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数控铣削的预备知识
1、数控铣床的主要功能
与数控车削相比，数控铣床有着更为广泛的应用范围，能够进行外形轮廓铣削、平面或曲面型腔铣削及三维复杂型面的铣削，如各种凸轮、模具等，也可以对零件进行钻、扩、铰、镗、锪加工及螺纹加工等。
加工中心是从数控铣床发展而来的。
与数控铣床的最大区别在于加工中心具有自动交换加工刀具的能力，通过在刀库上安装不同用途的刀具，可在一次装夹中通过自动换刀装置改变主轴上的加工刀具，实现多种加工功能。
2、数控铣床（加工中心）分类
数控铣床（加工中心）按主轴布局方法分类
⑴立式（主轴垂直装夹平面）
立式数控铣床主轴轴线垂直于水平面，是数控铣床中最常见的一种布局形式，应用范围最广。
立式数控铣床中又以三坐标（X、Y、Z）联动的数控铣床居多，其各坐标的控制方式主要有以下几种：
①工作台纵、横向移动并升降，主轴不动，与普通立式升降台铣床相似。
目前小型立式数控铣床一般采用这种方式。
②工作台纵、横向移动，主轴升降。
这种方式一般运用在中型立式数控铣床中，如下图5-2所示。
③大型立式数控铣床，由于需要考虑扩大行程，缩小占地面积和刚性等技术问题，多采用龙门架移动式，其主轴可以在龙门架的横向与垂直溜板上运动，而龙门架则沿床身作纵向运动，。
为扩大立式数控铣床的使用功能和加工范围，可增加数控转盘来实现四轴或五轴联动加工。
主要加工：
简单箱体、箱盖、板类、平面凸轮
⑵卧式（主轴轴线平行于水平面）
一般配有数控回转工作台，实现在一次安装中，通过转盘改变工位，以实现四、五轴加工，从而扩大加工范围。
比立式结构复杂，不利于观察，但排屑顺畅。
主要加工：
复杂箱体、泵类、阀体
⑶立卧式
立、卧两用数控铣床的主轴方向可以变换，能达到在一台机床上即可以进行立式加工，又可以进行卧式加工，使其应用范围更广，功能更全，选择加工对象的余地更大，给用户带来了很大的方便。
尤其是当生产批量小，品种多，又需要立、卧两种方式加工时，用户只需购买一台这样的机床就可以了。
（4）加工中心
加工中心与数控铣床区别在于：
数控铣床没有自动刀具交换装置（ATC）,只能手动换刀，而加工中心配备了ATC和刀库，可由ATC自动换刀。
按换刀形式分：
带机械手、无机械手、转塔刀库、盘式刀库，
对四轴、五轴的加工中心，可实现四面、五面加工，能一次装夹完成多面加工，特别适合加工复杂箱体类、泵体、阀体、壳体等零件。
3、数铣的加工对象
适合采用数控铣削的零件有平面类、变斜角类和曲面类。
（1）平面类零件
加工面平行、垂直于水平面或其加工面与水平面的夹角为定角的零件称为平面类零件。
这一类零件的特点是：
加工单元面为平面或可展开成平面。
其数控铣削相对比较简单，一般用两坐标联动就可以加工出来。
（2）曲面类零件
加工面为空间曲面的零件称为曲面类零件。
这类零件的特点是：
一是加工面不能展开成平面，二是加工面与加工刀具（铣刀）始终为点接触。
这类零件在数控铣床的加工中也较为常见，通常采用两轴半联动数控铣床加工精度要求不高的曲面；精度要求高的曲面需用三轴联动数控铣床加工；若曲面周围有干涉表面，需用四轴甚至五轴联动数控铣床加工。
（3）变斜角类零件
加工面与水平面的夹角呈连续变化的零件称为变斜角类零件这类零件，多数为飞机零部件，如飞机上的整体梁、框、缘条与肋等，此外还有检验夹具与装配型架等。
变斜角类零件的变斜角加工面不能展开为平面，但在加工中，加工面与铣刀圆周接触的瞬间为一条直线。
最好采用4坐标和5坐标数控铣床摆角加工，在没有上述机床时，也可用3坐标数控铣床上进行2.5坐标近似加工。
（4）孔及螺纹
采用定尺寸刀具进行钻、扩、铰、镗及攻丝等，一般数控铣都有镗、钻、铰功能。
4、数控铣床结构组成
一般由铣床主机、控制部分、驱动装置、辅助装置等部分组成。
