数控铣削加工工艺分析优化技巧

任务描述

1.分析平面及平面轮廓类零件图的数控铣削加工工艺性；

2.拟订平面及平面轮廓类零件的数控铣削加工工艺路线；

3.选择平面及平面轮廓类零件的数控铣削加工刀具；

4.选择平面及平面轮廓类零件的数控铣削加工夹具，确定装夹方案；

5.按平面及平面轮廓类零件的数控铣削加工工艺选择合适的切削用量与机床。

能力目标

1.会根据零件结构及技术要求选择数控铣床；

2.会对简易数控铣削零件图进行数控铣削加工工艺性分析，包括分析零件图纸技术要求，检查零件图的完整性和正确性，分析零件的结构工艺性，以及分析零件毛坯的工艺性；

3.会拟订简易数控铣削零件的加工工艺路线，包括选择数控铣削平面与平面轮廓加工方法，划分加工阶段，划分加工工序，确定加工顺序，以及确定加工路线；

4.会根据数控铣削零件加工工艺熟练地选用整体式数控铣削刀具与机夹可转位铣削刀具。

相关知识

数控铣削加工工艺设计步骤包括机床选择、零件图纸工艺分析、加工工艺路线设计、装夹方案及夹具选择、刀具选择、切削用量选择、填写数控加工工序卡与刀具卡等。

一、数控铣削机床选择

数控铣削机床是主要采用铣削方式加工工件的数控机床。典型的数控铣削机床有数控铣床和加工中心两种。由于加工中心增加了刀库和自动换刀装置，主要用于自动换刀对箱体类等复杂零件进行多工序镗铣综合加工，因此，数控铣削机床一般是指数控铣床。数控铣床除了能进行外形轮廓铣削、平面型腔铣削和三维复杂型面的铣削（如凸轮、模具、叶片及螺旋桨等复杂零件的铣削加工）外，还具有孔加工功能。它通过人工手动换刀，也可进行一系列孔的加工，如钻孔、扩孔、铰孔、镗孔及攻螺纹等。

1.数控铣床的分类

数控铣床的种类很多，常用的分类方法是按其主轴的布置形式、控制轴类及其功能分类。

1）按数控铣床的主轴布置形式分类

按数控铣床主轴布置形式，可分为立式数控铣床，卧式数控铣床，以及立、卧两用数控铣床。

（1）立式数控铣床

立式数控铣床是数控铣床中最常见的一种布局形式。其主轴轴线垂直于水平面，应用范围最广。立式数控铣床中又以坐标（X，Y，Z）联动的数控铣床居多，其各坐标的控制方式主要有以下3 种：

①工作台纵、横向移动并升降，主轴不动，与普通立式升降台铣床相似。目前，小型立式数控铣床一般采用这种方式。

②工作台纵、横向移动，主轴升降。这种方式一般应用于中型立式数控铣床，如图3-1-1所示。

图3-1-1　立式数控铣床

图3-1-2　龙门式数控铣床

③大型立式数控铣床由于需要考虑扩大行程，缩小占地面积和刚度等技术问题，因此，多采用工作台移动式。其主轴可在龙门架的横向与垂直溜板上运动，而工作台则沿床身作纵向运动，如图3-1-2所示。

图3-1-3　立式数控铣床配数控转盘实现4 轴联动加工

图3-1-4　卧式数控铣床

为扩大立式数控铣床的使用功能和加工范围，可增加数控转盘来实现4 轴或5 轴联动加工，如图3-1-3所示。

（2）卧式数控铣床

如图3-1-4所示，卧式数控铣床的主轴轴线平行于水平面，主要用于箱体类零件的加工。为了扩大加工范围和使用功能，卧式数控铣床通常采用增加数控转盘来实现4 轴或5轴联动加工，这样不但工件侧面上的连续回转轮廓可加工出来，而且可实现在一次安装中，通过转盘改变工位，进行“四面加工”，尤其是配万能数控转盘的数控铣床，可把工件上各种不同的角度或空间角度的加工面摆成水平来加工。这样，可省去很多专用夹具或专用角度的成形铣刀。对于箱体类零件或需要在一次安装中改变工位的工件来说，选择带数控转盘的卧式数控铣床进行加工是非常合适的。由于卧式数控铣床在增加了数控转盘后很容易做到对工件进行“四面加工”，因此，在许多方面胜过带数控转盘的立式数控铣床。

（3）立、卧两用数控铣床

立、卧两用数控铣床的主轴方向可以变换，能达到在一台机床上既可进行立式加工，又可进行卧式加工，使其应用范围更广、功能更全，选择加工对象的余地更大，给用户带来很大的方便，尤其当生产批量小，品种多，又需要立、卧两种方式加工时，用户只需购买一台这样的机床即可。配万能数控主轴头可任意方向转换的立、卧两用数控铣床如图3-1-5所示。

2）按数控系统控制的坐标轴数量分类

按数控系统控制的坐标轴数量，可分为2.5轴、3 轴、4 轴及5 轴联动数控铣床。

图3-1-5　配万能数控主轴头可任意方向转换的立、卧两用数控铣床

（1）2.5 轴联动数控铣床

数控铣床只能进行X，Y，Z 3 个坐标中的任意两个坐标轴联动加工。

（2）3 轴联动数控铣床

数控铣床能进行X，Y，Z 3 个坐标轴联动加工。目前，3 坐标联动数控铣床仍占大多数。

（3）4 轴联动数控铣床

数控铣床能进行X，Y，Z 3 个坐标轴和绕其中一个轴作数控摆角联动加工。

（4）5 轴联动数控铣床

数控铣床能进行X，Y，Z 3 个坐标轴和绕其中两个轴作数控摆角联动加工。

3）按数控系统的功能分类

按数控系统的功能，可分为经济型、全功能型和高速铣削数控铣床。

（1）经济型数控铣床

经济型数控铣床一般是在普通立式铣床或卧式铣床的基础上改造而来的。它采用经济型数控系统，成本低，机床功能较少，主轴转速和进给速度不高，主要用于精度不高的简单平面或曲面零件加工，如图3-1-6所示。

图3-1-6　经济型数控铣床

图3-1-7　全功能型数控铣床

（2）全功能型数控铣床

全功能型数控铣床一般采用半闭环或闭环控制。其控制系统功能较强，数控系统功能丰富，一般可实现4 轴或4 轴以上的联动加工，加工适应性强，应用最为广泛，如图3-1-7所示。

（3）高速铣削数控铣床

一般将主轴转速在8 000 ～40 000 r/min 的数控铣床，称为高速铣削数控铣床。其进给速度可达10 ～30 m/min，如图3-1-8所示。这种数控铣床采用全新的机床结构、功能部件（电主轴、直线电机驱动进给）和功能强大的数控系统，并配以加工性能优越的刀具系统，可对大面积的曲面进行高效率、高质量的加工。

2.数控铣床的主要技术参数

数控铣床的主要技术参数反映了数控铣床的加工能力、加工范围、主轴转速范围、夹持最大刀具质量和直径、装夹刀柄标准和精度等指标。识别数控铣床的主要技术参数是选择数控铣床的重要一环。为了便于读者识别数控铣床的主要技术参数，下面摘选了北京第一机床厂生产的XKA714 数控铣床主要技术参数中与选择数控铣床有关的主要技术参数。

3.数控铣床主要加工对象及主要加工内容

1）数控铣床主要加工对象

数控铣床可用于加工许多普通铣床难以加工甚至无法加工的零件，它以铣削功能为主，主要适合铣削以下3 类：

（1）平面类零件

平面类零件是指加工面平行或垂直于水平面，以及加工面与水平面的夹角为一定值的零件。平面类零件的特点是：加工面为平面或加工面可以展开为平面。如图3-1-9所示的3 个零件均属于平面类零件。图3-1-9 中的曲线轮廓面A 和圆台侧面B，展开后均为平面，C 为斜平面。这类零件的数控铣削相对比较简单，一般只用3 坐标数控铣床的2 轴联动就可加工出来。目前，数控铣床加工的绝大多数零件属于平面类零件。如图3-1-10所示为较复杂的典型平面类零件。

