2.1 数控多轴加工工艺

2.1.1 数控多轴加工工件、工艺装备及切削液

多轴加工就是多坐标加工，常用于加工复杂曲面产品。本节介绍多轴加工零件、工装以及切削液等。

（1）多轴加工工件

采用多轴联动机床加工模具可以很快完成模具加工，使模具加工变得更加容易，并且使模具修改变得容易。在传统的模具加工中，一般用立式加工中心来完成工件的铣削加工。随着模具制造技术的不断发展，立式加工中心本身的一些弱点表现得越来越明显。现代模具加工普遍使用球头铣刀来加工，球头铣刀在模具加工中带来的好处非常明显，但是如果用立式加工中心，其底面的线速度为零，这样底面的光洁度就很差，如果使用四、五轴联动机床加工技术加工模具，可以克服上述不足。例如汽车大灯模具的精加工，用双转台五轴联动机床加工，由于大灯模具的特殊光学效果要求，用于反光的众多小曲面对加工的精度和光洁度都有非常高的指标要求，特别是光洁度，几乎要求达到镜面效果。

如采用三轴数控机床加工，由于其刀具相对于工件的姿态在加工过程中不能改变，加工某些复杂曲面时，就可能产生干涉和欠加工。而用五轴加工，由于刀具的轴线可随时调整，避免刀具与工件的干涉，并能一次装夹完成全部加工，可用于加工发动机的叶片、船用螺旋桨、各种人工关节等，此类零件占五轴加工类零件的5%左右，如图2-1～图2-3所示。

多轴定位加工是指两个旋转轴根据不同需要转动到一定的角度，然后锁紧进行加工，当完成某一加工区域后，再根据需要调整两个旋转轴的加工。此类零件占五轴加工类零件的95%左右，如图2-4所示。

（2）工艺装备

数控机床夹具必须适应数控机床的高精度、高效率、多方向同时加工、数字程序控制及单件小批生产等特点。为此，对数控机床夹具提出了一系列新的要求，如推行标准化、系列化和通用化；发展组合夹具和拼装夹具，降低生产成本；提高精度；提高夹具的高效自动化水平等。

① 数控铣床夹具 数控铣床常用夹具是平口钳，先把平口钳固定在工作台上，找正钳口，再把工件装夹在平口钳上，这种方式装夹方便，应用广泛，适于装夹形状规则的小型工件，如图2-5所示。

② 组合夹具 组合夹具把专用夹具的设计、制造、使用、报废的单向过程变为组装、拆散、清洗入库、再组装的循环过程。可用几小时的组装周期代替几个月的设计制造周期，从而缩短了生产周期；节省了工时和材料，降低了生产成本；还可减少夹具库房面积，有利于管理。

组合夹具的元件精度高、耐磨，并且实现了完全互换，元件精度一般为IT6～IT7级。用组合夹具加工的工件，位置精度一般可达IT8～IT9级，若精心调整，可以达到IT7级。

由于组合夹具有很多优点，又特别适用于新产品试制和多品种小批量生产，所以近年来发展迅速，应用较广。组合夹具的主要缺点是体积较大，刚度较差，一次投资多，成本高，这使组合夹具的推广应用受到一定限制。

图2-6为被加工盘类零件的工序图，用来钻径向分度孔的组合夹具立体图及其分解图，见图2-7。

③ 拼装夹具 拼装夹具是在成组工艺基础上，用标准化、系列化的夹具零部件拼装而成的夹具。它有组合夹具的优点，比组合夹具有更好的精度和刚性、更小的体积和更高的效率，因而较适合柔性加工的要求，常用作数控机床夹具。

图2-8为镗箱体孔的数控机床夹具，需在工件6上镗削A、B、C三孔。工件在液压基础平台5及三个定位销孔3上定位；通过基础平台内两个液压缸8、活塞9、拉杆12、压板13将工件夹紧；夹具通过安装在基础平台底部的两个连接孔中的定位键10在机床T形槽中定位，并通过两个螺旋压板11固定在机床工作台上。可选基础平台上的定位孔2作夹具的坐标原点，与数控机床工作台上的定位孔1的距离分别为X₀、Y₀。三个加工孔的坐标尺寸可用机床定位孔1作为零点进行计算编程，称固定零点编程；也可选夹具上方便的某一定位孔作为零点进行计算编程，称浮动零点编程。

（3）切削液

切削液的主要功能是润滑和冷却作用，它对于减少刀具磨损、提高加工表面质量、降低切削区温度、提高生产效率都有非常重要的作用。

① 切削液的作用

a. 润滑作用：切削液能在刀具的前、后刀面与工件之间形成一层润滑薄膜，可减少或避免刀具与工件或切屑间的直接接触，减轻摩擦和黏结程度，因而可以减轻刀具的磨损，提高工件表面的加工质量。

