数控机床故障诊断与维修 第2版 教学课件 作者 王爱玲第6章数控铣床加工工艺

2023年2月24日数控机床加工工艺1

2013年7月《数控机床加工工艺》

电子教案主编：王爱玲副主编：李清景海平联系方式：wal@

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地址：中北大学机械工程与自动化学院邮编：0300512023年2月24日数控机床加工工艺2第6章数控铣床加工工艺6.1数控铣床加工工艺概述

6.2数控铣床加工工艺分析6.3数控铣削加工工序设计6.4典型零件的数控铣削工艺分析与程序编制2023年2月24日数控机床加工工艺36.1.1数控铣床简介1.数控铣床的分类数控铣床种类很多，按其控制坐标的联动轴数可分为二轴半联动、三轴联动和多轴联动数控铣床等。按主轴布置形式分为：立式数控铣床、卧式数控铣床、立卧两用数控铣床。按数控系统的功能分为：经济型数控铣床、全功能数控铣床、高速铣削数控铣床。2023年2月24日数控机床加工工艺4图6-1立式升降台铣床图6-2龙门式铣床图6-6高速铣削数控铣床图6-3卧式数控铣床2023年2月24日数控机床加工工艺52.数控铣床的结构如图6-7所示，数控铣床一般由数控系统、主传动系统、进给伺服系统、冷却润滑系统等几大部分组成：1）主轴箱包括主轴箱体和主轴传动系统，用于装夹刀具并带动刀具旋转，主轴转速范围和输出扭矩对加工有直接的影响。2）进给伺服系统由进给电机和进给执行机构组成，按照程序设定的进给速度实现刀具和工件之间的相对运动，包括直线进给运动和旋转运动。3）控制系统数控铣床运动控制的中心，执行数控加工程序控制机床进行加工。4）辅助装置如液压、气动、润滑、冷却系统和排屑、防护等装置。2023年2月24日数控机床加工工艺6图6-7数控铣床结构5）机床基础件通常是指底座、立柱、横梁等，它是整个机床的基础和框架。6）工作台2023年2月24日数控机床加工工艺76.1.2数控铣床加工的主要对象数控铣床是主要采用铣削方式加工工件的数控机床。它能够进行外形轮廓铣削、平面或曲面型铣削及三维复杂型面的铣削，如凸轮、模具、叶片、螺旋桨等。另外，数控铣床还具有孔加工的功能，通过特定的功能指令可进行一系列孔的加工，如钻孔、扩孔、铰孔、镗孔和攻丝等。2023年2月24日数控机床加工工艺8图6-8典型的平面类零件图6-10数控铣削叶轮图6-9飞机上的变斜角梁缘条2023年2月24日数控机床加工工艺96.1.3数控铣床加工工艺的基本特点及主要内容1.数控铣床加工工艺的基本特点2.数控铣床加工工艺的主要内容：（1）选择适合在数控铣床上加工的零件，确定工序内容；（2）分析被加工零件的图纸，明确加工内容及技术要求；（3）确定零件的加工方案，制定数控铣削加工工艺路线。如划分工序、安排加工顺序，处理与非数控加工工序的衔接等；（4）加工工序的设计。如选取零件的定位基准、夹具方案的确定、工步划分、刀具选择和确定切削用量等；（5）数控铣削加工程序的调整。如选取对刀点和换刀点、确定刀具补偿及确定加工路线等。2023年2月24日数控机床加工工艺10第6章数控铣床加工工艺6.1数控铣床加工工艺概述6.2数控铣床加工工艺分析6.3数控铣削加工工序设计6.4典型零件的数控铣削工艺分析与程序编制2023年2月24日数控机床加工工艺116.2.1数控铣床加工零件的工艺性分析主要内容包括产品的零件图样分析、零件结构工艺性分析与零件毛坯的工艺性分析等内容。1.零件图工艺分析首先应熟悉零件在产品中的作用、位置、装配关系和工作条件，搞清楚各项技术要求对零件装配质量和使用性能的影响，找出主要的和关键的技术要求，然后对零件图样进行分析。（1）图纸尺寸的标注方法是否方便编程？构成工件轮廓图形的各种几何元素的条件是否充要？各几何元素的相互关系（如相切、相交、垂直和平行等）是否明确？有无引起矛盾的多余尺寸或影响工序安排的封闭尺寸？等等。2023年2月24日数控机床加工工艺12（2）零件尺寸所要求的加工精度、尺寸公差是否都可以得到保证？（3）内槽及缘板之间的内转接圆弧是否过小？（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？（5）零件图中各加工面的凹圆弧(R与r)是否过于零乱，是否可以统一？（6）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？

