模具型腔数控铣削技术研究与应用图文.docx

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模具型腔数控铣削技术研究与应用图文

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硕士学位论文

ＳｈａｎｄｏｎｇＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙＭａｓｔｅｒ’ｓＴｈｅｓｉｓ

论史题｜ｉ：

模具型腔数控铣削技术研究与应用

作者姓托

孥业棣冬机槭制造厦其自动化

王兆辉副教授指导教师姓张

擎业技术叭务塞堂塞堕塑工程师

Ｊ山东大学硕士学位论文摘要数控加工中心已经广泛的应用于模具型腔的铣削加工中，ＵＧＮＸ，ＭａｓｔｅｒＣＡＭ，Ｃｉｍａｔｒｏｎ等软件的ＣＡＭ功能也在不断发展和增强。

但目前即使最先进的数控编程软件，也需要技术人员制定工艺，选择合适的刀具、切削参数等。

数控机床加工的效率、加工质量，很大程度上取决于工艺编程人员水平的高低。

同时，模具型腔几何形状虽然千变万化，但其构成特征的种类是有限的。

对每一类加工特征，对应着ＵＧ的一种或多种有限的加工方法。

通过分析对比研究、总结规律，可用来指导ＵＧＣＡＭ・编程，提高加工效率和加工质量。

本文以模具型腔为研究对象，重点研究了数控加工工艺的优化问题，旨在提高模具型腔数控加工效率、加工质量，减少对工艺编程人员的依赖程度，为工艺人员进行工艺优化设计、编制较高质量的数控程序提供指导和参考。

论文介绍了数控铣削刀具与切削用量；分析了模具型腔加工特征组合，并进行特征分解，确定了各种典型特征的加工方法和刀具；提出了模具型腔粗铣加工刀具组合方法，进行了粗铣加工走刀方式对比分析。

在此基础上，进行了气缸盖凹模数控加工工艺分析，确定其加工工艺方案，合理选择刀具组合，进行编程与加工仿真。

针对数控加工中因刀具变形产生的加工误差问题，通过试验讨论了加工槽、圆柱型腔和斜面时，刀杆悬长不同对零件加工质量的影响，并进行了定性和定量分析，为工艺人员提供了编程参考和依据。

