数控铣床和加工中心工艺与编程PPT学习课件

数控加工工艺与编程第4章数控铣床及加工中心加工工艺与编程,1,要在数控铣床上高效率、高质量地加工出铣削类零件，必须掌握铣削类零件的数控加工工艺的有关知识，选择合理的工艺方案，同时充分利用数控系统提供的各种高性能的控制指令，迅速准确地编制出高质量的数控铣削类加工程序。,2,第4章数控铣床和加工中心加工工艺与编程,了解数控铣床和加工中心加工中要解决的主要工艺问题以及各种问题的解决方法。掌握铣削类工艺拟定的过程、工序的划分方法、工序顺序的安排和进给路线的确定等工艺知识，数控铣类数控系统的指令功能、动作内容和顺序，编制铣类数控加工程序的基本方法。,教学目的：,3,第4章数控铣床和加工中心加工工艺与编程,学习内容与知识点：,4,第4章数控铣床和加工中心加工工艺与编程,学习内容与知识点：,5,第4章数控铣床和加工中心加工工艺与编程,学习内容与知识点：,6,4.1数控铣床与加工中心的特点,中型,大型,小型,按重量分,卧式,立卧两用式,立式,按主轴布局形式分,三轴控制,多轴控制,两轴半控制,按控制坐标的联动轴数,高精度,普通精度,按加工精度分,4.1.1数控铣床与加工中心分类,7,图4-1立式加工中心布局图,1切屑槽2防护罩3刀库4换刀装置5主轴电动机6Z轴伺服电动机7主轴箱8支架座9数控柜10X轴伺服电动机11操作面板12主轴13工作台14切削液槽,4.1.1数控铣床与加工中心分类,8,图4-2卧式加工中心布局图1刀库2换刀装置3立柱4Y轴伺服电动机5主轴箱6主轴7数控装置8防护罩9工作台10切屑槽,4.1.1数控铣床与加工中心分类,9,（a）（b）图4-3立卧两用数控铣床,4.1.1数控铣床与加工中心分类,10,4.1.2数控铣床与加工中心的结构特点,1.数控铣床的结构特点（1）多坐标联动。（2）主传动简单。（3）在数控铣床的主轴套筒内一般都设有自动拉、退刀装置。（4）进给传动精度高。（5）采用滚动丝杠螺母传动和滚动导轨提高了传动效率，减小了机床磨损。,11,4.1.2数控铣床与加工中心的结构特点,2.加工中心的结构特点加工中心都设置有刀库和换刀机构。刀库容量少的有几把，多的几十至几百把。在加工过程中通过换刀机构自动更换刀具，还通过控制系统对刀具寿命进行管理，进一步增强了加工中心的功能。加工中心的刀库有盘式刀库和链式刀库之分。对于盘式刀库还分为有换刀机械手刀库和无换刀机械手刀库。有些加工中心具有多个工作台，工作台可自动交换，使装卸工件与机械加工同时进行。随着加工中心控制系统的发展，其智能化的程度也在不断提高。,12,4.1.3数控铣削的工艺特点,1三坐标数控铣床与加工中心三坐标数控铣床与加工中心的共同特点是除具有普通铣床的工艺性能外，还具有加工形状复杂的二维和三维复杂轮廓的能力。三坐标加工中心（无论是立式还是卧式），适于多工序集中，需要铣、钻、铰及攻螺纹等多工序加工的零件。加装数控分度转台后，可实现四面加工，若主轴方向可换，则可实现五面加工，因而能够一次装夹完成更多表面的加工，特别适合于加工复杂的箱体类、泵体、阀体、壳体等零件。,13,2四坐标数控铣床与加工中心四坐标是指在X、Y和Z三个平动坐标轴的基础上增加一个转动坐标轴（A或B），且四个轴一般可以联动。在结构布局上，转动轴既可以作用于刀具（刀具摆动型），也可以作用于工件（工作台回转摆动型）。机床既可以是立式的也可以是卧式的；转动轴既可以是A轴（绕X轴转动）也可以是B轴（绕Y轴转动）。,4.1.3数控铣削的工艺特点,14,3五坐标数控铣床与加工中心五坐标数控铣床和加工中心具有两个回转坐标，如图4-4所示是其中的一种类型。其运动合成可使刀具轴线的方向在一定的空间内（受机构结构限制）任意控制，从而具有保持最佳切削状态及有效避免刀具干涉的能力。因此，五坐标加工可以获得比四坐标加工更广的工艺范围和更好的加工效果，特别适宜于三维曲面零件的高效高质量加工以及异型复杂零件的加工。采用五轴联动对三维曲面零件的加工，可用刀具最佳几何形状进行切削，不仅加工表面粗糙度低，而且效率也大幅度提高。,4.1.3数控铣削的工艺特点,15,4.1.3数控铣削的工艺特点,图4-4五坐标数控铣床的坐标轴,16,4.2数控铣床与加工中心刀具,4.2.1常用铣刀种类及其工艺特点,1.面铣刀面铣刀主要用于面积较大的平面铣削加工。硬质合金面铣刀按刀片和刀齿安装方式的不同，可分为整体焊接式、机夹焊接式和可转位式三种（见图4-5）。,（a）整体式（b）机夹焊接式（c）可转位式图4-5硬质合金面铣刀,17,2.立铣刀立铣刀广泛用于铣削加工零件的内外轮廓、平面、台阶面、曲面、槽、型腔、肋板、薄壁等表面，立铣刀按端部切削刃的不同可分为过中心刃和不过中心刃两种。过中心刃立铣刀可直接轴向进刀，按螺旋角大小可分为30o、40o、60o等几种形式。按齿数可分为粗齿、中齿、细齿三种。立铣刀的圆柱表面和端面上都有切削刃，它们可同时进行切削，也可单独进行切削，其柄部有直柄、削平型直柄和莫氏锥柄三种。图4-6所示为莫氏锥柄结构。,4.2数控铣床与加工中心刀具,4.2.1常用铣刀种类及其工艺特点,图4-6立铣刀,18,（1）整体硬质金式立铣刀硬质合金立铣刀侧刃采用大螺旋升角（62o）结构，立铣刀头部的过中心端刃往往呈弧线（或螺旋中心刃）形、负刃倾角，增加切削刃长度，提高了切削平稳性、工件表面精度及刀具寿命。