第2章　数控铣削工艺设计

2.1　数控铣削加工工艺分析

数控铣削加工工艺以普通铣床的加工工艺为基础，结合数控铣床的特点，综合运用多方面的知识解决数控铣削加工过程中面临的工艺问题，其内容包括金属切削原理与刀具、加工工艺、典型零件加工及工艺性分析等方面的基础知识和基本理论。本章的宗旨在于从工程实际应用的角度，介绍数控铣削加工工艺所涉及的基础知识和基本原则，以便于读者在操作实训过程中科学、合理地设计加工工艺，充分发挥数控铣床的特点，实现数控加工中的优质、高产和低耗。

2.1.1　数控铣削加工工艺概述

（1）数控铣削加工的主要对象

数控铣削是机械加工中最常用和最主要的数控加工方法之一，它除了能铣削普通铣床所能铣削的各种零件表面外，还能铣削普通铣床不能铣削的需要2～5坐标联动的各种平面轮廓和立体轮廓。根据数控铣床的特点，从铣削加工角度考虑，适合数控铣削的主要加工对象有以下几类。

① 平面轮廓零件。这类零件的加工面平行或垂直于定位面，或加工面与定位面的夹角为固定角度，如各种盖板、凸轮以及飞机整体结构件中的框、肋等。目前在数控铣床上加工的大多数零件属于平面类零件，其特点是各个加工面是平面，或可以展开成平面。平面类零件是数控铣削加工中最简单的一类零件，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，例如图2-1所示的飞机变斜角梁椽条。

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，加工面与铣刀圆周的瞬时接触为一条线。最好采用四坐标、五坐标数控铣床摆角加工，若没有上述机床，也可采用三坐标数控铣床进行两轴半近似加工。

③ 空间曲面轮廓零件。这类零件的加工面为空间曲面，如模具、叶片、螺旋桨等。空间曲面轮廓零件不能展开为平面。加工时，铣刀与加工面始终为点接触，一般采用球头刀在三轴数控铣床上加工。当曲面较复杂、通道较狭窄、会伤及相邻表面及需要刀具摆动时，要采用四坐标或五坐标铣床加工。

④ 孔。孔及孔系的加工可以在数控铣床上进行，如钻、扩、铰和镗等加工。由于孔加工多采用定尺寸刀具，需要频繁换刀，当加工孔的数量较多时，就不如用加工中心加工方便、快捷。

⑤ 螺纹。内、外螺纹，圆柱螺纹，圆锥螺纹等都可以在数控铣床上加工。

（2）数控铣削加工工艺的特点

工艺规程是工人在加工时的指导性文件。由于普通铣床受控于操作工人，因此，在普通铣床上用的工艺规程实际上只是一个工艺过程卡，铣床的切削用量、走刀路线、工序的工步等往往都是由操作工人自行选定的。数控铣床加工的程序是数控铣床的指令性文件。数控铣床受控于程序指令，加工的全过程都是按程序指令自动进行的。因此，数控铣床加工程序与普通铣床工艺规程有较大差别，涉及的内容也较广。数控铣床加工程序不仅要包括零件的工艺过程，而且还要包括切削用量、走刀路线、刀具尺寸以及铣床的运动过程。因此，要求编程人员对数控铣床的性能、特点、运动方式、刀具系统、切削规范以及工件的装夹方法都要非常熟悉。工艺方案的好坏不仅会影响铣床效率的发挥，而且将直接影响到零件的加工质量。

