课题五 数控镗铣削加工工艺分析

2006-06-12 10:27:31

课题五 数控镗铣削加工工艺分析

5.1实训目的

掌握数控镗铣削加工工艺分析过程及各种工艺资料的填写。

5.2相关知识

工艺设计是对工件进行数控加工的前期工艺准备工作，无论是手工编程还是自动编程，在编程前都要对所加工的工件进行工艺分析、拟定工艺路线、设计加工工序等工作。合理的工艺设计方案是编制数控加工程序的依据，工艺方面考虑不周也是造成数控加工差错的主要原因之一。编程人员必须首先搞好工艺设计，然后再考虑编程。

数控加工工艺分析的主要内容有：

（1）选择适合在数控机床上加工的零件，确定工序内容。

（2）分析加工零件的图纸，明确加工内容及技术要求，确定加工方案，制定数控加工路线，如工序的划分、加工顺序的安排、非数控加工工序的衔接等。设计数控加工工序，如工步的划分、刀具的选择、夹具的定位与安装、切削用量的确定、走刀路线的确定等等。

（3）调整数控加工工序的程序。如对刀点、换刀点的选择、刀具的补偿。

（4）分配数控加工中的容差。

（5）处理数控机床加工零件的工艺与工装。

5.2.1零件数控镗铣削加工方案的拟定

1．数控加工内容的确定

当选择并决定对某个零件进行数控加工后，一般情况下，并非其全部加工内容都采用数控加工，而经常只是其中的—部分进行数控加工。因此，在选择并作出决定时，一定要结合实际情况，注意充分发挥数控的优势，选择那些最需要进行数控加工的内容和工序，一般可以按以下顺序考虑：

（1）普通机床无法加工的内容应作为优先选择内容。

（2）普通机床难加工，质量也难以保证的内容应作为重点选择内容。

（3）普通机床加工效率低，工人手工操作劳动强度大的内容，可在数控机床尚有加工能力的基础上进行选择。

相比之下，下列一些加工内容则不宜选择数控加工：

（1）需要用较长时间占机调整的加工内容，例如，很粗糙的毛坯的粗基准定位来加工第一个精基准的工序等。

（2）加工余量极不稳定，且数控机床上又无法自动调整零件坐标位置的加工内容。

（3）不能在—次安装中加工完成的零星分散部位，采用数控加工很不方便，效果不明显，可以安排普通机床补充加工。

此外，在选择和决定数控加工内容时，还要考虑生产批量、生产周期、工序间周转情况等等。总之，要尽量合理使用数控机床，达到产品质量、生产率及综合经济效益等明显得到提高的目的，要防止将数控机床降格为普通机床使用。

针对加工中心的工艺特点，加工中心适宜于加工形状复杂、加工内容多、要求较高，需多种类型的普通机床和众多的工艺装备，且经多次装夹和调整才能完成加工的零件。主要加工对象有下列几种。

（1）既有平面又有孔系的零件

加工中心具有自动换刀装置，在一次安装中，可以完成零件上平面的铣削，孔系的钻削、镗削、铰削、铣削及攻螺纹等多工步加工。加工的部位可以在—个平面上，也可以在不同的平面上。因此，既有平面又有孔系的零件是加工中心首选的加工对象，这类零件常见的有箱体类零件和盘、套、板类零件。如果加工部位集中在单一端面上的盘、套、板类零件宜选择立式加工中心，加工部位不是位于同一方向表面上的零件宜选择卧式加工中心。

（2）结构形状复杂、普通机床难加工的零件

主要表面由复杂曲线、曲面组成的零件，加工时，需要多坐标联动加工，这在普通机床上是难以甚至无法完成的，加工中心是加工这类零件的最有效的设备。最常见的典型零件有凸轮类、整体叶轮类、模具类（如锻压模具、铸造模具、注塑模具及橡胶模具等）。

（3）外形不规则的异型零件

异型零件是指支架、拨叉这一类外形不规则的零件，大多要点、线、面多工位混合加工。由于外形不规则，普通机床上只能采取工序分散的原则加工，需用工装较多，周期较长。利用加工中心多工位点、线、面混合加工的特点，可以完成大部分甚至全部工序的内容。

（4）加工精度较高的中小批量零件

针对加工中心的加工精度高、尺寸稳定的特点，对加工精度较高的中小批量零件，选择加工中心加工，容易获得所要求的尺寸精度和形状位置精度，并可得到很好的互换性。

2．数控加工工艺路线的拟定

同常规工艺路线拟定过程相似，数控加工工艺路线的设计，最初也需要找出所有加工的零件表面并逐一确定各表面的加工获得过程，加工获得过程中的每一步骤相当于一个工步。然后将所有工步内容按一定原则排列成先后顺序。再确定哪些相邻工步可以划为一个工序，即进行工序的划分。最后再将需要的其它工序如常规工序、辅助工序、热处理工序等插入，衔接于数控加工工序序列之中，就得到了要求的工艺路线。

