数控铣削加工工艺与编程模板.doc

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序号
1
日期

班级

课题
数控铣削加工工艺与编程
重点与难点
重点: 1、 数控铣削主要加工对象
2、 零件工艺分析
难点: 1、 零件工艺分析
教研室主任
年 月 日
教师
年 月 日

教学手段: 多媒体教学
教学方法: 案例教学、 动画演示
复 习: 数控车削加工对象与加工工艺复习( 5分钟)
引 入: 典型数控铣削加工零件的加工手段( 5分钟)
正 课: 数控铣削主要加工对象( 30分钟) ;
零件工艺分析( 60分钟)
知识点( 85分钟) :
一、 数控铣削主要加工对象
数控铣削是机械加工中最常见的加工方法之一, 它主要包括平面铣削和轮廓铣削, 还能够对零件进行钻、 扩、 铰、 镗、 锪加工及攻螺纹等。数控铣床有立式、 卧式、 龙门式三类, 数控铣床加工工艺以普通铣床加工工艺为基础, 数控加工中心从结构上看是带刀库的镗铣床, 除铣削加工外, 也能够对零件进行钻、 扩、 铰、 镗、 锪加工及攻螺纹等, 因此数控铣床与数控加工中心从工艺上看加工工艺类似, 主要适用于下列几类零件的加工。
1、 平面类零件
平面类零件是指加工面平行、 垂直于水平面或其加工面与水平面的夹角为定角的零件, 这类零件的特点是, 各个加工表面是平面, 或展开为平面。如图4-1所示的三个零件都属于平面类零件, 其中的曲线轮廓面M和正圆台面N, 展开后均为平面。

图4-1 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。图4-2是飞机上的一种变斜角梁缘条, 该零件在第②肋至第⑤肋的斜角α从3°10′均匀变化为2°32′, 从第⑤肋至第⑨肋再均匀变化为1°20′, 最后到第肋又均匀变化至0°。变斜角类零件的变斜角加工面不能展开为平面, 但在加工中, 加工面与铣刀圆周接触的瞬间为一条直线。加工变斜角类零件最好采用四坐标和五坐标数控铣床摆角加工, 在没有上述机床时, 也可在三坐标数控铣床上进行二轴半控制的近似加工。

图4-2 变斜角零件
3、 曲面类零件
加工面为空间曲面的零件称为曲面类零件。曲面类零件的加工面不但不能展开为平面, 而且它的加工面与铣刀始终为点接触。加工曲面类零件一般采用三坐标数控铣床。加工曲面类零件的刀具一般使用球头刀具, 因为其它刀具加工曲面时更容易产生干涉而过切邻近表面。
加工立体曲面类零件一般使用三坐标数控铣床, 采用以下两种加工方法。
(1)行切加工法
采用三坐标数控铣床进行二轴半坐标控制加工, 即行切加工法。如图4-3所示, 球头铣刀沿XY平面的曲线进行直线插补加工, 当一段曲线加工完后, 沿X方向进给ΔX再加工相邻的另一曲线, 如此依次用平面曲线来逼近整个曲面。相邻两曲线间的距离ΔX应根据表面粗糙度的要求及球头铣刀的半径选取。球头铣刀的球半径应尽可能选得大一些, 以增加刀具刚度, 提高散热性, 降低表面粗糙度值。加工凹圆弧时的铣刀球头半径必须小于被加工曲面的最小曲率半径。

图4-3 行切加工法
(2) 三坐标联动加工
采用三坐标数控铣床三轴联动加工, 即进行空间直线插补。如半球形, 可用行切加工法加工, 也可用三坐标联动的方法加工。这时, 数控铣床用X、 Y、 Z三坐标联动的空间直线插补, 实现球面加工, 如图4-4所示。

