《数控编程与加工技术（第2版）》 课件 模块2数控铣床编程与加工技术2-1 数控铣削加工工艺

模块2数控铣床编程与加工技术项目2.1数控铣削加工工艺2.1.1数控铣削方式2.1.2数控铣削刀具的类型及其选用2.1.3数控铣削夹具及工件装夹2.1.4数控铣削切削用量2.1.5认识数控铣床2.1.6数控铣削加工工艺的主要内容项目2.1数控铣削加工工艺2.1.1数控铣削方式在铣床上，用铣刀圆周面上的切削刃来铣削工件的方法称为周铣，用铣刀端面上的切削刃来铣削工件的方法称为端铣。项目2.1数控铣削加工工艺1.周铣在铣床上，用铣刀圆周面上的齿刃铣削平面的方法称为周铣，周铣有逆铣和顺铣两种方式。（1）顺铣：在铣刀切削刃与工件已加工面的接触处，铣刀的旋转方向与工件进给方向相同的铣削方式称为顺铣。（2）逆铣：在铣刀切削刃与工件已加工面的接触处，铣刀的旋转方向与工件进给方向相反的铣削方式称为逆铣。项目2.1数控铣削加工工艺（3）顺铣与逆铣的判断方法：铣削外轮廓时顺铣、逆铣与进给的关系；铣削内轮廓时顺铣、逆铣与进给的关系。项目2.1数控铣削加工工艺（4）顺铣与逆铣的选择：当工件表面无硬皮、机床进给机构无间隙时，应选择顺铣加工方式。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。当工件表面有硬皮、机床进给机构有间隙时，应选择逆铣加工方式。项目2.1数控铣削加工工艺2.端铣在铣床上，用铣刀的端面齿刃铣削平面的方法称为端铣。根据铣刀与工件之间的相对位置不同，端面铣削可分为对称铣削和非对称铣削两种。（1）对称铣削：工件的中心处于铣刀的中心位置时的铣削，称为对称铣削。项目2.1数控铣削加工工艺（2）非对称铣削工件的铣削层宽度偏在铣刀一边时的铣削，亦即铣刀中心与铣削层宽度的对称线处在偏心状态下的铣削，称为非对称铣削。非对称铣削有逆铣和顺铣两种。铣削时大部分为逆铣，少部分为顺铣的非对称铣削方式称为非对称逆铣；铣削时大部分为顺铣，少部分为逆铣的非对称铣削方式称为非对称顺铣。项目2.1数控铣削加工工艺2.1.2数控铣削刀具的类型及其选用1.对数控铣削刀具系统的要求1）刀具切削部分几何参数及其切削参数须规范化、合理化。2）刀具切削部分材料及切削参数选择必须与工件材料相匹配。3）刀具磨损及耐用度值规定必须合理。4）刀片在刀具中的定位方式及其结构必须优化。5）刀具安装后在机床中的定位应保持一定精度。6）换刀后刀具应在机床中仍有高的重复定位精度。7）刀具的刀柄应有足够的强度、刚度及耐磨性。8）刀柄及其工具对机床的重量影响应有相应的控制。9）刀片、刀柄切入的位置、方向必须正确。10）刀片、刀柄各参数应通用化、规格化、系列化。11）工具系统应进一步优化。项目2.1数控铣削加工工艺2.常用数控刀具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主轴上，由刀柄夹持传递速度、扭矩。常规数控刀具刀柄均采用7∶24圆锥工具柄，并采用相应形式的拉钉拉紧结构。拉钉有两种形式，A型用于不带钢球的拉紧装置，B型用于带钢球的拉紧装置。项目2.1数控铣削加工工艺（1）常用刀柄刀柄是机床主轴和刀具之间的连接工具，是数控机床工具系统的重要组成部分之一。刀柄分为整体式刀柄和模块式刀柄两类，不同的刀具直接或通过刀具夹头与对应的刀柄连接组成所需要的刀具系统，刀柄的品种、规格繁多，给生产、管理带来不便。所谓“模块式”是将整体式刀杆分解成柄部（主柄）、中间联接块（连接杆）、工作部（工作头）三个主要部分（模块），然后通过各种联接结构，在保证刀杆连接精度、刚性的前提下，将这三部分连接成一整体，组成模块式刀柄刀具系统。项目2.1数控铣削加工工艺项目2.1数控铣削加工工艺1）莫氏锥度刀柄有莫氏锥度2号、3号、4号等。它可装夹相应的莫氏锥度刀杆的钻头、铣刀等，有带扁尾莫氏锥度孔刀柄和无扁尾莫氏锥度孔刀柄两种2）侧固式刀柄采用侧向夹紧，适用于切削力大的加工，但一种尺寸的刀具需对应配备一种刀柄，规格较多。