加工中心的工艺与工装优化

加工中心是在数控铣床的基础上发展起来的，因此其加工工艺仍然是以数控铣削加工为基础，但又不同于数控铣床。这里主要讨论加工中心工艺设计中不同于数控铣床的地方，相同或相似之处不再赘述。

1.加工中心的工艺特点

加工中心是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。它突破了一台机床只能进行单工种加工的传统概念，集铣削、钻削、铰削、镗削、攻螺纹和切螺纹等多种功能于一身，实行一次装夹，自动完成多工序的加工。与普通机床加工相比，加工中心具有许多显著的工艺特点。

1）可减少工件的装夹次数，消除因多次装夹带来的定位误差，提高加工精度。当零件各加工部位的位置精度要求较高时，采用加工中心加工能在一次装夹中将各个部位加工出来，避免了工件多次装夹所带来的定位误差，既有利于保证各加工部位的位置精度要求，同时也可减少装卸工件的辅助时间，节省大量的专用和通用工艺装备，降低生产成本。

2）可减少机床数量，并相应减少操作工人，节省占用的车间面积。

3）可减少周转次数和运输工作量，缩短生产周期。

4）在制品数量少，简化生产调度和管理。

5）使用各种刀具进行多工序集中加工，在进行工艺设计时要处理好刀具在换刀及加工时与工件、夹具甚至机床相关部位的干涉问题。

6）若在加工中心上连续进行粗加工和精加工，则夹具既要能适应粗加工时切削力大、刚度大、夹紧力大的要求，又需适应精加工时定位精度高、零件夹紧变形尽可能小的要求。

7）由于采用自动换刀和自动回转工作台进行多工位加工，卧式加工中心只能进行悬臂加工。由于不能在加工中设置支架等辅助装置，所以应尽量使用刚性好的刀具，并解决刀具的振动和稳定性问题。另外，由于加工中心是通过自动换刀来实现工序或工步集中的，因此受刀库、机械手的限制，刀具的直径、长度、质量一般都不允许超过机床说明书所规定的范围。

8）多工序的集中加工，要及时处理切屑。

9）在将毛坯加工为成品的过程中，零件不能进行时效处理，内应力难以消除。

10）技术复杂，对使用、维修、管理要求较高。

11）加工中心一次性投资大，还需配置其他辅助装置，如刀具预调设备、数控工具管理系统或三坐标测量机等。机床的加工工时费用高，如果零件选择不当，还会增加加工成本。

2.零件图的工艺分析

零件图的工艺分析除完整性、正确性和技术要求分析外，还要选择加工内容，分析零件的结构工艺性和定位基准等。

（1）选择加工中心加工的内容适合加工中心加工的零件，不一定全部都需要在加工中心上加工。例如，以粗基准定位加工第一个基准面或一些简单的一般表面。为了充分发挥加工中心的效益，应该选择那些最需要、最适合用加工中心加工的内容，这种表面主要有：

1）尺寸精度或（和）相互位置精度要求较高的表面。

2）进给控制困难、不便测量的非敞开的内腔型面。

3）通用机床不便加工的复杂曲线、曲面。

4）能够集中在一次装夹中合并完成的多工序（或工步）表面。

（2）加工内容的工艺性分析分析加工中心加工内容的工艺性应该注意以下几点：

1）切削余量要小，以减少切削时间，降低加工成本。

2）小孔和螺孔的尺寸规格尽可能少，以减少相应刀具的数量，避免选择大的刀库容量。

3）有关尺寸要尽量标准化，以便于采用标准刀具。

4）加工表面要能方便地进行加工。

5）零件刚性足够，以减小夹紧和切削中的变形。

（3）选择定位基准合理选择定位基准对保证加工中心的加工精度，提高加工中心的生产率有着重要的意义。因此，必须认真选择好定位基准。在选择定位基准时，应注意以下几点：

1）尽量使定位基准与设计基准重合。选择设计基准作为定位基准，不仅可以避免基准不重合误差，提高零件的加工精度，而且还可以减少尺寸链的计算，给编程带来方便。

2）保证在一次装夹中加工完成尽可能多的内容。要做到一次装夹加工出尽可能多的表面，就需认真选择定位基准和定位方式。例如，加工箱体类零件时，最好采用一面两孔的定位方案，以便刀具能方便地对其他表面进行加工。若零件上没有合适的孔，则可增设工艺孔或工艺凸台。如图6-10a所示，在加工中心上加工电动机端盖时，需要一次装夹完成所有加工端面及孔，但表面上无合适的定位基准，因此，可在设计毛坯时增加图6-10b所示的三个工艺凸台，以便作为定位基准。

3）必须多次装夹时应尽可能做到基准统一。图6-11所示的铣头体中，φ80K7、φ80K6、φ90K6、φ95H7、φ140H7孔及D-E孔两端面是在卧式加工中心上加工的，显然必须经过两次装夹才能完成。第一次装夹加工φ80K6、φ90K6、φ80K7孔及其两端面，第二次装夹加工φ140H7、φ95H7孔。为保证图样上所要求的相互位置精度，就需要用同一个定位基准。根据零件结构及技术要求，可选择A面及A面上的2×φ16H6孔作为一面两孔的定位基准，这样可以减小因定位基准转换而引起的定位误差。