关键词模具型腔；数控加工工艺：

刀具组合：

刀具悬长

山东大学硕士学位论文

Ａｂｓｔｒａｃｔ

ＣＮＣｍａｃｈｉｎｅｔｏｏｌｓ，ｅｓｐｅｃｉａｌｌｙＣＮＣｍａｃｈｉｎｅ－ｃｅｎｔｅｒ，ｈａｖｅｂｅｅｎｗｉｄｅｌｙｕｓｅｄｉｎｔｈｅｍｉｌｌｉｎｇｍａｃｈｉｎｉｎｇｏｆｔｈｅｍｏｌｄｃａｖｉｔｉｅｓ．ＴｈｅＣＡＭｆｕｎｃｔｉｏｎｓｏｆａｌｏｔｏｆｓｏｆｔｗａｒｅ，ｓｕｃｈａｓＵＧＮＸ，ＭａｓｔｅｒＣＡＭ，Ｃｉｍａｔｒｏｎ，ｅｔｃ．ｈａｖｅｂｅｅｎｇｒａｄｕａｌｌｙｄｅｖｅｌｏｐｅｄａｎｄｉｎｃｒｅａｓｅｄ．Ｈｏｗｅｖｅｒ，ａｔｐｒｅｓｅｎｔ，ｅｖｅｎｉｆｔｈｅｍｏｓｔａｄｖａｎｃｅｄＣＮＣｐｒｏｇｒａｍｍｉｎｇｓｏｆｔｗａｒｅｎｅｅｄｓｔｈｅｔｅｃｈｎｉｃｉａｎｓｔｏｍａｋｅｔｅｃｈｎｉｑｕｅａｎｄｔｏｓｅｌｅｃｔｓｕｉｔａｂｌｅｔｏｏｌｓａｎｄｃｕｔｔｉｎｇｐａｒａｍｅｔｅｒｓ．Ｔｈｅｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙａｎｄｍａｃｈｉｎｉｎｇｑｕａｌｉｔｙｈａｓｂｅｅｎｄｅｃｉｄｅｄｂｙｔｈｅｌｅｖｅｌｏｆｔｈｅｐｒｏｇｒａｍｍｉｎｇｔｅｃｈｎｉｃｉａｎｓｔｏｓｏｍｅｅｘｔｅｎｔ．Ａｔｔｈｅｓａｍｅｔｉｍｅ，ａｌｔｈｏｕｇｈｔｈｅｇｅｏｍｅｔｒｉｃａｌｓｈａｐｅｓａｒｅｖａｒｉｏｕｓ，ｔｈｅｖａｒｉｅｔｉｅｓｏｆｉｔｓｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃａｒｅｆｉｎｉｔｅａｎｄｅｖｅｒｙｍａｃｈｉｎｉｎｇｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｈａｓｏｎｅｏｒｍａｎｙｆｉｎｉｔｅｍａｃｈｉｎｉｎｇｍｅｔｈｏｄｏｆＵＧ．Ｂｙａｎａｌｙｚｉｎｇ，ｃｏｎｔｒａｓｔｉｎｇ，ｒｅｓｅａｒｃｈｉｎｇａｎｄｃｏｎｃｌｕｄｉｎｇｔｈｅｓｅｍｅｔｈｏｄｓ，ｔｈｅｙｃａｎｇｕｉｄｅｔｈｅｐｒｏｇｒａｍｉｎＵＧＣＡＭａｎｄｅｎｈａｎｃｅｔｈｅｍａｃｈｉｎｉｎｇｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙａｎｄｑｕａｌｉｔｙ．

ＴｈｅｐａｐｅｒｍａｉｎｌｙｒｅｓｅａｒｃｈｅｄｔｈｅｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎｏｆｔｈｅＣＮＣｍａｃｈｉｎｉｎｇｔｅｃｈｎｉｑｕｅｆｏｒｔｈｅｍｏｌｄｃａｖｉｔｉｅｓ，ａｉｍｉｎｇｔｏｒｅｄｕｃｅｔｈｅｄｅｇｒｅｅｏｆｔｈｅｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙａｎｄｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇｑｕａｌｉｔｙｏｆｔｈｅＣＮＣｍａｃｈｉｎｉｎｇｗｈｉｃｈａｒｅｄｅｐｅｎｄｅｄｂｙｔｈｅｔｅｃｈｎｉｃｉａｎｓ．Ａｌｓｏ，ｔｈｉｓｐａｐｅｒｏｆｆｅｒｓｔｈｅｇｕｉｄｅｓａｎｄｒｅｆｅｒｅｎｃｅｓｆｏｒｔｈｅｔｅｃｈｎｉｃｉａｎｓｔｏｏｐｔｉｍｉｚｅｔｈｅｔｅｃｈｎｉｑｕｅｄｅｓｉｇｎａｎｄｔｏｗｒｉｔｅｔｈｅｂｅｔｔｅｒＣＮＣｍａｃｈｉｎｉｎｇｐｒｏｇｒａｍｓ．

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ＫｅｙＷｏｒｄｓＮｏＩｄＣａｖｉｔｉｅｓ：

ＣＮＧｒｏａｃｈｉｎｉｎｇｔｅｃｈｎｉｑｕｅ：

ＴｏｏＩｓＣｏｍｂｉｎａｔｉｏｎ：

ＥｘｔｅｎｄｅｄＬｅｎｇｔｈｏｆＭｉＩＩｉｎｇＴｏｏｌ

原创性声明

本人郑重声明：

所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进行研究所取得的成果。

除文中己经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体己经发表或撰写过的科研成果。

对本文的研究作出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。

本声明的法律责任由本人承担。

论文作者签名

关于学位论文使用授权的声明

本人完全了解山东大学有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留或向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅；本人授权山东大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文和汇编本学位论文。

