型腔铣削工艺、编程

5．8 型腔铣削工艺、编程
5．8．1型腔铣削加工的内容、要求
型腔是CNC铣床、加工中心中常见的铣削加
工内结构。

铣削型腔时，需要在由边界线确定的
一个封闭区域内去除材料，该区域由侧壁和底面
围成，其侧壁和底面可以是斜面、凸台、球面以
及其他形状。

型腔内部可以全空或有孤岛。

对于
形状比较复杂或内部有孤岛的型腔则需要使用计
算机辅助（CAM）编程。

本节讨论的型腔加工指由垂直侧壁轮廓和水
平底面围成的规则型腔，如图5-8-1。

型腔的主要加工要求有：侧壁和底面的尺寸
精度，表面粗糙度，二维平面内轮廓的尺寸精度。

5．8．2 型腔铣削方法
对于较浅的型腔，可用键槽铣刀插削到底面深度，先铣型腔的中间部分，然后再利用刀具半径补偿对垂直侧壁轮廓进行精铣加工。

对于较深的内部型腔，宜在深度方向分层切削，常用的方法是预先钻削一个到所需深度孔，然后再使用比孔尺寸小的平底立铣刀从Z向进入预定深度，随后进行侧面铣削加工，将型腔扩大到所需的尺寸、形状。

型腔铣削时有两个重要的工艺考虑：
①刀具切入工件的方法；
②刀具粗、精加工的刀路设计。

5．8．3 刀具选用
适合于型腔铣削的刀具有平底立铣刀、键槽铣刀，型腔的斜面、曲面区域要用R刀或
球头刀加工。

型腔铣削时，立铣刀是在封闭边界内进行加工。

立铣刀加工方法受到内结构特点的限制。

立铣刀对内轮廓精铣削加工中，其刀具半径一定要小于零件内轮廓的最小曲率半径，
刀具半径一般取内轮廓最小曲率半径的0.8～0.9倍。

粗加工时，在不干涉内轮廓的前提下，尽量选用直径较大的刀具，直径大的刀具比直径小的刀具的抗弯强度大，加工中不容易引
起受力弯曲和振动。

在刀具切削刃（螺旋槽长度）满足最大深度的前提下，尽量缩短刀具从主轴伸出的长
度和立铣刀从刀柄夹持工具的工作部分中伸出的长度，立铣刀的长度越长，抗弯强度减小，
受力弯曲程度大，会影响加工的质量，并容易产生振动，加速切削刃的磨损。

5．8．4 型腔铣削的路线设计
1．型腔铣削加工的刀具引入方法
与外轮廓加工不同，型腔铣削时，要考虑如何Z向切入工件实体的问题。

通常刀具Z 向切入工件实体有如下几种方法：
①使用键槽铣刀沿Z轴垂直向下进刀切入工件；
②先预钻一个孔，再用直径比孔径小的平底立铣刀切削；
③斜线进刀及螺旋进刀。

斜线进刀及螺旋进刀，都是靠铣刀的侧刃逐渐向下铣削而实现向下进刀的，所以这两种进刀方式可以用于端部切削能力较弱的端铣刀向下进给。

（a）（b）（c）图5-8-2铣切内腔的三种走刀路线比较
2．型腔铣削水平方向刀具路线
常见的型腔粗加工路线有：
①Z形走刀路线，如图5-8-2（a），刀具循Z字形刀路行切，粗加工的效率高；相邻两行走刀路线的起点和终点间留下凹凸不平的残留，残留高度与行距有关。

②环切走刀路线。

如图5-8-2（b）为环绕切削，加工余量均匀稳定，有利于精加工时工艺系统的稳定性，从而得到高的表面质量，但刀路较长，不利于提高切削效率。

③先用行切法粗加工，后环切一周半精加工。

如图5-8-2（C），把Z字形运动和环绕切削结合起来用一把刀进行粗加工和半精加工是一个很好的方法，因为它集中了两者的优点，有利于提高粗加工效率，有利于保证精加工加工余量均匀，从而保证精切削时工艺系统的稳定性。

5．8．5 型腔铣削用量
粗加工时，为了得到较高的切削效率，选择较大的切削用量，但刀具的切削深度与宽度应与加工条件（机床、工件、装夹、刀具）相适应。

实际应用中，一般让Z方向的吃刀深度不超过刀具的半径；直径较小的立铣刀，切削深度一般不超过刀具直径的1／3。

切削宽度与刀具直径大小成正比，与切削深度成反比，一般切削宽度取 0.6～0.9刀具直径。

值得注意的是：型腔粗加工开始第一刀，刀具为全宽切削，切削力大，切削条件差，应适当减小进给量和切削速度。

精加工时，为了保证加工质量，就避免工艺系统受力变形和减小震动，精加工切深应小，数控机床的精加工余量可略小于普通机床，一般在深度、宽度方向留0.2～0.5mm余量进行精加工。

