第1章 多軸數(shù)控加工專業(yè)知識

1.1 數(shù)控加工基本原理

采用數(shù)控加工能高效、高精度地加工復(fù)雜的零件，特別是曲面較為復(fù)雜的型芯和型腔零件。數(shù)控的英文全稱為Numerical Control，簡稱NC。由數(shù)控系統(tǒng)發(fā)出的數(shù)字脈沖信號經(jīng)變換放大后變成脈沖電流，脈沖電流通過伺服電動機(jī)能產(chǎn)生運(yùn)動距離。伺服電動機(jī)可以做成旋轉(zhuǎn)和直線運(yùn)動兩種形式，因此一個脈沖信號能實(shí)現(xiàn)一個旋轉(zhuǎn)步距角或一個直線移動步距。在一個時段內(nèi)連續(xù)發(fā)送脈沖信號，脈沖信號的數(shù)量就能精確對應(yīng)旋轉(zhuǎn)電動機(jī)轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)數(shù)。單位時間內(nèi)的脈沖數(shù)量稱為脈沖頻率，控制脈沖頻率就能控制轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速，所以脈沖信號和能根據(jù)脈沖信號做定量運(yùn)動的伺服電動機(jī)是實(shí)現(xiàn)數(shù)控加工的基本條件。

普通車床是固定在三爪卡盤上的工件隨主軸做旋轉(zhuǎn)主運(yùn)動，固定在刀架溜板上的刀具由手工操作做相對工件的二維進(jìn)給運(yùn)動進(jìn)行切削。普通銑床是固定在主軸上的刀具隨主軸做旋轉(zhuǎn)主運(yùn)動，裝夾在工作臺上的工件由手工操作相對刀具做三維進(jìn)給運(yùn)動進(jìn)行切削。為了實(shí)現(xiàn)數(shù)控加工，就按普通機(jī)床切削模式用旋轉(zhuǎn)伺服電動機(jī)通過傳動精度較高的同步帶直接驅(qū)動主軸做回轉(zhuǎn)主運(yùn)動，通過控制脈沖頻率來控制主運(yùn)動的轉(zhuǎn)速，從而省去了結(jié)構(gòu)復(fù)雜的靠手工操作的變速齒輪箱等。同樣用旋轉(zhuǎn)伺服電動機(jī)傳動精度較高的滾珠絲杠螺母副，把旋轉(zhuǎn)運(yùn)動變成直線運(yùn)動；精度很高的數(shù)控機(jī)床和高速數(shù)控機(jī)床直接用直線伺服電動機(jī)產(chǎn)生直線運(yùn)動，把中間環(huán)節(jié)減至最少。

數(shù)控系統(tǒng)由加工程序輸入工具、譯碼器、數(shù)據(jù)處理器和處理軟件、數(shù)據(jù)存儲器和脈沖電流輸出工具等組成。加工程序用輸入工具輸入到數(shù)控系統(tǒng)，由譯碼器翻譯成處理系統(tǒng)能識別的數(shù)據(jù)，經(jīng)軟件分析計算變成智能加工數(shù)據(jù)，存放在存儲器中。加工時用輸出工具將加工數(shù)據(jù)變成脈沖電流，輸送給X、Y、Z方向的伺服電動機(jī)和主軸伺服電動機(jī)，伺服電動機(jī)通過傳動機(jī)構(gòu)形成切削主運(yùn)動和進(jìn)給運(yùn)動。測量裝置隨時監(jiān)測實(shí)際主運(yùn)動和進(jìn)給運(yùn)動與加工程序所要求的運(yùn)動量之間的誤差，并反饋到數(shù)控系統(tǒng)，及時修正伺服電動機(jī)的轉(zhuǎn)速，從而精確控制刀具和工件之間的切削運(yùn)動，這樣就實(shí)現(xiàn)了自動切削，使平時由半人工操作的金屬切削變成了用程序控制的切削，這就是數(shù)控加工的原理。

在數(shù)控機(jī)床上加工零件時，首先要將被加工零件的幾何信息和工藝信息數(shù)字化。先根據(jù)零件加工圖樣的要求確定零件加工的工藝過程、工藝參數(shù)、刀具參數(shù)，再按數(shù)控機(jī)床規(guī)定采用的代碼和程序格式，將與加工零件有關(guān)的信息如工件的尺寸、刀具運(yùn)動中心軌跡、位移量、切削參數(shù)（主軸轉(zhuǎn)速、切削進(jìn)給量、背吃刀量），以及輔助操作（換刀、主軸的正轉(zhuǎn)和反轉(zhuǎn)、切削液的開和關(guān)）等編制成數(shù)控加工程序，然后將程序輸入到數(shù)控裝置中，經(jīng)數(shù)控裝置分析處理后，發(fā)出指令控制機(jī)床進(jìn)行自動加工，其過程如圖1-1所示。

數(shù)控加工與普通機(jī)床加工在方法與內(nèi)容上有許多相似之處，其不同點(diǎn)主要表現(xiàn)在控制方式上。在普通機(jī)床上加工零件時，是用工藝規(guī)程、工藝卡片來規(guī)定每道工序的操作程序，操作人員按規(guī)定的步驟加工零件。而在數(shù)控機(jī)床上加工零件時，要把被加工的全部工藝過程、工藝參數(shù)和位移數(shù)據(jù)編制成程序，并以數(shù)字信息的形式記錄在控制介質(zhì)（如穿孔紙帶、磁盤等）上，用它來控制機(jī)床加工。因此，與普通機(jī)床相比，數(shù)控加工具有以下特點(diǎn)。

1. 數(shù)控加工工藝內(nèi)容要求具體而詳細(xì)

在使用普通機(jī)床加工時，許多具體的工藝問題，如工藝中各工步的劃分與安排、刀具的幾何形狀及尺寸、走刀路線、加工余量、切削用量等，在很大程度上都是由操作人員根據(jù)自己的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)和習(xí)慣自行考慮和決定的，一般不需要工藝人員在設(shè)計工藝規(guī)程時進(jìn)行過多的規(guī)定，零件的尺寸精度也可由試切削來保證。而在數(shù)控加工時，原本在普通機(jī)床上由操作人員靈活掌握并可通過適時調(diào)整來處理的上述工藝問題，不僅成為數(shù)控工藝設(shè)計時必須認(rèn)真考慮的內(nèi)容，而且編程人員必須事先設(shè)計和安排好并做出正確的選擇，編入加工程序中。數(shù)控工藝不僅包括詳細(xì)描述的切削加工步驟，而且還包括夾具型號、規(guī)格、切削用量和其他特殊要求的內(nèi)容。在自動編程中更需要詳細(xì)地確定各種工藝參數(shù)。

2. 數(shù)控加工工藝要求更嚴(yán)密、精確

數(shù)控機(jī)床雖然自動化程度高，但自適應(yīng)性差。它不像普通機(jī)床加工那樣，可以根據(jù)加工過程中出現(xiàn)的問題比較靈活自由地進(jìn)行人為調(diào)整。如在攻螺紋時，數(shù)控機(jī)床不知道孔中是否已擠滿切削，是否需要退刀清理切削再繼續(xù)進(jìn)行，這種情況必須事先由工藝員精心考慮，否則可能導(dǎo)致嚴(yán)重的后果。在普通機(jī)床上加工零件時，通常是經(jīng)過多次“試切削”過程來滿足零件的精度要求，而數(shù)控加工過程是嚴(yán)格按程序規(guī)定的尺寸進(jìn)給的，因此在對圖形進(jìn)行數(shù)學(xué)處理、計算和編程時一定要準(zhǔn)確無誤，以使數(shù)控加工順利進(jìn)行。

3. 制定數(shù)控加工工藝要進(jìn)行零件圖形的數(shù)學(xué)處理和編程尺寸設(shè)定值的計算

編程尺寸并不是零件圖上設(shè)計尺寸的簡單再現(xiàn)，在對零件進(jìn)行數(shù)學(xué)處理和計算時，編程尺寸設(shè)定值要根據(jù)零件的形狀幾何關(guān)系重新調(diào)整計算，才能確定合理的編程尺寸。