图3-1-8　高速铣削数控铣床

图3-1-9　典型的平面类零件

图3-1-10　较复杂的典型平面类零件

（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，也称直纹曲面类零件。这类零件的特点是：加工面不能展开为平面，但在加工中，铣刀圆周与加工面接触的瞬间为一条直线。如图3-1-11所示为飞机上的变斜角梁椽条。该零件在第②肋至第⑤肋的斜角α 从3°10′均匀变化为2°32′，从第⑤肋至第⑨肋再均匀变化为1°20′，从第⑨肋至第⑫肋又均匀变化至0°。这类零件一般采用4 轴或5 轴联动的数控铣床加工，也可用3 轴数控铣床通过2 轴联动用鼓形铣刀分层近似加工，但精度稍差。

如图3-1-12所示为变斜角类零件的加工。

图3-1-11　飞机上的变斜角梁椽条

图3-1-12　变斜角类零件的加工

（3）曲面类（ 立体类）零件

加工面为空间曲面的零件，称为曲面类零件，如图3-1-13所示。这类零件的特点：一是加工面不能展开成平面，二是加工面与加工刀具（铣刀）始终为点接触。这类零件在数控铣床的加工中也较常见，通常采用2.5 轴联动数控铣床加工精度要求不高的曲面；精度要求高的曲面需用3 轴联动数控铣床加工，若曲面周围有干涉表面，需用5 轴甚至4 轴联动数控铣床加工。如图3-1-14所示为典型的曲面类（立体类）零件。

2）数控铣床主要加工内容

以下加工内容一般作为数控铣削的主要加工内容：

图3-1-13　曲面类零件

图3-1-14　典型的曲面类（立体类）零件

①工件上的曲线轮廓表面，特别是由数学表达式给出的非圆曲线和列表曲线等曲线轮廓。

②给出数学模型的空间曲面或通过测量数据建立的空间曲面。

③形状复杂、尺寸繁多，划线与检测困难的部位及尺寸精度要求较高的表面。

④通用铣床加工时难以观察、测量和控制进给的内外凹槽。

⑤能在一次安装中顺带铣出来的简单表面或形状。

⑥采用数控铣削后能成倍提高生产率，大力减轻体力劳动强度的一般加工内容。

以下加工内容一般不采用数控铣削加工：

①需要进行长时间占机人工调整的粗加工内容。

②毛坯上的加工余量不太充分或不太稳定的部位。

③简单的粗加工表面。

④必须用细长铣刀加工的部位，一般是指狭长深槽或高肋板小转接圆弧部位。

4.数控铣床的选择

在数控铣床加工精度满足零件图纸技术要求的前提下，选择数控铣床的最主要技术参数是其多个数控轴的行程范围。数控铣床的两个基本直线坐标（X，Y，Z）行程反映该机床允许的加工空间。一般情况下，加工工件的轮廓尺寸应在机床的加工空间范围之内，如典型工件是450 mm ×450 mm ×450 mm 的铣削零件，应选用工作台面尺寸为500 mm ×500 mm 的数控铣床。选用工作台面比典型工件稍大一些是出于安装夹具的考虑，工作台面的大小基本上确定了加工空间的大小，个别情况下允许工件尺寸大于坐标行程，但这时必须要求零件上的加工区域处在行程范围之内，而且要考虑机床工作台的允许承载能力，以及工件是否与机床防护罩等附件发生干涉等一系列问题。选择的具体考虑因素可参考任务四。

二、零件图纸工艺分析

数控铣削零件图纸工艺分析包括分析零件图纸技术要求、检查零件图的完整性和正确性、零件的结构工艺性分析、零件毛坯的工艺性分析。

1.分析零件图纸技术要求

分析铣削零件图纸技术要求时，主要考虑以下5 个方面：

①各加工表面的尺寸精度要求。

②各加工表面的几何形状精度要求。

③各加工表面之间的相互位置精度要求。

④各加工表面粗糙度要求以及表面质量方面的其他要求。

⑤热处理要求及其他要求。

根据上述零件图纸技术要求，首先要根据零件在产品中的功能研究分析零件与部件或产品的关系，从而认识零件的加工质量对整个产品质量的影响，并确定零件的关键加工部位和精度要求较高的加工表面等，认真分析上述各精度和技术要求是否合理。其次要考虑在数控铣床上加工能否保证零件的各项精度和技术要求，进而具体考虑在哪种机床上加工最为合理。

2.检查零件图的完整性和正确性

由于数控铣削加工程序是以准确的坐标点来编制的，因此，各图形几何要素之间的相互关系（如相切、相交、垂直、平行及同心等）应明确；各种几何要素的条件要充分，应无引起矛盾的多余尺寸或影响工序安排的封闭尺寸；尺寸、公差和技术要求是否标注齐全，等等。例如，在实际加工中，常常会遇到图纸中缺少尺寸，给出的几何要素的相互关系不够明确，使编程计算无法完成，或者虽然给出了几何要素的相互关系，但同时又给出了引起矛盾的相关尺寸，同样给数控编程计算带来困难。另外，要特别注意零件图纸各方向尺寸是否有统一的设计基准，以便简化编程，保证零件的加工精度要求。

采用自动编程根据零件图纸建立复杂表面数学模型后，必须仔细地检查数学模型的完整性、合理性和几何拓扑关系的逻辑性。数学模型的完整性是指数学模型是否全面表达图纸所表达的零件真实形状；合理性是指生成的数学模型中的曲面是否满足曲面造型的要求，主要包括曲面参数对应性、曲面的光顺性等，曲面不能有异常的凸起和凹坑：几何拓扑关系的逻辑性是指曲面与曲面之间的相互关系，主要包括曲面与曲面之间的连接是否满足指定的要求（如位置连续性、切矢连续性、曲率连续性等），以及曲面的修剪是否干净、彻底等。

3.零件的结构工艺性分析

零件的结构工艺性是指所设计的零件在满足使用要求的前提下制造的可行性和经济性。良好的结构工艺性可使零件加工容易，节省工时和材料，而较差的零件结构工艺性会使加工困难，浪费工时和材料，有时甚至无法加工。因此，零件各加工部位的结构工艺性应符合数控加工的特点。

1）零件图纸上的尺寸标注应方便编程

编程方便与否常常是衡量数控工艺性好坏的一个指标。在实际生产中，零件图纸上尺寸标注方法对工艺性影响较大。因此，零件图纸尺寸标注应符合数控加工编程方便的原则。

2）分析零件的变形情况，保证获得要求的加工精度

零件尺寸所要求的加工精度、尺寸公差是否都可得到保证，不要认为数控铣床加工精度高而放弃这种分析，特别要注意过薄的底板与肋板的厚度公差，“铣工怕铣薄”，数控铣削也是一样，过薄的底板或肋板在加工时因产生的切削拉力及薄板的弹力退让极易产生切削面的振动，使薄板厚度尺寸公差难以保证，其表面粗糙度也将恶化或变坏。零件在数控铣削加工时的变形，不仅影响加工质量，而且当变形较大时，将使加工不能继续下去。根据实践经验，当面积较大的薄板厚度小于3 mm 时，就应在工艺上充分重视这一问题。一般采取以下预防措施：

①对大面积的薄板零件，改进装夹方式，采用合适的加工顺序和刀具。

②采用适当的热处理方法，如对钢件进行调质处理，对铸铝件进行退火处理。

③采用粗、精加工分开及对称去除余量等措施来减小或消除变形的影响。

④充分利用数控机床的循环功能，减小每次进刀的切削深度或切削速度，从而减小切削力，控制零件在加工过程中的变形。

3）尽量统一零件轮廓内圆弧的有关尺寸

（1）轮廓内圆弧半径R 常常限制刀具的直径

内槽（内型腔）圆角的大小决定着刀具直径的大小，故内槽（内型腔）圆角半径不应太小。如图3-1-15所示的零件，其结构工艺性的好坏与被加工轮廓的高低、转角圆弧半径的大小等因素有关。图3-1-15（b）与图3-1-15（a）相比，转角圆弧半径大，可采用较大直径的立铣刀来加工；加工平面时，进给次数也相应减少，表面加工质量也会好一些，故图3-1-15（b）工艺性较好。通常R<0.2H 时，可以判定零件在该部位的工艺性不好。