（保密论文在解密后应遵守此规定）

亲文作者签名：

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山东大学硕士学位论文

第１章绪论

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１．１模具数控加工技术

１．１．１模具制造的基本要求和特点

１．模具制造的基本要求

为了保证产品的质量，除了设计合理的模具结构外，还必须采用先进的模具制造技术制造模具。

在制造模具时，应满足以下几个基本要求：

（１）制造精度高为了能生产出合格的产品和发挥模具的效能，所设计、制造的模具必须具有较高的精度ｓ模具的精度主要是由制品精度和模具结构要求决定的，为了保证制品精度，模具的工作部分精度通常要比制品精度高２～４级，因此模具的零部件必须有足够高的制造精度。

否则，将不可能生产出合格的制品。

（２）使用寿命长模具是比较昂贵的工艺装备，目前模具的制造费用约占产品成本的ｌＯ％～３０％，其使用寿命长短将直接影响产品的成本高低。

因此，除了小批量生产和新产品试制等外，一般都要求模具具有较长的使用寿命，在大批量生产中，模具的使用寿命更加重要。

（３）制造周期短模具制造周期的长短主要决定于制模技术和生产管理水平的高低。

为了满足生产的需要，提高产品的竞争能力，必须在保证质量的前提下，尽量缩短模具制造周期。

（４）模具成本低模具成本与模具结构、模具材料、制造精度要求和加工方法等有关。

模具技术人员必须根据制品的要求合理设计和制订其加工工艺。

在设计和制造模具时，应根据实际情况作全面考虑，在保证制品质量的前提下，选择合适模具结构和制造方法，使模具的成本降到最低【ｌＩ。

２．模具制造的基本特点

模具制造难度较大，与一般机械加工相比，具有许多特殊性。

（１）制造质量高模具制造不仅要求加工精度高，而且还要求加工表面质量好。

～般来说，模具工作部分的制造公差都应控制在±０．Ｏｌｍｍ以内；模具加工后的表面不仅不允许有任何缺陷，而且工作部分的表面粗糙度Ｒ。

都要求小于

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０．８ｕｍ。

（２）形状复杂模具的工作部分一般都是二维或三维复杂曲面，而一般机械加工的是简单几何体。

（３）材料硬度高模具的硬度较高，采用淬火工具钢或硬质合金等材料。

（４）单件生产模具制造一般都是单件生产，设计和制造周期都比较长。

１．１．２模具制造的主要加工方法

１机械加工

机械加工（即传统的切削与磨削加工）是模具制造不可缺少的一种重要的加工方法。

机械加工的特点是加工精度高、生产效率高。

但加工复杂的形状时，加工速度慢，硬材料也难加工，材料利用率不高。

２特种加工

特种加工是指直接利用电能、化学能、声能、光能等来去除工件上多余的材料，以达到一定形状、尺寸和表面粗糙度的加工方法，其中包括电火花成形加工、线切割加工、电解加工、电化学抛光、电铸、化学刻蚀、超声波加工、激光加工等。

特种加工与工件的硬度无关，可以实现以柔克刚，并可加工各种复杂形状的零件。

特种加工在模具制造中得到了越来越广泛的应用。

３塑性加工

塑性加工主要指冷挤压制模法，即将淬火过的成形模强力压入未进行硬化处理的模坯中，使成形模的形状复印在被压的模坯上，制成所需要的模具。

这种成形方法不需要型面精加工，制模速度快，可以制成各种复杂型面的模具。

４．铸造加工

对于一些精度和使用寿命要求不高的模具，可以采用简单方便的铸造法快速成形。

例如：

锌基合金模具，用低熔点材料锌基合金铸造模具，也称快速制模法，其制模速度快，容易制成形状复杂的模具。

但模具材质较软，耐热性差，所以模具寿命短，多用于试制和小批量生产的场合。

５．焊接加工

焊接法制模是将加工好的模块焊接在一起，形成所需的模具。

这种方法与整体加工相比，加工简单、尺寸大小不受限制，但精度难于保证，易残留热应变及．２．

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内部应力，主要用于精度要求不高的大型模具的制造。

６．数控加工

数控加工是利用数控机床和数控技术完成模具零件的加工，根据零件图样及工艺要求等原始条件编制数控加工程序，输入数控系统，然后控制数控机床中刀具与工件的相对运动，以完成零件的加工。

