§6.数控铣床及铣削加工工艺

图6—16
两轴半坐标行切法加工曲面
图6—17
两轴半坐标行切法加工曲面的切削点轨迹
图4—18 3轴联动行切法 加工曲面的切削点轨迹
图4—19 曲面的5坐标联动加工
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6．3．2
进给路线的确定
1．顺铣和逆铣的选择
铣削有顺铣和逆铣两种方式（图6—20）。当工件表面无硬皮，机床进给机构无 间隙时，应选用顺铣，按照顺铣安排进给路线。因为采用顺铣加工后，零件已加工表 面质量好，刀齿磨损小。精铣时，尤其是零件材料为铝镁合金、钛合金或耐热合金时， 应尽量采用顺铣。当工件表面有硬皮，机床的进给机构有间隙时，应选用逆铣，按照 逆铣安排进给路线。因为逆铣时，刀齿是从已加工表面切入，不会崩刀；机床进给机 构的间隙不会引起振动和爬行。
(3)形状复杂，尺寸繁多，划线与检测困难的部位。 (4)用通用铣床加工时难以观察、测量和控制进给的内、外凹槽。 (5)以尺寸协调的高精度孔或面。
(6)能在一次安装中顺带铣出来的简单表面或形状。
(7)采用数控铣削能成倍提高生产率，大大减轻体力劳动的一般加工内容。 2．不宜采用数控铣削加工内容 (1)需要进行长时间占机和进行人工调整的粗加工内容，如以毛坯粗基准定位划线 找正的加工。 (2)必须按专用工装协调的加工内容(如标准样件、协调平板、模胎等)。 (3)毛坯上的加工余量不太充分或不太稳定的部位。 (4)简单的粗加工面。 (5)必须用细长铣刀加工的部位，一般指狭长深槽或高筋板小转接圆弧部位。
图6-9 肋板高度与内孔转接圆 弧对零件铣削工艺性的影响
图6—10 零件底面与肋板的转接 圆弧对零件铣削工艺性的影响
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6．2．4
数控铣削零件毛坯的工艺性分析
1．毛坯应有充分的加工余量，稳定的加工质量
毛坯主要指锻、铸件，因模锻时的久压量与允许的错模量会造成余量多少不等，铸造时也会 因砂型误差、收缩量及金属液体的流动性差不能充满型腔等造成余量不等。另外，锻造、铸造 后，毛坯的翘曲与扭曲变形量的不同也会造成加工余量不充分、不稳定。因此，除板料外，不 管是锻件、铸件还是型材，只要准备采用数控铣削加工，其加工面均应有较充分的余量。
6．2．3
数控铣床加工零件的结构工艺性分析
1．零件图样尺寸的正确标注
构成零件轮廓的几何元素(点、线、面)的相互关系(如相切、相交、垂直和平行等)，的给定条 件是否充分，应无引起矛盾的多余尺寸或影响工序安排的封闭尺寸等。
2．保证获得要求的加工精度
检查零件的加工要求，如尺寸加工精度、形位公差及表面粗糙度在现有的加工条件下是否可以 得到保证，是否还有更经济的加工方法或方案。对一些特殊情况，如面积较大的薄板，当其厚 度小于3mm时，就应在工艺上充分重视这一问题。
2．分析毛坯的装夹适应性
主要考虑毛坯在加工时定位和夹紧的可靠性与方便性，以便充分发挥数控铣削在一次安装中加 工出较多待加工面。对于不便装夹的毛坯，可考虑在毛坯上另外增加装夹余量或工艺凸台来定 位与夹紧，也可以制出工艺孔或另外准备工艺凸耳来特制工艺孔作定位基准（图6—11）。
3．分析毛坯的余量大小及均匀性 4．尽量统一零件轮廓内圆弧的有关尺寸
图6—12 平面轮廓铣削
2．固定斜角平面的加工方法
固定斜角平面是与水平面成一固定夹角的斜面，常用的加工方法如下： （1）当零件尺寸不大时，可用斜垫板垫平后加工；如果机床主轴可以摆角，则 可以摆成适当的定角，用不同的刀具来加工(见图6—13)。当零件尺寸很大，斜面斜 度又较小时，常用行切法加工，但加工后，会在加工面上留下残留面积，需要用钳 修方法加以清除，用3坐标数控立铣加工飞机整体壁板零件时常用此法。当然，加工 斜面的最佳方法是采用5坐标数控铣床，主轴摆角后加工，可以不留残留面积。 （2）对于图6—6c所示的正圆台和斜筋表面，一般可用专用的角度成型铣刀加 工。其效果比采用5坐标数控铣床摆角加工好。
6．1．2
数控铣床的分类
1．数控铣床按其主轴位置的不同分三类（图6—1）