4. 選擇切削用量時要考慮進(jìn)給速度對加工零件形狀精度的影響

數(shù)控加工時，刀具怎么從起點(diǎn)沿運(yùn)動軌跡走向終點(diǎn)是由數(shù)控系統(tǒng)的插補(bǔ)裝置或插補(bǔ)軟件來控制的。根據(jù)插補(bǔ)原理可知，在數(shù)控系統(tǒng)已定的條件下，進(jìn)給速度越快，插補(bǔ)精度越低；插補(bǔ)精度越低，工件的輪廓形狀越差。因此，選擇數(shù)控加工切削用量時要考慮進(jìn)給速度對加工零件形狀精度的影響，特別是高精度加工時影響非常明顯。

5. 數(shù)控加工工藝的特殊要求

● 由于數(shù)控機(jī)床較普通機(jī)床的剛度高，所配的刀具也較好，因而在同等情況下，所采用的切削用量比普通機(jī)床大，加工效率也高。選擇切削用量時要充分考慮這些特點(diǎn)。

● 由于數(shù)控機(jī)床的功能復(fù)合化程度越來越高，因此，工序相對集中是現(xiàn)代數(shù)控加工工藝的特點(diǎn)，明顯表現(xiàn)為工藝數(shù)目少，工藝內(nèi)容多，并且由于在數(shù)控機(jī)床上盡可能安排較復(fù)雜的工序，所以數(shù)控加工的工序內(nèi)容要比普通機(jī)床加工的工序內(nèi)容復(fù)雜。

● 由于數(shù)控加工的零件比較復(fù)雜，因此在確定裝夾方式和設(shè)計夾具時，要特別注意刀具與夾具、工件的干涉問題。

6. 程序的編寫、校驗(yàn)與修改是數(shù)控加工工藝的一項(xiàng)特殊內(nèi)容

普通機(jī)床加工工藝中劃分工序、選擇設(shè)備等重要內(nèi)容對數(shù)控加工工藝來說屬于基本確定的內(nèi)容，所以制定數(shù)控加工工藝的重點(diǎn)在于整個數(shù)控加工過程的分析，關(guān)鍵在確定進(jìn)給路線及生成刀具運(yùn)動軌跡。

1.2 數(shù)控銑削加工基本知識

數(shù)控銑削是機(jī)械加工中最常用和最主要的數(shù)控加工方法之一，它除了能銑削普通銑床所能銑削的各種零件表面外，還能銑削普通銑床不能銑削的需要2～5軸坐標(biāo)聯(lián)動的各種平面輪廓和立體輪廓。

1.2.1 三軸數(shù)控加工原理

數(shù)控銑床的基本組成如圖1-2所示。它由床身、立柱、主軸箱、工作臺、滑鞍、滾珠絲杠、伺服電動機(jī)、伺服裝置、數(shù)控系統(tǒng)等組成。

床身用于支撐和連接機(jī)床各部件。主軸箱用于安裝主軸。主軸下端的錐孔用于安裝銑刀。當(dāng)主軸箱內(nèi)的主軸電動機(jī)驅(qū)動主軸旋轉(zhuǎn)時，銑刀能夠切削工件。主軸箱還可沿立柱上的導(dǎo)軌在Z向移動，使刀具上升或下降。工作臺用于安裝工件或夾具。工作臺可沿滑鞍上的導(dǎo)軌在X向移動，滑鞍可沿床身上的導(dǎo)軌在Y向移動，從而實(shí)現(xiàn)工件在X和Y向的移動。無論是X、Y向，還是Z向的移動都是靠伺服電動機(jī)驅(qū)動滾珠絲杠來實(shí)現(xiàn)的。伺服裝置用于驅(qū)動伺服電動機(jī)。控制器用于輸入零件加工程序和控制機(jī)床工作狀態(tài)。控制電源用于向伺服裝置和控制器供電。

1. 數(shù)控銑床的工作原理

根據(jù)零件形狀、尺寸、精度和表面粗糙度等技術(shù)要求制定加工工藝，選擇加工參數(shù)。通過手工編程或利用CAM軟件自動編程，將編好的加工程序輸入到控制器。控制器對加工程序處理后，向伺服裝置傳送指令。伺服裝置向伺服電動機(jī)發(fā)出控制信號。主軸電動機(jī)使刀具旋轉(zhuǎn)，X、Y和Z向的伺服電動機(jī)控制刀具和工件按一定的軌跡相對運(yùn)動，從而實(shí)現(xiàn)工件的切削。

2. 數(shù)控銑床加工的特點(diǎn)

● 用數(shù)控銑床加工零件，精度很穩(wěn)定。如果忽略刀具的磨損，用同一程序加工出的零件具有相同的精度。

● 數(shù)控銑床尤其適合加工形狀比較復(fù)雜的零件，如各種模具等。

● 數(shù)控銑床自動化程度很高，生產(chǎn)率高，適合加工批量較大的零件。

1.2.2 五軸數(shù)控加工原理

要學(xué)習(xí)五軸數(shù)控加工技術(shù)，首先需要了解五軸數(shù)控加工的原理和特點(diǎn)，所以本節(jié)介紹五軸數(shù)控加工的原理和應(yīng)用范圍、特點(diǎn)等。

五軸數(shù)控加工就是指在一臺機(jī)床上至少有5個坐標(biāo)軸（3個直線坐標(biāo)和2個旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)），而且可在計算機(jī)數(shù)控系統(tǒng)控制下同時協(xié)調(diào)運(yùn)動進(jìn)行加工。如圖1-3所示為典型的五軸聯(lián)動數(shù)控機(jī)床。

1. 五軸數(shù)控加工特點(diǎn)

五軸數(shù)控加工中一臺機(jī)床至少有5個坐標(biāo)軸，可在計算機(jī)控制下聯(lián)合工作，它具有以下特點(diǎn)：

● 可以加工一般三軸數(shù)控機(jī)床不能加工或很難一次裝夾完成加工的連續(xù)、平滑的自由曲面，如航空發(fā)動機(jī)和汽輪機(jī)的葉片、螺旋推進(jìn)器等，如圖1-4所示。如采用三軸數(shù)控機(jī)床加工，由于其刀具相對于工件的姿態(tài)在加工過程中不能改變，加工某些復(fù)雜曲面時，就可能產(chǎn)生干涉和欠加工。而用五軸加工由于刀具的軸線可隨時調(diào)整，避免刀具與工件的干涉，并能一次裝夾完成全部加工。

● 可以提高空間自由曲面的加工精度、質(zhì)量和效率。例如，三軸加工復(fù)雜曲面時，多采用球頭銑刀，球頭銑刀以點(diǎn)接觸，切削效率低，刀具/工件姿態(tài)在加工過程中不能調(diào)整，一般很難保證用球頭上的最佳切削點(diǎn)（即球頭上線速度最高點(diǎn)）進(jìn)行切削。如果采用五軸機(jī)床加工，由于刀具/工件姿態(tài)在加工過程中能隨時調(diào)整，可獲得更高的切削速度、切削效率和切削質(zhì)量。

● 符合工件一次裝夾便可完成全部或大部分加工的機(jī)床特點(diǎn)。當(dāng)前，為了進(jìn)一步提高產(chǎn)品性能和質(zhì)量，現(xiàn)代產(chǎn)品，不僅航空、航天產(chǎn)品和運(yùn)載工具，而且包括精密儀器、儀表、運(yùn)動器械等產(chǎn)品的零件，都越來越多地采用整體材料銑成，而且其上面還有許多各式各樣的復(fù)雜曲面和斜孔，如果采用三軸加工，必須經(jīng)過多次定位安裝才能完成，而采用五軸加工可一次裝夾完成大部分工作。

2. 五軸數(shù)控加工機(jī)床

和三軸聯(lián)動數(shù)控機(jī)床相比，五軸聯(lián)動數(shù)控機(jī)床多了兩個轉(zhuǎn)動軸。但是在結(jié)構(gòu)布置方面，往往不僅僅是在三軸聯(lián)動數(shù)控機(jī)床上添加兩個轉(zhuǎn)動軸就可以的。按照主軸的位置關(guān)系五軸數(shù)控加工機(jī)床可分為以下兩大類。

