数控编程与操作

第6章数控铣床加工工艺6.1数控铣削加工概述6.1.1数控铣削加工工艺范围及铣削方式铣削是铣刀旋转作主运动，工件或铣刀作进给运动的切削加工方法。铣削的主要工作及刀具与工件的运动形式如图6-1所示。a）铣平面b）铣台阶

c）铣槽d）铣成形槽e）铣螺旋槽

f）切断g）铣凸轮h）立铣刀铣平面i）铣成形面j）铣齿轮k）组合铣刀铣台阶在铣削过程中，根据铣床、铣刀及运动形式的不同可将铣削分为如下几种：

（1）根据铣床分类根据铣床的结构将铣削方式分为立铣和卧铣。由于数控铣削一个工序中一般要加工多个表面，所以常见的数控铣床多为立式铣床。

（2）根据铣刀分类根据铣刀切削刃的形式和方位将铣削方式分为周铣和端铣。用分布于铣刀圆柱面上的刀齿铣削工件表面，称为周铣，如图6-2（a）所示；用分布于铣刀端平面上的刀齿进行铣削称为端铣，如图6-2（b）所示。图6-2周铣和端铣（a）周铣（b）端铣

图中平行于铣刀轴线测量的切削层参数ap为背吃刀量，垂直于铣刀轴线测量的切削层参数ae为切削宽度，fZ是每齿进给量。单独的周铣和端铣主要用于加工平面类零件，数控铣削中常用周、端铣组合加工曲面和型腔。

（3）根据铣刀和工件的运动形式分类根据铣刀和工件的相对运动将铣削方式分为顺铣和逆铣。铣削时，铣刀切出工件时的切削速度方向与工件的进给方向相同，称为顺铣如图6-3（a）所示；铣削时，铣刀切入工件时的切削速度方向与工件进给方向相反，称为逆铣，如图6-3（b）所示。图6-3顺铣和逆铣

（a）顺铣（b）逆铣

顺铣与逆铣比较:

顺铣加工可以提高铣刀耐用度2～3倍，工件表面粗糙度值较小，尤其在铣削难加工材料时，效果更加明显。铣床工作台的纵向进给运动一般由丝杠和螺母来实现，采用顺铣法加工时，对普通铣床首先要求铣床有消除进给丝杠螺母副间隙的装置，避免工作台窜动；其次要求毛坯表面没有硬皮，工艺系统有足够的刚度。如果具备这样的条件，应当优先考虑采用顺铣，否则应采用逆铣。目前生产中采用逆铣加工方式的比较多。数控铣床采用无间隙的滚珠丝杠传动，因此数控铣床均可采用顺铣加工。6.1.2数控铣削主要特点（1）生产率高（2）可选用不同的铣削方式（3）断续切削（4）半封闭切削6.1.3数控铣削主要加工对象（1）平面类零件加工面平行或垂直于水平面，或加工面与水平面的夹角为定角的零件为平面类零件。目前，在数控铣床上加工的绝大多数零件属于平面类零件。（2）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。这类零件多为飞机零件，如飞机上的整体梁、框、椽条与肋等。（3）曲面类零件加工面为空间曲面的零件称为曲面类零件，如模具、叶片、螺旋桨等。加工曲面类零件一般采用三坐标数控铣床。当曲面较复杂、通道较狭窄、会伤及毗邻表面及需刀具摆动时，要采用四坐标或五坐标铣床。

