数控加工-第3章 数控铣削加工技术

3.1数控铣床概述本章要点：①数控铣床的加工对象;②数控铣床的分类;③数控铣床的组成;④数控铣床的特点;⑤刀具系统的种类、结构与应用;⑥数控机床夹具的基本要求;⑦数控铣床常用夹具的结构与特点;⑧数控铣削加工工艺的基拙知识;⑨常用编程指令的应用;⑩零件加工实例;典型系统的基本操作。下一页返回3.1数控铣床概述

数控铣床是出现和使用最早的数控机床，在制造业中具有举足轻重的地位，现在应用广泛的加工中心也是在数控铣床的基础上发展起来的。数控铣床在汽车、航大航空、军工、模具等行业得到了广泛的使用。

3.1.1数控铣床加工对象数控铣床主要用于加工各种材料如钢铁材料、非铁金属及非金属的平面轮廓零件曲面零件和孔加工。1.平面轮廓零件这类零件的加工面与定位面成固定的角度，且各个加工面是平面或可以展开为平曲空间.如各种盖板、凸轮以及飞机整体结构件中的框、肋等，如图3-1所示。加工部位包括平面、沟槽、外形、腔槽、台阶、倒角和倒圆等。这类零件一般只需用两坐标联动就可以加工出来。下一页返回上一页3.1数控铣床概述2.空间曲面零件顾名思义，这类零件的加工面是不能展开为平面的空间曲面，在各类模具零件中尤为多见。加工部位为各种性质的曲面，一般需要采用三坐标联动，甚至四、五坐标联动进行。3.孔孔及孔系的加工可以在数控铣床上进行，如钻、扩、铰和镗等加工。由于孔加工多采用定尺寸刀具，需要频繁换刀，因此当加工孔的数量较多时，就不如用加工中心加工方便、快捷。4.螺纹内、外螺纹，圆柱螺纹，圆锥螺纹等都可以在数控铣床上加工。下一页返回上一页3.1数控铣床概述3.1.2数控铣床分类1.按机床主轴的布置形式及机床的布局特点分类数控铣床可分为数控立式铣床、数控卧式铣床和数控龙门铣床等。①数控立式铣床。如图3-2所示，数控立式铣床的主轴与机床工作台面垂直，工件安装方便，加工时便于观察，但不便于排屑。一般采用固定式立柱结构，工作台不升降，主轴箱作上下运动，并通过立柱内的重锤平衡主轴箱的重量。为保证机床的刚性，主轴中心线与立柱导轨面的距离不能太大，因此这种结构主要用于中小尺寸的数控铣床。②数控卧式铣床。如图3-3所示，数控卧式铣床的主轴与机床工作台面平行，加工时不便观察，但排屑顺畅。一般配有数控回转工作台，便于加工零件的不同侧面。下一页返回上一页3.1数控铣床概述

单纯的数控卧式铣床现在已比较少，而多是在配备自动换刀装置(ATC)后成为卧式加工中心.③数控龙门铣床。对于大尺寸的数控铣床，一般采用对称的双立柱结构，以保证机床的整体刚性和强度，即数控龙门铣床。数控龙门铣床有工作台移动和龙门移动两种形式，它适用于加工飞机整体结构件零件、大型箱体零件和大型模具等，如图3-4所示.2.按数控系统的功能分类数控铣床可分为经济型数控铣床、全功能数控铣床和高速铣削数控铣床等。①经济型数控铣床。一般采用经济型数控系统，如SIEMENS802S等，采用开环控制，可以实现三坐标联动。下一页返回上一页3.1数控铣床概述

这种数控铣床成本较低，功能简单，加工精度不高，适用于一般复杂零件的加工一般有工作台升降式和床身式两种类型。②全功能数控铣床。采用半闭环控制或闭环控制，数控系统功能丰富，一般可以实现四坐标以上联动，加工适应性强，应用最广泛.③高速铣削数控铣床。高速铣削是数控加工的一个发展方向，技术已经比较成熟，已逐渐得到了广泛的应用，这种数控铣床采用全新的机床结构、功能部件和功能强大的数控系统并配以加工性能优越的刀具系统，加工时主轴转速一般在8000~40000r/min，切削进给速度可达10~30m/min，可以对大面积的曲面进行高效率、高质量的加工。但目前这种机床价格昂贵，使用成本比较高。下一页返回上一页3.1数控铣床概述3.加工中心的分类和特点加工中心是一种备有刀库并能自动更换刀具对工件进行多工序加工的数控机床，是一种具备两种机床功能的组合机床。它的最大特点是工序集中和自动化程度高，可减少工件装夹次数，避免工件多次定位所产生的累积误差，节省辅助时间，实现高质、高效加工。加工中心可完成镗、铣、钻、攻丝等工作，它与普通数控镗床和数控铣床的区别之处，主要在于附有刀库和自动换刀装置。衡量加工中心刀库和自动换刀装置的指标有刀具存储量、刀具(加刀柄和刀杆等)最大尺寸与重量、换刀重复定位精度、安全性、可靠性、可扩展性、选刀方法和换刀时间等。下一页返回上一页3.1数控铣床概述(1)按照机床形态分类分为立式、卧式、龙门式和万能加工中心。①立式加工中心。指主轴轴线为垂直状态设置的加工中心。其结构形式多为固定立柱式，工作台为长方形，十字滑台，适合加工各类铣削类零件，具有三个直线运动坐标，并可在工作台上安装一个水平的数控转台用以加工螺旋线类零件。立式加工中心的结构简单，占地面积小，价格低。②卧式加工中心。指主轴轴线水平设置的加工中心。卧式加工中心有固定立柱式或固定工作台式。固定立柱式的卧式加工中心的立柱不动，主轴箱在立柱上做上下移动，工作台可在水平面上做两个方向(X,Z)的移动，如图3-6。固定工作台式的卧式加工中心，其Z坐标的运动由立柱移动来定位，安装工件的工作台只完成X坐标的移动。下一页返回上一页3.1数控铣床概述

