数控铣削加工工艺分析

2023-06-26 理论教育版权反馈

【摘要】：数控铣床加工的程序是数控铣床的指令性文件，数控铣床受控于程序指令，加工的全过程都是按程序指令自动进行的，因此，数控铣床加工工艺与普通铣床工艺规程有较大差别，涉及的内容也较广。数控铣削加工前，应保证各加工面均有较充分的余量。

1.数控铣削的工艺特点

工艺规程是针对工人在加工时的指导性文件。由于普通铣床受控于操作工人，因此，在普通铣床上用的工艺规程实际上只是一个工艺过程卡，铣床的切削用量、进给速度、工序的工步等往往都是由操作工人自行选定。数控铣床加工的程序是数控铣床的指令性文件，数控铣床受控于程序指令，加工的全过程都是按程序指令自动进行的，因此，数控铣床加工工艺与普通铣床工艺规程有较大差别，涉及的内容也较广。数控铣床加工程序不仅要包括零件的工艺过程，而且还要包括切削用量、走刀路线、刀具尺寸以及铣床的运动过程，因此要求编程人员对数控铣床的性能特点、运动方式、刀具系统、切削规范以及工件的装夹方法都要非常熟悉。工艺方案的好坏不仅会影响铣床效率的发挥，而且将直接影响到零件的加工质量。

2.数控铣床加工工艺的主要内容

（1）零件图的工艺性分析数控铣削加工对零件图进行工艺分析时应注意以下几个要点：

1）图样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。

2）内槽及缘板之间的内转接圆弧是否过小。因为这种内圆弧半径常常限制刀具的直径，故其不可过小。如图5-13所示，如工件的被加工轮廓高度低，则转接圆弧半径大，可以采用较大直径的铣刀来加工。加工其腹板面时，走刀次数也相应减少，表面质量也会好一些，因此工艺性较好，反之，数控铣削工艺性较差。一般来说，当R<0.2H（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。

3）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5-14所示，当r越大时，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。因为铣刀与铣削平面接触的最大直径d=D-2r（D为铣刀直径），当D越大而r越小时，铣刀端刃铣削平面的面积越大，加工平面的能力越强，铣削工艺性当然也越好。有时候，当铣削的底面面积较大，底部圆弧r也较大时，不得不用两把r不同的铣刀（一把r小些，另一把r符合零件图要求）进行两次切削。

图5-13 缘板高度及内转接圆弧对零件铣削工艺性的影响

图5-14 零件底面圆弧对铣削工艺性影响

4）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。因为在数控铣床上多换一次刀要增加不少新问题，如增加铣刀规格、计划停车次数和对刀次数等，不但给编程带来许多麻烦，增加生产准备时间而降低生产率，而且也会因频繁换刀增加工件加工面上的接刀阶差而降低表面质量。所以，在一个零件上的这种凹圆弧半径在数值上的一致性对数控铣削的工艺性显得相当重要。一般来说，即使不能寻求完全统一，也要力求将数值相近的圆弧半径分组靠拢，达到局部统一，以尽量减少铣刀规格与换刀次数。

5）零件上有无统一基准。统一基准可保证两次装夹加工后其相对位置的正确性。有些工件需要在铣完一面后再重新安装铣削另一面，如图5-15所示的工件，最好采用统一基准定位，因此零件上最好有合适的孔作为定位基准孔。如果零件上没有基准孔，也可以专门设置工艺孔作为定位基准（如在毛坯上增加工艺凸耳或在后继工序要铣去的余量上设基准孔）。如实在无法制出基准孔，起码也要用经过精加工的面作为统一基准。

图5-15 必须两次安装加工的零件

6）分析零件的形状及原材料的热处理状态，考虑零件会不会在加工过程中变形，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，如对钢件进行调质处理，对铸铝件进行退火处理，对不能用热处理方法解决的，也可考虑粗、精加工及对称去余量等常规方法。

（2）零件毛坯的工艺性分析根据经验，下列几方面应作为毛坯工艺性分析的要点：

1）毛坯的加工余量是否充分，批量生产时的毛坯余量是否稳定。数控铣削加工前，应保证各加工面均有较充分的余量。有必要在加工前事先对毛坯的设计进行必要的更改，或在设计时充分考虑毛坯余量。

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与方便性，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5-16所示的工件，加工上、下腹板与内、外轮廓时因缺少定位安装面造成装夹困难，这时只要在上、下两筋上分别增加两个工艺凸台就可以较好地解决装夹问题了。又如图5-17所示，该工件缺少定位用的基准孔，用其他方法很难保证工件的定位精度，如果在图示位置增加两个工艺凸耳，在凸耳上制出定位基准孔就可以解决这一问题了。对于增加的工艺凸台或凸耳，可以在它们完成定位安装使命后通过补加工去掉。

