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发布时间:2020-09-13 19:57:17

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作者:湖北省劳动就业管理局

出版社:湖北科学技术出版社

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数控铣工

数控铣工试读:

版权信息书名:数控铣工作者:湖北省劳动就业管理局排版:KingStar出版社:湖北科学技术出版社出版时间:2009-04-01ISBN:9787535240378本书由湖北科学技术出版社有限公司授权北京当当科文电子商务有限公司制作与发行。— · 版权所有 侵权必究 · —第一章数控铣床的基本知识

数控铣床在数控机床中是一类非常重要的机床,在数控应用中占最大的比例,尤其是在航空航天、汽车制造、模具行业应用非常广泛。数控铣床一般用于复杂的平面、三维曲面以及壳体类零件加工。一、数控铣床的组成

典型的数控铣床一般由两大部分组成:机械系统和计算机数控系统。

1.机械系统

机械系统分为五部分:基础部件、主轴部分、进给机构、辅助装置、自动换刀系统(ATC)。(1)基础部件。主要包括床身、进给机构、立柱。床身的作用主要是承受静载荷及在加工时产生的切削载荷,通常是铸铁件或是焊接而成的钢结构件,因此床身要内部布肋合理,具有良好的刚性,底座上设有4~8个调节螺栓,便于机床调整水平。(2)主轴部分。主要由主轴伺服电动机和主轴两个部件组成。铣头主轴支承在高精度轴承上,保证主轴具有高回转精度和良好的刚性。主轴装有快速换刀螺母,前端锥孔采用IS030号锥度。主轴采用无级变速,调节范围宽、传动平稳、操作方便。制动机构能使主轴迅速制动,节省辅助时间,刹车时通过制动手柄撑开止动环,使主轴立即制动。铣头部件还装有Z向伺服电动机、内齿带轮、滚珠丝杆副及主轴套筒,它们形成Z向进给传动链,使主轴作Z向直线运动。(3)进给机构。工作台的横向和纵向进给,是由安装在工作台上的伺服电动机驱动的,通过内齿带轮带动精密滚珠丝杆副,从而使工作台获得横向和纵向进给。位移测量元件将工作台的位移量反馈到数控系统。床鞍的导轨面均采用了TURCTTE -B贴塑面,提高了导轨的耐磨性、运动的平稳性和精度的保持性,消除了低速爬行现象。(4)辅助装置。辅助装置包括润滑、冷却、排屑、防护、液压、气动及检测系统等部分。这些系统不直接参与切削运动,但对加工效率、加工精度和可靠性起保障作用。(5)自动换刀系统。自动换刀系统由刀库、机械手等部件组成,当需要换刀时,通过数控系统向换刀控制系统发出换刀指令,控制刀库选择目标刀具,然后控制机械手(或其他方式)取刀、装刀。加工中心是在数控铣床的基础上增加了自动换刀装置及刀库,并带有自动分度回转工作台或主轴箱(可自动改变角度)及其他辅助功能,从而使工件在一次装夹后,可以连续、自动完成多个平面或多个角度位置的钻、扩、铰、镗、攻螺纹、铣削等工序的加工,工序高度集中。

2.数控系统

数控系统分为强电控制系统与弱电控制系统两部分。强电系统主要有高电压控制主轴、冷却水泵、润滑。弱电系统控制伺服单元,进而控制伺服电动机与编码器。数控铣床一般采用三相380V交流电源供电,空气开关控制机床总电源的通断;同时该空气开关的通断,还受钥匙开关和开门断电开关的保护,使机床只有在钥匙打开和电气箱门关闭的情况下才能通电。弱电系统主要由数控装置和可编程控制器组成,以实现低电压系统控制高电压系统。数控铣床的数控装置可采用多种数控系统,如FAUNC系统、SIMENS系统等。该装置在控制电路中采用了32或64位高速微处理器、大规模集成电路、半导体存储器,实现了高速度、高可靠性的要求。计算机数控系统(CNC)主印刷板、电源板、输入/输出接口板全部安装在一块基板上,与机床的强电系统形成完善的控制系统。

可编程控制器是一种以微处理器为基础的通用型自动控制装置,专为在工业环境下应用而设计的。由于最初研制这种装置的目的,是为了解决生产设备的逻辑及开关控制,故称它为可编程逻辑控制器(PLC)。当PLC用于控制机床顺序动作时,也可称为编程机床控制器(PMC)。

PLC已成为数控机床不可缺少的控制装置。CNC和PLC协调配合,共同完成对数控机床的控制。用于数控机床的PLC一般分为两类:一类是CNC的生产厂家为实现数控机床的顺序控制,而将CNC和PLC综合起来设计,称为内装型(或集成型)PLC,内装型PLC是CNC装置的一部分;另一类是以独立专业化的PLC生产厂家的产品来实现顺序控制功能,称为独立型(或外装型)PLC。二、数控铣床的操作规程与维护

与普通设备一样,数控铣床的使用寿命和效率高低,不仅取决于机床本身的精度和性能,很大程度上也取决于它的正确使用及维护。正确的使用和精心的维护能防止设备非正常磨损,可使设备保持良好的技术状态,避免突发故障,可以延长机床使用寿命,防止恶性事故的发生,从而保障安全运行。

数控铣床是一种自动加工设备,实训工作会涉及到各种可能的事故,参加实训工作的操作员必须经过安全教育培训,才允许进行机床的操作。数控铣床操作员除了遵守机械加工车间一般的安全生产规范外,还要针对数控铣床的特点,严格遵守数控铣床的操作规程。为了确保人员和设备的安全,执行安全生产,下面从数控铣床加工的特点出发,介绍数控铣床操作安全规范和操作规程。(一)数控机床操作安全规范

