典型结构数控铣削加工工艺优化策略

1.平面铣削工艺

（1）平面铣削加工需要考虑的几个问题平面铣削是控制加工工件高度的加工。平面铣削相对复杂的轮廓运动显得比较简单，通常使用的切削刀具是面铣刀，为多齿刀具。但在小面积范围内有时也使用立铣刀进行平面铣削，面铣刀加工垂直于它的轴线的工件上表面。

在CNC编程中，平面铣削工艺需要考虑以下几个问题：刀具直径的选择、铣削中刀具相对于工件的位置、刀具的刀齿。

1）铣刀直径的选择。平面铣削最重要的一点是对面铣刀直径尺寸的选择。对于单次平面铣削，平面铣刀最理想的宽度应为材料宽度的1.3～1.6倍。如果需要切削的宽度为80mm，那么选用直径为120mm的面铣刀比较合适。1.3～1.6倍的比例可以保证切屑较好地形成和排出。

对于面积太大的平面，由于受到多种因素的限制，如考虑到机床功率等级、刀具和可转位刀片几何尺寸、安装刚度、每次切削的深度和宽度以及其他加工因素，面铣刀刀具直径不可能比平面宽度更大时，宜多次铣削平面。

应尽量避免面铣刀刀具的全部刀齿参与铣削，即应该避免对宽度等于或稍微大于刀具直径的工件进行平面铣削。面铣刀整个宽度全部参与铣削（全齿铣削）会迅速磨损镶刀片的切削刃，并容易使切屑粘结在刀齿上。此外，工件表面质量也会受到影响，严重时会造成镶刀片过早报废，从而增加加工的成本。

2）铣削中刀具相对于工件的位置。CNC编程中，铣削中刀具相对于工件的位置可用面铣刀进入工件材料时的铣刀切入角来决定。

平面铣刀的切入角由刀心位置相对于工件边缘的位置决定。如图5-33a所示，刀心位置在工件内（但不跟工件中心重合），切入角为负；如图5-33b所示，刀具中心在工件外，切入角为正。刀心位置与工件边缘线重合时，切入角为零。在选定刀具相对于工件的位置时还应注意以下几点。

图5-33 切削切入角（W为切削宽度）

a）负切入角 b）正切入角

①如果工件只需一次切削，应该避免刀心轨迹与工件中心线重合。刀具中心处于工件中间位置时将容易引起颤振，从而使加工质量较差，因此，刀具轨迹应偏离工件中心线。

②当刀心轨迹与工件边缘线重合时，切削镶刀片进入工件材料时的冲击力最大，是最不利于刀具和加工的情况。因此，应该避免刀具中心线与工件边缘线重合。

③如果切入角为正，刚刚切入工件时，刀片相对工件材料冲击速度大，引起的碰撞力也较大。所以正切入角容易使刀具破损或产生缺口，基于此，拟订刀心轨迹时，应避免正切入角的产生。

④使用负切入角时，已切入工件材料镶刀片承受最大切削力，而刚切入（撞入）工件的刀片将受力较小，引起的碰撞力也较小，从而可延长镶刀片的寿命，且引起的振动也小一些。

因此使用负切入角是首选的方法。通常应该尽量让面铣刀中心在工件区域内，这样就可确保切入角为负。且工件只需一次切削时可避免刀具中心线与工件中心线重合。

再比较图5-34所示的两个刀路，虽然都使用负切入角，但图5-34a所示的面铣刀整个宽度全部参与铣削，刀具容易磨损；图5-34b所示的铣削路线是正确的。

图5-34 负切入角的两种刀路的比较

3）刀具的刀齿。CNC加工中，典型的面铣刀为具有可互换的硬质合金可转位刀片的多齿刀具。平面铣削操作中并不是所有的镶刀片都同时参与加工，每一可转位刀片只在主轴旋转一周内的部分时间中参与工作，这种断续切削的特点与刀具寿命有重要的关联。可转位刀片的几何角度、切削刀片的数量都对面铣加工产生重要的影响。

