第4章数控铣床加工0511

第四章数控铣削加工技术第一节数控铣床的工艺基础一、分类与结构特点（一）按机床主轴的布置形式及机床的布局特点分类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4-1所示。2．数控卧式铣床如图4-2所示。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，保证机床的整体刚性和强数控卧式铣床度，即数控龙门铣床，有工作台移动和龙门架移动两种形式。返回课件首页第四章数控铣削加工技术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4-3所示。（二）按数控系统的功能分类数控铣床可为经济型数控铣床、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4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，已逐渐得到广泛的应用。返回课件首页二、数控铣床的功能平面类零件数控铣床的功能变斜角类零件的加工数控铣床的功能曲面类零件的加工1．平面轮廓的加工这类零件的表面多由直线和圆弧或各种曲线构成，图4-1为由直线和圆弧构成的平面轮廓，工件轮廓为ABCDEA，采用刀具半径为r的圆柱铣刀沿周向加工，虚线为刀具中心的运动轨迹。当机床具备刀具补偿（G41，G42）功能，且能跨象限编程时，可按轮廓AB、BC、CD、EA划分程序段。当机床不具备G41，G42功能时，则按刀心轨迹A’B’、B’C’、C’D’、D’E’、E’A’划分程序段，并按虚线所示的坐标值编程。当机床不具备自动跨象限功能时，需按象限划分圆弧程序段，使程序段的数目相应增加。为保证加工面光滑，增加了外延PA’，切出外延A’K，让刀具沿KL及LP返回程序起点。在编程时应尽量避免切入和进给中途停顿，以防止在零件表面留下划痕。图4-1平面轮廓铣削对平面轮廓为任意曲线的加工，需要采用直线段或圆弧段逼近的方法进行“节点”计算，并按节点划分程序段。2．曲面轮廓的加工立体曲面的加工应根据曲面形状、刀具形状（球状、柱状、端齿）以及精度要求采用不同的铣削方法，如二轴半、三轴、四轴、五轴等插补联动加工。(1)二轴联动的三轴行切法加工X，Y，Z三轴中任意两轴作联动插补，第三轴作单独的周期进刀，称为两轴半联动。如图4-2所示，将X向分成若干段，圆头铣刀沿YZ面所截的曲线进行铣削，每一段加工完后进给ΔX，再加工另一相邻曲线，如此依次切削即可加工出整个曲面。在行切法中，要根据轮廓表面粗糙度的要求及刀头不干涉相邻表面的原则选取ΔX。行切法加工中通常采用球头铣刀（亦称指状铣刀）。球头铣刀的刀头半径应选得大些，有利于散热，但刀头半径不应大于曲面的最小曲率半径。图4-2曲面行切法用球头铣刀加工曲面时，总是用刀心轨迹的数据进行编程。图4-3为二轴半坐标加工的刀心轨迹与切削点轨迹示意图。ABCD为被加工曲面，P平面为平行于YZ坐标面的一个行切面，其刀心轨迹O1O2为曲面ABCD的等距面IJKL与行切面PYZ的交线，显然O1O2是一条平面曲线。在此情况下，曲面的曲率变化会导致球头刀与曲面切削点的位置改变，因此切削点的连线必是一条空间曲线，从而在曲面上形成扭曲的残留沟纹。由于二轴半坐标加工的刀心轨迹为平面曲线，故编程计算比较简单，数控逻辑装置也不复杂，常在曲率变化不大及精度要求不高的粗加工中使用。图4-3二轴半坐标加工(2)三轴联动加工X，Y，Z三轴可以同时插补联动。用三轴联动加工曲面时，通常也用行切方法。如图4-4所示，P平面为平行于YZ坐标面的一个行切面，它与曲面的交线为ab，若要求ab为一条平面曲线，则应使球头刀与曲面的切削点总是处在平面曲线ab上（即沿ab切削），以获得规则的残留沟纹。