数控机床范围很广，在机械加工中有数控车加工、数控铣加工、数控钻加工、数控磨加工、加工中心加工；在塑性加工中有数控冲床加工、弯管机加工等；在特种成形中则有数控电火花加工、数控线切割加工、数控激光加工等。

１．１．３数控机床技术

现代数控机床的技术领域涵盖了包括自动控制技术、电子技术、数字技术、电力电子技术和电动机技术、精密测量技术、软件技术、通信技术、机械制造技术等多门类学科，作为现代制造业主流装备的数控机床，高速高效化、紧密化、工序复合多功能化、柔性化和系统化会成为数控机床未来的主要发展趋势。

１高速、高效加工

进入２ｌ世纪，数控机床开始向高速、高精度加工发展，高速加工不但可以大幅提高加工效率、缩短加工时间、降低成本，而且可以使表面质量和加工精度达到更高水平。

数控机床全面高速化的主要体现有：

高的主轴转速，高的快速移动速度和进给速度，各坐标轴高的加减速度，高的换刀速度，高的托盘交换速度，控制系统更高的数据处理速度等。

高速加工的切削速度比普通数控机床要高５～８倍，高速加工主轴一般采用电动机与主轴一体化的电主轴：

进给驱动逐渐由滚珠丝杠向直线电动机驱动过渡，目前采用滚珠丝杠驱动时，最大快移速动速度可以达到１６０ｍ／ｍｉｎ，加减速度达到１．５９；采用直线电机驱动，快速移动最大可以达到２５０ｉｒｄｍｉｎ，加速度达到２９以上。

・

２．高精密、超精密化／ｊｎ－ｒ

超精密加工主要包括超精密车削和铣削、超精密磨削、研磨、超精密特种加工，其精度从微米级到亚微米级，乃至纳米级（小于ｌＯｎｍ），在向更高精度（纳米级）发展的同时，也向高效和大型化发展；更多的采用软件补偿技术提高加工精度，加工与计量相结合，边加工边测量，在监控环境下保证加工精度：

向模块

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结构和廉价化发展；加工材料更加广泛，由金属扩展到非金属（玻璃、陶瓷等）：

工艺方法向多样化方向发展。

３．高可靠性

数控机床的可靠性是数控机床产品质量的一项关键性指标。

衡量可靠性的重要量化指标平均无故障时间ＭＴＢＦ（ＭｅａｎｔｉｍｅＢｅｔｗｅｅｎＦａｉｌｕｒｅｓ），作为数控机床的大脑一数控系统的ＭＴＢＦ已由２０世纪７０年代的３０００ｈ，８０年代的１００００ｈ，提高到９０年代初的３００００ｈ。

目前日本的ＦＡＮＵＣ的ＣＮＣ系统的ＭＴＢＦ已达１２５个月。

４工序复合化和复合加工

镗铣类加工中心是工序复合化机床的典型代表，它把镗、铣、钻、绞、攻螺纹等多工序结合在一台机床上，粗、精加工兼容，减少了工件在其加工过程中的装夹次数和定位调整时间，提高了加工精度和效率。

工序复合化在加工中心概念的带动下渗透到其他各类数控机床上，出现了车削中心、车铣中心、磨削中心、齿轮加工中心以及各种复合加工中心。

车削中心具备Ｃ轴功能和动力刀架；车铣中心又增加了Ｙ轴和Ｂ轴功能，可使工件在一次装夹后完成全部３ｎＴ。

复合加工的工艺范围在不断扩大，如切削与磨削，切削与电加工以及切削与激光加工复合在一起。

５．智能化、网络化、柔性化和集成化

２１世纪的数控装备将是具有一定智能化的系统，智能化的内容包括在数控系统中的各个方面，为追求加工效率和加工质量方面的智能化，如加工过程的自适应控制，工艺参数自动生成：