数控加工的工艺路线设计与普通机床加工的常规工艺路线拟定的区别主要在于它仅是几道数控加工工艺过程的概括，而不是指从毛坯到成品的整个工艺过程，由于数控加工工序一般穿插于零件加工的整个工艺过程中间，因此在工艺路线设计中一定要兼顾常规工序的安排，使之与整个工艺过程协调吻合。

3．工序的划分

根据数控加工的特点，数控加工工序的划分有以下几种方式：

（1）按定位方式划分工序

这种方法一般适合于加工内容不多的工件，加工完后就能达到待检状态。通常是以一次安装、加工作为一道工序。

（2）刀具集中分序法

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

（3）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。

（4）按加工部位分序法

即先加工平面、定位面，再加工孔；先加工形状简单的几何形状，再加工复杂的几何形状；先加工精度比较低的部位，再加工精度比较高的部位。

综上所述，在划分工序时，一定要视零件的结构与工艺性、机床的功能、零件数控加工内容的多少、安装次数以及生产组织状况等实际情况灵活掌握。

4．工步的划分

划分工步主要从加工精度和效率两方面考虑。合理的工艺不仅要保证加工出符合图样要求的工件，同时应使机床的功能得到充分发挥，因此，在一个工序内往往需要采用不同的刀具和切削用量，对不同的表面进行加工。为了便于分析和描述较复杂的工序，在工序内又细分为工步。下面以加工中心为例来说明工步划分的原则：

（1）同一加工表面按粗加工、半精加工、精加工依次完成，或全部加工表面按先粗后精加工分开进行。若加工尺寸精度要求较高时，考虑到零件尺寸、精度、刚性等因素，可采用前者。若加工表面位置精度要求较高时，建议采用后者。

（2）对于既有面又有孔的零件，可以采用“先面后孔”的原则划分工步。先铣面可提高孔的加工精度。因为铣削时切削力较大，工件易发生变形，而先铣面后镗孔，则可使其变形有一段时间恢复，减少由于变形引起的对孔的精度的影响。反之，如先镗孔后铣面，则铣削时极易在孔口产生飞边、毛刺，从而破坏孔的精度。

（3）按所用刀具划分工步某些机床工作台回转时间比换刀时间短，可采用刀具集中工步，以减少换刀次数，减少辅助时间，提高加工效率。

（4）在一次安装中，尽可能完成所有能够加工的表面。

5．加工顺序的安排

加工顺序的安排应根据零件的结构和毛坯状况，结合定位和夹紧的需要一起考虑，重点应保证工件的刚度不被破坏，尽量减少变形。加工顺序的安排应遵循下列原则：

（1）上道工序的加工不能影响下道工序的定位与夹紧。

（2）先内后外原则，即先进行内型内腔加工工序，后进行外形加工工序。

（3）以相同安装方式或用同一刀具加工的工序，最好连续进行，以减少重复定位数及换刀次数。

（4）在同一次安装中进行的多道工步，应先安排对工件刚性破坏较小的工步。

6．数控加工工序与普通工序的衔接

这里所说的普通工序是指常规的加工工序、热处理工序和检验等辅助工序。数控加工工序前后一般都穿插其它普通工序，如衔接不好就容易产生矛盾。较好的解决办法是建立工序间的相互状态要求。如要不要预留加工余量，留多少；定位面与孔的精度要求及形位公差；对校形工序的技术要求；对毛坯的热处理要求等等，都需要前后兼顾，统筹衔接。

7．数控加工工序的设计

数控加工工序设计的主要任务是进一步将本工序的加工内容、进给路线、工艺装备、定位夹紧方式等具体确定下来，为编制加工程序作好充分准备。

在数控加工中，刀具刀位点相对于工件运动的轨迹称为进给路线。进给路线不仅包括了加工内容，也反映出加工顺序，是编程的依据之一。

确定进给路线的原则有：①加工路线应保证被加工工件的精度和表面粗糙度；②应使加工路线最短，以减少空行程时间，提高加工效率；③在满足工件精度、表面粗糙度、生产率等要求的情况下，尽量简化数学处理时的数值计算工作量，以简化编程工作；④当某段进给路线重复使用时，为了简化编程，缩短程序长度，应使用子程序。

此外，确定加工路线时，还要考虑工件的形状与刚度、加工余量大小，机床与刀具的刚度等情况，以确定是一次进给还是多次进给来完成加工，以及设计刀具的切入与切出方向和在铣削加工中是采用顺铣还是逆铣等。

