第七节 数控铣削加工工艺的制定

数控铣削加工的工艺是在普通铣削加工工艺设计的基础上，充分考虑和利用数控铣床的特点而制定的。制定工艺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。数控铣削加工工艺制定得合理与否，对程序编制、机床的加工效率和零件的加工质量都有重要影响。因此，应遵循一般的工艺原则并结合数控铣床的特点，认真而详细地制定好零件的数控铣削加工工艺。

一、零件图样分析

零件的工艺性分析是制定数控铣削加工工艺的前提，其主要内容如下：

1.零件图及其结构工艺性分析

① 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。

② 检查零件的加工要求。例如：尺寸加工精度、形位公差及表面粗糙度值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。

③ 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，例如过渡圆角、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。

④ 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。

⑤ 分析零件材料的种类、牌号及热处理要求，只有了解了零件材料的切削加工性能，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，例如热处理变形，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。

⑥ 当零件上的一部分内容已经加工完成时，应充分了解零件的已加工状态，了解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，例如对其他企业的外协零件的加工。

⑦ 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见表3-57。

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。

① 毛坯应有充分、稳定的加工余量。毛坯主要指锻件、铸件。因模锻时的欠压量与允许的错模量会造成余量的多少不等；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要增加适当的余量。

② 分析毛坯的装夹适应性这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3-88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，在凸耳上制出定位基准孔。

③ 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。例如对于热轧中、厚铝板，经淬火时效，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。

二、加工方法的选择

数控铣床或加工中心加工的表面主要有平面、平面轮廓、曲面、孔和螺纹等。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。

（1）平面和平面轮廓加工方法的选择

在数控铣床及加工中心上加工平面和平面轮廓主要采用面铣刀和立铣刀。经粗铣的平面，尺寸精度可达IT12～IT14（指两平面之间的尺寸），表面粗糙度Ra值可达12.5～25μm；经粗、精铣的平面，尺寸精度可达IT7～IT9，表面粗糙度Ra值可达1.6～3.2μm。

平面轮廓多由直线、圆弧或其他曲线构成，通常采用三坐标数控铣床进行两轴半坐标加工。如图3-89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，细双点画线A'B'C'D'E'A'为刀具中心的运动轨迹。为保证加工面光滑，刀具应沿轮廓的切向方向切入、切出，如图3-89所示中沿PA'切入，沿A'K切出。

（2）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。当工件尺寸不大时，可用斜垫板垫平后加工；如果机床主轴可以摆角，则可以将机床主轴摆成适当的角度，用不同的刀具来加工，如图3-90所示。当工件尺寸很大，斜面斜度又较小时，常用行切法加工，即刀具与零件轮廓的切点轨迹是一行一行的，行间距离是按零件加工精度要求确定的，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，用三坐标数控立式铣床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。

对于图3-90（c）所示的正圆台和斜肋表面，一般可用专用的角度成形铣刀加工，其效果比采用五坐标数控铣床摆角加工好。

（3）变斜角面加工方法的选择

① 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（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）以圆弧插补方式摆角加工，如图3-91（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。

② 对曲率变化较大的变斜角面，四坐标联动加工难以满足加工要求，最好用五坐标联动数控铣床，以圆弧插补方式摆角加工，如图3-91 （b）所示。夹角A'和B'分别是零件斜面母线与Z坐标轴夹角α在ZOY平面和XOZ平面上的分夹角。

③ 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。如图3-92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高度小，加工效果比球头铣刀好。

（4）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（球状、柱状、端齿）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。

① 对曲率变化不大和精度要求不高的曲面的精加工，常用两轴半坐标行切法加工，即X、Y、Z三轴中任意两轴做联动插补，第三轴做单独的周期进给。如图3-93所示，在X向将工件分成若干段，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，以利于散热，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3-94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，改变了球头铣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。

② 对曲率变化较大和精度要求较高的曲面的精加工，常用三坐标联动插补的行切法加工。如图3-95所示，PYOZ平面为平行于YOZ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，球头铣刀与曲面的切削点始终处于平面曲线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。

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发生干涉，常用五坐标联动加工，由于其编程计算相当复杂，一般采用自动编程。

（5）孔加工

孔加工方法比较多，有钻孔、扩孔、铰孔和镗孔等。大直径孔还可采用圆弧插补方式进行铣削加工。

① 直径大于φ30mm的已铸出或锻出毛坯孔的孔，一般采用粗镗→半精镗→孔口倒角→精镗加工方案，孔径较大的可采用立铣刀粗铣、精铣加工方案。有空刀槽时，可用锯片铣刀在半精镗之后、精镗之前铣削完成，也可用镗刀进行单刀镗削，但效率较低。

② 直径小于φ30mm的无毛坯孔的孔，通常采用锪平端面→打中心孔→钻→扩→孔口倒角→铰加工方案；有同轴度要求的小孔，需采用锪平端面→打中心孔→钻→半精镗→孔口倒角→精镗（或铰）加工方案。为提高孔的位置精度，在钻孔工步前需安排锪平端面和打中心孔工步。孔口倒角安排在半精加工之后、精加工之前，以防孔内产生毛刺。