图3-1-15　内槽（内型腔）结构工艺性对比

（2）转接圆弧半径值大小的影响

转接圆弧半径小，可采用较大铣刀加工槽底平面，加工效率高且加工表面质量也较好，因此工艺性较好。

铣槽底平面时，槽底圆角半径r 不要过大。如图3-1-16所示，铣刀端面刃与铣削平面的最大接触直径d=D-2r（D 为铣刀直径）。当D 一定时，r 越大，铣刀端面刃铣削平面的面积越小，加工平面的能力就越差，效率就越低，工艺性也越差。当r 大到一定程度时，甚至必须用球头铣刀加工，这是应该尽量避免的。当铣削的底面面积较大，底部圆弧r 也较大时，只能用两把r 不同的铣刀分两次进行铣削。

图3-1-16　零件槽底平面圆弧对铣削工艺的影响

在一个零件上，凹圆弧半径在数值上一致性的问题对数控铣削的工艺性显得非常重要。零件的外形、内腔最好采用统一的几何类型或尺寸，这样可减少换刀次数，使编程方便，有利于提高生产效率。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和换刀次数，并避免因频繁换刀而增加零件加工面上的接刀阶差，降低表面加工质量。

4）保证基准统一原则

有些零件需要多次装夹才能完成加工（见图3-1-17），由于数控铣削不能像普通铣床加工时常用“试切法”来接刀，往往会因为零件的重新安装而接不好刀。为了避免上述问题的产生，减小两次装夹误差，最好采用统一基准定位，因此，零件上应有合适的孔作定位基准孔。如果零件上没有基准孔，也可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续工序要铣去的余量上设基准孔）；如果无法制出基准孔，最基本的也要用经过精加工的面作为统一基准；如果上述两种条件均不能满足，则最好只加工其中一个最复杂的面，另一面放弃数控铣削而改由通用铣床加工。

图3-1-17　必须两次安装加工的零件

有关数控铣削零件的结构工艺性实例见表3-1-1。

表3-1-1　数控铣削零件加工部位结构工艺性实例

续表

4.零件毛坯的工艺性分析

在分析数控铣削零件的结构工艺性时，还需要分析零件的毛坯工艺性。零件在进行数控铣削加工时，因加工过程的自动化，故余量大小、如何装夹等问题在设计毛坯时就应仔细考虑好；否则，如果毛坯不适合数控铣削，加工将很难进行下去。数控铣削零件的毛坯工艺性分析主要分析以下3 点：

1）毛坯应有充分、稳定的加工余量

毛坯主要是指锻件、铸件。锻件在锻造时欠压量与允许的错模量会造成余量不均匀；铸件在铸造时因砂型误差、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均匀。此外，铸造、锻造后，毛坯的挠曲和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，不论是锻件、铸件还是型材，只要准备采用数控铣削加工，其加工面均应有充分的余量。经验表明，数控铣削中最难保证的是加工面与非加工面之间的尺寸，对这一点应引起特别的重视。因此，如果已确定或准备采用数控铣削加工，就应事先对毛坯的设计进行必要的更改或在设计时就加以充分考虑，即在零件图样注明的非加工面处增加适当的余量。

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，以便在一次安装中加工出较多表面。对不便装夹的毛坯，可考虑在毛坯上另外增加装夹余量或工艺凸台、工艺凸耳等辅助基准。如图3-1-18所示，该工件缺少合适的定位基准，在毛坯上铸出两个工艺凸耳，在凸上制出定位基准孔。

3）分析毛坯的变形、余量大小及均匀性

分析毛坯加工中与加工后的变形程度，考虑是否应采取预防性措施和补救措施。例如，对热轧中、厚铝板，经淬火时效后很容易加工变形，这时最好采用经预拉伸处理的淬火板坯。对毛坯余量大小及均匀性，主要考虑在加工中是否要分层铣削，分几层铣削。在自动编程时，这个问题尤其重要。

图3-1-18　增加毛坯辅助基准示例

三、数控铣削加工工艺路线设计

拟订数控铣削加工工艺路线的主要内容包括选择各加工表面的加工方法、划分加工阶段、划分加工工序、确定加工顺序（工序顺序安排）及进给加工路线（又称走刀路线）确定等。因生产批量的差异，故即使是同一零件的数控铣削加工工艺方案也有所不同。拟订数控铣削加工工艺时，应根据具体生产批量、现场生产条件、生产周期等情况，拟订经济、合理的数控铣削加工工艺。

1.加工方法选择

数控铣削加工应重点考虑以下方面：能保证零件的加工精度和表面粗糙度要求；使走刀路线最短，这样既可简化编程程序段，又可减少刀具空行程时间，提高加工效率；应使节点数值计算简单，程序段数量少，以减少编程工作量。一般根据零件的加工精度、表面粗糙度、材料、结构形状、尺寸及生产类型确定零件表面的数控铣削加工方法和加工方案。

1）平面加工方法的选择

数控铣削平面主要采用端铣刀、立铣刀和面铣刀加工。粗铣的尺寸精度和表面粗糙度一般为IT10—IT12，表面粗糙度Ra6.3 ～25 μm；精铣的尺寸精度和表面粗糙度一般为IT7—IT9，表面粗糙度Ra1.6 ～6.3 μm；当零件表面粗糙度要求较高时，应采用顺铣方式。平面加工精度经济的加工方法（表内铣削加工方法采用数控铣削）见表3-1-2。

表3-1-2　平面加工精度经济加工方法

续表

2）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2.5轴坐标加工。如图3-1-19所示为由直线和圆弧构成的零件平面轮廓ABCDEA，采用半径为R 的立铣刀沿周向加工，虚线A′B′C′D′E′A′为刀具中心的运动轨迹。为保证加工面光滑，刀具沿PA′切入，沿A′K 切出。

图3-1-19　平面轮廓铣削

3）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，则可摆成适当的定角，用不同的刀具来加工，如图3-1-20所示。当零件尺寸很大、斜面斜度又较小时，常用行切法加工（“行切法”加工，即刀具与零件轮廓的切点轨迹是一行一行的，行间距按零件加工精度要求而确定），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对如图3-1-9（b）所示轮廓面B 的正圆台表面，一般可用专用的角度成形铣刀加工。其效果比采用5 坐标数控铣床摆角加工更好。

4）变斜角面的加工

①对曲率变化较小的变斜角面，用x，y，z 和A4 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，可用角度成形铣刀加以弥补）以插补方式摆角加工，如图3-1-21（a）所示。加工时，为保证刀具与零件型面在全长上始终贴合，刀具绕A 轴摆角度。

图3-1-20　主轴摆角加工固定斜面

图3-1-21　4 坐标、5 坐标数控铣床加工零件变斜角面

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x，y，z，A 和B（或C 转轴）的5 坐标联动数控铣床，以圆弧插补方式摆角加工，如图3-1-21（b）所示。其中夹角A 和B 分别是零件斜面母线与z 坐标轴夹角α 在zOy 平面上和xOy 平面上的分夹角。

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。如图3-1-22所示为用鼓形铣刀分层铣削变斜角面的情形。由于鼓形铣刀的鼓径可做得比球头铣刀的球径大，因此，加工后的残留面积高度小，加工效果比球头刀好。

5）曲面轮廓的加工方法

立体曲面的加工应根据曲面形状、刀具形状及精度要求采用不同的铣削加工方法，如2.5轴、3 轴、4 轴及5 轴等联动加工。

①对曲率变化不大和精度要求不高的曲面粗加工，常采用2.5 轴坐标的行切法加工，即x，y，z 3 轴中任意2 轴作联动插补，第三轴作单独的周期进给。如图3-1-23所示，将x 向分成若干段，球头铣刀沿yOz 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。球头铣刀的刀头半径应选得大一些，有利于散热，但刀头半径应小于内凹曲面的最小曲率半径。

②对曲率变化较大和精度要求较高的曲面精加工，常用x，y，z 3 坐标联动插补的行切法加工。如图3-1-24所示，Pyz平面为平行于坐标平面的一个行切面，它与曲面的交线为ab。由于是3 坐标联动，球头铣刀与曲面的切削点始终处在平面曲线ab 上，因此，可获得较规则的线。