6.2数控铣削的刀具与选用6.2.1对数控铣削刀具的基本要求

（1）铣刀刚性要好（2）铣刀的耐用度要高此外，铣刀切削刃的几何参数的选择及排屑性能也非常重要。6.2.2铣刀的种类

（1）面（端）铣刀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。由于面铣刀的直径一般较大，为Φ50～Φ500mm，故常制成套式镶齿结构，即将刀齿和刀体分开，刀齿为高速钢或硬质合金，刀体采用40Cr制作，可长期使用。高速钢面铣刀按国家标准规定，直径d=Φ80～Φ250mm，螺旋角β=10º，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，加工效率高，加工表面质量也较好，并可加工带有硬皮和淬硬层的工件，故得到广泛应用。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、机夹一焊接式和可转位式三种（见图6-4）。

a）整体焊接式b）机夹-焊接式c）可转位式面铣刀主要以端齿为主加工各种平面，主偏角为90º的面铣刀还能同时加工出与平面垂直的直角面，但这个面的高度受到刀片长度的限制。面铣刀齿数对铣削生产率和加工质量有直接影响，齿数越多，同时工作齿数也多，生产率高，铣削过程平稳，加工质量好。可转位面铣刀的齿数根据直径不同可分为粗齿、细齿、密齿三种（参见下表）。粗齿铣刀主要用于粗加工；细齿铣刀用于平稳条件下的铣削加工；密齿铣刀的每齿进给量较小，主要用于薄壁铸铁件加工。直径/mm齿数506398100125160200250315400500粗齿4681012162026细齿68101216202634密齿12243240525264

（2）立铣刀立铣刀是数控铣床上用得最多的一种刀具，主要有高速钢立铣刀和硬质合金立铣刀两种类型，其结构如图6-5所示。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，主要用于加工凸轮、台阶面、凹槽和箱口面。

（a）硬质合金立铣刀（b）高速钢立铣刀

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。为了改善切屑卷曲情况，增大容屑空间，防止切屑堵塞，刀齿数比较少，容屑槽圆弧半径则较大。一般粗齿立铣刀齿数z=3～4，细齿立铣刀齿数z=5～8，套式结构z=10～20。容屑槽圆弧半径r=2～5mm。直径较小的立铣刀，一般制成带柄形式。

（3）模具铣刀模具铣刀由立铣刀发展而成，可分为圆锥形立铣刀、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。

（4）键槽铣刀键槽铣刀有两个刀齿，圆柱面和端面都有切削刃，端面刃延至中心，可以短距离的轴向进给，既像立铣刀，又类似钻头。加工时先轴向进给达到槽深，然后沿键槽方向铣出键槽全长，如图所示。按国家标准规定，直柄键槽铣刀直径d=Φ2～Φ22mm，锥柄键槽铣刀直径d=Φ14～Φ50mm。键槽铣刀直径的偏差有e8和d8两种。

（5）鼓形铣刀如图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。

（6）成形铣刀图6-10是常见的几种成形铣刀，一般都是为特定的工件结构或加工内容专门设计制造的，如角度面、凹槽、特形孔或特形台等。

图6-10成形铣刀图6-11牛鼻铣刀除了上述几种典型的铣刀类型外，数控铣刀的结构还在不断发展和更新中，例如图6-11所示铣刀（俗称牛鼻铣刀）的刚度、刀具耐用度和切削性能都较好。6.2.3铣刀的选择

（1）铣刀类型的选择铣刀类型应与工件表面形状与尺寸相适应，加工较大的平面应选择面铣刀；加工凹槽、较小的台阶面及平面轮廓应选择立铣刀；加工空间曲面、模具型腔或凸模成形表面等多选用模具铣刀；加工封闭的键槽选择键槽铣刀；加工变斜角零件的变斜角面应选用鼓形铣刀；加工各种直的或圆弧形的凹槽、斜角面、特殊孔等应选用成形铣刀。