切削速度对切削液的润滑效果影响最大，一般速度越高，切削液的润滑效果越低。切削液的润滑效果还与切削厚度、材料强度等切削条件有关。切削厚度越大，材料强度越高，润滑效果 越差。

b. 冷却作用：流出切削区的切削液带走大量的热量，从而降低工件与刀具的温度，提高刀具耐用度，减少热变形，提高加工精度。不过切削液对刀具与切屑界面的影响不大，试验表明，切削液只能缩小刀具与切屑界面的高温区域，并不能降低最高温度，一般的浇注方法主要冷却切屑。切削液如喷注到刀具副后面处，对刀具和工件的冷却效果更好。

切削液的冷却性能取决于它的热导率、比热容、汽化热、汽化速度及流量、流速等。切削热的冷却作用主要靠热传导。因为水的热导率为油的3～5倍，且比热容也大一倍，所以水溶液的冷却性能比油好。

切削液自身温度对冷却效果影响很大。切削液温度太高，冷却作用小，切削液温度太低，切削油黏度大，冷却效果也不好。

c. 清洗作用：在车、铣、磨削、钻等加工时，常浇注和喷射切削液来清洗机床上的切屑和杂物，并将切屑和杂物带走。

d. 防锈作用：一些切削液中加入了防锈添加剂，它能与金属表面起化学反应而生成一层保护膜，从而起到防锈的作用。

② 切削液添加剂及切削液分类

a. 切削液添加剂

?油性添加剂：单纯矿物油与金属的吸附力差，润滑效果不好，如在矿物油中添加油性添加剂，将改善润滑作用。动植物油、皂类、胺类等与金属吸附力强，形成的物理吸附油膜较牢固，是理想的油性添加剂。不过物理吸附油膜在温度较高时将失去吸附能力，因此一般油性添加剂切削液在200℃以下使用。

?极压添加剂：这种添加剂主要利用添加剂中的化合物，在高温下与加工金属快速反应形成化学吸附膜，从而起固体润滑剂作用。目前常用的添加剂中一般含氯、硫和磷等化合物。由于化学吸附膜与金属结合牢固，一般在400～800℃高温下仍起作用。硫与氯的极压切削油分别对有色金属和钢铁有腐蚀作用，应注意合理使用。

?表面活性剂：表面活性剂是一种有机化合物，它使矿物油微小颗粒稳定分散在水中，形成稳定的水包油乳化液。表面活性剂除起乳化作用外，还能吸附在金属表面，形成润滑膜，起润滑作用。

乳化液中除加入适量的乳化稳定剂（如乙二醇、正丁醇）外，还添加防锈添加剂（如亚硝酸钠等）、抗泡沫剂（二甲基硅油等）、防霉添加剂（苯酚等）。

b. 切削液的种类 切削液可分为水溶性和非水溶性两大类。

?切削油：切削油分为两类，一类是以矿物油为基体加入油性添加剂的混合油，一般用于低速切削有色金属及磨削；另一类是极压切削油，是在矿物油中添加极压添加剂制成的，适用于重切削和难加工材料的切削。

?乳化液：乳化液是用乳化油加70%～98%的水稀释而成的乳白色或半透明状液体，它由切削油加乳化剂制成。乳化液具有良好的冷却和润滑性能。乳化液的稀释程度根据用途定。浓度高，润滑效果好，但冷却效果差；反之，冷却效果好，润滑效果差。

?水溶液：水溶液的主要成分是水，为具有良好的防锈性能和一定的润滑性能，常加入一定的添加剂（如亚硝酸钠、硅酸钠等）。常用的水溶液有电介质水溶液和表面活性水溶液。电介质水溶液是在水中加入电介质作为防锈剂；表面活性水溶液是加入皂类等表面活性物质，增强水溶液的润滑作用。

③ 切削液的选用原则 切削液的效果除由本身的性能决定外，还与工件材料、刀具材料、加工方法等因素有关，应该综合考虑，合理选择，以达到良好的效果。表2-1为常用切削液选用。以下是一般的选用原则。

a. 粗加工：粗加工时，切削用量大，产生的切削热量多，容易使刀具迅速磨损。此类加工一般采用冷却作用为主的切削液，如离子型切削液或3%～5%乳化液。切削速度较低时，刀具以机械磨损为主，宜选用润滑性能为主的切削液；速度较高时，刀具主要是热磨损，应选用冷却性能为主的切削液。

硬质合金刀具耐热性好，热裂敏感，可以不用切削液。如采用切削液，必须连续、充分浇注，以免冷热不均产生热裂纹而损伤刀具。

b. 精加工：精加工时，切削液的主要作用是提高工件表面加工质量和加工精度。

加工一般钢件，在较低的速度（6.0～30m/min）情况下，宜选用极压切削油或10%～12%极压乳化液，以减小刀具与工件之间的摩擦和黏结，抑制积屑瘤。

精加工铜及其合金、铝及其合金或铸铁时，宜选用离子型切削液或10%～12%乳化液，以降低加工表面粗糙度。注意加工铜材料时，不宜采用含硫切削液，因为硫对铜有腐蚀作用。另外，加工铝时，也不宜采用含硫与氯的切削液，因为这两种元素宜与铝形成强度高于铝的化合物，反而增大刀具与切屑间的摩擦，也不宜采用水溶液，因高温时水使铝产生针孔。

c. 难加工材料的切削：难加工材料硬质点多，热导率低，切削液不易散出，刀具磨损较快。此类加工一般处于高温高压的边界润滑摩擦状态，应选用润滑性能好的极压切削油或高浓度的极压乳化液。当用硬质合金刀具高速切削时，可选用冷却作用为主的低浓度乳化液。

