刀具、加工工艺切削用量的计算

第八章加工中心的编程§8-1 加工中心简介一、概述本书所涉及的加工中心是指镗铣类加工中心，它把铣削、镗削、钻削、攻螺纹和切削螺纹等功能集中在一台设备上，使其具有多种工艺手段，又由于工件经一次装夹后，能对两个以上的表面自动完成加工，并且有多种换刀或选刀功能及自动工作台交换装置（APC），从而使生产效率和自动化程度大大提高。

加工中心为了加工出零件所需形状，至少要有三个坐标运动，即由三个直线运动坐标X、Y、Z和三个转动坐标A、B、C适当组合而成，多者能达到十几个运动坐标。

其控制功能应最少两轴半联动，多的可实现五轴联动、六轴联动。

现在又出现了并联数控机床，从而保证刀具按复杂的轨迹运动。

加工中心应具有各种辅助功能，如：各种加工固定循环，刀具半径自动补偿，刀具长度自动补偿，刀具破损报警，刀具寿命管理，过载自动保护，丝杠螺距误差补偿，丝杠间隙补偿，故障自动诊断，工件与加工过程显示，工件在线检测和加工自动补偿乃至切削力控制或切削功率控制，提供直接数控(DNC)接口等，这些辅助功能使加工中心更加自动化、高效、高精度。

同样，生产的柔性促进了产品试制、实验效率的提高，使产品改型换代成为易事，从而适应于灵活多变的市场竞争战略。

二、工艺特点加工中心作为一种高效多功能机床，在现代化生产中扮演着重要角色，它的制造工艺与传统工艺及普通数控加工有很大不同，加工中心自动化程度的不断提高和工具系统的发展使其工艺范围不断扩展。

现代加工中心更大程度的使工件一次装夹后实现多表面、多特征、多工位的连续、高效、高精度加工，即工序集中，但一台加工中心只有在合适的条件下才能发挥出最佳效益。

(一) 适合于加工中心加工的零件(1) 周期性重复投产的零件有些产品的市场需求具有周期性和季节性，如果采用专门生产线则得不偿失，用普通设备加工效率又太低，质量不稳定，数量也难以保证，以上两种方式在市场中必然淘汰。

而采用加工中心首件（批）试切完后，程序和相关生产信息可保留下来，下次产品再生产时，只要很少的准备时间就可开始生产。

进一步说，加工中心工时包括准备工时和加工工时，加工中心把很长的单件准备工时平均分配到每一个零件上，使每次生产的平均实际工时减少，生产周期大大缩短。

(2) 高效、高精度工件有些零件需求甚少，但属关键部件，要求精度高且工期短，用传统工艺需用多台机床协调工作，周期长、效率低，在长工序流程中，受人为影响容易出废品，从而造成重大经济损失。

而采用加工中心进行加工，生产完全由程序自动控制，避免了长工艺流程，减少了硬件投资及人为干扰，具有生产效益高及质量稳定的特点。

(3) 具有合适批量的工件加工中心生产的柔性不仅体现在对特殊要求的快速反应上，而且可以快速实现批量生产，拥有并提高市场竞争能力。

加工中心适合于中小批量生产，特别是小批量生产，在应用加工中心时，尽量使批量大于经济批量，以达到良好的经济效果。

随着加工中心及辅具的不断发展，经济批量越来越小，对一些复杂零件，5～10件就可生产，甚至单件生产时也可考虑用加工中心。

(4) 多工位和工序可集中的工件。

(5) 形状复杂的零件 四轴联动、五轴联动加工中心的应用以及CAD/CAM 技术的成熟、发展，使加工零件的复杂程度大幅提高。

DNC 的使用使同一程序的加工内容足以满足各种加工需要，使复杂零件的自动加工成为易事。

(6) 难测量零件。

(7) 装夹困难或完全由找正定位来保证加工精度的零件不适合在加工中心上生产。

(二) 工序集中带来的问题加工中心的工序集中加工方式固然有其独特的优点，但也带来一些问题，如： (1) 粗加工后直接进入精加工阶段，工件的温升来不及回复，冷却后尺寸变动。

