模具数控铣削加工技术课件

1、第3章 模具数控铣削加工技术3.3 刀具补偿 3.4 数控仿真技术 3.2 常用铣削刀具、刀柄3.1 数控铣床与加工中心3.5 数控模具铣雕机床 3.6 数控铣床（加工中心）编程基础 3.7 数控铣床（加工中心）编程指令 思考与练习3.1 数控铣床与 加工中心 数控铣床和加工中心一样，在制造业中得到了广泛的应用。其区别在于加工中心带有刀库和自动换刀装置，是将数控铣床、数控镗床、数控钻床的功能组合在一起，零件在一次装夹后，可以将大部分加工面进行铣、镗、钻、扩、铰及攻螺纹等多工序加工。因此其加工效率优于数控铣床。 3.1.1数控铣床与加工中心组成 数控铣床（加工中心）主要由输入装置、数控装置、驱动

2、伺服系统、检测装置、机床运动部件和辅助装置组成。1.输入装置 数控程序编制后需要存储在一定的介质上，按目前的控制介质大致分为纸介质和电磁介质，通过不同方法输入到数控装置中去。纸带输入的方法，即在专用的纸带上穿孔，用不同孔的位置组成数控代码，再通过纸带阅读机将代表不同含义的信息读入，目前应用较少。穿孔纸带使用ISO和EIA两种标准信息代码，数控机床能自动识别。手动输入是将数控程序通过数控机床上的键盘输入，程序内容将存储在数控系统的存储器内，使用时可以随时调用。特别提醒的是，数控程序的产生由计算机编程软件或手工输入到计算机中，就可数控程序通过通讯方式传递到数控系统中，通常使用RS232C串行口或R

3、J45口等来完成。2.数控装置 数控装置是数控铣床（或加工中心）的核心，如图3.1所示。它是由数控系统、输入/输出接口等组成，它接受到的数控程序，经过编译、运算和逻辑处理后，输出相应信号到输出接口上。 3.伺服系统 接收数控装置输出的各种信号，经过分配、放大、转换等功能，驱动各运动部件完成零件的切削加工。 4.检测装置 位置检测、速度反馈装置根据系统要求不断测定运动部件的位置或速度，转换成电信号传输到数控装置中，与目标信号相比较、运算从而进行控制。 5.机床运动部件 包括床身、主轴箱、工作台、进给机构等机械部件组成，伺服电机驱动运动部件运动，完成工件与刀具之间的相对运动。 .辅助装置 辅助装置

4、是指数控铣床（或加工中心）的一些配套部件，包括刀库与自动换刀装置、液压和气动装置、冷却系统和排屑装置等。3.1.2刀库与自动换刀装置1.刀库 刀库是储存一定数量的加工刀具与辅助工具，通过机械手或相对运动实现与主轴上刀具的交换。目前多数加工中心取送刀具的位置是在刀库中某一固定刀位，所以刀库还需要有使刀具准确运动的机构来保证换刀的可靠性。刀库中刀具的定位机构是用来保证要更换的每一把刀具或刀套都能准确地停在换刀位置上。通常采用电动机或液压系统为刀库转动提供动力。 （1）刀库容量和换刀时间 刀库容量和换刀时间对加工中心的生产效率有直接影响。刀库容量是指刀库能存放加工所需要的刀具数量。事实上刀库中的刀具

5、并不是越多越好，太大的容量会增加刀库的尺寸和占地面积，使选刀过程时间增长。因此刀库的容量要根据加工工艺的需要选择。目前常见的中小型加工中心多为1660把，大型加工中心达100把以上。换刀时间是指带有自动交换刀具系统的数控机床，将主轴上使用的刀具与装在刀库上的下一工序需要的刀具进行交换所需要的时间。目前国内均在1020S内完成换刀；国外不少数控机床换刀时间仅为45S。 （2）刀库的类型 根据刀库的容量和取刀方式，可以将刀库设计成各种形式。常见的有： 盘式刀库 如图3.2所示盘式刀库结构简单，应用较多。其优点是结构简单，成本较低，换刀可靠性较好；缺点是换刀时间长，在刀库容量较小的加工中心上采用。

6、链式刀库 如图3.3所示链式刀库结构紧凑，刀库容量较大，链环形状可以根据机床的布局制成各种形状，也可将换刀位突出以便于换刀。当需要增加刀具数量时，只需增加链条的长度即可，给刀库设计与制造带来了方便。一般当刀具数量在30120把时，多采用链式刀库。1刀库 2机械手3主轴箱 4立柱 此外，密集形的鼓轮弹仓式或格子式刀库，虽然占地面积小，结构紧凑，在相同的空间内可以容纳的刀具数目较多，但是由于它的选刀和取刀动作复杂，现在已很少用于单机加工中心，多用于FMS（柔性制造系统）的集中供刀系统。 （3）刀具的选择方式 常见的刀具选择方式有顺序选刀和任意选刀两种。顺序选刀是在加工之前，将加工零件所需刀具按照工

7、艺要求依次插入刀库的刀套中，顺序不能有差错，加工时按顺序调刀。加工不同的工件时必须重新调整刀库中的刀具顺序，因而操作十分烦琐，而且加工同一工件中各工序的刀具不能重复使用。这样就会增加刀具的数量，而且由于刀具的尺寸误差也容易造成加工精度的不稳定。其优点是刀库的驱动和控制都比较简单。因此这种方式适合加工批量较大、工件品种数量较少的中、小型自动换刀数控机床。 目前大多数的数控系统都采用任选功能，任选刀具的换刀方式分为刀套编码、刀具编码和记忆式等。刀具编码或刀套编码需要在刀具或刀套上安装用于识别的编码条，一般都是根据二进制编码的原理进行编码的，刀具编码选刀方式采用了一种特殊的刀柄结构，并对每把刀具编码

8、。每把刀具都具有自己的代码，因而刀具可以在不同的工序中多次重复使用，换下的刀具不用放会原刀座，有利选刀和装刀，刀库的容量也相应减少，而且可避免由于刀具顺序的差错所发生的事故。但每把刀具上都带有专用的编码系统，刀具长度加长，制造困难，刚度降低，刀库和机械手的结构复杂。刀套编码的方式，一把刀具只对应一个刀套，从一个刀套中取出的刀具必须放回同一刀套中，取送刀具十分麻烦，换刀时间长。目前在加工中心上大量使用记忆式的任选方式。这种方式能将刀具号和刀库中的刀套位置对应地记忆在数控系统的PC中，无论刀具放在哪个刀套内部都始终记忆着。刀库上装有位置检测装置，可以检测出每个刀套的位置。这样刀具就可以任意取出并送