2.1.2 数控多轴加工刀具

刀具是数控多轴加工技术的关键之一，只有好的多轴加工机床，没有适合多轴加工的刀具，也不能充分发挥机床的功能。

（1）数控铣削刀具的基本要求

① 铣刀刚性要好 一是为提高生产效率而采用大切削用量的需要；二是为适应数控铣床加工过程中难以调整切削用量的特点。例如，当工件各处的加工余量相差悬殊时，通用铣床遇到这种情况很容易采取分层铣削方法加以解决，而数控铣削就必须按程序规定的走刀路线前进，遇到余量大时无法像通用铣床那样“随机应变”，除非在编程时能够预先考虑到，否则铣刀必须返回原点，用改变切削面高度或加大刀具半径补偿值的方法从头开始加工，多走几刀。但这样势必造成余量少的地方经常走空刀，降低了生产效率，如刀具刚性较好，就不必这么办。再者，在通用铣床上加工时，若遇到刚性不强的刀具，也比较容易从振动、手感等方面及时发现并及时调整切削用量加以弥补，而数控铣削时则很难办到。在数控铣削中，因铣刀刚性较差而断刀并造成工件损伤的事例是常有的，所以解决数控铣刀的刚性问题是至关重要的。

② 铣刀的耐用度要高 尤其是当一把铣刀加工的内容很多时，如刀具不耐用而磨损较快，就会影响工件的表面质量与加工精度，而且会增加换刀引起的调刀与对刀次数，也会使工作表面留下因对刀误差而形成的接刀台阶，降低了工件的表面质量。

除上述两点之外，铣刀切削刃的几何角度参数的选择及排屑性能等也非常重要，切屑粘刀形成积屑瘤在数控铣削中是十分忌讳的。总之，根据被加工工件材料的热处理状态、切削性能及加工余量，选择刚性好、耐用度高的铣刀，是充分发挥数控铣床的生产效率和获得满意的加工质量的前提。

（2）刀具材料

刀具材料对刀具使用寿命、加工效率、加工质量和加工成本都有很大影响，因此必须合理选择。常用的刀具材料包括以下几种。

① 高速钢 高速钢全称高速合金工具钢，也称为白钢，19世纪研制而成。高速钢是含有较多钨、钼、铬、钒等元素的高合金工具钢。具有较高的硬度（热处理硬度达62～67HRC）和耐热性（切削温度可达550～600℃），切削速度比碳素工具钢和合金工具钢高1～3倍（因此而得名），刀具耐用度高10～40倍，甚至更多，可以加工从有色金属到高温合金的范围广泛的材料。

② 硬质合金 硬质合金是用高耐热性和高耐磨性的金属碳化物（碳化钨、碳化铁、碳化钽、碳化铌等）与金属黏结剂（钴、镍、钼等）在高温下烧结而成的粉末冶金制品。常用的硬质合金有钨钴类（YG类）、钨钛钴类（YT类）和通用硬质合金类（YW类）。

a. 钨钴类硬质合金（YG类）：主要由碳化钨和钴组成，抗弯强度和冲击韧性较好，不易崩刃，很适宜切削切屑呈崩碎状的铸铁等脆性材料；YG类硬质合金的刃磨性较好，刃口可以磨得较锋利，故切削有色金属及合金的效果也较好。

b. 钨钛钴类硬质合金（YT类）：主要由碳化钨、碳化钛和钴组成。由于YT类硬质合金的抗弯强度和冲击韧性较差，故主要用于切削切屑一般呈带状的普通碳钢及合金钢等塑性材料。

c. 钨钛钽（铌）钴类硬质合金（YW类）：在普通硬质合金中加入了碳化钽或碳化铌，从而提高了硬质合金的韧性和耐热性，使其具有较好的综合切削性能，主要用于不锈钢、耐热钢、高锰钢的加工，也适用于普通碳钢和铸铁的加工，因此被称为通用型硬质合金。

③ 涂层刀具 涂层刀具是在韧性较好的硬质合金或高速钢刀具基体上，涂覆一薄层耐磨性高的难熔金属化合物而获得的。常用的涂层材料有碳化钛、氮化钛、氧化铝等。碳化钛的硬度比氮化钛高，抗磨损性能好，对于会产生剧烈磨损的刀具，碳化钛涂层较好。氮化钛与金属的亲和力小，润湿性能好，在容易产生黏结的条件下，氮化钛涂层较好。在高速切削产生大量热量的场合，以采用氧化铝涂层为好，因为氧化铝在高温下有良好的热稳定性能。

