平面外轮廓零件工艺分析及刀具选择

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1.逆铣和顺铣

1）周边铣削时的逆铣和顺铣

（1）逆铣。当铣刀切削刃作用在工件上的力为F 时，其在进给方向上的铣削分力Ff与工件的进给方向相反时的铣削方式称为逆铣，如图4.1.2所示。在卧式铣床上逆铣时，切削厚度由零逐渐增加到最大，切入瞬时切削刃钝圆半径大于瞬时切削厚度，刀齿在工件表面上要挤压和滑行一段距离后才能切入工件，使已加工表面产生冷硬层，加剧了刀齿的磨损，同时使加工表面粗糙不平。逆铣时刀齿作用于工件的垂直进给力Fv 朝上，有抬起工件的趋势，这就要求工件装夹牢靠。但是逆铣也有其优势，逆铣时刀齿是从切削层内部开始工作的，当工件表面有硬皮时，对刀齿没有直接影响。逆铣加工开始时，其切入工件厚度较浅，是“浅入深出”。

（2）顺铣。当铣刀切削刃作用在工件上的力F，它在进给方向上的铣削分力Ff 与工件的进给方向相同时的铣削方式称为顺铣，如图4.1.3所示。在卧式铣床上进行顺铣时，切削厚度由最大开始，避免了挤压、滑行现象，并且垂直进给力Fv 朝下压向工作台，有利于工件的压紧，可提高铣刀耐用度和表面加工质量。与逆铣相反，顺铣加工要求工件表面没有硬皮，否则刀齿很容易磨损。顺铣加工开始时，其切入工件厚度较深，是“深入浅出”。

图4.1.2　逆铣

图4.1.3　顺铣

铣床工作台的纵向进给运动一般由丝杠和螺母来实现。使用顺铣加工时，对普通铣床要求其进给机构具有消除丝杠间隙的装置。数控铣床和加工中心采用无间隙的滚珠丝杠，所以数控铣床和加工中心均可采用顺铣加工。

2）端面铣削时的对称铣削和非对称铣削

端面铣削时，根据铣刀与工件之间的相对位置，可将其加工方式分为对称铣削和非对称铣削两种。

（1）对称铣削。工件处在铣刀中间的铣削称为对称铣削，如图4.1.4所示。对称铣削时，刀齿在工件的前半部分为逆铣，在进给方向的铣削分力Ff（F1f、F2f……的矢量和）与工件进给方向相反；刀齿在工件的后半部分为顺铣，Ff 与工件进给方向相同。对称铣削时，在铣削宽度较窄和铣刀齿数少的情况下，由于F 在进给方向上的交替变化，工件和工作台容易产生窜动。另外，横向的水平分力Fc（F1c、F2c……的矢量和）较大，对窄长的工件易造成变形和弯曲。所以对称铣削只有在工件宽度接近铣刀直径时才采用。

图4.1.4　对称铣削

（2）非对称铣削。非对称铣削时，工件的铣削层宽度偏在铣刀一边，即铣刀中心与铣削层宽度的对称线处在“偏心”状态。非对称铣削时也有逆铣和顺铣之分，如图4.1.5所示。

图4.1.5　非对称铣削

（a）非对称逆铣；（b）非对称顺铣

非对称逆铣时，逆铣部分占很大比例，在各个刀齿上的Ff 之和（F1f、F2f……的矢量和）与进给方向相反，如图4.1.5（a）所示，故不会拉动工作台。端面铣削时，切削刃切入工件虽由薄到厚，但不等于从零开始，因而没有像周边铣削时那样的缺点。从薄处切入，刀齿的冲击力反而较小，故振动较小。另外，工件所受的垂直铣削力Fv 又与铣削方式无关。因此在端面铣削时，应采取非对称逆铣。

非对称顺铣时，顺铣部分占很大比例，在各个刀齿上的Ff 之和（F1f、F2f……的矢量和）与进给方向相同，如图4.1.5（b）所示，故易拉动工作台。另外，垂直力Fv 又不因顺铣而一定向下。所以在端面铣削时，一般都不采用非对称顺铣。但在铣削塑性和韧性好、加工硬化严重的材料（如不锈钢和耐热钢等）时，常采用不对称顺铣，以减少切制黏附和提高刀具寿命。