（1）数控立式铣床 其主轴垂直于水平面。小型数控铣床一般都采用工作台移动、 升降及主轴不动方式，与普通立式升降台铣床结构相似；中型数控铣床一般采用纵向 和横向工作台移动方式，且主轴沿垂直溜板上下运动；大型数控铣床因要考虑到扩大 行程，缩小占地面积及刚性等技术问题，往往采用龙门架移动方式，其主轴可以在龙 门架的纵向与垂直溜板上运动，而龙门架则沿床身作纵向移动，这类结构又称之为龙 门数控铣床。数控立式铣床可以附加数控转盘，采用自动交换台。增加靠模装置等来
第6章 数控铣床与铣削加工工艺
•6．1 数控铣床简介
•6．2 数控铣床加工工艺分析
•6．3 数控铣床加工工艺路线的拟订 •6．4 典型零件的数控铣削加工工艺分析
6.1 数控铣床简介
6.1.1 数控铣床的用途
一般的数控铣床是指规格较小的升降台式数控铣床，其工作台宽度多在400mm以 下，规格较大的数控铣床（如工作台宽度在500mm以上的），其功能已向加工中心 靠近，进而演变成荣幸加工单元。数控铣床多为三坐标、两轴联动的机床，也称 两轴半控制，即在X、Y、Z三个坐标轴中，任意两轴都可以联动。一般情况下，在
3．曲面类零件 加工面为空间曲面的零件称为曲面类零件(如图6—8)。曲面类零件的加工面不 能展开为平面，加工时，加工面与铣刀始终为点接触。常用两轴半联动数控铣床 来加工精度要求不高的曲面；精度要求高的曲面类零件一般采用三轴联动数控铣 床加工；当曲面较复杂、通道较狭窄、会伤及毗邻表面及需刀具摆动时，要采用 四轴甚至五轴联动数控铣床加工。
1．数控铣床主传动系统
图6—3 XK5040A型数控铣床传动系统
传动系统包括主运动和进给运动两部分。 （1）主传动 XK5040A型数控铣床的主体运动是主轴的旋转运动。由7.5kW、 1450r／min的主电动机驱动(如图6—3所示)，使之获得18级转速，转速范围为30～ 1500r／min。 （2）进给运动 进给运动有工作台纵向、横向和垂直三个方向的运动。进给 系统传动齿轮间隙的消除，采用双片斜齿轮消除间隙机构（如图6—4所示）。调整 螺母1，即可靠弹簧2自动消除间隙。
图6—13
主轴摆角加工固定斜面
3．变斜角面的加工
（1）对曲率变化较小的变斜角面，用 4坐标联动的数控铣床，采用立铣刀(但 当零件斜角过大，超过机床主轴摆角范围时，可用角度成型铣刀加以弥补)以插补方 式摆角加工（图6—14a)。 （2）对曲率变化较大的变斜角面，用4坐标联动加工难以满足加工要求，最好 用5坐标联动数控铣床，以圆弧插补方式摆角加工（图6—14b）。 （3）采用3坐标数控铣床两坐标联动，利用球头铣刀和鼓形铣刀，以直线或圆 弧插补方式进行分层铣削加工，加工后的残留面积用钳修方法清除（图6—15）。
图6—4 XK5040A型 数控铣床齿 轮间隙消除 机构 1—螺母 2—弹簧 3—电动机
4—齿轮
2. 升降台自动平衡装置
XK5040A型数控铣床升降台自动平衡装置如图6—5所示。伺服电动机1经过锥环联 接带动十字联轴节以及圆锥齿轮2、3，使升降丝杠转动，工作台上升或下降。同时 圆锥齿轮3带动圆锥齿轮4，经超越离合器和摩擦离合器相连，这一部分称作升降台 自动平衡装置。
2．从机床数控系统控制的坐标轴数量分类
有2.5坐标联动数控铣床（只能进行X、Y、Z三个坐标中的任意2个坐标轴联动加工
a)卧式升降台铣床
图6-1 各类数控铣床示意图 b)立式升降台铣床 c)龙门式轮廓铣床
d)卧式镗铣床
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6．1．3
数控铣床的传动系统与主轴部件
图6—2 XK5040A型数控铣床的布局图 1-底座 2-强电柜 3-变压器箱 4-垂直升降进给伺服电动机 5-主轴变速手柄和按钮板 6-床身 7-数控柜 8-保护开关 9-挡铁 10-操纵台 11-保护开关 12-横向溜板 13-纵向进给伺服电动机 14-横向进给伺服电动机 15-升降台 16-纵向工作台
数控铣床上Baidu Nhomakorabea能用来加平面曲线的轮廓。对于有特殊要求的数控铣床，还可以加
进一个回转的A坐标或C坐标，即增加一个数控分度头或数控回转工作台，它可安 装在机床工作台的不同位置，这时机床的数控系统为四坐标的数控系统，可用来
加工螺旋槽、叶片等立体曲面零件。