图6-10 电动机端盖简图

图6-11 铣头体

4）批量生产时的定位基准与对刀基准重合。建立工件坐标系使对刀基准与零件的定位基准重合，这样可直接按定位基准对刀，同时减小了对刀误差。如图6-12所示，零件在加工中心上加工φ80H7mm孔及4×φ25H7mm孔时，4×φ25H7mm孔是以φ80H7mm孔为基准的，编程原点应选在φ80H7mm孔中心上，定位基准为A、B两面。这种加工方案中虽然定位基准与编程原点不重合，但能够保证各项精度的控制。反之，如果将编程原点也选在A、B面上（即P点），则编程计算会很繁琐，还可能存在着尺寸链计算误差。

3.加工方法的选择

加工中心加工的零件表面主要是平面、平面轮廓、曲面、孔和螺纹等。这些表面的加工方法要与其表面特征、精度及表面粗糙度要求相适应。

（1）平面、平面轮廓及曲面的加工方法这类表面在镗铣类加工中心上唯一的加工方法是铣削。粗铣可使两平面间的尺寸精度达到IT11～IT13，表面粗糙度值Ra可达12.5～50μm。粗铣后再精铣，两平面间的尺寸精度可达IT8～IT10，表面粗糙度值Ra可达1.6～6.3μm。

（2）孔加工方法在加工中心上加工孔的方法比较多，有钻削、扩削、铰削和锉削等，大直径孔还可采用圆弧插补方式进行铣削。具体加工方案如下：

1）所有孔都应全部粗加工后，再进行精加工。

图6-12 工件坐标系原点的确定

2）毛坯上已有铸出或锻出的孔（其直径通常在30mm以上），一般先在普通机床上进行粗加工，直径上留3～5mm的余量，然后再由加工中心按粗镗→半精镗→孔口倒角→精镗的加工方案完成；有退刀槽时可用锯片铣刀在半精镗之后、精镗之前用圆弧插补方式铣削完成，也可用单刀镗刀镗削加工，但效率较低；孔径较大时可用键槽铣刀或立铣刀用圆弧插补方式通过先粗铣再精铣加工完成。

3）对于直径小于30mm的孔，毛坯上一般无孔，这就需要在加工中心上完成其全部加工。为提高孔的位置精度，在钻孔前必须锪（或铣）平孔口端面，并钻出中心孔作引导孔，即通常采用锪（或铣）平端面→钻中心孔→钻→扩→孔口倒角→铰的加工方案；有同轴度要求的小孔，须采用锪（或铣）平端面→钻中心孔→钻→半精镗→孔口倒角→精镗（或铰）的加工方案。孔口倒角安排在半精加工后、精加工前进行，以防孔内产生毛刺。

4）对于同轴孔系，若相距较近，用穿镗法加工；若跨距较大，应尽量采用调头镗的方法加工，以缩短刀具的伸长，减小其长径比，提高加工质量。

5）对于螺纹孔，要根据其孔径大小选择不同的加工方式。直径在M6～M20之间的螺纹孔，一般在加工中心上用攻螺纹的方法加工；直径在M6以下的螺纹，则只在加工中心上加工出底孔，然后通过其他手段攻螺纹；直径在M20以上的螺纹，一般采用镗刀镗削而成。

4.加工阶段的划分

在加工中心上加工，加工阶段的划分主要依据工件的精度要求确定，同时还需要考虑到生产批量、毛坯质量、加工中心的加工条件等因素。

若零件已经过粗加工，加工中心只完成最后的精加工，则不必划分加工阶段。

当零件的加工精度要求较高，在加工中心加工之前又没有进行过粗加工时，则应将粗、精加工分开进行，粗加工通常在普通机床上进行，在加工中心上只进行精加工。这样不仅可以充分发挥机床的各种功能，降低加工成本，提高经济效益，而且还可以让零件在粗加工后有一段自然时效过程，以消除粗加工产生的残余应力，恢复因切削力、夹紧力引起的弹性变形以及由切削热引起的热变形，必要时还可以安排人工时效，最后再通过精加工消除各种变形，保证零件的加工精度。

对零件的加工精度要求不高，而毛坯质量较高、加工余量不大、生产批量又很小的零件，则可在加工中心上利用加工中心良好的冷却系统，把粗、精加工合并进行，完成加工工序的全部内容，但粗、精加工应划分成两道工序分别完成。在加工过程中，对于刚性较差的零件，可采取相应的工艺措施，如粗加工后安排暂停指令，由操作者将压板等夹紧元件（装置）稍稍放松一些，以恢复零件的弹性变形，然后再用较小的夹紧力将零件夹紧，最后再进行精加工。