③对像叶轮、螺旋桨这样的复杂零件，因其叶片形状复杂，刀具容易与相邻表面干涉，常用x，y，z，A 和B 的5 坐标联动数控铣床加工。

图3-1-22　用鼓形铣刀分层铣削变斜角面

图3-1-23　2.5 轴坐标行切加工曲面

图3-1-24　3 轴联动行切加工曲面的切削点轨迹

2.划分加工阶段

当数控铣削零件的加工质量要求较高时，往往不可能用一道工序来满足要求，而要用几道工序逐步达到所要求的加工质量。为保证加工质量并合理地使用设备，零件的加工过程通常按工序性质不同，分为粗加工、半精加工、精加工及光整加工4 个阶段。

1）粗加工阶段

粗加工阶段的主要任务是切除毛坯上各表面的大部分多余金属，使毛坯在形状和尺寸上接近零件成品。其目的是提高生产率。

2）半精加工阶段

半精加工阶段的主要任务是使主要表面达到一定的精度，留有一定的精加工余量，为主要表面的精加工（精铣或精磨）做好准备，并可完成一些次要表面加工，如扩孔、攻螺纹和铣键槽等。

3）精加工阶段

精加工阶段的主要任务是保证各主要表面达到图纸规定的尺寸精度和表面粗糙度要求。其目的是保证加工质量。

4）光整加工阶段

光整加工阶段的主要任务是对零件上精度和表面粗糙度要求很高（IT6 级以上，表面粗糙度为Ra0.2 μm 以下）的表面，需要进行光整加工。其目的是提高尺寸精度，减小表面粗糙度。

划分加工阶段的目的如下：

①保证加工质量。使粗加工产生的误差和变形，通过半精加工和精加工予以纠正，并逐步提高零件的精度和表面质量。

②合理使用设备。避免以精干粗，充分发挥机床的性能，延长使用寿命。

③便于安排热处理工序，使冷热加工工序配合得更好，热处理变形可通过精加工予以消除。

④有利于及早发现毛坯的缺陷（如铸件的砂眼、气孔等）。粗加工时发现毛坯缺陷，及时予以报废，以免继续加工造成工时的浪费。

加工阶段的划分不是绝对的，必须根据工件的加工精度要求和工件的刚性来决定。一般来说，工件精度要求越高、刚性越差，划分阶段应越细；当工件批量小、精度要求不太高、工件刚性较好时，也可不分或少分阶段。

3.划分加工工序

数控铣削的加工对象根据机床的不同也是不一样的。立式数控铣床一般适用于加工平面凸轮、样板、形状复杂的平面或立体曲面零件，以及模具的内外型腔等。卧式数控铣床一般适用于加工箱体、泵体和壳体等零件。

在数控铣床上加工零件，工序较集中，一般只需一次装夹即可完成全部工序的加工。为了提高数控铣床的使用寿命、保持数控铣床的精度、降低零件的加工成本，通常是把零件的粗加工，特别是零件的基准面、定位面在普通机床上加工。加工工序的划分通常采用工序集中原则和工序分散原则。单件、小批量生产时，通常采用工序集中原则；成批生产时，可按工序集中原则划分，也可按工序分散原则划分，应视具体情况而定。对于结构尺寸和质量都很大的重型零件，应采用工序集中原则，以减少装夹次数和运输量；对于刚性差、精度高的零件，应按工序分散原则划分工序。

在数控铣床上加工的零件，一般按工序集中原则划分工序。其划分方法如下：

1）刀具集中分序法

这种方法就是按所用刀具来划分工序的。首先用同一把刀具加工完成所有可以加工的部位，然后再换刀。这种方法可减少换刀次数，缩短辅助时间，减少不必要的定位误差。

2）粗、精加工分序法

根据零件的形状、尺寸精度等因素，按粗、精加工分开的原则，先粗加工，再半精加工，最后精加工。这种划分方法适用于加工后变形较大，需粗、精加工分开的零件，如毛坯为铸件、焊接件或锻件的零件。

3）加工部位分序法

即以完成相同型面的那一部分工艺过程作为一道工序，一般先加工平面、定位面，再加工孔；先加工形状简单的表面，再加工复杂的几何形状表面：先加工精度较低的部位，再加工精度较高的部位。

4）安装次数分序法

以一次安装完成的那一部分工艺过程作为一道工序。这种划分方法适用于工件的加工内容不多、加工完成后就能达到待检状态。

4.加工顺序（工序顺序安排）

数控铣削加工顺序安排是否合理，将直接影响零件的加工质量、生产率和加工成本。应根据零件的结构和毛坯状况，结合定位及夹紧的需要综合考虑，重点应保证工件的刚度不被破坏，尽量减少变形。

制订零件数控铣削加工工序一般遵循下列原则：

1）基面先行原则

用作精基准的表面，要首先加工出来，因为定位基准的表面越精确，装夹误差就越小。因此，第一道工序一般是进行定位面的粗加工和半精加工（有时包括精加工），然后再以精基准面定位加工其他表面。

2）先粗后精原则

先安排粗加工，中间安排半精加工，后安排精加工和光整加工，逐步提高加工表面的加工精度，减小加工的表面粗糙度。

3）先主后次原则

先安排零件的装配基面和工作表面等主要表面的加工，后安排如键槽、紧固用的光孔和螺纹孔等次要表面的加工。由于次要表面加工工作量小，又常与主要表面有位置精度要求，因此，一般放在主要表面的半精加工之后、精加工之前进行。

4）先面后孔原则

对箱体、支架类零件，平面轮廓尺寸较大，首先加工用作定位的平面和孔的端面，然后再加工孔，特别是钻孔，故孔的轴线不易偏斜。这样，可使工件定位夹紧稳定可靠，利于保证孔与平面的位置精度，减小刀具的磨损，同时也给孔加工带来方便。

5）先内后外原则

一般先进行内型腔加工，后进行外形加工。

5.进给加工路线的确定

1）逆铣与顺铣的确定

（1）逆铣与顺铣的概念

铣刀的旋转方向和工作台（工件）进给方向相反时称为逆铣，相同时称为顺铣，如图3-1-25所示。

（2）逆铣与顺铣的特点

图3-1-25　逆铣与顺铣

1—螺母；2—丝杠

逆铣时（见图3-1-25（a）），刀具从已加工表面切入，切削厚度从零逐渐增大；刀齿在已加工表面上滑行、挤压，使这段表面产生严重的冷硬层，下一个刀齿切入时，又在冷硬层表面滑行、挤压，不仅使刀齿容易磨损，而且使工件的表面粗糙度增大；刀齿在已加工面处切入工件时，因切屑变形大，切屑作用在刀具上的力使刀具实际切深加大，故可能会产生“挖刀”式的多切，造成后续加工余量不足。同时，刀齿切离工件时垂直方向的切削分力Fv1有把工件从工作台上挑起的倾向，因此需较大的夹紧力。但逆铣时，刀齿从已加工表面切入，不会造成从毛坯面切入而“打刀”；另外，其水平切削分力与工件进给方向相反，使铣床工作台纵向进给的丝杠与螺母传动面始终是右侧面抵紧（见图3-1-25（b）），不会受丝杠螺母副间隙的影响，铣削较平稳。

顺铣时（见图3-1-25（c）），刀具从待加工表面切入，切削厚度从最大逐渐减小为零，切入时冲击力较大；刀齿无滑行、挤压现象，对刀具耐用度有利；其垂直方向的切削分力Fv2向下压向工作台，减小了工件上下的振动，对提高铣刀加工表面质量和工件的夹紧有利。但顺铣的水平切削分力与工件进给方向一致，当水平切削分力大于工作台摩擦力（如遇到加工表面有硬皮或硬质点）时，使工作台带动丝杠向左窜动，丝杠与螺母传动副右侧面出现间隙（见图3-1-25（d）），硬点过后丝杠螺母副的间隙恢复正常（左侧间隙），这种现象对加工极为不利，会引起“啃刀”或“打刀”现象，甚至损坏夹具或机床。