（1）轮廓铣削进给路线的分析

对于连续铣削轮廓，特别是加工圆弧时，要注意安排好刀具的切入、切出，要尽量避免交接 处重复加工，否则会出现明显的界限痕迹。如图5.1所示，用圆弧插补方式铣削外整圆时，要安排刀具从切向进入圆周铣削加工，当整圆加工完毕后，不要在切点处直接退刀，而让刀具多运动一段距离，最好沿切线方向，以免取消刀具补偿时，刀具与工件表面相碰撞，造成工件报废。铣削内圆弧时，也要遵守从切向切入的原则，安排切入、切出过渡圆弧，如图5.2所示，若刀具从工件坐标原点出发，其加工路线为1→2→3→4→5，这样，来提高内孔表面的加工精度和质量。

图5.1铣削外圆进给路线图5.2铣削内孔进给路线

（2）位置精度要求高的孔进给路线的分析

加工孔时，只要求定位精度较高，即将刀具在XY平面内快速定位运动到对准孔中心线的位置，因此要按空行程最短安排进给路线，然后刀具再轴向运动（Z向）进行加工。所以进给路线的确定要解决好下面几个问题：

①孔位确定及其坐标值的计算

一般在零件图上孔位尺寸都已给出，但有时孔距尺寸的公差或对基准尺寸距离的公差是非对称性尺寸公差，应将其转换为对称性公差。如某零件图上两孔间距尺寸mm，应转换成L＝90.04l士0.014mm，编程时按基本尺寸90.04lmm进行，其实这就是工艺学中讲的中间公差的尺寸。

②孔加工轴向有关距离尺寸的确定

孔加工编程时还需要知道如下两种尺寸数据：刀具快速趋近距离（如图5.3所示）和刀具工作进给距离（如图5.4所示）。

式中，为工件及夹具高度尺寸；为刀具轴向切入长度；为刀具主轴端面到工作台面的距离；为刀具长度。

除按上述公式计算外，也可以在加工现场实测确定。

式中，为钻头尖端锥度部分长度，一般=0.3D（D为刀具直径），对于平端刀具，＝0；为工件中被加工孔的深度；为刀具轴向切出长度，若是盲孔则为0。与推荐值参见表5.1。

图5.3轴向距离的计算不通图5.4刀具工作进给距离的计算

表5.1刀具切入、切出距离

加工方法

切入距离

切出距离（通孔）

已加工表面

毛坯表面

已加工表面

毛坯表面

钻

1～3

5～8mm

在已加工表面切出的基础上加5～10mm

扩

1～3

L+（1～3）

铰

1～3

L+（10～20）

镗

1～3

2～4

攻丝

5～10

L+（1～3）

注：D为刀具直径；Φ为钻头刀尖角度；L为切削刃导向部长度。

加工位置精度要求较高的孔系时，应特别注意安排孔的加工顺序。若安排不当，将坐标轴的反向间隙带入，直接影响位置精度。如图5.5所示，镗削图中零件上六个尺寸相同的孔，有两种进给路线。按1→2→3→4→5→6路线加工时，由于5、6孔与l、2、3、4孔加工进给方向相反，Y向反向间隙会使定位误差增加，而影响5、6孔与其它孔的位置精度。按1→2→3→4→P→6→5路线加工时，加工完4孔后往上多移动一段距离至p点，然后折回来在6、5孔处进行定位加工，这样加工进给方向一致，可避免反向间隙的引入，提高5、6孔与其它孔的位置精度。

图5.5孔系加工

走刀路线包括在XY平面上的走刀路线和Z向的走刀路线。欲使刀具在XY平面上的走刀路线最短，必须保证各定位点间的路线的总长最短。图5.6（a）所示为点群零件图，经计算发现图5.6（c）所示走刀路线总长较图5.6（b）短。

（a） （b） （c）

图5.6最短走刀路线设计

（3）铣削曲面的进给路线的分析

铣削曲面时，常用球头刀采用“行切法”进行加工。所谓行切法是指刀具与零件轮廓的切点轨迹是一行一行的，而行间的距离是按零件加工精度的要求确定。对于边界敞开的曲面加工，可采用两种加工路线。如图5.7所示，对于发动机大叶片，当采用图5.7（a）的加工方案时，每次沿直线加工，刀位点计算简单，程序少，加工过程符合直纹面的形成，可以准确保证母线的直线度。当采用图5.7（b）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，叶形的准确度高，但程序较多。由于曲面零件的边界是敞开的，没有其它表面限制，所以曲面边界可以延伸，球头刀应由边界外开始加工。

（a）（b）

图5.7曲面加工的加工路线

以上通过几例分析了数控加工中常用的加工路线，实际生产中，加工路线的确定要根据零件的具体结构特点，综合考虑，灵活运用。确定加工路线的总原则是：在保证零件加工精度和表面质量的条件下，尽量缩短加工路线，以提高生产率。