平面铣刀为多齿切刀。刀具可转位刀片数量与刀具有效直径之间的关系通常称为刀具密度或刀具节距。

根据刀具刀齿密度，可将常见的平面铣刀分为下面3类：

①小密度型。可转位刀片之间距离较大。

②中密度型。可转位刀片之间距离一般。

③大密度型。可转位刀片之间距离较小。

常见的小密度类型的刀具通常是比较合适的选择。密齿铣刀因为镶刀片密度过大，同时进入工件的刀片越多，所需的机床功率就越大，而且不一定能保证足够的切削间隙，从而使切屑能够及时排出以不堵塞切刀，因此它用在切屑量小的精加工场合。刀齿密度选择时又要保证在任何时刻都能至少刀具有一个刀片正在切削材料，这样可避免由于突然中断切削引起的冲击从而对刀具或机床造成损坏。尤其在使用大直径平面铣刀加工小宽度工件时可能会发生这种情况。

总结上述的讨论，平面铣削加工中应考虑的问题有：

①通常要在与工件之外有足够的安全间隙的地方移动刀具至所需加工深度。

②为得到较好的切削条件，要保证刀具中点在工件区域内。

③选择的刀具直径通常为切削宽度的1.5倍。

④平面铣削覆盖的区域比较大。

⑤平面铣削需要较大的机床功率。

（2）多次平面铣削的刀具路线单次平面铣削的一般规则同样也适用于多次铣削。由于平面铣刀的直径通常太小而不能一次切除较大材料区域内的所有材料，因此在同一深度需要多次走刀。铣削大面积工件平面时，分多次铣削的刀路有好几种，如图5-35所示。每一种方法在特定环境下具有各自的优点。最为常见的方法为同一深度上的单向多次切削和双向多次切削。

单向多次切削时，切削起点在工件的同一侧，另一侧为终点的位置，每完成一次切削后，刀具从工件上方回到切削起点在工件的同一侧，如图5-35a、b所示，这是平面铣削中常见的方法。频繁的快速返回运动导致效率很低，但它能保证面铣刀的切削总是顺铣。

双向多次切削也称为Z形切削，如图5-35c、d所示，它的应用也很频繁。它的效率比单向多次切削高，但刀具要从顺铣方式改为逆铣方式从而在精铣平面时影响加工质量，因此平面质量要求高的平面精铣通常并不使用这种刀路。

图5-35a、b所示为粗加工和精加工的单向多次平面切削，图5-35c、d所示为粗加工和精加工的双向多次平面切削。请比较这两种方法的X、Y轴运动，以及粗加工与精加工刀具路径的差异。注意两图中的起点位置（S）和终点位置（E），这里用刀具中心的粗圆点来表示它们。为了安全起见，不管使用哪种切削方法，起点和终点都在间隙位置。切削方向可以沿X轴或Y轴方向，它们的原理完全一样。

图5-35 面铣的多次切削刀路

a）、c）粗加工 b）、d）精加工

2.立铣刀的周铣削工艺

（1）立铣刀的周铣削考虑的问题圆周铣削中最常用的刀具为立铣刀。立铣刀的应用范围很广，它应用在铣削加工大多数的结构加工中。在铣削加工使用中，应对立铣刀的直径、刀具形式、切削刃、R角、刀柄以及刀具材料等予以考虑。

1）立铣刀的加工内容。立铣刀能够完成的加工内容包括圆周铣削和轮廓加工、槽和键槽铣削、开放式和封闭式型腔、小面积的表面加工、薄壁的表面加工、锁平底沉头孔、孔面加工、倒角、修边等。

2）立铣刀的形状。立铣刀常见的形状是平底铣刀（机械加工厂中最常用的形状）、球头铣刀（端部为球面）以及R形铣刀（端部有圆角）每种类型的立铣刀适用于特定类型的加工。标准平底铣刀适用于需要平底或工件侧壁与底面成90°角的面铣加工；球头铣刀用于各种表面上的三维加工；R形铣刀与球头铣刀类似，它可以用于三维加工，也可以用于工件侧面与底面有圆角的加工。对于一些特殊的加工还需要用到其他形状的刀具，例如键槽立铣刀（也称开槽钻头）或锥形球头铣刀。图5-36所示为三类最常见的立铣刀以及其刀具R角半径与刀具直径之间的关系。