为提高驱动性能及使用连接方便的智能化，如前馈控制、电极参数的自适应运算、自动识别负载自动选定模型、自整定等：

简化编程、简化操作方面的智能化，如智能化的自动编程、智能化的人机界面等：

还有智能诊断、智能监控方面的内容、方便系统的诊断及维修等。

目前世界上许多ＣＮＣ生产厂家利用ＰＣ丰富的软、硬件资源开发出开放式体系结构的新一代ＣＮＣ。

开放式数控系统就是数控系统的开发可以在统一的运行平台上，面向机床厂家和最终用户，通过改变、增加或剪裁结构对象（数控功能），形成系列化，并可方便地将用户的特殊应用和技术诀窍集成到控制系统中，快速实现不同品种、不同档次的开放式系统，形成具有鲜明个性的名牌产品。

开放式体系结构使ＣＮＣ具有更好的通用性、柔性、适应性、可扩展性，并可一ｄ．

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适应向智能化、网络化发展的需要。

开放式体系结构可以大量采用ＰＣ机的技术，如多媒体技术，进而实现声控自动编程或图形扫描自动编程；增强ＣＮＣ的通信能力，实现进线、联网或远程控制、故障自动诊断和排除。

６．并联机床技术

并联机床和直线电机驱动被公认为２０世纪末机床技术的重大突破。

并联机床在机械结构上应用并行杆系机构。

并联机床具有机械结构简单和运动轨迹计算复杂化的特征，其最显著的优点是机床基本性能高，精度相当于坐标测量机，比传统的加工中心高２～１０倍，刚度为传统加工中心的５倍。

随着这种结构技术的成熟和发展，预示着数控机床技术将进入一个有重大变革和创新的时代‘２１。

１．１４模具ＣＡＤ／ＣＡＭ技术

ＣＡＤ／ＣＡＭ是以计算机技术而发展的软件技术，硬件平台经历了大型机、小型机、工程工作站，发展到如今以Ｗｉｎｄｏｗｓ平台为基础的高档ＰＣ及ＮＣ工作站平台，ＣＡＤ软件也由２Ｄ及３Ｄ线框，曲面，实体造型，发展到复合造型及将来的完全造型系统等几个主要的技术发展阶段。

典型的ＣＡＤ／ＣＡＭ系统有：

ＵＧＨ，Ｐｒｏ／Ｅ，ＭａｓｔｅｒＣＡＭ，Ｃｉｍａｔｒｏｎ等。

ＣＡＤ／ＣＡＭ技术在模具行业得到了最为广泛的应用，模具ＣＡＤ／ＣＡＭ技术的应用效果体现在：

（１）提高了模具质量

（２）提高了生产效率

（３）降低了成本

（４）缩短了模具的开发周期

（５）减轻了劳动强度

模具ＣＡＤ在通用产品ＣＡＤ技术的基础上按照各类模具的设计流程定制并融合了模具专业知识，提高了模具设计的效率。

ＵＧＮＸ，Ｐｒｏ／Ｅ，ＭａｓｔｅｒＣＡＭ，Ｃｉｍａｔｒｏｎ等软件中内嵌有模具设计模块，也有在通用ＣＡＤ软件上二次开发的模具设计软件。

数控编程过程主要包括：

分析零件图样，确定加工工艺过程，数值分析，编写零件加工程序，制作控制介质，校对程序及首件试切，如图１—１所示：

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数控编程的方法可分为手工编程和自动编程两大类。

对于简单平面零件可以根据手工直接编写数控程序；对于复杂平面零件，特别是三维零件加工程序的编制，

ｔ需要大量复杂的计算工作，程序段的数量也比较多，需要计算机自动编程。

零件图纸ＮＣ机床几何信息工艺信息加工空间范围刀具：

｜＝件轮廓材料主轴转速儿何形状表面质量进给量尺寸公差表面粗糙度切削速度工件刚度其他参数：

Ｉ：

艺分析（１）对刀点（２）加工路线（２）刀具选择（４）切削用量（５）切削方式及辅助性工艺

图１－２手工编程阶段图．６．

单元测试（四　　　　　　　　　　　　　　　　　　　

第Ⅰ卷（共75分

第一部分　英语知识运用（共两节，满分35分

第一节　语法和词汇知识（共15小题；每小题1分，满分15分

从A、B、C、D四个选项中，选出可以填入空白处的最佳选项。

1．Thereare________wordsinEnglishthatcamefromotherlanguages.