3）分析毛坯的余量大小及均匀性。主要考虑在加工时要不要分层切削，分几层切削，是否应采取变形预防性措施与补救措施。

图5-16 在毛坯上增加工艺凸台以提高定位面的稳定性

图5-17 在毛坯上增加工艺凸耳以提高定位精度

（3）铣削加工路线的确定在数控铣削加工中，为减少接刀的痕迹，保证轮廓表面的质量，切入、切出部分应考虑外延，因此要仔细设计刀具的切入和切出程序。如图5-18所示，铣削外表面轮廓时，铣刀的切入和切出点应沿工件轮廓曲线的延长线切向切入和切出工件表面，而不应沿法线直接切入工件，避免在加工表面上产生划痕，以确保零件轮廓光滑。图5-19为切向切入切出的进给路线图，尤其适用于精铣。

图5-18 铣削外表面轮廓的切入和切出方式

图5-19 切向切入、切出进给路线图

a）切向切入图 b）切向切出图

铣削整圆时，不但要注意安排好刀具的切入、切出，还要尽量避免交接处重复加工。以免出现明显的界痕。在整圆加工完毕后，不要在切点处取消刀补和退刀，而要安排一段沿切线方向继续运动的距离，避免取消刀补时因刀具与工件相撞而报废工件和刀具。图5-20所示为铣削外圆的加工路线，当铣切内圆时，也应切向切入，最好安排从圆弧过渡到圆弧的加工路线，切出时也应多安排一段过渡圆弧再退刀，以减少接刀处的接痕。图5-21所示为铣切内圆的加工路线示意图。

图5-20 铣削外圆时的加工路线图

图5-21 铣削内圆时的加工路线图

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。但不同的进给路线会带来不同的加工结果。图5-22所示为加工内槽的三种进给路线。所谓内槽，是指以封闭曲线为边界的平底凹坑。这种内槽在飞机零件中常见，一律用平底立铣刀加工，刀具圆角半径应符合内槽的图样要求。图5-22a、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5-22c所示则表示先用行切法，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，在这三种方案中，图5-22c所示代表的方案最佳。

图5-22 凹槽铣削加工的进给路线

a）行切法 b）环切法 c）先行切后环切 1—工件凹槽轮廓 2—铣刀

此外，加工过程中的工件、刀具、夹具、机床这一工艺系统会暂时处于动态平衡的弹性变形状态下，若进给停顿，切削力明显减小，则会改变系统的平衡状态，刀具会在进给停顿处的工件表面留下划痕，因此在轮廓加工中应避免进给停顿。

铣削曲面时，常用球头刀进行加工。图5-23所示表示加工边界敞开的直纹曲面可能采取的3种进给路线，即沿曲面的Y向行切，沿X向的行切和环切。对于直母线的叶面加工，采用图5-23b所示的方案，每次直线进给，刀位点计算简单，程序段短，而且加工过程符合直纹面的形成规律，可以准确保证母线的直线度。当采用图5-23a所示的加工方案时，符合这类工件表面数据的给出情况，便于加工后检验，保证叶形的准确度高。由于曲面工件的边界是敞开的，没有其他表面限制，所以曲面边界可以外延。为保证加工的表面质量，球头刀应从边界外进刀和退刀。图5-23c所示的环切方案一般应用在凹槽加工中，在型面加工中由于编程繁琐，一般都不用。

图5-23 加工直纹面的3种进给路线

a）Y方向行切 b）X方向行切 c）环切

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加工精度都有利。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。

（4）铣削加工切削用量的确定

1）主轴转速的确定。主轴转速应根据允许的切削速度和工件（或刀具）的直径来选择，一个重要的参数为切削速度。决定切削速度的因素很多，其中以刀具材质、切削深度与进刀量等为主要因素。表5-2给出了常用铣刀的推荐切削速度，表5-3给出了常用铣刀的走刀量。

表5-2 铣刀的推荐切削速度（单位：m/min）

表5-3 常用铣刀的走刀量（单位：mm/z）

（续）

2）切削深度的确定。切削深度主要根据机床、夹具、工件和刀具的刚度来决定。在刚度允许的条件下，应尽可能加大切削深度，以减少走刀次数，提高生产率。为了保证加工精度和表面质量，一般都要留一点余量给最后精加工。数控加工中的精加工余量可小于普通加工。

3）进给速度的确定。进给速度（单位为mm/r或mm/min）主要根据零件的加工精度和表面质量要求以及刀具、工件的材料性质选取。

一般来说，当工件的质量要求能够得到保证时，为提高生产率，可选择较高的进给速度；用高速钢刀具加工时，宜选择较低的进给速度，一般在20～50mm/min范围内；当加工精度、表面质量要求高时，进给速度应选小些，一般在20～50mm/min范围内；当刀具空行程时，特别是远距离“回零”时，可以选择该机床数控系统的最高进给速度。

在选择进给速度时，还要注意零件加工中的某些特殊因素。例如在轮廓加工中，应考虑由于惯性或工艺系统的变形而造成轮廓拐角处的“超程”或“欠程”。如图5-24所示，铣刀由A处向B处运动，当进给速度较高时，由于惯性作用，在拐角B处可能出现“超程过切”现象，即将拐角处的金属多切去一些，使轮廓表面产生误差。解决的办法是：选择变化的进给速度。即编程时，在接近拐角前适当地降低进给速度，过拐角后再逐渐增速。

图5-24 过切现象与控制

数控铣削加工工艺分析

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