（3）数控铣削加工工艺的主要内容

数控铣床加工工艺主要包括如下内容。

① 选择适合在数控铣床上加工的零件，确定工序内容。

② 分析被加工零件的图纸，明确加工内容及技术要求。

③ 确定零件的加工方案，制订数控铣削加工工艺路线。处理与非数控加工工序的衔接等。

④ 数控铣削加工工序的设计。如选取零件的定位基准、划分工序、安排加工顺序、夹具方案的确定、工步划分、刀具选择和确定切削用量等。

⑤ 数控铣削加工程序的调整。如选取对刀点和换刀点、确定刀具补偿及确定加工路线等。

2.1.2　数控加工工艺文件

编写数控加工工艺文件是数控加工工艺设计的内容之一。这些工艺文件既是数控加工和产品验收的依据，也是操作者必须遵守和执行的规程。针对不同的数控机床和加工要求，工艺文件的内容和格式也有所不同，因目前尚无统一的国家标准，各企业可根据自身特点制订出相应的工艺文件。下面介绍企业中常用的几种主要工艺文件。

（1）数控加工工序卡

数控加工工序卡与普通机械加工工序卡有较大区别。数控加工一般采用工序集中，每一加工工序可划分为多个工步，工序卡不仅应包含每一工步的加工内容，还应包含其所用刀具号、刀具规格、主轴转速、进给速度及切削用量等内容。它不仅是编程人员编制程序时必须遵循的基本工艺文件，同时也是指导操作人员进行数控机床操作和加工的主要资料。不同的数控机床，数控加工工序卡可采用不同的格式和内容。数控铣削加工工序卡的格式见2.5节。

（2）数控加工刀具卡

数控加工刀具卡主要反映使用刀具的规格名称、编号、刀长和半径补偿值以及所加工表面等内容，它是调刀人员准备和调整刀具、机床操作人员输入刀补参数的主要依据。数控铣削加工刀具卡的格式见2.5节。

（3）数控加工走刀路线图

一般用数控加工走刀路线图来反映刀具进给路线，该图应准确描述刀具从起刀点开始，直到加工结束返回终点的轨迹。它不仅是程序编制的基本依据，同时也便于机床操作者了解刀具运动路线（如从哪里进刀、从哪里抬刀等），计划好夹紧位置及控制夹紧元件的高度，以避免碰撞事故发生。走刀路线图一般可用统一约定的符号来表示，不同的机床可以采用不同的图例与格式。

（4）数控加工程序单

数控加工程序单是编程员根据工艺分析情况，经过数值计算，按照数控机床的程序格式和指令代码编制的。它是记录数控加工工艺过程、工艺参数、位移数据的清单，同时也可帮助操作员正确理解加工程序内容。表2-1是数控铣削加工程序单的格式。

2.1.3　零件的工艺分析

数控铣削加工的工艺设计是在普通铣削加工工艺设计的基础上，考虑和利用数控铣床的特点，充分发挥其优势的。关键在于合理安排工艺路线，协调数控铣削工序与其他工序之间的关系，确定数控铣削工序的内容和步骤，并为程序编制准备必要的条件。

（1）数控铣削加工部位及内容的选择与确定

一般情况下，某个零件并不是所有的表面都需要采用数控加工，应根据零件的加工要求和企业的生产条件进行具体分析，确定具体的加工部位和内容及要求。具体而言，以下情况适宜采用数控铣削加工。

① 由直线、圆弧、非圆曲线及列表曲线构成的内外轮廓。

② 空间曲线或曲面。

③ 形状虽然简单，但尺寸繁多、检测困难的部位。

④ 用普通机床加工时难以观察、控制及检测的内腔、箱体内部等。

⑤ 有严格位置尺寸要求的孔或平面。

⑥ 能够在一次装夹中顺带加工出来的简单表面或形状。

⑦ 采用数控铣削加工能有效提高生产率，减轻劳动强度的一般加工内容。而像简单的粗加工面、需要用专用工装协调的加工内容等则不宜采用数控铣削加工。在具体确定数控铣削的加工内容时，还应结合企业设备条件、产品特点及现场生产组织管理方式等具体情况进行综合分析，以优质、高效、低成本完成零件的加工为原则。