卧式加工中、自通常带有可进行分度回转运动的正方形分度工作台，一般具有3~5个运动坐标，常见的是三个直线运动坐标(沿X,Y,Z轴方向)加一个回转运动(回转工作台)，它能够使工件在一次装夹后完成除安装面和顶面以外的其余四个面的加工，最适合箱体类工件的加工。与立式加工中心相比，卧式加工中心的结构复杂，占地面积大，重量大，价格也较高。③龙门式加工中心。龙门式加工中心形状与龙门式铣床相似，主轴多为垂直设置，带有自动换刀装置和可更换的主轴头附件，数控装置的软件功能也较齐全，能够一机多用，尤其适用于大型或形状复杂的工件，如航大工业及大型汽轮机上的某些零件的加工。下一页返回上一页3.1数控铣床概述④万能加工中心。这种加工中心具有立式加工中心和卧式加工中心的功能，在工件一次装夹后，能完成除安装面外的所有五个面的加工，故又称五面加工中心。常见的五面加工中心有两种形式，一种是主轴可以旋转90°,既可以像立式加工中心那样一作，也可以像卧式加工中心那样工作;另一种是主轴不改变方向，而工作台可以带着工件旋转90°，完成对工件五个表面的加工，使工件的形位误差降到最低，省去二次装夹的工装，从而提高生产效率，降低加工成本。但是由于五面加工中心存在着结构复杂、造价高、占地面积大等缺点，所以其使用和生产在数量上远不如其他类型的加工中心。下一页返回上一页3.1数控铣床概述(2)按自动换刀装置分类按自动换刀装置分类，通常可以分为四类:①转塔头加工中心。这种加工中心有立式和卧式两种，主轴数一般为6~12个，其换刀时间短、刀具数量少、主轴转塔头定位精度要求较高。一般在小型立式加工中心上采用转塔刀库形式，主要以孔加工为主。②刀库+主轴换刀加工中心。这种加工中心的特点是无机械手式主轴换刀，其换刀是通过刀库和主轴箱的配合动作来完成，并由主轴箱上下运动进行选刀和换刀，一般是采用把刀库放在主轴箱可以运动到的位置，整个刀库或某一刀位能移动到主轴箱可以达到的位置，刀库中刀具的存放位置方向与主轴装刀方向一致。换刀时，主轴运动到刀位上的换刀位置，由主轴直接取走或放回刀具。下一页返回上一页3.1数控铣床概述③刀库+机械手+主轴换刀加工中心。这种加工中心结构多种多样，换刀装置是由刀库和机械手组成，换刀机械手完成换刀工作。由于机械手卡爪可同时分别抓住刀库上所选的刀和主轴上的刀，因此换刀时间短，并且选刀时间与机加工时间重合，因此得到广泛应用。④刀库+机械手+双主轴转塔头加工中心。这种加工中心在主轴上的刀具进行切削时，通过机械手将下一步所用的刀具换在转塔头的非切削主轴上。当主轴上的刀具切削完毕后，转塔头即回转，完成换刀工作，换刀时间短。下一页返回上一页3.1数控铣床概述(3)按功能特征分类按功能特征分类，可分为镗铣、钻削和复合加工中心;按工艺用途可分为镗铣加工中心、车削加工中心、钻削加工中心、攻丝加工中心及磨削加工中心等。①镗铣加工中心。镗铣加工中心和龙门式加工中心，以镗铣为主，适用于箱体、壳体类零件加工以及各种复杂零件的特殊曲线和曲面轮廓的多工序加工，适用于多品种、小批量的生产方式。②钻削加工中心。以钻削为主，刀库形式以转塔头形式为主，适用于中、小批量零件的钻孔、扩孔、铰孔、攻丝及连续轮廓铣削等多工序加工。③复合加工中心。主要指五面复合加工，可自动回转主轴头，进行立卧加工。主轴自动回转后，在水平和垂直面实现刀具自动交换。下一页返回上一页3.1数控铣床概述(4)按结构特征分类按工作台种类分，加工中心工作台有各种结构，可分为单工作台、双工作台和多工作台。设置工作台的目的是为了缩短零件的辅助准备时间，提高生产效率和机床自动化程度最常见的是单工作台和双工作台两种形式。

(5)按主轴种类分类根据主轴结构特征分类，可分为单轴加工中心、双轴加工中心、3轴加工中心及可换主轴箱的加工中心。下一页返回上一页3.1数控铣床概述3.1.3数控铣床结构的主要组成部分①机床基础件，如床身、底座等。②主传动系统，主轴电动机及传动部分。主传动部分是数控机床的组成部分之一，主轴夹持刀具旋转，直接参加工件表面成形运动，主轴部件的刚度、精度、抗振性和热变形对工件加工质量影响较大，主轴转速的高低及范围、传递功率大小和动力特性，决定了工件的切削加工效率和加工工艺能力。大多数主轴都采用无级变速运动，调速范围大，运动方式一般有齿轮传动方式、带传动方式以及电动机直接传动方式等。对于数控铣床及加工中心主轴组件一般由轴承、支承、传动件和刀具夹紧等装置组成，主轴轴承的类型、结构、配置和精度直接影响组件的工作性能。下一页返回上一页3.1数控铣床概述③进给传动系统。进给传动系统(简称进给系统)承担了数控机床各直线坐标轴、回转轴的定位和切削进给，它的传动精度、灵敏度和稳定性直接影响被加工工件的轮廓和加工精度。进给系统由联轴节、滚珠丝杠副、导轨等组成，导轨必须摩擦因数小，耐磨能力强，快速进给能力才能有所提高。常用导轨有高频淬火导轨、贴塑导轨等，高档的还有滚动导轨、线导轨、液压导轨等。滚珠丝杠副是回转运动与直线运动相互转换的传动装置，如图3-8所示，机床能在高进给速度下工作平稳、定位精度高，没有具备高刚度、无间隙、高灵敏度和低摩擦阻力的滚珠丝杠副做支撑是不行的。下一页返回上一页3.1数控铣床概述④实现工件回转、定位的装置和附件。为了扩大数控机床应用的范围，提高生产效率，机床除了能沿X,Y,Z三个坐标方向直线进给运动外，有的还要求能绕X,Y,Z轴进行圆周进给运动。通常采用回转工作台和分度工作台实现回转运动，分度工作台只是将工件分度转位，实现分别加工工件的各个表面的目的，给零件加工带来了很多方便，而回转工作台除了分度和转位的功能外，还能实现圆周进给运动。⑤自动换刀装置(ATC)。一般数控铣床的主轴中只能装备一把刀，要更换刀具时，只能靠配备的主轴机构进行手动换刀，而加工中心配备有能存储一定数量刀具的刀库。为完成对工件的多工序加工需要进行刀具更换的装置称为自动换刀装置(ATC)，其基本要求是刀具换刀时间短，可靠性高，具重复定位精度高，有足够的刀具容量且占地面积小。下一页返回上一页3.1数控铣床概述

带刀库的自动换刀系统是由刀库和换刀机构组成，刀库可以存放很多刀具，可以进行复杂零件的多工序加工，可明显提高机床的适应性和提高机床的加工效率。刀库分为盘式、链式和箱式3种类型。盘式刀库又称斗笠式刀库，容量较小;链式刀库容量较大，一般在配有30把以上的刀具时采用;箱式刀库容量更大，空间利用率更高，但是换刀时间长。刀库与主轴的交换通常采用机械手交换刀具方式和由刀库与机床主轴的相对运动实现的交换刀具方式，其交换方式及它们的具体结构直接影响机床的工作效率和可靠性。⑥自动托盘交换装置(APC)。它是加工系统与物流系统间的工件输送接口，起物流系统工件缓冲站的作用。托盘交换装置按其运动方式分类有回转式和往复式两种，它在机床运行时是加工中心的一个辅件，完成或协助完成物料(工件)的装卸与交换，并起缓冲作用。下一页返回上一页3.1数控铣床概述⑦辅助装置，如液压、气动、润滑、冷却、排屑、防护等装置。数控机床配备液压和气动装置来完成自动运行功能，其结构紧凑，工作可靠，易于控制和调节。液压传动装置使用工作压力高的油性介质，动作平稳，噪声较小;气动装置的气源容易获得，结构简单，动作频率高，适合频繁启动的辅助工作。如主轴的自动松开和夹紧，交换工作台的自动交换动作、自动换刀时机械手的伸缩、回转及刀具的松开和拉紧等工作都离不开液压和气动装置。排屑装置的主要作用是将切屑从加工区域排到数控机床之外，切屑中混杂着切削液，排屑装置将切屑从中分离出来送入切屑小车。下一页返回上一页3.1数控铣床概述⑧工具系统。生产中广泛使用数控铣床及加工中心来加工各种不同的工件，所以刀具装夹部分的结构、尺寸也是各种各样的。把通用性较强的装夹工具系列化、标准化就有了不同结构的工具系统。工具系统一般分为整体式结构和模块式结构两大类。整体式刀具系统基本上由整体柄部和整体刃部(整体式刀具)两部分组成，传统的钻头、铣刀、铰刀等就属于整体式刀具。模块式刀具系统是把整体式刀具系统按功能进行分割，做成系列化的标准模块(如刀柄、刀杆、接长杆、接长套、刀夹、刀体、刀头、切削刃等)，再根据需要快速地组装成不同用途的刀具，当某些模块损坏时可部分更换。这样既便于批量制造，降低成本，也可以减少用户的刀具储备，节省开支，因此模块式刀具系统在使用中倍受推崇。下一页返回上一页3.1数控铣床概述