5-36 三类常见立铣刀及其刀具R角半径与刀具直径之间的关系

3）立铣刀的尺寸。CNC加工中，必须考虑的立铣刀尺寸因素包括立铣刀直径、立铣刀长度和螺旋槽长度。

CNC加工中，立铣刀的直径必须非常精确，立铣刀的直径包括名义直径和实测的直径。名义直径为刀具厂商给出的值，实测的直径是精加工用作半径补偿的半径补偿值。CNC工作中必须区别对待非标准直径尺寸的刀具。例如，重新刃磨过的刀具，即使用实测的直径作为刀具半径偏置。也不宜将它用在精度要求较高的精加工中。立铣刀铣削周边轮廓（如盘类零件），所用的立铣刀的刀具半径一定要小于零件内轮廓的最小曲率半径。一般取最小曲率半径的0.8～0.9倍。另外，直径大的刀具比直径小的刀具的抗弯强度大，加工中不容易引起受力弯曲和振动。

刀具从主轴伸出的长度和立铣刀从刀柄夹持工具的工作部分中伸出的长度也值得认真考虑，立铣刀的长度越长，抗弯强度减小，受力弯曲程度大，会影响加工的质量，并容易产生振动，加速切削刃的磨损。

不管刀具总长如何，螺旋槽长度（1.5D左右）决定切削的最大深度，如图5-37所示。实际应用中一般让Z方向的吃刀深度不超过刀具的半径；直径较小的立铣刀，一般可选择刀具直径的1/3作为切削深度。

4）刀齿数量。选择立铣刀时，尤其在加工中等硬度工件材料时，刀齿数量的考虑应引起重视。

小直径或中等直径的立铣刀通常有两个、三个或四个刀齿（或更多的刀齿）。被加工工件材料类型和加工的性质往往是选择刀齿数量的决定因素。

在加工塑性大的工件材料，如铝、镁等时，为避免产生积屑瘤，常用刀齿少的立铣刀，如两齿（两个螺旋槽）的立铣刀。立铣刀刀齿越少，一方面可避免在切削量较大时产生积屑瘤，这是因为螺旋槽之间的容屑空间较大；另一方面，刀齿越少，编程的进给率就应越小。

图5-37 铣削加工中螺旋槽长度与宽度的最大比值

对较硬的材料刚好相反，因为它需要考虑另外两个因素——刀具颤振和刀具偏移。在加工脆性材料时，选择多刀齿立铣刀会减小刀具的颤振和偏移，因为刀齿越多切削越平稳。

对小直径或中等直径的立铣刀，三刀齿立铣刀兼有两刀齿刀具与四刀齿刀具的优点，加工性能好，但三刀齿立铣刀不是精加工的选择，因为很难精确测量其直径尺寸。键槽铣刀沿Z轴方向切入实心材料中，不管直径多大，它通常只有两个螺旋槽，它与钻头相似，可沿Z轴向切入实心材料。

5）转速和进给率。关于转速和进给率的选用，本书的其余部分已有论述。这里主要针对立铣刀的应用进行补充。

立铣刀主轴转速：硬质合金可转位立铣刀相对标准的HSS刀具加工钢材时，主轴转速应相对高一些，硬质合金刀具在加工中，随着主轴转速的提高，与刀具切削刃接触的钢材的温度也升高，从而降低了材料的硬度，这时加工条件较好。硬质合金刀具使用的主轴转速通常为标准HSS刀具的3～5倍，硬质合金可转位立铣刀加工时若使用较低主轴转速则容易使硬质合金刀具崩裂甚至损坏。但对于高速钢刀具，使用较高主轴转速会加速刀具的磨损。

对一般立铣刀，主轴转速n（单位是r/min），一般根据切削速度v_c来选定。计算公式为

n=v_c×1000/（p_iD） （5-1）

式中 D——刀具直径，单位为mm。

但在使用球头刀时要做一些调整，球头铣刀的计算直径D_Q。要小于球头铣刀名义直径D，实际转速不应按铣刀名义直径D计算，而应按计算直径D_Q计算。

D_Q=[D²-（D-2×a_p）2]^0.5 （5-2）

式中 D——铣刀直径；

a_p——切削深度。

而n=v_c1000/（p_iD_Q） （5-3）

立铣刀应用中的进给速度：在数控编程中，立铣刀加工应考虑在不同情形下选择不同的进给速度。如在初始切削进刀时，特别是键槽铣刀Z轴向下进行深度Z方向铣削，受力较大，所以应以相对较慢的速度进给。