1）立式五軸加工中心

如圖1-5所示是工作臺回轉(zhuǎn)的立式五軸加工中心，設(shè)置在床身上的工作臺可以環(huán)繞X軸回轉(zhuǎn)，定義為A軸，A軸一般工作范圍為+30°～-120°。工作臺的中間還設(shè)有一個回轉(zhuǎn)臺，在圖示的位置上環(huán)繞Z軸回轉(zhuǎn)，定義為C軸，C軸都是360°回轉(zhuǎn)。這樣通過A軸與C軸的組合，固定在工作臺上的工件除了底面之外，其余的5個面都可以由立式主軸進(jìn)行加工。A軸和C軸最小分度值一般為0.001°，這樣又可以把工件細(xì)分成任意角度，加工出傾斜面、傾斜孔等。A軸和C軸如與X、Y、Z三直線軸實(shí)現(xiàn)聯(lián)動，就可加工出復(fù)雜的空間曲面，當(dāng)然這需要高檔的數(shù)控系統(tǒng)、伺服系統(tǒng)，以及軟件的支持。這種設(shè)置方式的優(yōu)點(diǎn)是主軸的結(jié)構(gòu)比較簡單，主軸剛性非常好，制造成本比較低。但一般工作臺不能設(shè)計太大，承重也較小，特別是當(dāng)A軸回轉(zhuǎn)大于等于90°時，工件切削時會對工作臺帶來很大的承載力矩。

另一種是依靠立式主軸頭的回轉(zhuǎn)，如圖1-6所示。主軸前端是一個回轉(zhuǎn)頭，能自行環(huán)繞Z軸360°，稱為C軸，回轉(zhuǎn)頭上還帶可環(huán)繞X軸旋轉(zhuǎn)的A軸，一般可達(dá)±90°以上，實(shí)現(xiàn)上述同樣的功能。這種設(shè)置方式的優(yōu)點(diǎn)是主軸加工非常靈活，工作臺也可以設(shè)計得非常大，客機(jī)龐大的機(jī)身、巨大的發(fā)動機(jī)殼都可以在這類加工中心上加工。

2）臥式五軸加工中心

如圖1-7所示為傳統(tǒng)的工作臺回轉(zhuǎn)軸式五軸加工中心，設(shè)置在床身上的工作臺A軸一般工作范圍為+20°～-100°。工作臺的中間也設(shè)有一個回轉(zhuǎn)臺B軸，B軸可雙向360°回轉(zhuǎn)。這種臥式五軸加工中心的聯(lián)動特性比較好，常用于加工大型葉輪的復(fù)雜曲面。回轉(zhuǎn)軸也可配置圓光柵尺反饋，分度精度達(dá)到幾秒，當(dāng)然這種回轉(zhuǎn)軸結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，價格也昂貴。

從旋轉(zhuǎn)軸和直線運(yùn)動軸之間的關(guān)系來看，五軸聯(lián)動數(shù)控機(jī)床的結(jié)構(gòu)形式主要有雙旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)臺機(jī)床、雙轉(zhuǎn)主軸頭機(jī)床和一個旋轉(zhuǎn)工作臺一個旋轉(zhuǎn)主軸頭機(jī)床這樣三大類，如圖1-8～圖1-10所示。

1.2.3 控制軸和加工坐標(biāo)系

進(jìn)行數(shù)控加工首先要了解控制軸和加工坐標(biāo)系的相關(guān)知識，下面進(jìn)行簡單介紹。

由數(shù)控系統(tǒng)控制的機(jī)床運(yùn)動軸稱為控制軸，如圖1-11所示。數(shù)控機(jī)床通過各個移動件的運(yùn)動產(chǎn)生刀具與工件之間的相對運(yùn)動來實(shí)現(xiàn)切削加工。為表示各移動件的移動方位和方向（機(jī)床坐標(biāo)軸），在ISO標(biāo)準(zhǔn)中統(tǒng)一規(guī)定采用右手直角坐標(biāo)系對機(jī)床的坐標(biāo)系進(jìn)行命名，直線軸用X、Y、Z表示，用A、B、C分別表示繞X、Y、Z的旋轉(zhuǎn)軸。

確定機(jī)床坐標(biāo)軸時，一般是先確定Z軸，再確定X軸和Y軸。

1. 定Z軸

對于有主軸的機(jī)床，如車床、銑床等以機(jī)床主軸軸線方向作為Z軸方向。對于沒有主軸的機(jī)床，如刨床，則以與裝卡工件的工作臺相垂直的直線作為Z軸方向。如果機(jī)床有幾個主軸，則選擇其中一個與機(jī)床工作臺面相垂直的主軸作為主要主軸，并以它來確定Z軸方向。

2. 定X軸

X軸一般位于與工件安裝面相平行的水平面內(nèi)。對于機(jī)床主軸帶動工件旋轉(zhuǎn)的機(jī)床，如車床、磨床等，則在水平面內(nèi)選定垂直于工件旋轉(zhuǎn)軸線的方向?yàn)閄軸，且刀具遠(yuǎn)離主軸軸線方向?yàn)閄軸的正方向。對于機(jī)床主軸帶動刀具旋轉(zhuǎn)的機(jī)床，當(dāng)主軸是水平的，如臥式銑床、臥式鏜床等，則規(guī)定人面對主軸，選定主軸左側(cè)方向?yàn)閄軸正方向；當(dāng)主軸是豎直時，如立式銑床、立式鉆床等，則規(guī)定人面對主軸，選定主軸右側(cè)方向?yàn)閄軸正方向。對于無主軸的機(jī)床，如刨床，則選定切削方向?yàn)閄軸正方向。

3. 定Y軸

Y軸方向可以根據(jù)已選定的Z軸、X軸方向，按右手直角坐標(biāo)系來確定。

1.2.4 數(shù)控銑削加工工藝制定

1. 零件數(shù)控加工工藝分析

加工工藝分析就是指對零件的加工順序進(jìn)行規(guī)劃，其具體安排應(yīng)該根據(jù)零件的結(jié)構(gòu)、材料特性、夾緊定位、機(jī)床功能、加工部位的數(shù)量，以及安裝次數(shù)等進(jìn)行靈活劃分，一般可根據(jù)“粗精加工”進(jìn)行劃分。

● 粗加工階段：粗加工階段是為了去除毛坯上大部分的余量，使毛坯在形狀和尺寸上基本接近零件的成品狀態(tài)，這個階段最主要的問題是如何獲得較高的生產(chǎn)率。

● 半精加工階段：半精加工階段是使零件的主要表面達(dá)到工藝規(guī)定的加工精度，并保留一定的精加工余量，為精加工做好準(zhǔn)備。半精加工階段一般安排在熱處理之前進(jìn)行，在這個階段，可以將不影響零件使用性能和設(shè)計精度的零件次要表面加工完畢。

● 精加工階段：精加工階段的目的是保證加工零件達(dá)到設(shè)計圖樣所規(guī)定的尺寸精度、技術(shù)要求和表面質(zhì)量要求。零件精加工的余量都很小，主要考慮的問題是如何達(dá)到最高的加工精度和表面質(zhì)量。

2. 設(shè)置加工工藝參數(shù)

加工工藝參數(shù)的選擇是數(shù)控加工關(guān)鍵因素之一，它直接影響到加工效率、刀具壽命或零件精度等問題。合理的選擇切削用量要有豐富的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)才行，在數(shù)控編程時，只能憑借編程者的經(jīng)驗(yàn)和刀具切削用量的推薦值初步確定，而最終的切削用量將根據(jù)刀具數(shù)控程序的調(diào)試結(jié)果和實(shí)際加工情況來確定。

合理確定加工工藝參數(shù)的原則是粗加工時，為了提高效率，在保證刀具、夾具和機(jī)床剛性足夠的條件下，切削用量選擇的順序是：首先把切削深度選大一些，其次選擇較大的進(jìn)給量，然后選擇適當(dāng)?shù)那邢魉俣取＞庸r，加工余量小，為了保證工件的表面粗糙度，盡可能增加切削速度，這時可適當(dāng)減少進(jìn)給量。