1、机床主机（本体）：
机械部件，包括床身、主轴箱、工作台和进给机构等。
2、控制部分（CNC装置）：
实现自动加工的核心，通过控制执行数控加工程序来控制机床进行加工，主要由监视器、主控制系统（CPU、存储器、控制器）、可编程控制器PLC、各类I/O接口等组成，主要控制对象为位置、角度、速度等机械量和温度、压力、流量等物理量。
3、驱动装置（伺服系统）：
包括主轴伺服系统和进给伺服系统，主要由伺服电动机（执行元件）、伺服驱动器（动力源）和位置检测与反馈装置等组成。
数控系统发出的指令信号与位置反馈信号比较后作为位移指令，再经过驱动系统的功率放大后，驱动电动机运转，通过机械传动装置带动工作台和刀架按照程序设定的速度运动。
4、辅助装置：
如换刀机构、工件夹紧/自动变换机构、液压、气动、润滑、冷却系统和排屑、防护等装置。
5、数控铣床工作原理
6、数控铣削加工的装备
图3-14内藏式液压角度虎钳、平口虎钳
6.1、夹具
在数控铣削加工中使用的夹具有通用夹具、专用夹具、组合夹具以及较先进的工件统一基准定位装夹系统等，主要根据零件的特点和经济性选择使用。
（1）通用夹具它具有较大的灵活性和经济性，在数控铣削中应用广泛。
常用的各种机械虎钳或液压虎钳。
如图3-14所示，为内藏式液压角度虎钳、平口虎钳。
图3-15组合夹具的使用（钻孔、铣削）
（2）组合夹具它是机床夹具中一种标准化、系列化、通用化程度很高的新型工艺装备。
它可以根据工件的工艺要求，采用搭积木的方式组装成各种专用夹具，如图3-15所示。
组合夹具的特点：
灵活多变，为生产迅速提供夹具，缩短生产准备周期；保证加工质量，提高生产效率；节约人力、物力和财力；减少夹具存放面积，改善管理工作。
组合夹具的不足之处：
比较笨重，刚性也不如专用夹具好，组装成套的组合夹具，必须有大量元件储备，开始投资的费用较大。
（3）专用铣削夹具
专用铣削夹具是指专为某一工件或类似几种工件而设计制造的专用夹具，其结构紧凑，操作方便，主要用于固定产品的大批量生产。
6.2数控刀具系统
图3-16数控铣床的刀柄和拉钉图3-17数控铣床的通用刀柄
6.2.1刀柄
数控铣床使用的刀具通过刀柄与主轴相连，刀柄通过拉钉和主轴内的拉刀装置固定在轴上，由刀柄夹持传递速度、扭矩。
数控铣床刀柄一般采用7：
24锥面与主轴锥孔配合定位，这种锥柄不自锁，换刀方便，与直柄相比有较高的定心精度和刚度。
数控铣床的通用刀柄分为整体式和组合式两种。
为了保证刀柄与主轴的配合与连接，刀柄与拉钉的结构和尺寸均已标准化和系列化，在我国应用最为广泛的是BT40和BT50系列刀柄和拉钉，如图3-16、图3-17所示。
相同标准及规格的加工中心用刀柄也可以在数控铣床上使用，其主要区别是数控铣床所用的刀柄上没有供换刀机械手夹持的环形槽。
6.2.2数控铣削刀具
1．数控铣削刀具的基本要求
与普通铣床的刀具相比较，数控铣床刀具具有制造精度更高，要求高速、高效率加工，刀具使用寿命更长。
刀具的材质选用高强高速钢、硬质合金、立方氮化硼、人造金刚石等，高速钢、硬质合金采用TiC和TiN涂层及TiC-TiN复合涂层来提高刀具使用寿命。
在结构形式上，采用整体硬质合金或使用可转位刀具技术。
（1）铣刀刚性要好
铣刀刚性好的目的：
一是为提高生产效率而采用大切削用量的需要；二是为适应数控铣床加工过程中难以调整切削用量的特点。
例如，当工件各处的加工余量相差悬殊时，通用铣床遇到这种情况很容易采取分层铣削方法加以解决，而数控铣削就必须按程序规定的走刀路线前进，遇到余量大时无法象通用铣床那样“随机应变”，除非在编程时能够预先考虑到，否则铣刀必须返回原点，用改变切削面高度或加大刀具半径补偿值的方法从头开始加工，多走几刀。
但这样势必造成余量少的地方经常走空刀，降低了生产效率，如刀具刚性较好就不必这么办。