立铣刀在铣槽加工中，若从平面侧进刀，可能产生全刀齿切削时，则刀具底面和周边都要参与切削，切削条件相对较恶劣，可以设置较低的进给速度。

在加工过程中，进给速度也可通过机床控制面板上的修调开关进行人工调整，但是最大进给速度要受到设备刚度和进给系统性能等限制。

6）切削液和润滑剂。用高速钢（HSS）刀具加工时一般都需要使用切削液，正确地使用切削液可以延长刀具寿命且可以提高表面加工质量。另一方面，使用硬质合金刀片刀具时，并不总是需要切削液的，尤其在粗加工钢材毛坯时。另外，注意不要将切削液用在已经进入材料的切削刃上。

7）刀具颤振。圆周铣削中发生颤振有很多原因，主要原因包括刀具安装不牢固、刀具长度过大（从刀架中伸出的部分）、加工薄壁材料时切削深度过大或过大的进给率等，刀具偏斜也会产生振动。发生颤振可同时改变主轴转速和切削进给率进行试验，如果仍然存在颤振，则需要检查加工方法和安装刚度。

8）余量的去除。圆周铣削主要用于半精加工和精加工，有时也可用于粗加工。

①铣刀粗加工。立铣刀用于粗加工铣毛坯面时，常见的粗加工立铣刀具有波刃，称为波形立铣刀，最好选用硬质合金波纹立铣刀，它在机床、刀具、工件系统允许的情况下，可以进行强力切削，毛坯去除大余量时，一个比较实用的方法是选用直径较大而长度较小的立铣刀。这样，在强力切削时，可以避免刀具颤振或刀具偏斜，至少可以将颤振和偏斜限制在最低程度。

②立铣刀内结构加工。立铣刀加工开放边界的内结构时，因开放边界并不是真正意义上的型腔，刀具可以在工件的侧面调整到所需的深度，在垂直侧面引入切削，所以加工刀路设计比较方便。

立铣刀加工封闭边界的较浅的型腔，如浅凹槽时，为了提高槽宽的加工精度，减少铣刀的种类，加工时采用直径比槽宽小的铣刀，先铣槽的中间部分，然后再利用刀具半径补偿（或称直径补偿）功能对槽的两边进行铣加工。

对于要求较深的细小部位的加工，可使用整体式硬质合金刀，可以取得较高的加工精度，但是注意刀具悬升不能太大，否则刀具不但让刀量大、易磨损，而且会有折断的危险。

对于较深的内部型腔，常用的方法是预先钻削一个到所需深度（或者接近全孔深度）的孔，然后再使用比孔尺寸小的平底立铣刀从Z向进入预定深度，随后进行侧面铣削加工，将型腔扩大到所需的尺寸、形状。

③立铣刀轮廓外形加工。加工空间曲面和变斜角轮廓外形时，由于球头刀具的球面端部切削速度为零，而且在走刀时，每两行刀位之间，加工表面不可能重叠，总存在没有被加工去除的部分，每两行刀位之间的距离越大，没有被加工去除的部分就越多，其高度（通常称为“残余高度”，如图5-38所示）就越大，加工出来的表面与理论表面的误差就越大，表面质量也就越差。加工精度要求越高，走刀步长和切削行距越小，编程加工效率越低。因此，在保证不发生干涉和工件不被过切的前提下，无论曲面的粗加工还是精加工，都应优先选择平头刀或R形铣刀（带圆角的立铣刀）。不过，由于平头立铣刀和球头刀的加工效果是明显不同的，当曲面形状复杂时，为了避免干涉，建议使用球头刀，调整好加工参数也可以达到较好的加工效果。

图5-38 球头刀的残余高度

9）立铣刀切削的进、退刀控制方法。在数控铣削中由于其控制方式的加强，与普通铣床只能手工控制相比有很大的差别。在进刀时可以采取更加合理的方式以达到最佳的切削状态。切削前的进刀方式有两种形式：一是垂直方向进刀（常称为下刀）和退刀，另一种是水平方向进刀和退刀。对于数控加工来说，这两个方向的进刀都与普通铣削加工不同。

①深度方向切入工件的进、退刀方式。在普通铣床上加工一个封闭的型腔零件时，一般都会分成两个工序：先预钻一个孔，再用直径比孔径小的立铣刀切削。而在数控加工中，数控编程软件通常有三种深度方向切入工件进刀的方式：一是直接垂直向下进刀；二是斜线轨迹进刀方式，如图5-39所示；三是螺旋式轨迹进刀方式。

a.直接垂直向下进刀加工实体时只能用于具有垂直吃刀的键槽铣刀，如较深型腔、封闭槽或其他实心材料的切入。值得注意的是，并不是所有立铣刀都可以进行这种操作。对于其他的立铣刀只能做很小的切削深度时，才能使用。在非切削状态的下刀一般使用直接进刀方式，但应特别注意刀具与工件的安全间隙。