图4-4 三坐标联动加工
4、 箱体类零件
孔及孔系的加工能够在数控铣床上进行,如钻、 扩、 铰和镗等加工。由于加工多采用定尺寸刀具, 需要频繁换刀。当加工孔的数量较多时, 就不如用加工中心加工方便、 快捷。
箱体类零件一般是指具有一个以上孔系, 内部有不定型腔或空腔, 在长、 宽、 高方向有一定比例的零件。
箱体类零件一般都需要进行多工位孔系、 轮廓及平面加工, 公差严求较高, 特别是形位公差要求较为严格, 一般要经过铣, 钻、 扩、 镗、 铰、 锪、 攻螺纹等加工工序, 需要刀具较多, 在普通机床上加工难度大, 工装套数多, 费用高, 加工周期长, 需多次装夹、 找正, 手工测量次数多, 加工时必须频繁地更换刀具, 工艺难以制定, 更重要的是精度难以保证。这类零件在数控铣床特别是加工中心上加工, 一次装夹可完成普通机床60%～95%的工序内容, 零件各项精度一致性好, 质量稳定, 同时节省费用, 缩短生产周期。
二、 数控铣削工艺制订
1、 零件工艺分析
零件的工艺性分析关系到零件加工的成败, 因此数控铣削加工的工艺性分析是编程前的重要准备工作。其要解决的主要问题大致可归纳为以下两大方面:
1) ．零件图样的工艺性分析
根据数控铣削加工的特点, 列举出一些经常遇到的工艺性问题, 作为对零件图样进行工艺性分析的要点来加以分析与考虑。
( 1) 零件图样尺寸的正确标注
由于加工程序是以准确的坐标点来编制的, 因此, 各图形几何要素间的相互关系( 如相切、 相交、 垂直和平行等) 应明确, 各种几何要素的条件要充分, 应无引起矛盾的多余尺寸或影响工序安排的封闭尺寸等。
( 2) 保证获得要求的加工精度
虽然数控机床精度很高, 但对一些特殊情况, 例如过薄的底板与肋板, 因为加工时产生的切削拉力及薄板的弹性退让极易产生切削面的振动, 使薄板厚度尺寸公差难以保证, 其表面粗糙度值也将提高。根据实践经验, 当面积较大的薄板厚度小于3mm时就应充分重视这一问题。
( 3) 尽量统一零件轮廓内圆弧的有关尺寸
轮廓内圆弧半径R常常限制刀具的直径。如图4-6所示, 如工件的被加工轮廓高度低, 转接圆弧半径也大, 能够采用较大直径的铣刀来加工, 加工其底板面时, 走刀次数也相应减少, 表面加工质量也会好一些, 因此工艺性较好; 反之, 数控铣削工艺性较差。
一般来说, 当R<0.2 H( 被加工轮廓面的最大高度) 时, 能够判定为零件该部位的工艺性不好。

图4-6 肋板的高度与内转接圆 图4-7 底板与肋板的转接圆
在一个零件上的这种凹圆弧半径在数值上的一致性问题对数控铣削的工艺性显得相当重要。一般来说, 即使不能寻求完全统一, 也要力求将数值相近的圆弧半径分组靠拢, 达到局部统一, 以尽量减少铣刀规格与换刀次数, 并避免因频繁换刀增加了工件加工面上的接刀阶差而降低了表面质量。
( 4) 保证基准统一的原则
有些工件需要在铣完一面后再重新安装铣削另一面, 由于数控铣削时不能使用通用铣床加工时常见的试切方法来接刀, 往往会因为工件的重新安装而接不好刀。这时, 最好采用统一基准定位, 因此零件上应有合适的孔作为定位基准孔。如果零件上没有基准孔, 也能够专门设置工艺孔作为定位基准( 如在毛坯上增加工艺凸台或在后继工序要铣去的余量上设置基准孔) 。
( 5) 分析零件的变形情况
数控铣削工件在加工时的变形, 不但影响加工质量, 而且当变形较大时, 将使加工不能继续进行下去。这时就应当考虑采取一些必要的工艺措施进行预防, 如: 对钢件进行调质处理, 对铸铝件进行退火处理, 对不能用热处理方法解决的, 也可考虑粗、 精加工及对称去余量等常规方法。另外, 还要分析加工后的变形问题, 采取什么工艺措施来解决。
总之, 加工工艺取决于产品零件的结构形状、 尺寸和技术要求。
2) ．零件毛坯的工艺性分析
进行零件铣削加工时, 由于加工过程的自动化, 使余量的大小、 如何定位装夹等问题在设计毛坯时就要仔细考虑好;否则, 如果毛坯不适合数控铣削, 加工将很难进行下去。根据经验, 下列几方面应作为毛坯工艺性分析的要点:
( 1) 毛坯应有充分、 稳定的加工余量
( 2) 分析毛坯在装夹定位方面的适应性
应考虑毛坯在加工时的装夹定位方面的可靠性与方便性, 以便使数控铣床在一次安装中加工出更多的待加工面。主要是考虑要不要另外增加装夹余量或工艺凸台来定位与夹紧, 什么地方能够制出工艺孔或要不要另外准备工艺凸耳来特制工艺孔。如图4-8所示, 该工件缺少定位用的基准孔, 用其它方法很难保证工件的定位精度, 如果在图示位置增加4个工艺凸台, 在凸台上制出定位基准孔, 这一问题就能得到圆满解决。对于增加的工艺凸耳或凸台, 能够在它们完成作用后经过补加工去掉。