（6）螺纹加工

螺纹的加工依据孔径大小而定。一般情况下，M6～M20的螺纹孔，通常采用攻螺纹方法加工。M6以下的螺纹孔，可在加工中心上完成底孔加工，再通过其他手段（如手工）攻螺纹，因为在加工中心上攻螺纹不能随机控制加工状态，小直径丝锥容易折断。M20以上的螺纹孔，可采用镗刀进行镗削加工，也可采用螺纹铣刀铣螺纹。

三、加工阶段的划分

在数控铣床和加工中心上加工，加工阶段主要依据工件的精度要求确定，同时还需要考虑生产批量、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，数控铣床或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，在数控铣床或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，在数控铣床或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，可在数控铣床或加工中心上把粗、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。

四、工序的划分

在数控机床上加工的工件，一般按工序集中原则划分工序。根据数控机床的加工特点，加工工序的划分见表3-58。

有关工序的划分，应按零件的结构特点、工件的安装方式、数控加工内容、数控机床的性能以及工厂的生产条件等因素，灵活掌握，力求合理。

五、加工顺序的安排

在选定加工方法、划分工序后，工艺路线拟定的主要内容就是合理安排这些加工方法和加工工序的顺序。零件的加工工序通常包括切削加工工序、热处理工序和辅助工序（包括表面处理、清洗和检验等）。这些工序的顺序直接影响到零件的加工质量、生产效率和加工成本。因此，在设计工艺路线时，应合理安排好切削加工、热处理和辅助工序的顺序，并解决好工序间的衔接问题。

1.切削加工工序的安排（表3-59）

2.热处理工序的安排

为提高材料的力学性能、改善材料的切削加工性能和消除工件的内应力，在工艺过程中要适当安排一些热处理工序。热处理工序在工艺路线中的安排主要取决于零件的材料和热处理的目的。热处理工序的安排见表3-60。

3.辅助工序的安排

辅助工序主要包括：检验、清洗、去毛刺、去磁、倒棱边、涂防锈油和平衡等。其中检验工序是主要的辅助工序，是保证产品质量的主要措施之一，一般安排在粗加工全部结束后精加工之前、重要工序之后、工件在不同车间之间转移前后和工件全部加工结束后。

4.数控加工工序与普通工序的衔接

数控工序前后一般都穿插有其他普通工序，如果衔接不好就容易产生矛盾，因此要解决好数控工序与非数控工序之间的衔接问题。最好的办法是建立相互状态要求。例如：要不要为后道工序留加工余量，留多少；定位面与孔的精度要求及形位公差等。其目的是达到相互能满足加工需要，且质量目标与技术要求明确，交接验收有依据。关于手续问题，如果是在同一个车间，可由编程人员与主管该零件的工艺员协商确定，在制定工序工艺文件中互审会签，共同负责；如果不是在同一个车间，则应用交接状态表进行规定，共同会签，然后反映在工艺规程中。

六、进给路线的确定

在确定进给路线时，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

① 如图3-96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，应避免沿零件外廓的法向切入，而要沿外廓曲线延长线的切向切入，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，而要沿该零件轮廓延长线的切向逐渐切离工件。

② 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3-97），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3-98），为防止刀补取消时在轮廓拐角处留下凹口［图3-98（a）］，刀具切入切出点应远离拐角［图3-98（b）］。

③ 如图3-99所示为圆弧插补方式铣削外整圆时的进给路线。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如图3-100所示，这样可以提高内孔表面的加工精度和加工质量。

④ 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。例如如图3-101（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；如果改为如图3-101（b）所示的加工路线，可使各孔的定位方向一致，从而提高孔距精度。

⑤ 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，可采用两种进给路线。如图3-102所示的发动机大叶片，当采用如图3-102 （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，可以准确保证母线的直线度；当采用如图3-102 （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。

⑥ 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。

⑦ 为提高工件表面的精度和减小表面粗糙度值，可以采用多次进给的方法，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.加工路线的选择

应使进给路线最短，减少刀具空行程时间，提高加工效率。如图3-103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3-103 （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进给路线，如图3-103（b）所示，以节省加工时间。

3.简单、量少

应使数值计算简单，程序数量少，以减少编程工作量。

七、铣削用量的选择

铣削用量包括铣削速度vc、进给量fz和吃刀量。数控加工时，同一加工过程选用不同的铣削用量，会产生不同的铣削效果。合理的铣削用量应能保证工件的加工质量和刀具寿命，充分发挥机床潜力，最大限度发挥刀具的铣削性能，并能获得高生产率和低加工成本。

在铣削过程中，如果能在一定的时间内切除较多的金属，就会有较高的生产效率。显然，提高背吃刀量、铣削速度和进给量均能增加金属的切除量。但是，影响铣刀寿命最显著的因素是铣削速度，其次是进给量，吃刀量的影响最小。所以为了保证铣刀合理的寿命，应当优先采用较大的吃刀量，其次是选择较大的进给量，最后才是根据铣刀寿命的要求，选择适宜的铣削速度。

