第4章 数控铣削 外轮廓、凸模的加工

a)直线—直线方式
b)直线—圆弧方式 c)圆弧—圆弧方式 图4-3进、退刀路线
Ⅱ．加工工艺路线 在确定数控铣削加工路线时，应遵循如下原则： 保证零件的加工精度和表面粗糙度；使走刀路线 最短，减少刀具空行程时间，提高加工效率；使 节点数值计算简单，程序段数量少，以减少编程 工作量；最终轮廓一次走刀完成。 1.铣削平面类零件的加工路线
铸铁
π
平口台虎钳装夹工件
铣削用自定心三爪卡盘
铣削用四爪卡盘
万能分度头及其装夹示例
找正定位块后，工件靠紧 定位块用压板装夹工件
直接找正后用压板装夹工件
Hale Waihona Puke Baidu
(b)一面两销定位后夹紧工件
数控铣床坐标系
刀具远离工件的方向为正方向
为 正 为正
一般X轴在水平方向
机床坐标系
数 控 铣 床 按 数 控 系 统 功 能 分 类
高速铣削数控铣床
一般把主轴转速在8000～ 40000r/min的数控铣床称为高速铣 削数控铣床，其进给速度可达10～ 30m/min。这种数控铣床采用全新 的机床结构、功能部件（电主轴、直 线电机驱动进给）和功能强大的数控 系统，并配以加工性能优越的刀具系 统，可对大面积的曲面进行高效率、 高质量的加工，如图5-9所示。
全功能型数控铣床
全功能数控铣床一般采用半闭环或闭环控制，控制 系统功能较强，数控系统功能丰富，一般可实现四 轴或四轴以上的联动加工，加工适应性强，应用最 为广泛，如图5-8所示。
数 控 铣 床 按 数 控 系 统 功 能 分 类
图5-7 经济型数控铣床
图5-8 全功能型数控铣床
图5-9 高速铣削数控铣床
机床坐标系
+Y
+X
0
+Y
0
+X
+Y
+X
数控程序的格式
数控字
错 错
对 对
二、凸模零件铣削进、退刀路线选择 1. 铣削内外轮廓的进给路线
刀具进、退刀路线设计得合理与否，对保证所加工的轮廓 表面质量非常重要。一般来说，刀具进、退刀线的设计应 尽可能遵循切向切入、切向切出工件的原则。轮廓铣削中 刀具进、退刀路线通常有三种设计方式，即直线—直线方 式，直线—圆弧方式，圆弧—圆弧方式，如图4-3所示。
（b）
数 控 铣 床 按 主 轴 布 置 分 类
龙门数控 铣床
（a）
立式数控铣床
带CNC数控分度 盘的数控铣床
（c）
数 控 铣 床 按 控 制 轴 数 分 类
2.5坐标联动数控铣床： 机床只能进行X、Y、Z三个坐标 中的任意两个坐标联动加工
3坐标联动数控铣床： 机床能进行X、Y、Z三个坐标联动 加工
铣削平面类零件外轮廓时，一般采用立铣刀侧刃 进行切削。为减少接刀痕迹，保证零件表面质量，对 刀具的切入和切出程序需要精心设计。
（1）铣削外轮廓的加工路线 ①铣削平面零件外轮廓刀具切入工件时，应避免沿零 件外轮廓的法向切入，而应沿切削起始点的延长线切向 逐渐切入工件，保证零件曲线的平滑过渡，以避免加工 表面产生划痕。在切离工件时，也应避免在切削终点处 直接抬刀，要沿着切削终点延伸线逐渐切离工件。如下 图5-28所示。
（2）铣削内轮廓的加工路线
①铣削封闭的内轮廓表面时，若内轮廓曲线允许外延， 则应沿切线方向切入切出。若内轮廓曲线不允许外延 （如下图5-30所示），则刀具只能沿内轮廓曲线的法向 切入切出，并将其切入、切出点选在零件轮廓两几何元 素的交点处。当内部几何元素相切无交点时，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，如下图5-31所示。
数 控 铣 床 按 数 控 系 统 功 能 图5-7 经济型数控铣床 分 类
图5-8 全功能型数控铣床
图5-9 高速铣削数控铣床
数控铣床主要加工对象
1.平面类零件(主要用手工编程）2.变斜角类零件(用软件编程) 3.立体曲面类零件(用软件编程)
1.平面类零件(主要用手工编程） 指加工面平行或垂直于水平面，以及 较复杂典型平面类零件 加工面与水平面夹角为一定值的零件。 目前数控铣床加工的绝大多数零件属 于平面类零件。这类零件的特点是：加 工面为平面或加工面可以展开为平面。 这类零件的数控铣削相对比较简单，用 三坐标数控铣床的两轴联动就可以加工 出来。