图4-8 提高定位精度
( 3) 分析毛坯的余量大小及均匀性
主要考虑在加工时是否要分层切削, 分几层切削, 也要分析加工中与加工后的变形程度, 考虑是否应采取预防性措施与补救措施。如对于热轧的中、 厚铝板, 经淬火时效后很容易在加工中与加工后变形, 最好采用经预拉伸处理后的淬火板坯。
1、 夹具选用原则:
在生产量小哐研制生产时, 应广泛采用万能组合夹具, 只用在组合夹具无法解决时才考虑采用其它夹具; 小批量或成批生产时可考虑采用专用夹具, 但应量简单; 在生产批量较大的可考虑采用多工位夹具和气动、 液压夹具。
2、 常见夹具的种类
( 1) 通用铣削夹具
有通用螺钉压板、 平口钳、 分度头和三爪卡盘等。
1) 螺钉压板 利用T形槽螺栓和压板将工件固定在机床工作台上即可。装夹工件时, 需根据工件装夹精度要求, 用百分表等找正工件。
2) 机用平口钳( 又称虎钳) 形状比较规则的零件铣削时常见平口钳装夹, 方便灵活, 适应性广。当加工一般精度要求和夹紧力要求的零件时常见机械式平口钳( 见图4-9 (a)所示) , 靠丝杠/螺母相对运动来夹紧工件; 当加工精度要求较高, 需要较大的夹紧力时, 可采用较高精度的液压式平口钳, 如图4-9(b)所示。8个工件装在心轴2上, 心轴固定钳口3上, 当压力油从油路6进入油缸后, 推动活塞4移动,

(a) 机械式平口钳
1—钳体 2—固定钳口 3—活动钳口 4—活动钳身
5—丝杠方头 6—底座 7—定位键 8—钳体零线

(b) 液压式平口钳
1—活动钳口 2—心轴 3—钳口 4—活塞 5—弹簧 6—油路
图4-9 机用平口钳
活塞拉动活动钳口向右移动夹紧工件。当油路6在换向阀作用下回油时, 活塞和活动钳口在弹簧作用下左移松开工件。
平口钳在数控铣床工作台上的安装要根据加工精度要求控制钳口与X或Y轴的平等度, 零件夹紧时要注意控制工件变形和一端钳口上翘。
3) 铣床用卡盘 当需要在数控铣床上加工回转体零件时, 能够采用三爪卡盘装夹( 见图4-10) , 对于非回转零件可采用四爪卡盘装夹。

图4-10 铣床用卡盘
铣床用卡盘的使用方法与车床卡盘相似, 使用T形槽螺栓将卡盘固定在机床工作台上即可。
( 2) 专用铣削夹具
这是特别为某一项或类似的几项工件设计制造的夹具, 一般用在产量较大或研制需要时采用。其结构固定, 仅使用于一个具体零件的具体工序, 这类夹具设计应力求简化, 目的使制造时间尽量缩短。图4-11所示表示铣削某一零件上表面时无法采用常规夹具, 故用V型槽的压板结合做成了一个专用夹具。

图4-11 用专用夹具铣平面
( 3) 多工位夹具
能够同时装夹多个工件, 可减少换刀次数, 以便于一面加工, 一面装卸工件, 有利于缩短辅助加工时间, 提高生产率, 较适合中小批量生产, 如图4-12所示。

图4-12多工位夹具
( 4) 气动或液压夹具
适合生产批量较大, 采用其它夹具又特别费工、 费力的场合, 能减轻工人劳动强度和提高生产率, 但此类夹具结构较复杂, 造价往往很高, 而且制造周期较长。
( 5) 回转工作台
为了扩大数控机床的工艺范围, 数控机床除了沿X、 Y、 Z三个人材轴做直线进给外, 往往还需要有绕Y或Z轴的圆周进给运动。数控机床的进给运动一般由回转工作台来实现, 对于加工中心回转工作台已成为一个不可缺少的部件。
数控机床中常见的回转工作台有分度工作台和数控回转工作台。
1) 分度工作台 分度工作台只能完成分度运动, 不能实现圆周进给;
分度时也能够采用手动分度。
分度工作台一般只能回转规定的角度( 如90、 60和45等) 。
2) 数控回转工作台 其主要作用是根据数控装置发出的指令脉冲信号,完成圆周进给运动,进行各种圆弧加工或曲面加工,它也能够进行分度工作。
数控回转工作台能够使数控铣床增加一个或两个回转坐标, 经过数控系统实现四坐标或五坐标联动, 可有效地扩大工艺范围, 加工更为复杂的工件。
数控卧式铣床一般采用方形回转工作台, 实现A、 B或C坐标运动, 但圆形回转工作台占据的机床运动空间也效大, 如图4-13所示。