涂层硬质合金刀片的耐用度至少可提高1～3倍，涂层高速钢刀具的耐用度则可提高2～10倍。加工材料的硬度愈高，则涂层刀具的效果愈好。

④ 陶瓷材料 陶瓷材料是以氧化铝为主要成分，经压制成形后烧结而成的一种刀具材料。它的硬度可达到91～95HRA，在1200℃的切削温度下仍可保持80HRA的硬度。另外，它的化学惰性大，摩擦因数小，耐磨性好，加工钢件时的寿命为硬质合金的10～12倍。其最大缺点是脆性大，抗弯强度和冲击韧性低。因此，它主要用于半精加工和精加工高硬度、高强度钢和冷硬铸铁等材料。常用的陶瓷刀具材料有氧化铝陶瓷、复合氧化铝陶瓷以及复合氧化硅陶瓷等。

⑤ 人造金刚石 人造金刚石是通过合金催化剂的作用，在高温高压下由石墨转化而成。人造金刚石具有极高的硬度（显微硬度可达10000HV）和耐磨性，其摩擦因数小，切削刃可以做得非常锋利。因此，用人造金刚石做刀具可以获得很高的加工表面质量，多用于在高速下精细车削或镗削有色金属及非金属材料。尤其是用它切削加工硬质合金、陶瓷、高硅铝合金及耐磨塑料等高硬度、高耐磨性的材料时，具有很大的优越性。

⑥ 立方氮化硼（CBN） 立方氮化硼是由六方氮化硼在高温高压下加入催化剂转变而成的超硬刀具材料。它是20世纪70年代才发展起来的一种新型刀具材料，立方氮化硼的硬度很高（可达到8000～9000HV），并具有很高的热稳定性（在1370℃以上时才由立方晶体转变为六面晶体而开始软化），它最大的优点是在高温（1200～1300℃）时也不易与钛族金属起反应。因此，它能胜任淬火钢、冷硬铸铁的粗车和精车，同时还能高速切削高温合金、热喷涂材料、硬质合金及其他难加工材料。

（3）铣刀种类

数控加工中要选择合适的铣刀类型，刀具类型的选择直接影响到加工范围和加工质量，如图2-9所示。

① 端铣刀 端铣刀是数控铣加工中最常用的一种铣刀，广泛用于加工平面类零件，图2-10是两种最常见的端铣刀。端铣刀除用其端刃铣削外，也常用其侧刃铣削，有时端刃、侧刃同时进行铣削，端铣刀也可称为圆柱铣刀。

② 成形铣刀 成形铣刀一般都是为特定的工件或加工内容专门设计制造的，适用于加工平面类零件的特定形状（如角度面、凹槽面等），也适用于特形孔或台。图2-11是几种常用的成形铣刀。

③ 球头铣刀 适用于加工空间曲面零件，有时也用于平面类零件较大的转接凹圆弧的补加工。图2-12是一种常见的球头铣刀。

（4）铣刀选择

数控铣床上所采用的刀具要根据被加工零件的材料、几何形状、表面质量要求、热处理状态、切削性能及加工余量等，选择刚性好、耐用度高的刀具。

① 铣刀类型选择 被加工零件的几何形状是选择刀具类型的主要依据。

a. 加工曲面类零件时，为了保证刀具切削刃与加工轮廓在切削点相切，而避免刀刃与工件轮廓发生干涉，一般采用球头刀，粗加工用两刃铣刀，半精加工和精加工用四刃铣刀，刀刃数还与铣刀直径有关，如图2-13所示。

b. 铣较大平面时，为了提高生产效率和提高加工表面粗糙度，一般采用刀片镶嵌式盘形面铣刀，如图2-14所示。

c. 铣小平面或台阶面时一般采用通用铣刀，如图2-15所示。

d. 铣键槽时，为了保证槽的尺寸精度，一般用两刃键槽铣刀，如图2-16所示。

e. 孔加工时，可采用钻头、镗刀等孔加工刀具，如图2-17所示。

② 铣刀结构选择 铣刀一般由刀片、定位元件、夹紧元件和刀体组成。由于刀片在刀体上有多种定位与夹紧方式，刀片定位元件的结构又有不同类型，因此铣刀的结构形式有多种，分类方法也较多。选用时，主要根据刀片排列方式分为平装结构和立装结构两大类。

a. 平装结构（刀片径向排列）：平装结构铣刀（如图2-18所示）的刀体结构工艺性好，容易加工，并可采用无孔刀片（刀片价格较低，可重磨）。由于需要夹紧元件，刀片的一部分被覆盖，容屑空间较小，且在切削力方向上的硬质合金截面较小，故平装结构的铣刀一般用于轻型和中型的铣削加工。

b. 立装结构（刀片切向排列）：立装结构铣刀（如图2-19所示）的刀片只用一个螺钉固定在刀槽上，结构简单，转位方便。虽然刀具零件较少，但刀体的加工难度较大，一般需用五坐标加工中心进行加工。由于刀片采用切削力夹紧，夹紧力随切削力的增大而增大，因此可省去夹紧元件，增大了容屑空间。由于刀片切向安装，在切削力方向的硬质合金截面较大，因而可进行大切深、大走刀量切削，这种铣刀适用于重型和中型的铣削加工。