3）ER弹簧夹头刀柄ER型卡簧，夹紧力不大，适用于夹持直径在16mm以下的各种立铣刀、键槽铣刀、直柄麻花钻等。卡簧装入数控刀柄前端夹持数控铣刀；拉钉拧紧在数控刀柄尾部的螺纹孔中，用于拉紧在主轴上。项目2.1数控铣削加工工艺项目2.1数控铣削加工工艺（2）常用刀柄使用方法1）将刀柄放入卸刀座并锁紧。2）根据刀具直径选取合适的卡簧，清洁工作表面。3）将卡簧装入锁紧螺母内。4）将铣刀装入卡簧孔内，并根据加工深度控制刀具悬伸长度。5）用扳手将锁紧螺母锁紧。6）检查，将刀柄装上主轴。项目2.1数控铣削加工工艺3.常用刀具（1）面铣刀主要用于立式铣床上加工平面，台阶面、沟槽等。面铣刀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。项目2.1数控铣削加工工艺硬质合金面铣刀按刀片和刀齿的安装方式不同，可分为整体焊接式面铣刀、机夹-焊接式面铣刀、可转位式面铣刀等形式。项目2.1数控铣削加工工艺面铣刀几何角度的标注如图所示。项目2.1数控铣削加工工艺（2）立铣刀立铣刀是数控机床上用得最多的一种铣刀，其切削效率较低，主要用于平面轮廓零件的加工。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。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。立铣刀有粗齿和细齿两种，粗齿齿数3～6个，适用于粗加工，细齿齿数5～10个，适用于半精加工，套式结构齿数10～20。项目2.1数控铣削加工工艺项目2.1数控铣削加工工艺立铣刀的尺寸参数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ρ，一般取R＝（0.8～0.9）ρ。2）零件的加工高度H≤（1/4～1/6）R，以保证刀具具有足够的刚度。3）对不通孔（深槽），选取l＝H＋（5～10）mm。4）加工外形及通槽时，选取l＝H＋r＋（5～10）mm。5）粗加工内轮廓面时，铣刀最大直径D粗可按下式计算。6）加工筋时，刀具直径为D＝（5～10）b。项目2.1数控铣削加工工艺项目2.1数控铣削加工工艺（3）模具铣刀模具铣刀可分为圆锥形立铣刀（圆锥半角α/2＝3°、5°、7°、l0°）、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。它的结构特点是球头或端面上布满了切削刃，圆周刃与球头刃圆弧连接，可以作径向和轴向进给。模具铣刀工作部分用高速钢或硬质合金制造。国家标准规定直径d＝4～63mm。小规格的硬质合金模具铣刀多制成整体结构，直径为16mm以上的硬质合金模具铣刀制成焊接或机夹可转位刀片结构。项目2.1数控铣削加工工艺项目2.1数控铣削加工工艺（4）键槽铣刀键槽铣刀主要用于立式铣床上加工圆头封闭键槽等。该铣刀外形和端面立铣刀相似，有两个刀齿，圆柱面和端面都有切削刃，但端面无顶尖孔，端面刃延至轴心，既像立铣刀又像钻头。加工键槽时，先轴向进给达到槽深，然后沿键槽方向进给，铣出键槽全长。按国家标准规定，直柄键槽铣刀直径为2～22mm，锥柄键槽铣刀直径为14～50mm。键槽铣刀直径的偏差有e8和d8两种。键槽铣刀的圆周切削刃仅在靠近端面的一小段长度内发生磨损，重磨时，只需刃磨端面切削刃，因此重磨后铣刀直径不变。项目2.1数控铣削加工工艺项目2.1数控铣削加工工艺（5）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。这种刀具的特点是刃磨困难，切削条件差，而且不适于加工有底的轮廓表面。项目2.1数控铣削加工工艺（6）成型铣刀：一般是为特定形状的工件或加工内容专门设计制造的，如渐开线齿面、燕尾槽和T形槽等。