● 粗加工：粗加工是大體積切除工件材料，表面質(zhì)量要求很低。工件表面粗糙度Ra要達(dá)到12.5～25μm，可以取軸向切削深度為3～6mm，徑向切深為2.5～5mm，為后續(xù)半精加工留1～2mm的加工余量。如果粗加工后直接精加工，則留0.5～1mm的加工余量。

● 半精加工：半精加工是把粗加工后的表面加工得光滑一點(diǎn)，同時切除凹角的殘余材料，給精加工留厚度均勻的加工余量。半精加工后工件表面的粗糙度Ra要達(dá)到3.2～12.5μm，軸向切削深度和徑向切削深度可取1.5～2mm，給后續(xù)精加工留0.3～0.5mm的加工余量。

● 精加工：精加工是最后達(dá)到尺寸精度和表面粗糙度要求的加工。工件的表面粗糙度Ra要達(dá)0.8～3.2μm，軸向切削深度可取0.5～1mm，徑向切削深度可取0.3～0.5mm。

1.2.5 銑削加工刀具與材料

1. 刀具材料

刀具材料對刀具使用壽命、加工效率、加工質(zhì)量和加工成本都有很大影響，因此必須合理選擇。常用的刀具材料包括以下幾種。

1）高速鋼

高速鋼全稱高速合金工具鋼，也稱為白鋼，19世紀(jì)研制而成。高速鋼是含有較多鎢、鉬、鉻、釩等元素的高合金工具鋼。具有較高的硬度（熱處理硬度達(dá)HRC62～67）和耐熱性（切削溫度可達(dá)550～600℃），切削速度比碳素工具鋼和合金工具鋼高1～3倍（因此而得名），刀具耐用度高10～40倍，甚至更多，可以加工從有色金屬到高溫合金范圍的材料。

2）硬質(zhì)合金

硬質(zhì)合金是用高耐熱性和高耐磨性的金屬碳化物（碳化鎢、碳化鐵、碳化鉭、碳化鈮等）與金屬粘結(jié)劑（鈷、鎳等）在高溫下燒結(jié)而成的粉末冶金制品。常用的硬質(zhì)合金有鎢鈷類（YG類）、鎢鈦鈷類（YT類）和通用型硬質(zhì)合金（YW類）3類。

● 鎢鈷類硬質(zhì)合金（YG類）：主要由碳化鎢和鈷組成，抗彎強(qiáng)度和沖擊韌性較好，不易崩刃，很適宜切削切屑呈崩碎狀的鑄鐵等脆性材料；YG類硬質(zhì)合金的刃磨性較好，刃口可以磨得較鋒利，故切削有色金屬及合金的效果也較好。

● 鎢鈦鈷硬質(zhì)合金（YT類）：主要由碳化鎢、碳化鈦和鈷組成。由于YT類硬質(zhì)合金的抗彎強(qiáng)度和沖擊韌性較差，故主要用于切削切屑一般呈帶狀的普通碳鋼及合金鋼等塑性材料。

● 鎢鈦鉭（鈮）鈷類硬質(zhì)合金（YW類）：在普通硬質(zhì)合金中加入了碳化鉭或碳化鈮，從而提高了硬質(zhì)合金的韌性和耐熱性，使其具有較好的綜合切削性能，主要用于不銹鋼、耐熱鋼、高錳鋼的加工，也適用于普通碳鋼和鑄鐵的加工，因此被稱為通用型硬質(zhì)合金。

3）涂層刀具

涂層刀具是在韌性較好的硬質(zhì)合金或高速鋼刀具基體上，涂覆一薄層耐磨性高的難熔金屬化合物而獲得的。常用的涂層材料有碳化鈦、氮化鈦、氧化鋁等。碳化鈦的硬度比氮化鈦高，抗磨損性能好，對于會產(chǎn)生劇烈磨損的刀具，碳化鈦涂層較好。氮化鈦與金屬的親和力小，潤濕性能好，在容易產(chǎn)生粘結(jié)的條件下，氮化鈦涂層較好。在高速切削產(chǎn)生大量熱量的場合，以采用氧化鋁涂層為好，因?yàn)檠趸X在高溫下有良好的熱穩(wěn)定性能。

涂層硬質(zhì)合金刀片的耐用度至少可提高1～3倍，涂層高速鋼刀具的耐用度則可提高2～10倍。加工材料的硬度越高，則涂層刀具的效果越好。

4）陶瓷材料

陶瓷材料是以氧化鋁為主要成分，經(jīng)壓制成形后燒結(jié)而成的一種刀具材料。它的硬度可達(dá)到HRA91～95，在1200℃的切削溫度下仍可保持HRA80的硬度。另外，它的化學(xué)惰性大，摩擦系數(shù)小，耐磨性好，加工鋼件時的壽命為硬質(zhì)合金的10～12倍。其最大缺點(diǎn)是脆性大，抗彎強(qiáng)度和沖擊韌性低。因此，它主要用于半精加工和精加工高硬度、高強(qiáng)度鋼和冷硬鑄鐵等材料。常用的陶瓷刀具材料有氧化鋁陶瓷、復(fù)合氧化鋁陶瓷及復(fù)合氧化硅陶瓷等。

5）人造金剛石

人造金剛石是通過合金催化劑的作用，在高溫高壓下由石墨轉(zhuǎn)化而成的。人造金剛石具有極高的硬度（顯微硬度可達(dá)HV10000）和耐磨性，其摩擦系數(shù)小，切削刃可以做的非常鋒利。因此，用人造金剛石做刀具可以獲得很高的加工表面質(zhì)量，多用于在高速下精細(xì)車削或鏜削有色金屬及非金屬材料。尤其是用它切削加工硬質(zhì)合金、陶瓷、高硅鋁合金及耐磨塑料等高硬度、高耐磨性的材料時，具有很大的優(yōu)越性。

6）立方氮化硼（CBN）

立方氮化硼是由六方氮化硼在高溫高壓下加入催化劑轉(zhuǎn)變而成的超硬刀具材料。它是20世紀(jì)70年代才發(fā)展起來的一種新型刀具材料，立方氮化硼的硬度很高（可達(dá)到HV8000～9000），并具有很高的熱穩(wěn)定性（在1370℃以上時才由立方晶體轉(zhuǎn)變?yōu)榱婢w而開始軟化），它最大的優(yōu)點(diǎn)是在高溫（1200～1300℃）時也不易與鈦?zhàn)褰饘倨鸱磻?yīng)。因此，它能勝任淬火鋼、冷硬鑄鐵的粗車和精車，同時還能高速切削高溫合金、熱噴涂材料、硬質(zhì)合金及其他難加工材料。

2. 銑刀種類

數(shù)控加工中要選擇合適的銑刀類型，刀具類型的選擇直接影響到加工范圍和加工質(zhì)量，如圖1-12所示。

1）端銑刀

端銑刀是數(shù)控銑加工中最常用的一種銑刀，廣泛用于加工平面類零件，如圖1-13所示為兩種最常見的端銑刀。端銑刀除用其端刃銑削外，也常用其側(cè)刃銑削，有時端刃、側(cè)刃同時進(jìn)行銑削，端銑刀也可稱為圓柱銑刀。

2）成形銑刀

成形銑刀一般都是為特定的工件或加工內(nèi)容專門設(shè)計制造的，適用于加工平面類零件的特定形狀（如角度面、凹槽面等），也適用于特形孔或臺。如圖1-14所示為幾種常用的成形銑刀。

3）球頭銑刀

適用于加工空間曲面零件，有時也用于平面類零件較大的轉(zhuǎn)接凹圓弧的補(bǔ)加工。如圖1-15所示是一種常見的球頭銑刀。

1.2.6 切削用量的確定

數(shù)控切削用量主要包括“進(jìn)給速度”、“切削深度”和“切削速度”等。合理選擇切削用量的原則是：粗加工時，一般以提高生產(chǎn)率為主，但也應(yīng)考慮經(jīng)濟(jì)性和加工成本；半精加工和精加工時，應(yīng)在保證加工質(zhì)量的前提下，兼顧切削效率、經(jīng)濟(jì)性和加工成本。具體數(shù)值應(yīng)根據(jù)機(jī)床說明書切削用量手冊，并結(jié)合經(jīng)驗(yàn)而定。