1.零件加工前一定要首先检查数控机床运行情况

加工前应该通过试车,检查数控机床是否能够正确运行。例如:利用单程序段、进给倍率或机械锁住等功能,在不装夹工件和刀具的情况下,检查数控机床能否正确运行。如果在没有确认数控机床动作正确的情况下,就进行自动加工,那么一旦数控机床出现误动作,有可能损坏工件、数控机床或伤及操作者。

2.操作数控机床之前仔细地检查输入的数据

如果使用了不正确的数据,可能使数控机床误动作,造成事故。

3.设定进给速度

通常每一台数控机床都有最大许可进给速度,合适的进给速度根据不同的操作而变化,以确保指定的进给速度与想要进行的数控机床操作相适应。可以参阅机床厂提供的说明书来确定最大的进给速度。如果操作中没有正确地选择进给速度,数控机床有可能发生误动作,从而引起工件、数控机床本身的损坏或伤及操作者。

4.刀具补偿功能

当使用刀具补偿功能时应仔细检查刀具补偿方向和补偿量。使用不正确刀具补偿数据操作数控机床,机床可能误动作,从而引起工件、数控机床本身的损坏或伤及操作者。

5.修改数控系统中的CNC和PLC参数

数控机床出厂时,数控系统中的CNC和PLC中的参数都已经由机床厂设置好,通常不需要修改,当必须修改参数的时候,应确保改动参数之前对参数的功能有深入全面的了解,对不了解的参数,不得改动。如果错误地设置了参数,有可能引起数控机床的误动作,从而引起工件、数控机床本身的损坏或伤及操作者。

6.操作MDI面板键盘

在数控机床通电后CNC装置尚未出现位置显示或报警画面之前,不要碰MDI面板上的任何键。MDI面板上的有些键专门用于维护系统和完成特殊的操作功能,按下这其中的键可能使数控装置处于非正常状态,在这种状态下启动数控机床可能引起数控机床的误动作。

7.数控机床可选择功能

数控系统的操作说明书和编程说明书对数控机床的功能进行了完整的叙述,包括各种可选择功能。但是可选择功能因数控机床个体而有所不同,因此某些功能对所用的特定数控机床实际上并不适用。如有疑问,请查阅所选用的数控机床说明书。有些功能是在数控机床用户的请求下实现的,当使用这些功能时请参阅由机床制造商提供的说明书,以了解使用方法和一些相关的注意事项。

8.程序参数和宏变量

程序参数和宏变量存储在数控装置的非易失性存储器中,通常在断电的情况下这些信息被保留,然而这些数据有可能在无意中被删除,或诊断故障时必须将这些数据从非易失性存储器中删除,为避免偶然情况或保证被删除数据的快速恢复应备份所有数据,并将备份的数据妥善保管。(二)数控设备的通用操作规程

1)使用设备实行定人定机制,要求操作者凭操作证操作设备。大型设备多人操作时,必须有专人指挥。

2)操作者要熟悉所使用设备的主要技术性能、结构、保养内容和完好标准。

3)工作前的准备。(1)检查设备的传动系统、操作系统、润滑系统、气动系统、各种开关起始位置、安全制动防护装置、电力稳压系统及电气指示等,上述系统要齐全、正确、灵敏、可靠、完好。紧固件、连接件不应松动。(2)按设备润滑图表注油润滑。(3)以手动方式低速试运转主轴及各伺服轴。(4)根据零件加工程序单,检查数控系统内存表中的刀具补偿值及零点偏置值是否有误,应调出刀具补偿值和零点偏置值,检查其是否正确。(5)在用纸带输入时,要经常检查所用纸带有无损伤,光电阅读机是否正常。(6)紧固零件使用T形螺栓的规格要和设备工作台的T形槽规格一致。紧固时用力应适中。禁止在设备各部位加力校正零件。(7)检查是否遵守了“机床使用说明书”中规定的注意事项。

4)接通电源后,没工作前的检查项目:压下NC装置电源启动键“ON”,在CRT显示器上就出现机床的初始位置坐标。检查安装在机床上部的总压力表,若表头读数为“4MPa”,说明系统压力正常,可以进行正式的操作。

5)工作中正确操作。(1)按设备说明书合理使用,正确操作。禁止超负荷、超性能、超规范使用。(2)首件编程试加工时,操作者要和编程人员密切配合,在确认程序无误后,方可转入正式加工。(3)装卡刀具时,应将锥柄和主轴锥孔及定位面擦拭干净。(4)工件、刀具必须安装牢固。装卸工件时防止碰撞机床。较重的零件、夹具在装卸时应用吊车或在他人协助下完成。(5)在加工过程中,操作者不得擅离岗位或托人代管,不能做与工作无关的事情。暂时离岗可按“暂停”按钮。要正确使用“急停开关”,工作中严禁随意拉闸断电。(6)设备导轨面、工作台面禁止放置工卡量具、零件和无关物件。禁止踩踏各防护罩,不许穿带金属钉的鞋踩踏工作台面。(7)设备运行中注意异常现象,发生故障及时停车,采取措施,并记录显示故障内容。发生事故,应立即停车断电,保护现场,及时上报,不得隐瞒,并配合主管部门做好分析调查工作。

6)工作后的保养。(1)操作者要及时清理设备上的切屑杂物(严禁使用压缩空气),整理工作现场,做好保养工作。(2)设备保养完毕,操作者要将设备各开关手柄及部件移归原位。各工作台面涂油保护,按规定顺序切断电源。(3)按交接班规定进行交换,并做好记录。(三)数控铣床操作规程

本规程适用于立式、卧式、龙门式数控铣床和数控仿形铣床等。(1)操作者必须遵守《数控设备通用操作规程》。(2)机床开动前,必须关闭防护罩。(3)在工作台上装卡工件和夹具时,应考虑重力平衡和合理利用台面。(4)加工铸铁、青铜、非金属等脆性材料时,要将导轨面的润滑油擦净,并采取保护措施。(5)加工中排屑装置应畅通无阻,不得有卡链现象。(四)数控铣床的日常维护