（2）数控铣削加工零件的工艺性分析

零件的工艺性分析是制订数控铣削加工工艺的前提，其主要内容包括如下。

① 零件图及其结构工艺性分析。

a.分析零件的形状、结构及尺寸的特点，确定零件上是否有妨碍刀具运动的部位，是否有会产生加工干涉或加工不到的区域，零件的最大形状尺寸是否超过机床的最大行程，零件的刚性随着加工的进行是否有太大的变化等。

b.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。

c.在零件上是否存在对刀具形状及尺寸有限制的部位和尺寸要求，如过渡圆角、倒角、槽宽等，这些尺寸是否过于凌乱，是否可以统一。尽量使用最少的刀具进行加工，减少刀具规格、换刀及对刀次数和时间，以缩短总的加工时间。

d.对于零件加工中使用的工艺基准应当着重考虑，它不仅决定了各个加工工序的前后顺序，还将对各个工序加工后各个加工表面之间的位置精度产生直接的影响。应分析零件上是否有可以利用的工艺基准，对于一般加工精度要求，可以利用零件上现有的一些基准面或基准孔，或者专门在零件上加工出工艺基准。当零件的加工精度要求很高时，必须采用先进的统一基准定位装夹系统才能保证加工要求。

e.分析零件材料的种类、牌号及热处理要求，了解零件材料的切削加工性能，这样才能合理选择刀具材料和切削参数。同时要考虑热处理对零件的影响，如热处理变形，并在工艺路线中安排相应的工序消除这种影响。而零件的最终热处理状态也将影响工序的前后顺序。

f.当零件上的一部分内容已经加工完成后，这时应充分了解零件的已加工状态，数控铣削加工的内容与已加工内容之间的关系，尤其是位置尺寸关系，这些内容之间在加工时如何协调，采用什么方式或基准保证加工要求，如对其他企业的外协零件的加工。

g.构成零件轮廓的几何元素（点、线、面）的条件（如相切、相交、垂直和平行等），是数控编程的重要依据。因此，在分析零件图样时，务必要分析几何元素的给定条件是否充分，发现问题应及时与设计人员协商解决。有关铣削零件的结构工艺性实例如表2-2所示。

② 零件毛坯的工艺性分析。零件在进行数控铣削加工时，由于加工过程的自动化，使得余量的大小、如何装夹等问题在设计毛坯时就要仔细考虑好。否则，如果毛坯不适合数控铣削，加工将很难进行下去。根据实践经验，下列几方面应作为毛坯工艺性分析的重点。

a.毛坯应有充分、稳定的加工余量。毛坯主要指锻件、铸件。模锻时的欠压量与允许的错模量会造成余量的不等；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的不等。此外，锻造、铸造后，毛坯的挠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，其加工面均应有较充分的余量。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，这一点应该特别引起重视。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也增加适当的余量。

b.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。对不便于装夹的毛坯，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2-2所示，该工件缺少合适的定位基准，在毛坯上铸出2个工艺凸耳，在凸耳上制出定位基准孔。

c.分析毛坯的余量大小及均匀性。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。如对于热轧中、厚铝板，经淬火后很容易在加工中与加工后变形，最好采用经预拉伸处理的淬火板坯。

2.1.4　数控铣削加工工艺路线的拟定

随着数控加工技术的发展，在不同设备和技术条件下，同一个零件的加工工艺路线会有较大的差别。但关键的都是从现有加工条件出发，根据工件形状结构特点合理选择加工方法、划分加工工序、确定加工路线和工件各个加工表面的加工顺序、协调数控铣削工序和其他工序之间的关系以及考虑整个工艺方案的经济性等。

（1）加工方法的选择

数控铣削加工对象的主要加工表面一般可采用表2-3所列的加工方案。

① 平面加工方法的选择。在数控铣床上加工平面主要采用端铣刀和立铣刀加工。粗铣的尺寸精度和表面粗糙度一般可达IT11～IT13，Ra6.3～25μm；精铣的尺寸精度和表面粗糙度一般可达IT8～IT10，Ra1.6～6.3μm。需要注意的是：当零件表面粗糙度要求较高时，应采用顺铣方式。