1. 進(jìn)給速度

進(jìn)給速度表示單位時間內(nèi)刀具沿進(jìn)給方向移動的距離，以vf表示。

vf應(yīng)根據(jù)零件的加工精度和表面粗糙度要求，以及刀具和工件材料來選擇。vf的增加也可以提高生產(chǎn)效率。加工表面粗糙度要求低時，vf可選擇得大些。在加工過程中，vf也可通過機(jī)床控制面板上的修調(diào)開關(guān)進(jìn)行人工調(diào)整，但是最大進(jìn)給速度要受到設(shè)備剛度和進(jìn)給系統(tǒng)性能等的限制。

通常根據(jù)主軸轉(zhuǎn)速、刀具材料、切削毛坯材料等因素，選擇較大的進(jìn)給率以提高加工效率，一般設(shè)定為300～600mm/min。

2. 切削深度

切削時銑刀的端面和一個方向的側(cè)面切入工件，端面切入工件的深度稱為軸向切削深度，側(cè)面切入工件的深度稱為側(cè)向切削深度。

在機(jī)床、工件和刀具剛度允許的情況下，背吃刀量就等于加工余量，這是提高生產(chǎn)率的一個有效措施。但是為了保證零件的加工精度和表面粗糙度，一般應(yīng)留一定的余量進(jìn)行精加工。在數(shù)控加工中，為保證零件必要的加工精度和表面粗糙度，建議留少量的余量（0.2～0.5mm），在最后的精加工中沿輪廓走一刀。粗加工時，除了留有必要的半精加工和精加工余量外，在工藝系統(tǒng)剛性允許的條件下，應(yīng)以最少的次數(shù)完成粗加工。留給精加工的余量應(yīng)大于零件的變形量和確保零件表面完整性。

3. 切削速度

切削速度表示銑刀的圓周切線速度稱為切削速度，通常用主軸轉(zhuǎn)速n表示。

提高切削速度也是提高生產(chǎn)率的一個措施，但切削速度與刀具耐用度的關(guān)系比較密切。隨著切削速度的增大，刀具耐用度急劇下降，故切削速度的選擇主要取決于刀具耐用度。

通常經(jīng)驗(yàn)值高速鋼φ3～φ16mm刀具，一般設(shè)置主軸轉(zhuǎn)速為500～1800r/m，硬質(zhì)合金刀具為1500～3000r/m（高速加工除外）。

1.3 車削數(shù)控加工基本知識

數(shù)控車削是數(shù)控加工中用得最多的加工方法之一，由于數(shù)控車床具有加工精度高、能作直線和圓弧插補(bǔ)，以及在加工過程中能自動變速的特點(diǎn)，因此凡是能在數(shù)控車床上裝夾的回轉(zhuǎn)體零件都能在數(shù)控車床上加工。

1.3.1 車削數(shù)控加工原理

數(shù)控車床主要由5部分組成，如圖1-16所示。

● 機(jī)床主機(jī)：即數(shù)控車床的機(jī)械部分，主要包括床身、主軸箱、刀架、尾座、進(jìn)給傳動機(jī)構(gòu)等。

● 數(shù)控系統(tǒng)：即控制系統(tǒng)，是數(shù)控車床的控制核心，其中包括CPU、存儲器、CRT等部分。

● 驅(qū)動系統(tǒng)：即伺服系統(tǒng)，是數(shù)控車床切削工作的動力部分，主要實(shí)現(xiàn)主運(yùn)動和進(jìn)給運(yùn)動。

● 輔助裝置：為加工服務(wù)的配套部分，如液壓、氣動裝置，冷卻、照明、潤滑、防護(hù)和排屑裝置。

● 機(jī)外編程器：在普通的計算機(jī)上安裝的一套編程軟件，使用這套編程軟件，以及相應(yīng)的后置處理軟件，就可以生成加工程序。通過車床控制系統(tǒng)上的通信接口或其他存儲介質(zhì)，把生成的加工軟件輸入到車床的控制系統(tǒng)中，完成零件的加工。

普通車床與數(shù)控車床相比，其結(jié)構(gòu)基本相同。但是，在普通車床中，主運(yùn)動和進(jìn)給運(yùn)動的動力都來源于同一臺電動機(jī)，它的運(yùn)動是由電動機(jī)經(jīng)過主軸箱變速，傳動至主軸，實(shí)現(xiàn)主軸的轉(zhuǎn)動，同時經(jīng)過交換齒輪架、進(jìn)給箱、光杠或絲杠、溜板箱傳動到刀架，實(shí)現(xiàn)刀架的縱向進(jìn)給移動和橫向進(jìn)給移動。主軸轉(zhuǎn)動與刀架移動的同步關(guān)系依靠齒輪傳動鏈來保證。而數(shù)控車床則與之完全不同，其主運(yùn)動和進(jìn)給運(yùn)動是由不同的電動機(jī)來驅(qū)動的，即主運(yùn)動由主軸電動機(jī)驅(qū)動，主軸采用變頻無級調(diào)速的方式進(jìn)行變速，驅(qū)動系統(tǒng)采用伺服電動機(jī)驅(qū)動，經(jīng)過滾珠絲杠傳送到機(jī)床滑板和刀架，以連續(xù)控制的方式，實(shí)現(xiàn)刀具的縱向進(jìn)給運(yùn)動（Z向）和橫向進(jìn)給運(yùn)動（X向）。數(shù)控車床主運(yùn)動和進(jìn)給運(yùn)動的同步信號來源于安裝在主軸上的脈沖編碼器，當(dāng)主軸旋轉(zhuǎn)時，脈沖編碼器便向數(shù)控系統(tǒng)發(fā)出檢測脈沖信號，數(shù)控系統(tǒng)對脈沖編碼器的檢測信號進(jìn)行處理后傳給伺服系統(tǒng)中的伺服控制器，伺服控制器再去驅(qū)動伺服電動機(jī)移動，從而使主運(yùn)動與刀架的切削進(jìn)給保持同步。

1.3.2 數(shù)控車削加工的用途和加工對象

數(shù)控車削能夠加工軸類或盤類的回轉(zhuǎn)體零件，如圖1-17所示。由于數(shù)控車床能自動完成內(nèi)外圓柱面、圓錐面、圓弧面、端面、螺紋等工序的切削加工，并能進(jìn)行切槽、鉆孔、鉸孔等加工。所以，除此之外，數(shù)控車床還特別適合加工形狀復(fù)雜、精度要求高的軸類或盤類零件。

數(shù)控車削是數(shù)控加工中用得最多的加工方法之一，由于數(shù)控車床具有加工精度高、能做直線或圓弧，以及在加工過程中能自動變速等特點(diǎn)，因此其工藝范圍較普通車床寬得多。針對數(shù)控車床的特點(diǎn)，下列幾種零件最適合數(shù)控車削加工。

1. 輪廓形狀復(fù)雜的回轉(zhuǎn)體零件

由于數(shù)控車床具有直線和圓弧插補(bǔ)功能，部分車床數(shù)控裝置還有某些非圓曲線插補(bǔ)功能，所以能車削由任意直線和平面曲線組成的形狀復(fù)雜的回轉(zhuǎn)體零件和難于控制尺寸的零件，如具有封閉內(nèi)成形面的殼體零件。

組成零件輪廓的曲線可以是數(shù)控方程式描述的曲線，也可以是列表曲線。對于由直線或圓弧組成的輪廓，直接利用機(jī)床的直線或圓弧插補(bǔ)功能。對于由非圓曲線組成的輪廓，可以用非圓曲線插補(bǔ)功能；若所選機(jī)床沒有非圓曲線插補(bǔ)功能，則應(yīng)先用直線或圓弧逼近，然后再用直線或圓弧插補(bǔ)功能進(jìn)行插補(bǔ)切削。