闭环控制系统特点：装有位置 测量反馈装置，直接安装在移动部 件的最终端。 • 控制精度最高，由于系统增加 了检测、比较和反馈装置，所以结 构比较复杂，调试维修比较困难。
◆半闭环控制数控机床：装有位置测量 反馈装置，安装在伺服电动机转动轴上或丝 杠的端部。通常使用交流或直流伺服电动机 特点：控制精度较高。 作为伺服驱动元件。
曲面类零件
典型立体曲面类零件
一、外轮廓、凸模零件铣削常用刀具
外轮廓、凸模零件通常用立铣刀进行铣削，立铣刀可 分为高速钢立铣刀和硬质合金立铣刀两种，主要用于加工 沟槽、台阶面、平面和二维曲面，习惯上用直径表示立铣 刀名称。常用立铣刀的结构形式及材料如图所示。
a)高速钢立铣刀 b)整体硬质合金立铣刀 c)可转位立铣刀
平面类零件图
轮廓面
轮廓面
轮廓面
数控铣床主要加工对象
2.变斜角类零件(用软件编程)
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。
这类零件的特点是：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。这类零件一般 采用4轴或5轴联动的数控铣床加工，也可用三轴数控铣床通 过两轴联动用鼓形铣刀分层近似加工，但精度稍差。
变斜角类零件—飞机上的变斜角梁椽条
3.立体曲面类零件(用软件编程) 加工面为空间曲面的零件称为曲面类零件。 这类零件的特点是：一是加工面不能展开成平面，二是 加工面与加工刀具始终为点接触。这类零件在数控铣床加 工中也较为常见，通常采用两轴半联动数控铣床加工精度 要求不高的曲面；精度要求高的曲面需用三轴联动数控铣 床加工,若曲面周围有干涉表面，需用四轴甚至五轴联动数 控铣床加工.
本课程的总体工作任务：
• 1.分析平面及平面轮廓类零件图数控铣削加工工艺性； • 2.拟定平面及平面轮廓类零件数控铣削加工工艺路线； • 3.选择平面及平面轮廓类零件数控铣削加工刀具；
• 4.选择平面及平面轮廓类零件数控铣削加工夹具，确定 装夹方案；
• 5.按平面及平面轮廓类零件数控铣削加工工艺选择合适 的切削用量与机床； • 6.编制平面及平面轮廓类零件数控铣削加工工艺文件。
按伺服系统的类型分 开环控制数控机床：不带位置检测反馈装置， 通常使用功率步进电动机作为伺服驱动元件。
机床分类
图1.3
开环数控系统结构
控制精度较低，适用于经济型数控机床或旧机床的数控改造
闭环控制数控机床：装有位置测量反馈装置， 直接安装在移动部件的最终端。通常使用交流或 直流伺服电动机作为伺服驱动元件。 闭环控制系统
2．铣削曲面轮廓的进给路线 铣削曲面时，常用球头铣刀采用“行切法”进行加 工。对于边界敞开的曲面加工，可采用两种加工路线。如 图所示发动机大叶片，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，可以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，没有其他表面限制，所以曲面边界可 以延伸，球头铣刀应由边界外开始加工。
图5-28 外轮廓加工刀具的切入和切出
（1）铣削外轮廓的加工路线 ②当用圆弧插补方式铣削外整圆时，如下图5-29所示，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2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5-29 外轮廓加工刀具 的切入和切出
4坐标联动数控铣床： 机床主轴可以绕X、Y、Z三个坐标 轴和其其中一个轴作数控摆角联动加工
5坐标联动数控铣床： 机床主轴可以绕X、Y、Z三个坐标 轴和其其中两个轴作数控摆角联动加工
经济型数控铣床
数 控 铣 床 按 数 控 系 统 功 能 分 类
经济型数控铣床一般是在普通立式铣床或卧式铣床 的基础上改造而来的，采用经济型数控系统，成本 低，机床功能较少，主轴转速和进给速度不高，主 要用于精度不高的简单平面或曲面零件加工，如图 5-7所示。