③ 铣刀角度的选择 铣刀的角度有前角、后角、主偏角、副偏角、刃倾角等。为满足不同的加工需要，有多种角度组合形式。各种角度中最主要的是主偏角和前角（制造厂的产品样本中对刀具的主偏角和前角都有明确说明）。

a. 主偏角κ_r：主偏角为切削刃与切削平面的夹角，如图2-20所示。铣刀的主偏角有90°、88°、75°、70°、60°、45°等几种。

主偏角对径向切削力和切削深度影响很大。径向切削力的大小直接影响切削功率和刀具的抗振性能。铣刀的主偏角越小，其径向切削力越小，抗振性也越好，但切削深度随之减小。

90°主偏角，在铣削带凸肩的平面时选用，一般不用于单纯的平面加工。该类刀具通用性好（既可加工台阶面，又可加工平面），在单件、小批量加工中选用。由于该类刀具的径向切削力等于切削力，进给抗力大，易振动，因而要求机床具有较大功率和足够的刚性。在加工带凸肩的平面时，也可选用88°主偏角的铣刀，较90°主偏角铣刀，其切削性能有一定改善。

60°～75°主偏角，适用于平面铣削的粗加工。由于径向切削力明显减小（特别是60°时），其抗振性有较大改善，切削平稳、轻快，在平面加工中应优先选用。75°主偏角铣刀为通用型刀具，适用范围较广；60°主偏角铣刀主要用于镗铣床、加工中心上的粗铣和半精铣加工。

45°主偏角，此类铣刀的径向切削力大幅度减小，约等于轴向切削力，切削载荷分布在较长的切削刃上，具有很好的抗振性，适用于镗铣床主轴悬伸较长的加工场合。用该类刀具加工平面时，刀片破损率低，耐用度高；在加工铸铁件时，工件边缘不易产生崩刃。

b. 前角γ：铣刀的前角可分解为径向前角γ_f [图2-21（a）]和轴向前角γ_p[图2-21（b）]，径向前角γ_f主要影响切削功率；轴向前角γ_p则影响切屑的形成和轴向力的方向，当γ_p为正值时，切屑即飞离加工面。

常用的前角组合形式如下。

双负前角：双负前角的铣刀通常采用方形（或长方形）无后角的刀片，刀具切削刃多（一般为8个），且强度高、抗冲击性好，适用于铸钢、铸铁的粗加工。由于切屑收缩比大，需要较大的切削力，因此要求机床具有较大功率和较高刚性。由于轴向前角为负值，切屑不能自动流出，当切削韧性材料时易出现积屑瘤和刀具振动。

凡能采用双负前角刀具加工时建议优先选用双负前角铣刀，以便充分利用和节省刀片。当采用双正前角铣刀产生崩刃（即冲击载荷大）时，在机床允许的条件下亦应优先选用双负前角铣刀。

双正前角：双正前角铣刀采用带有后角的刀片，这种铣刀楔角小，具有锋利的切削刃。由于切屑收缩比小，所耗切削功率较小，切屑成螺旋状排出，不易形成积屑瘤。这种铣刀最宜用于软材料和不锈钢、耐热钢等材料的切削加工。对于刚性差（如主轴悬伸较长的镗铣床）、功率小的机床和加工焊接结构件时，也应优先选用双正前角铣刀。

正负前角（轴向正前角、径向负前角）：这种铣刀综合了双正前角和双负前角铣刀的优点，轴向正前角有利于切屑的形成和排出；径向负前角可提高刀刃强度，改善抗冲击性能。此种铣刀切削平稳，排屑顺利，金属切除率高，适用于大余量铣削加工。WALTER公司的切向布齿重切削铣刀F2265就是采用轴向正前角、径向负前角结构的铣刀。

④ 铣刀的齿数（齿距）选择 铣刀齿数多，可提高生产效率，但受容屑空间、刀齿强度、机床功率及刚性等的限制，不同直径的铣刀的齿数均有相应规定。为满足不同用户的需要，同一直径的铣刀一般有粗齿、中齿、密齿三种类型。

a. 粗齿铣刀：适用于普通机床的大余量粗加工和软材料或切削宽度较大的铣削加工；当机床功率较小时，为使切削稳定，也常选用粗齿铣刀。

b. 中齿铣刀：系通用系列，使用范围广泛，具有较高的金属切除率和切削稳定性。

c. 密齿铣刀：主要用于铸铁、铝合金和有色金属的大进给速度切削加工。在专业化生产（如流水线加工）中，为充分利用设备功率和满足生产节奏要求，也常选用密齿铣刀（此时多为专用非标准铣刀）。

为防止工艺系统出现共振，使切削平稳，还有一种不等分齿距铣刀。如WALTER公司的NOVEX系列铣刀均采用了不等分齿距技术。在铸钢、铸铁件的大余量粗加工中建议优先选用不等分齿距的铣刀。