5.加工顺序的安排

在加工中心上加工零件，一般都有多个工步，需要使用多把刀具，因此加工顺序安排得是否合理直接影响到加工精度、加工效率、刀具数量和经济效益。

1）在安排加工顺序时同样要遵循“基面先行”、“先面后孔”、“先主后次”及“先粗后精”的一般工艺原则。

2）定位基准的选择直接影响到加工顺序的安排，作为定位基准的面应先加工好，以便为加工其他面提供一个可靠的定位基准。因为本道工序选出定位基准后加工出的表面，有可能是下道工序的定位基准，所以待各加工工序的定位基准确定之后，即可从最终精加工工序向前逐级倒推出整个工序的大致顺序。

3）确定加工中心的加工顺序时，还要先明确零件是否要进行加工前的预加工。预加工常由普通机床完成。若毛坯精度较高，定位也较可靠，或加工余量充分且均匀，则可不必进行预加工，而直接在加工中心上加工。这时，要根据毛坯粗基准的精度考虑加工中心工序的划分，可以是一道工序或分成几道工序来完成。

4）加工中心加工零件时，最难保证的是加工面与非加工面之间的尺寸，这一点和数控铣削一样。因此，即使图样要求的是非加工面，也必须在制作毛坯时在非加工面上增加适当的余量，以便在加工中心加工时，保证非加工面与加工面间的尺寸符合图样要求。同样，若加工中心加工前的预加工面与加工中心所加工的面之间有尺寸要求，则也应在预加工时留一定的加工余量，最好在加工中心的一次装夹中完成包括预加工面在内的所有加工内容。

6.夹具的选择和工件装夹

前面已经分析了在加工中心上加工时如何选择定位基准的问题，因此，确定工件的装夹方案时，只需根据已选定的定位基准和需要加工的表面确定工件的定位夹紧方式，并选择适当的夹具。

（1）夹具的选择

1）对夹具的基本要求。加工中心加工所使用的夹具，一般要求比普通机床夹具的结构更紧凑、简单和可靠，夹紧准确、迅速，操作方便、安全，并保证足够的刚性。同时，还要注意以下几点：

①加工部位要尽量敞开。为方便加工，本工序的所有待加工表面应该显露在外，任何夹具元件在夹紧后都不能与刀具运动轨迹发生干涉。图6-13所示为一箱体零件，可利用其内部空间来安排夹紧机构，将其加工表面敞开。又如图6-14所示，用立铣刀铣削零件的六边形时，若用压板机构压住工件的A面，则压板可能与铣刀发生干涉；若按图示方式夹压B面，则不会影响刀具进给。如果夹具的定位和夹紧要全部敞开加工部位确有困难，则可以通过减小加工表面来留出定位夹紧元件的空间。

图6-13 敞开加工表面的装夹

1—定位装置 2—工件 3—夹紧装置

图6-14 不影响进给的装夹

1—定位装置 2—工件 3—夹紧装置

②夹具应能在机床上实现定向安装。为保持零件安装方位与机床坐标系及编程坐标系方向的一致性，夹具应能保证在机床上实现定向安装，同时还要求能使零件定位面与机床之间保持一定的坐标联系。

③在加工过程中无需更换夹紧点。为确保加工精度，应尽量做到在加工过程中不要更换夹紧点，若非更换不可，也不能影响和破坏夹具及工件的定位精度等。

④装卸使用方便。由于加工中心效率高，装夹工件的辅助时间对加工效率影响较大，因而要求与之配套的夹具在使用中也要装卸快而方便，以便尽可能地缩短辅助时间。

2）常用夹具。加工中心常用的夹具包括通用夹具、组合夹具和专用夹具等。

①通用夹具。即可装夹各种零件的机床附件和装夹元件，如自定心卡盘、分度头及各种机用虎钳等。图6-15所示为数控气动立卧式分度工作台，其中，端齿盘为分度元件，靠气动转位分度，可完成5°数倍的垂直（或水平）回转坐标的分度。图6-16所示为数控回转台（座），一次安装工件，可从四面甚至五面加工坯料。图6-16a所示的回转台可进行四面加工；图6-16b、c所示的回转台可进行圆柱凸轮的空间成形面和平面凸轮加工；图6-16d所示为双回转台，可用于加工在表面上成不同角度布置的孔，从五个方向进行加工。

图6-15 数控气动立卧式分度工作台

②组合夹具。即由一套已经标准化的结构及元件按加工需要组合而成的夹具。组合夹具有槽系组合夹具和孔系组合夹具两种，槽系组合夹具元件间靠键和槽定位，而孔系组合夹具则靠孔与销定位。由于孔系组合夹具与槽系组合夹具相比具有精度高、刚性好、易组装及可方便地提供数控编程原点（工件坐标系原点）等优点，因而在数控加工特别是在FMS（柔性加工系统）中得到广泛应用。图6-17所示是孔系组合夹具在基础件和方箱上的应用实例。使用方箱时，在机床数控回转台的配合下，一次送料可加工数个工件，减轻了物流负担，缩短了加工系统的辅助时间，从而提高了FMS的生产率。