项目2.1数控铣削加工工艺（7）镗刀镗刀按切削刃数量可分为单刃镗刀和双刃镗刀。镗刀切削部分的几何角度和车刀、铣刀的切削部分基本相同。常用的有整体式镗刀、机械固定式镗刀。整体式镗刀一般装在可调镗头上使用，机械固定式镗刀一般装在镗杆上使用。项目2.1数控铣削加工工艺4.铣削刀具的选用铣削刀具的选择原则是：根据加工表面特点及尺寸选择刀具类型，根据工件材料及加工要求选择刀片材料及尺寸，根据加工条件选取刀柄。刀具直径的选用主要取决于设备的规格和工件的加工尺寸，还要考虑刀具所需功率应在机床功率范围之内。项目2.1数控铣削加工工艺项目2.1数控铣削加工工艺2.1.3数控铣削夹具及工件装夹1.工件装夹的基本原则（1）力求基准统一。（2）尽量减少工件的装夹次数和辅助时间。（3）充分发挥数控机床的效能。2.选择夹具的基本原则（1）以缩短生产准备时间提高生产效率为前提。（2）成批生产时采用专用夹具，力求结构简单。（3）工件装卸要迅速、方便、可靠。（4）夹具定位、夹紧精度要高。项目2.1数控铣削加工工艺3.工件的安装（1）机用虎钳：适用于装夹中小尺寸和形状规则的工件安装。当加工一般精度和夹紧力要求的零件时常用机械式虎钳，当加工精度要求高，夹紧力要求大时可采用较高精度的液压式虎钳。项目2.1数控铣削加工工艺（2）铣床用卡盘：在数控铣床上加工回转体零件时，可以采用三爪卡盘装夹，对于非回转零件可采用四爪卡盘装夹。铣床用卡盘的使用方法和车床卡盘相似，都是用T形槽螺栓将卡盘固定在机床工作台上。项目2.1数控铣削加工工艺（3）回转工作台1）数控分度工作台。它是根据加工要求将工件回转至所需的角度，以达到加工不同面的目的。数控分度工作台的端齿盘为分度元件，靠气动转位分度可完成以5°为基准单位的整倍数垂直（或水平）回转坐标的分度。分度工作台主要有两种形式：定位销式分度工作台和鼠齿盘式分度工作台。项目2.1数控铣削加工工艺2）数控回转工作台。其外观上和分度工作台相似，但内部结构和功用却大不相同。数控回转工作台可使数控铣床增加1个或2个回转坐标，通过数控系统现在4坐标或5坐标联动，可有效地扩大工艺范围，加工更为复杂的零件。数控回转工作台的主要功能有两个：一是工作台进给分度运动，；二是工作台作圆周方向进给运动。项目2.1数控铣削加工工艺（4）用螺钉压板装夹工件安装尺寸较大、较长或形状比较复杂的中大型工件时，常使用压板将工件直接夹紧在工作台的台面上，所使用的夹紧件主要是T形螺栓和螺母，根据工件形状和夹紧形式有时还使用垫铁、V形架等工具，安装方法如图所示。项目2.1数控铣削加工工艺4.工件安装的注意事项1）安装工件时，应保证工件在本次定位装夹中所有需要完成的待加工面充分暴露在外，以方便加工，同时考虑机床主轴与工作台面之间的最小距离和刀具的装夹长度，确保在主轴的行程范围内能使工件的加工内容全部完成。2）夹具在机床工作台上的安装位置必须给刀具运动轨迹留有空间，不能和各工步刀具轨迹发生干涉。3）夹点数量及位置不能影响刚性。项目2.1数控铣削加工工艺2.1.4数控铣削切削用量1.背吃刀量（铣削深度ap）与侧吃刀量（铣削宽度ae）背吃刀量ap与侧吃刀量ae分别指铣刀在轴向和径向的切削深度。端铣时，背吃刀量ap为切削层深度，侧吃刀量ae为被加工表面宽度；圆周铣削时，背吃刀量ap为被加工表面宽度，侧吃刀量ae为切削层深度。项目2.1数控铣削加工工艺2.进给量f与进给速度υf进给量f与进给速度υf是衡量切削用量的重要参数。铣削加工的进给量f是指刀具转一周，工件与刀具沿进给运动方向的相对位移量，其单位是mm/r；进给速度υf是指单位时间内工件与铣刀沿进给方向的相对位移量，其单位是mm/min。二者之间的换算关系为：υf=nf每齿进给量与进给量的换算关系为：f=Z·fZ项目2.1数控铣削加工工艺3.主轴转速n主轴的转速n由切削速度υc和切削直径Dc决定。对于圆柱立铣刀可按下面公式计算：n=υc×1000/πDc