数控铣床因其功能、结构及系统的不同,维护保养的内容和规则也各有其特色,具体应根据数控铣床种类、型号及实际使用情况,并参照该数控铣床说明书要求,制订和建立必要的定期、定级保养制度。(1)使数控铣床保持良好的润滑状态。定期检查清洗自动润滑系统,添加或更换油脂油液,使丝杠、导轨等各运动部位始终保持良好的润滑状态,降低机械磨损速度。(2)定期检查液压、气压系统。对液压系统定期进行油质化验检查,更换液压油,并定期对各润滑、液压、气压系统的过滤器或过滤网进行清洗或更换,对气压系统还要注意及时对分水滤气器放水。(3)对直流电动机定期进行电刷和换向器检查、清洗和更换。如果换向器表面脏,应用白布沾酒精予以清洗;若表面粗糙,用细金相砂纸予以修整;若电刷长度为10mm以下时,予以更换。(4)适时对各坐标轴进行超程限位试验。尤其是对于硬件限位开关,由于切削液等原因使其产生锈蚀,平时又主要靠软件限位起保护作用,但关键时刻如因硬件限位开关锈蚀不起作用将产生碰撞,甚至损坏滚珠丝杠,严重影响其机械精度。试验时用手按一下限位开关看是否出现超程警报,或检查相应I/O接口输入信号是否变化。(5)定期检查电气部件。检查各插头、插座、电缆、继电器的触点是否接触良好。检查各印制电路板是否干净。检查主电源变压器、各电机的绝缘电阻,使其在1MQ以上。平时尽量少开电气柜门,以保持电气柜内清洁,夏天用开门散热是不可取的。定期对电气柜和有关电器的冷却风扇进行卫生清扫,更换其空气过滤网等。另外纸带光电阅读机的受光部件太脏,可能发生读数错误,应及时清洗。电路板上太脏或受湿,可能发生短路现象,因此,必要时对各个电路板、电气元件采用吸尘法进行卫生清扫等。(6)数控铣床长期不用时的维护。数控铣床不宜长期封存不用,购买数控铣床以后要充分地利用起来,尽量提高数控铣床的利用率,尤其是投入使用的第一年,更要充分地使用,使其容易出故障的薄弱环节尽早暴露出来,使故障的隐患尽可能在保修期内得以排除。有了数控铣床舍不得用,这不是对设备的爱护,反而会由于受潮等原因加快电子元件的变质或损坏,如数控铣床长期不用时要定期通电,并进行数控铣床功能试验程序的完整运行。要求每1~3周通电试运行一次,尤其是在环境湿度较大的梅雨季节,应每周通电两次,每次空运行1h左右,以利用机床本身的发热来降低机内湿度,使电子元件不致受潮。同时,也能及时发现有无电池报警发生,以防系统软件、参数的丢失等。(7)定期更换存储器用电池。一般数控系统内对CMOS RAM存储器器件设有可充电电池维持电路,以保证系统不通电期间能保持其存储器的信息。在一般的情况下,即使电池尚未失效,也应每年更换一次,以确保系统能正常工作。电池的更换应在CNC装置通电状态下进行,以防更换时RAM内信息丢失。(8)备用印制线路板的维护。印制线路板长期不用是很容易出故障的。因此,对于备用的印制电路板应定期装到CNC装置上通电运行一段时间,以防损坏。(9)经常监视CNC装置用的电网电压。CNC装置通常允许电网电压在额定值的+10%~-15%的范围内波动,如果超出此范围就会造成系统不能正常工作,甚至会引起CNC系统内的电子元器件损坏。因此要经常监视CNC装置用的电网电压。(10)定期进行数控铣床水平和机械精度检查并校正。数控铣床机械精度的校正方法有软硬两种。所谓软方法主要是通过系统参数补偿,如丝杠方向间隙补偿、各坐标定位精度定点补偿、数控铣床回参考点位置校正等。而硬方法一般在数控铣床大修时进行,如进行导轨修刮、滚珠丝杠螺母副预紧,调整其反向间隙,齿轮副的间隙调整等。第二章数控铣削的加工工艺

数控铣床加工工艺是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床加工过程中面临的工艺问题。一、数控铣床加工工艺(一)数控铣床的加工范围

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(图2-1)。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。图2-1中的曲线轮廓面M和正圆台面N,展开后均为平面。图2-1 平面类零件(a)带平面轮廓的平面零件(b)带斜平面的平面零件(c)带圆台和斜肋的平面零件

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3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零件,如图2-2所示的飞机变斜角梁缘条。图2-2 飞机变斜角梁缘条

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4坐标、5坐标数控铣床摆角加工,若没有上述机床,也可采用3坐标数控铣床进行两轴半近似加工。(3)曲面类零件。加工面为空间曲面的零件称为曲面类零件,如模具、叶片、螺旋桨等。曲面类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3轴数控铣床上加工。当曲面较复杂、通道较狭窄、加工中会伤及相邻表面及需要刀具摆动时,要采用4坐标或5坐标铣床加工。(二)加工顺序的安排