图6-16 数控回转台（座）

③专用夹具。是专门为某一工件的某一道或几道工序加工而设计的夹具。

（2）确定工件在工作台上的最佳位置在加工中心上进行加工时，为避免出现机床超程和换刀困难等问题，应注意选择零件（包括夹具）在工作台上的最佳位置。

确定零件在工作台上的最佳位置时，主要考虑机床行程、各种干涉以及加工各部位的刀具长度等因素。在满足机床不至于超程的前提下，多工位加工时应尽量将零件置于工作台的中间部位。而对于单工位（图6-18中件1上的A面）或相邻两工位（图6-18中件2上的B、C两面）加工，将零件靠工作台一侧或一角安装，刀具定位的长度值就可以减小，使工艺系统的刚性得以提高，进而有利于提高工件的加工精度。

图6-17 孔系组合夹具

图6-18 工件在工作台上的位置

7.刀具的选择

加工中心的刀具由成品刀具和标准刀柄组成。其中成品刀具部分与通用刀具相同，如铣刀、钻头、扩孔钻、铰刀、锁刀、丝锥等。标准刀柄是加工中心必备的辅具，刀柄和机床的主轴孔相对应。加工中心的刀柄已经系列化和标准化，其锥柄和机械手抓卸部分都已有相应的标准。

成品刀具中加工型面用的各种铣刀已在第5章中作了叙述，这里只介绍孔加工的方法及其刀具选择。

圆柱孔加工的方法主要有钻孔、扩孔、锪孔、镗孔、铰孔、挤孔、磨孔以及电加工、激光加工孔等，所使用的刀具主要是钻头（如中心钻、普通麻花钻、深孔钻、扁钻及套料钻等）、扩孔钻、锪钻、锉刀、铰刀以及挤柱等。孔加工用刀具的选择与普通加工中刀具的选择方法基本相同，但由于加工中心具有多种特殊性能，因而使部分孔加工方法及其刀具选择仍有一些区别，现将较特殊部分的有关内容简述如下。

（1）钻孔刀具及其选择钻孔的刀具较多，主要有麻花钻、浅孔钻及扁钻等。在加工中心上钻孔，用得最多的是麻花钻。麻花钻的材料有高速钢和硬质合金两种。

1）麻花钻的组成。麻花钻主要由工作部分、颈部和柄部组成，如图6-19所示。工作部分包括切削部分和导向部分，分别承担切削和引导切削方向的作用；柄部有直柄和莫氏锥柄两种，用于定心夹持和传递转矩；颈部标有规格大小和商标。

图6-19 麻花钻的组成

a）莫氏锥柄麻花钻 b）圆柱柄麻花钻 c）切削部分

麻花钻切削部分由两条主切削刃、两条副切削刃和一条横刃组成；导向部分由两条对称的螺旋槽和刃带组成；两个螺旋槽是切屑流经的表面，为前面；与工件过渡表面（即孔底）相对的端部两曲面为主后面；与工件已加工表面（即孔壁）相对的两条刃带为副后面。前面与主后面的交线为主切削刃，前面与副后面的交线为副切削刃，两个主后面的交线为横刃。

2）麻花钻切削部分的主要几何角度。

①顶角（2φ）。即两主切削刃之间的夹角。顶角的大小主要影响钻头的强度和轴向阻力。顶角2φ越大，麻花钻的强度越大，但切削时的轴向力也越大。减小顶角2φ会增大主切削刃的长度，使相同条件下切削刃单位长度上的负荷减轻，轴向切削分力减小，容易切入工件。但过小的顶角会使钻头的强度降低，因此，顶角应根据工件材料来选择，较软材料用较小的顶角。标准麻花钻的顶角2φ=118°±20°。

②前角。由于前面是螺旋面（曲面），因而主切削刃上各点的前角是变化的，钻头外径边缘处前角最大，约为30°，自外缘向中心逐渐减小，到钻头半径处前角为零，再往内前角为负，靠近横刃处前角约为-30°，横刃上的前角为-60°～-50°，即前角内小外大。

③后角。由于后面也是曲面，因而主刃上各点的后角也不相等，它与前角恰恰相反，在外缘处最小（8°～14°），越近中心越大，即后角内大外小。钻心处的后角为20°～26°，横刃处为30°～36°。

④横刃斜角。横刃与主切削刃在端面上投影所夹锐角称为横刃斜角，标准麻花钻的横刃斜角ψ为50°～55°。横刃斜角越小，横刃就越长。横刃太长则钻削时轴向力较大，对钻削不利。

3）麻花钻的刃磨。麻花钻在使用中很容易磨损，必须刃磨以保持其锋利；加之在加工中心上钻孔，无钻模导向，若刃磨质量不高，则很容易引起钻孔偏斜，因此必须提高刃磨质量。

①麻花钻刃磨的一般要求。刃磨麻花钻的一般要求是：顶角大小要符合要求并被钻头中心线平分，工件材料硬度低的，顶角可小些；两条主刃长度要相等，否则钻出的孔径会偏大或呈多角形。