常用的刀柄有40,45,50号7:24长圆锥柄。在该系列中，我国的GB/T10944-1989,德国的DIN69871、美国的ANSIL5.50都已与ISO7388标准趋于一致，在主轴端为同一锥度号的主轴孔，刀库、换刀机械手之间可以互相通用。但需注意的是，有些机床厂和刀柄制造厂为了保护自己的传统和特色以及保持和老用户之间的相对稳定关系，往往顾及与自己老产品的互换性，而参考某一标准以制定自己的标准，为稳妥起见最好确定具体尺寸，看是否能满足要求，若不行可提出修改意见或另选。下一页返回上一页3.1数控铣床概述3.1.4数控铣床特点1.结构特点数控铣床在结构上要比普通铣床复杂得多，与其他数控机床(如数控车床)相比，数控铣床在结构上有以下特点。

(1)控制特性为了将工件上各种复杂的形状轮廓连续加工出来，必须控制刀具沿设定的平面直线、圆弧或空间的直线、圆弧轨迹运动。这就要求数控铣床的伺服系统能在多坐标方向同时协调动作并保持预定的相互关系，即要求机床能实现多坐标联动。因此，数控铣床所配置的数控系统在档次上一般都比其他数控机床要高一些。下一页返回上一页3.1数控铣床概述(2)主轴特性在数控铣床的主轴套筒内一般都设有自动夹刀和退刀装置，并能在数秒内完成装刀与卸刀，使换刀较为方便。此外，多坐标数控铣床的主轴还可以绕X轴、Y轴或Z轴做数控摆动，扩大了主轴自身的运动范围，但主轴结构更加复杂。2.加工特点。数控铣床的加工特点使其在加工现场的应用越来越广泛。

(1)加工灵活，通用性强数控铣床最大的特点是高柔性，即灵活、通用、万能，可以加工不同形状的工件。在数控铣床上能完成钻孔、镗孔、铰孔、铣平面、铣斜面、铣槽、铣曲面、攻丝等加工。而且，在一般情况下，可以一次装夹就完成所需的全部加工工序。下一页返回上一页3.1数控铣床概述(2)工件的加工精度高目前数控装置的脉冲当量一般为0.001mm，高精度的数控系统可达0.1um，一般情况下都能保证工件的精度。另外，数控加工还避免了操作人员的操作误差，一批加工零件的尺寸统一性好，大大提高了产品质量。由于数控铣床具有较高的加工精度，能加工很多普通机床难以加工或根本不能加工的复杂型面，所以在加工各种复杂模具时更显出其优越性。

(3)大大提高了生产效率在数控铣床上一般不需要使用专用的夹具和工艺装备。在更换工件时，只需调用存储于数控装置的加工程序、装夹工件和调用刀具数据即可，因而大大缩短了生产周期。下一页返回上一页3.1数控铣床概述

其次，数控铣床具有铣床、镗床和钻床的功能，使工序高度集中，这样提高了生产率并减少了工件装夹误差。另外，数控铣床的主轴转速和进给速度都是无级变速的，因此有利于选择最佳切削用量。数控铣床具有的快进、快退、快速定位功能，都可大大减少机动时间。据统计，采用数控铣床加工比普通铣床加工可提高生产率3~5倍。对于复杂的成形面加工，则生产率可提高十几倍，甚至几十倍。

(4)大大减轻了操作者的劳动强度数控铣床对零件的加工是按事先编制好的加工程序自动完成的，操作者除了操作键盘、装卸工件和中间测量及观察机床运行外，不再需要进行繁重的重复性手工操作，大大减轻了劳动强度。下一页返回上一页3.1数控铣床概述3.编程特点由于数控铣床的加工范围较大，因而能通过多坐标联动实现平面、立体多种轮廓的加工。数控铣床相对于只需实现两轴联动平面加工的数控车床而言，其编程要求更高，使用指令更多。尤其是部分指令随着机床数控系统的不同，代码虽同但含义却不同，所以编程时一定要仔细阅读机床编程说明书。4.加工中心的特点加工中心作为一种高效多功能的数控机床，在现代生产中扮演着重要角色。它可以自动连续地完成铣、钻、扩、铰、锪、攻丝等多工序加工，适合于小型板类、盘类、壳体类、模具等零件的多品种小批量加工。它除了具有数控机床的共同特点外，还具有其独特的特点。下一页返回上一页3.1数控铣床概述(1)工序集中加工中心的制造工艺与传统工艺及普通数控加工有很大不同。由于加工中心备有刀库并能自动更换刀具，对工件进行多工序加工，因而使得工件在一次装夹后，数控系统就能控制机床按不同工序自动选择和更换刀具，并自动改变机床主轴转速、进给量和刀具相对工件的运动轨迹及其他辅助机能。现代加工中心更大程度地使工件在一次装夹后，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，这是加工中心最突出的特点。下一页返回上一页3.1数控铣床概述(2)强力切削主轴电动机的运动经一对齿形带轮传到主轴，主轴转速的恒功率范围宽，低转速的转矩大，机床的主要构件刚度高，故可以进行强力切削。因为主轴箱内无齿轮传动，所以主轴运转时噪声低、振动小、热变形小。

(3)对加工对象的实用性强

4轴联动、5轴联动加工中心的应用以及CAD/CAM技术的成熟、发展，使复杂零件的自动加工成为易事，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，而且还体现在可以快速实现批量生产，拥有并提高市场竞争能力上。下一页返回上一页3.1数控铣床概述(4)加工生产率高零件加工所需要的时间包括机动时间与辅助时间两部分。加工中心带有刀库和自动换刀装置，在一台机床上能集中完成多种工序，因而可减少工件装夹、测量和机床的调整时间，减少工件半成品的周转、搬运和存放时间，使机床的切削利用率高于普通机床3~4倍，达80%以上，因此，加工中心生产率高。

(5)高速定位进给伺服电动机的运动经联轴节和滚珠丝杠副传动，使机床沿X轴、Y轴和Z轴的移动可以达到比较高的速度。机床基础件刚度高，使机床在高速移动时振动小，低速移动时无爬行，并且有高的精度稳定性。下一页返回上一页3.1数控铣床概述(6)减轻操作者的劳动强度加工中心对零件的加工是按事先编好的程序自动完成的，操作者除了操作键盘、装卸零件、关键工序的中间测量以及观察机床的运动之外，不需要进行繁重的重复性手工操作，劳动强度和紧张程度均可大为减轻，劳动条件也得到很大改善。

(7)随机换刀驱动刀库的伺服电动机经蜗杆副使刀库回转，机械手的回转、取刀、装刀机构均由液压系统驱动，自动换刀装置结构简单，换刀可靠，由于安装在立柱上，故不影响主轴箱移动精度。采用记忆式的任选换刀方式，每次选刀运动，刀库正转或反转均不超过180°。下一页返回上一页3.1数控铣床概述(8)经济效益高使用加工中心加工零件时，分摊在每个零件上的设备费用是比较昂贵的，但在单件、小批量生产的情况下，可以节省许多其他方面的费用，因此能获得良好的经济效益。加工中心的加工稳定，减少了废品率，使生产成本进一步下降。

(9)有利于生产管理的现代化用加工中心加工零件，能够准确地计算零件的加工工时，并有效地简化了检验和工夹具、半成品的管理工作。这些特点有利于使生产管理现代化。当前有许多大型CAD/CAM集成软件已经开发了生产管理模块，实现了计算机辅助生产管理。返回上一页3.2数控铣床刀具与夹具系统3.2.1刀具系统的种类、结构与应用1.常规数控刀具刀柄常规数控刀具刀柄均采用7:24圆锥工具刀柄，并采用相应类型的拉钉拉紧结构。目前在我国应用较为广泛的标准有国际标准ISO7388-1983，中国标准GB/T10944-1989，日本标准MAS404-1982，美国标准ANSI/ASMB5.50-1985。

1)常规数控刀柄及拉钉结构我国数控刀柄结构(国家标准GB/T10944-1989)与国际标准ISO7388-1983规定的结构几乎一致，如图3-11所示。相应的拉钉结构国家标准GB/T10945-1989包括两种类型的拉钉:A型用于不带钢球的拉紧装置，其结构如图3-12(a)所示;下一页返回3.2数控铣床刀具与夹具系统B型用于带钢球的拉紧装置，其结构如图3-12(b)所示。

