第二章数控铣床

第1页第二章数控铣床机械制造技术装备及设计2013年8月数控机床是指采用数控技术进行控制的机床，用于完成铣削加工的数控机床称为数控铣床。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、较孔、镗孔和攻螺纹等。第2页一、数控铣床的组成数控铣床一般由输入装置、数控装置、驱动装置、机床本体、检测装置等组成。第3页一、数控铣床的组成4第4页二、数控铣床基础知识1数控铣床特点数控铣床是主要采用铣削方式加工工件的数控机床，能完成各种平面、沟槽、螺旋槽、成型表面、平面曲线和空间曲线等复杂型面的加工。与普通铣床相比，数控铣床具有以下特点：半封闭或全封闭式防护主轴无级变速且变速范围宽采用手动换刀，刀具装夹方便一般为三坐标联动应用广泛第5页二、数控铣床基础知识2数控铣床主要功能各种类型数控铣床所配置的数控系统虽然各有不同，但各种数控系统的功能，除一些特殊功能不尽相同外，其主要功能基本相同。点位控制功能此功能可以实现对相互位置精度要求很高的孔系加工。连续轮廓控制功能此功能可以实现直线、圆弧的插补功能及非圆曲线的加工。刀具半径补偿功能此功能可以根据零件图样的标注尺寸来编程，而不必考虑所用刀具的实际半径尺寸，从而减少编程时的复杂数值计算。刀具长度补偿功能此功能可以自动补偿刀具的长短，以适应加工中对刀具长度尺寸调整的要求。比例及镜像加工功能比例功能可将编好的加工程序按指定比例改变坐标值来执行。镜像加工又称轴对称加工，如果一个零件的形状关于坐标轴对称，那么只要编出一个或两个象限的程序，而其余象限的轮廓就可以通过镜像加工来实现。旋转功能该功能可将编好的加工程序在加工平面内旋转任意角度来执行。子程序调用功能有些零件需要在不同的位置上重复加工同样的轮廓形状，将这一轮廓形状的加工程序作为子程序，在需要的位置上重复调用，就可以完成对该零件的加工。第6页⑴按通用铣床方法分类⑵按构造上分类立式数控铣床卧式数控铣床立卧两用数控铣床工作台升降式数控铣床主轴头升降式数控铣床龙门式数控铣床3数控铣床分类经济型数控铣床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，主要用于精度要求不高的简单平面或曲面零件加工。全功能数控铣床全功能数控铣床一般采用半封闭或闭环控制，控制系统功能较强，数控系统功能丰富，一般可实现四坐标或以上的联动，加工适应性强，应用最为广泛。高速铣削数控铣床我们一般把主轴转速在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（主体结构及材料变化）、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.第7页3数控铣床主要加工对象铣削加工是机械加工中最常用的加工方法之一，它主要包括平面铣削和轮廓铣削，也可以对零件进行钻、扩、铰、镗、锪加工及螺纹加工等。数控铣削主要适合于下列几类零件的加工。（1）平面类零件平面类零件是指加工面平行或垂直于水平面，以及加工面与水平面的夹角为一定值的零件，这类加工面可展开为平面。a)轮廓面Ab)轮廓面Bc)轮廓面C第8页（2）变斜角（直纹曲面）类零件直纹曲面类零件是指由直线依某种规律移动所产生的曲面类零件。（加工面与水平面的平角呈连续变化的零件称为变斜角零件。直纹曲面第9页（3）立体曲面类零件加工面为空间曲面的零件称为立体曲面类零件。这类零件的加工面不能展成平面，一般使用球头铣刀切削，加工面与铣刀始终为点接触，若采用其它刀具加工，易于产生干涉而铣伤邻近表面。加工立体曲面类零件一般使用三坐标数控铣床，采用以下两种加工方法。(1)行切加工法采用三坐标数控铣床进行二轴半坐标控制加工，即行切加工法。如图所示:第10页(2)三坐标联动加工采用三坐标数控铣床三轴联动加工，即进行空间直线插补（3）立体曲面类零件加工面为空间曲面的零件称为立体曲面类零件。