9、回。刀库上还设有机械原点，使每次选刀时就近选取。例如，对于盘式刀库每次选刀运动正转或反转都不超过180。 （1）自动换刀装置的形式 加工中心自动换刀装置的主要类型、特点与适应范围如表3.1所示。2.自动换刀装置 加工中心为了能在工件一次装夹中完成多种甚至所有加工工序，缩短辅助时间，减少多次安装工件所引起的误差，必须带有自动换刀装置。因此自动换刀装置应当满足如下基本要求：刀具换刀时间短；刀具重复定位精度高；足够的刀具储存量；刀库占地面积小；安全可靠性高。类 型特 点适 用 范 围转塔刀库式刀库与主轴之间直接换刀换刀运动集中，运动部件少。但刀库运动多。布局不灵活，适应性差适用回转类刀具的数控镗铣，

10、钻镗类立式、卧式加工中心机床，要根据工艺范围和机床特点，确定刀库容量和自动换刀装置类型，用于加工工艺范围广的立、卧式车削中心机床用机械手配合刀库进行换刀刀库只有选刀运动，机械手进行换刀运动，比刀库作换刀运动惯性小，速度快用机械手、运输装置配合刀库换刀换刀运动分散，由多个部件实现，运动部件多，但布局灵活，适应性好有刀库的转塔头换刀装置弥补转塔换刀数量不足的缺点，换刀时间短扩大工艺范围的各类转塔式数控机床更换主轴头换刀 在带有旋转刀具的数控机床中，更换主轴头换刀是一种简单的换刀方式，主轴头通常有卧式和立式两种，而且常用转塔的转位来更换主轴头以实现自动换刀，各个主轴头上预先装有各工序加工所需要的旋转

11、刀具，当收到换刀指令时，各主轴头依次转到加工位置，并接通主运动使相应的主轴带动刀具旋转，而其他处于不加工位置上的主轴都与主运动脱开。 更换主轴头换刀方式的主要优点是省去了自动松夹、卸刀装刀、夹紧以及刀具搬运等一系列复杂的操作，从而显著减少了换刀时间，提高了换刀的可靠性，但是由于结构上的原因和空间位置的限制，主轴的数目不可能很多。因此更换主轴头换刀通常只适应于工序较少，精度要求不高的数控机床（如数控铣床）。 带刀库的自动换刀系统 带刀库的自动换刀系统由刀库和刀具变换机构组成，换刀过程较为复杂。首先要把加工过程中使用的全部刀具分别安装在标准刀柄上，在机外进行尺寸预调整后，按一定的方式放入刀库。换刀

12、时，先在刀库中选刀，再由刀具交换装置从刀具或主轴取出刀具进行交换，将新刀装入，并由搬运装置运送刀具。由于带刀库的自动换刀装置的数控机床的主轴箱内只有一根主轴，设计主轴部件时能充分增强它的刚度，可满足精密加工要求。另外，刀库可以存放数量很大的刀具，因而能够进行复杂零件多工序加工，大大提高机床适应性和加工效率。因此特别适用于数控钻床、数控镗铣床和加工中心上使用。其缺点是整个换刀过程动作较多、换刀时间较长、系统复杂、可靠性较差。（2）刀具交换装置 数控机床的自动换刀装置中，实现刀库与机床主轴之间传递和装卸刀具的装置称为刀具的交换装置。刀具的交换方式有两种：由刀库与机床主轴的相对运动实现刀具交换和采用

13、机械手交换刀具。刀具交换方式与它们的具体结构对机床的工作效率和工作可靠性有直接的影响。无机械手的换刀系统一般是采用不把刀库放在主轴箱可以运动到的位置，或整个刀库或某一刀位能移动到主轴箱可以到达的位置。同时，刀库中刀具的存放方向一般与主轴上的装刀方向一致。换刀时由主轴运动到刀库上的换刀位置，利用主轴直接取走或放回刀具。3.刀库自动换刀的动作过程 我们以VMC15加工中心为例，它具有安装21把刀具的刀库，其换刀过程靠刀库的移动、转位以及主轴箱的上、下移动来完成，无须机械手交换刀具，结构简单，可提供可靠快速的刀具交换方式，目前刀具数目在30把以下的应用较普遍。 该加工中心刀具在主轴上夹紧与放松的基本

14、原理是以碟形弹簧的弹性力拉紧，气缸的气压力松开。刀杆采用7：24的大锥度锥柄，其尾部固定一拉钉，只要拉紧拉钉就可以把刀杆的锥面定位于主轴端部的锥孔中。 换刀前必须先将刀柄松开，为此发出换刀信息后，其压缩空气进入拉杆尾部的气缸，活塞受到的气压力克服碟形弹簧的弹性力，从而压缩碟形弹簧，拉杆下移使钢球能从径向孔中划出，解除了刀杆的拉力。如图3.4所示为VMC15加工中心刀库结构示意图。 1刀柄 2刀柄卡簧 3槽轮套 4，5接近开关 6转位电动机7碟形弹簧 8电动机支架9刀库转轴 10马氏槽轮 11刀盘 12杠杆 13支架 14刀库导轨 15，20带轮 16接近开关17带轮轴 18刀库架 19刀库移动

15、电动机 21传动带 1）刀具自动换刀的动作过程。如果把主轴上的6号刀换成8号刀，其过程如下：（1）主轴上的6号刀装入刀库中的6号刀位主轴箱回零（Z轴），即位于换刀位置。主轴停止转动，且周向定位停止。数控系统发出换刀信号，电动机6转动，通过槽轮套3带动马氏槽轮10间歇转位，直至6号空刀位对准主轴方向，接近开关5发出到位信号，电动机6停止转动。得到接近开关5的信号同时，电动机19启动，通过带轮20，15及传动带21，带动杠杆12转动。由于杠杆12前的销子插入支架13的长槽中，而支架13又与电动机6的支架8由螺钉固定为一体，为此杠杆12的转动使刀库沿滑移导轨14移至主轴下端，同时刀库周向的防护门打开