在数控铣加工工序中,加工顺序的安排应遵循下列原则。(1)先安排粗加工,后安排精加工。数控加工经常是将加工表面的粗、精加工安排在一个工序完成,为了减少热变形和切削力引起的变形对加工精度的影响,在加工精度要求高时,不允许将工件的一个表面同时粗、精加工完成后,再加工另一个表面,而应将工件各加工表面,先全部依次粗加工完,然后再全部依次进行精加工。这样,在一个表面的粗加工和精加工之间的间断时间,加工表面可得以短暂的时效和散热。(2)先加工平面,后加工孔。例如加工箱体类工件,为保证孔的加工精度,应先铣削工件上的平面,而后安排工件上孔的加工工步。因加工平面铣削力大,工件易产生变形,先铣面后加工孔,可以减少切削力引起的变形对孔加工精度的影响。(3)按所用刀具划分,先安排用大直径刀具加工表面,后安排用小直径刀具加工表面,这与“先粗后精”是一致的,大直径刀具切削量大,适于粗加工,小直径刀具适于精加工。同时,某些机床工作台回转时间比换刀时间短,按使用刀具不同划分工步,可以减少换刀次数,减少辅助时间,提高加工效率。(三)走刀路线的选择

走刀路线是刀具在整个加工工序中相对于工件运动的轨迹,它不但包括了工序的内容,而且也反映出工序的顺序。走刀路线是编写程序的依据之一。因此,在确定走刀路线时,最好画一张工序简图,将已经拟定出的走刀路线画上去(包括进刀、退刀路线),这样可为编程提供不少方便。

工序顺序是指同一道工序中,各个表面加工的先后次序。它对零件的加工质量、加工效率和数控加工中的走刀路线有直接影响,应根据零件的结构特点和工序的加工要求等合理安排。工序的划分与安排一般可随走刀路线来进行。在确定走刀路线时,主要遵循以下原则。(1)应能保证零件的加工精度和表面粗糙度要求。当铣削平面零件外轮廓时,一般采用立铣刀的侧刃进行切削。刀具切入工件时,应避免沿零件外廓的法向切入,而应沿外廓曲线延长线的切向切入,以避免在切入处产生刀具的刀痕而影响表面质量,从而保证零件外廓曲线平滑过渡。同理,在离开工件时,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,如图2-3所示。

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,如图2-4所示,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,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。图2-3 外轮廓的切入切出图2-4 内轮廓的切入切出

图2-5所示为铣削外整圆时圆弧插补方式的走刀路线图。当整圆加工完毕时,不要在切点处直接退刀,而应让刀具沿圆弧切线方向插补离开工件一定距离,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,常用的铣削方法是圆弧切入进刀和圆弧切出退刀,如图2-6所示,这样可以提高内孔表面的加工精度和表面质量。图2-5 外圆插补方式的走刀路线图图2-6 内圆插补方式的走刀路线图

铣削曲面时,常用球头刀采用行切加工法进行加工。所谓行切加工法,是指刀具与零件轮廓的切点轨迹是一行一行的,行间的距离是按零件加工精度的要求确定的。

对于边界敞开的曲面加工,可采用两种走刀路线:如发动机大叶片,采用图2-7(b)所示的加工方案一时,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2-7(a)所示的加工方案二时,符合这类零件数据给出情况,便于加工后检验,叶片形状的准确度较高,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。图2-7 曲面轮廓加工进给路线

在图2-8中,图(a)和图(b)分别为用行切法加工和环切法加工内槽的走刀路线,而图(c)是先用行切法,最后环切一刀光整轮廓表面。三种方案中,图(a)方案的加工表面质量最差,在周边留有大量的残余;图(b)方案和图(c)方案加工后都能保证精度,但图(b)方案采用环切的方案,走刀路线稍长,而且编程计算工作量大。

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,当进给停顿时,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。为了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。图2-8 内槽切削的进给路线(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2-9示出的是孔类加工方法。按照一般习惯,总是先加工均布于同一圆周上的8个孔,再加工另一圆周上的孔,如图2-9(a)所示。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,如图2-9(b)所示,以节省时间。图2-9 最短进给路线选择(a)一般习惯加工路线(b)空程最短的进给路线(四)铣削用量的选择

合理选择切削用量对于发挥数控机床的最佳效益有着至关重要的关系。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、刀具说明书、切削用量手册,并结合经验而定。因此,切削用量的确定跟众多因素有关:(1)机床。切削用量的选择必须在机床主传动功率、进给传动功率以及主轴转速范围、进给速度范围之内。机床—刀具—工件系统的刚性是限制切削用量的重要因素。切削用量的选择应使机床—刀具—工件系统不发生较大的“振颤”。如果机床的热稳定性好,热变形小,可适当加大切削用量。(2)刀具。刀具材料是影响切削用量的重要因素。

数控机床所用的刀具多采用可转位刀片(机夹刀片)并具有一定的寿命。机夹刀片的材料和形状尺寸必须与程序中的切削速度和进给量相适应并存入刀具参数中去。标准刀片的参数请参阅有关手册及产品样本。(3)工件。不同的工件材料要采用与之适应的刀具材料、刀片类型,要注意到可切削性。可切削性良好的标志是,在高速切削下有效地形成切屑,同时具有较小的刀具磨损和较好的表面加工质量。较高的切削速度、较小的背吃刀量和进给量,可以获得较好的表面粗糙度。合理的恒切削速度、较小的背吃刀量和进给量可以得到较高的加工精度。(4)切削液。切削液同时具有冷却和润滑作用。带走切削过程产生的切削热,降低工件、刀具、夹具和机床的温升,减少刀具与工件的摩擦和磨损,提高刀具寿命和工件表面加工质量。使用切削液后,通常可以提高切削用量。切削液必须定期更换,以防因其老化而腐蚀机床导轨和其他零件,特别是水溶性切削液。

铣削加工的切削用量包括:切削速度、进给速度、背吃刀量和侧吃刀量。

从刀具寿命出发,切削用量的选择方法是:先选择背吃刀量或侧吃刀量,其次选择进给速度,最后确定切削速度。

1.背吃刀量或侧吃刀量

背吃刀量为平行于铣刀轴线测量的切削层尺寸。背吃刀量端铣时,为切削层深度;而轮廓铣削时,为被加工表面的宽度。侧吃刀量为垂直于铣刀轴线测量的切削层尺寸。端铣时,侧吃刀量为被加工表面宽度;而轮廓铣削时,为切削层深度。