这类零件的加工面不能展成平面，一般使用球头铣刀切削，加工面与铣刀始终为点接触，若采用其它刀具加工，易于产生干涉而铣伤邻近表面。加工立体曲面类零件一般使用三坐标数控铣床，采用以下两种加工方法。第11页（4）箱体类零件箱体类零件一般是指具有一个以上孔系，内部有一定型腔或空腔，在长、宽、高方向有一定比列的零件。箱体类零件的加工方法，主要有以下几种。•当既有面又有孔时，应先铣面，后加工孔。•所有孔系都先完成全部孔的粗加工，再进行精加工。•一般情况下，直径Ф30的孔都应铸造出毛坯孔。•直径Ф30的空可以不铸出毛坯孔，孔和孔的端面全部加工都在加工中心上完成。•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。•对于跨距较大的箱体的同轴孔加工，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，提高加工质量。•螺纹加工，一般情况下，M6以上、M20以下的螺纹孔可以在加工中心上完成。第12页4数控铣床常用刀柄及刀具⑴刀柄圆柱铣刀刀柄锥柄钻头刀柄盘铣刀刀柄直柄钻头刀柄镗刀刀柄丝锥刀柄增速刀柄中心冷却刀柄多刀刀柄角度刀柄第13页⑵刀具刀具材料应具备的基本性能：刀具材料是指刀具切削部分的材料。金属切削时，刀具切削部分直接和工件及切屑相接触，受到很大的切屑压力和冲击，并受到工件切屑的剧烈摩擦，产生很高的切屑温度。也就是说，刀具切削部分是在高温高压及剧烈摩擦的恶劣条件下工作的。硬度：刀具材料的硬度必须高于加工工件材料的硬度，否则在高温高压下，就不能保持刀具锋利的几何形状，这是刀具材料应具备的最基本特征。目前，切削性能最差的刀具材料——碳素工具钢，其硬度在室温条件下也应在62HRC以上；高速钢的硬度为63~70HRC；硬质合金的硬度为89~93HRC。HRC和HRA都属于洛氏硬度，HRA硬度一般用于高值范围（大于70），HRC硬度的有效范围是20~70。60~65HRC的硬度相当于81~83.6HRA或维氏硬度687~830HV。足够的强度和韧性：刀具切削部分的材料在切削时要承受很大的切削力和冲击力。例如，车削45钢时，当ap=4mm，ƒ=0.5mm/r时，刀具要承受大约4000N的切削力。因此，刀具材料必须要有足够的强度和韧性。一般刀具材料的抗弯强度σbb（单位Pa）表示它的强度大小；用冲击韧度ak（单位J/cm2）表示韧性的大小，它反映刀具材料抗脆性断裂和崩刃的能力。第14页耐磨性和耐热性刀具材料的耐磨性是指抵抗磨损的能力。一般说来，刀具材料硬度越高，耐磨性越好。良好的导热性刀具材料的导热性用热导率[单位为W／(m·K)]来表示。热导率大，表示导热性好，切削时产生的热量容易传导出去，从而降低切削部分的温度，减轻刀具磨损。良好的的工艺和经济性为了便于制造、要求刀具材料有较好的可加工性，包括锻压、焊接、切削加工、热处理，可磨性等。抗粘接性防止工件与刀具材料分子间在高温高压作用下发生相互吸附产生粘接。化学稳定性指刀具材料在高温下，不易与周围介质发生化学反应。刀具材料的选用现今所采用的刀具材料，大体上分为五大类：高速钢（Highspeedsteel）、硬质合金（Cementcarbide）、陶瓷（Ceramics）、立方氮化硼（Cubicboronnitride）、聚晶金刚石（Polycrystaldiamond，PLD）。第15页刀具的分类：在数控铣床上使用的刀具主要为铣刀，包括面铣刀、立铣刀、球头铣刀、三面刃盘铣刀、环形铣刀等，除此以外还有各种孔加工刀具，如钻头（锪钻、铰刀、镗刀等）、丝锥等。数控加工刀具可分为常规刀具和模块化刀具两大类。模块化刀具是发展方向。发展模块化刀具的主要优点：减少换刀停机时间，提高生产加工时间；加快换刀及安装时间，提高小批量生产的经济性；提高刀具的标准化和合理化的程度；提高刀具的管理及柔性加工的水平；扩大刀具的利用率，充分发挥刀具的性能；有效地消除刀具测量工作的中断现象，可采用线外预调。