16、，主轴上的6号刀插入刀盘11的6号刀位装刀槽中，此时接近开关16发出信号，表示装刀完毕。主轴中的松刀气缸作用，放松6号刀具，主轴箱上移至特定位置。这样完成了主轴上的6号刀装入刀库的全部动作。 （2）刀库中的8号刀具装入主轴主轴箱上移后发出信号，电动机6转动，马氏槽轮10转位，由于数控系统设置刀号为顺时针排序，因此这时马氏槽轮10逆时针转至8号刀位，即8号刀具位于主轴下端，接近开关5发出到位信号，电动机6停止转动。主轴箱下移，使8号刀具的刀柄插入主轴孔内，放松气缸，则刀具靠碟弹簧的恢复力夹紧于主轴中。由气缸的放松发出信号，使电动机19反向转动，刀库移至原位，同时刀库周向防护门关闭，接近开关16发

17、出刀库归位信号，整个换刀过程结束。2）刀库自动换刀系统的特点（1）刀库中刀盘的转位采用马氏槽轮机构，使其转位呈现每一刀位的间歇转位，结构简单，定位准确。（2）换刀时刀盘可实现双向任意转位，以最短的路径双向转位选刀，缩短换刀的辅助时间。（3）利用可编程控制器实现随机换刀。即由PLC对刀库中刀座进行编码，一旦设定好刀号，其刀库中刀位的排序存入数控系统的存储器，关机也不会丢失，只有重新设定刀号才能更改前一次设定的刀号。换刀时根据刀座的编号来选取刀座中相应的刀具。（4）具有刀库的超重保护，为保证刀具的可靠夹持，对刀具的质量做了规定，当刀库携带刀具一起的质量超过给定量时，则碟形弹簧7往下压缩，接近开关4

18、发出刀库超重信号，从而使系统停止工作。3.1.3数控铣床与加工中心分类及主要技术参数1.数控铣床的分类 数控铣床是一种用途广泛的数控机床，根据不同方法可分为不同的类型。 按主轴轴线位置方向分为数控立式铣床和数控卧式铣床。 按加工功能分为数控铣床、数控仿形铣床和数控齿轮铣床等。 按控制坐标轴数分两坐标数控铣床、两坐标半数控铣床、三坐标数控铣床等。 按伺服系统分为开环、半闭环和闭环数控铣床。2数控铣床主要技术参数 机床规格与技术要求（1）加工范围工作台面尺寸(宽长) 400mm800mmX/Y/Z向最大行程 600mm/400mm/500mm工作台最大承载重量 500 Kg最大立铣刀直径 50mm

19、（2）机床主轴控制: 采用交流变频器和交流变频电机控制。 主轴转速范围（变频,无级）606000rpm主轴锥孔ISO40主轴刀柄BT40刀柄拉钉P40T主轴电机功率 5.5 KW（3）机床进给驱动控制: 采用交流伺服驱动单元与交流伺服电机驱动。 快速移动速度（X向） 8000 mm/min（Y向） 8000 mm/min（Z向） 4000 mm/min进给电机扭矩（X向） 11 Nm（Y向） 11 Nm（Z向） 11 Nm（4）机床精度:机床的定位精度及重复定位精度按国家数控床身铣床精度专业标准的相关项目进行检测。精度值应满足要求。定位精度（X向） 0.030 mm（Y向） 0.030 mm（

20、Z向）0.030 mm重复定位精度（X向） 0.010 mm（Y向）0.010 mm（Z向）0.010 mm 3.加工中心的分类 1）按照机床形态分类 可分为立式、卧式、龙门式和万能加工中心。 （1）立式加工中心 是指主轴轴线垂直设置的加工中心，如图3.5所示。其结构形式多为固定立柱式，工作台为长方形，十字滑台，适合加工各类铣削类零件，具有三个直线运动坐标，并可在工作台上安装一个水平的数控回转工作台用以加工螺旋线类零件。立式加工中心的结构简单、占地面积小、价格低。 （2）卧式加工中心 是指主轴轴线水平设置的加工中心，如图3.6所示。卧式加工中心一般为固定立柱式或固定工作台式。固定立柱式的卧式加

21、工中心的立柱不动，主轴箱在立柱上做上下移动，工作台可在水平面上做两个方向（X、Z）移动，固定工作台式的卧式加工中心其Z坐标的运动由立柱移动来定位，安装工件的工作台只完成X坐标移动。 卧式加工中心通常带有可进行分度回转运动的正方形分度工作台，一般具有35个运动坐标，常见的是三个直线运动坐标（沿X、Y、Z轴方向）加一个回转运动（回转工作台），它能够使工件在一次装夹后完成除安装面和顶面以外的其余四个面的加工，最适合箱体类工件的加工。与立式加工中心相比较，卧式加工中心的结构复杂，占地面积大，重量大，价格也较高。 （3）龙门式加工中心 如图3.7所示龙门式加工中心形状与龙门式数控铣床相似，主轴多为垂直设

22、置，带有自动换刀装置、可更换的主轴头附件，数控装置的软件功能也较齐全，能够一机多用，尤其适用于大型或形状复杂的工件，如航天工业与大型气轮机上的某些零件的加工。 （4）万能加工中心 这种加工中心具有立式和卧式加工中心的功能，在工件的一次装夹后，能完成除安装面外的所有五个面的加工，故又称为五面加工中心。常见的五面加工中心有两种形式，一种是主轴可以旋转90，既可以像立式加工中心那样工作，也可以像卧式加工中心那样工作；另一种是主轴不改变方向，而工作台可以带着工件旋转90完成对工件五个表面的加工，可以使工件的形位误差降到最低，省去二次装夹的工装，从而提高生产效率，降低加工成本。但是由于五面加工中心存在着

23、结构复杂、造价高、占地面积大等缺点，所以它的使用和生产在数量上远不如其它类型的加工中心应用广泛。 2）按自动换刀装置分类 按自动换刀装置分类，通常可分为以下四类： （1）转塔头加工中心 有立式和卧式两种。主轴数一般为612个，这种结构换刀时间短、刀具数量少、主轴转塔头定位精度要求较高。一般在小型立式加工中心上采用转塔刀库形式，主要以孔加工为主。 （2）刀库+主轴换刀加工中心 这种加工中心特点是无机械手式主轴换刀，其换刀是通过刀库和主轴箱的配合动作来完成，并由主轴箱上下运动进行选刀和换刀，一般是采用把刀库放在主轴箱可以运动到的位置，或整个刀库或某一刀位能移动到主轴箱可以达到的位置，刀库中刀具的存