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决定:a(1)当工件表面粗糙度值要求为R=12.5~25μm时,如果圆周铣削加工余量小于5mm,端面铣削加工余量小于6mm,粗铣一次进给就可以达到要求。但是在余量较大,工艺系统刚性较差或机床动力不足时,可分为两次进给完成。a(2)当工件表面粗糙度值要求为R=3.2~12.5μm时,应分为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上。粗铣后留0.5~1.0mm余量,在半精铣时切除。a(3)当工件表面粗糙度值要求为R=0.8~3.2μm时,应分为粗铣、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,轮廓铣侧吃刀量取0.3~0.5mm,面铣刀背吃刀量取0.5~1mm。f

2.进给量f与进给速度v的选择

铣削加工的进给量f(mm/r)是指刀具转一周,工件与刀具沿进f给运动方向的相对位移量;进给速度v(mm/min)是单位时间内工件与铣刀沿进给方向的相对位移量。进给速度与进给量的关系为fv=nf(n为铣刀转速,单位r/min)。进给量与进给速度是数控铣床加工切削用量中的重要参数,根据零件的表面粗糙度、加工精度要求、刀具及工件材料等因素,参考切削用量手册选取或通过选取每齿进给量,再根据公式计算。

每齿进给量的选取主要依据工件材料的力学性能、刀具材料、工件表面粗糙度等因素。工件材料强度和硬度越高,每齿进给量越小;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。工件表面粗糙度要求越高,就越小。工件刚性差或刀具强度低时,应取较小值。c

3.切削速度vc

铣削的切削速度v与刀具的寿命、每齿进给量、背吃刀量、侧吃刀量以及铣刀齿数成反比,而与铣刀直径成正比。二、数控铣床上常用刀具(一)数控铣床上常用铣刀的种类

1.面铣刀

面铣刀也称为盘铣刀,此类铣刀具有直径大、刚性好的特点,在数控铣床上主要用于加工平面、台阶面等。面铣刀的圆周表面和端部上都有切削刃,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40Cr。

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,如图2-10所示。图2-10 硬质合金面铣刀(a)整体焊接式(b)机夹—焊接式(c)可转位式

由于整体焊接式和机夹—焊接式面铣刀难于保证焊接质量,刀具寿命低,重磨较费时,目前已逐渐被可转位式面铣刀所取代。

2.立铣刀

立铣刀是数控机床上用得最多的一种铣刀,其结构如图2-11所示。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。图2-11 立铣刀(a)硬质合金立铣刀(b)高速钢立铣刀

立铣刀分为硬质合金立铣刀和高速钢立铣刀两种,主要用于加工沟槽、台阶面、平面和二维曲面(例如平面凸轮的轮廓)。习惯上用直径表示立铣刀名称,如φ15立铣刀,表示直径为15mm的立铣刀。

立铣刀通常由3~6个刀齿组成。每个刀齿的主切削刃分布在圆柱面上,呈螺旋线形,其螺旋角在30°~45°之间,这样有利于提高切削过程的平稳性,提高加工精度;刀齿的副切削刃分布在端面上,用来加工与侧面垂直的底平面。立铣刀的主切削刃和副切削刃可以同时进行切削,也可以分别单独进行切削。

立铣刀根据其刀齿数目,分为粗齿立铣刀、中齿立铣刀和细齿立铣刀。粗齿立铣刀刀齿少,强度高,容屑空间大,适于粗加工;细齿立铣刀齿数多,工作平稳,适于精加工;中齿立铣刀介于粗齿和细齿之间。

直径较小的立铣刀一般制成带柄的形式,可分为直柄(φ2~71mm立铣刀)、莫氏锥柄(φ6~63mm立铣刀)和锥度为7 ∶ 24的锥柄(φ25~80mm立铣刀)3种。直径大于40~60mm的立铣刀可做成套式结构。

3.键槽铣刀

键槽铣刀(图2-12)有2个刀齿,圆柱面上和端面上都有切削刃,兼有钻头和立铣刀的功能。端面刃延至圆中心,使立铣刀可以沿其轴向钻孔,切出键槽深;又可以使立铣刀用圆柱面上刀刃铣削出键槽长度。铣削时,立铣刀先对工件钻孔,然后沿工件轴线铣出键槽全长。图2-12 键槽铣刀

4.模具铣刀

模具铣刀是由立铣刀发展而成的,其直径为4~63mm。主要用于加工三维的模具型腔或凸凹模成形表面。通常有以下3种类型。(1)圆锥形立铣刀(圆锥半角可为3°、5°、7°、10°),其刀具名称通常记为φ10×5°,表示直径是10mm,圆锥半角为5°的圆锥立铣刀。(2)圆柱形球头立铣刀,其刀具名称通常为φ12R6,表示直径是12mm的球头立铣刀。(3)圆锥形球头立铣刀,其刀具名称φ15×7° R,表示直径是15mm,圆锥半角为7°的圆锥形球头立铣刀。如图2-13所示为高速钢模具铣刀。图2-13 高速钢模具铣刀(a)圆锥形立铣刀(b)圆柱形球头立铣刀(c)圆锥形球头立铣刀

在模具铣刀的圆柱面(或圆锥面)和球头上都有切削刃,可以进行轴向和径向进给切削。铣刀的工作部分用高速钢或硬质合金制造,如图2-14所示。小尺寸的硬质合金模具铣刀制成整体结构;φ6以上的,可制成焊接结构或可转付刀片形式。模具铣刀的柄部形式有直柄、莫式锥柄。图2-14 硬质合金模具铣刀