2)典型刀具系统的种类及使用范围

(1)整体式数控刀具系统整体式数控刀具系统种类繁多，基本能满足各种加工需求。其标准为JB/GQ5010-1983《TSG工具系统型式与尺寸》。TSG工具系统中的刀柄，其代号由四部分组成，各部分的含义如下:

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上述代号表示的工具为:自动换刀机床用7:24圆锥工具柄(GB/T10944-1989),锥柄号45号，前部为弹簧夹头，最大夹持直径为32mm,刀柄工作长度为120mm。整体工具系统的刀柄系统如图3-13所示，其所包括的刀柄种类如下:①装直柄接杆刀柄系列(J)。它包括15种不同规格的刀柄和7种不同用途、63种不同尺寸的直柄接杆。分别用于钻孔、扩孔、铰孔、镗孔和铣削加工。它主要用于需要调节刀具轴向尺寸的场合。②弹簧夹头刀柄系列(Q)。它包括16种规格的弹簧夹头。弹簧夹头刀柄的夹紧螺母采用钢球将夹紧力传递给夹紧环，自动定心，自动消除偏摆，从而保证其夹持精度，装夹直径为16~40mm。如配用过渡卡簧套QH，还可装夹直径为6~12mm的刀柄。下一页返回上一页3.2数控铣床刀具与夹具系统③装钻夹头刀柄系列。用于安装各种莫氏短锥(Z)和贾氏锥度(ZJ)钻夹头，共有24种不同的规格尺寸。④装削平型直柄工具刀柄(XP)。⑤装带扁尾莫氏圆锥工具刀柄系列(M)。有29种规格，可装莫氏1~5号锥柄工具。⑥装无扁莫氏圆锥工具刀柄系列(MW)。有10种规格，可装莫氏1~5号锥柄工具。⑦装浮动铰刀刀柄系列(JF)。用于某些精密孔的最后加工。⑧攻丝夹头刀柄系列(G)。刀柄由夹头柄部和丝锥夹套两部分组成，其后锥柄有三种类型供选择。攻丝夹头刀柄具有前后浮动装置，攻丝时能自动补偿螺距，攻丝夹套有转矩过载保护装置，以防止机动攻丝时丝锥折断。下一页返回上一页3.2数控铣床刀具与夹具系统⑨倾斜微调镗刀刀柄系列(TQW)。有45种不同规格。这种刀柄刚性好，微调精度高，微进给精度最高可达每10格误差±0.02mm,镗孔范围是φ20~φ285mm。⑩双刃镗刀刀柄系列(TZC)。镗孔范围是φ20~φ140mm。直角型粗镗刀刀柄系列(TZC)。有34种规格，适用于对通孔的粗加工，镗孔范围是φ25~φ190mm。倾斜型粗镗刀刀柄系列(TQC)。有35种规格，主要用于不通孔、阶梯孔的粗加工镗孔范围是φ20~φ200mm

复合镗刀刀柄系列(TF)。用于镗削阶梯孔。可调镗刀刀柄系列(TIC)。有3种规格，镗孔范围是φ5~φ165mm

装三面刃铣刀刀柄系列(XS)。有25种规格,可装φ50~φ200mm的铣刀。下一页返回上一页3.2数控铣床刀具与夹具系统

装套式立铣刀刀柄系列(XL)。有27种规格，可装φ40~φ160mm的铣刀。装A类面铣刀刀柄系列(XMA)，有21种规格，可装φ50~φ200mm的A类面铣刀。装B类面铣刀刀柄系列(XMB)。有21种规格，可装φ50~φ100mm的B类面铣刀。装C类面铣刀刀柄系列(XMC)。有3种规格，可装φ160~φ200mm的C类面铣刀。装套式扩孔钻、铰刀刀柄系列(KJ)。有36种规格，可装φ25~φ90mm的扩孔钻和φ25~φ70mm的铰刀。刀具的工作部分可与各种柄部标准相结合组成所需要的数控刀具。下一页返回上一页3.2数控铣床刀具与夹具系统(2)模块式数控刀具系统所谓“模块式”是将整体式刀杆分解成柄部(主柄)、中间连接块(连接杆)、工作部(工作头)三个主要部分(即模块)，然后通过各种连接结构，在保证刀杆连接精度、刚性的前提下，将这三部分连接成一整体，如图3-14所示。使用者可根据加工零件的尺寸、精度要求、加工程序、加工工艺，利用这三部分模块，任意组合成钻、铣、镗、铰及攻丝等各种工具进行切削加工。模块式工具刀柄克服了整体式工具刀柄功能单一、加工尺寸不易变动的不足，显示出其经济、灵活、快速、可靠的特点。镗铣类模块式工具系统的型号及表示方式说明如图3-15所示。工作头有弹簧夹头、莫氏锥孔、钻夹头、铰刀、立铣刀、面铣刀、镗刀(微调、双刃等)等多种，可根据不同的工艺要求，选用不同功能和规格的工作头。下一页返回上一页3.2数控铣床刀具与夹具系统3)常规7:24锥度刀柄存在的问题高速加工要求确保高速下主轴与刀具的连接状态不发生变化。但传统主轴的7:24前端锥孔在高速运转的条件下，由于离心力的作用会发生膨胀，膨胀量的大小随着旋转半径与转速的增大而增大;而与之配合的7:24实心力柄膨胀量则较小，故总的锥度连接刚度会降低，在拉杆拉力的作用下，刀具的轴向位置也会发生改变(图3-16)。主轴锥孔的“喇叭口”状扩张，还会引起刀具及夹紧机构质心的偏离，从而影响主轴的动平衡。要保证这种连接在高速下仍有可靠的接触，需有一个很大的过盈量来抵消高速旋转时主轴锥孔端部的膨胀，如标准40号锥需初始过盈量为15~20um，再加上消除锥度配合公差带的过盈量很大，故要求拉杆产生很大的拉力，这样大的拉力一般很难实现，就是能实现，对快速换刀也非常不利，同时对主轴前轴承也有不良影响。下一页返回上一页3.2数控铣床刀具与夹具系统

高速加工对动平衡要求非常高，不仅要求主轴组件需精密动平衡(G0.4级以上)，而且要求刀具及装夹机构也需精密动平衡。但是，传递转矩的键和键槽很容易破坏这个动平衡。而且标准的7:24锥柄较长，很难实现全长无间隙配合，一般只要求配合面前段70%以上接触。因此配合面后段会有一定的间隙，该间隙会引起刀具的径向圆跳动，影响主轴组件整体结构的动平衡。键是用来传递转矩和进行圆方向定位的，为解决键及键槽引起的动平衡问题，最近已研究出一种新的刀-轴连接结构，实现在配合处产生很大的摩擦力以传递转矩，并用在刀柄上作标记的方法实现安装的周向定位，达到取消键的目的。用三棱圆来传递转矩，也可以解决动平衡问题。下一页返回上一页3.2数控铣床刀具与夹具系统

主轴与刀具的连接必须具有很高的重复安装精度，以保持每次换刀后的精度不变。否则，即使刀具进行了很好的动平衡也无济于事。稳定的重复定位精度有利于提高换刀速度和保持高的工作可靠性。另外，主轴与刀具的连接必须有很高的连接刚度及精度，同时也应对可能产生的振动有衰减作用等。标准的7:24锥度连接有许多优点:不自锁，可实现快速装卸刀具;刀柄的锥体在拉杆轴向拉力的作用下，紧紧地与主轴的内锥面接触，实心的锥体直接在主轴内锥孔内支承刀具，以减小刀具的悬伸量。这种连接只有一个尺寸，即锥角需加工到很高的精度，所以成本较低，使用可靠，多年来应用非常广泛。但是7:24锥度连接也有一些不足:下一页返回上一页3.2数控铣床刀具与夹具系统①单独锥面定位7:24连接锥度较大，锥柄较长，锥体表面同时要起两个重要作用，即刀具对于主轴的精确定位及实现刀具夹紧并提供足够的连接刚度。由于其不能实现与主轴端面和内锥面同时定位，所以标准的7:24刀-轴锥度连接，在主轴端面和刀柄法兰端面间有较大的间隙。在ISO标准规定的7:24锥度配合中，主轴内锥孔的角度偏差为“-”，刀柄锥体的角度偏差为“+”，以保证配合的前段接触，所以其径向定位精度往往不够高，在配合的后段还会产生间隙。如典型的AT4(ISO1947,GB/T11334-1989)锥度规定角度的公差值为13'。这个径向间隙会导致刀尖的跳动和破坏结构的动平衡，还会形成以接触前端为支点的不利工况，当刀具所受的弯矩超过拉杆轴向拉力产生的摩擦力矩时，刀具会以前段接触区为支点摆动。下一页返回上一页3.2数控铣床刀具与夹具系统