24、放位置方向与主轴装刀方向一致。换刀时主轴运动到刀位上的换刀位置，由主轴直接取走或放回刀库。 （3）刀库+机械手+主轴换刀加工中心 这种加工中心结构多种多样，换刀装置是由刀库和机械手组成，换刀机械手完成换刀工作。由于机械手卡爪可同时分别抓住刀库上所选的刀和主轴上的刀，因此换刀时间短，并且选刀时间与机加工时间重合，因此得到广泛应用。 （4）刀库+机械手+双主轴转塔头加工中心 这种加工中心在主轴上的刀具进行切削时，通过机械手将下一步所用的刀具换在转塔头的非切削主轴上。当主轴上的刀具切削完毕后，转塔头即回转完成换刀工作，且换刀时间短。 3）按功能特征分类 按功能特征分类，可分为镗铣加工中心、钻削加工中

25、心和复合加工中心。 （1）镗铣加工中心 镗铣加工中心和龙门式加工中心，都以镗铣为主，适用于箱体、壳体类零件加工以及各种复杂零件的特殊曲线和曲面轮廓的多工序加工，适用于多品种、小批量的生产方式。 （2）钻削加工中心 主要完成钻削加工，刀库形式以转塔头形式为主，适用于中、小批量零件的钻孔、扩孔、铰孔、攻螺纹与连续轮廓铣削等多工序加工。 （3）复合加工中心 复合加工中心主要指五面复合加工中心，可自动回转主轴头，进行立卧加工。主轴自动回转后，在水平和垂直面实现刀具自动交换。 4）按结构特征分类 根据加工中心工作台的结构特征，可分为单、双和多工作台。设置工作台的目的是为了缩短零件的辅助准备时间，提高生产

26、效率和机床自动化程度。最常见的是单工作台和双工作台两种形式。 5）按主轴种类分类 根据主轴结构特征，可分为单轴、双轴、三轴及可换主轴箱的加工中心。4加工中心主要技术参数（1）加工范围工作台面尺寸(宽长) 400mm800mmX/Y/Z向最大行程 600mm/400mm/500mm工作台最大承载重量 300 Kg最大立铣刀直径 40mm（2）机床主轴控制: 采用交流伺服主轴和交流伺服主轴电机控制。 主轴转速范围606000rpm主轴锥孔ISO40主轴刀柄BT40刀柄拉钉P40T主轴电机功率 5.5 KW（3）自动换刀装置刀库容量 12把最大刀具重量 6.8 Kg最大刀具直径 相邻80mm/ 相邻

27、160mm换刀时间(相邻) 6.5 sec（4）机床进给驱动控制: 采用交流伺服驱动单元与交流伺服电机驱动。 快速移动速度（X向）8000 mm/min（Y向）8000 mm/min（Z向）8000 mm/min进给电机扭矩（X向）11 Nm（Y向）11 Nm（Z向）11 Nm（5）机床精度:机床的定位精度及重复定位精度按国家立式加工中心精度专业标准的相关项目进行检测。精度值应满足标准要求。定位精度（X向） 0.025 mm（Y向） 0.020 mm（Z向）0.025 mm重复定位精度（X向） 0.015 mm（Y向）0.012 mm（Z向）0.015 mm（6）数控铣床、加工中心数控系统配置

28、与功能的要求控制轴数3联动轴数3最小设定单位0.001毫米最大编程尺寸8位最小设定单位0.001毫米进给轴驱动系统数字交流伺服驱动装置+永磁同步交流无刷伺服电机主轴系统变频器变频主轴电机（数控铣床）自动加减速控制方式S型加减速度控制图形显示三维彩色图形实时动态显示刀具轨迹工作状态显示灯每个模态键上应有状态指示灯，使用户操作直观明了在线帮助功能提供编程帮助和图例实时加工参数显示功能机床坐标系、工件坐标系、实时跟踪误差、实时剩余进给量、指令位置、实际位置实时显示等局域网（以太网）连接功能或有计算机通讯接口，可实现数控机床联网程序数据断电保护与存贮功能，用户程序可断电储存容量512KB半闭环控制，数

29、控系统具有位置检测反馈信号输入接口数字交流伺服主轴驱动装置+伺服主轴电机（加工中心）进给修调、快速修调和主轴转速修调三种控制功能，修调范围达到10150具有扩展软驱、硬盘的接口，可装载和存储大量加工程序7英寸以上单色或彩色液晶显示器，分辨率640480象素（工作台面尺寸为300mm1000mm的数控铣床）10英寸以上单色或彩色液晶显示器，分辨率640480象素（工作台面尺寸 400mm1000mm的数控铣床和加工中心）具有系统软件可持续升级的能力，可提供二次开发工具软件包数控系统生产厂家通过ISO9000质量体系认证间隙及螺距误差补偿功能，补偿点数128点蓝图编程功能汉字菜单断点保存与恢复功能

30、编辑功能(包括后台编辑功能)从指定的任意行运行加工功能显示屏亮度手动和自动调节功能程序跳段功能空运行、模拟加工和图形化程序校验功能故障监控、诊断与报警功能系统参数备份与恢复功能历史故障记忆功能电子手轮跟踪误差允差设定与报警功能具有第四轴的扩展能力手动/自动/单步/MDI等多种运行方式DNC接口通讯功能行程极限的软件、硬件限位功能可外接101键盘的接口（7）数控系统编程功能要求直线、圆弧、螺旋线、正弦线插补功能参数编程、宏程序编程功能，支持逻辑运算、函数运算、条件判别和循环语句标准的G功能、M功能、T功能，数控编程指令与国际标准兼容，支持常用CAD/CAM系统生成的数控加工程序直线、圆弧、螺旋线