5.鼓形铣刀

鼓形铣刀切削刃分布在半径为尺的中凸的鼓形外廓上,如图2-15所示,其端面无切削刃。铣削时控制铣刀上下位置,从而改变刀刃的切削部位,可以在工件上加工出由负到正的不同斜角表面,常用于数控铣床和加工中心加工立体曲面。R值越小,鼓形铣刀所能加工的斜角范围越广,而加工后的表面粗糙度值也越高。这种刀具的缺点是刃磨困难,切削条件差,而且不能加工有底的轮廓。图2-15 鼓形铣刀

6.成形铣刀

图2-16所示为常见的几种成形铣刀,成形铣刀一般为专用刀具,即为某个工件或某项加工内容而专门制造(刃磨)的。它适用于加工特定形状面和特形的孔、槽。图2-16 成形铣刀(二)数控铣床上常用孔加工刀具

1.钻孔刀具

钻孔一般是扩孔、铰孔前的粗加工和加工螺纹底孔等。数控铣床、加工中心钻孔用刀具主要是麻花钻、中心孔钻、硬质合金可转位浅孔钻等。(1)麻花钻。麻花钻钻孔精度一般在IT12左右,表面粗糙度值aR为12.5μm。可从不同方面给麻花钻分类:按刀具材料分类,麻花钻分为高速钢钻头和硬质合金钻头。按麻花钻的柄部分类,分为直柄和莫氏锥柄。直柄一般用于小直径钻头,莫氏锥柄一般用于大直径钻头。按麻花钻长度分类,分为基本型和短、长、加长、超长等类型钻头。(2)中心孔钻。专门用于加工中心孔的钻头。数控机床钻孔中刀具的定位是由数控程序控制的,不需要钻模导向,为保证加工孔的位置精度,应该在用麻花钻钻孔前,用中心孔钻划窝,或用刚性较好的短钻头划窝,以保证钻孔中的刀具引正,确保麻花钻的定位。(3)硬质合金可转位浅孔钻。钻削直径在20~60mm、孔的长径比小于3的中等直径浅孔时,可选用硬质合金可转位浅孔钻(图2-17)。它的切削效率和加工质量均好于麻花钻,最适于箱体零件的钻孔加工。可转位浅孔钻的结构是:刀体上有内冷却通道及排屑槽,刀体头部装有一组硬质合金刀片(刀片可以是正多边形、菱形、四边形)。为了提高刀具的使用寿命,可以在刀片上涂镀炭化钛涂层。使用这种钻头钻箱体孔,比普通麻花钻可提高效率4~6倍。图2-17 硬质合金可转位浅孔钻

2.扩孔刀具

扩孔是对已钻出、铸(锻)出或冲出的孔进行进一步加工,数控机床上扩孔多采用扩孔钻(图2-18)加工,也可以采用立铣刀或镗刀扩孔。扩孔钻结构与麻花钻相比,有以下特点:扩孔钻的切削刃较多,一般为3~4个切削刃,切削导向性好;扩孔钻扩孔加工余量小,一般为2~4mm,扩孔钻主切削刃短,容屑槽较麻花钻小,刀体刚度好;没有横刃,切削时轴向力小。所以扩孔钻加工质量和生产率均优于钻孔刀具,扩孔对于预制孔的形状误差和轴线的歪斜有修正能力,它的a加工精度可达IT10,表面粗糙度值R为3.2~6.3μm。可以用于孔的终加工也可作为铰孔或磨孔的预加工。

扩孔钻切削部分的材料,分为高速钢和硬质合金2种;其刀柄部分结构,有整体直柄(用于直径小的扩孔钻)、整体锥柄(用于中等直径的扩孔钻)和套式(用于直径较大的扩孔钻)3种。图2-18(a)、(b)、(c)所示即分别为锥柄式高速钢扩孔钻、套式高速钢扩孔钻和套式硬质合金扩孔钻。图2-18 扩孔钻

3.铰孔刀具

铰孔是对已加工孔进行微量切削,其合理切削用量为:背吃刀量取为铰削余量(粗铰余量为0.15~0.35mm,精铰余量为0.05~0.15mm),采用低速切削(粗铰钢件为5~7m/min,精铰钢件为2~5m/min),进给量一般为0.2~1.2mm/r,进给量太小会产生打滑和啃刮现象。同时铰孔时要合理选择冷却液,在钢材上铰孔宜选用乳化液;铸铁件上铰孔有时用煤油。

铰孔是一种对孔半精加工和精加工的加工方法,它的加工精度一a般为IT9~IT6,表面粗糙度R为1.6~0.4μm。但铰孔一般不能修正孔的位置误差。所以要求铰孔之前,孔的位置精度应该由上一道工序保证。

标准机用铰刀如图2-19所示。铰刀由工作部分、颈部和柄部组成,刀柄形式有直柄、锥柄和套式3种。铰刀的工作部分(即切削刃部分)又分为切削部分和校准部分。切削部分为锥形,承担主要的切削工作;校准部分包括圆柱和倒锥,圆柱部分主要起铰刀的导向、加工孔的校准和修光的作用,倒锥主要起减少铰刀与孔壁的摩擦和防止孔径扩大的作用。