适应数控高速、平稳三维空间铣削加工技术的要求。（2）机夹式可转位立铣刀各类可转位立铣刀由可转位刀片（往往没有三维断屑槽形）组合而成侧齿、端齿与过中心端齿（均为短切削刃），可满足数控高速、平稳三维空间铣削加工技术要求。,立铣刀,19,立铣刀,（3）波形立铣刀结构如图4-7所示，其特点是：能将狭长的薄切屑变成厚面短的碎切屑，使排屑变得流杨；比普通立铣刀容易切进工件。在相同进给量的条件下，它的切削厚度比普通立铣刀要大些，并且减小了切削刃在工件表面的滑动现象，从而提高了刀具的寿命；与工件接触的切削刃长度较短，刀具不易产生振动；由于切削刃是波形的，因而使刀刃的长度增大，所以有利于散热。,图4-7波形立铣刀,20,3.球头立铣刀形球头立铣刀主要用于加工弧形沟槽和各种曲面。它的结构特点是球头或端面上布满切削刃，圆周刃与球头刃圆弧连接，可以作径向和轴向进给。铣刀工作部分用高速钢或硬质合金制造。国家标准规定直径d463mm。图4-8所示为球头铣刀。,图4-8球头立铣刀,21,4.键槽铣刀图4-9所示为键槽铣刀，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，可以实现垂直方向进刀。按国家标准规定，直柄键槽铣刀直径d=222mm，锥柄键槽铣刀直径d=1450mm。键槽铣刀直径的偏差有e8和d8两种。用键槽铣刀铣削键槽时，一般先轴向进给达到槽深，然后沿键槽方向铣出键槽全长。通常采用两步法铣削键槽，即先用小号铣刀粗加工出键槽，然后以顺铣方式精加工四周，可得到真正的直角，能获得最佳的精度。,图4-9键槽铣刀,22,5.鼓形铣刀图4-10所示是一种典型的鼓形铣刀，它的切削刃分布在半径为R的圆弧面上，端面无切削刃。鼓形铣刀多用来加工零件侧面为曲面的零件。如图4-11所示。,图4-10鼓形铣刀,图4-11鼓珙刀加工,23,6.成形铣刀图4-12是常见的几种成型铣刀，一般都是为特定工件或加工内容专门设计制造的，如角度面、凹槽、特形孔或台阶等。,图4-12成型铣刀,24,7.三面刃铣刀三面刀铣刀主要用于卧式铣床上加工沟槽、台阶面等。三面刃铣刀的圆周面上的切削刃为主切削刃，两端面上的切削刃为副切削刃。按刀齿结构可分为直齿、错齿和镶齿三种形式。图4-13所示是直齿三面刃铣刀在铣削台阶面的示意图。该铣刀结构简单，制造方便，但副切削刃前角为零度，切削条件差。该铣刀直径范围是50200mm，宽度440mm。,图4-13三面刃铣刀铣削台阶面,25,8.圆柱铣刀圆柱铣刀主要用于卧式铣床加工平面，一般为整体式，图4-14所示为加工平面示间图。该铣刀材料为高速钢，主切削刃分布在圆柱上，无副切削刃。该铣刀有粗齿和细齿之分。粗齿铣刀齿数少，刀齿强度大，容屑空间大，重磨次数多，适用于粗加工；细齿铣刀齿数多，工作较平稳，适用于精加工。圆柱铣刀直径范围为50100mm，齿数Z为614个，长度50160mm，螺旋角为3045。当螺旋角为零度时，螺旋刀齿变为直刀齿，目前生产上应用较少。,图4-14圆柱铣刀铣削平面,26,9.数控钻头钻头用于钻孔和扩孔等孔的粗加工。主要有整体式钻头：钻尖切削刃由对称直线型改进为对称圆弧型，以增长切削刃、提高钻尖寿命；钻芯加厚，提高其钻体刚度，用“S”型横刃（或螺旋中心刃）替代传统横刃，减小轴向钻削阻力，提高横刃寿命；采用不同顶角阶梯钻尖及负倒刃，提高分屑、断屑、钻孔性能和孔的加工精度；镶嵌模块式硬质（超硬）材料齿冠；油孔内冷却及大螺旋升角（小于或等于40o）结构等。最近研制出整体式细颗粒陶瓷（Si3N4）、Ti基类金属陶瓷材料钻头；机夹式钻头：钻尖采用长方异形专用对称切削刃，钻削力径向自成平衡的可转位刀片替代其他几何形状，以减小钻削振动，提高钻尖自定心性能、寿命和孔的加工精度。,27,10.数控铰刀铰刀用于孔的精加工。大螺旋升角（小于或等于45o）切削刃、无刃挤压铰削及油孔内冷却的结构是其总体发展方向，最大铰削孔径已达400mm。,28,11.镗刀镗刀用于孔的精加工。镗刀切削部分的几何角度和车刀、铣刀的切削部分基本相同。常用的有粗镗刀和精镗刀。图4-15所示为精镗刀，主要由镗刀杆、调整螺母、刀头、刀片、刀片固定螺钉、止动销、垫圈、内六角紧固螺钉构成。调整时，先松开内六角紧固螺钉，然后转动带游标刻度的调整螺母，就能准确地调整镗刀尺寸，从而能微量改变孔直径尺寸。,图4-15精镗刀,29,12.丝锥丝锥用于内螺纹加工。与螺纹种类相适应，各种直径的螺纹又有粗、细牙之分。数控机床上使用的是机用丝锥，为了安全可靠直径一般在M8M20之间。,30,13.复合（组合）孔加工数控刀具集合了钻头、铰刀、扩（饱）孔刀及挤压刀具的新结构、新技术，整体式、机夹式、专用复合（组合）孔加工数控刀具研发速度很快。采用镶嵌模块式硬质（超硬）材料切削刃（含齿冠）及油孔内冷却、大螺旋槽等结构是其目前发展趋势，如图4-16所示为几种复合刀具简图。,（a）钻-铰孔复合刀具,（b）钻-攻丝复合刀具,（c）钻-锪复合刀具,图4-16复合刀具,31,4.2.2铣削对刀具的基本要求,1.刀具的切削性能强国内外加工中心正向着高速、高刚性和大功率方向发展，要求刀具必须具有能够承受高速切削和强力切削的性能，而且一定要性能稳定，同一批刀具在切削性能和刀具寿命方面不得有较大差异。