2.平面轮廓铣削

1）平面轮廓加工方法选择

平面轮廓多由直线、圆弧或者各种曲线组成，通常采用三坐标数控铣床进行两轴半坐标加工。

2）铣削内外轮廓的进给路线

外轮廓加工刀具的切入和切出如图4.1.6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法向切入，而应沿外轮廓延长线进行切向切入，以避免在切入处产生刀痕而影响表面质量，并且保证零件外轮廓曲线光滑过渡。同理，在切离工件时，也应沿零件轮廓延长线的切向逐渐切离工件。

图4.1.6　外轮廓加工刀具的切入和切出

铣削外整圆加工路线如图4.1.7所示。当整圆加工完毕后，不要在切入点处直接退刀，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。

图4.1.7　铣削外整圆加工路线

3.程序名与结构

1）程序命名

每个程序有一个程序名，在编制程序时须按以下规则定义程序名：

（1）程序名以字母开头，只能由字母、数字或下划线组成；

（2）程序名不能使用分隔符；

（3）程序名应区分大小写；

（4）程序名不能与系统中标准循环重名；

（5）小数点作为文件的扩展名，主程序后缀名可兼容多种格式，如txt、iso 等；

（6）子程序后缀名必须为iso；

（7）程序名不能超过32 个字符，如SH_ 27.iso。

2）程序结构

为运行机床而送到CNC 系统的一组指令称为程序。按照编制的指令，刀具沿直线或圆弧移动，主轴电动机按照指令旋转或停止。

在程序中，以刀具实际移动的顺序来编制指令。一个单步的指令称为程序段，程序是由一系列加工的单个程序段组成的，如图4.1.8所示。

图4.1.8　程序结构

程序段结构如下。

/N_ □G_ □X_ □Y_ □F_ □S_ □T_ □D_ □M_ ;

；注释

程序段中名字符的含义如下：

（1）“/”表示在运行过程中可以跳过的程序段；

（2）“N_ ”表示程序段号，段号由最多五位数字组成；

（3）“□”表示中间空格；

（4）“注释”表示对程序段进行说明，必须独立占用一行。

程序段号执行的先后顺序按以下规则进行：

（1）程序段号N；

（2）换刀指令T 和D；

（3）速度指令F 和S；

（4）G 指令；

（5）段前执行的M 指令；

（6）坐标指令X 和Y；

（7）段后执行的M。

程序段的说明如下。

（1）在一个程序段中可以编程多个G 指令和M 指令，不过其他的指令只能有一个。

（2）G 指令需被分成不同的组，不能在同一个程序段中使用两个或两个以上同组的G指令。

（3）程序段号N 一般以5 或10 为间隔进行编辑，以便以后插入新程序段时不会改变程序段号的顺序。虽然不编写程序段号也不会影响程序的执行，但是仍然建议在涉及坐标运动和辅助功能等指令的程序段前添加一个程序段号，以增加可读性。

（4）程序段号N 与紧随的指令之间必须空一格。

4.简化编程（固定循环）

1）平面铣削CYCLE71

CYCLE71 编程格式如下。CYCLE71 各部分指令含义如图4.1.9所示。

CYCLE71( RTP,RFP,SFD,DEP,SPA,SPO,LENG,WID,STA,MIDP,MIWD,FALD,FFS,TYP)