铣削方式有逆铣和顺铣两种方式。如图5.8所示，铣刀旋转切入工件的方向与工件的进给方向相反时称为逆铣，相同时称为顺铣。

（a）逆铣 （b）顺铣

图5.8顺铣与逆铣

逆铣时，切削厚度由零逐渐增大，切入瞬时刀刃钝圆半径大于瞬时切削厚度，刀齿在工件表面上要挤压和滑行—段后才能切入工件，使已加工表面产生冷硬层，加剧了刀齿的磨损，同时使工件表面粗糙不平。此外，逆铣时刀齿作用于工件的垂直进给力F朝上，有抬起工件的趋势，这就要求工件装夹牢固。但是逆铣时刀齿从切削层内部开始工作的，当工件表面有硬皮时，对刀齿没有直接影响。

顺铣时，刀齿的切削厚度从最大开始，避免了挤压、滑行现象，并且垂直进给力F朝下压向工作台，有利于工件的夹紧，可提高铣刀耐用度和加工表面质量。与逆铣相反，顺铣加工要求工件表面没有硬皮，否则刀齿很易磨损。

对于铝镁合金、钛合金和耐热合金等材料来说，建议采用顺铣加工，这对于降低表面粗糙度值和提高刀具耐用度都有利。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，这时采用逆铣较为有利。

加工中心加工零件的表面不外乎平面、曲面、轮廓、孔和螺纹等，主要要考虑到所选加工方法要与零件的表面特征、所要求达到的精度及表面粗糙度相适应。

平面、平面轮廓及曲面在加工中心上惟一的加工方法是铣削。经过粗铣的平面，尺寸精度可达IT12～IT14级（指两平面之间的尺寸），表面粗糙度Ra值可达12.5～25。经粗、精铣的平面，尺寸精度可达IT7～IT9级，表面粗糙度Ra值可达1.6～3.2。

5.2.2刀具的类型及选用

与传统加工方法相比，数控加工对刀具的要求更高。尤其在刀具的刚性及耐用度方面较传统加工更为严格。因为刀具若刚性不好，会影响生产效率的提高，在加工中极易出现打刀的事故，也会降低加工精度。若刀具耐用度差，则需经常换刀、对刀，从而增加辅助时间，并且容易在工件轮廓上留下接刀痕迹，影响工件表面质量。此外，还要求刀具精度高，尺寸稳定，安装调整方便。所以刀具的选择是数控加工工艺中重要内容之一，要注意对工件的结构及工艺性认真分析，结合机床加工能力、工件材料及工序内容等综合考虑。