2.刀具的精度要求高（1）准确调整刀刃位置（包括轴向位置和径向位置），即刀具必须能够以快速简单的方法准确地预调到一个固定的几何尺寸。（2）尽可能短的结构长度，或尽可能短的夹持，来提高刀具刚性。（3）采取有效措施保持刀杆和装刀孔的清洁。（4）同一把刀具多次装入装刀孔时，刀刃位置应重复不变。（5）传递扭矩可靠，且要求平衡。（6）更换刀具迅速，且操作方便。,32,4.2.3铣削刀具的选择,1.刀具材料的选择要求刀具材料的硬度是被加工材料的24倍。表4-1给出了不同刀具材料的硬度值作为选择刀具材料的依据之一。在选择刀具材料时还要考虑被加工材料的类型。例如不同的硬质合金类型用于加工不同的金属材料。,33,2.立铣刀的选择（1）立铣刀头型的选择立铣刀包括端面立铣刀、球头立铣刀和R角立铣刀三种，其头形分别是直角、球头和圆弧。直角头又可分为带小倒角直角头与完全直角头（见图4-17）。直角头立铣刀主要用于加工槽（包括键槽）、侧平面、台阶面等。完全直角头用于壁薄加工时易发生振动，适用于加工出90清角时使用。球头立铣刀主要用于型腔，斜面、成形、仿形加工等。,图4-17立铣刀的头型,34,（2）立铣刀的周铣和端铣周铣是利用分布在立铣刀圆柱面上的刀刃来铣削并形成加工面，如图4-18（a）所示。用周铣方法加工平面的质量，主要取决于铣刀的圆柱度，因此在精铣平面时，要保证铣刀的圆柱度。端铣是利用分布在立铣刀端面上的刀刃来铣削而形成加工面，如图4-18（b）所示。用端刃铣削方法加工平面的质量，主要决定于铣床主轴轴线与进给方向的垂直度。若主轴轴线与进给方向垂直，则刀尖旋转时的轨迹（圆环）与进给方向平行，就能切出一个平面，刀纹呈网状。若主轴轴线与进给方向不垂直，则会切出一个弧形凹面，刀纹呈单向弧形，铣削时会发生单向拖刀现象。1）端铣同时工作的刀齿比周铣多，切屑厚度变化小，故切削力波动小，工作比较平稳。2）端铣刀的刀轴一般比周铣短，故刚性好，能承受较大的铣削力。采用高速铣削时，生产效率高，加工质量好。3）端铣可采用较高的铣削速度和较大的进给量。周铣的铣削深度比端铣大。4）一般来说，在相同铣削用量的条件下，周铣比端铣获得的表面粗糙度值要小。,35,（a）周铣（b）端铣图4-18立铣刀周铣与端铣,36,（3）立铣刀刃齿数、螺旋角、分屑槽的选择1）齿数的选择常用的立铣刀刃齿一般有2齿、3齿、4齿、6齿。一般刃齿数少的用于粗加工、切槽，刃齿数多的用于半精加工、精加工、切浅槽。2）螺旋角的选择螺旋刃加工切入工件时，刀刃上某点其受力位置随刀具回转而变化，作用在刀刃上的切削力垂直于螺旋角方向，并分解为垂直分力与进给分力，使刀具弯曲的进给分力减小了，故侧璧面加工精度好。螺旋角的选择，与切削振动、磨损、加工精度有关，一般螺旋角大好些。但是螺旋角过大，垂直于刀具的分力就大，就不适合加工刚性差的工件。还有切屑排出性也变差了。碳素钢、合金钢、预硬钢、铸铁、铝合金、纯铜和塑料等加工首先推荐用45螺旋角，其次推荐30螺旋角。钦合金、镍合金、不锈钢等难切削材料和高硬度钢加工推荐用60螺旋角。,37,3）分屑槽铣刀如图4-19所示为玉米铣刀或分屑式立铣刀，这是带有分屑槽的粗加工立铣刀，由于切屑被碎断，切削力很低。它通常是46齿，螺旋角一般为2030，分屑节距有粗有细。还有特殊形状的，前角一般为6，可以加大背吃刀量，从而提高粗加工的切削效率。这种刀具特别适用于工件刚性差（薄壁），不能承受大夹紧力工件的加工，适用于机床刚性差，转数不能高，但想加大背吃力量来提高效率时，也适用铝、铜等材料的高效粗加工。,图4-19带分屑槽的粗加工立铣刀,38,（4）立铣刀直径和长度的选择1）铣内凹轮廓时，铣刀半径R应小于内凹轮廓面的最小曲率半径，一般取R=（0.80.9）；铣外凸轮廓时，铣刀半径尽量选得大些，以提高刀具的刚度和耐用度。同时为保证刀具足够的刚度，零件的加工厚度B（1/41/8）R。2）粗加工内凹轮廓面时，铣刀最大直径D粗可按公式（4-1）进行估算，如图4-20所示。,（4-1）,39,图4-20粗加工刀具直径计算,3）对不通凹槽或孔的加工，选取刀具的l=H+（510）mm，其中l为切削部分长度，H为零件的加工厚度。4）对通槽或外形的加工，选取l=H+r+（510）mm，其中r为刀尖圆角半径。,40,3.面铣刀的选用面铣刀广泛用于粗加工时的重切削和精加工的高速切削。选择面铣刀时主要注意以下几何参数。（1）前角选择前角是刀具进入工件的切入角。通常，正前角可以可以降低切削力，减少切削热，应用广泛，尤其适用于小功率铣床。当铣削硬度较高材料时，要求较高的切削刃强度，负前角类型的刀片更好，尤其适用于短屑铸铁件加工。（2）主偏角的选择铣刀的主偏角是由刀片和刀体形成的，主偏角对径向切削力和切削深度影响很大。径向切削力的大小直接影响切削功率和刀具的抗振性能。铣刀的主偏角越小，其径向切削力越小，抗振性也越好，但切削深度也随之减小。可转位铣刀的主偏角有90o、88o、75o、70o、60o、45o等几种。,41,主偏角对切削力的影响如图4-21所示。,图4-21主偏角对切削力的影响,42,（3）刀片形状与数量的选择刀片开头根据切削要求可分为：轻型切削槽形具有锋利的正前角，用于切削平稳、低进给率、低机床功率、低切削力的场合。