图4-13 数控回转工作台
3、 平口钳的合理选用
选用平口钳应遵循以下几个原则。
1) 依据设备及产品精度确定平口钳精度。
根据表4-1内容, 不同类型的平口钳具有不同定位精度和适用条件, 选用时一般要求平口钳的精度与机床的加工精度相一致或相近较为合理。
除了依据设备能够大致确定平口钳的精度范围外, 产品精度要求也是考虑的重要因素。一般说来, 平口钳的定位精度必须高于产品精度要求。依据产品精度来确定平口钳定位精度的大致范围为1/3产品精度~产品精度之间。
2) 依据设备及加工需要确定平口钳种类
( 1) 按平口钳钳体与机床工作台相对位置分为: 卧式平口钳与立式平口钳, 见表4-2。
( 2) 按平口钳一次可装夹工件的数量可分为: 单工位平口钳、 双工位平口钳、 多工位平口钳。
( 3) 按夹紧动力源分为: 手动平口钳、 气动平口钳、 液压平口钳。
3) 依据工件及工序要求选择平口钳形式及技术参数
我们选用的平口钳应保证工件高度的2/3以上处于夹持状态, 否则会出现夹持不稳、 定位不准、 切削振动过大等诸多问题。例如: 工件长300mm, 那么我们应选用钳抠宽为200mm以上的平口钳。有些工件或工序有特殊要求, 这时要根据这些要求选用合适的平口钳, 见表4-3。

总结与提问:
数控铣削加工对象有哪些; 零件工艺分析包括哪些方面
常见夹具的种类有哪些? 平口钳的选用要注意哪些( 5分钟)

教学手段: 多媒体教学
教学方法: 案例教学、 动画演示
复 习: 数控铣削常见夹具( 5分钟)
引 入: 典型零件加工时刀具的选用( 5分钟)
序号
2
日期

班级

课题
数控铣削加工工艺与编程
重点与难点
重点: 1、 数控铣削常见的刀具
2、 切削用量选择
难点: 1、 数控铣削常见的刀具
2、 切削用量选择
教研室主任
年 月 日
教师
年 月 日
正 课: 数控铣削常见的刀具( 90分钟)
知识点( 85分钟) :
1、 面加工、 轮廓加工刀具
( 1) 面铣刀
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, 常见于端铣较大的平面。面铣刀多制成套式镶齿结构, 如图4-14, 刀齿为高速钢或硬质合金, 一般刀体材料为40Cr。
硬质合金面铣刀按刀片和刀齿的安装方式不同, 可分为整体式、 机夹一焊接式和可转位式三种。

图4-14 面铣刀
( 2) 立铣刀
立铣刀是数控铣削中最常见的一种铣刀, 其结构如图4-15所示。立铣刀的圆柱表面和端面上都有切削刃, 圆柱表面的切削刃为主切削刃, 端面上的切削刀为副切削刃。主切削刃一般为螺旋齿, 这样能够增加切削平稳性, 提高加工精度。由于普通立铣刀端面中心处无切削刃, 因此立铣刀不能作轴向进给, 端面刃主要用来加工与侧面相垂直的底平面。

图4-15立铣刀
( 3) 模具铣刀
模具铣刀由立铣刀发展而成, 适用于加工空间曲面零件, 有时也用于平面类零件上有较大转接凹圆弧的过渡加工。模具铣刀可分为圆锥形立铣刀( 圆锥半角＝3°、 5°、 7°、 10°) 、 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。

图4-16 高速钢模具铣刀
( 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, 既象立铣刀, 又像钻头, 如图4-17。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。

图4-17 键槽铣刀
( 5) 鼓形铣刀
主要用于对变斜角类零件的变斜角面的近似加工。它的切削刃分布在半径为R的圆弧面上, 端面无切削刃, 如图4-18, R越小, 加工的斜角范围越大, 这种刀具刃磨困难, 切削条件差, 不适于加工有底的轮廓表面。

图4-18 鼓形铣刀
( 6) 成形铣刀
如图4-19是几种成型铣刀, 成型铣刀是为特定的加工内容专门设计制造的, 如角度面、 凹槽、 特形孔等。

图4-19 成型铣刀
2．孔加工刀具
( 1) 麻花钻
在数控铣床、 加工中心上钻孔, 大多是采用普通麻花钻, 如图4-20。麻花钻有高速钢和硬质合金两种。
麻花钻的切削部分有两个主切削刃、 两个副切削刃和一个横刃。两个螺旋糟是切屑流经的表面, 为前刀面; 与工件过渡表面( 即孔底) 相正确端部两曲面为主后刀面; 与工件已加工表面( 即孔壁) 相正确两条刃带为副后刀面。前刀面与主后刀面的交线为主切削刃, 前刀面与副后刀面的交线为副切削刃, 两个主后刀面的交线为横刃。
横刃与主切削刀在端面上投影之间的夹角称为横刃斜角, 横刃斜角ψ＝50°～55°; 主切削刃上各点的前角、 后角是变化的, 外缘处前角约为30°, 钻心处前角接近0°, 甚至是负值; 两条主切削刃在与其平行的平面内的投影之间的夹角为顶角, 标准麻花钻的顶角2φ＝118°。
根据柄部不同, 麻花钻有莫氏锥柄和圆柱柄两种。在数控铣床、 加工中心上钻孔, 因无夹具钻模导向, 受两切削刃上切削力不对称的影响, 容易引起钻孔偏斜, 故钻孔前一般先用中心钻打定位孔。