第16页刀具的分类：常用铣刀：机夹式立铣刀整体式立铣刀①立铣刀第17页②环型铣刀环型铣刀③球头铣刀机夹式球头铣刀整体式球头铣刀第18页机夹式钻头整体式钻头铰刀镗刀丝锥其它铣刀：螺纹铣刀第19页其它铣刀：三面刃盘铣刀面铣刀第20页数控加工刀具的特点：为了达到高效、多能、快换、经济的目的，数控加工刀具与普通金属切削刀具相比应具有以下特点：（1）刀片及刀柄高度的通用化、规格化、系列化。（2）刀片或刀具的耐用度及经济寿命指标的合理性。（3）刀具或刀片几何参数和切削参数的规范化、典型化。（4）刀片或刀具材料及切削参数与被加工材料之间应相匹配。（5）刀具应具有较高的精度，包括刀具的形状精度、刀片及刀柄对机床主轴的相对位置精度、刀片及刀柄的转位及拆装的重复精度。（6）刀柄的强度要高、刚性及耐磨性要好。（7）刀柄或工具系统的装机重量有限度。（8）刀片及刀柄切入的位置和方向有要求。（9）刀片、刀柄的定位基准及自动换刀系统要优化。第21页选择刀具应考虑的因素：随着机床种类、型号、工件材料的不同以及其他因数而得到的加工效率是不相同的。选择刀具应考虑的因数归纳起来有如下内容。（1）被加工工件的材料及性能如金属、非金属等不同材料，材料的硬度、耐磨性、韧性等。（2）切削加工工艺的类别有车、钻、铣、镗或粗加工、半精加工、精加工、超级精加工等。（3）工件的几何形状、零件精度、加工余量等因数。（4）刀具能承受的背吃刀量、进给速度、切削速度等切削参数。（5）其他因数如现生产的状况。第22页.选用数控铣刀时注意事项：（1）在数控机床上铣削平面时，应采用可转位式硬质合金刀片铣刀。一般采用两次走刀，一次粗走，一次精走。当连续切削时，粗铣刀直径要小些一减小切削扭矩，精铣刀直径要大一些，最好包容待加工表面的整个宽度。（2）高速钢立铣刀多用于加工凸台和凹槽，最好不要用于加工毛坯面，因为毛坯面有硬化层和夹砂现象，会加速刀具的磨损。（3）加工余量较小，并且要求表面粗糙度值较低时，应采用立方氮化硼刀片端铣刀或陶瓷刀片端铣刀。（4）镶硬质合金的立铣刀可用于加工凹槽、窗口面、凸台面和毛坯表面。（5）镶硬质合金的的玉米铣刀可以进行强力切削，铣削毛坯表面和用于孔的粗加工。（6）加工精度要求较高的凹槽时，可采用直径比槽宽小一些的立铣刀，先铣槽的中间部分，然后利用刀具半径补偿功能铣削槽的两边，直到达到精度要求为止。（7）在数控铣床上钻孔，一般不采用钻模，钻孔的为深度为直径5倍左有的深孔加工容易折断钻头，可采用固定循环程序，多次自动进退，以利用冷切和排屑。第23页数控铣削刀具的基本要求（1）铣刀刚性要好（2）铣刀的耐用度要高铣刀齿数的选择铣刀齿数多，可提高生产效率，但受容屑空间、刀齿强度、机床功率及刚性等的限制，不同直径的铣刀的齿数均有相应规定。为满足不同用户的需要，同一直径的铣刀一般有粗齿、中齿、密齿三种类型。（1）粗齿铣刀（2）中齿铣刀（3）密齿铣刀第24页铣刀类型选择被加工零件的几何形状是选择刀具类型的主要依据。（1）加工曲面类零件时，为了保证刀具切削刃与加工轮廓在切削点相切，而避免刀刃与工件轮廓发生干涉，一般采用球头刀，粗加工用两刃铣刀，半精加工和精加工用四刃铣刀。（2）铣较大平面时，为了提高生产效率和提高加工表面粗糙度，一般采用刀片镶嵌式盘形铣刀。（3）铣小平面或台阶面时一般采用通用铣刀。（4）铣键槽时，为了保证槽的尺寸精度、一般用两刃键槽铣刀。（5）孔加工时，可采用钻头、镗刀等孔加工类刀具。第25页铣刀结构选择铣刀一般由刀片、定位元件、夹紧元件和刀体组成。由于刀片在刀体上有多种定位与夹紧方式，刀片定位元件的结构又有不同类型，因此铣刀的结构形式有多种，分类方法也较多。（1）平装结构(刀片径向排列)平装结构铣刀的刀体结构工艺性好，容易加工，并可采用无孔刀片(刀片价格较低，可重磨)。由于需要夹紧元件，刀片的一