② 平面轮廓加工方法的选择。平面轮廓多由直线和圆弧或各种曲线构成，通常采用三坐标数控铣床进行两轴半坐标加工。图2-3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。

③ 固定斜角平面加工方法的选择。固定斜角平面是与水平面成一固定夹角的斜面。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（图2-4）。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，用三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五坐标数控铣床，主轴摆角后加工，可以不留残留面积。

④ 变斜角面加工方法的选择。

a.对曲率变化较小的变斜角面，选用X、Y、Z和A四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2-5（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轴摆动角度α。

b.对曲率变化较大的变斜角面，用四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）的五坐标联动数控铣床，以圆弧插补方式摆角加工，如图2-5（b）所示。

图中夹角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。

c.采用三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2-6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以做得比球头铣刀的球径大，所以加工后的残留面积小，加工效果比球头刀好。

⑤ 曲面轮廓加工方法的选择。立体曲面的加工应根据曲面形状、刀具形状以及精度要求采用不同的铣削加工方法，如两轴半、三轴、四轴及五轴等联动加工。

a.对曲率变化不大和精度要求不高的曲面的粗加工，常用两轴半坐标行切法加工（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的）。即X、Y、Z三轴中任意两轴做联动插补，第三轴作单独的周期进给。如图2-7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。

两轴半坐标加工曲面的刀心轨迹O1O2和切削点轨迹ab如图2-8所示。图中ABCD为被加工曲面，PYOZ平面为平行于YOZ坐标平面的一个行切面，刀心轨迹O1O2为曲面ABCD的等距面IJKL与行切面PYOZ的交线，显然O1O2是一条平面曲线。由于曲面的曲率变化，改变了球头刀与曲面切削点的位置，使切削点的连线成为一条空间曲线，从而在曲面上形成扭曲的残留沟纹。

b.对曲率变化较大和精度要求较高的曲面的精加工，常用X、Y、Z三轴联动插补的行切法加工。如图2-9所示，PYOZ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。由于是三坐标联动，球头刀与曲面的切削点始终处在平面曲线ab上，可获得较规则的残留沟纹。但这时的刀心轨迹O1O2不在PYOZ平面上，而是一条空间曲线。

c.对于叶轮、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发生干涉，常用五坐标联动加工，其加工原理如图2-10所示。半径为Ri的圆柱面与叶面的交线AB为螺旋线的一部分，螺旋角为Ψi，叶片的径向叶形线（轴向割线）EF的倾角α为后倾角，螺旋线AB用极坐标加工方法，并且以折线段逼近。逼近段mn是由C坐标旋转Δθ与Z坐标位移ΔZ合成的。当AB加工完后，刀具径向位移ΔX（改变Ri），再加工相邻的另一条叶形线，依次加工即可形成整个叶面。由于叶面的曲率半径较大，所以常采用立铣刀加工，以提高生产率并简化程序。为保证铣刀端面始终与曲面贴合，铣刀还应作由坐标A和坐标B形成的θ1和α1的摆角运动。在摆角的同时，还应作直角坐标的附加运动，以保证铣刀端面中心始终位于编程值所规定的位置上，所以需要五坐标联动加工。这种加工的编程计算相当复杂，一般采用自动编程。

（2）工序的划分

在确定加工内容和加工方法的基础上，根据加工部位的性质、刀具使用情况以及现有的加工条件，将这些加工内容安排在一个或几个数控铣削加工工序中。

① 当加工中使用的刀具较多时，为了减少换刀次数，缩短辅助时间，可以将一把刀具所加工的内容安排在一个工序（或工步）中。

② 按照工件加工表面的性质和要求，将粗加工、精加工分为依次进行的不同工序（或工步）。先进行所有表面的粗加工，然后进行所有表面的精加工。一般情况下，为了减少工件加工中的周转时间，提高数控铣床的利用率，保证加工精度要求，在数控铣削工序划分的时候，应尽量使工序集中。当数控铣床的数量比较多，同时有相应的设备技术措施保证工件的定位精度时，为了更合理地均匀机床的负荷，协调生产组织，也可以将加工内容适当分散。