图4-20 麻花钻
( 2) 扩孔刀具
标准扩孔钻一般有3～4条主切削刃, 如图4-21, 切削部分的材料为高速钢或硬质合金, 结构形式有直柄式、 锥柄式和套式等。扩孔直径较小时, 可选用直柄式扩孔钻, 扩孔直径中等时, 可选用锥柄式扩孔钻, 扩孔直径较大时, 可选用套式扩孔钻。扩孔钻的加工余量较小, 容屑槽浅、 刀体的强度和刚度较好。它无麻花钻的横刃, 加之刀齿多, 因此导向性好, 切削平稳, 加工质量和生产率都比麻花钻高。

图4-21 扩孔钻
a 锥柄式高速钢扩孔钻 b套式高速钢扩孔钻 c套式硬质合金扩孔钻
( 3) 镗孔刀具
镗孔所用刀具为镗刀。镗刀种类很多, 按切削刃数量可分为单刃镗刀和双刃镗刀。
单刃镗( 如图4-22) 刀刚性差, 切削时易引起振动, 因此镗刀的主偏角选得较大, 以减小径向力。镗孔径的大小要靠调整刀具的悬伸长度来保证, 调整麻烦, 效率低, 只能用于单件小批生产。但单刃镗刀结构简单, 适应性较广, 粗、 精加工都适用。
在孔的精镗中, 多选用精镗微调镗刀, 如图4-23。这种横刀的径向尺寸能够在一定范围内进行微调, 调节方便, 且精度高, 其结构如图所示。
镗削大直径的孔可选用图示的双刃镗刀, 如图4-24。

图4-22 单刃镗刀
1-调节螺钉 2-紧固螺钉

图4-23 微调镗刀
1-刀体 2-刀片 3-调节螺母 4-刀杆 5-螺母 6-拉紧螺钉 7-导向键

图4-24 大直径双刃镗刀
( 4) 铰刀
加工中心上使用的铰刀多是通用标准铰刀如图4-25所示。加工精度为IT 7～IT10级、 表面粗糙度Ra为0.8～1.6μm的孔时。通用标准铰刀, 有直柄、 锥柄和套式三种。锥柄铰刀直径为10～32mm, 直柄铰刀直径为6～20mm, 小孔直柄铰刀直径为l～6 mm, 套式铰刀直径为25～80mm。铰刀工作部分包括切削部分与校准部分。切削部分为锥形, 担负主要切削工作。切削部分的主偏角为5°～15°, 前角一般为0°, 后角一般为5°～8°。校准部分的作用是校正孔径、 修光孔壁和导向。为此, 这部分带有很窄的刃带( ＝0°, ＝0°) 。校准部分包括圆柱部分和倒锥部分。圆柱部分保证铰刀直径和便于测量, 倒锥部分可减少铰刀与孔壁的摩擦和减小孔径扩大量。

图4-25 机用铰刀
a) 直柄机用铰刀 b) 锥柄机用铰刀 c) 套式机用铰刀 d) 切削校准部分角度
标准铰刀有4～12齿。铰刀的齿数除与铰刀直径有关外, 主要根据加工精度的要求选择。齿数过多, 刀具的制造重磨都比较麻烦, 而且会因齿间容屑槽减小, 而造成切屑堵塞和划伤孔壁以致使铰刀折断的后果。齿数过少, 则铰削时的稳定性差, 刀齿的切削负荷增大, 且容易产生几何形状误差。铰刀齿数可参照表4-4选择。
还有机夹硬质合金刀片单刃铰刀如图4-26所示、 浮动铰刀如图4-27所示等。加工IT 5～IT7级、 表面粗糙度Ra为0.7μm的孔时, 可采用机夹硬质合金刀片的单刃铰刀。机夹单刀铰刀应有很高的刃磨质量。因为精密铰削时, 半径上的铰削余量是在10μm以下, 因此刀片的切削刃口要磨得异常锋利。

图4-26 硬质合金单刃铰刀
l、 7—螺钉 2—导向块 3—刀片 4—模套 5—刀体 6—铺子
铰削精度为IT 6～IT7级, 表面粗糙度Ra为0.8～1.6μm的大直径通孔时, 可选用专为加工中心设计的浮动铰刀。

图4-27 浮动铰刀
3．镗铣类工具系统
由于数控铣床、 加工中心加工内容的多样性, 使其配备的刀具和装夹工具种类也很多, 而且要求刀具更换迅速。因此, 刀辅具的标准化和系列化十分重要。把通用性较强的刀具和配套装夹工具系列化、 标准化就成为一般所说的工具系统。采用工具系统进行刀具的装夹, 虽然工具成本高了些, 但它可靠地保证了加工质量, 最大限度地提高生产率, 使加工中心效能得到充分发挥, 从而能够使工艺成本下降。
中国当前建立的工具系统常见的是镗铣类工具系统, 如图4-28, 这种工具系统一般由与机床主轴连接的锥柄、 延伸部分的接杆和工作部分的刀具组成。它们经组合后可完成钻孔、 扩孔、 铰孔、 镗孔、 攻螺纹等加工工艺。镗铣类工具系统分为整体式结构和模块式结构两大类。