1．刀具材料的选择

当前使用的金属切削刀具材料主要有五类：高速钢、硬质合金、陶瓷、立方氮化硼（CBN）、聚晶金刚石。表5.2列出了各种刀具材料的特性和用途。

表5.2刀具材料的特性和用途

材料

主要特性

用途

优点

高速钢（HSS）

比工具钢硬

低速或不连续切削

刀具寿命较长，加工的表面较平滑

高性能高速钢

强韧、抗边缘磨损性强

可粗切或精切几乎任何材料，包括铁、钢、不锈钢、高温合金、非铁和非金属材料

切削速度可比高速钢高，强度和韧性较粉末冶金高速钢好

粉末冶金高速钢

良好的抗热性和抗碎片磨损

切削钢、高温合金、不锈钢、铝、碳钢及合金钢和其它不易加工的材料

切削速度可比高性能高速钢高15％

硬质合金

耐磨损、耐热

可锻铸铁、碳钢、合金钢、不锈钢、铝合金的精加工

寿命比一般传统碳钢高20倍

陶瓷

高硬度、耐热冲击性好

高速粗加工，铸铁和钢的精加工也适合加工有色金属和非金属材料不适合加工铝、镁、钛及其合金

高速切削速度可达5000m/s

立方氮化硼CBN

超强硬度和耐磨性好

硬度大于450 HBW材料的高速切削

刀具寿命长

聚晶金刚石

超强硬度和耐磨性好

粗切和精切铝等有色金属和非金属材料

刀具寿命长

根据数控加工对刀具的要求，选择刀具材料的一般原则是尽可能选用硬质合金刀具，但不同国家和生产厂家有不同的标准和系列。表5.3列出常见厂家和国家的牌号。

表5.3各国硬质合金牌号近似对照

ISO

ANSI

中国

山特维克

适合加工材料

P01

C8

C7

C6

C5

YN05

F02

产生带状切屑的铁金属；

P05

YN10

S1P

P10

YN15

S1P

P15

S2

P20

YT14

S2

P25

S4

P30

YT5

S4

P40

S6

P50

S8

M10

YW1

H1P

产生节状切屑或粒状切屑的铁金属；

非铁金属；

M20

YW2

H1P

M30

M40

R4

K01

C4

C3

C2

C1

YG3X

H05

产生粒状切屑或崩碎切屑的铁金属；

非铁金属；

非金属材料。

K05

YG3

K10

YG6X

H10

K20

YG6

H20

K30

YG8N

H20

K40

2．刀具的选择

从刀具的结构应用方面来看，数控加工应尽可能采用镶块式机夹可转位刀片以减少刀具磨损后的更换和预调时间。

（1）铣刀的选择

选择铣刀时，要使刀具的尺寸与被加工工件的表面尺寸和形状相适应。粗铣平面时，因切削力大，故宜选较小直径的铣刀，以减少切削扭矩；精铣时，可选大直径铣刀，并尽量包容工件加工面的宽度，以提高效率和加工表面质量。

（2）孔加工刀具的选择

数控钻孔一般无钻模，钻孔刚度差，应使钻头直径D满足L／D≤5(L为钻孔深度)。钻大孔时，可采用刚度较大的硬质合金扁钻；钻浅孔时(L／D≤2)宜采用硬质合金的浅孔钻，以提高效率和加工质量。

钻孔时，应选用大直径钻头或中心钻先锪一个内堆坑，作为钻头切入时的定心锥面，再用钻头钻孔，所锪的内锥面也是孔口的倒角，有硬皮时，可用硬质合金铣刀先铣去孔口表皮，再锪锥孔和钻孔。

精铰孔可采用浮动铰刀，但铰前孔口要倒角。

镗孔一般是悬臂加工，应尽量采用对称的两刃或两刃以上的镗刀头进行切削，以平衡径向力，减轻镗削振动。对阶梯孔的镗削加工采用组合镗刀，以提高镗削效率。精镗宜采用微调镗刀。选择镗刀主偏角接近90°，大于75°。

镗孔加工除选择刀片与刀具外，还要考虑镗杆的刚度，尽可能选择较粗（接近镗孔直径）的刀杆，及选较短的刀杆臂，以防止或消除振动。当刀杆臂小于4倍刀杆直径时可用钢制刀杆，加工要求较高的孔时最好选用硬质合金制刀杆。当刀杆臂为4～7倍刀杆直径时，小孔用硬质合金制刀杆，大孔用减振刀杆。当刀杆臂为7～10倍的刀杆直径时，需采用减振刀杆。此外，在加工中心上，各种刀具分别装在刀库上，按程序规定随时进行选刀和换刀工作。

（3）平面铣刀的种类和选择

①常用铣刀的种类

圆柱形铣刀：一般用于加工较窄的平面。

立铣刀：应用范围广，用于加工各种凹槽、台阶面以及成形表面。其主切削刃位于圆周面上，端面上的切削刃是副切削刃，故切削时一般不宜沿轴线方向进给。

键槽铣刀：用于加工封闭键槽。外形类似立铣刀，有两个刀齿，端面切削刃为主切削刃，圆周的切削刃是副切削刃。

模具铣刀：属于立铣刀类，主要用于加工模具型腔或凸模成形表面。

②铣削刀具的选择

刀具的选择是数控加工工艺中重要内容之一，它不仅影响机床的加工效率，而且直接影响加工质量。编程时，选择刀具通常要考虑机床的加工能力、工序内容、工件材料等因素。与传统的加工方法相比，数控加工对刀具的要求更高。不仅要求精度高、刚度好、耐用，而且要求尺寸稳定、安装调整方便。这就要求采用新型优质材料制造数控加工刀具，并优选刀具参数。

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。生产中，平面零件周边轮廓的加工，常采用立铣刀。铣削平面时，应选硬质合金刀片铣刀；加工凸台、凹槽时，选高速钢立铣刀；加工毛坯表面或粗加工孔时，可选镶硬质合金的玉米铣刀。绝大部分铣刀由专业工具厂制造，我们只需选好铣刀的参数就可。铣刀的主要结构参数有：直径d0、宽度（或长度）L及齿数Z。

