第5章数控铣削加工工艺

第5章数控铣削加工工艺案例引入典型平面轮廓零件如图5-1所示，材料为45钢，单件生产，在前面的工序中已完成零件底面和侧面的加工（尺寸为80mm×80mm×19mm），试对该零件的顶面和内外轮廓进行数控铣削加工工艺分析。任务制订该零件的顶面和内外轮廓的数控铣削加工工艺本章知识（或技能）要点1.数控铣削加工的主要对象；2.数控铣削加工工艺的主要内容；3.数控铣削加工工艺文件编制；4.制订数控铣削加工工序。图5-1带型腔的凸台零件5.1数控铣削简介5.1.1数控铣床的分类数控铣床的种类很多，常用的分类方法有以下三种方式：1.按其主轴的布置形式分类（1）立式数控铣床立式数控铣床的主轴轴线垂直于水平面，如图5-2所示，它是数控铣床中数量最多的一种，应用范围也最广。其各坐标的控制方式有以下几种。①工作台纵向、横向及上下向移动，主轴不动。②工作台纵向、横向移动，主轴上下移动。③龙门式数控铣床。图5-2立式数控铣床图5-3龙门式数控铣床为了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、五轴联动加工，如图5-4所示。图5-4立式数控铣床配备数控转盘实现四轴联动加工（2）卧式数控铣床卧式数控铣床的主轴轴线平行于水平面，如图5-5所示。图5-5卧式数铣床（3）立卧两用数控铣床如图5-6所示，也称万能式数控铣床，主轴可以旋转90º或工作台带着工件旋转90º。图5-6配万能数控主轴头可任意方向转换的立卧两用数控铣床2.按数控系统控制的坐标轴数量分类（1）两轴半坐标联动数控铣床（2）三坐标联动数控铣床（3）四坐标联动数控铣床（4）五坐标联动数控铣床3.按数控系统的功能分类按数控系统的功能分为经济型、全功能型和高速铣削数控铣床。5.1.2数控铣削的主要加工对象数控铣床加工内容与加工中心加工内容有许多相似之处，都可以对工件进行铣削、钻削、扩削、铰削、锪削、镗削以及攻螺纹等加工，但从实际应用效果看，数控铣床更多地用于复杂曲面的加工，而加工中心更多地用于有多工序内容零件的加工。适合数控铣床加工的零件主要有以下几种。（1）平面曲线轮廓类零件平面曲线轮廓类零件是指有内、外复杂曲线轮廓的零件，特别是由数学表达式等给出其轮廓为非圆曲线或列表曲线的零件。平面曲线轮廓零件的加工面平行或垂直于水平面，或加工面与水平面的夹角为一定值，各个加工面是平面，或可以展开为平面，如图5-7所示。平面类零件是数控铣削加工中最简单的一类零件，一般只需用三坐标数控铣床的两坐标联动（两轴半坐标联动）就可以把它们加工出来。a）b）c）图5-7平面类零件a）带平面轮廓的平面零件b）带斜平面的平面零件c）带正圆台和斜筋的平面零件（2）曲面类（立体类）零件曲面类零件一般指具有三维空间曲面的零件，曲面通常由数学模型设计出，因此往往要借助于计算机来编程，其加工面不能展开为平面。加工时，铣刀与加工面始终为点接触，一般用球头铣刀采用两轴半或三轴联动的三坐标数控铣床加工。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数控铣床加工，如模具类零件、叶片类零件、螺旋桨类零件等。（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。这类零件特点是加工面不能展开为平面，但在加工中，铣刀圆周与加工面接触的瞬间为一条直线。图5-8所示是飞机上的一种变斜角梁椽条，该零件在第2肋至第5肋的斜角从3º10′均匀变化为2º32′，从第5肋至第9肋再均匀变化为1º20′，从第9肋至第12肋又均匀变化至0º。变斜角类零件一般采用4轴或5轴联动的数控铣床加工，也可以在第3轴数控铣床上通过两轴联动用鼓形铣刀分层近似加工，但精度稍差。图5-8变斜角类零件（4）其他在普通铣床上难加工的零件①形状复杂，尺寸繁多，划线与检测均较困难，在普通铣床上加工又难以观察和控制的零件。