⑤ 铣刀直径的选择 铣刀直径的选用视产品及生产批量的不同差异较大，刀具直径的选用主要取决于设备的规格和工件的加工尺寸。

a. 平面铣刀：选择平面铣刀直径时，主要需考虑刀具所需功率应在机床功率范围之内，也可将机床主轴直径作为选取的依据。平面铣刀直径可按D=1.5d（d为主轴直径）选取。在批量生产时，也可按工件切削宽度的1.6倍选择刀具直径。

b. 立铣刀：立铣刀直径的选择主要应考虑工件加工尺寸的要求，并保证刀具所需功率在机床额定功率范围以内。如系小直径立铣刀，则应主要考虑机床的最高转速能否达到刀具的最低切削速度（60m/min）。

c. 槽铣刀：槽铣刀的直径和宽度应根据加工工件尺寸选择，并保证其切削功率在机床允许的功率范围之内。

⑥ 铣刀的最大背吃刀量 不同系列的可转位面铣刀有不同的最大背吃刀量。最大背吃刀量越大的刀具所用刀片的尺寸越大，价格也越高，因此从节约费用、降低成本的角度考虑，选择刀具时一般应按加工的最大余量和刀具的最大背吃刀量选择合适的规格。当然，还需要考虑机床的额定功率和刚性应能满足刀具使用最大背吃刀量时的需要。

⑦ 刀片牌号的选择 合理选择刀片硬质合金牌号的主要依据是被加工材料的性能和硬质合金的性能。一般选用铣刀时，可按刀具制造厂提供加工的材料及加工条件来配备相应牌号的硬质合金刀片。

由于各厂生产的同类用途硬质合金的成分及性能各不相同，硬质合金牌号的表示方法也不同，为方便用户，国际标准化组织规定，切削加工用硬质合金按其排屑类型和被加工材料分为三大类：P类、M类和K类。根据被加工材料及适用的加工条件，每大类中又分为若干组，用两位阿拉伯数字表示，每类中数字越大，其耐磨性越低、韧性越高。

上述三类牌号的选择原则如表2-2所示。

2.1.3 数控多轴加工机床的坐标系及设定

进行数控加工首先要了解控制轴和加工坐标系的相关知识，下面加以简单介绍。

（1）控制轴

由数控系统控制的机床运动轴称为控制轴，如图2-22所示。数控机床通过各个移动件的运动产生刀具与工件之间的相对运动来实现切削加工。为表示各移动件的移动方位和方向（机床坐标轴），在ISO标准中统一规定采用右手直角笛卡儿坐标系对机床的坐标系进行命名，直线轴用X、Y、Z表示，旋转轴用A、B、C分别表示绕X、Y、Z的旋转轴。

确定机床坐标轴，一般是先确定Z轴，再确定X轴和Y轴。

① 确定Z轴 对于有主轴的机床，如车床、铣床等则以机床主轴轴线方向作为Z轴方向。对于没有主轴的机床，如刨床，则以与装卡工件的工作台相垂直的直线作为Z轴方向。如果机床有几个主轴，则选择其中一个与机床工作台面相垂直的主轴作为主要主轴，并以它来确定Z轴方向。

② 确定X轴 X轴一般位于与工件安装面相平行的水平面内。对于机床主轴带动工件旋转的机床，如车床、磨床等，则在水平面内选定垂直于工件旋转轴线的方向为X轴，且刀具远离主轴轴线方向为X轴的正方向。对于机床主轴带动刀具旋转的机床， 当主轴是水平的，如卧式铣床、卧式镗床等，则规定人面对主轴，选定主轴左侧方向为X轴正方向；当主轴是竖直时，如立式铣床、立式钻床等，则规定人面对主轴，选定主轴右侧方向为X轴正方向。对于无主轴的机床，如刨床，则选定切削方向为X轴正方向。

③ 确定Y轴 Y轴方向可以根据已选定的Z、X轴方向，按右手直角坐标系来确定。

（2）加工坐标系

① 机床坐标系 刀轨是用很多坐标点来表示的，数控系统驱动刀具从一个坐标点到另一个坐标点，只有坐标点与工件之间是切削位置关系，刀具进给才会切削工件，因此坐标点和工件的相对位置要用一个坐标系来描述。所以每台数控机床都有一个如图2-23所示的X₀Y₀Z₀坐标系，该坐标系称为机床坐标系，机床坐标系的原点O₀由生产厂家出厂前设定，一般固定不变。

② 加工坐标系 实际加工中工件装夹到工作台上的位置是随机的，因此用机床坐标系无法事先确定刀轨与工件的位置关系，也就是说，工件还没有就位，就无法用机床坐标系确定刀轨与工件的切削位置关系。为了解决这个问题，就要设置相对坐标系，或者称为加工坐标系，有的称工作坐标系。

编程时计算机里面已准备了工件模型，在模型上找三个相互垂直面为加工基准面，以三个加工基准面的交点为原点建立X_MY_MZ_M加工坐标系，编程时先用加工坐标系确定刀轨与工件模型的切削位置关系。

加工时真实的工件摆放到装夹工作台上，参照工件模型在真实工件上同样建立加工基准面和加工坐标系，使加工坐标系与机床坐标系的方向一致。接着通过对刀让机床知道加工坐标系原点在机床坐标系的位置。对完刀就自然确定了刀轨在机床坐标系中的位置，如刀轨在加工坐标系中的位置为（x，y，z），加工坐标系原点在机床坐标系中的位置为（–X， –Y， –Z），则刀轨在机床坐标系中的位置坐标为（–X+x， –Y+y， –Z+z）。