(7）分析零件的形状及原材料的热处理状态，会不会在加工过程中变形？哪些部位最容易变形？2023年2月24日数控机床加工工艺132.零件的结构工艺性分析

（1）零件的内腔和外表最好采用统一的几何类型和尺寸，这样可以减少刀具规格和换刀次数，使编程方便，提高生产效率。（2）内槽圆角的大小决定着刀具直径的大小，所以内槽圆角半径不应太小。（3）零件铣槽底平面时，槽底圆角半径r不要过大。（4）应采用统一的基准定位。在有关的铣削件的结构工艺性实例见表6-1。2023年2月24日数控机床加工工艺14(a)R较小(b)R较大图6-11内槽结构工艺性对比(a)r较小(b)r较大图6-12零件槽底平面圆弧对铣削工艺的影响2023年2月24日数控机床加工工艺153.零件毛坯的工艺性分析（1）毛坯应有充分、稳定的加工余量。经验表明，数控铣削中最难保证的是加工面与非加工面之间的尺寸，在零件图样注明的非加工面处也增加适当的余量。（2）分析毛坯的装夹适应性（3）分析毛坯的变形、余量大小及均匀性分析毛坯加工中与加工后的变形程度，主要是考虑在加工时要不要分层切削，分几层切削。2023年2月24日数控机床加工工艺166.2.2数控铣床加工工艺路线的拟订铣削加工工艺路线的拟订是制定铣削工艺规程的重要内容之一，其主要内容包括：选择各加工表面的加工方法、划分和加工阶段、划分工序以及安排工序的先后顺序等。1.加工方法的选择对于数控铣床，应重点考虑几个方面：能保证零件的加工精度和表面粗糙度的要求；使走刀路线最短，既可简化程序段，又可减少刀具空行程时间，提高加工效率；应使数值计算简单，程序段数量少，以减少编程工作量。(1)内孔表面加工方法的选择在数控铣床上加工内孔表面加工方法主要有钻孔、扩孔、铰孔、镗孔和攻丝等，应根据被加工孔的加工要求、尺寸、具体生产条件、批量的大小及毛坯上有无预制孔等情况合理选用。2023年2月24日数控机床加工工艺17(2)平面加工方法的选择在数控铣床上加工平面主要采用端铣刀和立铣刀加工。粗铣的尺寸精度和表面粗糙度一般可达IT11～IT13，Ra6.3～25；精铣的尺寸精度和表面精糙度一般可达IT8～IT10，Ra1.6～6.3。(3)平面轮廓加工方法的选择通常采用3坐标数控铣床进行两轴半坐标加工。(4)固定斜角平面加工方法的选择固定斜角平面是与水平成成一固定夹角的斜面，常用的加工方法如下：1）当零件尺寸不大时，可用斜垫板垫平后加工；如果机床主轴可以摆角，则可以摆成适当的定角，用不同的刀具来加工（如图6-15）。当零件尺寸很大，斜面斜度又较小时，常用行切法加工。2)对于图6-15所示的正圆台和斜盘表面，一般可用专用的角度成型铣刀加工。其效果比采用5坐标数控铣床摆角加工好。2023年2月24日数控机床加工工艺18图6-15主轴摆角加工固定斜面2023年2月24日数控机床加工工艺19(5)变斜角面加工方法的选择1）对曲率变化较小的变斜角面，选用x、y、z和A4坐标联动的数控铣床，采用立铣刀（但当零件斜角过大，超过机床主轴摆角范围时，可用角度成型铣刀加以弥补）以插补方式摆角加工，如图6-16（a）所示。2）对曲率变化较大的变斜角面，用4坐标联动加工难以满足加工要求，最好用x、y、z、A和B（或C转轴）的5坐标联动数控铣床，以圆弧插补方式摆角加工，如图6-16（b）所示。2023年2月24日数控机床加工工艺20(a)四坐标联动(b)五坐标联动图6-164、5坐标数控铣床加工零件变斜角面2023年2月24日数控机床加工工艺213）采用3坐标数控铣床两坐标联动，利用球头铣刀和鼓形铣刀，以直线或圆弧插补方式进行分层铣削加工，加工后的残留面积用钳修方法清除，图6-17所示是用鼓形铣刀铣削变斜角面的情形。图6-17用鼓形铣刀分层铣削变斜角2023年2月24日数控机床加工工艺22(6)曲面轮廓加工方法的选择立体曲面的加工应根据曲面形状、刀具形状及精度要求采用不同的铣削加工方法，如两轴半、3轴、4轴及5轴等联动加工。1）对曲率变化不大和精度要求不高的曲面的粗加工，常用两轴半坐标的行切法加工，即x、y、z，3轴中任意两轴作联动插补，第三轴作单独的周期进给。图6-18两轴半坐标行切法加工曲面2023年2月24日数控机床加工工艺232）对曲率变化较大和精度要求较高的曲面的精加工，常用x、y、z3坐标联动插补的行切法加工。如图6-20所示。图6-203轴联动行切法加工曲面的切削点轨迹2023年2月24日数控机床加工工艺243）对像叶轮、螺旋桨这样的零件，因其叶片形状复杂，刀具容易与相邻表面干涉，常用5坐标联动加工。图6-21曲面的5坐标联动加工2023年2月24日数控机床加工工艺252.加工阶段的划分（略）2.加工阶段的划分（略）可分为粗加工、半精加工、精加工和光整加工四个阶段。3.工序的划分（略）可以采用两种不同原则，即工序集中原则和工序分散原则。4.加工顺序的安排（略）（1）切削加工工序的安排切削加工工序通常按下列原则安排顺序。1）基面先行原则。2）先粗后精原则。3）先主后次原则。4）先面后孔原则。（2）热处理工序的安排（略）2023年2月24日数控机床加工工艺265.加工路线的确定1）应能保证零件的加工精度和表面粗糙度要求。刀具切入工件时，应避免沿零件外廓的法向切入，而应沿外廓曲线延长线的切向切入。同理，在切离工件时，也应避免在工件的轮廓处直接退刀，而应该沿零件轮廓延长线的切向逐渐切离工件。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。如内轮廓曲线不允许外延（见图6-23），则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极和元素的交点处。2023年2月24日数控机床加工工艺27