显然，这时的刀心轨迹O1O2不在PYZ平面上，而是一条空间曲线（实际上是空间折线），因此需要X，Y，Z三轴联动。三轴联动加工常用于复杂空间曲面的精确加工（精密锻模），但编程计算较为复杂，所用机床的数控装置还必须具备三轴联动功能。图4-4三坐标加工(3)四轴加工如图4-4所示的工件，侧面为直纹扭曲面。若在三坐标联动的机床上用球头铣刀按行切法加工时，不但生产效率低，而且表面粗糙度大。为此，采用圆柱铣刀周边切削，并用四轴控制铣床加工。即除三个直角坐标运动外，为保证刀具与工件型面在全长始终贴合，刀具还应绕O1（或O2）作摆角联动。由于摆角运动导致直角坐标（图中Y轴）需作附加运动，所以其编程计算较为复杂。(4)五轴加工螺旋桨叶片是五轴加工的典型零件之一，其叶片的形状和加工原理如图4-5所示。图4-5五坐标加工3．数控铣床的编程特点数控铣床可通过两轴联动加工零件的平面轮廓，通过二轴半控制、三轴或多轴联动来加工空间曲面零件，由以上分析可知，数控铣床加工编程具有如下特点：(1)首先应进行合理的工艺分析。由于零件加工的工序多，在一次装卡下，要完成粗加工、半精加工和精加工，周密合理地安排各工序的加工顺序，有利于提高加工精度和生产效率。(2)尽量按刀具集中法安排加工工序，减少换刀次数。(3)合理设计进、退刀辅助程序段，选择换刀点的位置，是保证加工正常进行，提高零件加工精度的重要环节。(4)对于编好的程序，必须进行认真检查，并于加工前进行试运行，以减少程序出错率。第四章数控铣削加工技术三数控铣削的加工工艺分析数控铣削加工是实际生产中最常用和最主要的数控加工方法之一，它的特点是能同时控制多个坐标轴运动，并使多个坐标方向的运动之间保持预先确定的关系，从而把工件加工成某一特定形状的零件。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进行具体的分析，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；返回课件首页第四章数控铣削加工技术（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。2、工步的划分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。（1）当加工中使用的刀具较多时，为了减少换刀次数，缩短辅助时间，可以将一把刀具所加工的内容安排在一个工序（或工步）中。返回课件首页第四章数控铣削加工技术（2）按照工件加工表面的性质和要求，将粗加工、精加工分为依次进行的不同工序（或工步）。先进行所有表面的粗加工，然后再进行所有表面的精加工。（3）按照从简单到复杂的原则，先加工平面、沟槽、孔，再加工外形、内腔，最后加工曲面；先加工精度要求低的表面，再加工精度要求高的部位等。3.确定加工路线1）走刀路线：是数控加工中刀具刀位点相对工件运动的轨迹及方向。走刀路线既包括了工步的内容，也反映出工步安排的顺序，是编写程序的重要依据。因此，要合理地选择走刀路线。在确定走刀路线时最好画一张工序简图，将已经拟定出的走刀路线画上去，这样可以给程序编制带来许多的方便。2)合理的走刀路线:是指能保证零件加工精度、表面粗糙度要求，数值计算简单，程序段少，编程量小，走刀路线最短，空程最少的高效率路线。确定加工路线主要考虑因素有：返回课件首页第四章数控铣削加工技术（1）加工路线尽量短，以减少加工时间（2）铣削零件表面时，尽量采用顺铣，以提高加工质量（3）合理选择进刀、推刀位置，并使刀具沿零件的切线方向进刀、推刀，以避免产生刀痕。（4）先加工外轮廓，后加工内轮廓。4、刀具选择刀具的选择是数控加工工艺中重要的内容之一，它不仅影响机床的加工效率，而且直接影响加工质量。编程时，选择刀具通常要考虑机床的加工能力、工序内容、工件材料等因素。与传统的加工方法相比，数控加工对刀具的要求更高。不仅要求精度高、刚度好、耐用，而且要求尺寸稳定、安装调整方便。