A．agoodmanyofB．agreatdealof

C．agreatmanyofD．alargenumberof

答案　D

解析　alargenumberof相当于agood/greatmany，意为“许多”，修饰可数名词复数。

当A、C两项后接的名词前有限定词时，才需接介词of；B项修饰不可数名词。

2．Don’tuseharshsoaptowashyourface.Itwill________yourskin.

A．destroyB．damageC．ruinD．injure

答案　B

解析　句意为：

不要使用刺激性的肥皂洗脸，它会损坏你的皮肤。

damage指程度较轻、可进行修复的损坏；destroy一般指不可修复的损坏；ruin指程度较重，一般不可修复的损坏；injure意为“使受伤”。

3．Aftertheearthquakewasover，allthevillagesandtownswere________，andnopeopleoranimalswereseen.

A．inruinB．inruinsC．atruinsD．forruins

答案　B

解析　inruins为固定搭配，意为“严重受损；破败不堪”。

其他三项均无此结构。

4．Doitrightnow！

It’s________tocomplain（抱怨．

A．usefulB．guiltyC．uselessD．valuable

答案　C

解析　由题干中“Doitrightnow”可知说话者认为抱怨是没有用的，故C项正确。

useful“有用的”；guilty“内疚的；犯罪的”；valuable“有价值的”。

5．Onhearingthenewsthathersonhadwonthegame，sheburst________laughter.

A．outB．withC．uponD．into

答案　D

解析　burstinto为固定搭配，意为“突然爆发”，后常接laughter或tears。

6．Thefloodwasaterrible________；hundredsofpeopledied.

A．accidentB．disasterC．troubleD．relief

答案　B

解析　由后半句“hundredsofpeopledied”可知这场洪水是一场大灾难。

disaster“灾难”；accident“交通事故”；trouble“麻烦”；relief“解脱”。

7．Thegovernmentorganizedteamsto________thosewhoweretrapped.

A．digforB．digupC．digoutD．digfrom

答案　C

解析　digout“掘出；发现”；由those后的定语从句“这些人被压在……下面”，所以需要挖掘出来。

8．Mr.Smithistheonlyoneofthoseforeignerswho________inChina.

A．workB．isworkingC．areworkingD．hadworking

答案　B

解析　先行词为theonlyoneofthoseforeigners，表示单数含义，故定语从句的谓语动词用单数，排除A、C两项；题干中没有明确表示过去的时间状语，故排除D项。

9．It’sareally________experience.Afterthateverybodywasvery________.

A．terrifying；shockingB．terrified；shocking

C．terrifying；shockedD．terrified；shocked

答案　C

解析　terrifying“令人害怕的”，常用于修饰物；shocked“感到吃惊的”，常用于修饰人。

10．—Doyoustillrememberthedays________wespentinthecountrysidetenyearsago?

—Yes，I’llneverforgettheexperience.

A．whereB．whenC．thatD．what

答案　C

解析　先行词为thedays指物，定语从句中spent缺少宾语，故用关系代词that引导，that可以省略。

11．Thethiefglancedaboutnowandthen________heknewhewasbeingfollowed.

A．evenifB．asif

铣削过程中，铣削抗力会使刀具产生变形，加工出的工件尺寸、形状产生误差。

但偏差的大小、偏差是否能控制在允许的公差范围之内，‘则与切削用量、铣削条件和具体工艺等多种因素有关，其中刀具悬伸长度就是一个重要的影响因素。

那么铣削加工时不同的刀具悬长对加工结果有何影响？

有无规律可循？

本文将进行试验研究，能够对编程工艺人员起到定量或定性