1.吃刀量的选择

如图3-104所示，刀具切入工件后的吃刀量包括背吃刀量ap和侧吃刀量aw两个方面。

（1）背吃刀量ap

在机床、工件和刀具刚度允许的情况下，背吃刀量可以等于加工余量，即尽量做到一次进给铣去全部的加工余量，这是提高生产率的一个有效措施。只有当表面粗糙度值Ra小于6.3μm时，为了保证零件的加工精度和表面粗糙度，才需要考虑留一定的余量进行精加工。

（2）侧吃刀量aw

侧吃刀量也称为铣削宽度，在编程软件中称为步距，一般铣削宽度与刀具直径D成正比。在粗加工中，步距取得大些有利于提高加工效率。使用平底刀进行切削时，一般取aw= （0.6～0.9） D；而使用圆鼻刀进行加工时，刀具实际直径应扣除刀尖的圆角部分，即d=D–2r （d为刀具实际直径，r为刀尖圆角半径），而aw可以取到（0.8～0.9） d；在使用球头刀进行精加工时，步距的确定应首先考虑所能达到的精度和表面粗糙度。

（3）背吃刀量或侧吃刀量与表面质量的要求

① 在工件表面粗糙度值Ra要求为12.5～25μm时，如果周铣的加工余量小于5mm，面铣的加工余量小于6mm时，粗铣一次进给就可以达到要求。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 在工件表面粗糙度值Ra要求为3.2～12.5μm时，可分粗铣和半精铣两步进行。粗铣时选择背吃刀量或侧吃刀量尽量做到一次进给铣去全部的加工余量，工艺系统刚性较差或机床动力不足时，可分两次进给完成。粗铣后留0.5～1mm余量，在半精铣时切除。

③ 在工件表面粗糙度值Ra要求为0.8～3.2μm时，可分粗铣、半精铣、精铣三步进行。半精铣时背吃刀量或侧吃刀量取1.5～2mm；精铣时，周铣的侧吃刀量取0.3～0.5mm，面铣刀背吃刀量取0.5～1mm。

必须指出，机床刚度、工件材料和精度以及刀具材料和规格等因素都影响背吃刀量和侧吃刀量的选择，实际使用时，应查阅相关工艺手册选择合适的背吃刀量和侧吃刀量。

2.每齿进给量fz的选择

粗铣时，限制进给量提高的主要因素是切削力，进给量主要是根据铣床进给机构的强度、刀杆的刚度、刀齿的强度及铣床、夹具、工件的工艺系统刚度来确定。在强度和刚度许可的条件下，进给量可以尽量选取得大一些。精加工时，限制进给量提高的主要因素是表面粗糙度。为了减少工艺系统的振动，减小已加工表面的残留面积高度，一般选取较小的进给量。每齿进给量的选择方法总结如下：

① 一般情况下，粗铣取大值，精铣取小值。

② 对刚性较差的工件，或所用的铣刀强度较低时，铣刀每齿进给量应适当减小。

③ 在铣削加工不锈钢等冷硬倾向较大的材料时，应适当增大铣刀每齿进给量，以免铣削刃在冷硬层上铣削，以致加速切削刃的磨损。

④ 精铣时，如果铣刀安装后的径向圆跳动量及轴向圆跳动量加大，则铣刀每齿进给量应适当地减小。

⑤ 用带修光刃的硬质合金铣刀进行精铣时，只要工艺系统的刚性好，铣刀每齿进给量可适当增大，但修光刃必须平直，并与进给方向保持较高的平行度，这就是所谓的大进给量强力铣削。大进给量强力铣削可以充分发挥铣床和铣刀的加工潜力，提高铣削加工效率。

确定铣刀每齿进给量fz后，进给速度F=fz zn （mm/min），z为铣刀的齿数，n为转速（r/min）。

3.铣削速度vc的选择

在铣削加工时，铣削速度vc也称为单齿切削量，单位为m/min。提高铣削速度是提高生产率的一个有效措施，但铣削速度与刀具寿命的关系比较密切。随着铣削速度的增大，刀具寿命急剧下降，故铣削速度的选择主要取决于刀具寿命。另外，铣削速度还要根据工件材料的硬度做适当的调整。

确定了铣削速度vc后，主轴转速n=vc×1000/πD，D为刀具直径（mm）。

数控加工的多样性、复杂性以及日益丰富的数控刀具，决定了选择刀具时不能再主要依靠经验。刀具制造厂在开发每一种刀具时，已经做了大量的试验，在向用户提供刀具的同时，也提供了详细的使用说明。

操作者应该能够熟练地使用生产厂商提供的技术手册，通过手册选择合适的刀具，并根据手册提供的参数合理使用数控刀具。

可转位铣刀参考铣削用量见表3-61，硬质合金焊接铣刀参考铣削用量见表3-62，整体硬质合金铣刀参考铣削用量见表3-63，表3-64～表3-68给出了部分孔加工的铣削用量，供选择时参考。