a b
图4-28 数控镗铣类刀具
a 整体式 b 模块式
( 1) 整体式结构
TSG82工具系统就属于整体式结构的工具系统。它的特点是将锥柄和接杆连成一体, 不同品种和规格的工作部分都必须带有与机床主轴相连的柄部。其优点是结构简单、 使用方便可靠、 更换迅速等。缺点是锥柄的品种规格和数量较多。图4-29所示TSG整体式工具系统, 选用时需要按图进行配置, 其代号含义及尺寸可查阅相应标准。
( 2) 模块式结构
模块式结构是把工具的柄部和工作部分分开, 制成系统化的主柄模块、 中间模块和工作模块, 每类模块中又分为若干小类和规格, 然后用不同规格的模块组装成不同用途、 不同规格的模块式刀具。
当前, 模块式工具系统已成为数控加工刀具发展的方向。国际上有许多应用比较成熟和广泛的模块化工具系统。例如, 山特维克公司具有较完善的模块式工具系统, 在国内许多企业得到较好的应用。国内的TMG10工具系统和TMG21工具系统就属于这一类。图4-30所示为TMG工具系统的示意图。

图4-29 TSG82整体工具系统

图4-30 TMG工具系统
1、 走刀路线的确定
走刀路线的安排是工艺分析中一项重要的工作, 它是编程的基础。确定走刀路线时, 应考虑加工表面的质量、 精度、 效率以及机床等情况。与数控车床比较数控铣床加工刀具轨迹为空间三维坐标, 一般刀具首先在工件轮廓外下降到某一位置, 再开始切削加工, 针对不同加工的特点, 应着重考虑以下几个方面:
1) 顺铣和逆铣的选择
铣削有顺铣和逆铣两种方式, 如图4-31。当工件表面无硬皮, 机床进给机构无间隙时, 应选用顺铣, 按照顺铣安排进给路线。因为采用顺铣加工后, 零件已加工表面质量好, 刀齿磨损小。精铣时, 应尽量采用顺铣。
当工件表面有硬皮, 机床的进给机构有间隙时, 应选用逆铣, 按照逆铣安排进给路线。因为逆铣时, 刀齿是从已加工表面切入, 不会崩刀; 机床进给机构的间隙不会引起振动和爬行。

图4-31顺铣与逆铣
a) 顺铣 b) 逆铣
2) 铣削外轮廓的进给路线
( 1) 铣削平面零件外轮廓时
一般采用立铣刀侧刃切削。刀具切入工件时应沿切削起始点的延伸线逐渐切入工件, 保证零件曲线的平滑过渡。在切离工件时, 也要沿着切削终点延伸线逐渐切离工件, 如图4-32所示。
( 2) 当用圆弧插补方式铣削外整圆时
如图4-33, 要安排刀具从切向进入圆周铣削加工, 当整圆加工完毕后, 不要在切点处直接退刀, 而应让刀具沿切线方向多运动一段距离, 以免取消刀补时, 刀具与工件表面相碰, 造成工件报废。

图4-32 外轮廓加工刀具的切入和切出 图4-33 外圆铣削
3) 铣削内轮廓的进给路线
( 1) 铣削封闭的内轮廓表面
若内轮廓曲线不允许外延( 图4-34a所示) , 刀具只能沿内轮廓曲线的法向切入、 切出, 此时刀具的切入、 切出点应尽量选在内轮廓曲线两几何元素的交点处。当内部几何元素相切无交点时( 图4-34b所示) , 为防止刀补取消时在轮廓拐角处留下凹口,刀具切入、 切出点应远离拐角。
( 2) 当用圆弧插补铣削内圆弧时也要遵循从切向切入、 切出的原则, 最好安排从圆弧过渡到圆弧的加工路线( 图4-35所示) 提高内孔表面的加工精度和质量。

a b
图4-34 内轮廓加工刀具的切入和切出
a 若内轮廓曲线不允许外延 b 当内部几何元素相切无交点时

图4-35 内圆铣削
4) 铣削内槽的进给路线
内槽是指以封闭曲线为边界的平底凹槽。一律用平底立铣刀加工, 刀具圆角半径应符合内槽的图纸要求。图4-36所示为加工内槽的三种进给路线。图4-36a和图4-36b分别为用行切法和环切法加工内槽。两种进给路线的共同点是都能切净内腔中的全部面积, 不留死角, 不伤轮廓, 同时尽量减少重复进给的搭接量。不同点是行切法的进给路线比环切法短, 但行切法将在每两次进给的起点与终点间留下残留面积, 而达不到所要求的表面粗糙度; 用环切法获得的表面粗糙度要好于行切法, 但环切法需要逐次向外扩展轮廓线, 刀位点计算稍微复杂一些。采用图5-35c所示的进给路线, 即先用行切法切去中间部分余量, 最后用环切法环切一刀光整轮廓表面, 既能使总的进给路线较短, 又能获得较好的表面粗糙度。