31、、正弦线插补功能螺纹功能（公制，英制）、多种攻丝切削功能、刚性攻丝（加工中心）多种铣削固定循环、多种粗精铣削加工固定循环和复合循环、攻丝与逆攻丝、钻孔、深钻孔、定心钻循环功能、固定循环返回起始点和安全面功能小线段连续高速加工功能（G64）和准确定位功能（G61）刀具偏置和补偿功能，刀具位数：70把，刀具偏置存储器：70个多种镗铣切削循环功能刀具圆弧半径补偿、长度补偿功能坐标系可编程的零点偏置功能公制/英制输入功能四重以上子程序调用功能绝对值/增量值编程旋转、镜像、缩放功能脉冲当量输入功能虚轴指定功能每分钟/每转进给功能用户自定义M指令功能自动换刀功能（加工中心）3.2常用铣削刀具与刀柄 与传统

32、加工方法相比，数控加工对刀具的要求更高。尤其在刀具的刚性及耐用度方面较传统加工更为严格。因为刀具若刚性不好，会影响生产效率的提高，在加工中极易出现打刀的事故，也会降低加工精度。若刀具耐用度差，则需经常换刀、对刀，从而增加辅助时间，并且容易在工件轮廓上留下接刀痕迹，影响工件表面质量。此外，还要求刀具精度高，尺寸稳定，安装调整方便。所以刀具的选择是数控加工工艺中重要内容之一，要注意对工件的结构及工艺性认真分析，结合机床加工能力、工件材料及工序内容等综合考虑。 1刀具材料的选择 当前使用的金属切削刀具材料主要有五类：高速钢、硬质合金、陶瓷、立方氮化硼（CBN）、聚晶金刚石。表3.2列出了各种刀具材料

33、的特性和用途。3.2.1刀具类型与选择材料主要特性用途优点高速钢（HSS）比工具钢硬低速或不连续切削刀具寿命较长，加工的表面较平滑高性能高速钢强韧、抗边缘磨损性强可粗切或精切几乎任何材料，包括铁、钢、不锈钢、高温合金、非铁和非金属材料切削速度可比高速钢高，强度和韧性较粉末冶金高速钢好粉末冶金高速钢良好的抗热性和抗碎片磨损切削钢、高温合金、不锈钢、铝、碳钢及合金钢和其它不易加工的材料切削速度可比高性能高速钢高15硬质合金耐磨损、耐热可锻铸铁、碳钢、合金钢、不锈钢、铝合金的精加工寿命比一般传统碳钢高20倍陶瓷高硬度、耐热冲击性好高速粗加工，铸铁和钢的精加工也适合加工有色金属和非金属材料不适合加工铝

34、、镁、钛及其合金高速切削速度可达5000m/s立方氮化硼CBN超强硬度和耐磨性好硬度大于450 HBW材料的高速切削刀具寿命长聚晶金刚石超强硬度和耐磨性好粗切和精切铝等有色金属和非金属材料刀具寿命长 根据数控加工对刀具的要求，选择刀具材料的一般原则是尽可能选用硬质合金刀具，但不同国家和生产厂家有不同的标准和系列。表3.3列出常见厂家和国家的牌号。ISOANSI中国山特维克适合加工材料P01C8C7C6C5YN05F02产生带状切屑的铁金属；P05YN10S1PP10YN15S1PP15S2P20YT14S2P25S4P30YT5S4P40S6P50S8M10YW1H1P产生节状切屑或粒状切屑的

35、铁金属；非铁金属；M20YW2H1PM30M40R4K01C4C3C2C1YG3XH05产生粒状切屑或崩碎切屑的铁金属；非铁金属；非金属材料。K05YG3K10YG6XH10K20YG6H20K30YG8NH20K40 2平面铣刀的种类 从刀具的结构应用方面来看，数控铣削加工应尽可能采用镶块式机夹可转位刀片以减少刀具磨损后的更换和预调时间。如图3.8所示为各种类型铣刀应用场合。 1）面铣刀 面铣刀一般采用盘状体上机夹刀片或刀头组成，常用于铣削较大的平面。其结构如图3.9所示。 铣削刀具齿距是刀刃上某点和下一刀上相同点之间的距离。面铣削刀具分为疏齿、密齿和超密齿，分别如图3.10中的（a）、（b

36、）、（c）所示。（a）疏齿 （b）密齿 （c）超密齿 当稳定性和功率有限时，采用疏齿方式，减少了刀片数目并采用不等齿距可得到最高生产率；在一般用途生产和混合生产条件下首选密齿；在稳定条件下，采用超密齿形式可获得最高生产率。 面铣刀盘直径和位置选择应根据工件尺寸，主要是根据工件宽度选择铣刀直径，如图3.11所示。当然在选择过程中，机床功率是首要考虑的因素。为了达到更好的切削效果，刀具的位置、刀齿和工件接触形式也要进行考虑。一般来说，用于面铣刀的直径应比切宽大2050%。 2）立铣类刀具 立铣刀：应用范围广，用于加工各种凹槽、台阶面以及成形表面。其主切削刃位于圆周面上，端面上的切削刃是副切削刃，故

37、切削时一般不宜沿轴线方向进给。如图3.12所示。键槽铣刀：用于加工封闭键槽。外形类似立铣刀，有两个刀齿，端面切削刃为主切削刃，圆周的切削刃是副切削刃。球头铣刀：属于立铣刀类，主要用于加工模具型腔或凸模成形表面。 曲面加工常采用球头铣刀，但加工曲面较平坦部位时，刀具以球头顶端刃切削，切削条件较差，因而应采用圆鼻刀。在单件或小批量生产中，为取代多坐标联动机床，常采用鼓形刀或锥形刀来加工一些变斜角零件，其效率比用球头铣刀高近十倍，并可获得好的加工精度。球头刀一般在曲面曲率变化较大，易发生干涉或精加工中采用。对于一些立体型面和变斜角轮廓外形的加工，常用的刀具有球形铣刀、圆鼻铣刀、鼓形铣刀、锥形铣刀和盘

38、铣刀，如图3.13所示。（a）球头刀 （b）圆鼻刀 （c）鼓形刀 （d）锥形刀 （e）盘形刀3）粗铣球头仿形铣刀粗铣球头仿形铣刀的结构如图3.14所示，其主要技术特色如下:（1）刀具整体设计双负结构，采用了-10的刃倾角，刀具具有极高的抗冲击性能和抗振动性能，同时采用负的刃倾角可以提高排屑性能；（2）刀片的定位设计采用了最为稳定的三角面定位原理，采用一次定位磨削加工完成，特殊开发的检查夹具控制，定位精度非常高；（3）刀片的的刃形设计非常有特色，只用了一个圆弧和直线构造刀片刃形轮廓，通过特殊的造型处理，刃形的设计理论精度达到：球形刃最大误差仅为0.005mm,直线刃的最大误差为0.02mm,这样