刀具半径r应小于零件内轮廓面的最小曲率半径ρ，一般取r=(0.8~0.9) ρ。

零件的加工高度H>(1／4～1／6)r，以保证刀具有足够的刚度。

对不通孔(深槽)，选取L=H+(5～10)mm(L为刀具切削部分长度，H为零件高度)。

加工通孔及通槽时，选取L=H＋rc+(5～10)mm(rc为刀尖角半径)。

粗加工内轮廓面时，铣刀最大直径Dt可按下式计算：

式中：D是轮廓的最小凹圆角直径，δ是圆角邻边夹角等分线上的精加工余量，δ1是精加工余量，θ是圆角两邻边的夹角。

图5.9粗加工铣刀直径的估算

加工肋时，刀具直径为D=（5～10）b，其中b为肋的厚度。

铣刀直径D是铣刀的基本结构参数，其大小对铣削过程和铣刀的制造成本有直接影响。选择较大铣刀直径，可以采用较粗的心轴，提高加工系统刚性，切削平稳，加工表面质量好，还可增大容屑空间，提高刀齿强度，改善排屑条件。另外，刀齿不切削时间长，散热好，可采用较高的铣削速度。但选择大直径铣刀也有一些不利因素，如刀具成本高，切削扭矩大，动力消耗大，切入时间长等。综合以上考虑，在保证足够的容屑空间及刀杆刚度的前提下，宜选择较小的铣刀直径。某些情况下则由工件加工表面尺寸确定铣刀直径。例如，铣键槽时，铣刀直径应等于槽宽。

铣刀齿数Z对生产效率和加工表面质量有直接影响。同一直径的铣刀，齿数愈多，同时切削的齿数也愈多，使铣削过程较平稳，因而可获得较好的加工质量。另外，当每齿进给量一定时，可随齿数的增多而提高进给速度，从而提高生产率。但过多的齿数会减少刀齿的容屑空间，因此不得不降低每齿进给量，这样反而降低了生产率。一般按工件材料和加工性质选择铣刀的齿数。例如，粗铣钢件时，首先须保证容屑空间及刀齿强度，应采用粗齿铣刀；半精铣或精铣钢件、粗铣铸铁件时，可采用中齿铣刀；精铣铸铁件或铣削薄壁铸铁件时，宜采用细齿铣刀。

曲面加工常采用球头铣刀，但加工曲面较平坦部位时，刀具以球头顶端刃切削，切削条件较差，因而应采用环形刀（圆鼻刀）。在单件或小批量生产中，为取代多坐标联动机床，常采用鼓形刀或锥形刀来加工一些变斜角零件，其效率比用球头铣刀高近十倍，并可获得好的加工精度。球头刀一般在曲面曲率变化较大，易发生干涉或精加工中采用。对于一些立体型面和变斜角轮廓外形的加工，常用的刀具有球形铣刀、环形铣刀、鼓形铣刀、锥形铣刀和盘铣刀，如图5.10所示。

（a）球头刀

（b）环形刀

（c）鼓形刀

（d）锥形刀

（e）盘形刀

图5.10曲面加工常用的刀具

5.2.3确定切削用量

切削用量是加工过程中重要的组成部分，合理地选择切削用量，不但可以提高切削效率，还可以提高零件的表面精度，影响切削用量的因素有机床的刚度、刀具的使用寿命、工件的材料、切削液。

1．铣削用量的选择

铣削用量的选择是否合理直接影响工件加工质量、生产效率和刀具耐用度。合理选择切削用量的原则是：粗加工时，一般以提高生产率为主，但也应考虑经济性和加工成本；半精加工和精加工时，应在保证加工质量的前提下，兼顾切削效率、经济性和加工成本，具体数值应根据机床说明书、切削用量手册，并结合经验而定。

确定铣削深度时，如果机床功率和工艺系统刚性允许而加工质量要求不高（Ra值不小于5μm），且加工余量又不大（一般不超过6mm），可以一次铣去全部余量。若加工质量要求较高或加工余量太大，铣削则应分多次进行。在工件宽度方向上，一般应将余量一次切除。

加工条件不同，选择的切削速度υc和每齿进给量fz也应不同。工件材料较硬时，fz及υc值应取得小些；刀具材料韧性较大时，fz值可取得大些。刀具材料硬度较高时，υc的值可取得大些；铣削深度较大时，fz及υc值应取得小些。

各种切削条件下的fz、υc值及计算公式可查阅《金属机械加工工艺手册》或相关刀具提供商的刀具手册等有关资料。

2．钻削用量的选择

①钻头直径

钻头直径由工艺尺寸确定。孔径不大时，可将孔一次钻出。工件孔径大于35mm时，若仍一次钻出孔径，往往由于受机床刚度的限制，必须大大减小进给量。若两次钻出，可取大的进给量，既不降低生产效率，又提高了孔的加工精度。先钻后扩时，钻孔的钻头直径可取孔径的50％～70％。

②进给量

小直径钻头主要受钻头的刚性及强度限制，大直径钻头主要受机床进给机构强度及工艺系统刚性限制。在以上条件允许的情况下，应取较大的进给量，以降低加工成本，提高生产效率。普通麻花钻钻削进给量可按以下经验公式估算选取