在切削力作用下，刀具在主轴内锥孔的这种摆动，会加速主轴内锥孔前段的磨损，形成喇叭口，引起刀具轴向定位误差。7:24锥度连接的刚度对锥角的变化和轴向拉力的变化也很敏感。当拉力增大4~8倍时，连接的刚度可提高20%~50%。但是，在频繁的换刀过程中，过大的拉力会加速主轴内锥孔的磨损，使主轴内锥孔膨胀，影响主轴前轴承的寿命。②在高速旋转时主轴端部锥孔的扩张量大于锥柄的扩张量。对于自动换刀(ATC)来说，每次自动换刀后，刀具的径向尺寸都可能发生变化，存在着重复定位精度不稳定的问题。由于刀柄锥部较长，也不利于快速换刀和减小主轴尺寸。2.高速数控刀具刀柄下一页返回上一页3.2数控铣床刀具与夹具系统1)适用于刀具与高速主轴的连接方法从以上的分析可知，刀具与主轴连接中存在的主要问题是连接刚度、精度、动平衡性能、结构的复杂性、互换性和制造成本等。解决这些问题，主要采用以下几种方法:①对现有的标准7:24锥孔连接结构进行改进，消除连接时连接面之间的间隙,改善标准7:24连接的静态性能,如美国的WSU-1、WSU-2刀柄.②严格规定公差配合，增大轴向拉力。如把配合精度规定为AT3,AT2。③在不改变标准7:24锥孔连接结构的前提下，实现锥孔和端面同时接触定位。如日立精工公司的H.F.C“日立”端面限位刀柄，大昭和精机株式会社的BIG-PLUS刀柄，圣和精机株式会社的SHOWAD-F-C刀柄，株式会社日研工作所的3LOCK刀柄等，都可以实现锥孔和端面同时接触定位。下一页返回上一页3.2数控铣床刀具与夹具系统④改用小锥度，并采用空心短锥柄结构，实现锥体和端面同时接触定位，如德国的HSK刀柄和美国的KM刀柄。⑤增大配合预过盈量，采取措施防止主轴膨胀，改善标准锥柄的高速性能。如日立精工公司的H.F.C“日立”端面限位刀柄，主轴端用碳素纤维周向缠绕的结构，抑制了高速旋转时主轴锥孔的扩张量，提高了对高速旋转的适应能力。⑥取消键连接，采用摩擦力或三棱圆传递转矩的结构，消除了键及键槽引起的动平衡问题，如德国HSK-E,HSK-F刀柄，采用摩擦力传递转矩，瑞典Sandvik公司的CAPTO刀杆系统采用三棱圆传递转矩。⑦采用收缩配合的原理，实现刀具与刀柄的可靠连接，如用三棱变形连接、热装连接以及液压夹紧连接等。这些结构方式传递转矩大，刚度高，结构对称性好，精度高，而且有利于刀具的动平衡。下一页返回上一页3.2数控铣床刀具与夹具系统⑧在刀柄上安装自动动平衡装置，满足高速加工对刀具动平衡的苛刻要求。⑨在刀柄内安装减振装置，防止刀柄的振动。要使刀-轴连接具有良好的高速性能，最佳途径是将原来仅靠锥面连接定位方案，改为锥面与端面同时接触定位方案。后者虽然是一种过定位方案，但却能弥补仅靠锥面连接定位方案所带来的许多不足，现已成为高速刀具与主轴连接的主要结构形式。目前最有代表性的是德国HSK刀柄、美国的KM刀柄以及日本BIG-PLUS刀柄。

2)HSK刀柄。是一种新型的高速锥形刀柄，其接口采用锥面和端面两面同时定位的方式，刀柄为中空，锥体长度较短，有利于实现换刀轻型化及高速化。由于采用端面定位，完全消除了轴向定位误差，使高速、高精度加工成为可能。这种刀柄在高速加工中心上应用很普遍，被誉为“21世纪的刀柄”。下一页返回上一页3.2数控铣床刀具与夹具系统(1)HSK刀柄的工作原理和性能特点德国刀具协会与阿亨工业大学等开发的HSK双面定位型空心刀柄是一种典型的1:10短锥面刀具系统。HSK刀柄由锥面(径向)和法兰端面(轴向)共同实现与主轴的连接刚性，由锥面实现刀具与主轴之间的同轴度，锥柄的锥度为1:10，如图3-17所示。这种结构的优点主要有:①采用锥面、端面过定位的结合形式，能有效地提高结合刚度。②因锥部长度较短，采用空心结构后质量较轻，故自动换刀动作快，可以缩短移动时间，加快刀具移动速度，有利于实现ATC的高速化。③采用1:10的锥度与7:24锥度相比，锥部较短，楔形效果较好，故有较强的抗扭能力，且能抑制因振动产生的微量位移。下一页返回上一页3.2数控铣床刀具与夹具系统④有比较高的重复安装精度。⑤刀柄与主轴间由扩张爪镗紧，转速越高，扩张爪的离心力(扩张力)越大，锁紧力越大，故这种刀柄具有良好的高速性能，即在高速旋转产生的离心力作用下，刀柄能牢固锁紧。这种结构也有弊端:①它与现在的主轴端面结构和刀柄不兼容。②由于过定位安装，因而必须严格控制锥面基准线与法兰端面的轴向位置精度，与之相应的主轴也必须控制这一轴向精度，从而使其制造工艺难度增大。③由于柄部为空心状态，因而装夹刀具的结构必须设置在外部，从而增加了整个刀具的悬伸长度，影响了刀具的刚性。下一页返回上一页3.2数控铣床刀具与夹具系统④从保养的角度来看，HSK刀柄锥度较小，锥柄近于直柄，加之锥面、法兰端面要求同时接触，故使刀柄的修复重磨很困难，经济性欠佳。⑤成本较高，刀柄的价格是普通标准7:24刀柄的1.5~2倍。⑥锥度配合过盈量较小(是KM结构的1/5~1/2)，数据分析表明，当按DIN(德国标准)公差制造的HSK刀柄在8000~20000r/min运转时，由于主轴锥孔的离心扩张，会出现径向间隙。⑦极限转速比KM刀柄低，且由于HSK的法兰也是定位面，一旦污染，会影响定位精度，所以采用HSK刀柄必须有附加清洁措施。

(2)HSK刀柄主要类型及其特点按DIN的规定，HSK刀柄分为六种类型。A,B型为自动换刀刀柄;C,D型为手动换刀刀柄;E、F型为无键连接、对称结构，适用于超高速的刀柄。下一页返回上一页3.2数控铣床刀具与夹具系统3.数控刀具选择