图5-39 斜线进刀示意图

b.斜线进刀及螺旋进刀都是靠铣刀的侧刃逐渐向下铣削而实现向下进刀的，所以这两种进刀方式可以用于端部切削能力较弱的面铣刀（如最常用的可转位硬质合金刀）的向下进给。同时斜线或螺旋进刀可以改善进刀时的切削状态，保持较高的速度和较低的切削负荷。

斜向切入同时使用Z轴和X轴或Y轴进给时，斜角角度随着立铣刀直径的不同而不同，如φ25mm刀具的常见斜角为25°，φ50mm的刀具为8°，但是φ100mm的刀具为3°。这种切入方法适用于平底、球头和R形立铣刀。小于φ20mm的刀具要使用较小的角度，为3°～10°。

用CAM加工编程时，需要对进刀及退刀有较详尽的设置，包括有安全距离、方式、抬刀方式及自动进、退刀的参数设置，如螺旋角度或倾斜角度、螺旋半径或斜线长度等。

②水平方向进、退刀方式。为了改善铣刀开始接触工件和离开工件表面时的状况，数控编程时一般要设置刀具接近工件和离开工件表面时的特殊运行轨迹，以避免刀具直接与工件表面相撞和保护已加工表面。水平方向进、退刀方式分为“直线”（Line）与“圆弧”（Arc）两种方式，分别需要设定进刀线长度和进刀圆弧半径。

精加工轮廓时，比较常用的方式是，以被加工表面相切的圆弧方式接触和退出工件表面，如图5-40所示。图中的切入轨迹是以圆弧方式与被加工表面相切，退出时也是以一个圆弧轨迹离开工件。另一种方式是，以被加工表面法线方向进入接触和退出工件表面，进入和退出轨迹是与被加工表面相垂直（法向）的一段直线，此方式相对轨迹较短，适用于表面要求不高的情况，常在粗加工或半精加工中使用。

图5-40 水平方向切入轨迹是以圆弧方式

10）刀具Z向高度设置。

①起止高度。指进、退刀的初始高度。在程序开始时，刀具将先到达这一高度，同时在程序结束后，刀具也将退回到这一高度。起止高度大于或等于安全高度，安全高度也称为提刀高度，是为了避免刀具碰撞工件而设定的高度（Z值），安全高度是在铣削过程中，刀具需要转移位置时将退到这一高度再进行G00插补到下一进刀位置时的高度，此值一般情况下应大于零件的最大高度（即高于零件的最高表面）。图5-41所示为各种高度及进给的示意图。

图5-41 切削过程示意图

1—起止高度 2—快速进给 3—慢速下刀 4—初始切削 5—切削 6—抬刀 7—安全高度

②慢速下刀或进刀相对距离（安全间隙）。该值通常为相对值，刀具以G00快速下刀到指定位置，然后以切削进给速度下刀到加工位置。如果不设定该值，刀具以G00的速度直接下刀到加工位置，若该位置又在工件内或工件上，且采用垂直工件面下刀或垂直工件轮廓进刀方式，则极不安全。即使是在空隙位置下刀，使用该值也可以使机床有缓冲过程，确保下刀所到位置的准确性，但是该值也不宜取得太大，因为下刀插入速度往往比较慢，太长的慢速下刀距离将影响加工效率。但也不能太小，应充分估计到毛坯余量的不稳定性和可能的刀具尺寸误差。Z向距离可称为Z向安全间隙，侧向距离可称为侧向安全间隙。编程中安全间隙的设置，是一个非常重要的细节。

③抬刀控制。在加工过程中，当刀具需要在两点间移动而不切削时，是否提刀到安全平面？当设定为提刀时，刀具将先提高到安全平面，再在安全平面上移动；否则将直接在两点间移动而不提刀。直接移动可以节省抬刀时间，但前提是在移动路径中不能有障碍的结构。编程中，当分区域选择加工面并分区加工时，应特别注意的是中间没有选择的部分是否有高于刀具移动路线的部分，有则抬刀到安全高度，没有则可直接移动。在粗加工时，对较大面积的加工通常建议使用抬刀，以便加工时可以暂停，对刀具进行检查。