②麻花钻刃磨的方法与步骤。刃磨前，钻头主切削刃放置在砂轮中心水平面上或稍高一些，钻头中心线与砂轮外圆柱面母线在水平面内的夹角等于顶角2φ的一半（φ=59°），同时钻尾向下倾斜，如图6-20a所示。

刃磨时，右手握住钻头前端作支点，左手握钻尾作上下摆动并略带旋转，如图6-20b所示。但不能转动过多或上下摆动太大，以防磨成副后角或把另一面主切削刃磨掉，这一点在刃磨小麻花钻时要特别注意。

图6-20 标准麻花钻的刃磨方法

a）刃磨前 b）刃磨时

磨完一个主切削刃后，把钻头转过180°用相同的方法磨另一主切削刃。为达到两刃对称的目的，身体和手要保持原来的位置和姿势。

③麻花钻刃磨的注意事项。磨钻头时，钻尾向上摆动，不得高出水平线，以防磨出负后角。钻尾向下摆动也不能太多，以防磨掉另一条主切削刃。

随时检查两主切削刃的刃长及与钻头轴心线的夹角是否对称。

刃磨时应随时冷却，以防钻头刃口发热退火使硬度降低。

麻花钻在钻孔时，由于钻头刚性差、易变形，容易钻偏和将孔径扩大，因而钻孔的精度仅能达到IT12左右。加之钻头的主切削刃全长都参与切削，各点的切削速度不等，外边缘处最大。切屑流速相差大，使其卷成螺旋形，易堵塞螺旋槽，划伤已加工表面，因此钻孔的表面粗糙度Ra值仅为12.5μm。综上所述，钻孔仅属于粗加工。

（2）深孔钻削与刀具深径比（L/D）大于5的孔为深孔，加工深孔时因其在深处切削，切削液不易注入，散热差，排屑困难，钻杆刚性差，易使刀具损坏和引起孔的轴线偏斜，影响加工精度和生产率，故应选用深孔刀具加工深孔，钻削一般使用深孔钻，特别深的孔则使用特殊的深孔钻（如枪孔钻）。在加工中心等数控机床上加工深孔时，可利用数控系统具有的固定循环功能，以渐进、快退方式完成深孔加工，这种方式可较好地解决及时排屑和钻头冷却等问题，如图6-21所示。

图6-21 固定循环加工深孔

（3）扩孔刀具及其选择将工件上已有的孔（无论铸出或锻出还是钻出的孔）扩大的加工方法称为扩孔。加工中心上进行扩孔多采用扩孔钻，也有采用镗刀扩孔的，还可使用键槽铣刀或立铣刀进行扩孔，它比用普通扩孔钻进行扩孔的加工精度高。

标准扩孔钻一般有3～4条主切削刃，切削部分的材料为高速钢或硬质合金，结构形式有直柄式、锥柄式和套式等。图6-22所示分别为锥柄式高速钢扩孔钻、套式高速钢扩孔钻和套式硬质合金扩孔钻。小批量生产时，扩孔钻常用麻花钻改制。

图6-22 扩孔钻

由于扩孔钻的刃带多、导向好、振动小，加之无横刃、轴向力小，其螺旋槽浅、钻心粗，因而扩孔钻的强度、刚度好，可校正原孔轴线歪斜。同时由于扩孔的余量小、切削热少，故扩孔精度较高，表面质量好。因此，扩孔属于半精加工。

对于较大的孔，可采用图6-23所示的可转位扩孔钻进行加工，以提高加工效率。

图6-23 可转位扩孔钻

（4）镗孔刀具及其选择在镗床上对大、中型孔进行半精加工和精加工称为镗孔。镗孔的尺寸精度一般可达IT7～IT10。镗孔所用刀具为镗刀。镗刀种类很多，按切削刃数量可分为单刃镗刀和双刃镗刀。

1）单刃镗刀。图6-24所示为单刃镗刀，可用于镗削通孔、阶梯孔和不通孔。单刃镗刀只有一个刀片，使用时用螺钉装夹到镗杆上。垂直安装的刀片镗通孔，倾斜安装的镗不通孔或阶梯孔。

图6-24 单刃镗刀

a）通孔镗刀 b）阶梯孔镗刀 c）不通孔镗刀 1—调节螺钉 2—紧固螺钉

单刃镗刀刚性差，切削时易引起振动，且为减小径向力，宜选较大的主偏角。镗铸铁孔或精镗时，常取κ_r=90°；粗镗钢件孔时，为提高刀具的寿命，一般取κ_r=60°～75°。单刃镗刀结构简单，适应范围较广，通过调整镗刀片的悬伸长即可镗出不同直径大小的孔，粗、精加工都适用；但调整麻烦，效率低，对工人操作技术要求高，只能用于单件小批量生产。