1)数控刀具刀柄的选择方法①直柄工具的刀柄。此类刀柄主要有立铣刀刀柄和弹簧夹头刀柄。立铣刀刀柄的定位精度好，刚性强，能夹持相应规格的直柄立铣刀和其他直柄工具;弹簧夹头刀柄因有自动定心、自动消除偏摆的优点，故在夹持小规格的直柄工具时被广泛采用。②各种铣刀刀柄。三面刃铣刀选用三面铣刀刀柄(XS)系列，套式立铣刀选用套式立铣刀刀柄(XM)系列，可转位面铣刀选用可转位面铣刀刀柄(XD)系列。刀柄的选用应按铣刀的装刀孔直径来选取刀柄的规格。莫氏柄立铣刀应选用无扁尾莫氏孔刀柄。下一页返回上一页3.2数控铣床刀具与夹具系统③钻孔工具刀柄。主要有钻夹头刀柄，当其配上相应的钻夹头时，可夹持直柄钻头、中心钻等。莫氏锥柄钻头可选用带扁尾莫氏孔刀柄。套式扩孔钻选用套扩、铰刀柄。④攻丝工具刀柄。主要选用攻丝夹头，它是由攻丝夹头刀柄和攻丝夹套两部分组成。

2)铣刀的选择

(1)铣刀的种类铣刀种类很多，下面只介绍几种在数控机床上常用的铣刀。①面铣刀。面铣刀的圆周表面和端面上都有切削刃，其端部切削刃为副切削刃。面铣刀多制成套式镶齿结构，刀齿为高速钢或硬质合金，刀体为40Cr。下一页返回上一页3.2数控铣床刀具与夹具系统

高速钢面铣刀按国家标准规定，直径d=80~250mm,螺旋角β=10°，刀齿数z=10~20。硬质合金面铣刀与高速钢铣刀相比，铣削速度较高，加工效率高，加工表面质量也较好，并可加工带有硬皮和淬硬层的工件，故得到了广泛应用。硬质合金面铣刀按刀片和刀齿的安装方式不同，可分为整体焊接式、机夹一焊接式和可转位式三种(图3-18)。由于整体焊接式和机夹-焊接式面铣刀难以保证焊接质量，刀具使用寿命短，重磨较费时，因而目前已逐渐被可转位式面铣刀所取代。可转位式面铣刀在其切削刃用钝后，将刀片转位或更换新刀片即可继续使用，因此，这种铣刀在提高产品质量和加工效率，降低成本，操作使用方便等方面都具有明显的优越性，目前已得到广泛应用。下一页返回上一页3.2数控铣床刀具与夹具系统

可转位式面铣刀要求刀片定位精度高、夹紧可靠、排屑容易、更换刀片迅速等，同时各定位、夹紧元件通用性要好，制造要方便，并且应经久耐用。②立铣刀。立铣刀是数控机床上用得最多的一种铣刀，其结构如图3-19所示。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。立铣刀圆柱表面的刃为主切削刃，端面上的刃为副切削刃。主切削刃一般为螺旋齿，这样可以使切削平稳，提高加工精度。由于普通立铣刀端面中心处无切削刃，所以立铣刀不能作轴向进给，端面刃主要用来加工与侧面相垂直的底平面。为了能加工较深的沟槽，并保证有足够的备磨量，立铣刀的轴向长度一般较长。下一页返回上一页3.2数控铣床刀具与夹具系统

为了改善切屑卷曲情况，增大容屑空间，防止切屑堵塞，刀齿数应比较少，容屑槽圆弧半径则应较大。一般粗齿立铣刀齿数Z=3~4，细齿立铣刀齿数Z=5~8，套式结构立铣刀齿数Z=10~20。容屑槽圆弧半径r=2~5mm。当立铣刀直径较大时，还可制成不等齿距结构，以增强抗振作用，使切削过程平稳。标准立铣刀的螺旋角β为40°~50°(粗齿)和30°~35°(细齿)，套式结构立铣刀的螺旋角β为15°~25°。直径较小的立铣刀，一般制成带柄形式。Φ2~Φ71mm的立铣刀制成直柄，Φ6和Φ63mm的立铣刀制成莫氏锥柄;Φ25~Φ80mm的立铣刀制成7:24锥柄，内有螺孔用来拉紧刀具。但是由于数控机床要求铣刀能快速自动装卸，故立铣刀柄部形式也有很大不同，一般是由专业厂家按照一定的规范设计制造成统一形式、统一尺寸的刀柄。下一页返回上一页3.2数控铣床刀具与夹具系统③模具铣刀。模具铣刀由立铣刀发展而成，可分为圆锥形立铣刀(圆锥半角a/2为3°,5°,7°,10°),圆柱形球头立铣刀和圆锥形球头立铣刀三种，其柄部有直柄、削平型直柄和莫氏锥柄。它的结构特点是球头或端面上布满了切削刃，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d=4~63mm。如图3-20所示为高速钢制造的模具铣刀，图3-21所示为硬质合金制造的模具铣刀。小规格的硬质合金模具铣刀多制成整体结构，直径16mm以上的制成焊接或机夹可转位刀片结构。④键槽铣刀。键槽铣刀如图3-22所示，它有两个刀齿，圆柱面和端面都有切削刃，端面刃延至中心，既像立铣刀，又像钻头。加工时先轴向进给达到槽深，然后沿键方向铣出槽全长。下一页返回上一页3.2数控铣床刀具与夹具系统

按国家标准规定，直柄键槽铣刀直径d=2~22mm，锥柄键槽铣刀直径d=14~50mm,键槽铣刀直径的偏差有e8和d8两种，键槽铣刀的圆周切削刃仅在靠近端面的一小段长度内发生磨损，重磨时，只需刃磨端面切削刃，因此重磨后铣刀直径不变。⑤成形铣刀。如图3-23所示为常见的几种成形铣刀，一般都是为特定的工件或加工内容专门设计制造的，如角度面、凹槽、特形孔或台等。除了上述类型的铣刀外，数控铣床上可使用各种通用铣刀。但因不少数控铣床的主轴内有特殊的拉刀位置，或因主轴内锥孔有别，故须配制过渡套和拉钉。下一页返回上一页3.2数控铣床刀具与夹具系统(2)铣刀的选择①铣刀类型的选择。铣刀类型应与工件表面形状与尺寸相适应。加工较大的平面应选择面铣刀;加工凹槽、较小的台阶面及平面轮廓应选择立铣刀;加工空间曲面、模具型腔或凸形表面等多选用模具铣刀;加工封闭的键槽选择键槽铣刀;加工变斜角零件的变斜角面应选用鼓形铣刀;加工各种直的或圆弧形的凹槽、斜角面、特殊孔等应选用成形铣刀。②铣刀参数的选择。数控铣床上使用最多的是可转位式面铣刀和立铣刀。标准可转位式面铣刀直径为16~630mm。粗铣时，铣刀直径要小些，因为粗铣切削力大，选小直径的铣刀可减小切削扭矩。精铣时，铣刀直径要大些，尽量包容工件整个加工宽度，以提高加工精度和效率，并减小相邻再次进给之间的接刀痕迹。下一页返回上一页3.2数控铣床刀具与夹具系统