11）切削方向。切削方向有两种模式：顺铣，也称为向内铣削（从工件的实体外向实体内）；逆铣，也称向外铣削（从工件的实体内向实体外）。图5-42所示为主轴正转时的顺铣和逆铣的指令应用。

当指令M03功能，主轴为顺时针旋转时，使用G41指令，将刀具半径偏置到工件左侧，则刀具为顺铣模式。相反，如果使用G42指令，偏置到工件右侧，则刀具为逆铣模式。大多数情况下，顺铣模式是圆周铣削中较好的模式，尤其在精加工操作中。

图5-42 主轴正转时的顺铣和逆铣的指令应用

（2）型腔铣削

1）型腔铣削加工的方法。型腔铣削也是CNC铣床、加工中心中常见的一种加工。型腔铣削需要在边界线确定的一个封闭区域内去除材料，该区域由侧壁和底面围成，其侧壁和底面可以是斜面、凸台、球面以及其他形状。型腔内部可以全空或有孤岛。对于形状比较复杂或内部有孤岛的型腔则需要使用计算机辅助（CAM）编程。型腔铣削编程时有两点需要重要考虑：刀具切入方法和粗加工方法刀路设计。

把刀具引入到型腔进行铣削有两种方法，一是使用键槽铣刀沿Z轴切入工件。立铣刀不能直接沿Z轴切入工件，必须先预钻孔，立铣刀通过孔垂向切入。二是选择斜向切入方法，但注意斜向切入的位置和角度的选择应适当。

型腔的加工分粗、精加工，先用粗加工从内切除大部分材料，粗加工不可能都在顺铣模式下完成，也不可能保证所有地方留作精加工的余量完全均匀。所以在精加工之前通常要进行半精加工。这种情况下可能需使用一把或多把刀具。

常见的型腔粗加工路线有：如图5-43a所示为Z字形行切；图5-43b所示为环绕切削；把Z字形运动和环绕切削结合起来用一把刀进行粗加工和半精加工是一个很好的方法，因为它集中了两者的优点，如图5-43c所示。CAM编程中还有其他的型腔加工选择，如螺旋形，用户可以选择指定切削角度，选择切入点和精加工余量，这些方法若使用手动编程，则工作量非常巨大。下面以最简单的矩形型腔加工的手动编程举例说明型腔加工的基本方法。

图5-43 型腔粗加工三种路线

2）矩形型腔的加工工艺分析。下面以图5-44所示的矩形型腔为例进行讨论。

图5-44 矩形型腔零件图

①刀具选择。零件图中矩形型腔的四个角都有圆角，圆角的半径限定刀具的半径选择，圆角的半径大于或等于所用精加工刀具的半径。本例中圆角为R4mm，使用φ8mm键槽铣刀（中心切削立铣刀）。对于粗加工，该刀具确实不错，但精加工中刀具半径应略小于圆角半径，以使刀具真正的切削而不是摩擦圆角，选用φ6mm的立铣刀比较合理。因此确定粗加工刀具直径φ8mm，精加工刀具直径φ6mm。

②切入方法及切入点和粗加工路线。由于必须切除封闭区域内的所有材料（包括底部），所以一定要考虑刀具可以通过切入或斜向切入到所需深度的切入点位置。斜向插入必须在空隙位置进行，但垂直切入几乎可以在任何地方进行。

切入点有两个位置比较实用：型腔中心、型腔拐角圆心。本例中选择从型腔拐角开始的方法，选择左下角的型腔拐角圆心作为开始点。

粗加工时，刀具运动采用Z形行切路线，即在一次切削中使用顺铣模式，而另一次切削中则使用逆铣，计算比较简单。并接着在不抬刀的情况下环绕一周进行半精加工。

③工件零点。工件轮廓X、Y向对称，程序中选用型腔中心作为X、Y向的工件零点。假设上表面已经过精加工，选工件上表面为Z向零点。

④加工方法及余量分析。如前所述，粗加工让刀具沿Z字形路线在封闭区域内来回运动是一种高效的粗加工方法，Z字形路线粗加工通常选择型腔的拐角圆心为刀具起点位置。

粗加工刀具沿Z字形路线来回运动在加工表面上留下扇形残留量，那些凸起的点是随后加工的最大障碍，这种Z字形刀具路径加工的表面不适合用作精加工，因为切削不均匀余量时很难保证公差和表面质量。为了避免后面可能出现的加工问题，需要半精加工操作，其目的是消除扇形残留量。如图5-45所示，从粗加工最后的位置接着开始半精加工，刀具路径环绕一周，得到均匀的精加工余量。