在数控铣削中，因铣刀刚性较差而断刀并造成工件损伤的事例是常有的，所以解决数控铣刀的刚性问题是至关重要的。
（2）铣刀的耐用度要高
尤其是当一把铣刀加工的内容很多时，如刀具不耐用而磨损较快，就会影响工件的表面质量与加工精度，而且会增加换刀引起的调刀与对刀次数，也会使加工表面留下因对刀误差而形成的接刀台阶，降低了工件的表面质量。
除上述两点之外，铣刀切削刃的几何角度参数的选择及排屑性能等也非常重要，切屑粘刀形成积屑瘤在数控铣削中是十分忌讳的。
总之，根据被加工工件材料的热处理状态、切削性能及加工余量，选择刚性好，耐用度高的铣刀，是充分发挥数控铣床的生产效率和获得满意的加工质量的前提。
2．常用数控铣刀种类
数控铣削刀具要根据被加工零件的材料、几何形状、表面质量要求、热处理状态、切削性能及加工余量等，选择刚性好、耐用度高的刀具。
常用数控铣削刀具要：
面铣刀、立铣刀、模具铣刀、键槽铣刀、球头铣刀、鼓形铣刀、成型铣刀和锯片铣刀等。
（1）面铣刀
面铣刀如下图5-44所示，面铣刀的圆周表面和端面上都有切削刃，端部切削刃为副切削刃。
面铣刀多制成套式镶齿结构，刀齿为高速钢或硬质合金，刀体为40Cr。
高速钢面铣刀按国家标准规定，直径d=¢80mm～¢250mm，螺旋角β=10°，刀齿数Z=10～26。
硬质合金面铣刀与高速钢铣刀相比，铣削速度较高，加工表面质量也较好，并可加工带有硬皮和淬硬层的工件，应用较广泛。
硬质合金面铣刀按刀片和刀齿的安装方式不同，可分为整体焊接式、机夹-焊接式和可转位式种。
由于整体焊接式和机夹-焊接式面铣刀难于保证焊接质量，刀具耐用度低，目前已被可转位式面铣刀所取代。
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。
因此，面铣刀在提高产品加工质量和加工效率，降低成本，操作使用方便等方面都具有明显的优势，故得到广泛应用。
面铣刀主要用于面积较大的平面铣削和较平坦的立体轮廓多坐标加工，主偏角Kr=90°的面铣刀还可以加工小台阶，如下图5-45所示。
粗齿铣刀用于粗加工；细齿铣刀用于平稳条件的铣削加工；密齿铣刀用于薄壁铸铁件的加工。
下图5-46所示是用三面刃铣刀加工沟槽。
图5-44面铣刀
图5-45面（盘）铣刀加工示例图5-46三面刃铣刀加工示例
（2）立铣刀
立铣刀也称为圆柱铣刀，是数控铣加工中最常用的一种铣刀，如下图5-47和图5-48所示，它广泛用于加工平面类零件。
立铣刀的圆柱表面和端面上都有切削刃，它们可同时进行切削，也可单独进行切削。
立铣刀圆柱表面的切削刃为主切削刃，端面上的切削刀为副切削刃。
主切削刃一般为螺旋齿，如下图5-48（a）、（b）所示，这样可以增加切削平稳性，提高加工精度。
下图5-48（c）、（d）切削刃是波形的，它是一种结构先进的立铣刀，其特点是排屑更流畅，切削厚度更大，利于刀具散热并提高刀具寿命，刀具不易产生振动。
立铣刀
立铣刀按端部切削刃的不同可分为过中心刃和不过中心刃两种，过中心刃立铣刀可直接轴向进刀，常称为端铣刀；不过中心刃立铣刀由于端面中心处无切削刃，所以它不能作轴向进刀，端面刃主要用来加工与侧面相垂直的底平面。
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。
为了便于排屑，刀齿数较少，容屑槽圆弧半径则较大。
直径较小的立铣刀一般制成带柄的形式。
￠2mm～￠20mm的立铣刀制成直柄，如下图5-48（b）所示；￠6mm～￠63mm的立铣刀为莫氏锥柄，如下图5-48（c）所示；￠25mm～￠80mm的立铣刀为7∶24锥柄，如下图5-48（a），直径大于￠40mm～￠160mm的立铣刀可做成套式结构。
可转位立铣刀刀片为硬质合金刀片并可更换，Kr=90°可加工台阶；刀片为三角形为多功能立铣刀，可加工浅槽、台阶、平面和倒角。