39、设计的优点是大批量制造容易实现，刀片的刃形仅为一个直线和一个圆弧，这是最为简洁的设计思路，大大降低了包括模具、刀片研磨等工序的制造复杂性；（4）双后角设计，保证刀具有足够的刃部强度的同时可以大进给强力切削；（5）刀体设计与制造采用最为先进的理念，刀体的精度达到作为标片研磨检查夹具的精度要求，刀体设计中充分考量了刀具在极为恶劣的使用状况下的安全问题，经过有限元应力分析，所有应力集中的区域采用圆滑化设计处理，确保强力切削的使用状况下刀体的绝对安全。【例3.1】：加工长形叶片工件示意图，球头刀具的加工区域如图3.15所示。 4）三面刃铣刀 三面刃铣刀的应用领域极为广泛，如发动机曲轴座侧面组合铣刀、电

40、力机车转向架重型三面刃铣刀、大型孔的密封圈槽铣刀、STAMA车铣中心有一把核心刀具就是SLITTING CUTTER、螺旋槽铣刀等等。 三面刃的种类非常多，根据用途主要有以下几种： （1）切断型，形式多种多样，SANDVIK、ISCAR等公司采用车削切断刀片采用SELF-GRIP（自压紧）锁紧刀片，刀体制造工艺异常复杂，变形包括热处理变形和锁紧力变形，没有大量经验数据及强大有限元分析支持，根本无法问津；另一种形式采用四边形浅槽车削刀片，采用SREW-ON（螺钉压紧）锁紧刀片，这是由SECO公司与80年代初开发成功，其它公司进行一些变种，如WEDIA采用三角形刀片、KORLOY采用五角形刀片，这

41、种结构形式切削效率明显低于第一种结构，特别是切薄壁件或细长件等刚性不好的工件时特别不利，但具有制造容易、刀片切削刃多且形状简单，相对经济性要好，现在仍是主流结构并且没有专利保护，因此切断型的选择SECO结构。如图3.16所示。（2）单侧面加工，如发动机曲轴座侧面加工，根据图纸设计要求有多种倒角或倒圆要求，刀片种类十分繁多；（3）沟槽加工，如铣刀螺旋槽，被加工槽宽度必须根据用户要求精调，同样底部有多种倒角或倒圆要求，刀片种类十分繁多；（4）特种重型加工，如发动机曲轴内外铣、电力机车转向架定位槽、电力机车电机内槽加工刀具都属于这一类型刀具。 5）麻花钻头 麻花钻一般由高速钢制成。其结构如图3.17

42、所示，切削部分包含有两个前刀面、两个后刀面和两个副后刀面共六个面和两个主切削刃、两个副切削刃和一个横刃共五个刃。但由于其结构上的缺陷，从而在使用过程中产生以下的缺点：（1）主切削刃上各点的前角值差别很大，从外缘处的+30左右变化到接近钻心的-30左右，因此各点的切削条件差异很大。（2）横刃处的前角为5460，而且横刃较长，定心不佳，钻削时在该处产生严重的挤压和摩擦，进给力很大。（3）由于主切削刃较长，因而切削宽度较大，加之各点切削速度的大小和方向不一，从而给切屑卷曲、排出以及切削液对切削区的注入都带来困难。（4）主、副切削刃的交接处切削速度最高，切削刃的强度和散热条件最差，且副后角为零度，因此

43、该处磨损最快，影响钻头的耐用度。 6）铰刀 铰刀有手用铰刀和机用铰刀两种。其中手用铰刀多为直柄，末端有方头，以便铰刀杆装夹，其直径通常为150mm；机用铰刀多为锥柄，便于装夹在机床的主轴孔内，其直径通常为1080mm。如图3.18所示，铰刀的特点为直槽，有612个刀齿（多为偶数，便于测量铰刀的直径）。担负主要切削工作的切削部分常做成锥形。校准部分为圆柱形，用于孔的校正、修光。 3刀具的选择 （1）铣刀的选择 刀具的选择是数控加工工艺中重要内容之一，它不仅影响数控机床的加工效率，而且直接影响加工质量。况且数控加工较传统加工对刀具的要求更高。不仅要求精度高、刚度好、耐用性强，而且要求尺寸稳定、安装

44、调整方便。这就要求采用新型优质材料制造数控加工刀具，并优选刀具参数。选取刀具时，要使刀具的尺寸与被加工工件的表面尺寸和形状相适应。生产中，平面零件周边轮廓的加工，常采用立铣刀。铣削平面时，应选硬质合金刀片铣刀；加工凸台、凹槽时，选高速钢立铣刀；加工毛坯表面或粗加工孔时，可选镶硬质合金的玉米铣刀。绝大部分铣刀由专业工具厂制造，我们只需选好铣刀的参数就可。铣刀的主要结构参数有：直径d0、宽度（或长度）L及齿数Z。 刀具半径r应小于零件内轮廓面的最小曲率半径，一般取r=(0.80.9)。 零件的加工高度H(1416)r，以保证刀具有足够的刚度。 对不通孔(深槽)，选取L=H+(510)mm(L为刀具

45、切削部分长度，H为零件高度)。 加工通孔及通槽时，选取L=Hrc+(510)mm(rc为刀尖角半径)。 铣刀直径d0是铣刀的基本结构参数，其大小对铣削过程和铣刀的制造成本有直接影响。选择较大铣刀直径，可以采用较粗的心轴，提高加工系统刚性，切削平稳，加工表面质量好，还可增大容屑空间，提高刀齿强度，改善排屑条件。另外，刀齿不切削时间长，散热好，可采用较高的铣削速度。但选择大直径铣刀也有一些不利因素，如刀具成本高，切削扭矩大，动力消耗大，切入时间长等。综合以上考虑，在保证足够的容屑空间及刀杆刚度的前提下，宜选择较小的铣刀直径。某些情况下则由工件加工表面尺寸确定铣刀直径。例如，铣键槽时，铣刀直径应等于