一次铣至工件轮廓深度
(2)分层铣至工件轮廓深度 当工件轮廓深度尺寸较大，刀具不能一次铣至 工件轮廓深度时，则需采用在Z向分多层依次 铣削工件，最后铣至工件轮廓深度，刀路设计 如图4-5所示。在Z向分层铣削工件，有效地解 决了工件轮廓侧壁相对底面的垂直度问题，因 而在生产中得到了广泛的应用。
分层铣至工件轮廓深度
三、加工工序的划分
当零件的加工质量要求较高时，往往不可能用一道工 序来满足其要求，而要用几道工序逐步达到所要求的加工 质量。为保证加工质量和合理地使用设备、人力，零件的 加工过程通常按工序性质不同，分为粗加工、半精加工、 精加工和光整加工四个阶段。
2. Z向刀具路线设计 (1)一次铣至工件轮廓深度 当工件轮廓深度尺寸不大，在刀具铣削深度范围之内时， 可以采用一次下刀至工件轮廓深度完成工件铣削，刀路设计 如图4-4所示。 立铣刀在粗铣时一次铣削工件的最大深度即背吃刀量ap， 以不超过铣刀半径为原则，通常根据下列几种情况选择。 ①当侧吃刀量ae＜d/2(d为铣刀直径)时，ap =(1/3～1/2)d； ②当侧吃刀量d/2≤ae＜d时，取ap =(1/4～1/3)d； ③当侧吃刀量ae=d(即满刀切削)时，取ap =(1/5～1/4)d。
（3）铣削内槽的加工路线
所谓内槽是指以封闭曲线为边界的平底凹槽，一般用平底立铣刀 加工，刀具圆角半径应符合内槽的图纸要求。如图所示为加工内槽的 三种进给路线，分别为用行切法和环切法加工内槽。所谓“行切法” 加工，即刀具与零件轮廓的切点轨迹是一行一行的，行间距按零件加 工精度要求而确定。两种进给路线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。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，达不到所要求的表面粗糙度；环切法获得的表面粗糙度好于行切 法，但环切法需要逐次向外扩展轮廓线，刀位点计算较复杂。采用图 c所示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，能使进给路线较短，并获得较好的表面粗糙度。
数控立式铣床、加工中心上铣削零件的加工工艺与编程
• 能力目标：1.会根据零件结构选择数控铣床； • 2.会数控铣削零件图形的数学处理； • 3.会对数控铣削零件图进行数控铣削加工工艺性分 析，包括：分析零件图纸技术要求，检查零件图的 完整性和正确性，分析零件的结构工艺性，分析零 件毛坯的工艺性； • 4.会拟定数控铣削零件的加工工艺路线,包括：选择 数控铣削平面与平面轮廓加工方法,划分加工阶段, 会划分加工工序, 确定加工顺序,确定加工路线； • 5.会根据数控铣削零件加工工艺熟练选用整体式数 控铣削刀具与机夹可转位铣削刀具； • 6.会根据数控铣削常用夹具用途来正确选择夹具和 装夹方案； • 7.会选择合适的切削用量； • 8.会编制数控铣削加工工艺文件。
一 数控铣削加工工艺设计入门
立式数控铣床
数 控 铣 床 按 主 轴 布 置 分 类
立式数控铣床是数控铣床中最常见的一种，应用 范围最广，主轴轴线垂直于工作台面，以X、Y、Z三 轴联动居多，如下图（a）所示。主运动由主轴完成 ，主轴除完成主运动外，还能沿垂直方向上下移动加 工工件。小型立式数控铣床X、Y、Z三轴的移动一般 由工作台完成，主运动由主轴完成，与普通立式升降 台铣床相似。大型立式数控铣床，由于需要考虑扩大 行程，缩小占地面积和刚性等技术问题，多采用龙门 架移动式，其主轴可以在龙门架的横向与垂直溜板上 运动，而工作台则沿床身作纵向运动，如下图（b） 所示。立式数控铣床可增加数控转盘（分度盘）来实 现四、五轴联动加工，扩大使用功能，如下图（c） 所示。
图5-30 内轮廓加工刀 具的切入和切出
图5-31 无交点内轮廓加工刀具的切入和切出
（2）铣削内轮廓的加工路线
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，提高内孔表面的加工精度和质量，如下图532所示。
图5-32 内轮廓加工刀 具的切入和切出