式中，d0为孔的直径。

加工条件不同时，其进给量可查阅切削用量手册。

③钻削速度

钻削的背吃刀量（即钻头半径）、进给量及切削速度都对钻头耐用度产生影响，但背吃刀量对钻头耐用度的影响与车削不同。当钻头直径增大时，尽管增大了切削力，但钻头体积也显著增加，因而使散热条件明显改善。实践证明，钻头直径增大时，切削温度有所下降。因此，钻头直径较大时，可选取较高的切削速度。

一般情况下，钻削速度可参考表5.4选取。

表5.4普通高速钢钻头钻削速度参考值m/min

工件材料

低碳钢

中、高碳钢

合金钢

铸铁

铝合金

铜合金

钻削速度

25~30

20~25

15~20

20~25

40~70

20~40

目前有不少高性能材料制做的钻头，其切削速度宜取更高值，可由有关资料查取。

5.2.4工件的安装与夹具的选择

1．工件安装的基本原则

为了提高数控机床的效率，在确定定位基准与夹紧方案时应注意以下几点：

（1）力求设计基准、工艺基准与编程计算的基准统一。

（2）尽量减少装夹次数，尽可能在一次定位装夹后就能加工出全部待加工表面。

（3）避免采用占机人工调整式方案，以充分发挥数控机床的效能。

2．夹具的选择

数控加工的特点对夹具提出了两个基本要求：一是要保证夹具的坐标方向与机床的坐标方向相对固定；二是要能协调零件与机床坐标系的尺寸关系。除此之外，还要考虑以下几点：

（1）当零件加工批量不大时，应尽量采用组合夹具、可调夹具和其它通用夹具，以缩短准备时间，节省生产费用。

（2）在成批生产时才考虑采用专用夹具，并力求结构简单

（3）夹具要开敞，加工部位开阔，夹具的定位、夹紧机构元件不能影响加工中的进给（如产生碰撞等）。

（4）装卸零件要快速、方便、可靠，以缩短准备时间，批量较大时应考虑采用气动或液压夹具、多工位夹具。

5.2.5支撑套零件的加工工艺及编程

1．分析零件图样

如图5.11所示为升降台铣床的支撑套，该零件材料为45钢，毛坯选棒料。在两个互相垂直的方向上有多个孔要加工，其中Φ35H7孔对Φ100f9外圆、Φ60㎜孔底平面对Φ35H7孔、2×Φ15H7孔对端面C及端面C对Φ100f9外圆均有位置精度要求。若在普通机床上加工，则需要多次安装才能完成，且效率低，在加工中心上加工，只需一次安装即可完成。为便于在加 工中心上定位与夹紧，将Φ100f9外圆、80尺寸两端面、78尺寸上平面均安排在前面工序中由普通机床完成。其余加工表面（2×Φ15H7孔、Φ35H7孔、Φ60孔、2×Φ11孔、2×Φ17孔、2×M6-6H螺孔）确定在加工中心上一次装夹完成。支撑套的工艺过程如表5.5所示。

表5.5工艺过程卡

工序号

工序名称

工序内容

加工设备

设备型号

定位及夹紧

1

备料

备料

10

车

车削外圆及端面

车床

CA6140

15

车

精车端面

车床

CA6140

20

铣

粗精铣平面至780-0.5

铣床

25

数控镗铣

孔的加工

加工中心

XH754

30

钳工

倒角去毛刺，清洗

钻床

Z5140A

35

检验

合格后入库

2．设计工艺

（1）选择加工方法

所有孔都是在实体上加工，为防钻偏，均先用中心钻钻引孔，然后再钻孔。为保证Φ35H7及2×Φ15H7孔的精度，根据其尺寸，选择铰削作为其最终加工方法。对Φ60㎜的孔，根据孔径精度、孔深尺寸和孔底平面的加工，选择粗铣→精铣。各加工表面选择的加工方案如下：

图5.11支撑套

Φ35H7孔：钻中心孔→钻孔→粗镗→半精镗→铰孔；

Φ15H7孔：钻中心孔→钻孔→扩孔→铰孔；

Φ60孔：粗铣→精铣；

Φ11孔：钻中心孔→钻孔；

Φ17孔：锪孔（在φ11底孔上）；

M6-6H螺孔：钻中心孔→钻底孔→孔端倒角→攻螺纹。

（2）确定加工顺序

为减少变换工位的辅助时间和工作台分度误差的影响，各个工位上的加工表面在工作台一次分度下按先粗后精的原则加工完毕。具体的加工顺序是：

第一工位：钻Φ35H7、2×Φ11的中心孔→钻Φ35H7孔→钻2×Φ11孔→锪2×Φ17孔→粗镗Φ35H7孔→粗铣、精铣Φ60×12的孔→半精镗Φ35H7孔→钻2×M6-6H螺纹中心孔→钻2×M6-6H螺纹底孔→2×M6-6H螺纹孔端倒角→攻2×M6-6H螺纹→铰Φ35H7孔。