（1）CYCLE71 的功能。使用CYCLE71 可以铣削任意一个矩形平面。该循环不带刀具半径补偿，循环自动以刀具中心进行轨迹规划。

图4.1.9　CYCLE71 各部分指令含义

（2）CYCLE71 的参数图示如图4.1.10所示。

图4.1.10　CYCLE71 的参数图示

①RTP（退回平面）：循环结束以后刀具退回的位置。

②RFP（基准平面）：平面铣削的起始位置，一般指的是毛坯上表面。

③SFD（安全间隙）：为保证安全而设定的提前基准平面的一个安全距离。该距离同样适用于平面内长度和宽度方向上的安全溢出行程，平面内的SFD 如图4.1.11所示。

图4.1.11　平面内的SFD（加工类型41，MIWD 大于半径）

④DEP（深度）：平面铣削的结束位置，为绝对坐标。

⑤SPA 和SPO（起始点坐标）：SPA 和SPO 分别为矩形起始点的横坐标和纵坐标。

⑥LENG 和WID（长度和宽度）：LENG 和WID 定义了矩形的长度和宽度，为相对于起始点坐标SPA 和SPO 的增量坐标，由其符号产生矩形的位置。

⑦STA（矩形长边与第一轴之间的夹角）：STA 定义了矩形长边（长边对应的轴）与工作平面第一轴（横坐标轴）之间的夹角。逆时针为正方向，0°位置为X 正半轴。

⑧MIDP（最大切削深度）：循环根据最大切削深度计算出粗加工的进刀数量和进给深度。如果MIDP=0，则循环默认为一刀加工完成。

⑨MIWD（最大进刀宽度）：循环根据最大进刀宽度计算出横向的进刀数量和进给宽度。如果MIWD=0，则循环默认MIWD 的值为0.8 倍的刀具直径。

⑩TYP（加工类型）。如图4.1.12所示，加工类型中各数字的含义如下。

个位：1 表示粗加工；2 表示精加工。

十位：1 表示平行于横坐标，一个方向加工；2 表示平行于纵坐标，一个方向加工；3表示平行于横坐标，交替方向加工；4 表示平行于纵坐标，交替方向加工。

图4.1.12　加工类型

（3）编程举例。本例中，CYCLE71 的编程图示如图4.1.13所示，其中待加工零件与横坐标夹角为5°，深度为10 mm。此处要求最大切削深度6 mm，最大进刀宽度10 mm，加工类型为31，即平行于横坐标进行交替方向的粗加工。

图4.1.13　CYCLE71 的编程图示

CYCLE72 的编程示例如下。

N10 T8 M6

N20 M3 S1500

N30 G17 G0 G90 G94 X0 Y0 Z20

N40 CYCLE71(10,0,2,-10,20,20,50,30,5,6,10,0,2000,31)

N50 G0 G90 X0 Y0

N60 M30

2）轮廓铣削CYCLE72

CYCLE72 的编程格式如下。

CYCLE72(KNAME,RTP,RFP,SFD,DEP,MIDP,FAL,FALD,FFC,FFD,TYP,TRC)

（1）CYCLE72 的编程参数如表4.1.1所示。

表4.1.1　CYCLE72 的编程参数

（2）CYCLE72 的功能。使用CYCLE72 可以沿一条任意的、在子程序中定义的轮廓进行铣削，如图4.1.14所示。该轮廓不必强制封闭，但必须按照其铣削的方向进行编程，并且位于一个平面中。刀具半径补偿方向由用户自己在主程序中指定，用完后系统自动取消。(www.xing528.com)

图4.1.14　轮廓铣削

（3）CYCLE72 的参数图示如图4.1.15所示。

图4.1.15　CYCLE72 的参数图示

①KNAME（轮廓子程序名）：轮廓子程序编程时子程序必须包含起刀和退刀路径。第一个程序段定义的是切入点，一般是一个带G0、G90 的快速移动程序段；第二个程序段才是轮廓的起点；第三个程序段为退刀路径，一般是一个带G0、G90 的快速移动程序段。

②RTP（退回平面）：循环结束以后刀具退回的位置。

③RFP（基准平面）：轮廓铣削的起始平面，一般指的是毛坯上表面。

④SFD（安全间隙）：为保证安全而设定的提前基准平面的一个安全距离。

⑤DEP（深度）：轮廓铣削的结束平面，为绝对坐标。

⑥MIDP（最大切削深度）：循环根据最大切削深度计算出粗加工的进刀数量和进给深度。如果MIDP=0，则循环默认为粗加工一刀完成。

（4）编程举例。对下面的轮廓进行外部铣削加工，CYCLE72 的编程图示如图4.1.16所示。相关参数为：RTP =10，RFP =0，SFD=5，DEP = -4，MIDP = 1，FAL = 0.25，FALD=0.1，FFS=800，FFD=400，TYP=1。