2. 精度要求高的回轉(zhuǎn)體零件

由于數(shù)控車床的剛性好，制造和對刀精度高，以及能方便和精確地進(jìn)行人工補(bǔ)償，甚至自動補(bǔ)償，所以能夠加工尺寸精度要求高的零件。一般來說，車削IT7級尺寸精度的零件應(yīng)該沒有什么困難。在有些場合可以以車代磨。此外，由于數(shù)控車削時刀具運(yùn)動是通過高精度插補(bǔ)運(yùn)算和伺服驅(qū)動來實(shí)現(xiàn)的，再加上機(jī)床的剛性好和制造精度高，所以它能加工對直線度、圓度、圓柱度要求高的零件。對圓弧及其他曲線輪廓的形狀，加工出的形狀和圖樣上的目標(biāo)幾何形狀的接近程度，比仿形車床要好得多。數(shù)控車削對提高位置精度特別有效，不少位置精度要求高的零件用傳統(tǒng)的車床車削達(dá)不到要求，只能用磨削或其他方法彌補(bǔ)。車削零件位置精度的高低主要取決于零件的裝夾次數(shù)和機(jī)床的制造精度，在數(shù)控車床上加工，如果發(fā)現(xiàn)要求位置精度較高，可以用修改程序內(nèi)數(shù)據(jù)的方法來校正，這樣可以提高其位置精度，而傳統(tǒng)車床上加工是無法做這種校正的。

3. 表面粗糙度要求高的回轉(zhuǎn)體零件

數(shù)控車床具有恒線速度切削功能，能加工出表面粗糙度值小而均勻的零件。因?yàn)樵诓馁|(zhì)、精車余量和刀具已定的情況下，表面粗糙度取決于進(jìn)給量和切削速度。切削速度變化，致使車削后的表面粗糙度不一致。使用數(shù)控車床的恒線速度切削功能，就可選用最佳線速度來切削錐面、球面和端面等，使車削后的表面粗糙度值小而均勻。

4. 帶橫向加工的回轉(zhuǎn)體零件

帶有鍵槽或徑向孔或端面有分布的孔系，以及有曲面的盤套或軸類零件，如帶有法蘭的軸套、帶有鍵槽或方頭的軸類零件等，這類零件適合選擇車削加工中心加工。當(dāng)然端面有分布的孔系、曲面的盤類零件也可以選擇立式加工中心加工。這類零件如果采用普通機(jī)床加工，工序分散，工序數(shù)目多。采用加工中心后，由于有自動換刀系統(tǒng)，使得一次裝夾可完成普通車床的多個工序的加工，減少了裝夾次數(shù)，實(shí)現(xiàn)了工序集中的原則，保證了加工質(zhì)量的穩(wěn)定性，提高了生產(chǎn)率，降低了生產(chǎn)成本。

5. 帶特殊螺紋的回轉(zhuǎn)體零件

普通車床所能車削的螺紋相當(dāng)有限，它只能車等導(dǎo)程的直、錐面米制或英制螺紋，而且一臺車床只能限定加工若干導(dǎo)程的螺紋。數(shù)控車床不但能車削任何等導(dǎo)程的直、錐和端面螺紋，而且能車增導(dǎo)程、減導(dǎo)程及要求等導(dǎo)程與變導(dǎo)程之間平滑過渡的螺紋，還具有高精密螺紋切削功能，再加上一般采用硬質(zhì)合金成形刀具，以及可以使用較高的轉(zhuǎn)速，所以車削出來的螺紋精度高，表面粗糙度小。

1.3.3 數(shù)控車削加工工藝制定

數(shù)控車床是按事先編制好的加工程序?qū)α慵M(jìn)行自動加工的，對于手工編制的加工程序，其水平的高低將直接影響零件的加工質(zhì)量、生產(chǎn)率和刀具壽命。數(shù)控車床是一種高效率的自動化設(shè)備，它的效率是普通機(jī)床的2～3倍，所以要充分發(fā)揮數(shù)控機(jī)床的這一特點(diǎn)，必須熟練掌握其性能、特點(diǎn)、使用操作方法，同時還必須在編程之前正確地確定加工方案。

1. 加工方案的確定

在數(shù)控車床上，能夠完成內(nèi)外回轉(zhuǎn)體表面的車削、鉆孔、鏜孔、鉸孔和攻螺紋等加工操作，具體選擇時要根據(jù)零件的加工精度、表面粗糙度、材料、結(jié)構(gòu)形狀、尺寸及生產(chǎn)類型等因素，選擇相應(yīng)的加工方法和加工方案。

1）數(shù)控車削外回轉(zhuǎn)表面及端面的加工方案確定

● 加工精度為IT7～I(xiàn)T8級，表面粗糙度Ra0.8～1.6μm的除淬火鋼以外的常用金屬，可采用普通型數(shù)控車床，按粗車、半精車、精車的方案進(jìn)行。

● 加工精度為IT5～I(xiàn)T6級，表面粗糙度Ra0.2～0.63μm的除淬火鋼以外的常用金屬，可采用精密型數(shù)控車床，按粗車、半精車、精車、精細(xì)車的方案進(jìn)行。

● 加工精度高于IT5級，表面粗糙度Ra小于0.08μm的除淬火鋼以外的常用金屬，可采用高檔精密型數(shù)控車床，按粗車、半精車、精車、精密車的方案進(jìn)行。

● 對于淬火鋼等難車削材料，其淬火前可采用粗車、半精車的方法，淬火后安排磨削加工。

2）數(shù)控車削內(nèi)回轉(zhuǎn)表面的加工方案確定

● 加工精度為IT8～I(xiàn)T9級，表面粗糙度Ra1.6～3.2μm的除淬火鋼以外的常用金屬，可采用普通型數(shù)控車床，按粗車、半精車、精車的方案進(jìn)行。

● 加工精度為IT6～I(xiàn)T7級，表面粗糙度Ra0.2～0.63μm的除淬火鋼以外的常用金屬，可采用精密型數(shù)控車床，按粗車、半精車、精車、精細(xì)車的方案進(jìn)行。

● 加工精度高于IT5級，表面粗糙度Ra小于0.08μm的除淬火鋼以外的常用金屬，可采用高檔精密型數(shù)控車床，按粗車、半精車、精車、精密車的方案進(jìn)行。

● 對于淬火鋼等難車削材料，其淬火前可采用粗車、半精車的方法，淬火后安排磨削加工。

2. 加工工序劃分

對于需要多臺不同的數(shù)控機(jī)床、多道工序才能完成加工的零件，工序劃分自然以機(jī)床為單位來進(jìn)行。而對于需要很少的數(shù)控機(jī)床就能加工完零件全部內(nèi)容的情況，數(shù)控加工工序的劃分一般可按下列方法進(jìn)行。

1）以一次安裝所進(jìn)行的加工作為一道工序

將位置精度要求較高的表面安排在一次安裝下完成，以免多次安裝所產(chǎn)生的安裝誤差影響位置精度。

2）以一個完整數(shù)控程序連續(xù)加工的內(nèi)容為一道工序

有些零件雖然能在一次安裝中加工出很多待加工面，但考慮到程序太長，會受到某些限制。

3）以工件上的結(jié)構(gòu)內(nèi)容組合用一把刀具加工為一道工序

有些零件結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，既有回轉(zhuǎn)表面也有非回轉(zhuǎn)表面，既有外圓、平面也有內(nèi)腔、曲面。對于加工內(nèi)容較多的零件，按零件結(jié)構(gòu)特點(diǎn)將加工內(nèi)容組合分成若干部分，每一部分用一把典型刀具加工。這時可以將組合在一起的所有部位作為一道工序。

4）以粗、精加工劃分工序

對于容易發(fā)生加工變形的零件，通常粗加工后需要進(jìn)行矯形，這時粗加工和精加工作為兩道工序，可以采用不同的刀具或不同的數(shù)控車床加工。對毛坯余量較大和加工精度要求較高的零件，應(yīng)將粗車和精車分開，劃分成兩道或更多的工序。