普通槽形具有用于混合加工（粗精加工）的负前角，中等进给率。重型槽形用于高进给率加工，安全性能最高。刀齿密度对操作稳定性具有低、中、高之分，当机床功率较小、小型机床、长时间加工时选用疏齿；普通铣削或混合加工优先选用密齿；对铸铁、耐热材料等工件为了获得最大的生产效率，可选用超密齿。,43,（4）面铣刀直径选择1）最佳面铣刀直径（D）应根据工件切削宽度来选择，D1.31.5WOC（切削宽度）。2）如果机床功率有限或工件太宽，应根据两次走刀或依据机床功率来选择面铣刀直径，当铣刀直径不够大时，选择适当的铣加工位置也可获得良好的效果。一般可按WOC=3/4D选择（如图4-22所示）。在机床功率满足加工要求的前提下，可以根据工件尺寸，主要是工件宽度来选择铣刀直径，同时也要考虑刀具加工位置和刀齿与工件接触类型等。一般说来，面铣刀的直径应比切削宽度大20%50%；如果是三面刃铣刀，推荐切深是最大切深的40%，并尽量使用顺铣以利于提高刀具寿命。,44,图4-22面铣刀直径选择,45,4刀具的管理在加工中心或FMS上刀具的管理主要有以下四种方法：（1）一种工件采用一组刀具该方法是对要加工的不同种类的工件，各准备一组刀具。当一种工件加工完毕后，将机床刀库上所有刀具取下送回库房。加工另外一种工件时，再换上另一组刀具，这种方法管理简单。（2）部分刀具更换及部分刀具共用在加工完一种工件后，保留一部分与下一种工件共用的刀具，而将其余的专用刀具从刀库中卸下，再装上一部分不共用的刀具，加工下一种工件。因为不同的工件共用一部分刀具，所以这种方法减少了刀具的存储总量。（3）数种工件使用同一组刀具按成组技术相似性原理选出数种相似性工件，把这组工件所使用的全部刀具作为一组。成组的刀具都安放在刀库中，因而需要机床刀库容量大。一般要求能容纳80140把刀具。（4）所有刀具为一组机床所共用上述三种方法均只考虑了台加工中心的情况，假定按计划加工多种不同的工件，在实际生产中常会发生各种意外的情况。例如机床故障或材料发生问题等，以至必须临时改变加工计划。此时需要一个较有弹性的系统来适应这些意外的情况。这时可将同组刀具分布在一组加工中心的刀库中，彼此共用。而每一台机床均具有相同的功能，可以完成任一种零件的加工。,46,4.2.4工具系统,1.刀柄外形与结构如图4-23所示。为常用的刀柄与主轴孔的配合锥面一般采用7:24的锥度，这种锥柄不自锁，换刀方便，有较高的定心精度和刚度。为了保证刀柄与主轴的配合与连接，刀柄与拉钉的结构和尺寸均已标准化和系列化，在我国应用最为广泛的是BT4O和BT5O系列刀柄和拉钉。BT表示采用日本标准MAS403的刀柄系列，其后数字40和50分别代表7:24锥度的大端直径69.85和44.45，BT40刀柄与拉钉尺寸如图4-24所示。,（a）刀柄的作用（b）BT系列刀柄（c）ANSI系列刀柄图4-23刀柄的结构和规格,47,（a）BT40刀柄尺寸（b）拉钉尺寸图4-24BT40刀柄与拉钉尺寸图,48,图4-26按夹持方式分类的刀柄,49,（1）工具系统型号我国工具系统型号表示方法如下：,其中、项表示的含义分别是：项表示柄部型式及尺寸。其中JT或BT表示采用国际标准ISO7388号（或日本标准MAS403号）加工中心机床用锥柄柄部（带机械手夹持槽），其后数字为相应的ISO锥度号，如50和40分别代表大端直径为69.85和44.45的7：24锥度，刀柄大端直径越大，则刚性越好。项表示刀柄用途及主参数。XS表示三面刃铣刀刀柄，用途后的数字表示工具的工作特性，其含义随工具不同而异，本例表示铣刀内孔直径。由于加工中心要适应多种型式零件不同部位的加工，故工具装夹部分的结构、形式、尺寸也是多种多样的。将通用性较强的几种装夹工具系列化、标准化就是通常说的工具系统。工具系统的用途和代号如表4-3所示。项表示工作长度。同一类型的工具系统可以有多种工作长度。,50,表4-2工具柄部型式代号,51,表4-3工具系统的用途代号及规格,52,（续表）,53,4.2.5高速铣削及其工具系统,高速加工要求确保高速下主轴与刀具联结状态不能发生变化。但是，高速主轴的前端锥孔由于离心力的作用会膨胀，膨胀量的大小随着旋转半径与转速的增大而增大，而标准的7：24实心刀柄尺寸不变，因此标准锥度联结的刚度会下降，在拉杆拉力的作用下，刀具的轴向位置会发生改变（见图4-27）。,4-27在高速离心力作用下主轴膨胀,54,1.HSK刀柄HSK（德文Hohlschaftkegel缩写）刀柄，是德国阿亨（Aachen）工业大学机床研究所在20世纪90年代初开发的一种双面夹紧刀柄，这种结构是专为高速机床主轴开发的一种刀轴联结结构，已被DIN标准化。HSK短锥刀柄采用1:10的锥度，锥柄部分采用薄壁结构，锥度配合的过盈量较小，对刀柄和主轴端部关键尺寸的公差要求特别严格。拉杆通过楔形结构对刀柄施加轴向力（如图4-28（b）所示）。,（a）一面约束（b）两面约束（HSK）图4-28刀柄和主轴约束方式,55,2.热装刀柄该工具系统的装夹原理是用感应加热等方法将刀柄加热，当温度达到315425C时，使负公差的刀柄内径充分扩大到刀具柄部能插入的程度时，将刀具柄部插入内孔，然后冷却刀柄，靠刀柄冷却收缩以很大的夹紧力同心地夹紧刀具。热装（热压配合）刀具具有径向跳动小、夹紧力大且稳定可靠、刚性好等优点，非常适合高精切削加工。