对于球头立铣刀或R角立铣刀因为其有效切削直径和平底立铣刀不同，若要保持同样直径的球头铣刀或圆柱刀切削速度一致的话，球头铣刀的主轴转速要更大，进给速度也更大，计算公式与平底铣刀不同。项目2.1数控铣削加工工艺4.切削速度υc铣削的切削速度υc与刀具的使用寿命、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。铣削加工的切削速度υc可参考下表选取，也可参考有关切削用量手册中的经验公式通过计算选取。项目2.1数控铣削加工工艺5.切削参数的选择1）根据工件材料和刀具材料查表确定切削速度，再由刀具直径可得到主轴转速。2）根据机床功率确定切削深度。3）根据切削深度查表确定每齿进给量。4）根据主轴转速及每齿进给量可得到切削进给速度。项目2.1数控铣削加工工艺2.1.5认识数控铣床数控铣床是在普通铣床的基础上发展起来的，是用计算机数字化信号控制的铣床。它能够进行外形轮廓铣削、平面或曲面型铣削及三维复杂型面的铣削。另外，数控铣床还具有孔加工的功能，通过特定的功能指令可进行一系列孔的加工。数控铣床主要适用于板类、盘类、壳体类等复杂零件的加工，特别适用于汽车制造业和模具制造业。项目2.1数控铣削加工工艺加工中心是指配有刀库和自动换刀装置，在一次装夹工件后可实现多工序（甚至全部工序）加工的数控机床，简称MC。加工中心是在数控铣床的基础上发展起来的，二者有很多相似之处，主要区别是加工中心增加了刀库和自动换刀装置，是一种备有刀库并能自动更换刀具对工件进行多工序加工的数控机床。加工中心适用于零件形状比较复杂、精度要求较高、产品更换频繁的中小批量生产，通过在刀库上安装不同用途的刀具，在一次装夹中可以实现零件的钻削、铣削、镗削、铰削、攻螺纹等多种工序的集中加工。随着工业的发展，加工中心将逐渐代替数控铣床，成为一种主要的加工机床。项目2.1数控铣削加工工艺1.数控铣床的分类（1）立式数控铣床立式数控铣床的主轴轴线与工作台面垂直，是数控铣床中最常见的一种布局形式，主要有以下两种：1）工作台纵、横向移动并升降，主轴只完成主运动。目前小型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数控铣床中。立式数控铣床结构简单，工件安装方便，加工时便于观察，但不便于排屑。项目2.1数控铣削加工工艺（2）卧式数控铣床卧式数控铣床的主轴轴线与工作台面平行，主要用来加工箱体类零件。与立式数控铣床相比，卧式数控铣床结构复杂，在加工时不便观察，但排屑顺畅。（3）龙门式数控铣床大型数控立式铣床多采用龙门式布局，在结构上采用对称的双立柱结构，以保证机床整体刚性、强度。主轴可在龙门架的横梁与溜板上运动，而纵向运动则由龙门架沿床身移动或由工作台移动实现，其中工作台床身特大时多采用前者。龙门式数控铣床适合加工大型零件，主要在汽车、航空航天、机床等行业使用。项目2.1数控铣削加工工艺3.数控铣床的组成（1）铣床主机：铣床主机是数控铣床的机械本体，包括床身、主轴箱、工作台和进给机构等。（2）控制部分：控制部分是数控铣床的控制核心，本书讲述的CNC系统是FANUC0i-M系统。（3）驱动部分：驱动部分是数控铣床执行机构的驱动部件，包括主轴电动机和进给伺服电动机等。（4）辅助部分：辅助部分是数控铣床的一些配套部件，包括刀库、液压装置、气动装置、冷却系统、润滑系统和排屑装置等。项目2.1数控铣削加工工艺项目2.1数控铣削加工工艺4.数控铣床的主要加工对象（1）平面类零件目前在数控铣床上加工的大多数零件属于平面类零件。平面类零件是指加工面平行或垂直于定位面，或加工面与水平面的夹角为定角的零件。项目2.1数控铣削加工工艺（2）曲面类零件：加工面为空间曲面的零件。（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。（4）孔及螺纹：一般数控铣都有镗、钻、铰功能