上述逆铣与顺铣是对铣刀中心线与铣削平面空间平行而言的，如卧式数控铣床铣削工件的平面与铣刀中心线空间平行；对铣刀中心线与铣削平面垂直的平面铣削，如立式数控铣床铣削工件平面，则铣刀在铣削过程中逆铣与顺铣同时存在，如图3-1-26所示。

（3）逆铣、顺铣的选择(https://www.xing528.com)

根据上述分析，当工件表面有硬皮、机床的进给机构有间隙时，应选用逆铣。因为逆铣时，刀齿是从已加工表面切入的，不会崩刃，机床进给机构的间隙不会引起振动和爬行，所以粗铣时应尽量采用逆铣。当工件表面无硬皮、机床进给机构无间隙时，应选用顺铣。因为顺铣加工后，零件表面质量好，刀齿磨损小，所以精铣时，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。一般精铣采用顺铣。

图3-1-26　铣刀中心线与铣削平面垂直的平面铣削

由于数控铣床基本上都采用滚珠丝杠螺母副传动，进给传动机构一般无间隙或间隙值极小，因此，如果加工的毛坯硬度不高、尺寸大、形状复杂、成本高，即使粗加工，一般也应采用顺铣，这对减少刀具的磨损和避免粗加工时逆铣可能产生“挖刀”式多切而造成后续加工余量不足、工件可能报废大有好处。

在数控铣床主轴正向旋转、刀具为右旋铣刀时，顺铣正好符合左刀补（即G41），逆铣正好符合右刀补（即G42）。因此，一般情况下，精铣用G41 建立刀具半径补偿，粗铣用G42 建立刀具半径补偿。

2）加工工艺路线

加工路线是刀具在整个加工工序中相对于工件的运动轨迹。它不仅包括了工步的内容，而且也反映出了工步的顺序。合理地选择加工路线不仅可提高切削效率，而且还可提高零件的表面精度。在确定数控铣削加工路线时，应遵循以下原则：保证零件的加工精度和表面粗糙度：使走刀路线最短，减少刀具空行程时间，提高加工效率；使节点数值计算简单，程序段数量少，以减少编程工作量；最终轮廓一次走刀完成。

（1）铣削平面类零件的加工路线

铣削平面类零件外轮廓时，一般采用立铣刀侧刃进行切削。为减少接刀痕迹，保证零件表面质量，对刀具的切入和切出程序需要精心设计。

①铣削外轮廓的加工路线

当铣削平面零件外轮廓时，一般采用立铣刀侧刃切削。刀具切入工件时，应避免沿零件外轮廓的法向切入，而应沿切削起始点延长线的切向逐渐切入工件，以避免在切入处产生刀具的划痕而影响加工表面质量，保证零件曲线的平滑过渡。在切离工件时，也应避免在切削终点处直接抬刀，要沿着切削终点延长线的切向逐渐切离工件。如图3-1-27所示，铣刀的切入和切出点应沿零件轮廓曲线的延长线上切入和切出零件表面，而不应沿法向直接切入零件，以避免加工表面产生划痕，保证零件轮廓光滑。

当用圆弧插补方式铣削零件外轮廓或整圆加工时（见图3-1-28），要安排刀具从切向进入圆周铣削加工。当整圆加工完毕后，不要在切点处2 直接退刀，而应让刀具沿切线方向多运动一段距离，以免取消刀补时刀具与工件表面相碰，造成工件报废。

图3-1-27　外轮廓加工刀具的切入和切出

图3-1-28　外轮廓加工刀具的切入和切出

②铣削内轮廓的加工路线

当铣削封闭的内轮廓表面时，若内轮廓曲线允许外延，则应沿切线方向切入切出。若内轮廓曲线不允许外延（见图3-1-29），则刀具只能沿内轮廓曲线的法向切入切出，并将其切入、切出点选在零件轮廓两几何元素的交点处。当内部几何元素相切无交点时，为防止刀补取消时在轮廓拐角处留下凹口，刀具切入、切出点应远离拐角，如图3-1-30所示。

图3-1-29　内轮廓加工刀具的切入和切出

当用圆弧插补铣削内圆弧时，也要遵循从切向切入、切出的原则，最好安排从圆弧过渡到圆弧的加工路线，以提高内孔表面的加工精度和质量，如图3-1-31所示。

图3-1-30　无交点内轮廓加工刀具的切入和切出

图3-1-31　内轮廓加工刀具的切入和切出

③铣削内槽（内型腔）的加工路线

所谓内槽，是指以封闭曲线为边界的平底凹槽。它一般用平底立铣刀加工，刀具圆角半径应符合内槽的图纸要求。如图3-1-32所示为加工内槽的3 种进给路线。图3-1-32（a）和图3-1-32（b）分别为用行切法和环切法加工内槽。两种进给路线的共同点是：都能切净内腔槽中的全部面积，不留死角，不伤轮廓，同时尽量减少重复进给的搭接量；其不同点是：行切法的进给路线比环切法短，但行切法将在每两次进给的起点与终点间留下残留面积，从而达不到所要求的加工表面粗糙度。用环切法加工获得的零件表面粗糙度要好于行切法，但环切法需要逐次向外扩展轮廓线，刀位点计算稍微复杂一些。采用如图3-1-32（c）所示的进给路线，即先用行切法切去中间部分余量，最后用环切法环切一刀光整轮廓表面，既能使总的进给路线较短，又能获得较好的表面粗糙度。

图3-1-32　内槽的加工路线

（2）铣削曲面类零件的加工路线

铣削曲面类零件时，常用球头铣刀采用“行切法”进行加工。对边界敞开的曲面加工，可采用两种加工路线，如图3-1-33所示的发动机大叶片。当采用如图3-1-33（a）所示的加工方案时，每次沿直线加工，刀位点计算简单，程序少，加工过程符合直纹曲面的形成，可准确保证母线的直线度。当采用如图3-1-33（b）所示的加工方案时，符合这类零件数据给出情况，便于加工后检验，叶形的准确度较高，但程序较多。由于曲面零件的边界是敞开的，没有其他表面限制，因此，曲面边界可以延伸，球头铣刀应由边界外开始加工。

图3-1-33　直纹曲面的加工路线

四、找正装夹方案及夹具选择

1.找正装夹方案

1）数控铣削零件的装夹定位基准选择

①所选基准应能保证零件定位准确，力求设计基准、工艺基准与编程原点统一，以减少基准不重合误差。

②所选基准与各加工部位间的各个尺寸计算简单，以减少数控编程中的计算工作量。

③所选基准应能保证图纸各项加工精度要求。

2）选择数控铣削零件定位基准应遵循的原则

①尽量选择零件上的设计基准作为定位基准。

②当零件的定位基准与设计基准不能重合且加工面与其设计基准又不能在一次安装内同时加工时，应认真分析装配图纸，确定该零件设计基准的设计功能，通过尺寸链的计算，严格规定定位基准与设计基准之间的公差范围，确保加工精度。

③当无法同时完成包括设计基准在内的全部表面加工时，要考虑用所选基准定位后，一次装夹能够完成全部关键部位的加工。

④定位基准的选择要保证完成尽可能多的加工内容。

⑤批量加工时，零件定位基准应尽可能与建立工件坐标系的对刀基准重合。

⑥必须多次安装时，应遵从基准统一原则。

3）数控铣削零件的找正装夹

当数控铣削零件较复杂、加工面较多时，需要经过多道工序的加工，其位置精度取决于工件的找正装夹方式和装夹精度。数控铣削零件常用的找正装夹方法如下：

（1）直接找正装夹

用划针、百分表或千分表等工具直接找正工件位置并加以夹紧的方法，称为直接找正装夹法。此法生产率低，精度取决于工人的技术水平和测量工具的精度，一般只用于单件或小批量生产，如图3-1-34所示。

（2）划线找正装夹

先用划针画出要加工表面的位置，再按划线用划针找正工件在机床上的位置并加以夹紧。由于划线既费时又需要技术高的划线工，因此，一般用于批量不大、形状复杂而笨重的工件或低精度毛坯的加工，如图3-1-35所示。