使用热装刀具可获得高精度和表面粗糙度优良的产品，可延长刀具的使用寿命，显著提高加工效率，深受用户欢迎。但是，热装刀具要求使用专用装置。,56,图4-29液压刀柄图,3.液压刀柄油压夹头能够提供足够的刚性和动平衡，并能使刀具柄部与夹头的轴心成一直线。油压夹头的特点是，其内有较薄的套，此套在油压作用下传递压力并能实现刀具夹紧（如图4-29所示）。带薄壁内套的油压夹头用于夹持焊接刀具有时会发生破损的情况，油压夹具只能夹持圆柄刀具，不适合夹持非圆柄刀具。,57,4.3数控铣床与加工中心的常用夹具,在选择夹具时通常需要考虑产品的生产批量、生产效率、质量保证及经济性。具体选用时可参考下列原则：（1）在生产量小或研制产品时，应广泛采用通用或组合夹具，只用在组合夹具无法解决时才考虑采用其他夹具。（2）小批量或成批生产时可考虑采用专用夹具，但夹具结构应尽量简单。（3）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。,58,4.3.1通用夹具,1.螺钉压板将被加工零件直接放在工作台上（或通过垫铁放在工作台上），利用T形槽、螺栓和压板将工件固定在机床工作台上。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。图4-30是利用压板和螺钉装夹零件的示意图。,图4-30用压板螺钉装夹工件示意图1-工件2-工作台3-压板4-螺钉5-垫铁6-螺母,59,2.机用平口钳铣削形状比较规则的零件时常用平口钳装夹。当加工一般精度和夹紧力要求的零件时常用机械式钳口移动夹紧工件。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4-31（b）所示。平口钳在数控铣床工作台上安装时，通过百分表表调整固定钳口与X或Y轴的平行度，零件夹紧时要注意控制零件件变形和活动钳口的上翘。,（a）机械式平钳（b）液压式平口钳1-钳体2-固定钳口3-活动钳口4-活动钳身1-活动钳口2-心铀3-钳口5-丝杠方头6-底座7-定位键8-钳体零线4-活塞5-弹簧6-油路图4-31机用平口钳,60,3.铣床用卡盘如图4-32所示是在铣床上使用的三爪夹盘和四爪夹盘。在数控铣床上加工回转体零件时，可以采用三爪卡盘装夹零件，对于非回转零件可采用四爪卡盘装夹。,图4-32铣床用卡盘,61,4.3.2专用夹具,专用夹具是针对某一类零件设计、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，目的缩短装夹时间。图4-33所示表示铣削某一零件上表面时无法采用通用夹具，故用V型槽和压板结合做成了一个专用夹具。,图4-33用专用夹具铣平面,62,4.3.3组合夹具,组合夹具是由一套结构已经标准化，尺寸已经规格化的标准元件构成。标准元件有不同的形状、尺寸和规格，应用时可以按工件的加工需要组成各种功用的夹具。组合夹具的主要特点是元件可以长期重复使用，结构灵活多样。,图4-34槽系组合夹具1-基础件2-支承件3-定位件4-导向件5-夹紧件6-坚固件7-其他件8-组合件,63,组合夹具有槽系组合夹具和孔系组合夹具。图4-34是一个槽系组合夹具的例子。图4-35是孔系组合夹具。,图4-35孔系组合夹具,64,4.3.4气动和液压夹具,气动和液动夹具适合生产批量较大，采用其他夹具又特别费工、费力的场合，能减轻工人劳动强度和提高生产率，但其结构较复杂，造价往往很高，而且制造周期较长。图4-36所示是气动夹盘。,图4-36气动卡盘,65,4.3.5回转工作台,1.分度工作台分度工作台只能完成分度运动，即回转工作台回转时不能切削加工。它是按照数控系统的指令，在需要分度时将工作台连同工件回转一定的角度。分度时也可以采用手动分度。分度工作台一般只能回转规定的角度（如90、60和45等）。2.数控回转工作台图4-37所示为数控加工转工作台，数控回转工作台外观上与分度工作台相似，但内部结构和功用却大不相同。可以实现连续分度，并且在回转过程中可以进行切削加工。数控回转工作台的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，也可以进行分度工作。数控回转工作台可以使数控铣床和加工中心增加一个或两个回转坐标，通过数控系统实现四坐标或五坐标联动，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B坐标运动。数控立式铣床一般采用圆形回转工作台，安装在机床工作台上，可以实现A、B或C坐标运动。,66,图4-37数控回转工作台,67,4.3.6成组夹具,成组夹具是随成组加工工艺的发展而出现的。使用成组夹具的基础是对零件的分类（即编码系统中的零件族）。通过工艺分析，把形状相似、尺寸相近的各种零件进行分组，编制成组工艺，然后把定位、夹紧和加工方法相同的或相似的零件集中起来，统筹考虑夹具的设计方案。对结构外形相似的零件，采用成组夹具，可以减少夹具数量、提高经济效益。,68,4.3.7真空夹具,适用于有较大定位平面或具有较大可密封面积且不能实施机械夹紧的被加工零件。