与普通铣床相比，数控铣床的加工精度高，精度稳定性好，适应性强，操作劳 动强度低，特别适应于板类、盘类、壳具类、模具类等复杂形状的零件或对精度 保持性要求较高的中、小批量零件的加工。
a)带平面轮廓的平面零件
b)带斜平面的平面零件 图6—6 平面类零件
c)带正圆台和斜筋的平面零件
图6—7 变斜角零件
图6—8 叶轮
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6．2．2
线等曲线轮廓。
数控机床铣削加工内容的选择
1．采用数控铣削加工内容 (1)工件上的曲线轮廓内、外形，特别是由数学表达式给出的非圆曲线与列表曲
(2)已给出数学模型的空间曲线。
扩大数控立式铣床的功能、加工范围和加工对象，进一步提高生产效率。 （2）卧式数控铣床 其主轴平行于水平面。为了扩大加工范围和扩充功能，卧式 数控铣床通常采用增加数控转盘或万能数控转盘来实现4至5坐标，进行“四面加工” 。 （3）立、卧两用数控铣床 它的主轴方向可以更换（有手动与自动两种），既可以 进行立式加工，又可以进行卧式加工，其使用范围更广，功能更全。当采用数控万能 主轴头时，其主轴头可以任意转换方向，可以加工出与水平面呈各种不同角度的工件 表面。当增加数控转盘后，就可以实现对工件的“五面加工”。
5．保证基准统一
最好采用统一基准定位，因此零件上应有合适的孔作为定位基准孔，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台或在后继工序要铣去的余量上设基准孔)。若无法制出 工艺孔，最起码也要用精加工表面作为统一基准，以减少二次装夹产生的误差。
6．分析零件的变形情况
零件在数控铣削加工时的变形较大时，就应当考虑采取一些必要的工艺措施进行预防。
图6—14
4、5坐标数控铣床加工零件变斜角面
图6—15
用鼓形铣刀分层铣削变斜角
4．曲面轮廓的加工方法
（1）对曲率变化不大和精度要求不高的曲面的粗加工，常用两轴半坐标的行
切法加工，即x、y、z 3轴中任意两轴作联动插补，第三轴作单独的周期进给。 如 图6—16所示 。 两轴半坐标加工曲面的刀心轨迹O1O2和切削点轨迹ab，如图6—17所示。 （2）对曲率变化较大和精度要求较高的曲面的精加工，常用z、y、z 3坐标联动 插补的行切法加工。如图6—18所示。 （3）对像叶轮、螺旋桨这样的零件，因其叶片形状复杂，刀具容易与相邻表 面干涉，常用5坐标联动加工。其加工原理如图6—19所示。
图6—5 XK5040A型数控铣床升降台自动平衡装置 1-伺服电动机 2-圆锥齿轮 3-圆锥齿轮 4-圆锥齿轮 5-星轮 6-滚子 7-超越离合器的外壳 8-螺母 9-锁紧螺钉
6．2 数控铣床加工工艺分析
6．2．1 数控铣削的主要加工对象
1．平面类零件 加工面平行或垂直于水平面，或加工面与水平面的夹角为定角的零件为平面类 零件(见图6—6)。其特点是各个加工面是平面，或可以展开成平面。一般只需用 三坐标数控铣床的两坐标联动(即两轴半坐标联动)就可以把它们加工出来。 2.变斜角类零件 加工面与水平面的夹角呈连续变化的零件称为变斜角类零件（图6—7）。变斜 角类零件的变斜角加工面不能展开为平面，但在加工中，加工面与铣刀圆周接触 的瞬间为一条线。最好采用四坐标或五坐标数控铣床摆角加工，在没有上述机床 时，可采用三坐标数控铣床，进行两轴半坐标近似加工。
主要是考虑在加工时要不要分层切削，分几层切削。也要分析加工中与加工后的变形程度，考 虑是否应采取预防性措施与补救措施。
图6—11 增加毛坯辅助基准示例
6．3 数控铣床加工工艺路线的拟订
6．3．1 数控铣削加工方案的选择
1．平面轮廓的加工方法 这类零件的表面多由直线和圆弧或各种曲线构成，通常采用3坐标数控铣床进 行两轴半坐标加工（图6—12）。
3．零件内腔外形的尺寸统一 4．尽量统一零件轮廓内圆弧的有关尺寸
（1）内槽圆弧半径R的大小决定着刀具直径的大小，所以内槽圆弧半径R不应太小。（图6— 9）。一般，当R<0.2H(H为被加工轮廓面的最大高度)时，可以判定零件上该部位的工艺性不好。 （2）零件铣削槽底平面时，槽底面圆角或底板与肋板相交处的圆角半径r不要过大（图6-10）。 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。