图4.1.16　CYCLE72 的编程图示

主程序如下。

N10 T8 M6

N20 M3 S1000

N30 G17 G0 G90 X-90 Y18 Z50 G94

N40 CYCLE72("sub72",10,0,5,-4,1,0.25,0.1,800,400,1,41)

N50 G0 G90 X-90 Y18

N60 M30

子程序（sub72.iso）如下。

N10 G90 G01 X-78.696 Y10.129

N20 G01 X-30 Y17.321

N30 X-20 Y34.641

N40 X20

N50 X40 Y0

N60 X20 Y-34.641

N70 X-20

N80 X-40 Y0

N90 X-30 Y17.321

N100 X-28.5 Y19.919

N110 X-46.362 Y64.725

N120 RET

3）矩形轴颈（凸台）铣削CYCLE76

CYCLE76 的编程格式如下。

CYCLE76( RTP,RFP,SFD,DEP,LENG,WID,CRAD,SPA,SPO,STA,MIDP,FAL,FALD,FFC,FFD,MDIR,TYP,LBS,WBS)

（1）CYCLE76 的编程参数如表4.1.2所示。

表4.1.2　CYCLE76 的编程参数

续表

（2）CYCLE76 的功能。使用CYCLE76 可以在平面中加工矩形轴颈，如图4.1.17所示。CYCLE76 是轮廓铣削的一种特例，其通过内部调用轮廓铣削CYCLE72 对矩形轮廓进行加工。

图4.1.17　铣削矩形轴颈

（3）CYCLE76 的参数说明。CYCLE76 的参数图示如图4.1.18所示，其中参数RTP、RFP、SFD、DEP、MIDP 可以参考CYCLE72 中的说明，其余参数说明如下。

图4.1.18　CYCLE76 的参数图示

①SPA 和SPO（基准点）：使用参数SPA 和SPO 定义轴颈中心点的横坐标和纵坐标。

②STA（轴颈长边与第一轴之间的夹角）：STA 定义了轴颈长边（长边对应的轴）与工作平面第一轴（横坐标轴）之间的夹角。逆时针为正方向，0°位置为X 正半轴。

③LENG，WID，CRAD（轴颈长度，轴颈宽度，拐角半径）：使用参数LENG、WID和CRAD 可以确定轴颈的形状。

④MDIR（铣削方向）：通过参数MDIR 定义加工轴颈时的铣削方向，参数MDIR 如表4.1.3所示。铣削方向可以直接定义为顺时针方向（G2）或逆时针方向（G3），也可以定义为同向铣削或逆向铣削，CYCLE76 自动结合主轴旋转方向确定铣削方向（顺时针或逆时针）。

表4.1.3　参数MDIR

⑤LBS 和WBS（轴颈毛坯长度和宽度）：加工轴颈时，可以通过参数LBS 和WBS 定义毛坯的长度和宽度。LBS 和WBS 为无符号输入，CYCLE76 自动将毛坯对称地放置在轴颈中心点两侧。

（4）编程举例。本例中，矩形轴颈位于X/Y 平面中，CYCLE76 的编程图示如图4.1.19所示。该零件中心点坐标为（45，50），长度60 mm，宽度40 mm，拐角半径10 mm，与X 轴夹角5°，毛坯长度70 mm，宽度50 mm。现要求加工深度10 mm，最大切削深度6 mm，边缘和底部精加工余量均为0。采用同向铣削，加工类型为粗加工。

图4.1.19　CYCLE76 的编程图示

CYCLE76 的程序示例如下。

N10 T8 M6

N20 M3 S1000

N30 G17 G0 G90 X100 Y100 Z10 G94

N40 CYCLE76(10,0,2,-10,60,40,10,45,50,5,6,0,0,700,700,0,1,70,50)

N50 G0 G90 X100 Y100

N60 M30

4）圆形轴颈（凸台）铣削CYCLE77

CYCLE77 的编程格式如下。

CYCLE77( RTP,RFP,SFD,DEP,SDIA,SPA,SPO,MIDP,FAL,FALD,FFC,FFD,MDIR,TYP,DBS)