②高精度零件③一致性要求好的零件虽然数控铣床加工范围广泛，但是因受数控铣床自身特点的制约，某些零件仍不适合在数控铣床上加工。如简单的粗加工面，加工余量不太充分或很不均匀的毛坯零件，以及生产批量特别大，而精度要求又不高的零件等。5.1.3数控铣削加工内容的选择一般情况下，一个零件并非全部的铣削表面都要采用数控铣床加工，应根据零件的加工要求和企业的生产条件来确定适合于数控铣床加工的表面和内容。通常选用以下内容进行数控铣削加工：①由直线、圆弧、非圆曲线及列表曲线构成的平面轮廓；②空间的曲线和曲面；③形状虽然简单，但尺寸繁多，划线与检测均较困难得部位；④用普通铣床加工时难以观察、控制及检测的内腔、箱体内部等；⑤有严格位置尺寸要求的孔或平面；⑥能够在一次装夹中顺带加工出来的简单表面或形状；⑦采用数控铣削加工能有效提高生产率，减轻劳动强度的一般加工内容。而像一些加工余量大且又不均匀的表面，在机床上占机调整和准备时间较长的加工内容，简单粗加工表面，毛坯余量不充分或不太稳定的部位等则不宜采用数控铣削加工。5.2数控铣削加工工艺的主要内容4.2.1零件图的工艺性分析关于数控加工的零件图和结构工艺性分析，在前面3.2.2中已作介绍，下面结合数控铣削加工的特点作进一步说明。1.零件图分析①零件的形状与结构。检查零件的形状、结构在加工中是否会产生干涉或无法加工，是否妨碍刀具的运动。②零件的尺寸标注。检查零件的尺寸标注是否正确且完整，零件各几何要素的关系是否明确且充分，是否有利于编程，尺寸标注是否有矛盾，各项公差是否符合加工条件等。③零件的技术要求。分析零件的尺寸精度、形位公差和表面粗糙度等，确保在现有的加工条件下能达到零件的加工要求。④零件的材料。了解零件材料的牌号、切削性能及热处理要求，以便合理地选择刀具和切削参数，并合理地制定出加工工艺和加工顺序等。2.零件结构工艺性分析①零件的内型和外形最好采用统一的几何类型和尺寸，这样可以减少刀具规格和换刀、对刀次数，提高生产率。②内槽圆角和内轮廓圆弧不应太小a）b）图5-9内槽圆角对加工工艺的影响a）工艺性不好（b）工艺性好③铣槽底平面时，槽底圆角半径r不要过大图5-10槽底圆角对加工工艺的影响有关数控铣削工件的结构工艺性图例见表5-1.5.2.2加工方法的选择数控铣削加工对象的主要加工表面一般可采用表5-2所列的加工方案。表5-2加工表面的加工方案序号加工表面加工方案所使用的刀具1平面内外轮廓X、Y、Z方向粗铣→内外轮廓方向分层半精铣→轮廓高度方向分层半精铣→内外轮廓精铣整体高速钢或硬质合金立铣刀；机夹可转位硬质合金立铣刀2空间曲面X、Y、Z方向粗铣→曲面Z方向分层粗铣→曲面半精铣→曲面精铣整体高速钢或硬质合金立铣刀、球头铣刀；机夹可转位硬质合金立铣刀、球头铣刀3孔定尺寸刀具加工铣削麻花钻、扩孔钻、铰刀、镗刀整体高速钢或硬质合金立铣刀；机夹可转位硬质合金立铣刀4外螺纹螺纹铣刀铣削螺纹铣刀5内螺纹攻丝螺纹铣刀铣削丝锥螺纹铣刀1.平面加工方法的选择在数控铣床上加工平面主要采用面铣刀和立铣刀。经粗铣的平面，尺寸精度可达IT10～IT12级，表面粗糙度Ra值可达6.3～25μm；经粗铣—精铣或粗铣—半精铣—精铣的平面，尺寸精度可达IT7～IT9级，表面粗糙度Ra值可达1.6～6.3μm；需要注意的是，当零件表面粗糙度要求较高时，应采用顺铣方式。2.平面轮廓加工方法的选择平面轮廓多由直线和圆弧或各种曲线构成，通常采用三坐标数控铣床进行两轴半坐标加工。图5-11所示为由直线和圆弧构成的零件平面轮廓ABCDEA，采用半径为R的立铣刀沿周向加工，虚线A′B′C′D′E′A′为刀具中心的运动轨迹。为保证加工面光滑，刀具沿PA′切入，沿A′K′切出。图5-11平面轮廓铣削3.固定斜角平面的加工方法固定斜角平面是指与水平面成一固定夹角的斜面。当零件尺寸不大时，可用斜垫板垫平后加工；如果机床主轴可以摆角，则可以摆成适当的定角，用不同的刀具来加工（如图5-12）。图5-12主轴摆角加工固定斜角平面a）主轴垂直端刃加工b）主轴摆角后侧刃加工c）主轴摆角后端刃加工d）主轴水平侧刃加工4.