设置了加工坐标系后可以撇开机床坐标系，在虚拟的计算机里先行完成编程，然后用对刀把加工坐标系的随机位置告诉机床，间接确定了刀轨在机床坐标系中的位置，从而解决了工件随机装夹无法事先确定刀轨在机床坐标系中位置的问题。

2.1.4 数控多轴机床加工切削用量

铣削用量包括切削速度（主轴转速）、背吃刀量和侧吃刀量、进给速度。选择切削用量时，应该在保证零件加工精度和表面粗糙度的前提下，充分发挥机床的性能和刀具的切削性能，使切削效率最高，加工成本最低。选择铣削用量时，首先选择背吃刀量和侧吃刀量，其次选择进给速度，最后确定切削速度。

（1）背吃刀量a_p（端铣）或侧吃刀量a_e（圆周铣）的选择

背吃刀量a_p为平行于铣刀轴线测量的切削层尺寸，单位为mm。端铣时，a_p为切削层深度，而圆周铣削时，为被加工表面的宽度。侧吃刀量a_e为垂直于铣刀轴线测量的切削层尺寸，单位为mm。端铣时，a_e为被加工表面宽度，而圆周铣削时，a_e为切削层深度，如图2-24所示。

背吃刀量或侧吃刀量的选取是由机床、工件和刀具的刚度来决定的。在满足工艺要求和工艺系统刚度许可的条件下，尽可能地选择大的背吃刀量和侧吃刀量，可以减少走刀次数，提高生产效率。

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。

① 当工件表面粗糙度值要求为Ra=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。

② 当工件表面粗糙度值要求为Ra=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前。粗铣后留0.5～1.0mm余量，在半精铣时切除。

③ 当工件表面粗糙度值要求为Ra=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，圆周铣侧吃刀量取0.3～0.5mm，面铣刀背吃刀量取0.5～1mm。

（2）进给速度v_f的选择

铣削加工的进给量f（mm/r）是指刀具转一周，工件与刀具沿进给运动方向的相对位移量；进给速度v_f（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v_f=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f_z，再根据公式f=zf_z（z为铣刀齿数）计算。

每齿进给量f_z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，f_z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，f_z就越小。每齿进给量的确定可参考表2-3选取。工件刚性差或刀具强度低时，应取较小值。

（3）切削速度v_c的选择

铣削的切削速度计算公式为：

铣削的切削速度v_c与刀具的耐用度、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。其原因是当f_z、a_p、a_e和z增大时，刀刃负荷增加，而且同时工作的齿数也增多，使切削热增加，刀具磨损加快，从而限制了切削速度的提高。为提高刀具耐用度，允许使用较低的切削速度。但是加大铣刀直径可改善散热条件，提高切削速度。

背吃刀量和进给速度确定后，可以根据机械切削手册查出切削速度v_c的具体值，也可以根据表2-4中数据简单选取。通常，工件进行粗加工时选择较低的切削速度；精加工时选择较高的切削速度。

切削速度确定后，可以计算出主轴转速n，计算公式：

式中　n——主轴转速，r/min；

v——切削速度，m/min；

D——工件直径或刀具直径，mm。

（4）球头铣刀的切削厚度

由于球头铣刀的实际参与切削部分的直径和加工方式有关，在选择切削用量时必须考虑其有效直径和有效速度，如图2-25所示。

球头铣刀的有效直径计算公式：

铣刀实际参与切削部分的最大线速度定义为有效线速度，球头铣刀的有效线速度为：

因此，计算刀具表面切速时必须使用刀具有效切削直径，而不是公称直径。有效切削直径可在表2-1中查到。表中横向第一行为公称直径，纵向左侧第一列为切深值。计算表面切削速度时应使用相应切深值下的有效切削直径。若切深是变化的，计算时应取最大的切深值。计算表面切速时应使用相应切深值下的有效直径。若切深是变化时，计算时应取最大的切深值。

球头刀具的切削厚度由径向切削厚度决定，它与每齿进给量f_z值有关。切深太小会加剧刀片摩擦，使刀片过早磨损，同时也会引起振动。球头铣刀在计算合理切削厚度及相应进给速度时要考虑径向切削厚度系数RCTF，见表2-5。

例如，所需切削厚度为0.12mm，刀具直径50mm，由表2-5查得切深值3.175mm时对应的RCTF值为0.4。故每齿进给量为：

2.1.5 数控多轴加工步骤及常用工艺路线

不论是四轴编程还是五轴编程，相对两轴轮廓编程和三轴曲面编程都比较复杂，复杂在于编程要考虑零件的旋转或者刀轴的变化。

多轴加工编程和加工顺序是：CAD/CAM建立零件模型→生成刀具轨迹→装夹零件→找正→建立工件坐标系→根据机床运动关系、刀具长度、机床的结构尺寸、工装夹具的尺寸以及工件的安装位置等设置后置处理的参数→生成NC代码→加工。