图3-1-34　直接找正装夹

图3-1-35　划线找正装夹

（3）用夹具装夹

将工件直接安装在夹具的定位元件上的方法，称为夹具装夹法。这种方法安装迅速方便，定位精度较高且稳定，生产率较高，广泛用于中批生产以上的生产类型。

用夹具装夹工件的方法具有以下优点：

①工件在夹具中的正确定位是通过工件上的定位基准面与夹具上的定位元件相接触而实现的，因此，不再需要找正便可将工件夹紧。

②由于夹具预先在机床上已调整好位置，因此，工件通过夹具相对于机床也就占有了正确的位置。

由此可知，在使用夹具的情况下，机床、夹具、刀具和工件所构成的工艺系统环环相扣，相互之间保持正确的加工位置，从而保证了零件的加工精度。

4）常见数控铣削零件的定位、装夹示例

常见数控铣削零件的定位、装夹示例如图3-1-36—图3-1-39所示。

图3-1-36　直接找正后用压板装夹工件示例

图3-1-37　找正固定定位块后，工件靠紧定位块用压板装夹工件示例

图3-1-38　连杆盖用“一面两销”定位的装夹示例

图3-1-39　直接找正装夹工件示例与用找正后的定位块靠紧装夹工件示例

2.夹具选择

1）数控铣削对夹具的基本要求

①为保持工件在本工序中所有需要完成的待加工面充分暴露在外，夹具要做得尽可能敞开，夹具上一些组成件（如定位块、压板和螺栓等）不能与刀具运动轨迹发生干涉。因此，夹紧机构元件与加工面之间应保持一定的安全距离，同时要求夹紧机构元件能低则低，以防止夹具与数控铣床主轴套筒或刀套、刃具在加工过程中发生碰撞。如图3-1-40所示，用立铣刀铣削零件的六边形，若用压板压住工件的凸台面，则压板易与铣刀发生干涉；若夹压工件上平面，则不影响进给。

②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，夹具应不仅能保证在机床上实现定向安装，还要求能协调零件定位面与机床之间保持一定的坐标联系。

③夹具的刚性与稳定性要好。夹紧力应力求靠近主要支承点或刚性好的地方，不能引起零件夹压变形。尽量不采用在加工过程中更换夹紧点的设计，当非要在加工过程中更换夹紧点时，要特别注意不能因更换夹紧点而破坏夹具或工件定位精度。

④夹具结构应力求简单，装卸方便，夹紧可靠，辅助时间尽量短。

图3-1-40　不影响进给的装夹示意

2）数控铣削常用夹具

（1）通用夹具

通用夹具是指已经标准化、无须调整或稍加调整就可用来装夹不同工件的夹具，如虎钳、平口台虎钳、铣削用自定心三爪卡盘、铣削用四爪卡盘、分度盘、数控回转工作台及万能分度头等。这类夹具主要用于单件、小批量生产，如图3-1-41所示。

（2）气动或液压夹具

气动或液压夹具是指采用气动或液压夹紧工件的夹具。气动或液压夹具适用于生产批量较大，采用其他夹具又特别费工、费力的工件，能减轻工人劳动强度和提高生产率，但此类夹具结构较复杂，造价较高，而且制造周期较长。

图3-1-41　通用夹具

（3）多工位夹具

多工位夹具可同时装夹多个工件，减少换刀次数，便于一边加工、一边装卸工件，有利于缩短辅助时间，提高生产率，适用于中批量生产。

（4）专用铣削夹具

专用铣削夹具是指专为某一工件或类似几种工件而设计制造的专用夹具。其结构紧凑，操作方便，主要用于固定产品的大批量生产。

（5）螺栓压板组合夹具

螺栓压板组合夹具是指以螺栓和压板为主，辅以垫块和支承板、弯板等压紧工件，一般以数控铣床工作台面或在工作台面垫上等高块作为主要定位面，可随意组合的夹具，如图3-1-42所示。螺栓压板组合夹具一般用于单件、小批量生产或尺寸较大、形状特殊的零件装夹加工。用螺栓压板组合夹具装夹工件时，一般采用直接找正或划线找正装夹工件。

3）夹具选择

选择数控铣削夹具时，应重点考虑以下6 点：

①单件、小批量生产时，优先选用通用夹具和螺栓压板组合夹具，以缩短生产准备时间和节省生产费用。

②成批生产时，应考虑采用专用夹具，并力求结构简单。

③零件的装卸要快速、方便和可靠，以缩短机床的停顿时间，减少辅助时间。

④为满足数控铣削加工精度，要求夹具定位、夹紧精度高。

图3-1-42　螺栓压板组合夹具示例

⑤夹具上各零部件应不妨碍机床对零件各表面的加工，即夹具要敞开，其定位、夹紧元件不能影响加工中的走刀（如产生碰撞等）。

⑥为提高数控铣削加工的效率，批量较大的零件加工可采用气动或液压夹具、多工位夹具。

五、刀具选择

1.数控铣削刀具的基本要求

1）铣刀刚性要好

铣刀刚性要好的目的：一是为提高生产效率而采用大切削用量的需要：二是为适应数控铣床加工过程中难以调整切削用量的特点。例如，当工件各处的加工余量相差悬殊时，通用铣床遇到这种情况很容易采取分层铣削方法加以解决；而数控铣削就必须按程序规定的走刀路线前进，遇到余量大时无法像通用铣床那样“随机应变”，除非在编程时能预先考虑到，否则铣刀必须返回原点，用改变切削面高度或加大刀具半径补偿值的方法从头开始加工，多走几刀。但是，这样势必造成余量少的地方经常走空刀，降低了生产效率。如果刀具刚性较好，就不必这么办。在数控铣削中，因铣刀刚性较差而断刀并造成工件损伤的事例是常有的，因此，解决数控铣刀的刚性问题是至关重要的。

2）铣刀的耐用度要高

尤其是当铣刀加工的内容较多时，如果刀具不耐用而磨损较快，就会影响工件的表面质量与加工精度，也会增加换刀引起的调刀与对刀次数，还会使加工表面留下因对刀误差而形成的接刀痕迹，降低了工件的表面质量。

除上述两点之外，铣刀切削刃的几何角度参数的选择及排屑性能等也非常重要，切屑黏刀形成积屑瘤在数控铣削中是十分忌讳的。总之，根据被加工工件材料的热处理状态、切削性能及加工余量，选择刚性好、耐用度高的铣刀，是充分发挥数控铣床的生产效率和获得满意加工质量的前提。

2.常用数控铣刀种类

数控铣削刀具要根据被加工零件的材料、几何形状、表面质量要求、热处理状态、切削性能及加工余量等，选择刚性好、耐用度高的刀具。常用数控铣削刀具有面铣刀、立铣刀、模具铣刀、键槽铣刀、球头铣刀、鼓形铣刀、成形铣刀及锯片铣刀等。

图3-1-43　面铣刀

1）面铣刀

面铣刀如图3-1-43所示。面铣刀的圆周表面和端面上都有切削刃，端部切削刃为副切削刃。面铣刀多制成套式镶齿结构，刀齿为高速钢或硬质合金，刀体为40 Cr。

高速钢面铣刀按国家标准规定，直径d=ϕ80 mm ～ϕ250 mm，螺旋角B=10°，刀齿数z=10 ～26。

硬质合金面铣刀与高速钢铣刀相比，铣削速度较高，加工表面质量也较好，并可加工带有硬皮和淬硬层的工件，应用较广泛。硬质合金面铣刀按刀片和刀齿的安装方式不同，可分为整体焊接式、机夹焊接式和可转位式3 种。因整体焊接式和机夹焊接式面铣刀难于保证焊接质量，刀具耐用度低，故目前已被可转位式面铣刀所取代。

可转位式面铣刀是将可转位刀片通过夹紧元件固定在刀体上，当刀片的一个切削刃用钝后，直接在机床上将刀片转位或更换新刀片。因此，面铣刀在提高产品加工质量和加工效率、降低成本、操作使用方便等方面都具有明显的优势，故得到广泛应用。

面铣刀主要用于面积较大的平面铣削和较平坦的立体轮廓多坐标加工，主偏角κr=90°的面铣刀还可加工小台阶，如图3-1-44所示。粗齿铣刀用于粗加工，细齿铣刀用于平稳条件的铣削加工，密齿铣刀用于薄壁铸铁件的加工。如图3-1-45所示为用三面刃铣刀加工沟槽的示例。