2）微调镗刀。在加工中心上目前较多地选用微调镗刀进行孔的精镗。如图6-25所示，这种镗刀的径向尺寸可以在一定范围内进行微调，调节方便且精度高。调整尺寸时，只要转动螺母5，与它相配合的螺杆（即刀头）就会沿其轴线方向移动。尺寸调整好后，把螺杆尾部的螺钉4紧固好即可使用。

图6-25 微调镗刀

1—刀片 2—镗刀杆 3—导向块 4—螺钉 5—螺母 6—刀块

3）双刃镗刀。镗削大直径的孔可选用图6-26所示的双刃镗刀，这种镗刀有两个对称的切削刃同时工作，也称镗刀块（定尺寸刀具）。双刃镗刀的头部可以在较大范围内进行调整，且调整方便，最大镗孔直径可达1000mm。切削时有两个对称切削刃同时参加切削，这样不仅可以消除切削力对镗杆的影响，而且切削效率高。双刃镗刀刚性好，容屑空间大，两径向力抵消，不易引起振动，加工精度高，可获得较好的表面质量，仅用于大批量生产中。

图6-26 双刃镗刀

（5）铰孔刀具及其选择铰孔是用铰刀对孔进行精加工的方法。铰孔往往作为中小孔钻、扩后的精加工，也可用于磨孔或研孔前的预加工。但铰孔只能提高孔的尺寸精度、形状精度，减小其表面粗糙度值，而不能提高孔的位置精度，也不能纠正孔的轴心线歪斜。一般铰孔的尺寸精度可达IT7～IT9，表面粗糙度可达Ra0.8～1.6μm。

铰孔质量除与正确选择铰削用量、切削液有关外，铰刀的选择也至关重要。

在加工中心上铰孔时，除使用普通的标准铰刀外，还常使用机夹硬质合金刀片的单刃铰刀和浮动铰刀等。

1）普通标准铰刀。如图6-27所示，普通标准铰刀有直柄、锥柄和套式3种。锥柄铰刀直径为10～32mm，直柄铰刀直径为6～20mm，小孔直柄铰刀直径为1～6mm，套式铰刀直径为25～80mm。

图6-27 普通标准铰刀

a）直柄机用铰刀 b）锥柄机用铰刀 c）套式机用铰刀 d）切削、校准部分角度

铰刀的工作部分包括切削部分与校准部分。切削部分为锥形，担负主要切削工作；校准部分起导向、校正孔径和修光孔壁的作用。

标准铰刀有4～12齿。铰刀的齿数除与铰刀直径有关外，主要应根据加工精度的要求选择。齿数多，导向好，齿间容屑槽小，心部粗，刚性好，铰孔获得的精度较高；齿数少，铰削时稳定性差，刀齿负荷大，容易产生形状误差。铰刀齿数可参照表6-1进行选择。

表6-1 铰刀齿数选择

2）使用机夹硬质合金刀片的单刃铰刀。使用机夹硬质合金刀片的单刃铰刀如图6-28所示，刀片3通过楔块4用螺钉1固定在刀体上，通过螺钉7、销子6可调节铰刀尺寸。导向块2可采用烧结和铜焊方式固定。机夹单刃铰刀不仅寿命长，而且加工孔的精度高，表面粗糙度可达Ra0.7μm。对于有内冷却通道的单刃铰刀，允许切削速度达80m/min。

图6-28 使用机夹硬质合金的单刃铰刀

1、7—螺钉 2—导向块 3—刀片 4—锲块 5—刀体 6—销子

3）浮动铰刀。图6-29所示为加工中心上使用的浮动铰刀。这种铰刀不仅能保证换刀和进刀过程中刀具的稳定性，刀片不会从刀杆的长方孔中滑出，而且还能通过自由浮动而准确地“定心”。由于浮动铰刀有两个对称刃，能自动平衡切削力，在铰削过程中又能自动补偿因刀具安装误差或刀杆的径向圆跳动而引起的加工误差，因而加工精度高。浮动铰刀的寿命比高速钢铰刀高8～10倍，且浮动铰刀具有直径调整的连续性，因此它是加工中心所采用的一种比较理想的铰刀。

图6-29 加工中心上使用的浮动铰刀

1—刀杆体 2—可调式浮动铰刀体 3—圆锥端螺钉 4—螺母 5—定位滑块 6—螺钉

8.进给路线的确定

在加工中心上加工时，刀具的进给路线包括铣削加工路线和孔加工路线。在前面已介绍了有关进给路线的确定原则，在加工中心上也必须遵循这些原则。

（1）孔加工的进给路线加工孔时，将刀具在OXY平面内迅速、准确地运动到孔中心线位置，然后再沿Z向运动进行加工。因此，孔加工进给路线的确定包括以下内容。

1）在OXY平面内的进给路线。加工孔时，刀具在OXY平面内属点位运动，因此确定进给路线时主要考虑定位的迅速、准确。例如，加工图6-30a所示零件时，按图6-30b所示进给路线比按图6-30c所示进给路线节省定位时间近一半。这是因为点位运动通常是沿X、Y坐标轴方向同时快速移动的，当X、Y轴各自移距不同时，短移距方向的运动先停，待长移距方向的运动停止后刀具才达到目标位置。图6-30b所示路线沿两轴方向的移距接近，因此定位过程迅速。定位准确即要确保孔的位置精度，避免受机械进给系统反向间隙的影响，如图6-31所示。按图6-31b所示路线加工，Y向反向间隙会使误差增大，从而影响3、4孔与其他孔的位置精度；按图6-31c所示路线加工，可避免反向间隙的带入。