（3）加工顺序的安排

在确定了某个工序的加工内容后，要进行详细的工步设计，即安排这些工序内容的加工顺序，同时考虑程序编制时刀具运动轨迹的设计。一般将一个工步编制为一个加工程序，因此，工步顺序实际上也就是加工程序的执行顺序。一般数控铣削采用工序集中的方式，这时工步的顺序就是工序分散时的工序顺序，通常按照从简单到复杂的原则，先加工平面、沟槽、孔，再加工外形、内腔，最后加工曲面；先加工精度要求低的表面，再加工精度要求高的部位等。

（4）加工路线的确定

在确定走刀路线时，对于数控铣削应考虑以下几个方面。

① 应能保证零件的加工精度和表面粗糙度要求。如图2-11所示，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，而应沿外轮廓曲线延长线的切向切入，以避免在切入处产生刀具的刻痕而影响表面质量，保证零件外轮廓曲线平滑过渡。同理，在切离工件时，也应避免在工件的轮廓处直接退刀，而应该沿零件轮廓延长线的切向逐渐切离工件。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（图2-12），则刀具只能沿内轮廓曲线的法向切入切出，此时刀具的切入切出点应尽量选在内轮廓曲线两几何元素的交点处。当内部几何元素相切无交点时（图2-13），为防止刀补取消时在轮廓拐角处留下凹口[图2-13（a）]，刀具切入切出点应远离拐角[图2-13（b）]。

图2-14所示为圆弧插补方式铣削外整圆时的走刀路线。当整圆加工完毕时，不要在切点处直接退刀，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。铣削内圆弧时也要遵循从切向切入的原则，最好安排从圆弧过渡到圆弧的加工路线（图2-15），这样可以提高内孔表面的加工精度和加工质量。

对于孔位置精度要求较高的零件，在精镗孔系时，镗孔路线一定要注意各孔的定位方向一致，即采用单向趋近定位点的方法，以避免传动系统反向间隙误差或测量系统的误差对定位精度的影响。例如图2-16（a）所示的孔系加工路线，在加工孔Ⅳ时，X方向的反向间隙将会影响Ⅲ、Ⅳ两孔的孔距精度；如果改为图2-16（b）所示的加工路线，可使各孔的定位方向一致，从而提高了孔距精度。

铣削曲面时，常采用球头刀行切法进行加工。对于边界敞开的曲面加工，可采用两种走刀路线。图2-17所示的发动机大叶片，当采用图（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，加工过程符合直纹面的形成，可以保证母线的直线度；当采用图（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，所以边界曲面可以延伸，球头刀应由边界外开始加工。此外，轮廓加工中应避免进给停顿。因为加工过程中的切削力会使工艺系统产生弹性变形并处于相对平衡状态，进给停顿时，切削力突然减小，会改变系统的平衡状态，刀具会在进给停顿处的零件轮廓上留下刻痕。为提高工件表面的精度和减小粗糙度，可以采用多次走刀的方法，精加工余量一般以0.2～0.5mm为宜。而且精铣时宜采用顺铣，以减小零件被加工表面粗糙度的值。

② 应使走刀路线最短，减少刀具空行程时间，提高加工效率。图2-18所示为正确选择钻孔加工路线的例子。按照一般习惯，总是先加工均布于同一圆周上的八个孔，再加工另一圆周上的孔[图2-18（a）]。但是对点位控制的数控机床而言，要求定位精度高，定位过程尽可能快，因此这类机床应按空程最短来安排走刀路线[图2-18（b）]，以节省加工时间。

③ 应使数值计算简单，程序段数量少，以减少编程工作量。