数控铣床上铰孔所用刀具还有机夹硬质合金刀片、单刃铰刀及浮动铰刀等。图2-19 机用铰刀(a)直柄机用铰刀(b)锥柄机用铰刀

4.镗孔刀具

镗孔是使用镗刀对已钻出的孔或毛坯孔进一步加工的方法。镗孔的通用性较强,可以粗加工、精加工不同尺寸的孔以及镗通孔、盲孔、阶梯孔;镗加工同轴孔系、平行孔系等。粗镗孔的精度为IT11~IT13,a表面粗糙度R为6.3~12.5μm。半精镗的精度为IT9~IT10,表面粗糙aa度R为1.6~3.2μm。精镗的精度可达IT6,表面粗糙度R为0.1~0.4μm。镗孔具有修正形状误差和位置误差的能力。常用的镗刀如下。(1)单刃镗刀。单刃镗刀与车刀类似,但刀具的大小受到孔径的尺寸限制,刚性较差,容易发生振动。所以在切削条件相同时,镗孔的切削用量一般比车削小20%,单刃镗刀镗孔生产率较低。但其结构简单,通用性好,因此应用广泛。图2-20所示分别为用于镗削通孔、阶梯孔、盲孔的单刃镗刀,图中螺钉1用于调整刀具位置以控制镗孔尺寸,螺钉2起锁紧作用。图2-20 单刃镗刀(a)通孔镗刀(b)阶梯孔镗刀(c)不通孔镗刀1-调节螺钉;2-紧固螺钉(2)双刃镗刀。镗刀的两端有一对对称的切削刃同时参与切削称为双刃镗刀,如图2-21所示为机夹双刃镗刀。双刃镗刀的优点是可以消除背向力对镗杆的影响,增加了系统刚度,能够采用较大的切削用量,生产率高;工件的孔径尺寸精度由镗刀来保证,调刀方便。其缺点是刃磨次数有限,刀具材料不能充分利用。图2-21 双刃镗刀(3)微调镗刀。为提高镗刀的调整精度,在数控机床上常使用微调镗刀,如图2-22所示。这种镗刀的径向尺寸可在一定范围内调整。其读数精度可达0.01mm。调整尺寸时,先松开拉紧螺钉6,然后转动带刻度盘的调整螺母3,待刀头调至所需尺寸,再拧紧拉紧螺钉6进行锁紧。这种镗刀结构比较简单,刚性好。图2-22 微调镗刀1-刀体;2-刀片;3-调整螺母;4-刀杆;5-螺母;6-拉紧螺钉;7-导向键(三)刀具的装夹

1.硬质合金可转位铣刀刀片装夹在刀体上

1)刀片的安装方式。常用径向安装方式将刀片装到刀体上,如图2-23(a)所示,即刀片沿着刀体的径向插入,这种安装方式也称为平装方式。也有些铣刀采用把刀片贴在刀体的圆周面安装,如图2-23(b)所示,这种安装方式称为立装方式,立装刀片的铣刀能承受较大的冲击力。图2-23 铣刀片安装方式

2)刀片的定位。刀片在刀体上的定位方式有3种,即三向定位点接触式,如图2-24(a)所示;三向定位点面接触式,如图2-24(b)所示;三向定位面接触式,如图2-24(c)所示。图2-24 刀片的定位方式

常用径向安装方式将刀片装到刀体上,如图2-23(a)所示,即刀片沿着刀体的径向插入,这种安装方式也称为平装方式。也有些铣刀采用把刀片贴在刀体的圆周面安装,如图2-23(b)所示,这种安装方式称为立装方式,立装刀片的铣刀能承受较大的冲击力。

3)刀片的夹紧。可转位铣刀有多种刀片夹紧方式,目前应用最多的是楔块式和上压式2种。面铣刀一般采用楔块式夹紧机构,立铣刀则采用上压式夹紧机构。

楔块式夹紧机构如图2-25所示,其中图2-25(a)所示为拉杆楔块式夹紧机构,它是通过旋紧拉杆螺母,使拉杆楔块移动,由拉杆楔块的斜面产生压紧力把刀片压紧在刀体上。图2-25(b)所示为弹簧楔块式夹紧机构,它在工作时是靠切削力压紧刀片的,弹簧夹紧的作用是抵消刀具空转时刀片的离心力。更换刀片或转位时,只需用特制的扳手将拉杆向下压,刀片即可松开。

4)安装铣刀片注意事项。(1)拆装刀片时,应使用专用的扳手。夹紧操作中用力不要过大,不准使用助力杆,加在每块刀片的压紧力要均匀。(2)安装刀片前必须检查刀体上各刀槽的定位面(点)以及刀垫和楔块上的各贴合面的清洁度和完好程度。任何微小杂质和刀刃上沾带的切屑粉末均会影响刀片安装精度,所以刀片安装前必须把贴合面清理干净。上述各定位面、贴合面若有变形和刮碰起毛,应及时修正或更换。图2-25 楔块式夹紧机构1、9-拉杆螺母;2-螺母;3-接盘;4、7-刀体;5、11-刀垫;6、10-刀片;8-弹簧(3)已用过的刀片上磨损严重或损坏较大的刀刃不宜作定位刀片,否则会影响刀片的定位精度。操作刀片定位时不许戴手套,应凭手指的感觉使刀片与刀槽上的三向定位点(面)可靠接触。在夹紧过程中应使刀片靠住定位点(面),防止刀片在夹紧时产生位移,脱离定位点(面)。(4)刀片装夹后要进行检验。可以在机床上对调换后的刀片直接测量检验,也可将刀体从铣床上卸下,用对刀检验装置校核铣刀。(5)对安装好的铣刀检验时应注意:不准用已磨损的切削刃作基准校核新安装的刀片;若反复安装校验仍不合格,应注意检查刀杆和刀垫的定位部位是否有损伤或磨损,发现有上述问题时,应该先调整和校验定位面(点),然后再重新安装刀片。

2.铣刀装夹在铣床主轴上

1)刀柄与主轴的连接。数控铣床和加工中心的刀具由两部分组成,即刀柄和刀具本体。刀柄是机床主轴与刀具之间的连接的工具,刀具必须装在统一的标准刀柄上,以便装在主轴、刀库上。刀柄与主轴孔的配合锥面一般采用7 ∶ 24的锥度,如图2-26所示为BT系列刀柄与拉钉,因为这种锥度的刀柄不自锁,换刀方便,定心精度和刚度比直柄高。刀柄装上主轴前,要把拉钉与刀柄装配在一起,刀柄装在主轴上时,主轴内的碟簧给卡头施力,可夹住拉钉,从而使刀柄固定在主轴上。图2-26 BT系列刀柄与拉钉(a)刀柄(b)拉钉