有的数控铣床（如壁板铣床）自身带有通用真空平台，在安装工件时，对形状规则的矩形毛坯，可直接用特制的橡胶条（有一定尺寸要求的空心或实心圆形截面）嵌入夹具的密封槽内，再将毛坯放上，开动真空泵，就可以将毛坯夹紧。对形状不规则的毛坯，可以采用特制的过渡真空平台，将其叠加在通用真空平台上使用。,69,4.4数控铣床和加工中心加工工艺分析,1.平面类零件加工面平行、垂直于水平面或加工面与水平面的夹角为定角的零件称为平面类零件。根据定义，图4-38所示的三个零件都属于平面类零件。目前，在数控铣床上加工的绝大多数零件属于平面类零件。,（a）平面轮廓（b）斜平面（c）正圆台和斜筋图4-38典型的平面类零件,4.4.1数控铣削的适应对象,70,2.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，这类零件多数为飞机零件，此外还有检验夹具与装配型架等。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。如图4-39所示为飞机上的一种变斜角梁缘条，该零件在第2肋至第5肋的斜角从3度10分均匀变化为2度32分，从第5肋至第9肋再均匀变化为1度20分，从第9肋到第12肋又均匀变化至0度。,图4-39变斜角梁缘条,71,加工变斜角面的常用方法主要有3种：（1）用四坐标联动的数控铣床（X、Y、Z、A）加工，刀具使用圆柱铣刀，运用直线插补方式摆角加工。这种方法适用于曲率变化较小的变斜角面，当工件斜角过大，超过铣床主轴摆角范围时，可用角度成型刀加以弥补。（2）用五坐标联动的数控铣床（X、Y、Z、A、B或C），运用圆弧插补方式摆角加工。这种方法适用于曲率变化较大的变斜角面，这时用四坐标联动、直线插补的方法难以满足加工要求。（3）用三坐标数控铣床进行2.5坐标加工，刀具使用球头铣刀和鼓形铣刀，运用直线或圆弧插补的方式分层铣削，所留刀残痕用钳修的方法加以清除。图4-40是用鼓形刀铣削变斜角面的情况。由于鼓形刀的鼓径可以做得比较大，要比球头刀的球径大，所以加工后的迭刀刀峰较小，加工效果比球头刀好。球头刀只能加工大于90度的开斜角面，而鼓形刀可以加工小于90度的闭斜角面。,72,图4-40用鼓形刀分层铣削变斜角面图4-412.5坐标行切加工曲面示意图,73,3.曲面类零件加工面为空间曲面的零件称为曲面类零件。这类零件的特点是加工面不能展开为平面，加工过程中曲面与铣刀始终为点接触。此类零件一般采用三坐标数控铣床加工，刀具通常使用球头铣刀以避免由于干涉铣伤邻近表面。加工曲面的常用方法有2种：（1）采用三坐标数控铣床进行二坐标联动的2.5坐标加工。加工时只有两个坐标联动，另一个坐标按一定行距周期性进给。对于不太复杂的空间曲面的加工常用此法，图4-41是对曲面进行2.5坐标行切加工的示意图。（2）采用三坐标数控铣床进行三坐标联动的方法加工空间曲面。加工时通过X、Y、Z三坐标联动完成空间直线插补。对于较复杂空间曲面的加工常用此法。,74,4.4.2加工中心的主要加工对象,1.箱体类零件箱体类零件一般是指具有一个以上孔系，内部有型腔，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及平面加工，公差要求较高，特别是形位公差要求较为严格，通常要经过铣、钻、扩、镗、铰、锪，攻丝等工序，需要刀具较多，在普通机床上加工难度大。加工箱体类零件时，当加工工位较多，需工作台多次旋转角度才能完成的零件，一般选卧式镗铣类加工中心。当加工的工位较少，且跨距不大时，可选立式加工中心加工。箱体类零件的加工方法主要有以下几种：（1）当既有面又有孔时，应先铣面，后加工孔；（2）所有孔系都先完成全部孔的粗加工，再进行精加工；（3）一般情况下，直径大于30的孔都应铸造出毛坯孔。在普通机床上先完成毛坯粗加工，给加工中心工序的留量为46mm（直径），再上加工中心进行精加工。通常分“粗镗-半精镗-孔端倒角-精镗”四个工步完成；（4）直径小于30的孔可以不铸出毛坯孔，全部加工都在加工中心上完成。可分为“锪平端面-打中心孔-钻-扩-孔端倒角-铰”等工步。有同轴度要求的小孔（30），须采用“锪平端面-打中心孔-钻-半精镗-孔端倒角-精镗（或铰）”等工步来完成；（5）在孔系加工中，先加工大孔，再加工小孔，特别是在大小孔相距很近的情况下，更要采取这一措施；（6）对于跨距较大箱体的同轴孔加工，尽量采取调头加工的方法，以缩短刀辅具的长径比，增加刀具刚性；（7）螺纹加工。一般情况下，M6以上、M20以下的螺纹孔可在加工中心上完成螺纹攻丝。因加工中心的自动加工方式在攻小螺纹时，不能随机控制加工状态，小丝锥容易折断，M6以下的螺纹可在加工中心上完成底孔加工，再通过其他手段攻螺纹。M20以上的大螺纹可采用铣削或镗削加工完成。,75,2.复杂曲面复杂曲面在机械制造业，特别是航空、航天工业中占有特殊重要的地位。复杂曲面类零件如：各种叶轮，导风轮，球面，各种曲面成形模具，螺旋桨以及水下航行器的推进器，以及一些其它形状的自由曲面。这类零件均可用加工中心进行加工。比较典型的下面几种：（1）凸轮、凸轮机构作为机械式信息贮存与传递的基本零件，被广泛地应用于各种自动机械中，加工这类零件可根据凸轮的复杂程度选用三轴、四轴联动或选用五轴联动的加工中心。