可转位硬质合金立铣刀镶嵌刀片形式如图5-48（a）下图样式的，常被称为玉米铣刀。
（a）高速钢立铣刀（b）硬质合金立铣刀
图5-47立铣刀
图5-48立铣刀
（3）模具铣刀
模具铣刀由立铣刀发展而成，它是加工金属模具型面的铣刀的通称。
模具铣刀可分为圆锥形立铣刀（圆锥半角有3°、5°、7°、10°）、圆柱形球头立铣刀和圆锥形球头立铣刀三种，其柄部有直柄、削平型直柄和莫氏锥柄，如下图5-50所示。
（a）圆锥形立铣刀b）圆柱形球头立铣刀（c）圆锥形球头立铣刀
图5-50硬质合金模具铣刀
（4）键槽铣刀
键槽铣刀如下图5-51和图5-52所示，它有两个刀齿，圆柱面和端面都有切削刃，端面刃延至中心，既像立铣刀，又像钻头。
利用键槽铣刀铣削槽铣时，先轴向进给达到槽深，然后沿键槽方向铣出键槽全长。
按国家标准规定，直柄键槽铣刀直径d＝¢2mm～¢22mm，锥柄键槽铣刀直径d＝¢14mm～¢50mm。
键槽铣刀直径的偏差有e8和d8两种。
图5-51键槽铣刀
（a）直柄键槽铣刀b）锥柄键槽铣刀
图5-52键槽铣刀
（5）球头铣刀
球头铣刀适用于加工空间曲面零件，有时也用于平面类零件较大的转接凹圆弧的补加工。
球头铣刀如下图5-53所示，下图5-54所示为用硬质合金球头铣刀加工工件。
图5-53球头铣刀图5-54硬质合金球头铣刀加工示例
下图5-55为球头铣刀加工空间曲面零件常用的走刀方式。
图5-55球头铣刀加工空间曲面零件常用的走刀方式
（6）鼓形铣刀
右图5-56所示是一种典型的鼓形铣刀，它的切削刃分布在半径为R的圆弧面上，端面无切削刃。
加工时控制刀具上下位置，相应改变刀刃的切削部位，可以在工件上切出从负到正的不同斜角。
R越小，鼓形铣刀所能加工的斜角范围越广，但所获得的表面质量也越差。
这种刀具的缺点是刃磨困难，切削条件差，而且不适于加工有底的轮廓表面。
鼓形铣刀主要用于对变斜角类零件的变斜角面进行近似加工。
（7）成型铣刀
成型铣刀一般都是为特定的工件或加工内容专门设计制造的，适用于加工平面类零件的特定形状（如角度面、凹槽面等），也适用于特形孔或台，图5-57所示的是几种常用的成型铣刀。
图5-56鼓形铣刀
图5-57几种常用的成型铣刀
（8）锯片铣刀
锯片铣刀可分为中小型规格的锯片铣刀和大规格锯片铣刀（GB6130—85），数控铣床和加工中心主要用中小型规格的锯片铣刀。
锯片铣刀主要用于大多数材料的切槽、切断、内外槽铣削、组合铣削、缺口实验的槽加工、齿轮毛坯粗齿加工等。
可转位锯片铣刀如右图5-58所示。
数控铣刀种类和尺寸一般根据加工表面的形状特点和尺寸选择，具体选择如表所示。
序号
加工部位
可使用铣刀类型
序号
加工部位
可使用铣刀类型
1
平面
可转位平面铣刀
9
较大曲面
多刀片可转位球头铣刀
2
带倒角开敞槽
可转位倒角平面铣刀
10
大曲面
可转位圆刀片面铣刀
3
T型槽
可转位T型槽铣刀
11
倒角
可转位倒角铣刀
4
带圆角开敞深槽
加长柄可转位圆刀片铣刀
12
型腔
可转位圆刀片立铣刀
5
一般曲面
整体硬质合金球头铣刀
13
外形粗加工
可转位玉米铣刀
6
较深曲面
加长整体硬质合金球头刀
14
台阶平面
可转位直角平面铣刀
7
曲面
多刀片可转位球头铣刀
15
直角腔槽
可转位立铣刀
8
曲面
单刀片可转位球头铣刀
数控铣削刀具典型加工表面
3、刀具的装卸数控铣床采用中、小尺寸的数控刀具进行加工时，经常采用整体式或可转位式立铣刀进行铣削加工，一般使用7：
24莫氏转换变径夹头和弹簧夹头刀柄来装夹铣刀。
不允许直接在数控机床的主轴上装卸刀具，以免损坏数控机床的主轴，影响机床的精度。
铣刀的装卸应在专用卸刀座上进行，如图3-19所示。
图3-19卧式装刀卸刀座示意图
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