图6-30 最短进给路线设计

通常定位迅速和定位准确难以同时满足，图6-30b所示是按最短路线进给的，满足了定位迅速，但因不是从同一方向趋近目标的，故难以做到定位准确；图6-31c所示是从同一方向趋近目标位置的，满足了定位准确，但又非最短路线，没有满足定位迅速的要求。因此，在具体加工中应抓主要矛盾，若按最短路线进给能保证位置精度，则取最短路线；反之，应取能保证定位准确的路线。

图6-31 准确定位进给路线设计

2）Z向（轴向）的进给路线。为缩短刀具的空行程时间，Z向的进给分快进（即快速接近工件）和工进（工作进给）。刀具在开始加工前，要快速运动到距待加工表面指定距离（切入距离）的R平面上，然后才能以工作进给速度进行切削加工。图6-32a所示为加工单孔时刀具的进给路线。加工多孔时，为减少刀具空行程时间，切完前一个孔后，刀具只需退到R平面即可沿X、Y坐标轴方向快速移动到下一孔位，其进给路线如图6-32b所示。

图6-32 刀具Z向进给路线

在工作进给路线中，工进距离Z_F除包括被加工孔的深度H外，还应包括切入距离Z_a、切出距离Z_o（加工通孔）和钻尖（顶角）长度T_t，如图6-33所示。

图6-33 工作进给距离计算图

a）加工不通孔时的工作进给距离 b）加工通孔时的工作进给距离

（2）铣削加工时的Z向进给路线前面介绍的铣削平面、平面轮廓、各种槽及空间曲面等切削进给路线同样可应用在加工中心的铣削中，这里仅介绍铣削在Z轴方向的进给路线。如图6-34所示，铣削在Z向的进给路线分三种情况。

1）铣开口槽时，铣刀在Z向直接快速移动到位，无工进，如图6-34a所示。

2）铣封闭槽（如键槽）时，铣刀在Z向需有一切入距离Z_a，先快进到切入位置，然后再工进至切削深度，如图6-34b所示。

3）铣Z向通槽及工件轮廓时，铣刀在Z向需有一切出距离Z_o，可直接快速移动到切出位置上，如图6-34c所示。

有关铣削加工切入、切出距离的经验数据见表6-2。

图6-34 铣刀在Z向的进给路线

a）铣削开口不通槽的Z向进给路线 b）铣削封闭槽的Z向进给路线 c）铣削轮廓及通槽的Z向进给路线

表6-2 刀具切入、切出距离经验数据（单位：mm）

9.切削用量的选择

切削用量的选择应充分考虑零件的加工精度、表面粗糙度，以及刀具的强度、刚度和加工效率等因素，可根据1.4节所述的原则、方法和注意事项，在机床说明书允许的范围之内，查阅手册并结合经验确定。表6-3～表6-7中列出了部分孔的加工切削用量，供选择时参考。

主轴转速n（单位为r/min）根据选定的切削速度v_c（单位为m/min）和工件或刀具的直径来计算，即

式中 d——工件的加工直径或刀具直径，单位为mm。

攻螺纹时进给量的选择决定于螺纹的导程，由于使用了带有浮动功能的攻螺纹夹头，因而攻螺纹时工作进给速度v_f（单位为mm/min）可略小于理论计算值，即

v_f≤Pn（6-2）

式中 P——加工螺孔的导程，单位为mm。

表6-3 高速钢钻头加工铸铁的切削用量

注：采用硬质合金钻头加工铸铁时，取v_c=20～30m/min。

表6-4 高速钢钻头加工钢件的切削用量

表6-5 高速钢铰刀铰孔的切削用量

注：采用硬质合金铰刀铰铸铁时，取v_c=8～10m/min；铰铝时，取v_c=12～15m/min。

表6-6 镗孔切削用量

注：当采用高精度的镗头镗孔时，由于余量较小，直径余量不大于0.2mm，因而切削速度可提高一些，铸铁件为100～150mm/min，钢件为150～250mm/min，铝合金为200～400mm/min，巴氏合金为250～500mm/min。进给量可在0.03～0.1mm/r范围内选择。