1）铣刀类型的选择选取刀具时，要使刀具的尺寸与被加工工件的表面尺寸和形状相适应。生产中，平面零件周边轮廓的加工，常采用立铣刀。铣削平面时，应选硬质合金刀片铣刀；加工凸台、凹槽时，选高速钢立铣刀；加工毛坯表面或粗加工孔时，可选镶硬质合金的玉米铣刀。返回课件首页第四章数控铣削加工技术对一些立体型面和变斜角轮廓外形的加工，常采用球头铣刀、环形铣刀、鼓形刀、锥形刀和盘形刀。曲面加工常采用球头铣刀，但加工曲面较平坦部位时，刀具以球头顶端刃切削，切削条件较差，因而应采用环形刀。在单件小批量生产中，为取代坐标联动的机床，常采用鼓形刀或锥形刀来加工飞机上一些变斜角零件。2）常用铣刀的刀具运动方式在数控铣削加工中，常用立铣刀和球头铣刀两类。3）铣刀主要参数的选择选择面铣刀加工时，标准可转位面铣刀直径为Φ16~Φ630mm。应根据侧吃刀量选择适当的铣刀直径，尽量包容工件整个加工宽度，以提高加工精度和效率，减小相邻两次进给之间的接刀痕迹和保证铣刀的耐用度。粗铣时，铣刀直径要小些，因为粗铣切削力大，选小直径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，并减小相邻两次进给之间的接刀痕迹。返回课件首页刀具附件(回转工作台)附件(卸刀座)第四章数控铣削加工技术5．切削用量的选择切削参数的选择是工艺设计和程序编制时一个重要的内容，其合理性会直接影响工艺方案的实施和加工效果。数控铣削时切削参数主要根据工件材料、加工要求、刀具材料和刀具尺寸确定，同时还应考虑机床的性能，如机床刚性、主轴功率等。一般按照以下步骤进行：（1）根据工件材料和刀具材料查表确定切削速度，再由刀具直径可得到主轴转速；（2）根据机床功率确定切削深度；（3）根据切削深度查表确定每齿进给量；（4）根据主轴转速及每齿进给量可得切削进给速度。返回课件首页第四章数控铣削加工技术第二节数控铣削的程序编制一、数控铣削编程的基本原理由图可知，数控铣床编程就是按照数控系统的格式要求，根据事先设计的刀具运动路线，将刀具中心运动轨迹上或零件轮廓上各点的坐标编写成数控加工程序。二、加工程序指令数控机床加工中的动作在加工程序中用指令的方式事先予以规定，这类指令有准备功能G、辅助功能M、刀具功能T、主轴转速功能S和进给功能F之分。对于准备功能G和辅助功能M，我国已依据（ISO105-1975（E）国际标准制订了我国JB3208-83部颁标准。编程人员在编程前必须对自己使用的数控系统的功能进行仔细的研究，以免发生错误。1．准备功能;2．辅助功能;3．F、T、S功能如教材表4-14-2等返回课件首页三.坐标系与编程零点1机床坐标系数控铣床坐标系为右手笛卡儿坐标系，三个坐标轴互相垂直。即以机床主轴轴线方向为Z轴，刀具远离工件的方向为Z轴正方向。X轴位于与工件安装面相平行的水平面内，对于卧式铣床，人面对机床主轴，左侧方向为X轴正方向；对于立式铣床，人面对机床主轴，右侧方向为X轴正方向。Y轴方向则根据X，Z轴按右手笛卡儿直角坐标系来确定。机床坐标系是机床本身固有的，机床坐标系的原点称为机床零点。每次启动机床后，机床三个坐标轴依次走到机床正方向的一个极限位置，这个极限位置是机床装配完工后确定的一个固定位置，机床三个坐标所达到的这个位置就是机床参考点。2工件坐标系工件坐标系是用来确定工件几何形体上各要素的位置而设置的坐标系，工件坐标系的原点即为工件零点。工件零点的位置是任意的，它是由编程人员在编制程序时根据零件的特点选定的。在选择工件零点的位置时应注意：①工件零点应选在零件图的尺寸基准上，这样便于坐标值的计算，并减少错误；②工件零点尽量选在精度较高的工件表面，以提高被加工零件的加工精度；③对于对称的零件，工件零点可设在对称中心上；④对于一般零件，工件零点设在工件外轮廓的某一角上；⑤Z轴方向上的零点，一般设在工件上表面。机床坐标系与工件坐标系的关系如图所示。图机床坐