3. 加工順序的確定

在數(shù)控車床上加工零件，應(yīng)按照工序集中的原則劃分工序，在一次安裝下盡可能完成大部分或全部表面的加工。根據(jù)零件的結(jié)構(gòu)形狀不同，通常選擇外圓、端面或內(nèi)孔、端面裝夾，并力求設(shè)計基準(zhǔn)、工藝基準(zhǔn)和編程原點(diǎn)的統(tǒng)一。在對零件圖進(jìn)行認(rèn)真和仔細(xì)的分析后，制定加工方案的一般原則為先粗后精、先近后遠(yuǎn)、先內(nèi)后外、程序段最少、走刀路線最短。

1）先粗后精

為了提高生產(chǎn)效率并保證零件的精加工質(zhì)量，在切削加工時，應(yīng)先安排粗加工工序，在較短的時間內(nèi)，將精加工前的大部分加工余量去除掉，同時盡量滿足精加工余量均勻性要求。當(dāng)粗加工工序安排完后，接著安排換刀后進(jìn)行的半精加工和精加工，其中安排半精加工的目的是：當(dāng)粗加工后所留余量的均勻性滿足不了精加工要求時，則可安排半精加工作為過渡性工序，以便使精加工余量小而均勻。

在安排可以一刀或多刀進(jìn)行的精加工工序時，其零件的最終加工輪廓應(yīng)由最后一刀連續(xù)加工而成。這時，刀具的進(jìn)、退刀位置要考慮妥當(dāng)，盡量不要在連續(xù)的輪廓中安排切入和切出或換刀及停頓，以免因切削力突然變化而造成彈性變形，致使光滑連接輪廓上產(chǎn)生表面劃傷、形狀突變或滯留刀痕等。

2）先近后遠(yuǎn)

先近后遠(yuǎn)是指加工部位相對于對刀點(diǎn)的距離大小而言的，一般情況下，特別是在粗加工時，通常安排離對刀點(diǎn)近的部位先加工，離對刀點(diǎn)遠(yuǎn)的部位后加工，以便縮短刀具移動距離，減少空行程時間。

3）內(nèi)外交叉

在加工既有內(nèi)表面又有外表面需加工的零件時，應(yīng)先安排進(jìn)行內(nèi)外表面粗加工，后進(jìn)行內(nèi)外表面精加工，易于控制其內(nèi)外表面的尺寸和表面形狀的精度。切不可將零件上一部分表面（外表面或內(nèi)表面）加工完畢后，再加工其他表面。

4）程序段最少

按照每個單獨(dú)的幾何要素（直線、斜線和圓弧等）分別編制出相應(yīng)的加工程序，其構(gòu)成加工程序的各條程序即程序段。在加工程序的編制工作中，總是希望以最少的程序段數(shù)實(shí)現(xiàn)零件的加工，以使程序簡潔，減少出錯的幾率及提高編程工作的效率。

由于機(jī)床數(shù)控裝置普遍具有直線和圓弧插補(bǔ)運(yùn)算的功能，除了非圓曲線外，程序段數(shù)可以由構(gòu)成零件的幾何要素及由工藝路線確定的各條程序段得到。對于非圓曲線軌跡的加工，所需主程序段數(shù)要在保證其加工精度的條件下，進(jìn)行計算后才能得知。這時，一條非圓曲線應(yīng)按逼近原理劃分成若干個主程序段（大多為直線或圓弧），當(dāng)能滿足其精度要求時，所劃分的若干個主程序段的段數(shù)仍應(yīng)為最少。這樣，不但可以大大減少計算的工作量，而且能減少輸入的時間及計算機(jī)內(nèi)存容量的占有數(shù)。

5）走刀路線最短

確定走刀路線的工作重點(diǎn)，主要在于確定粗加工及空行程的走刀路線，因精加工切削過程的走刀路線基本上都是沿其零件輪廓順序進(jìn)行的。走刀路線泛指刀具從對刀點(diǎn)開始運(yùn)動起，直至返回該點(diǎn)并結(jié)束加工程序所經(jīng)過的路徑，包括切削加工的路徑及刀具引入、切出等非切削空行程。

1.3.4 數(shù)控車削用量的選擇

數(shù)控車削加工中的切削用量包括背吃刀量αp、主軸轉(zhuǎn)速n或切削速度vc（用于恒線速度切削）、進(jìn)給速度vf或進(jìn)給量f。

1. 切削用量的選用原則

粗車時，應(yīng)盡量保證較高的金屬切除率和必要的刀具耐用度。選擇切削用量時應(yīng)首先選取盡可能大的背吃刀量αp，其次根據(jù)機(jī)床動力和剛性的限制條件，選取盡可能大的進(jìn)給量 f，最后根據(jù)刀具耐用度要求，確定合適的切削速度 vc。增大背吃刀量 αp可使走刀次數(shù)減少，增大進(jìn)給量f有利于斷屑。

精車時，對加工精度和表面粗糙度要求較高，加工余量不大且較均勻。選擇精車的切削用量時，應(yīng)著重考慮如何保證加工質(zhì)量，并在此基礎(chǔ)上盡量提高生產(chǎn)率。因此，精車時應(yīng)選用較小（但不能太小）的背吃刀量和進(jìn)給量，并選用性能高的刀具材料和合理的幾何參數(shù)，以盡可能地提高切削速度。

2.切削用量的選取方法

1）背吃刀量的選擇

粗加工時，除留下精加工余量外，一次走刀盡可能切除全部余量，也可分多次走刀。精加工的加工余量一般較小，可一次切除。在中等功率機(jī)床上，粗加工的背吃刀量可達(dá)8～10mm；半精加工的背吃刀量取0.5～5mm；精加工的背吃刀量取0.2～1.5mm。

2）進(jìn)給速度（進(jìn)給量）的確定

粗加工時，由于對工件的表面質(zhì)量沒有太高的要求，這時主要根據(jù)機(jī)床進(jìn)給機(jī)構(gòu)的強(qiáng)度和剛性、刀桿的強(qiáng)度和剛性、刀具材料、刀桿和工件尺寸，以及已選定的背吃刀量等因素來選取進(jìn)給速度。精加工時，則按表面粗糙度要求、刀具及工件材料等因素來選取進(jìn)給速度。

進(jìn)給速度vf可以按下面的公式計算：

vf=f×n

公式中，f表示每轉(zhuǎn)進(jìn)給量，粗車時一般取0.3～0.8mm/r；精車時常取0.1～0.3mm/r；切斷時常取0.05～0.2mm/r。

3）切削速度的確定

切削速度vc可根據(jù)己經(jīng)選定的背吃刀量、進(jìn)給量及刀具耐用度進(jìn)行選取。實(shí)際加工過程中，也可根據(jù)生產(chǎn)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)和查表的方法來選取。粗加工或工件材料的加工性能較差時，宜選用較低的切削速度。精加工或刀具材料、工件材料的切削性能較好時，宜選用較高的切削速度。切削速度vc確定后，可根據(jù)刀具或工件直徑（D）按公式n=l000vc/πD來確定主軸轉(zhuǎn)速n（r/min）。

1.4 數(shù)控線切割加工基本理論

1.4.1 線切割機(jī)床的加工原理

電火花切割加工簡稱“線切割”，它是利用移動著的細(xì)金屬絲（銅絲或鉬絲）作工具電極，并在金屬絲與工件之間通以脈沖電流，利用脈沖放電的電腐蝕作用對工件進(jìn)行切割加工的。其加工原理如圖1-18所示，電極絲4穿過工件5上預(yù)先鉆好的小孔，經(jīng)導(dǎo)輪3由貯絲桶2帶動做往復(fù)交替移動。工件通過絕緣板7安裝在工作臺上，由數(shù)控裝置1按加工程序發(fā)出指令，控制兩臺步進(jìn)電機(jī)11，以驅(qū)動工作臺在水平面上沿X、Y兩個坐標(biāo)方向移動而合成任意平面曲線軌跡。由高頻脈沖發(fā)生器8對電極絲與工件施加脈沖電壓，噴嘴6將工作液以一定的壓力噴向加工區(qū)，當(dāng)脈沖電壓擊穿電極絲和工件之間的間隙時，兩者之間隨即產(chǎn)生電火花放電而切割工件，圖中9、10分別為液壓泵和油箱。