面铣刀几何角度的标注如图3-24所示。前角的选择原则与车刀基本相同，只是由于铣削时有冲击，故前角数值一般比车刀略小，尤其是硬质合金面铣刀，前角数值减小得更多。铣削强度和硬度都高的材料可选用负前角。前角的数值主要根据工作材料和刀具材料来选择，其具体数值见表3-1。铣刀的磨损主要发生在后刀面上，因此适当加大后角，可减少铣刀磨损。常取α0=5°~12°，工件材料软时取大值，工件材料硬时取小值;粗齿铣刀取小值，细齿铣刀取大值。铣削时冲击力大，为了保护刀尖，硬质合金面铣刀的刃倾角A、常取-5°~-15°，只有在铣削低强度材料时，取λs=5°。主偏角κr在45°~90°范围内选取，铣削铸铁常用45°，铣削一般钢材常用75°，铣削带凸肩的平面或薄壁零件时要用90°。下一页返回上一页3.2数控铣床刀具与夹具系统3.2.2数控铣床用夹具1.对数控铣床夹具的基本要求①高精度。数控机床夹具应具有较高的定位安装精度和转位、定位精度。②快速装夹工件。为适应高效、自动化加工的需要，夹具结构应满足能够快速装夹的要求，以尽量减少工件装夹辅助时间，提高机床切削运转利用率。为适应快速装夹的需要，夹具常采用液压、气动等快速反应夹紧动力。对切削时间较长的工件，在夹具液压夹紧系统中附加储能器，以补偿内泄漏，防止可能造成的松夹现象。若对自锁性要求较严格，则多采用快速螺旋夹紧机构，并利用高速风动扳手辅助安装。为减少停机装夹时间，夹具可设置预置装工位，也可利用机床的自动托盘交换装置，专门装卸工件。下一页返回上一页3.2数控铣床刀具与夹具系统③夹具应具有良好的敞开性。数控机床加工为刀具自动进给加工。夹具及工件应为刀具的快速移动和换刀等快速动作提供较宽敞的运行空间。尤其对于需多次进出工件的多刀、多工序加工，夹具的结构更应尽量简单、开敞，使刀具容易进入，以防刀具运动中与夹具和工件系统相碰撞。④夹具本身的机动性要好。数控机床加工追求在一次装夹条件下，尽量完成所有机加工内容。在机动性能稍差些的装夹条件下，应尽量一次装夹完成多面加工。⑤夹具在机床坐标系中坐标关系明确，数据简单，便于坐标的转换计算。数控机床均具有自己固定的机床坐标系，而装夹在夹具上的工件在加工时，应确定其在机床坐标系中的确切位置，使刀具按照程序的指定路线运动，加工出预期的尺寸和形状。下一页返回上一页3.2数控铣床刀具与夹具系统

在数控机床上的夹具定位系统中，应指定一个很明确的零点，表明装夹工件的位置，并据此选择工件坐标系的原点。夹具零点对机床原点的坐标关系应简单明了，便于测量、记忆、调整、计算。有时也直接把工件坐标系原点选在夹具零点上。⑥部分数控机床夹具应为刀具的对刀提供明确的对刀点。对于镗、铣、钻类数控机床，多在夹具上或夹具中的工件上专门指定一个特殊点作为对刀点，为各刀具的安装和校正提供统一的依据。这个点一般应与工件的定位基准，即夹具定位系统保持很明确的关系，便于刀具与工件坐标系关系的确立和测量，以使不同刀具都能精确地由同一点进入同一个程序。下一页返回上一页3.2数控铣床刀具与夹具系统⑦高适应性。数控机床加工的机动性和多变化性，要求机床夹具对不同工件、不同的装夹要求具有较高的适应性。一般情况下，数控机床夹具多采用各种组合夹具。在专业化大规模生产中多采用拼装类夹具，以适应生产多变化、生产准备周期短的需要。在批量生产中，也常采用结构较简单的专用夹具，以提高定位精度。在品种多变的行业性生产中多使用可调夹具和成组夹具，以适应加工的多变化性。⑧排屑通畅，消除切屑方便。总之，数控机床夹具可根据生产的具体情况灵活选用合适的夹具。在批量较大的自动化生产中，夹具的自动化程度较高，结构也较复杂。而对于单件、小批量生产，也可以直接采用通用夹具，生产准备周期很短，不必再单独制造夹具。下一页返回上一页3.2数控铣床刀具与夹具系统2.组合夹具组合夹具是由一套结构已经标准化、尺寸已经规格化的通用元件所构成，可以按工件的加工需要组成各种功用的夹具。组合夹具有槽系组合夹具和孔系组合夹具。如图3-25所示为一孔系组合夹具，图3-26所示为一槽系组合夹具及其组装过程组合夹具的基本特点是满足三化—标准化、系列化、通用化，同时还应具有组合性、可调性、柔性、应急性和经济性，使用寿命长，能适应产品加工中的周期短、成本低等要求，比较适合加工中心应用。它有下列优点:①节约夹具的设计制造工时;②缩短生产准备周期;下一页返回上一页3.2数控铣床刀具与夹具系统③节约钢材和降低成本;④提高企业工艺装备系数但是，由于组合夹具是由各种通用标准元件组合而成的，各元件间相互配合的环节较多，夹具精度、刚性比不上专用夹具，尤其是元件连接的接合面刚度，对加工精度影响较大。通常，采用组合夹具时其加工尺寸精度只能达到IT8~IT9级，这就使得组合夹具在应用范围上受到一定限制。此外，使用组合夹具的首次投资大(当然，采取租赁方式会节省一笔投资)，总体显得笨重，还有排屑不便等不足。对中、小批量，单件(如新产品试制等)或加工精度要求不十分严格的零件，在加工中心上加工时，应尽可能选择组合夹具。下一页返回上一页3.2数控铣床刀具与夹具系统3.专用夹具对于工厂的主导产品，批量较大、精度要求较高的关键性零件，在加工中心上加工时，选用专用夹具是非常必要的。专用夹具是根据某一零件的结构特点专门设计的夹具，具有结构合理、刚性强、装夹稳定可靠、操作方便，能提高安装精度及装夹速度等优点。选用这种夹具，一批工件加工后尺寸比较稳定，互换性也较好，可大大提高生产率。但是，专用夹具所固有的只能为一种零件加工所专用的狭隘性，是和产品品种不断变形更新的形势不相适应的，特别是专用夹具的设计和制造周期长，花费的劳动量较大，加工简单零件时不太经济。下一页返回上一页3.2数控铣床刀具与夹具系统4.可调整夹具可调整夹具能有效地克服以上两种夹具的不足，既能满足加工精度，又有一定的柔性，是一种很有发展前途的新颖的机床夹具结构形式。可调整夹具与组合夹具有很大的相似之处，所不同的是它具有一系列整体刚性好的夹具体。在夹具体上，设置有可定位、夹压等多功能的T形槽及台阶式光孔、螺孔，配制有多种夹压定位装置。例如，在加工中心工作台上安装一块与工作台大小一样的平板，如图3-27(a)所示。该平板既可作为大工件的基础板，也可作为多个小工件的公共基础板。又如在卧式加工中心分度工作台上，安装一块如图3-27(b)所示的四周都可装夹一件或多件工件的立方基础板，可依次加工装夹在各面上的工件。下一页返回上一页3.2数控铣床刀具与夹具系统

当一面在加工位置进行加工时，另一面可装卸工件，因此能显著减少换刀次数和停机时间。可调整夹具扩大了夹具的使用范围，只要配制通用夹具装置，即可实现快速调整。其刚性好的特点，能保证加工精度良好，不仅适用于多品种、中小批量生产，而且在小品种、大批量生产中也会显现出明显的优越性。下一页返回上一页3.2数控铣床刀具与夹具系统5.成组夹具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，具有经济、夹压精度高等特点。总之，加工中心上零件夹具的选择要根据零件精度等级，零件结构特点，产品批量及机床精度等情况综合考虑。选择顺序是:优先考虑组合夹具，其次考虑可调整夹具，最后考虑专用夹具、成组夹具。当然，还可使用三爪自定心卡盘、台虎钳等通用夹具。返回上一页3.3数控铣削加工工艺

数控铣削加工的工艺设计是以普通铣削加工工艺设计为基础，考虑和利用数控铣床的特点，充分发挥其优势。工艺设计的关键在于合理安排工艺路线，协调数控铣削工序与其他下序之间的关系，确定数控铣削工序的内容和步骤，并为程序编制准备必要的条件。