46、槽宽。 铣刀齿数Z对生产效率和加工表面质量有直接影响。同一直径的铣刀，齿数愈多，同时切削的齿数也愈多，使铣削过程较平稳，因而可获得较好的加工质量。另外，当每齿进给量一定时，可随齿数的增多而提高进给速度，从而提高生产率。但过多的齿数会减少刀齿的容屑空间，因此不得不降低每齿进给量，这样反而降低了生产率。一般按工件材料和加工性质选择铣刀的齿数。例如，粗铣钢件时，首先须保证容屑空间及刀齿强度，应采用粗齿铣刀；半精铣或精铣钢件、粗铣铸铁件时，可采用中齿铣刀；精铣铸铁件或铣削薄壁铸铁件时，宜采用细齿铣刀。 （2）孔加工刀具的选择 数控钻孔一般无钻模，钻孔刚度差，应使钻头直径D满足LD5(L为钻孔深度)。钻

47、大孔时，可采用刚度较大的硬质合金扁钻；钻浅孔时(LD2)宜采用硬质合金的浅孔钻，以提高效率和加工质量。 钻孔时，应选用大直径钻头或中心钻先锪一个内堆坑，作为钻头切入时的定心锥面，再用钻头钻孔，所锪的内锥面也是孔口的倒角，有硬皮时，可用硬质合金铣刀先铣去孔口表皮，再锪锥孔和钻孔。 精铰孔可采用浮动铰刀，但铰前孔口要倒角。 镗孔一般是悬臂加工，应尽量采用对称的两刃或两刃以上的镗刀头进行切削，以平衡径向力，减轻镗削振动。对阶梯孔的镗削加工采用组合镗刀，以提高镗削效率。精镗宜采用微调镗刀。选择镗刀主偏角接近90，大于75。 镗孔加工除选择刀片与刀具外，还要考虑镗杆的刚度，尽可能选择较粗（接近镗孔直径）

48、的刀杆，及选择较短的刀杆臂，以防止或消除振动。当刀杆臂小于4倍刀杆直径时可用钢制刀杆，加工要求较高的孔时最好选用硬质合金制刀杆。当刀杆臂为47倍刀杆直径时，小孔用硬质合金制刀杆，大孔用减振刀杆。当刀杆臂为710倍的刀杆直径时，需采用减振刀杆。此外，在加工中心上，各种刀具分别装在刀库上，按程序规定随时进行选刀和换刀工作。 （3）平面铣刀的选择 选择铣刀时，要使刀具的尺寸与被加工工件的表面尺寸和形状相适应。粗铣平面时，因切削力大，故宜选较小直径的铣刀，以减少切削扭矩；精铣时，可选大直径铣刀，并尽量包容工件加工面的宽度，以提高效率和加工表面质量。 4.切削用量的选择 切削用量是加工过程中重要的组成部

49、分，合理地选择切削用量，不但可以提高切削效率，还可以提高零件的表面精度，影响切削用量的因素有机床的刚度、刀具的使用寿命、工件的材料、切削液等。 1）铣削用量的选择 铣削用量的选择是否合理直接影响工件加工质量、生产效率和刀具耐用度。合理选择铣削用量的原则是：粗加工时，一般以提高生产率为主，但也应考虑经济性和加工成本；半精加工和精加工时，应在保证加工质量的前提下，兼顾切削效率、经济性和加工成本，具体数值应根据机床说明书、切削用量手册，并结合经验而定。 确定铣削深度时，如果机床功率和工艺系统刚性允许而加工质量要求不高（Ra值不小于5m），且加工余量又不大（一般不超过6mm），可以一次铣去全部余量。若

50、加工质量要求较高或加工余量太大，铣削则应分多次进行。在工件宽度方向上，一般应将余量一次切除。 加工条件不同，选择的切削速度c和每齿进给量fz也应不同。工件材料较硬时，fz与c值应取得小些；刀具材料韧性较大时，fz值可取得大些；刀具材料硬度较高时，c的值可取得大些；铣削深度较大时，fz与c值应取得小些。 2）钻削用量的选择 （1）钻头直径 钻头直径由工艺尺寸确定。孔径不大时，可将孔一次钻出。工件孔径大于35mm时，若仍一次钻出孔径，往往由于受机床刚度的限制，必须大大减小进给量。若两次钻出，可取大的进给量，既不降低生产效率，又提高了孔的加工精度。先钻后扩时，钻孔的钻头直径可取孔径的5070。 （2

51、）进给量 小直径钻头主要受钻头的刚性及强度限制，大直径钻头主要受机床进给机构强度及工艺系统刚性限制。在以上条件允许的情况下，应取较大的进给量，以降低加工成本，提高生产效率。普通麻花钻钻削进给量可按以下经验公式估算选取： =（0.010.02）d0 式中，d0为孔的直径。 （3）钻削速度 钻削的背吃刀量（即钻头半径）、进给量及钻削速度都对钻头耐用度产生影响，但背吃刀量对钻头耐用度的影响与车削不同。当钻头直径增大时，尽管增大了切削力，但钻头体积也显著增加，因而使散热条件明显改善。实践证明，钻头直径增大时，切削温度有所下降。因此，钻头直径较大时，可选取较高的切削速度。目前有不少高性能材料制做的钻头，

52、其切削速度宜取更高值。一般情况下，钻削速度可参考表3.4选取。工件材料低碳钢中、高碳钢合金钢铸铁铝合金铜合金钻削速度2530202515202025407020403.2.2刀柄 加工中心的主轴锥孔通常分为两大类，即锥度为7:24的通用系统和1:10的HSK真空系统。因此对应主轴锥孔的刀柄也有如下两种： 1.7:24锥度的通用刀柄 锥度为7:24的通用刀柄通常有五种标准和规格，即NT（传统型）、DIN 69871（德国标准）、IS0 7388/1（国际标准）、MAS BT（日本标准）以及ANSI/ASME（美国标准）。NT型刀柄的德国标准为DIN 2080，是在传统型机床上通过拉杆将刀柄拉紧，