(2) 工件由毛坯直接加工为成品，一次装夹中金属切除量大、几何形状变化大，没有释放应力的过程，加工完了一段时间后内应力释放，使工件变形。

(3) 切削不断屑，切屑的堆积、缠绕等会影响加工的顺利进行及零件表面质量，甚至使刀具损坏、工件报废。

(4) 装夹零件的夹具必须满足既能克服粗加工大的切削力，又能在精加工中准确定位的要求，而且零件夹紧变形要小。

(5) 由于ATC 的应用，使工件尺寸、大小、高度都受到一定的限制，钻孔深度、刀具长度、刀具直径、重量等也要予以考虑。

(三) 各种加工中心的功能特点(1) 立式加工中心 立式加工中心装夹工件方便，便于操作，找正容易，宜于观察切削情况，调试程序容易，占地面积小，应用广泛。

但它受立柱高度及ATC 的限制，不能加工太高的零件，也不适于加工箱体。

(2) 卧式加工中心 一般情况下卧式加工中心比立式加工中心复杂、占地面积大，有能精确分度的数控回转工作台，可实现对零件的一次装夹多工位加工，适合于加工箱体类零件及小型模具型腔。

但调试程序及试切时不宜观察，生产时不宜监视，装夹不便，测量不便，加工深孔时切削液不易到位（若没有用内冷却钻孔装置）。

由于许多不便，卧式加工中心准备时间比立式更长，但加工件数越多，其多工位加工、主轴转速高、机床精度高的优势就表现得越明显，所以卧式加工中心适合于批量加工。

(3) 带APC 的加工中心 立式加工中心、卧式加工中心都可带有APC 装置，交换工作台可有两个或多个。

在有的制造系统中，工作台在各机床上通用，通过自动运送装置，工作台带着装夹好的工件在车间内形成物流，因此这种工作台也叫托盘。

因为装卸工件不占机时，因此其自动化程度更高，效率也更高。

(4) 复合加工中心 复合加工中心兼有立式和卧式加工中心的功能，工艺范围更广，使本来要两台机床完成的任务在一台上完成，工序更加集中。

由于没有二次定位，精度也更高，但价格昂贵。

§8-2 加工中心的辅具及辅助设备一、刀柄及刀具系统在传统制造系统中刀具方面投资有限，但在现代制造系统中以每台加工中心配备60把刀具计算，每把刀具平均有三把姊妹刀，那么一台加工中心就可能要有180把刀具和相应数量的刀柄，再1234图8-2 刀柄与拉钉图8-1 刀具的组成1－拉钉；2－刀柄； 3－联接器；4－刀具。

加上刀具准备和交换等费用，刀具系统方面的投资往往接近加工中心的费用。

加工中心工具繁多，其利用率与加工中心利用率被放在同等地位看待。

在自动化生产系统中如何管理工具系统不但是全局性的工作，而且对于单台加工中心来说，只有使用好这些工具才能充分发挥加工中心的效能，降低加工成本，提高加工精度，创造一个良好的局部。

加工中心所用的切削工具由两部分组成，即刀具和供自动换刀装置夹持的通用刀柄及拉钉，如图8-1所示。

(一)刀柄在加工中心上一般采用7:24锥柄，这是因为这种锥柄不自锁，换刀比较方便，并且与直柄相比有高的定心精度和刚性，刀柄和拉钉已经标准化，各部分尺寸见图8-2和表8-1 ( JISB 6339 )所示。

在加工中心上加工的部位繁多使刀具种类很多，造成与锥柄相连的装夹刀具的工具多种多样，把通用性较强的装夹工具标准化、系列化就成为工具系统，如图8-3所示。

镗铣工具系统可分为整体式与模块式两类。

整体式工具系统针对不同刀具都要求配有一个刀柄，这样工具系统规格、品种繁多，给生产、管理带来不便，成本上升。

为了克服上述缺点，国内、外相继开发出多种多样的模块式工具系统，如图8-3所示。

a bc d e图8-3 加工中心用刀柄a －直柄夹头；b －钻削、攻丝刀柄；c －端铣刀刀柄；d －锯片铣刀刀柄；e －拉钉；f －镗削刀柄；g －模块式刀柄；h －内冷却刀柄；i －转角刀柄；j －背孔刀柄；k －多轴刀柄；l －自动测头；m －CNC 镗削刀柄（U 轴）；n －找正器。