图4-36 凹槽加工进给路线
5) 铣削曲面轮廓的进给路线
铣削曲面时, 常见球头刀采用”行切法”进行加工。所谓行切法是指刀具与零件轮廓的切点轨迹是一行一行的, 而行间的距离是按零件加工精度的要求确定的。
对于边界敞开的曲面加工, 可采用两种加工路线, 如图4-37所示发动机大叶片, 当采用图a所示的加工方案时, 每次沿直线加工, 刀位点计算简单, 程序少, 加工过程符合直纹面的形成, 能够准确保证母线的直线度。当采用图b所示的加工方案时, 符合这类零件数据给出情况, 便于加工后检验, 叶形的准确度较高, 但程序较多。由于曲面零件的边界是敞开的, 没有其它表面限制, 因此曲面边界能够延伸, 球头刀应由边界外开始加工。

图4-37 曲面加工的进给路线
6) 孔加工走刀路线
对于位置度要求较高的孔加工, 精加工时一定要注意各孔的定位方向要一致, 即采用单向趋近定位点的方法, 以避免传动系统反向间隙误差或测量系统的误差对定位精度的影响。如图4-38a所示的孔系加工路线, 在加工孔D时, X轴的反向间隙将会影响C、 D两孔的孔距精度。如改为图4-38b所示的孔系加工路线, 可使各孔的定位方向一致, 提高孔距精度。

图4-38 孔系加工方案比较
2、 切削用量的选择
1) 面、 轮廓加工切削用量的选择
如图4-39所示, 数控铣床的切削用量包括切削速度、 进给速度、 背吃刀量和侧吃刀量。从刀具耐用度出发, 切削用量的选择方法是:先选取背吃刀量或侧吃刀量, 其次确定进给速度, 最后确定切削速度。

图4-39 铣削切削用量

( 1) 端铣背吃刀量(或周铣侧吃刀量)选择
吃刀量 ()为平行于铣刀轴线方向测量的切削层尺寸。端铣时, 背吃刀量为切削层的深度, 而圆周铣削时, 背吃刀量为被加工表面的宽度。
侧吃刀量 ()为垂直于铣刀轴线方向测量的切削层尺寸。端铣时, 侧吃刀量为被加工表面的宽度, 而圆周铣削时, 侧吃刀量为切削层的深度。
背吃刀量或侧吃刀量的选取, 主要由加工余量和对表面质量的要求决定。
① 工件表面粗糙度值为12.5～25μm时, 如果圆周铣削的加工余量小于5mm, 端铣的加工余量小于6mm, 粗铣时一次进给就能够达到要求。但在余量较大, 工艺系统刚性较差或机床动力不足时, 可分两次进给完成。
② 在工件表面粗糙度值为3.2～12.5μm时, 可分粗铣和半精铣两步进行。粗铣时背吃刀量或侧吃刀量选取同①。粗铣后留0.5～1mm余量, 在半精铣时切除。
③ 在工件表面粗糙度值为0.8～3.2μm时, 可分粗铣、 半精铣、 精铣三步迸行。半精铣时背吃刀量或侧吃刀量取1.5～2mm; 精铣时, 圆周铣侧吃刀量取0.3～0.5mm, 端铣背吃刀量取0.5～1mm。
( 2) 进给速度
进给速度 ()是单位时间内工件与铣刀沿进给方向的相对位移, 它与铣刀转速 (n)、 铣刀齿数 (z)及每齿进给量 ()的关系为:
每齿进给量的选取主要取决于工件材料的力学性能、 刀具材料、 工件表面粗糙度等因素。工件材料的强度和硬度越高, 每齿进给量越小, 反之则越大。硬质合金铣刀的每齿进给量高于同类高速钢铣刀。工件表面粗糙度值越小, 每齿进给量就越小, 每齿进给量的确定可参考表4-5选取。工件刚性差或刀具强度低时, 应取小值。
( 3) 切削速度
铣削的切削速度与刀具耐用度、 每齿进给量、 背吃刀量、 侧吃刀量、 铣刀齿数Z成反比, 而与铣刀直径成正比。其原因是当、 、 、 和Z增大时, 刀刃负荷增加工作齿数也增多, 使切削热增加, 刀具磨损加快, 从而限制了切削速度的提高。同时, 刀具耐用度的提高使允许使用的切削速度降低。但加大铣刀直径d则可改进散热条件, 因而提高切削速度。铣削的切削速度可参考表4-6选取, 也可参考相关的切削手册。
2) 孔加工切削用量的选择
孔加工为定尺寸加工, 切削用量的选择应在机床允许的范围之内选择, 查阅手册并结合经验确定, 表4-7至表4-11中列出了部分孔加工的切削用量, 供参考。
① 孔加工时的主轴转速 (r/min), 根据选定的切削速度 (m/min)和加工直径或刀具直径计算, 参考公式(1-1)。
② 孔加工工作进给速度, 根据选择的进给量和主轴转速按式(4-1)计算进给速度。
( 4-1)
③ 攻螺纹时进给量的选择决定于螺纹的导程, 由于使用了带有浮动功能的攻螺纹夹头, 攻螺纹时工作进给速度 (mm/min)可略小于理论计算值, 即: ( 为导程)
在确定工作进给速度时, 要注意一些特殊情况。例如, 在高速进给的轮廓加工中, 由于工艺系统的惯性在拐角处易产生”超程”和”过切”现象, 如图4-40所示。因此, 在拐角处应选择变化的进给速度, 接近拐角时减速, 过了拐角后加速。