精加工时，进给量大小主要受表面粗糙度要求限制，切削速度大小主要取决于刀具耐用度。

5．8．6型腔铣削加工实例
1．型腔铣削的加工任务
如图5-8-1所示型腔，侧壁轮廓垂直，底面水平。

矩形封闭区域大小：宽40，长55，深5，内轮廓最小曲率半径R4。

内轮廓尺寸有IT8尺寸公差等级要求，形位公差等级达IT8级，表面粗糙度达Ra3.2μm，底面有Ra6.3μm表面粗糙度要求。

型腔轮廓X、Y向对称，处于X、Y向的对称面为X、Y向基准，因此选用型腔中心作为X、Y向的工件零点。

假设上表面已经过精加工，选工件上表面为Z向零点。

2．刀具选择：
图5-8-1零件图中，矩形型腔的四个角都有圆角，圆角的半径限定刀具的半径选择，圆角的半径大于或等于所用精加工刀具的半径。

本例中圆角为4㎜，使用φ8键槽铣刀用于粗加工，但精加工中刀具半径应略小于圆角半径，以便于刀具能通过半径补偿切削轮廓，精加工选用φ6的立铣刀比较合理。

因此确定粗加工刀具直径φ8，精加工刀具直径φ6，刀具材料为高速钢。

3．加工方法及余量分析
设计型腔分粗、半精、精加工阶段加工，
粗加工完成53×38的区域，型腔粗加工留下的
单边1㎜加工余量，包括精加工余量和半精加
工余量。

精加工单边余量S=0.5㎜，半精加工
单边余量C=0.5㎜。

如图5-8-3所示。

设计粗加工让刀具沿Z字形路线在封闭区
域内来回运动，是一种高效的粗加工方法，但
粗加工刀具沿Z字形路线来回运动在加工表面
上留下扇形残留量，切削余量不均匀时很难保
证精加工的加工质量，因此需要半精加工，其
目的是为了消除扇形残留量。

如图5-8-4所示从Z形刀路粗加工后，接着开始半精加工，刀具路径环绕一周，留下了均匀的单边0.5㎜精加工余量。

型腔Z向深度为10mm，考虑到加工刀具直径较小，Z向分4每层粗切，每层2.5mm。

4．粗加工路线设计
(1)切入方法及切入点：
（a）Z形刀路粗加工（b）环绕刀路半精加工
图5-8-4 内腔铣切的粗、半精加工路线
设计粗加工区域为53×38的矩形区域，刀具切入工件的点有两个位置比较实用：型腔中心、型腔拐角圆心。

本例φ8的刀具起点设在如图5-8-4a所示的起点位置，该点处在粗加工切削区域左下角，刀具与区域的两边相切。

在如图5-8-1所示的工件坐标系中，起点坐标是：X-22.5，Y-15。

(2)Z形刀路间距值
型腔沿Z形刀路粗加工后留下扇形残留量的大小与两次切削之间的间距（Z形刀路间距）有关，型腔粗加工中的间距也就是刀具切入材料的宽度。

Z形刀路的相邻两刀应有一定的重叠部分，Z形刀路间距通常为刀具直径的70%—90%左右。

如图5-8-4a，Y向以Z形刀路间距Q为单位进行N次数进给，最终型腔粗加工区域被切除，则有：
Q×N=38－2×4=30
式中：“38”为粗加工区域宽度；“4”为粗加工的刀具半径。

本例设计Y向以Z形刀路间距为单位的进给次数是5，Z形刀路间距为Q㎜，则有：Q×5=(38—2×4)
得：Q=6㎜。

间距6㎜为φ8㎜的立铣刀直径的75%，对于φ8㎜的立铣刀来说比较
合适。

(3)Z形刀路切削长度
如图5-8-4a，粗加工时Z形刀路的X向进给增量为：
53－2×4＝45
(4)半精加工切削的长度和宽度
由于半精加工与粗加工在本例中使用同一把刀具，因此粗加工后刀具开始进行半精加工，由于X、Y向的半精加工余量为0.5㎜，本例中，粗加工的最后刀具位置在型腔的左上角坐标为：（X-22.5，Y15）的点位，经过“G91G1X-0.5Y0.5”的增量移动，就可到达在型腔的左上角的半精加工的起点。

如图5-8-4b所示
在半精加工区域内，刀具刀位点经AB、BC、CD、DA直线进给留下了单边0.5㎜精加工余量。

(5)精加工刀具路径
粗加工和半精加工完成后，可以使用另一把刀具
φ6㎜进行精加工并得到最终尺寸。

选择轮廓中心点作为加工起点位置。

精加工切削
中，应该使用刀具半径偏置功能，这主要是为了在加
工调试时，可以通过调整半径补偿值保证尺寸公差的
要求。

由于刀具半径补偿不能在圆弧插补运动中启动，
图5-8-5内腔铣切精加工路线
因此必须添加建立和取消半径补偿的直线运动，以及
切入、切出轮廓的圆弧。

引导圆弧半径的计算，与上一节中封闭槽精加工路线设计完全一样的方法：图5-8-5所示为矩形型腔的典型精加工刀具路径(起点在型腔中心)。

本例中矩形型腔宽度相对刀具直径较大可以用下面的方法计算：
Ra=w÷4=40÷4=10㎜。

引入圆弧半径为Ra=10，则P点坐标为（X-22.5，Y15），Q点坐标为（X-22.5，Y15）5．粗、精切削时切削用量
粗加工时，φ8㎜的键槽铣刀，有2个刀齿(Z=2)，键槽铣刀粗铣削Z向切深2.4㎜；侧向最大切深6～8㎜选f Z=0.1，选V=20m/min，则主轴转速S=318×20/8≈800r/min，计算进给速度F=f Z×Z×S=0.1×2×800≈150㎜/min，刀具在全齿切削时取F=100㎜/min。

立铣刀半精铣削时，侧向最大切深0.5㎜，切削力大为减少，取S=1000 r/min；F=200㎜/min。

立铣刀精铣削时，侧向最大切深0.5㎜，切削力很小，但要保证表面质量，取S=1200
r/min；F=100㎜/min。

6．型腔铣削编程
完成以上工艺分析和计算后，便可对型腔进行编程了(程序O5801)。

程序选用一把φ8的键槽铣刀作为粗加工刀具且能进行垂向切削，一把φ6立铣刀，用于精加工。