变斜角面的加工（1）对曲率变化较小的变斜角面，用4坐标联动的数控铣床，采用立铣刀(但当零件斜角过大，超过机床主轴摆角范围时，可用角度成型铣刀加以弥补)以插补方式摆角加工，如图5-13a）所示。（2）对曲率变化较大的变斜角面，用4坐标联动加工难以满足加工要求，最好用5坐标联动数控铣床，以圆弧插补方式摆角加工，如下图5-13b）所示。a）b）图5-13数控铣床加工变斜角面a）四坐标联动b）五坐标联动（3）采用3坐标数控铣床两坐标联动，利用球头铣刀和鼓形铣刀，以直线或圆弧插补方式进行分层铣削加工，加工后的残留面积用钳修方法清除，如图5-14所示是用鼓形铣刀分层铣削变斜角面。图5-14用鼓形铣刀分层铣削变斜角面5.曲面轮廓的加工方法（1）对曲率变化不大和精度要求不高的曲面粗加工，常采用两轴半坐标行切法加工。图5-15行切法加工曲面图5-16两轴半坐标行切法加工曲面（2）对曲率变化较大和精度要求较高的曲面精加工，常用X、Y、Z三坐标联动插补的行切法加工，如图5-17所示。图5-17三轴联动行切法加工曲面的切削点轨迹（3）对于叶轮、螺旋桨这样的零件，因其叶片形状复杂，刀具容易与相邻表面发生干涉，常用五坐标联动加工，其加工原理如图5-18所示。图5-18曲面的五坐标联动加工5.2.3刀具的选择1.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2.典型数控铣削加工刀具数控铣削常用的刀具有面铣刀、立铣刀、键槽铣刀、模具铣刀、鼓形铣刀和成形铣刀等，在第一章中已对面铣刀、普通立铣刀、键槽铣刀和成形铣刀进行了介绍，下面仅对几种典型数控铣削刀具进行说明。（1）硬质合金螺旋齿立铣刀如图5-19所示，通常这种刀具的硬质合金刀刃可做成焊接、机夹及可转位三种形式，它具有良好的刚性及排屑性能，可对工件的平面、阶梯面、内侧面及沟槽进行粗、精铣削加工，生产效率可比同类型高速钢铣刀提高2～5倍。a）b）图5-19硬质合金螺旋齿立铣刀a）每齿单条刀片b）每齿多个刀片当铣刀的长度足够时，可以在一个刀槽中焊上两个或更多的硬质合金刀片，并使相邻刀齿间的接缝相互错开，利用同一刀槽中刀片之间的接缝作为分屑槽，如图5-19b）所示。这种铣刀俗称“玉米铣刀”，通常在粗加工时选用。（2）波形刃立铣刀波形刃立铣刀与普通立铣刀的最大区别是其刀刃为波形，如图5-20所示。采用这种立铣刀能有效降低铣削力，防止铣削时产生振动，并显著地提高铣削效率，适合于切削余量大的粗加工。a）b）图5-20波形刃立铣刀a）齿形b）波形（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。模具铣刀分为圆锥形立铣刀（圆锥半角α、2=3º、5º、7º、10º）、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。主要用于空间曲面、模具型腔等曲面的加工。图5-21高速钢模具铣刀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5-22硬质合金模具铣刀模具铣刀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。它的的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。图5-21为高速钢制造的模具铣刀，图5-22为硬质合金制造的模具铣刀。直径较小的硬质合金铣刀多制成整体式结构，直径在Φ16mm上的制成焊接式或机夹式刀片结构。（4）鼓形铣刀如图5-23所示，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。图5-23鼓形铣刀3.铣刀的选择铣刀类型应与工件的表面形状和尺寸相适应。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