图3-1-44　面（盘）铣刀加工示例

图3-1-45　三面刃铣刀加工沟槽的示例

2）立铣刀

铣刀也称圆柱铣刀，是数控铣加工中最常用的一种铣刀，如图3-1-46 和图3-1-47所示。它广泛用于加工平面类零件。立铣刀的圆柱表面和端面上都有切削刃，它们可同时进行切削，也可单独进行切削。立铣刀圆柱表面的切削刃为主切削刃，端面上的切削刃为副切削刃。主切削刃一般为螺旋齿，如图3-1-47（a）和图3-1-47（b）所示，这样可增加切削平稳性，提高加工精度。图3-1-47（c）和图3-1-47（d）的切削刃是波形的，它是一种结构先进的立铣刀。其特点是排屑更流畅、切削厚度更大，利于刀具散热，并提高刀具寿命，刀具不易产生振动。

立铣刀按端部切削刃的不同，可分为过中心刃和不过中心刃两种。过中心刃立铣刀可直接轴向进刀，常称端铣刀：不过中心刃立铣刀由于端面中心处无切削刃，因此，它不能作轴向进刀，端面刃主要用来加工与侧面相垂直的底平面。

为了能加工较深的沟槽并保证有足够的备磨量，立铣刀的轴向长度一般较长。为了便于排屑，刀齿数较少，容屑槽圆弧半径则较大。

直径较小的立铣刀一般制成带柄的形式。ϕ2 mm ～ϕ20 mm 的立铣刀制成直柄，如图3-1-47（b）所示；ϕ6 mm ～ϕ63 mm 的立铣刀为莫氏锥柄，如图3-1-47（c）所示；ϕ25 mm ～ϕ80 mm 的立铣刀为7∶24 锥柄，如图3-1-47（a）所示；直径大于ϕ40 m ～ϕ160 mm 的立铣刀可做成套式结构。

可转位立铣刀刀片为硬质合金刀片并可更换，κr=90°可加工台阶。可转位硬质合金立铣刀刀镶嵌的形式如图3-1-47（a）所示，被称为“玉米铣刀”。

图3-1-46　立铣刀

图3-1-47　立铣刀

3）模具铣刀

模具铣刀由立铣刀发展而成。它是加工金属模具型面的铣刀的通称。模具铣刀可分为圆锥形立铣刀（圆锥半角有3°，5°，7°，10°）、圆柱形球头立铣刀和圆锥形球头立铣刀3种，如图3-1-48 和图3-1-49所示。其柄部有直柄、削平型直柄和莫氏锥柄3 种。它的结构特点是球头或端面上布满了切削刃，圆周刃与球头刃圆弧连接，可作径向和轴向进给。铣刀工作部分用高速钢或硬质合金制造，国家标准规定直径d =ϕ4mm ～ϕ63 mm。小规格的硬质合金模具铣刀多制成整体结构，如图3-1-49所示，ϕ16 mm 以上直径的模具铣刀制成焊接或机夹可转位刀片结构。

图3-1-48　高速钢模具铣刀

图3-1-49　硬质合金模具铣刀

4）键槽铣刀

键槽铣刀如图3-1-50 和图3-1-51所示。它有两个刀齿，圆柱面和端面都有切削刃，端面刃延至中心，既像立铣刀，又像钻头。利用键槽铣刀铣削槽铣时，首先轴向进给达到槽深，然后沿键槽方向铣出键槽全长。按国家标准规定，直柄键槽铣刀直径ϕ2mm ～ϕ22 mm，锥柄键槽铣刀直径ϕ14 mm ～ϕ50 mm。键槽铣刀直径的偏差有e8 和d8 两种。

图3-1-50　键槽铣刀

图3-1-51　键槽铣刀（实图）

5）球头铣刀

球头铣刀适用于加工空间曲面零件，有时也用于平面类零件较大的转接凹圆弧的补加工。球头铣刀如图3-1-52所示。如图3-1-53所示为用硬质合金球头铣刀加工工件示例。

图3-1-52　球头铣刀

图3-1-53　硬质合金球头铣刀加工示例

图3-1-54 为球头铣刀加工空间曲面零件常用的走刀方式。

6）鼓形铣刀

如图3-1-55所示为一种典型的鼓形铣刀。它的切削刃分布在半径为R 的圆弧面上，端面无切削刃。加工时控制刀具上下位置，相应改变刀刃的切削部位，可在工件上切出从负到正的不同斜角。R 越小，鼓形铣刀所能加工的斜角范围越广，其所获得的表面质量也越差。这种刀具的缺点是：刃磨困难，切削条件差，而且不适于加工有底的轮廓表面。鼓形铣刀主要用于对变斜角类零件的变斜角面进行近似加工。

图3-1-54　球头铣刀加工空间曲面零件常用的走刀方式

7）成形铣刀

成形铣刀一般都是为特定的工件或加工内容专门设计制造的。它适用于加工平面类零件的特定形状（如角度面、凹槽面等），也适用于特形孔加工。如图3-1-56所示为几种常用的成形铣刀。

8）锯片铣刀

按国家标准GB 6130—1985，锯片铣刀可分为中小型规格的锯片铣刀和大规格锯片铣刀。数控铣床和加工中心主要用中小型规格的锯片铣刀。锯片铣刀主要用于大多数材料的切槽、切断、内外槽铣削、组合铣削、缺口实验的槽加工和齿轮毛坯粗齿加工等。可转位锯片铣刀如图3-1-57所示。

图3-1-55　鼓形铣刀

图3-1-56　几种常用的成形铣刀

3.数控铣削刀具典型加工表面

数控铣削刀具典型加工表面如图3-1-58 和图3-1-59所示。

图3-1-57　可转位锯片铣刀

图3-1-58　数控铣削刀具典型加工表面（一）

图3-1-59　数控铣削刀具典型加工表面（二）

4.铣刀类型的选择

铣刀类型的选择原则如下：

①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。

②加工较大的平面应选择面铣刀。

③加工平面零件周边轮廓、凹槽、凸台和较小的台阶面应选择立铣刀。

④加工空间曲面、模具型腔或凸模成形表面等多选用模具铣刀；加工封闭的键槽选用键槽铣刀。

⑤加工变斜角零件的变斜角面应选用鼓形铣刀。

⑥加工立体型面和变斜角轮廓外形常采用球头铣刀、鼓形铣刀。

⑦加工各种直的或圆弧形的凹槽、斜角面、特形孔等应选用成形铣刀。

⑧加工毛坯表面或相加工孔可选用镶硬质合金的“玉米铣刀”。

5.铣刀参数选择

铣刀参数的选择主要应考虑零件加工部位的几何尺寸和刀具的刚性等因素。数控铣床上使用最多的是可转位面铣刀和立铣刀。因此，下面将重点介绍面铣刀和立铣刀参数的选择。

1）面铣刀主要参数的选择

应根据工件的材料、刀具材料及加工性质的不同来确定面铣刀的几何参数。粗铣时，铣刀直径要小些，因为粗铣切削力大，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，减小相邻两次进给之间的接刀痕迹。

因铣削时有冲击，故面铣刀的前角一般较小，尤其是硬质合金面铣刀，前角小得多，铣削强度和硬度都高的材料还可用负前角。铣刀的磨损主要发生在后刀面上，因此，适当加大后角可减少铣刀磨损，故常取αo=5° ～12°。工件材料软的取大值，工件材料硬的取小值；粗齿铣刀取小值，细齿铣刀取大值。因铣削时冲击力较大，为了保护刀尖，硬质合金面铣刀的刃倾角常取λs= -15° ～-5°。主偏角κr在45° ～90°选取。铣削铸铁时，取κr=45°；铣削一般钢材时，取κr=75°；铣削带凸肩的平面或薄壁零件时，取κr=90°。