（2）整体叶轮类整体叶轮除具有一般曲面加工的特点外，还存在通道狭窄、容易产生刀具对邻近曲面的干涉以及加工面本身的干涉等难点。加工这样的型面，采用四轴以上联动的加工中心才能完成。（3）模具类如注塑模具、橡胶模具、真空成形吸塑模具、精密铸造模具等。采用加工中心加工模具，由于工序高度集中，动模、静模等关键件的精加工基本上是在一次安装中完成全部机加工内容，可减少尺寸累计误差，减少修配工作量。（4）球面可采用加工中心铣削。三轴铣削只能用球头铣刀作逼近加工，效率较低，五轴铣削可采用端铣刀作包络面来逼近球面。,76,3.异形件异形件是外形不规则的零件，大都需要点、线、面多工位混合加工，如一些支架、泵体、靠模等。异形件的刚性一般较差，夹压变形难以控制，加工精度也难以保证。用加工中心加工时应采用合理的工艺措施，一次或二次装夹，利用加工中心多工位点、线、面混合加工的特点，完成多道工序或全部的工序内容。,77,4.盘、套、板类零件这类零件带有键槽、或径向孔、或端面有分布的孔系。如各种电机端盖，端面有分布孔系。曲面的盘类零件宜选择立式加工中心，有径向孔的可选卧式加工中心。推荐下列加工内容用数控铣削方法完成：（1）工件上的曲线轮廓内、外形，特别是由数学表达式给出的非圆曲线与列表曲线等曲线轮廓；（2）已给出数学模型的空间曲面；（3）形状复杂、尺寸繁多、划线与检测困难的部位；（4）用通用铣床加工时难以观察、测量和控制进给的内外凹槽；（5）以尺寸协调的高精度孔或面；（6）能在一次安装中完成铣削的表面或形状；（7）采用数控铣削后可成倍提高生产效率、减轻劳动强度的加工内容。,78,4.4.3数控铣床加工工艺分析,1.零件图的工艺性分析在制订数控铣削工艺时，首先要对被加工零件进行工艺分析，根据零件图纸对零件的要求确定工艺规程、确定装夹方法、选择机床、刀具等。（1）零件的结构工艺性对零件图进行数控铣削工艺分析时应考虑以下几个要点。1）图纸尺寸的标注方法是否正确。2）尽量统一零件轮廓内圆弧的有关尺寸。以尽量减少铣刀规格与换刀次数。3）内槽及缘板之间的内转接圆弧是否过小。一般来说，当（为被加工轮廓面的最大高度）时，可以判定为零件该部位的工艺性不好。4）零件铣削面的槽底圆角或腹板与缘板相交处的圆角半径r是否太大。如图4-43所示，当r越大，铣刀端刃铣削平面的能力越差，效率也越低；当r大到一定程度时甚至必须用球头刀加工，这是应当尽量避免的。5）零件上有无统一基准以保证两次装夹加工后其相对位置的正确性。6）分析零件的形状及原材料的热处理状态，考虑零件在加工过程中是否会发生变形，哪些部位最容易变形并采取一些必要的工艺措施进行预防。,79,图4-42缘板高度及内转接圆弧对图4-43零件底面圆弧对铣削工艺性的影响零件铣削工艺性的影响,80,图4-44必须两次安装加工的零件,图4-45增加毛坯工艺凸台示例,81,2.零件毛坯的工艺性分析从以下几个方面进行毛坯工艺性分析：1）毛坯的加工余量是否充分并均匀在毛坯制造时，由于产生误差造成余量不均匀，甚至导致有的加工面余量不足。如果采用分层切削，一般尽量做到余量均匀，以减少内应力导致的变形。2）分析毛坯在安装定位方面的适应性主要分析加工毛坯时在安装定位方面的可靠性，以便数控铣削时在一次安装中加工出尽可能多的待加工面。如图4-45所示的工件，因定位安装面小造成装夹困难，设计毛坏时在定位面一侧增加工艺凸台就可以较好地解决装夹问题了。图4-46是为了定位和夹紧在零件上增加了三个工艺凸耳。,82,图4-46增加工艺凸耳例,83,3.走刀路线的确定在加工过程中，每道工序的加工路线对于提高加工质量和保证零件的技术要求都是非常重要的，它与零件的加工精度和表面粗糙度有直接的关系。所谓加工路线（或称进给路线）指加工过程中刀具相对于被加工零件的运动轨迹。确定加工路线就是确定刀具运动的轨迹。加工路线不仅包括切削时的刀具轨迹，还包括刀具到位、对刀、退刀和换刀等一系列过程的刀具运动路线。确定加工路线的原则主要有下列几点：1）使被加工零件获得良好的加工精度和表面质量；2）使数值计算容易，减少程编工作量；3）使进给路线最短，减少程序段数，缩短空走刀时间。,84,在确定进给路线时应首先考虑刀具如何切入工件。刀具切入方有法向切入、切向切入和任意向切入三种方法。法向切入在零件的切入点易留下切削痕迹，故推荐使用切向切入和任意向切入方法。对于二维内外轮廓的铣削，要安排刀具从切向切入。当轮廓加工完后，要安排一段沿切线方向退刀，以避免在零件的切入点和退出点留下接刀痕。图4-47所示为铣削外圆可采取的进给路线，切向进、退刀采取的是直线段。而对于内轮廓的加工，其切向进、退刀可采用圆弧段。图4-48所示为铣削内圆可采取的进给路线，切向进、退刀采取的是圆弧段。,85,图4-47铣削外圆的走刀轨迹图4-48铣削内圆的走刀轨迹,86,此外，在铣削加工零件轮廓时，要考虑尽量采用顺铣加工方式，这样可以提高零件表面质量和加工精度，减少机床的“颤振”。进、退刀位置尽可能选在不太重要的位置。,87,用立铣刀铣削内表面轮廓时，切入和切出都无法外延，这时铣刀只有沿工件轮廓的法线方向切入和切出，并将其切入点和切出点选在工件轮廓两几何元素的交点处。但是不同的进给路线会带来不同的加工结果。图4-49所示为加工内槽的三种进给路线。