2)铣刀在主轴上的装夹。根据铣刀与数控铣床主轴连接方式的不同,铣刀可分为套式面铣刀和带有刀柄式铣刀两大类。(1)套式面铣刀的装夹。直径在50mm以上的套式面铣刀,以其内孔和端面在刀柄上定位,用螺钉将铣刀固定在带端键的刀柄上,由端面键传递铣削力矩。直径大于160mm的套式面铣刀用内六角螺钉固定在端键传动接杆上。(2)带有刀柄式铣刀的装夹。铣刀刀柄的形式分为直柄和锥柄2种,锥柄铣刀主要是通过带有莫氏锥孔的刀柄过渡,通过刀柄将铣刀安装在主轴上;直柄铣刀是通过带有弹簧夹头的刀柄安装到主轴上,将直柄铣刀装入弹簧夹头并旋紧螺母,如图2-27所示。弹簧夹头结构示意如图2-28所示,弹簧夹头外圆上开有三条槽,螺母旋紧时,三条槽合拢,内孔收缩,将直柄铣刀夹紧。弹簧夹头的规格可根据铣刀柄的直径和刀柄的内孔锥度,查阅相关国家标准,选择弹簧夹头的内孔和外锥的尺寸。图2-27 直柄铣刀的装夹图2-28 弹簧夹头(四)对刀

对刀的目的是通过刀具或对刀工具,确定工件坐标系与机床坐标系之间的空间位置关系,并将对刀数据输入到相应的存储位置。它是数控加工中最重要的操作内容,其准确性将直接影响零件的加工精度。

对刀操作分为X、Y向对刀和Z向对刀。

1.对刀方法

根据现有条件和加工精度要求选择对刀方法,可采用试切法、寻边器对刀、机内对刀仪对刀、自动对刀等。其中试切法对刀精度较低,加工中常用寻边器和Z向设定器对刀,效率高,能保证对刀精度。

2.对刀工具(1)寻边器。寻边器主要用于确定工件坐标系原点在机床坐标系中的X、Y值,也可以测量工件的简单尺寸。

寻边器有偏心式和光电式等类型,其中以光电式较为常用。光电式寻边器的测头一般为10mm的钢球,用弹簧拉紧在光电式寻边器的测杆上,碰到工件时可以退让,并将电路导通,发出光信号,通过光电式寻边器的指示和机床坐标位置即可得到被测表面的坐标位置。(2)Z轴设定器。Z轴设定器主要用于确定工件坐标系原点在机床坐标系的Z轴坐标,或者说是确定刀具在机床坐标系中的高度。

Z轴设定器有光电式和指针式等类型,通过光电指示或指针判断刀具与对刀器是否接触,对刀精度一般可达0.005mm。Z轴设定器带有磁性表座,可以牢固地附着在工件或夹具上,其高度一般为50mm或100mm。

3.试切法对刀

X向对刀:(1)MDI方式下开启主轴,刀具旋转。(2)测量或手轮方式将刀具在X轴的方向移近工件。(3)观察,当刀具刚刚切削到工件时停止X轴向进给。(4)利用刀具半径补偿功能可记录下此时工件该侧边的X坐标值。

Y向对刀:

方法同X向对刀,只是改为在Y轴方向移动,可以记录下此时该侧面Y向的坐标值。

Z向对刀:(1)使刀具在Z轴方向靠近工件上表面。(2)记录下刀具端面与工件上表面刚刚接触时的坐标值,此值为工件表面的Z坐标。

将测得的X、Y、Z坐标值输入到G54~G59的工件坐标系中即可(如G54中)完成对刀。

4.寻边器、Z轴设定器对刀

X向、Y向对刀:(1)安装寻边器,安装工件。(2)快速移动工件,让寻边器测头靠近工件的一侧,改用微调操作,让测头慢慢接触到工件一侧,直到寻边器发光。(3)此种方法在X向和Y向各进行一次,即可记录下X、Y的工件的坐标。(4)X、Y坐标值输入工件坐标系。(5)将刀具装在主轴上,Z轴设定器吸附在已经装夹好的工件或夹具平面上。(6)移动工作台或主轴,让刀具端面慢慢接触Z轴设定器上表面,直到Z轴设定器发光、发声或指针指示到零位。(7)将当前坐标值(Z向)减去设定器的高度,即为工件或夹具平面的坐标值。(8)输入相应的工件坐标系。

5.对刀实例

如图2-29所示零件,采用φ10的标准测量棒、塞尺对刀,其详细步骤如下:(1)X、Y向对刀。得到测量值为X = - 437.726, Y = -298.160。如图2-29所示。Z= -31.833,如图2-30所示。(2)计算设定值。如图2-29所示,将前面已测得的各项数据,按设定要求运算。

X坐标设定值:X= -437.726+5+0.1+40= -392.626mm

注:-437.726mm为X坐标显示值。

5mm为测量棒半径值。

0.1mm为塞尺厚度。

40.0为编程原点到工件定位基准面在X坐标方向的距离。

Y坐标设定值:Y= -298.160+5+0.1+46.5= -246.46mm

注:如图2-29所示,-298.160mm为坐标显示值;5mm为测量棒半径值;0.1mm为塞尺厚度;46.5为编程原点到工件定位基准面在Y坐标方向的距离。

Z坐标设定值:Z= -31.833-0.2= -32.033mm。图2-29 X、Y向对刀方法

注:-31.833为坐标显示值;0.2为塞尺厚度,如图2-30所示。

通过计算结果为:X = - 392.626, Y = - 246.460, Z = -32.033。

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