图5-45 从粗加工最后位置开始半精加工得到均匀的精加工余量

型腔粗加工留下的加工余量，包括精加工余量和半精加工余量。对于高硬度材料或使用较小直径的刀具时，通常精加工余量是一个较小的值。本例取精加工余量为0.5mm。

半精加工余量（图中的C值），主要解决粗加工的扇形残留量，即使余量为零也是适当的。本例取半精加工余量等于0.5mm。

⑤刀路设计及计算。

a.Z形刀路间距值。型腔在型腔粗加工后的实际形状与两次切削之间的间距有关，型腔粗加工中的间距也就是刀具切入材料的宽度。与所需切削次数和刀具直径有关，刀路间距通常为刀具直径的70%～90%左右，相邻两刀应有一定的重叠部分，最好先对刀路间距值进行估算，选择跟期望的刀具直径百分数相近的值。

切削的次数又与型腔的切削宽度（W）有关，间距要选择合理，最好能保证每次切削的间距相等。可以根据估算的刀路间距值和型腔的切削宽度（W），估算切削次数，然后再精确地计算出间距，如果间距计算值过大或过小，还可以调整切削次数N重新计算精确的间距值。计算公式如下

QN=（W-2R_刀-2S-2C） （5-4）

式中 N——选择次数；

Q——Z形刀路间距。

其他各字母含义如图5-46所示。

图5-46 Z字形方法

X₁—刀具起点的X坐标 L—型腔长度 D—实际切削长度 Y₁—刀具起点的Y坐标 W—型腔宽度 S—精加工余量 R_刀—刀具半径

本例设有5个等距的间距，又因为型腔宽度W=40，粗加工刀具直径为8mm（R_刀=4mm），精加工余量S=0.5mm，半精加工余量C=0.5mm，因此间距尺寸为

Q=（40-2×4-2×0.5-2×0.5）mm/5=6mm （5-5）

间距6mm为φ8mm的立铣刀直径的75%，对于φ8mm的立铣刀来说比较合适。

b.Z形刀路切削长度。在进行半精加工前，必须计算每次切削的长度，即增量D

D=L-2R_刀-2S-2C （5-6）

本例子中D值为

D=（55-2×4-2×0.5-2×0.5）mm=45mm

这就是各间距之间的切削增量长度（不使用刀具半径偏置）。

c.半精加工切削的长度和宽度。半精加工运动的唯一目的就是消除不平均的加工余量。由于半精加工与粗加工往往使用同一把刀具，因此通常从粗加工的最后刀具位置开始进行半精加工。本例中即型腔的左上角。图5-35所示为半精加工起点和终点之间的运动。

半精加工切削的长度L₁和宽度W₁值需要计算得出。

半精加工切削的长度和宽度，即它的实际切削距离可通过下面公式计算

L₁=L-2R_刀-2S （5-7）

W₁=W-2R_刀-2S （5-8）

本例中

L₁=（55-2×4-2×0.5）mm=46mm

W₁=（40-2×4-2×0.5）mm=31mm

d.精加工刀具路径。粗加工和半精加工完成后，可以使用另一把刀具（φ6mm）进行精加工并得到最终尺寸。编程时必须使用刀具补偿来保证尺寸公差，并使用适当的主轴转速和进给率保证所需的表面质量。选择轮廓中心点作为加工起点位置。精加工切削中，应该使用刀具半径偏置功能，这主要是为了在加工过程中保证尺寸公差。由于刀具半径补偿不能在圆弧插补运动中启动，因此必须添加直线导入和导出运动。引导圆弧半径的计算，它使用跟窄槽完全一样的方法。图5-47所示为矩形型腔的典型精加工刀具路径（起点在型腔中心）。本例中矩形型腔宽度相对刀具直径较大可以用下面的方法计算

R_a=W/4=40mm/4=10mm

图5-47 矩形型腔的典型精加工刀具路径

e.矩形型腔编程。完成以上工艺分析和计算后，便可对型腔进行编程了（程序02008）。选用一把φ8mm的键槽铣刀作为粗加工刀具且能进行垂向切削，一把φ6mm立铣刀，用于精加工。