图6-22外轮廓加工刀具的切入和切出图6-23内轮廓加工刀具的切入和切出2023年2月24日数控机床加工工艺28当内部几何元素相切无交点时，如图6-24（a）所示取消刀补会在轮廓拐角处留下凹口，应使刀具切入切出点远离拐角，如图6-24（b）所示。(a)(b)图6-24无交点内轮廓加工刀具的切入和切出2023年2月24日数控机床加工工艺29图6-25所示为圆弧插补方式铣削外整圆时的走刀路线。当整圆加工完毕时，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。铣削内圆弧时也要遵循从切向切入的原则，最好安排从圆弧过渡到圆弧的加工路线（见图6-26），这样可以提高内孔表面的加工精度和加工质量。2023年2月24日数控机床加工工艺30图6-25外圆铣削图6-26内圆铣削2023年2月24日数控机床加工工艺31对于孔位置精度要求高的零件，在精镗孔系时，镗孔路线一定要注意各孔的定位方向一致，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。(a)(b)图6-27孔系加工路线方案比较2023年2月24日数控机床加工工艺32铣削曲面时，常采用球头刀行切法进行加工。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。(a)(b)图6-28曲面加工的走刀路线2023年2月24日数控机床加工工艺332）应使走刀路线最短，减少刀具空行程时间，提高加工效率。(a)(b)图6-29最短加工路线选择2023年2月24日数控机床加工工艺34第6章数控铣床加工工艺6.1数控铣床加工工艺概述6.2数控铣床加工工艺分析6.3数控铣削加工工序设计6.4典型零件的数控铣削工艺分析与程序编制2023年2月24日数控机床加工工艺356.3.1夹具的选择要将加工部位敞开，不能因装夹工件而影响进给和切削加工。选择夹具时，应注意减少装夹次数，尽量做到在一次安装中能把零件上所有要加工的表面都加工出来，具体选用见第三章。6.3.2刀具的选择具体选用见第2章。2023年2月24日数控机床加工工艺361.背吃刀量aP或侧吃刀量ae背吃刀量aP为平行于铣刀轴线测量的切削层尺寸，单位为mm。端铣时，aP为切削层深度；而圆周铣削时，为被加工表面的宽度。侧吃刀量ae为垂直于铣刀轴线测量的切削层尺寸，单位为mm。端铣时，ae为被加工表面宽度；而圆周铣削时，ae为切削层深度，见图6-30。2023年2月24日数控机床加工工艺37图6-30铣削加工的切削用量2023年2月24日数控机床加工工艺38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）当工件表面粗糙度值要求为Ra12.5～25μm时，如果圆周铣削加工余量小于5mm，端面铣削加工余量小于6mm，粗铣一次进给就可以达到要求。但是在余量较大，工艺系统刚性较差或机床动力不足时，可分为两次进给完成。2）当工件表面粗糙度值要求为Ra3.2～12.5μm时，应分为粗铣和半精铣两步进行。粗铣后留0.5～1.0mm余量，在半精铣时切除。3）当工件表面粗糙度值要求为Ra0.8～3.2μm时，应分为粗铣、半精铣、精铣三步进行。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，面铣刀背吃刀量取0.5～1mm。2023年2月24日数控机床加工工艺392.进给量f与进给速度vf的选择2.进给量f与进给速度vf的选择每齿进给量fz的选取主要依据工件材料的力学性能、刀具材料、工件表面粗糙度等因素。工件材料强度和硬度越高，fz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。工件表面粗糙度要求越高，fz就越小。每齿进给量的确定可参考表6-3选取。工件刚性差或刀具强度低时，应取较小值。3.切削速度vc