第二工位：钻2×Φ15H7中心孔→钻2×Φ15H7孔→扩2×Φ15H7孔→铰2×Φ15H7孔，详见表5.7。

（3）选择加工设备

因加工表面位于零件的相互垂直的两个表面（左侧面与上平面）上，需要两工位才能加工完成，故选择卧式加工中心。加工工步有钻孔、扩孔、镗孔、锪孔、铰孔及攻螺纹孔等，所需刀具不超过20把。国产XH754型卧式加工中心可满足上述要求。

（4）确定装夹方案、选择夹具

Φ35H7孔、Φ60孔、2×Φ11孔、及2×Φ17孔的设计基准均为Φ100f9外圆中心线，遵循基准重合原则，选择Φ100f9外圆中心线为主要定位基准。因Φ100f9外圆不是整圆，故用V型块作为主要定位元件。在支撑套长度方向，若选择右端面定位，则难保证Φ17孔深尺寸11㎜，故选择左端面定位。所用夹具为专用夹具，工件的装夹简图如图5.12所示。在装夹时应使工件上平面在夹具中保持垂直，以消除转动自由度。

图5.12工件的装夹简图

（5）选择刀具

各工步刀具直径根据加工余量和孔径确定，见表5.6。

表5.6支撑套数控加工刀具卡片

产品代号

零件

名称

支撑套

零件

图号

程序号

工步号

刀具号

刀具名称

刀柄型号

刀具

补偿量（mm）

备注

直径（mm）

刀长（mm）

1

T01

中心钻

Φ3

JT40-Z6-45

Φ3

280

2

T13

锥柄麻花钻Φ31

JT40-M3-75

Φ31

330

3

T02

锥柄麻花钻Φ11

JT40-M1-35

Φ11

330

4

T03

锥柄埋头钻Φ17

JT40-M2-50

Φ17

300

5

T04

粗镗刀

Φ34

JT40-TQ30-165

Φ34

320

6

T05

立铣刀

Φ32

JT40-MW4-85

Φ32

300

7

T05

8

T06

镗刀

Φ34.85

JT40-TZC30-165

Φ34.85

320

9

T01

10

T07

直柄麻花钻Φ5

JT40-Z6-45

Φ5

300

11

T02

12

T08

机用丝锥M6

JT40-G1JT3

M6

280

13

T09

套式铰刀Φ35AH7

JT40-K19-140

Φ35AH7

330

14

T01

15

T10

锥柄麻花钻Φ14

JT40-M1-35

Φ14

320

16

T11

扩孔钻

Φ14.85

JT40-M2-50

Φ14.85

320

17

T12

铰刀Φ15AH7

JT40-M2-50

Φ15AH7

320

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（6）选择切削用量

在机床说明书允许的切削用量范围内查表选取切削速度和进给量，然后算出主轴转速和进给速度。见表5.7。

表5.7支撑套数控加工工序卡片

单位名称

产品名称

零件名称

零件图号

支撑套

工序号

程序编号

夹具名称

使用设备

车间

专用夹具

XH754

工步号

工步内容

刀具号

刀具规格

主轴转速

（r/min）

进给速度

（mm/min）

背吃刀量

备注

第一工位:

1

钻Φ35H7孔、2×Φ17㎜×11㎜孔中心孔

T01

Φ3

1200

40

2

钻Φ35H7孔至Φ31㎜

T13

Φ31

150

30

3

钻Φ11㎜孔

T02

Φ11

500

70

4

锪2×Φ17㎜孔

T03

Φ17

150

15

5

粗镗Φ35H7孔至Φ34㎜

T04

Φ34

400

30

6

粗铣Φ60㎜×12㎜至Φ59㎜×11.5㎜

T05

Φ32

500

70

7

精铣Φ60㎜×12㎜

T05

Φ32

600

45

8

半精镗Φ35H7至Φ34.85㎜

T06

Φ34.85

450

35

9

钻2×M6—6H螺纹中心孔

T01

1200

40

10

钻2×M6—6H底孔至Φ5㎜

T07

Φ5

650

35

11

2×M6—6H孔端倒角

T02

500

20

12

攻2×M6—6H螺纹

T08

M6

100

100

13

铰Φ35H7孔

T09

Φ35AH7

100

50

第二工位：

14

钻2×Φ15H7孔至中心孔

T01

1200

40

15

钻2×Φ15H7孔至Φ14㎜

T10

Φ14

450

60

16

扩2×Φ15H7孔至Φ14.85㎜

T11

Φ14.85

200

40

17

铰2×Φ15H7孔

T12

Φ15AH7

100

60

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