表6-7 攻螺纹切削用量

10.加工中心的选择

加工中心是一种集铣、镗、钻、扩、铰、攻螺纹和切螺纹等多种加工于一体，具有刀库和自动换刀装置的数控机床。目前常用的加工中心分立式和卧式两种，其中卧式加工中心的结构较复杂，体积和占地面积较大，功能也较多，但价格昂贵。一般来说，工作台规格相近的加工中心中，卧式加工中心的价格要比立式加工中心贵50%～100%。因此，从经济性方面考虑，完成同样的工艺内容，能用立式的尽量用立式加工中心，只有在立式加工中心满足不了加工要求时才选用卧式加工中心。

（1）加工中心种类的选择立式加工中心的主轴轴心线在空间处于垂直状态，最适合加工Z轴方向尺寸相对较小的单工位工件，如箱盖、端盖和平面凸轮等。卧式加工中心的主轴轴心线在空间处于水平状态，一般有三至五个坐标轴，常配有一个数控或分度回转工作台，其工艺范围较宽，刀库容量较大（有的刀库甚至可存放几百把刀具），因此，最适合加工需多工位加工、位置精度要求较高的零件，如箱体、泵体、阀体和壳体等。特别是箱体类零件上的孔系和型面，通过一次装夹在回转工作台上，即可对除底面和顶面之外的四个面进行铣、扩、钻、攻螺纹等加工。

（2）加工中心规格的选择选择加工中心规格主要应考虑工作台的大小、坐标行程、坐标数量和主电动机功率等因素。

1）工作台的规格。加工中心工作台的规格一般都是以工作台的长与宽的乘积表示的，它是衡量机床加工范围的指标之一。

工作台的规格应与工件的外形尺寸相适应。一般工作台台面应比工件略大一些，以便安装夹具。如果小件选用大工作台进行单件多工位加工，则可能因刀具过长使其刚度降低，还会影响加工质量甚至无法加工。另外，工件和夹具的总重量不能大于工作台的额定载重，工件的移动轨迹不能与机床防护罩发生干涉，交换刀具时不得与工件相碰。

2）加工范围。选择加工范围主要应考虑坐标行程，若工件尺寸大于坐标行程，则加工区域必须在坐标行程的范围内。

（3）加工中心精度的选择加工中心的精度等级应与零件的加工精度要求相适应。表6-8列出了加工中心精度项目中的几项关键精度。

表6-8 加工中心精度等级

（4）加工中心功能的选择

1）数控系统功能。以FANUC16系统为例，该系统可实现多轴控制、曲面直接插补、人机对话、在线自动编程等功能；通过彩色显示器能仿真、动态跟踪图形，显示三维立体曲面的加工过程；可实现前台操作、后台编辑的前后台功能；还可在加工过程中进行在线检测，其检测出的偏差可自动修正，既能保证产品质量，又可提高生产率。这些功能中，有些属于基本功能，有些属于选择功能。在基本功能的基础上，每增加一项选择功能，费用将大幅增加，有的甚至增加几万元。因此，一定要根据实际需要选择数控系统的功能。

2）坐标轴控制功能。根据被加工零件的加工要求来选择坐标轴控制功能，如平面凸轮需两轴联动，复杂曲面的叶轮、模具等需三轴或四轴以上联动。

3）工作台自动分度功能。卧式加工中心进行多工位加工时，机床的工作台应具有分度功能。普通的卧式加工中心多采用鼠齿盘定位的工作台自动分度，分度定位精度较高，其分度定位间距有0.5°×720、1°×360、5°×72、3°×120等几种，可根据零件的加工要求选择。

4）刀库容量的选择。应根据零件的加工工艺和数控加工刀具卡来确定刀库容量。刀库容量需留有余地，但不宜太大。因为大容量刀库故障率高，结构和刀具管理复杂，成本也高。一般来说，在立式加工中心上选用刀具容量为20把左右的刀库，在卧式加工中心上选用刀具容量为40把左右的刀库即可满足使用要求。

5）刀柄的选择。刀柄是机床主轴与刀具之间的连接工具，因此刀柄要能满足机床主轴自动松开和拉紧定位、准确安装各种切削刃具、适应机械手的夹持和搬运、贮存和识别刀库中各种刀具的要求。加工中心上一般都采用7∶24圆锥刀柄，如图6-35所示。这类刀柄不自锁，换刀比较方便，比直柄刀具有更高的定心精度与刚度。加工中心的刀柄已系列化和标准化，其锥柄部分和机械手爪部分都有相应的国际和国家标准。固定在刀柄尾部且与主轴内拉紧机构相适应的拉钉也已标准化，柄部及拉钉的有关尺寸可查阅相应标准。图6-36和图6-37所示分别为标准中的A型和B型两种拉钉。

图6-35 自动换刀机床用7∶24圆锥刀柄

图6-36 A型拉钉

图6-37 B型拉钉

加工中心上使用的铣、钻、扩、铰、镗及攻螺纹等各种用途的刀柄，其规格达数百种之多。具体到某一台机床上，选择刀柄时既要做到满足加工需要，又不至于造成积压。为此，可以根据其加工典型零件的加工工艺和数控加工刀具卡来确定刀柄的规格种类，这是一种既经济又有效的方法。