（m/min）铣削的切削速度vc与刀具的耐用度、每齿进给量、背吃刀量、侧吃刀量以及铣刀齿数成反比，而与铣刀直径成正比。2023年2月24日数控机床加工工艺406.3.4数控铣削加工中的装刀与对刀1.对刀点的选择对刀点是工件在机床上定位装夹后，设置在工件坐标系中，用于确定工件坐标系与机床坐标系空间位置关系的参考点。在工艺设计和程序编制时，应以操作简单、对刀误差小为原则，合理设置对刀点。对刀点可以设置在工件上，也可以设置在夹具上，但都必须在编程坐标系中有确定的位置。2023年2月24日数控机床加工工艺41图6-31对刀点的选择2023年2月24日数控机床加工工艺422.对刀工具（1）寻边器寻边器主要用于确定工件坐标系原点在机床坐标系中的X、Y值，也可以测量工件的简单尺寸。图6-32偏心式寻边器图6-33光电式寻边器2023年2月24日数控机床加工工艺43（2）Z轴设定器Z轴设定器主要用于确定工件坐标系原点在机床坐标系的Z轴坐标，或者说是确定刀具在机床坐标系中的高度。图6-34Z轴设定器2023年2月24日数控机床加工工艺443.对刀实例图6-35内轮廓型腔零件图如图所示零件，采用寻边器对刀，其详细步骤如下：2023年2月24日数控机床加工工艺45（1）X、Y向对刀①将工件通过夹具装在机床工作台上，装夹时，工件的四个侧面都应留出寻边器的测量位置。②快速移动工作台和主轴，让寻边器测头靠近工件的左侧；③改用微调操作，让测头慢慢接触到工件左侧，直到寻边器发光，记下此时机床坐标系中的X坐标值，如-310.300；④抬起寻边器至工件上表面之上，快速移动工作台和主轴，让测头靠近工件右侧；⑤改用微调操作，让测头慢慢接触到工件左侧，直到寻边器发光，记下此时机械坐标系中的X坐标值，如-200.300；⑥若测头直径为10mm，则工件长度为-200.300-（-310.300）-10=100，据此可得工件坐标系原点W在机床坐标系中的X坐标值为-310.300+100/2+5=-255.300；⑦同理可测得工件坐标系原点W在机械坐标系中的Y坐标值。2023年2月24日数控机床加工工艺462）Z向对刀①卸下寻边器，将加工所用刀具装上主轴；②将Z轴设定器（或固定高度的对刀块，以下同）放置在工件上平面上；③快速移动主轴，让刀具端面靠近Z轴设定器上表面；④改用微调操作，让刀具端面慢慢接触到Z轴设定器上表面，直到其指针指示到零位；⑤记下此时机床坐标系中的Z值，如-250.800；⑥若Z轴设定器的高度为50mm，则工件坐标系原点W在机械坐标系中的Z坐标值为-250.800-50-（30-20）=-310.800。（3）将测得的X、Y、Z值输入到机床工件坐标系存储地址中（一般使用G54-G59代码存储对刀参数）。2023年2月24日数控机床加工工艺474.注意事项

在对刀操作过程中需注意以下问题：（1）根据加工要求采用正确的对刀工具，控制对刀误差；（2）在对刀过程中，可通过改变微调进给量来提高对刀精度；（3）对刀时需小心谨慎操作，尤其要注意移动方向，避免发生碰撞危险；（4）对刀数据一定要存入与程序对应的存储地址，防止因调用错误而产生严重后果。5.换刀点的选择换刀点只要设在零件外面，不发生换刀阻碍即可。2023年2月24日数控机床加工工艺48第6章数控铣床加工工艺6.1数控铣床加工工艺概述6.2数控铣床加工工艺分析6.3数控铣削加工工序设计6.4典型零件的数控铣削工艺分析与程序编制2023年2月24日数控机床加工工艺496.4典型零件的数控铣削工艺分析与程序编制图6-36为带槽平面轮廓零件，材料45钢，在铣削加工前，该零件外形各个表面已经过加工，外形尺寸为100×100×30mm。要求在立式数控铣床上完成其余表面加工。零件的数控铣削工艺分析数控铣削程序编制如下。2023年2月24日数控机床加工工艺502023年2月24日数控机床加工工艺511．零件图工艺分析该零件有平面