a超程 b过切
图4-40 拐角处的超程和过切现象

总结与提问: ( 5分钟)
数控铣削加工常见刀具有哪些?
铣削加工中走刀路线的安排方法? 切削用量的选择方法?

教学手段: 多媒体教学
教学方法: 案例教学、 动画演示
序号
3
日期

班级

课题
数控铣削加工工艺与编程
重点与难点
重点: 1、 铣削加工工艺分析实例
难点: 1、 铣削加工工艺分析
教研室主任
年 月 日
教师
年 月 日
复 习: 铣削加工工艺分析( 5分钟)
引 入: 从几方面分析铣削加工工艺( 5分钟)
正 课: 铣削加工工艺分析实例( 90分钟)
知识点( 85分钟) :
1、 铣削加工工艺分析实例
盖板加工表面主要是平面和孔, 需经铣平面、 钻孔、 扩孔、 镗孔、 铰孔及攻螺纹等工步才能完成。下面以图4-41所示盖板为例介绍进行工艺分析。

图4-41盖板零件简图
1) 零件工艺分析
由图可知, 该盖板的材料为铸铁, 毛坯为铸件。盖板加工内容为平面、 孔和螺纹且都集中在、 面上, 其四个侧面已加工, 其中最高精度为IT7级。从定位和加工两个方面考虑, 以面为主要定位基准, 并在前道工序中先加工好, 选择面及位于面上的全部孔在加工中心上加工。
2) 选择机床
由于面及位于面上的全部孔, 只需单工位加工即可完成, 只有粗铣、 精铣、 粗镗、 半精镗、 精镗、 钻、 扩、 锪、 铰及攻螺纹等工步, 所需刀具较多, 加工表面不多。故选择立式加工中心。工件一次装夹后可自动完成铣、 钻、 镗、 铰及攻螺纹等工步的加工。
3) 工艺设计
( 1) 选择加工方案
面粗糙度为, 采用粗铣---精铣方案即可; 孔尺寸精度要求为IT7级, 已铸出毛坯孔, 粗糙度为, 故采用粗镗一半精镗一精镗方案; 孔尺寸精度要求为IT8级, 粗糙度为, 为防止钻偏, 按钻中心孔一钻孔一扩孔一铰孔方案进行; mm沉头孔在孔基础上锪至尺寸即可; M16螺纹孔在M6和M20之间, 故采用先钻底孔后攻螺纹的加工方法, 即按钻中心孔一钻底孔一倒角一攻螺纹方案加工。
( 2) 确定加工顺序
按照先粗后精、 先面后孔的原则及为了减少换刀次数不划分加工阶段来确定加工顺序。具体加工路线为: 粗、 精铣面-----粗、 半精、 精镗孔-----钻各光孔和螺纹孔的中心孔-----钻、 扩、 锪、 铰-----钻M16螺纹底孔、 倒角和攻螺纹, 具体顺序见表4-12。
( 3) 确定装夹方案和选择夹具
该盖板零件形状较简单、 尺寸较小, 四个侧面较光整, 加工面与非加工面之间的位置精度要求不高, 故可选通用台钳, 以盖板底面和两个侧面定位, 用台钳钳口从侧面夹紧。
( 4) 选择刀具
根据加工内容, 所需刀具有面铣刀、 镗刀、 中心钻、 麻花钻、 铰刀、 立铣刀( 锪孔) 及丝锥等, 其规格根据加工尺寸选择。一般来说, 粗铣铣刀直径应选小一些, 以减小切削力矩, 但也不能太小, 以免影响加工效率; 精铣铣刀直径应选大一些, 以减少接刀痕迹。考虑到两次走刀间的重叠量及减少刀具种类, 经综合分析确定粗、 精铣铣刀直径都选为。其它刀具根据孔径尺寸确定。具体所选刀具见表4-13。
( 5) 确定进给路线
面的粗、 精铣削加工进给路线根据铣刀直径确定, 因所选铣刀直径为, 故安排沿x方向两次进给( 见图4-42) 。因为孔的位置精度要求不高, 机床的定位精度完全能保证, 因此所有孔加工进给路线均按最短