铣时应尽量采取逆铣。

当工件表面无硬皮，机床进给系统无间隙时，应选用顺铣，按照顺铣方式安排加工路线。

因为顺铣后，零件已加工表面质量好，刀齿磨损小，这正符合精铣的要求，因此，精铣时尤其是零件材料为铝镁合金、钛合金或耐热合金时，应尽量采用顺铣。

（2）由于工件所受切削力的方向不同，粗加工时逆铣比顺铣要平稳。

（a）（b）

图3-17顺铣和逆铣

本例的外轮廓加工方案，粗加工采用逆铣的方法，精加工时采用顺铣的方法。

3.2平面轮廓零件的加工

3.2.1刀位点的概念

刀位点是在编制加工程序时用以表示刀具位置的特征点。

一般是刀具上的一点，不同的刀具刀位点也不相同。

对于端铣刀、立铣刀和钻头来说，是指它们的底面中心；

对于球头铣刀，是指球头球心,现在许多CAM软件也将球头铣刀的刀尖作为刀位点来计算刀具轨迹；

对于圆弧车刀，刀位点在圆弧圆心上；

对于尖头车刀和镗刀，刀位点在刀尖；

对于线切割来说，刀位点则是电极丝轴心。

数控系统控制刀具的运动轨迹，准确的说是控制刀位点的运动轨迹。

数控编程时，程序给出的各点坐标值就是指刀位点的坐标值，刀具轨迹就是由一系列有序的刀位点的位置点和连接这些位置点的直线（直线插补）或圆弧（圆弧插补）组成的。

3.2.2刀具补偿

在零件的一个加工程序内，常常需要使用多把刀具，每一把刀具的半径和长度等几何参数都不会一样。

如果按每一把刀的参数进行编程，则很麻烦；

刀具一旦磨损，又得修改程序。

很显然必须避免这一情况。

现在的多数数控机床都有刀具补偿功能。

编程者在编程时只要在程序中应用有关补偿指令，就可按照零件的轮廓进行编程。

在程序运行前把所用刀具的半径和偏移量等参数在刀具参数设定界面输入控制系统，寄存在与刀具编号相对应的存储器中，数控系统会根据程序自动计算刀具轨迹，并按照计算的轨迹控制刀具运动，加工出零件。

在现代CNC系统中，有的已具备三维刀具半径补偿功能，对于四、五坐标联动数控加工，大多数CNC系统还不具备刀具半径补偿功能，必须在刀位计算时考虑刀具半径，在本教材里只研究二维的刀具半径补偿。

二维刀具半径补偿仅在指定的二维进给平面内进行，进给平面由G17（X-Y平面）、G18（X-Z平面）、G19（Y-Z平面）指定，如果不指定，机床的数控系统默认为G17状态。

刀具半径或切削刃半径则通过调用相应的刀具半径偏置存储器号码（用H或D指定）来获得。

现代CNC系统的二维刀具半径补偿不仅可以自动完成刀具中心轨迹的偏置，而且还能自动完成直线与直线、圆弧与圆弧转接和直线与圆弧转接等尖角过渡功能，其补偿计算方法在各种数控机床和数控系统专业书籍中均有介绍，且与数控编程关系不大，在此不再多述。

值得指出的是，二维刀具半径补偿计算是CNC系统自动完成的，而且不同的CNC系统所采用的计算方法一般也不尽相同，编程员在进行零件加工编程时，不必考虑刀具半径补偿的计算方法。

1、刀具半径补偿的意义

（1）为避免计算刀具轨迹，可直接用零件轮廓尺寸编程；

（2）刀具因磨损、重磨、换新刀而引起刀具直径改变后，不必修改程序，只需在刀具参数设置中输入变化后的刀具半径。

如3.18图所示，R1为未磨损刀具半径，R2为磨损后的刀具半径，两者半径不同，只需将刀具参数表或刀补存储器中的刀具补偿值R1改为R2即可，继续使用同一程序。

（3）用同一程序、同一尺寸的刀具，利用刀具半径补偿、可进行粗精加工。

如3.19图所示，刀具半径r精加工余量a。

粗加工时，输入刀具半径补偿值D##=r+a，则加工出点划线轮廓；

精加工时，用同一程序，同一刀具，但输入刀具补偿值D##=r，则加工出实线轮廓。

图3.18刀具改变程序不变图3.19利用刀补进行粗精加工

（4）同一轮廓的加工程序，同一把刀具，利用半径补偿，可完成凸凹配合零件的加工，在模具的数控加工中经常用到这