53、国内也称为ST；其它四种刀柄均是在加工中心上通过刀柄尾部的拉钉将刀柄拉紧。 目前国内使用最多的是DIN 69871型（即JT）和MAS BT型两种刀柄。DIN 69871型的刀柄可以安装在DIN 69871型和ANSI/ASME主轴锥孔的机床上，IS0 7388/1型的刀柄可以安装在DIN 69871型、IS0 7388/1和ANSI/ASME主轴锥孔的机床上，所以就通用性而言，IS0 7388/1型的刀柄是最好的。 （1）拉钉 拉钉有三个关键参数：角、长度l以及螺纹G，如图3.19所示。根据三个关键参数的不同，不同刀柄配备的拉钉也不同。当然，拉钉还有是否带内冷却孔之分。 关于刀柄拉钉的角有如

54、下几种情况： MAS BT（日本标准）刀柄拉钉角有45、60和90之分，常用的是45和60的； DIN 69871刀柄拉钉（通常称为DIN 6987240/50）角只有75一种； IS0 7388/1刀柄拉钉（通常称为IS0 7388/240/50）角有45和75之分； ANSI/ASME（美国标准）刀柄拉钉角有45、60和90之分。 关于刀柄拉钉的螺纹G，除ANSI/ASME（美国标准）刀柄拉钉存在有英制螺纹标准外，其它三种均使用公制螺纹，40#刀柄拉钉通常使用M16螺纹，50#刀柄拉钉通常使用M24螺纹。 （2）DIN 2080型（简称 NT或ST） DIN 2080是德国标准，即国际标准

55、ISO 2583，是我们通常所说NT型刀柄，不能用机床的机械手装刀而用手动装刀。如图3.20所示。 （3）DIN 69871型（简称JT、DIN、DAT或DV） DIN 69871型分为两种，即DIN 69871 A/AD型和DIN 69871 B型，前者是中心内冷，后者是法兰盘内冷，其它尺寸相同。如图3.21所示。(a) DIN 69871 A/AD型 (b) DIN 69871 B型 （4）ISO 7388/1 型（简称IV或IT） 其刀柄安装尺寸与DIN 69871 型没有区别，但由于ISO 7388/1 型刀柄的D4值小于DIN 69871型刀柄的D4值，所以将ISO 7388/1型刀

56、柄安装在DIN 69871型锥孔的机床上是没有问题的，但将DIN 69871 型刀柄安装在ISO 7388/1型机床上则有可能会发生干涉。如图3.22所示。（5）MAS BT型（简称BT）BT型是日本标准，安装尺寸与 DIN 69871、IS0 7388/1及ANSI完全不同，不能换用。BT型刀柄的对称性结构使它比其它三种刀柄的高速稳定性要好。如图3.23所示。 （6）ANSI B5.50型（简称CAT） ANSI B5.50型是美国标准，安装尺寸与DIN 69871、IS0 7388/1类似，但由于少一个楔缺口，所以ANSI B5.50型刀柄不能安装在DIN 69871和IS07388/1机

57、床上，但DIN 69871和IS0 7388/1刀柄可以安装在ANSI B5.50型机床上。如图3.24所示。 2.1:10的HSK真空刀柄 HSK真空刀柄的德国标准是DIN69873，有六种标准和规格，即HSK-A、HSK-B、HSK-C、HSK-D、HSK-E和HSK-F，常用的有三种：HSK-A(带内冷自动换刀)、HSK-C(带内冷手动换刀)和HSK-E(带内冷自动换刀，高速型)7:24的通用刀柄是靠刀柄的7:24锥面与机床主轴孔的7:24锥面接触定位连接的，在高速加工、连接刚性和重合精度三方面有局限性。 HSK真空刀柄靠刀柄的弹性变形，不但刀柄的1:10锥面与机床主轴孔的1:10锥面接

58、触，而且使刀柄的法兰盘面与主轴面也紧密接触，这种双面接触系统在高速加工、连接刚性和重合精度上均优于7:24的通用刀柄。 不论是7:24的通用刀柄还是1:10的HSK真空刀柄，都可以构成整体式和模块式两类刀柄。下面我们以7:24的通用刀柄来介绍整体式刀柄。 整体式刀柄通常有弹簧夹头刀柄、莫氏锥刀柄、钻夹头刀柄、侧固式刀柄、攻丝刀柄、面铣刀柄、强力铣刀柄、整体式镗刀体等。 （1）弹簧夹头刀柄 即我们通常所说的ER刀柄系统，其型号如图3.25所示。它是目前加工中心上最常用的刀柄，可以用来夹持直柄的钻头、立铣刀以及丝锥等。如图3.26所示。 （2）莫氏锥刀柄 莫氏锥刀柄分两种：带扁尾型和不带扁尾型，其

59、型号分别如图3.27中（a）和（b）所示。莫氏锥刀柄的内孔有莫氏锥#1莫氏锥#5共五种锥号规格。如图3.28中（a）和（b）所示。 （3）直结式钻夹头刀柄 又称为整体式精密钻夹头刀柄，型号如图3.29所示。不需要弹性套筒而可以在一个大的尺寸范围内锁紧刀具，具有钻孔、攻丝、立铣以及铰孔等功能。如图3.30所示。（4）侧固式刀柄侧固式刀柄的型号如图3.31所示。它包括两种：铣削平面的侧固式铣刀柄（DIN 1835-B）和带2斜削平面的侧固式钻刀柄（DIN 1835-E）。如图3.32所示。（5）面铣刀柄面铣刀柄的型号如图3.33所示。其结构如图3.34所示。（6）强力铣刀柄强力铣刀柄的刀体厚实，刚

60、性高振动少；刀头内部带有螺旋槽和窄槽，夹持力强、跳动精度高（5以内）并防止刀具高速时脱落。主要用于强力铣削、钻孔以及刚性攻丝，同时也可用于夹持直杆镗刀、直杆弹簧夹头延长杆、直杆攻丝夹头。结构如图3.36所示。3.3刀具补偿 加工程序中的刀具运动轨迹通常按刀具中心和刀尖编写，所以在程序执行前必须输入相应的刀具半径和长度，这对加工中心尤其重要。 刀具半径和长度可以用普通的量具手工测量，也可用专门的刀具测量仪测量。操作者可以通过每把刀的刀尖在Z轴方向相对于机床上同一“对刀面”的位置差来作为长度偏移值进行补偿，采用数控系统本身提供的“半自动刀具长度测量”功能，输入相对于“标准刀具”的长度补偿值。 自动