（1）CYCLE77 的编程参数如表4.1.4所示。

表4.1.4　CYCLE77 的编程参数

（2）CYCLE77 的功能。使用CYCLE77 可以在平面中加工圆形轴颈，如图4.1.20所示。CYCLE77 也是轮廓铣削的一种特例，其通过内部调用轮廓铣削循环CYCLE72 对圆形轮廓进行加工。

图4.1.20　铣削圆形轴颈

（3）CYCLE77 的参数说明。CYCLE77 的参数图示如图4.1.21所示。其中参数RTP、RFP、SFD、DEP、MIDP 可以参考CYCLE72 中的说明；参数MDIR 可以参考CYCLE76 中的说明。CYCLE76 的其余参数说明如下。

①SPA 和SPO（基准点）：使用参数SPA 和SPO 定义轴颈中心点的横坐标和纵坐标。

②SDIA（轴颈直径）：轴颈直径为无符号输入。

③DBS（轴颈毛坯直径）：使用参数DBS 定义轴颈毛坯的直径。

图4.1.21　CYCLE77 的参数图示

（4）编程举例。本例中，圆形轴颈毛坯直径50 mm，轴颈直径45 mm。其位于X/Y 平面中，圆心坐标为（40，50），深度10 mm，CYCLE77 的编程图示如图4.1.22所示。现要求最大切削深度6 mm，边缘精加工余量0.2 mm，底部精加工余量0。采用逆向铣削，加工类型为粗加工。

图4.1.22　CYCLE77 的编程图示

CYCLE77 的程序示例如下。

N10 T8 M6

N20 M3 S1800

N30 G17 G0 G90 X100 Y100 Z10 G94

N40 CYCLE77(10,0,3,-10,45,40,50,6,0.2,0,700,700,1,1,50)

N50 G0 G90 X100 Y100

N60 M30

5.零件平面和轮廓铣削刀具选择

面铣刀和立铣刀如图4.1.23所示，其为加工零件轮廓和平面时常用的刀具。

图4.1.23　面铣刀和立铣刀

1）面铣刀

面铣刀的圆周表面和端面上都有切削刃，端面切削刃为副切削刃。面铣刀多制成套式镶齿结构，刀齿材料为高速钢或硬质合金，刀体材料为40Cr。高速钢面铣刀按国家标准规定，直径d=80 ～250 mm，螺旋角β=10°，刀齿数z=10 ～20。

硬质合金面铣刀与高速钢面铣刀相比，铣削速度较高，加工效率高，加工表面质量也好，并可加工带有硬皮和淬硬层的工件，故得到广泛应用。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三种，如图4.1.24所示。

图4.1.24　硬质合金面铣刀

（a）整体焊接式面铣刀；（b）机夹焊接式面铣刀；（c）可转位式面铣刀

整体焊接式、机夹焊接式面铣刀难于保证焊接质量，刀具寿命低，重磨比较费时，目前已逐渐被可转位式面铣刀所取代。

可转位式面铣刀是将可转位式刀片通过夹紧元件夹固在刀体上，当刀片的一个切削刃用钝后，直接在机床上将刀片转位或更换新刀片，这种面铣刀在提高产品质量和加工效率、降低成本、方便操作使用等方面都有明显的优越性，已得到广泛应用。

可转位式面铣刀要求刀片定位精度高，夹紧可靠，排屑容易，可快速更换刀片，同时各定位件、夹紧元件通用性要好，制造要方便，并且应经久耐用。

2）立铣刀

立铣刀是在数控铣床上用得最多的一种铣刀，立铣刀结构如图4.1.25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4.1.25　立铣刀结构

（a）硬质合金立铣刀；（b）高速钢立铣刀

立铣刀圆柱表面的切削刃为主切削刃，端面上的切削刃为副切削刃。主切削刃一般为螺旋齿，这样可以增加切削平稳性，提高加工精度。由于普通立铣刀端面中心处无切削刃，所以立铣刀不能作轴向进给，端面刃主要用来加工与侧面相垂直的底平面。为了能加工较深的沟槽，并保证有足够的备磨量，立铣刀的轴向长度一般较长。