（2）铣刀参数的选择①面铣刀主要参数的选择标准可转位面铣刀直径为Φ16～Φ630mm。铣刀的直径应根据铣削宽度、深度选择，一般铣前深度、宽度越大、越深，铣刀直径也应越大。精铣时，铣刀直径要大些，尽量包容工件整个加工面宽度，以提高加工精度和生产效率，并减小相邻两次进给之间的接刀痕。铣刀齿数应根据工件材料和加工要求选择，一般铣削塑性材料或粗加工时，选用粗齿铣刀；铣削脆性材料或半精加工、精加工时，选用中、细齿铣刀。面铣刀几何角度的标注见图。前角的选择原则与车刀基本相同，只是由于铣削时有冲击，故前角数值一般比车刀略小，尤其是硬质合金面铣刀，前角数值一般减小得更多些。铣削强度和硬度都高的材料时可选用负前角。前角的数值主要根据工件材料和刀具材料来选择。铣刀的磨损主要发生在后刀面上，因此适当加大后角可减少铣刀磨损。常取α=5º～12º，工件材料较软时取大值，工件材料硬取小值；粗齿铣刀取小值，细齿铣刀取大值。铣削时冲击力大，为了保护刀尖，硬质合金面铣刀的刃倾角常取λS=－5º～－15º。只有在铣削低强度材料时，取λS=5º。主偏角Κγ在45º～90º范围内选取，铣削铸铁常用45º，铣削一般钢材常用75º，铣削带凸肩的平面或薄壁零件时要用90º。②立铣刀主要参数的选择立铣刀主切削刃的前角在法剖面内测量，后角在端剖面内测量，前、后角的标注如图6-5b）所示。前、后角都为正值，根据工件材料和铣刀直径选取，其具体数值可分别参考表6.3和表6.4。立铣刀的有关尺寸参数如图6-13所示，推荐按下述经验数据选取。①刀具半径R应小于零件内轮廓面的最小曲率半径Rmin，一般取R=（0.8～0.9）Rmin。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对不通孔（深槽），选取l=H＋（5～10）mm（l为刀具切削部分长度，H为零件高度）。④加工外型及通槽时，选取l=H＋r＋（5

图6-13铣刀的尺寸选择～10）mm（r为端刃圆角半径）。

⑤加工肋时，刀具直径为D=（5～10）b（b为肋的厚）。⑥粗加工内轮廓面时，立铣刀最大直径D可按下式计算（见图6-14）。

=+D

（6-1）

式中：D—轮廓的最小凹圆角半径；

δ—圆角邻边夹角等分线上的精加工余量；

δl—精加工余量；

Ф—圆角两邻边的最小夹角。

6-14粗加工立铣刀最大直径估算

6.2.4铣刀的装夹

（1）刀片在刀体上的装夹（针对机夹可转位铣刀）刀片在刀体上的装夹应完成：一是保证刀片在刀体上的定位，即刀片在转位或更换切削刃后径向误差在允差范围内；二是确保刀片、定位元件以及夹紧元件在切削过程中不松动和移位。

（2）铣刀在机床上的装夹①套式面铣刀的装夹直径在Φ50～Φ160mm之间的面铣刀，用带端键的套式面铣刀柄连接，面铣刀以内孔和端面在铣刀柄上定位，用螺钉将铣刀紧固在铣刀柄上，由端面键传递力矩；直径大于Φ160mm的套式面铣刀用内六角螺钉固定在端键传动接杆上。

②带柄式铣刀的装夹其柄部有直柄和锥柄两种。目前，锥柄铣刀主要是通过莫氏孔铣刀柄过渡，然后安装在铣床轴上；直柄铣刀通过弹簧夹头刀柄安装，将直柄铣刀装入弹簧夹头并旋紧夹头螺母即可，如图6-15所示。使用时应根据铣刀直柄的直径和与铣床主轴相连的铣刀柄内孔锥度，选择弹簧夹头的内孔尺寸和外锥。

弹簧夹头外圆上有三条弹性槽，螺母锁紧时，三条槽合拢，内孔收缩，将直柄铣刀夹紧。弹簧夹头的结构如图6-16所示。图6-15弹簧夹头刀柄图6-16弹簧夹头结构示图6.3工件在数控铣床上的装夹6.3.1工件在数控铣床上装夹的要求（1）装夹时应使工件的加工面充分暴露在外，同时要求夹紧机构元件高度较低，以防止夹具与铣床主轴套筒或刀套、刀刃在加工时产生干涉