在编程时要考虑如下粗精加工工艺安排。

① 粗加工的工艺安排原则。

a. 尽可能用平面加工或三轴加工去除较大余量，这样做的目的是切削效率高，可预见性强。

b. 分层加工，留够精加工余量。分层加工使零件的内应力均衡，防止变形过大。

c. 遇到难加工材料或者加工区域窄小、刀具长径比较大的情况，粗加工可采用插铣方式。

② 半精加工的工艺安排原则。

a. 给精加工留下均匀的较小余量。

b. 保证精加工时零件具有足够刚性。

③ 精加工的工艺安排原则。

a. 分层、分区域分散精加工。顺序最好是从浅到深，从上到下。对于叶片、叶轮类零件，最好是从叶盆、叶背开始精加工，再到轮毂精加工。

b. 模具零件、叶片、叶轮类零件的加工顺序应遵循曲面→清根→曲面反复进行。切忌两相邻曲面的余量相差过大，造成在加工大余量时，刀具向相邻的而余量又小的曲面方向让刀，从而造成相邻曲面过切。

c. 尽可能采用高速加工。高速加工步进可以提高精加工效率，而且可以改善和提高工件精度和表面质量，同时有利于使用小直径刀具，有利于薄壁零件的加工。

（1）加工顺序的安排

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，可以按一般切削加工顺序安排的原则进行。通常按照从简单到复杂的原则，先加工平面、沟槽、孔，再加工内腔、外形，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。在安排数控铣削加工工序的顺序时，还应注意以下问题。

① 上道工序的加工不能影响下道工序的定位与夹紧，中间穿插有通用机床加工工序的也要综合考虑。

② 一般先进行内形内腔加工工序，后进行外形加工工序。

③ 以相同定位、夹紧方式或同一把刀具加工的工序，最好连续进行，以减少重复定位次数与换刀次数。

④ 在同一次安装中进行的多道工序，应先安排对工件刚性破坏较小的工序。

总之，顺序的安排应根据零件的结构和毛坯状况以及定位安装与夹紧的需要综合考虑。

（2）进给路线的确定

合理地选择进给路线不但可以提高切削效率，还可以提高零件的表面精度。对于数控铣床，还应重点考虑几个方面：能保证零件的加工精度和表面粗糙度的要求；使走刀路线最短，既可简化程序段，又可减少刀具空行程时间，提高加工效率；应使数值计算简单，程序段数量少，以减少编程工作量。

① 铣削平面类零件的进给路线 铣削平面类零件外轮廓时，一般采用立铣刀侧刃进行切削。为减少接刀痕迹，保证零件表面质量，对刀具的切入和切出程序需要精心设计。

铣削外表面轮廓时，如图2-26所示，铣刀的切入和切出点应沿零件轮廓曲线的延长线上切入和切出零件表面，而不应沿法向直接切入零件，以避免加工表面产生划痕，保证零件轮廓光滑。

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（见图2-27），则刀具只能沿内轮廓曲线的法向切入切出，并将其切入、切出点选在零件轮廓两几何元素的交点处。当内部几何元素相切无交点时（见图2-28），为防止刀补取消时在轮廓拐角处留下凹口[见图2-28（a）]，刀具切入切出点应远离拐角[见图2-28（b）]。

图2-29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2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2-30所示），这样可以提高内孔表面的加工精度和加工质量。

② 铣削曲面类零件的加工路线 在机械加工中，常会遇到各种曲面类零件，如模具、叶片螺旋桨等。由于这类零件型面复杂，需用多坐标联动加工，因此多采用数控铣床、数控加工中心进行加工。

a. 直纹面加工 对于边界敞开的直纹曲面，加工时常采用球头刀进行“行切法”加工，即刀具与零件轮廓的切点轨迹是一行一行的，行间距按零件加工精度要求而确定，如图2-31所示的发动机大叶片，可采用两种加工路线。采用图2-31（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2-31（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，所以曲面边界可以延伸，球头刀应由边界外开始加工。

b. 曲面轮廓加工 立体曲面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方法。

四坐标加工：如图2-32所示工件，侧面为直纹扭曲面。若在三坐标联动的机床上用圆头铣刀按行切法加工时，不但生产效率低，而且表面粗糙度大。为此，采用圆柱铣刀周边切削，并用四坐标铣床加工。即除三个直角坐标运动外，为保证刀具与工件型面在全长始终贴合，刀具还应绕O₁（或O₂）做摆角运动。由于摆角运动导致直角坐标（图中Y轴）需作附加运动，所以其编程计算较为复杂。

五坐标加工：螺旋桨是五坐标加工的典型零件之一，其叶片的形状和加工原理如图2-33所示。在半径为R₁的圆柱面上与叶面的交线AB为螺旋线的一部分，螺旋升角为Ψ_i，叶片的径向叶型线（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的合成。当AB加工完成后，刀具径向位移ΔX（改变R₁），再加工相邻的另一条叶型线，依次加工即可形成整个叶面。由于叶面的曲率半径较大，所以常采用面铣刀加工，以提高生产率并简化程序。因此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，以保证铣刀端面始终位于编程值所规定的位置上，即在切削成形点，铣刀端平面与被切曲面相切，铣刀轴心线与曲面该点的法线一致，所以需要五坐标加工。这种加工的编程计算相当复杂，一般采用自动编程。