2）立铣刀主要参数的选择

一般情况下，为减少走刀次数，提高铣削速度和铣削用量，保证铣刀有足够的刚性以及良好的散热条件，应尽量选择直径较大的铣刀。但是，选择铣刀直径往往受到零件材料、刚性，加工部位的几何形状、尺寸，以及工艺要求等因素的限制。铣刀的刚性以铣刀直径D 与刀长l 的比值来表示，一般取D/l >0.4 ～0.5。当铣刀的刚性不能满足D/l >0.4 ～0.5 的条件（即刚性较差）时，可采用不同直径的两把铣刀进行粗、精加工。首先选用直径较大的铣刀进行粗加工，然后再选用D，l 均符合图样要求的铣刀进行精加工。

六、切削用量选择

铣削的切削用量包括切削速度vc进给速度F、背吃刀量ap和侧吃刀量ae，如图3-1-60所示。背吃刀量ap为平行于铣刀轴线测量的切削层尺寸，单位为mm。端铣时，ap为切削层深度；而圆周铣时，ap为被加工表面的宽度。侧吃刀量ae为垂直于铣刀轴线测量的切削层尺寸，单位为mm。端铣时，ae为被加工表面宽度：而圆周铣削时，ae为切削层深度。

图3-1-60　铣削切削用量

1.选择背吃刀量（端铣）或侧吃刀量（圆周铣）

背吃刀量或侧吃刀量的选取主要由加工余量和对表面质量的要求来决定。

从刀具耐用度出发，切削用量的选择方法是：首先选取背吃刀量或侧吃刀量，其次确定进给速度，最后确定切削速度。由于背吃刀量对刀具耐用度影响最小，背吃刀量ap和侧吃刀量ae的确定主要根据机床、夹具、刀具、工件的刚度和被加工零件的精度要求来决定。如果零件精度要求不高，在工艺系统刚度允许的情况下，最好一次切净加工余量，即ap或ae等于加工余量，以提高加工效率；如果零件精度要求高，为保证表面粗糙度和精度，只好采用多次走刀。

①在工件表面粗糙度值要求为Ra12.5 ～25 μm 时，如果圆周铣削的加工余量小于3 mm，端铣的加工余量小于4 mm，粗铣一次进给就可达到要求。但在余量较大、工艺系统刚性较差或机床动力不足时，可分两次进给完成。

②在工作表面粗糙度值要求为Ra3.2 ～12.5 μm 时，可分粗铣和半精铣两步进行。粗铣时背吃刀量或侧吃刀量选取同前，粗铣后留0.5 ～1.0 mm 余量，在半精铣时切除。

③在工件表面粗糙度值要求为Ra0.8 ～3.2 μm 时，可分粗铣、半精铣和精铣3 步进行。半精铣时，背吃刀量或侧吃刀量取1.5 ～2.0 mm；精铣时，圆周铣侧吃刀量取0.1 ～0.25 mm。面铣刀背吃刀量取0.15 ～0.3 mm。

2.选择切削进给速度F

切削进给速度F 是切削时单位时间内工件与铣刀沿进给方向的相对位移，单位为mm/min。它与铣刀转速n、铣刀齿数z 和每齿进给量fz（单位为mm/z）的关系为

F = fzzn

每齿进给量fz的选取主要取决于工件材料的力学性能、刀具材料和工件表面粗糙度等因素。工件材料的强度和硬度越高，fz越小；反之，则越大。硬质合金铣刀的每齿进给量高于同类高速钢铣刀。工件表面粗糙度值越小，fz就越小。每齿进给量的确定可参考表3-1-3 选取。工件刚性差或刀具强度低时，应取小值。转速n 则与切削速度和机床的性能有关。因此，切削进给速度应根据所采用机床的性能、刀具材料和尺寸、被加工零件材料的切削加工性能及加工余量的大小来综合确定。一般原则是：工件表面的加工余量大，切削进给速度低；反之，相反。切削进给速度可由机床操作者根据被加工零件表面的具体情况进行手动调整进给倍率，以获得最佳切削状态。

表3-1-3　铣刀每齿进给量参考值

在确定切削进给速度时，要注意以下特殊情况：

①在高速进给的轮廓加工中，由于工艺系统的惯性，在轮廓的拐角处易产生“欠切”（即切外凸表面时在拐角少切了一些余量）和“过切”（即切内凹表面时在拐角处多切了一些金属而损伤了零件的表面）现象，如图3-1-61所示。避免“欠切”和“过切”的办法是在接近拐角前适当地降低进给速度，过了拐角后再逐渐增速，即在拐角处前后采用变化的进给速度，从而减少误差。

②加工圆弧段时，因圆弧半径的影响，故切削点的实际进给速度vT并不等于选定的刀具中心进给速度vf。由图3-1-62 可知，加工外圆弧时，切削点的实际进给速度为

即vT<vf。而加工内圆弧时，由于

即vT> vf，如果R≈r，则切削点的实际进给速度将变得非常大，有可能损伤刀具或工件。因此，这时要考虑圆弧半径对工作进给速度的影响。

图3-1-61　拐角处的“欠切”和“过切”

图3-1-62　切削圆弧的进给速度

在加工过程中，因毛坯尺寸不均匀而引起切削深度的变化，或因刀具磨损引起切削刃切削条件的变化，都会使实际加工状态与编程时的预定情况不一致。如果机床面板上设有“进给速率修调”旋钮时，则操作者可利用它实时修改程序上进给速度指令值来减少误差。

3.选择切削速度vc

铣削的切削速度vc与刀具的耐用度T、每齿进给量fz、背吃刀量ap、侧吃刀量ae以及铣刀齿数z 成反比。而与铣刀直径成正比。其原因是当fz，ap，ae和z 增大时，刀刃负荷增加，而且同时工作的齿数也增多，使切用热增加，刀具磨损加快，从而限制了切削速度的提高。为提高刀具耐用度，允许使用较低的切削速度。但是，加大铣刀直径则可改善散热的条件，因而可提高切削速度。

铣削加工的切削速度可参考表3-1-4 选取，也可参考有关切削用量手册中的经验公式通过计算选取。

4.主轴转速n

主轴转速n 要根据允许的切削速度vc来确定，即

式中　d——铣刀直径，mm；

vc——切削速度，m/min。

表3-1-4　铣削加工的切削速度参考值

主轴转速n 要根据计算值在机床说明书规定的主轴转速范围中选取标准值。

从理论上来讲，vc的值越大越好，因为这不仅可提高生产率，而且可避开生成积屑瘤的临界速度，获得较低的表面粗糙度值。但是实际中，由于机床、刀具等限制，使用国内机床、刀具时，采用带涂层硬质合金刀片，允许的切削速度常常只能在90 ～150 m/min 选取，然而对材质较软的铝、镁合金等，vc可提高近1 倍。

七、填写数控加工工序卡及刀具卡

编写数控加工工艺文件是数控加工工艺制订的内容之一。数控加工工艺文件既是数控加工、产品验收的依据，也是需要操作者遵守、执行的作业指导书。数控加工工艺文件是对数控加工的具体说明，目的是让操作者更加明确加工程序的内容、装夹方式、加工顺序、走刀路线、切削用量以及各个加工部位所选用的刀具等。主要的数控加工工艺技术文件有数控加工工序卡和数控加工刀具卡。数控铣削加工工序卡和数控铣削加工刀具卡与数控车削加工工序卡和数控车削加工刀具卡基本一样，具体详见加工案例零件的数控加工工序卡和数控加工刀具卡。

任务评价

评价方式见表3-1-5。

表3-1-5　评价表

巩固与提高

1.以“数控铣削加工工艺设计”为关键词检索“数控铣削加工工艺设计步骤”相关内容，并对结果进行概括总结。

2.分析数控铣削加工工艺设计步骤，总结出它们之间的联系（关系）。

3.分析、拟订数控铣削加工工艺路线的主要内容，总结出它们之间的联系（关系），以及如何正确拟订数控铣削加工工艺路线。

4.分析平面轮廓类、固定斜角平面类、变斜角类、曲面轮廓类零件的加工方法，总结出它们之间的联系（关系）。

5.分析平面类、曲面类零件的加工工艺路线及走刀方法，并对结果进行概括总结。

6.分析数控铣削零件的定位及常用找正装夹方式，总结出它们之间的联系（关系），以及如何根据生产批量确定其定位装夹方式。