表8-1 刀柄及拉钉尺寸fghi l kjmn有些场合，通用的刀柄和刃具系统不能满足加工要求，为进一步提高效率和满足特殊要求，近来已开发出多种特殊刀柄如下。

1.增速刀柄现在的增速头能够支持ATC，日本NIKKEN公司的NXSE型增速头，在主轴4000r/min时，刀具转数可在0.8s内达到20000r/min。

其结构特点主要有：行星齿轮增速机构，储油腔润滑方式，无接触密封方式，气体冷却方式。

气体可从出气口排出，同时从无接触密封处吹出，避免脏物进入增速头。

2.内冷却刀柄加工深孔时最好的冷却办法是切削液直接浇在切削部位，但这是不易达到的，尤其在卧式加工中心上。

针对这种情况，国、内外研制了内部通切削液的麻花钻及扩孔钻。

其配以专用的冷却油供给系统，工作时，高压切削液通过刀具芯部从钻头两个后面浇注至切削部位，起到冷却润滑的作用，并把切屑排出。

3.转角刀柄前面介绍了五面加工中心价格昂贵，而配备转角刀柄则以最少的花费达到相近的效果。

如NIKKEN公司的高刚性五面加工转角刀柄，其型号有30︒、45︒、60︒、90︒转角，非常适合于多品种少量生产，除使立式加工中心具有卧式的功能外，使用转角刀柄的原因还有对深型腔的底部清角工作。

4.多轴刀柄能同时加工多个孔，多轴及增速刀柄的混合应用就成为多轴增速刀柄。

5.双面接触刀柄双面接触式刀柄是一种新型的大振动衰减比的工具系统，其代表性特征有：①1:10锥度的短刀柄；②端面与锥部同时严密配合；③在端面配合处，刀柄与主轴除刚性接触外还有蝶簧接触，增大振动减衰比，增强工具系统的安定性。

使用此种刀柄后，硬质合金刀具生产能力提高至110%，刀具寿命提高250%；高速钢刀具生产能力提高35%，刀具寿命提高80%。

6.接触式测头刀柄此刀柄使接触式测头固定在主轴上，实现传感器与机床的无接触信号联系，并支持ATC。

(二) 刀具系统加工中心多工序集中，尤其在自动线上，连续工作时间更长。

刀具只有具有高的切削性能才能充分发挥加工中心的优势。

现代数控机床不停顿地向高速、高刚性和大功率方向发展，如：A55加工中心，最高主轴转数为12000r/min。

高速高精度加工正成为主流，而刀具必须适应这种需要。

有人预计，不久硬质合金刀具车削和铣削低碳钢的最高线速度将由现在的300~400m/min，提高到500~800 m/min，陶瓷刀具切削灰铸铁的切削速度将由现在的600~800 m/min提高到1000~1500 m/min。

当前在加工中心上越来越多的使用涂层硬质合金、涂层高速钢和陶瓷刀具。

加工中心上的刀具系统一般由钻削系统、端面铣刀系统、立铣刀系统、螺纹、槽加工刀具组成。

1．钻削系统这里叙述一些钻头在加工中心上的应用，表8-2以三菱工具为例介绍了几种钻头。

型号直径示意图用途特点MZEФ2.8～20 ·钢、铸铁·自动机、加工中心、各种机床直线切削刃，刀尖强度高，重磨容易，通用性好，排屑性能好MZSФ5～16 ·钢、铸铁、不锈钢、难加工材料·自动机、加工中心、各种机床直线型切削刃，刀尖强度高，重磨容易，排屑槽采用宽深槽，内部冷却式，寿命长、效率高新尖点钻Ф8～40 ·钢、铸铁、难加工材料·加工中心、数控车床、通用铣床等无横刃,加工精度是高速钢钻头的5倍以上可以高效率加工，重磨容易高速钻Ф16～70 钢、铸铁加工中心、数控车床、通用铣床等使用范围广，从一般进给到大进给，碳钢、合金钢能大进给加工加工中心用枪钻Ф6～20 铸铁、轻合金专用用加工中心进行深孔加工可以无导套加工深孔，最大长径比L/D=20为适应自动化生产，加工中心用钻头有其特殊处理。