3.3.1选择并确定数控铣削的加工部位及内容一般情况下，某个零件并不是所有的表面都需要采用数控加工，应根据零件的加工要求和企业的生产条件具体分析，确定具体的加工部位和内容及要求。具体而言，以下方面适宜采用数控铣削加工:①由直线、圆弧、非圆曲线及列表曲线构成的内外轮廓;下一页返回3.3数控铣削加工工艺②空间曲线或曲面;③形状虽然简单，但尺寸繁多，检测困难的部位;④用普通机床加工时难以观察、控制及检测的内腔、箱体内部等;⑤有严格位置尺寸要求的孔或平面;⑥能够在一次装夹中顺带加工出来的简单表面或形状;⑦采用数控铣削加工能有效提高生产率，减轻劳动强度的一般加工内容而像简单的粗加工表面、需要用专用工装协调的加工内容等则不宜采用数控铣削加工。在具体确定数控铣削的加工内容时，还应结合企业设备条件、产品特点及现场生产组织管理方式等具体情况进行综合分析，以优质、高效、低成本完成零件的加工。下一页返回上一页3.3数控铣削加工工艺3.3.2加工信息的读取及工艺性分析目前数控加工技术在制造业已得到了日益广泛的应用，CAD/CAM技术也在快速地发展，同时由于数控加工对象的复杂性，特别是空间曲面，加工信息一般采用计算机建立的数学模型来描述和传递，并作为数控加工的唯一依据，而传统的二维工程图则作为加工时的参考。对于简单的平面零件，只要能够完全地表达清楚，仍然可以采用二维工程图作为加工依据。故加工信息的读取对象有两类，即二维工程图和数学模型。1.二维工程图样首先检查图样各视图表达的正确性，尺寸、形位公差、表面粗糙度等标注和技术要求及零件材料填写的完整性。按照其他国家标准绘制的二维工程图样，在必要时应进行转换，使其符合我国的国家标准。下一页返回上一页3.3数控铣削加工工艺

对零件进行以下工艺性分析①根据二维工程图样和数学模型分析零件的形状、结构及尺寸的特点，确定零件上是否有妨碍刀具运动的部位，是否有会产生加工干涉或加工不到的区域，零件的最大形状尺寸是否超过机床的最大行程，零件的刚性随着加工的进行是否有太大的变化等。②检查零件的加工要求，如尺寸加工精度、形位公差及表面粗糙度在现有的加工条件下是否可以得到保证，是否还有更经济的加工方法或方案。③在零件上是否存在对刀具形状及尺寸有限制的部位和尺寸要求，如过渡圆角、倒角、配槽宽等，这些尺寸是否过于凌乱，是否可以统一。尽量使用最少的刀具进行加工，减少刀具规格、换刀及对刀次数和时间，以缩短总的加工时间。下一页返回上一页3.3数控铣削加工工艺④对于零件加工中使用的工艺基准应当着重考虑，它不仅决定了各个加工工序的前后顺序，还将对加工后各个加工表面之间的位置精度产生直接的影响。应分析零件上是否有可以利用的工艺基准，对于一般加工精度要求，可以利用零件上现有的一些基准面或基准孔，或者专门在零件上加工出工艺基准。当零件的加工精度要求很高时(如尺寸公差要求0.005mm)，零件多次定位产生的定位误差累积将导致零件加工报废，这时就必须采用先进的统一基准定位装夹系统才能保证加工要求，如瑞士的EROWAITS和瑞士的SYSTEM3R统一基准定位装夹系统，其重复定位精度可以控制在0.002mm以内。下一页返回上一页3.3数控铣削加工工艺⑤分析零件材料的种类、牌号及热处理要求，了解零件材料的切削加工性能，才能合理选择刀具材料和切削参数。同时要考虑热处理对零件的影响，如热处理变形，并在工艺路线中安排相应的工序消除这种影响。而零件的最终热处理状态也将影响工序的前后顺序。⑥当零件上的一部分加工内容已经完成，这时应充分了解零件的已加工状态，数控铣削加工的内容与已加工内容之间的关系，尤其是位置尺寸关系，这些内容之间在加工时如何协调，采用什么方式或基准保证加工要求(如对其他企业的外协零件的加工)。下一页返回上一页3.3数控铣削加工工艺2.数学模型①图形标准。在数学模型传递时，尽量使用相同的CAD/CAM软件，以保证数据的正确。当需要在不同的CAD/CAM软件之间交换数据时，应采用失真最小的图形标准，如二维数学模型用DXF格式，三维数学模型用IGES格式。②数学模型的检查、修改及确认。通过某种途径得到数学模型后，应和设计人员一起对数学模型进行核对、检查，在计算机中可以更直观地观察和分析零件的形状结构特点。如果数据发生了变化，应重新转换或修改，并由设计人员确认，以确保加工数据的唯一性和正确性，这在曲面加工中尤其重要。下一页返回上一页3.3数控铣削加工工艺3.3.3毛坯的选择1.确定毛坯形状及尺寸在根据零件材料及其性能的要求选择了毛坯类型后，要根据零件的形状、结构特点和各工序的加工余量确定毛坯的形状及尺寸。一般板料和型材毛坯留2~3mm的余量，铸件、锻件毛坯要留5~6mm的余量。如有可能，尽量使各个表面上的余量均匀。2.确定毛坯的定位装夹方法主要考虑毛坯在第一道加工工序中定位装夹的可能性和方便性。对于形状规则的零件，如模具的模板，定位问题比较容易解决;而形状不规则的零件，如有内腔的整体结构件，就要仔细分析，必要时可以采用工艺孔或工艺凸台来定位装夹。下一页返回上一页3.3数控铣削加工工艺3.3.4加工表面的加工方案数控铣削的四类加工对象的主要加工表面一般可以采用如表3-2所示的加工方案。

3.3.5制定工艺路线随着数控加工技术的发展，在不同设备和技术条件下，同一个零件的加艺路线会有较大的差别。但关键的是从现有加工条件出发，根据工件形状结构特点合理选择定位基准，确定工件各个加工表面的加工顺序，协调数控铣削工序和其他工序之间的关系，初步设计数控铣削加工工序并考虑整个工艺方案的经济性。下一页返回上一页3.3数控铣削加工工艺1.在中低档数控铣床上加工这类数控铣床一般能够进行三坐标联动，数控系统功能比较适用，但由于主轴功率一般在5~7kW，最大切削进给速度为5~10m/min，加工能力一般，当工件的加工余量较大而且不均匀时，数控铣削的效率就比较低。为充分发挥数控加工的优势，可以与普通机床配合使用，普通机床进行粗加工或半精加工，数控铣床主要进行精加工，在其间穿插安排热处理及其他工序，能够得到较好的加工效果，加工成本也较低。以模具零件加工为例，一般可以采用以下工艺路线:普通机床粗铣、半精铣-热处理(回火、正火)-数控铣床精铣-热处理(淬火、渗碳、氮化)-表面抛光-检验。下一页返回上一页3.3数控铣削加工工艺

在这种方案中值得注意的是如何采取必要的措施保证数控铣削加工工序的加工表面与普通加工工序的加工表面之间的位置尺寸关系。一般可以采用同一基准进行协调，但如果使用普通定位装夹方式，由于多次安装，仍然会有较大的累积定位误差，所以必须确定这种方式是否能满足零件的位置精度要求。下一页返回上一页3.3数控铣削加工工艺2.在高档数控铣床上加工这类数控铣床一般能够进行高速加工、超硬加工，数控系统功能丰富，可进行四、五坐标联动，加工能力很强，对大余量的金属铣削能够达到很高的效率。为减少装夹次数，一般可以将工件需要进行数控加工的内容通过粗加工、半精加工和精加工，在一次装夹中完成。至于粗加工中产生的受力、受热变形等问题，可以采用合理选择切削参数、完全且充分冷却刀具等方法解决。由于采用了高速加工技术及超硬加工的刀具，精加工可以安排在最后进行，且精加工后不需要后续工序。在这种机床条件下，模具零件可以采用以下方案进行加工:数控铣床粗铣、半精铣-热处理(淬火、渗碳、氮化)-数控铣床精铣-检验。下一页返回上一页3.3数控铣削加工工艺3.3.6数控铣削工序设计数控铣削工序设计是工艺设计中的重要内容，这是在制定了工艺路线的基础上考虑程序编制的要求，安排数控铣削工序的具体内容和工步顺序。1.数控铣削工序内容在数控铣削加工工艺分析中所确定的加工内容基础上，根据加工部位的性质、刀具使用情况以及现有的加工条件，将这些加工内容安排在一个或几个数控铣削工序中。