線切割有許多無可比擬的優(yōu)點(diǎn)，如線切割具有加工余量小、加工精度高、生產(chǎn)周期短、制造成本低等突出優(yōu)點(diǎn)，線切割已在生產(chǎn)中獲得廣泛的應(yīng)用。電火花線切割加工能正常運(yùn)行，必須具備下列條件：

● 鉬絲與工件的被加工表面之間必須保持一定間隙，間隙的寬度由工作電壓、加工量等加工條件而定。

● 電火花線切割機(jī)床加工時，必須在有一定絕緣性能的液體介質(zhì)中進(jìn)行，如煤油、皂化油、去離子水等，要求較高絕緣性是為了利于產(chǎn)生脈沖性的火花放電，液體介質(zhì)還有排除間隙內(nèi)電蝕產(chǎn)物和冷卻電極的作用。鉬絲和工件被加工表面之間保持一定間隙，如果間隙過大，極間電壓不能擊穿極間介質(zhì)，則不能產(chǎn)生電火花放電；如果間隙過小，則容易形成短路連接，也不能產(chǎn)生電火花放電。

● 必須采用脈沖電源，即火花放電必須是脈沖性、間歇性，在脈沖間隔內(nèi)，使間隙介質(zhì)消除電離，使下一個脈沖能在兩極間擊穿放電。

1.4.2 線切割加工特點(diǎn)與應(yīng)用范圍

1. 線切割加工特點(diǎn)

線切割加工具有很多優(yōu)點(diǎn)，發(fā)展速度很快，得到了廣泛的應(yīng)用，其優(yōu)點(diǎn)如下。

1）加工精度高

線切割是通過高溫熔化或氣化局部金屬而達(dá)到材料的切除，因此工件和電極之間沒有切削力，工件不存在力學(xué)變形。線切割采用移動的電極絲進(jìn)行加工，因此電極絲在單位長度上的損耗較少，對加工精度的影響也小。線切割加工自動化程度高，可以對影響加工精度的加工參數(shù)（脈沖寬度、脈沖間隙、加工電流）進(jìn)行調(diào)節(jié)和控制，提高切割精度。

2）加工形狀復(fù)雜的零件

線切割可以加工其他方法難以加工或根本無法加工的零件，如凸輪、異形槽、沖模等外形復(fù)雜的精密零件和狹縫，尺寸精度可達(dá)到±0.01mm，表面粗糙度Ra為1.25～2.5μm。

3）材料的利用率高

線切割加工的切縫很窄，只對工件進(jìn)行輪廓切割加工，實(shí)際的金屬的腐蝕量很小，材料的利用率高，適合于貴重金屬的加工。

2. 線切割加工應(yīng)用

線切割廣泛應(yīng)用于加工各種硬質(zhì)合金和淬火鋼格沖模、樣板、各種外形復(fù)雜的精細(xì)小零件、窄縫等，并可多件疊加起來加工，能獲得一致的尺寸。因此，線切割工藝為新產(chǎn)品試制、精密零件和模具的制造開辟了一條新的途徑。具體的應(yīng)用如下：

● 加工各種模具，如凸、凹模，粉末冶金。

● 加工成形工具，如加工帶錐度型腔的電極板、微細(xì)復(fù)雜形狀的電極和各種形狀的樣板、成形刀具。

● 加工微細(xì)孔、槽、窄縫、激光器件等。

● 各種稀有金屬和貴重金屬的加工。

● 加工各種由直線組成的直紋面，如圓錐面、螺旋面及各種二維曲面等。

● 同時切割凹凸模。利用線切割機(jī)的錐度切割功能，可一次加工出達(dá)到所需配合間隙的一幅沖裁模具。

1.4.3 四軸數(shù)控線切割加工原理

如圖1-19所示為四軸線切割加工原理圖，在NC控制裝置的作用下，工作臺做X-Y方向的移動，上、下導(dǎo)向器做U-V方向移動，構(gòu)成四軸聯(lián)動控制，使電極絲傾斜一定的角度，從而實(shí)現(xiàn)錐度切割和上、下異形截面形狀的加工。

1.4.4 線切割加工工藝內(nèi)容

利用線切割機(jī)床進(jìn)行加工時，經(jīng)常會遇到如何解決加工速度與表面粗糙度的矛盾、加工速度的提高與減少電極絲損耗的矛盾，以及如何避免斷絲等。要正確解決這些問題，就必須制定出合理的線切割加工工藝。線切割加工工藝的制定包括以下內(nèi)容。

1. 電極絲

電極絲的粗細(xì)影響切割縫隙的寬窄，電極絲直徑越小，切縫越小。電極絲直徑最小的可達(dá)φ0.05，但太小時，電極絲強(qiáng)度太低容易折斷。一般采用直徑為0.1～0.3mm的電極絲。

2. 電極絲移動速度

根據(jù)電極絲移動速度的大小分為高速走絲線切割和低速走絲線切割。低速走絲線切割的加工質(zhì)量高，但設(shè)備費(fèi)用、加工成本也高。高速走絲時，電極線采用高強(qiáng)度鉬絲，鉬絲以8～10m/s的速度做往復(fù)運(yùn)動，加工過程中鉬絲可重復(fù)使用。低速走絲時，多采用銅絲，電極絲以小于0.2m/s的速度做單方向低速移動，電極絲只能一次性使用。

3. 切割起點(diǎn)與切割路線的選擇

切割起點(diǎn)是起始切割點(diǎn)，往往也是幾何圖形的終止點(diǎn)。起點(diǎn)選擇不當(dāng)會使工件切割表面留下痕跡。起始點(diǎn)應(yīng)盡量選在幾何圖形的拐角處；起始點(diǎn)應(yīng)盡量選在工件表面粗糙度值要求高的一側(cè)，且盡可能選在工件切割后容易修磨的表面上。

切割路線的選擇主要以防止或減少工件變形為原則，一般應(yīng)考慮靠近裝夾這一邊圖形為最后切割為宜。一般情況下，最好將工件與夾持部分分割的線段安排在切割路線的末端。

4. 穿絲孔的選擇

穿絲孔是工件上為穿過電極絲而預(yù)先鉆出的小孔。穿絲孔的大小應(yīng)便于鉆孔或鏜孔加工，不宜過大或過小，一般在3～10mm范圍內(nèi)取整數(shù)值。穿絲孔常用做加工基準(zhǔn)，因此，穿絲孔一般在較高精度的機(jī)床上進(jìn)行，或采用電火花穿孔，以保證穿絲孔的位置、尺寸精度。

5. 電參數(shù)的選擇

脈沖寬度越寬加工效率越高，加工越穩(wěn)定，但表面粗糙度值會增大，反之亦然。因此，根據(jù)不同工件的加工要求選擇合適的脈沖寬度。

脈沖間隔小，使切割速度提高，但會給排屑帶來困難，加工不穩(wěn)定。脈沖間隔大，使排屑有充裕的時間，使切割速度下降。

放電峰值的選擇會影響切割速度和斷絲。低速走絲機(jī)床峰值電流一般為100～150A，最大達(dá)1000A。工件較厚、粗切削時采用較大的放電峰值電流。

空載電壓的大小會直接影響到放電間隙的大小，進(jìn)而引起切割速度和加工精度的變化，對斷絲影響也較大。當(dāng)電極絲直徑較小（0.1mm）、切縫較窄，或要減小加工面腰鼓形時，應(yīng)選較低的空載電壓。當(dāng)要改善拐角的塌角時，應(yīng)盡量選擇較高的空載電壓，一般低速走絲機(jī)床選150V。

1.5 本章小結(jié)

本章簡要介紹了數(shù)控銑削、車削、線切割加工的基本原理，以及加工工藝參數(shù)的設(shè)置。讀者通過學(xué)習(xí)，將對數(shù)控加工的專業(yè)知識有一個大致的了解，為后面的多軸數(shù)控加工學(xué)習(xí)打下基礎(chǔ)。