图4-49中的（a）和（b）分别表示用行切法（即刀具与工件轮廓的切点轨迹在垂直于刀具轴线平面内的投影为相互平行的迹线）和环切法（即刀具与工件轮廓的切点轨迹在垂直于刀具轴线平面内的投影为一条或多条环形迹线）加工凹槽的进给路线。两种走刀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，同时尽量减少了重复走刀的搭接量。但是行切法将在每两次走刀的起点与终点间留下残留高度而达不到要求的表面粗糙度。而环切法从数值计算的角度看，其刀位点计算稍为复杂，需要逐次向外扩展轮廓线，而且从走刀路线的长短比较，环切法也略逊于行切法。图c则表示先用行切法最后环切一刀精加工轮廓表面，这样光整了轮廓表面而获得较好的效果。因此这三种方案中，图（c）代表的方案最佳。,88,（a）（b）（c）图4-49凹槽铣削加工的进给路线（图中：1-工件凹槽轮廓2-铣刀）（a）行切法（b）环切法（c）先行切后环切,89,三坐标曲面加工通常采用行切法，即通过刀具沿各切削行的运动，近似包络出被加工曲面，如图4-50所示。两相邻切削行刀具轨迹或刀具接触点路经之间的距离称为进给行距，行距的大小直接影响曲面加工质量和效率。行距过小将使加工时间成倍增加，同时还导致零件程序的膨胀；行距过大则表面残余高度增大，后续处理工作量加大，整体效率降低。影响三坐标加工进给行距的主要因素包括：刀具形状与尺寸、零件表面几何形状与安装方位、进给方向及允许的表面残余高度等。,90,91,图4-51所示参数曲面，可采取的三种进给路线，即沿平行Y轴方向进给、沿平行X轴方向进给和环切进给。参数线进给的特点是，刀具轨迹的规划和刀位计算简单，适合于参数线分布较均匀的情况。例如图4-51（a）与图4-51（b）的刀具轨迹分布较均匀，与截面线型刀具轨迹基本相当，因而具有较高的加工效率与代码质量。图4-51（c）所示环切方案的编程相对麻烦，主要应用于边界受限制的零件。如型腔类零件的加工。在加工螺旋桨桨叶等类零件时，由于零件刚度小，加工变形问题突出，采用从里到外的环切，刀具切削部位的四周可得到毛坯刚性边框的支持，有利于减小加工过程中的变形。当零件的边界开敞时，为保证加工的表面质量，应从零件的边界进刀和退刀。,92,（a）（b）（c）图4-51曲面加工走刀路线（a）Y方向行切（b）X方向行切（c）环切,93,铣削加工中采用顺铣还是逆铣，对加工后表面粗糙度也有影响。一般来说，由于数控机床传动采用滚珠丝杠，其运动间隙很小，并且顺铣优点多于逆铣，所以应尽可能采用顺铣。对于铝镁合金、钛合金和耐热合金等材料来说，建议也采用顺铣加工，这对于降低表面粗糙度值和提高刀具耐用度都有利。但如果零件毛坯为黑色金属锻件或铸件，表皮硬而且余量一般较大，这时采用逆铣则较为有利。,94,4.4.4加工中心的工艺规程设计,1.数控加工工序的划分（1）工序划分的原则数控加工工序划分的原则与普通机械加工类似，但也有其自身特点，通常坚持以下原则：1）工序集中原则。在数控机床上加工较复杂的工序内容，可以减少零件的装夹次数。2）先粗后精原则。先粗加工，后精加工；考虑到粗加工时零件产生的变形需要一定时间恢复，粗加工后不宜接着安排精加工；当数控机床的精度能满足零件的设计要求时，可将粗精加工一次完成。3）基准先行原则。在安排工序时，应首先安排零件粗精加工时要用到的定位基准面或基准孔等。4）先面后孔原则。在零件上既有面加工，又有孔加工时，一般采用先加工面，后加工孔的工序划分原则，以提高孔的加工精度。,95,（2）工序划分的方法1）以一次安装、加工作为一道工序。这种方法适于加工内容不多的零件，加工完成后就能达到待检状态。2）以同一把刀具加工的内容划分工序。有些零件虽然能在一次安装加工多个表面，但会导致程序太长。程序长度会受到系统内存容量、机床连续工作时间（一个零件在一个工作班内应该加工完毕）、查错和检索等的限制。因程序不宜太长，一道工序的内容也不宜太多。3）以加工部位划分工序。对于加工内容很多的零件，按其结构特点将加工部位分成几个部分，如内形、外形、曲面或平面等。一般先加工平面、定位面，后加工孔；先加工简单的几何形状，再加工复杂的几何形状；先加工精度要求较低的部位，再加工精度要求较高的部位。4）以粗、精加工划分工序。对于易发生变形的零件，为减小加工后的变形，一般先进行粗加工，后进行精加工，并将粗、精加工工序分开。5）先主后次。即先加工主要表面，然后加工次要表面。6）如一次装夹进行多道加工工序时，则应考虑把对工件刚度削弱较小的工序安排在先，以减小加工变形。7）先内形内腔加工，后外形加工。,96,（3）工步的安排在加工中心上加工零件，一般都有多个工步，使用多把刀具，因此加工顺序安排得是否合理，直接影响到刀具数量、加工精度、加工效率和经济效益。下面以加工中心为例来说明工步划分的原则。1）同一表面按粗加工、半精加工、精加工依次完成，或全部加工表面按先粗后精分开进行。2）对于既有面又有孔的零件，可以采用“先面后孔”的原则划分工步。先铣面可提高孔的加工精度。因为铣削时切削力较大，工件易发生变形，而先铣面后镗孔，则可使其变形有一段时间恢复，减少由于变形引起的对孔的精度的影响。反之，如先镗孔后铣面，则铣削时极易在孔口产生飞边、毛刺，从而破坏孔的精度。3）按所用刀具划分工步。某些机床工作台回转时间比换刀时间短，可采用刀具集中工步，以减少换刀次数，减少辅助时间