第5章 零件2D外形轮廓铣削,5.1 单一外形轮廓铣削 5.2 叠加外形轮廓铣削 5.3 岛屿形外形轮廓铣削,5.1 单一外形轮廓铣削,1. 零件2D外形轮廓铣削概述 零件2D外形轮廓可以描述成由一系列直线、圆弧或曲线通过拉伸形成的凸形结构，其侧面一般与零件底面垂直冲裁模具、结构件等零件必须具有精确的外形轮廓，才能保证它与对应的型腔零件形成良好的配合，如图5-1所示零件2D外形轮廓铣削是数控加工中最基本、最常用的切削方式，复杂的、高精度的二维外形轮廓，都离不开这种加工方式 一般情况下，零件2D外形轮廓通常有以下三种结构类型，即单一外形、叠加外形及并列多个外形，如图5-2所示铣削零件2D外形轮廓主要是控制轮廓的尺寸精度、表面粗糙度及部分结构的形位精度下一页,返回,5.1 单一外形轮廓铣削,2. 学习目标 通过完成本次学习情境中的工作任务，促使学习者达到以下学习目标 1. 知识目标 （1）掌握零件2D外形轮廓铣削相关的工艺知识及方法 （2）能根据零件特点正确选择刀具，合理选用切削参数及装夹方式 （3）掌握零件2D外形轮廓铣削常用的编程指令与方法 （4）掌握零件2D外形轮廓铣削的精度控制方法。
2. 技能目标 能够应用数控铣床/加工中心进行单一外形轮廓、叠加外形轮廓及并列多个外形等轮廓的铣削加工，并满足相应的尺寸公差、形位公差及表面粗糙度等方面的要求上一页,下一页,返回,5.1 单一外形轮廓铣削,5.1.1 单一外形轮廓铣削工艺知识准备 单一外形轮廓铣削如图5-3所示，轮廓侧面是主要加工内容，其加工精度、表面质量均有较高的要求因此，合理设计轮廓铣削刀路、选择合适的铣削刀具以及切削用量非常重要 1. 刀路设计 （1）进、退刀路线设计 刀具进、退刀路线设计得合理与否，对保证所加工的轮廓表面质量非常重要一般来说，刀具进、退刀线的设计应尽可能遵循切向切入、切向切出工件的原则根据这一原则，轮廓铣削中刀具进、退刀路线通常有三种设计方式，即直线—直线方式，如图5-4（a）所示；直线—圆弧方式，如图5-4（b）所示；圆弧—圆弧方式，如图5-4（c）所示上一页,下一页,返回,5.1 单一外形轮廓铣削,（2）铣削方向的选择 进行零件轮廓铣削时有两种铣削方向，即顺铣与逆铣 ① 顺铣就是在切削区域内，刀具的旋转方向与刀具的进给方向相反时的铣削，如图5-5（a）所示顺铣加工有以下几个特点 ● 顺铣时，观察者沿刀具进给方向看，刀具始终在工件的左侧。
● 顺铣时，切削层厚度从最大开始逐渐减小至零，刀具产生向外“拐”的变形趋势，工件处于“欠切”状态，如图5-5（a）所示 ● 顺铣时，刀齿处于受压状态，刀具此时无滑移，因而其耐用度高，所加工的表面质量好上一页,下一页,返回,5.1 单一外形轮廓铣削,② 逆铣就是在切削区域内，刀具的旋转方向与刀具的进给方向相同时的铣削，如图5-5（b）所示逆铣加工有以下几个特点 ● 逆铣时，观察者沿刀具进给方向看，刀具始终在工件的右侧 ● 逆铣时，切削层厚度从零逐渐增加到最大，刀具此时因“抓地”效应产生向内“弯”的变形趋势，工件处于“过切”状态，如图5-5（b）所示 ● 逆铣开始时，由于切削厚度为零，小于铣刀刃口钝圆半径，切不下切屑，刀齿在加工表面上产生小段滑移，刀具与工件表面产生强烈摩擦，这种摩擦一方面使刀刃磨损加剧，另一方面使工件已加工表面产生冷硬现象，从而增大了工件的表面粗糙度上一页,下一页,返回,5.1 单一外形轮廓铣削,（3）Z向刀路设计 轮廓铣削Z向的刀路设计根据工件轮廓深度与刀具尺寸确定 ① 一次铣至工件轮廓深度当工件轮廓深度尺寸不大，在刀具铣削深度范围之内时，可以采用一次下刀至工件轮廓深度完成工件铣削，刀路设计如图5-6所示。
立铣刀在粗铣时一次铣削工件的最大深度即背吃刀量ap（如图5-7所示），以不超过铣刀半径为原则，通常根据下列几种情况选择 ● 当侧吃刀量ae＜d/2（d为铣刀直径）时，取ap=（1/3～1/2）d； ● 当侧吃刀量d/2≤ae＜d时，取ap=（1/4～1/3）d； ● 当侧吃刀量ae=d（即满刀切削）时，取ap=（1/5～1/4）d上一页,下一页,返回,5.1 单一外形轮廓铣削,采用一次铣至工件轮廓深度的进刀方式虽然使NC程序变得简单，但这种刀路使刀具受到较大的切削抗力而产生弹性变形，因而影响了工件轮廓侧壁相对底面的垂直度 ② 分层铣至工件轮廓深度当工件轮廓深度尺寸较大，刀具不能一次铣至工件轮廓深度时，则需采用在Z向分多层依次铣削工件，最后铣至工件轮廓深度，刀路设计如图5-8所示 在Z向分层铣削工件，有效地解决了工件轮廓侧壁相对底面的垂直度问题，因而在生产中得到了广泛的应用上一页,下一页,返回,5.1 单一外形轮廓铣削,2. 常用的轮廓铣削刀具 一般情况下，常用立铣刀来执行零件2D外形轮廓铣削立铣刀的结构形状如图5-9所示，其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。
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，主要用来加工与侧面相垂直的底平面主切削刃一般为螺旋齿，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，立铣刀通常不能作轴向大深度进给上一页,下一页,返回,5.1 单一外形轮廓铣削,根据刀具材料及结构形式分类，立铣刀通常用以下三种类型 （1）整体式立铣刀 整体式立铣刀主要有高速钢立铣刀和整体硬质合金立铣刀两大类型，如图5-9所示 高速钢立铣刀具有韧性好、易于制造、成本低等特点，但由于刀具硬度特别是高温下的硬度低，难以满足高速切削要求，因而限制了其使用范围 硬质合金立铣刀具有硬度高和耐磨性好等特性，因而可获得较高切削速度及较长的使用寿命，且金属去除率高刃口经过精磨的整体硬质合金立铣刀可以保证所加工零件的形位公差及较高的表面质量，通常作为精铣刀具使用上一页,下一页,返回,5.1 单一外形轮廓铣削,为了改善切屑卷曲情况、增大容屑空间，整体式立铣刀的刀齿数通常在3～8之间一般粗齿立铣刀齿数z为3～4，细齿立铣刀齿数z为5～8标准立铣刀的螺旋角b 为40°～50°（粗齿）和30°～35°（细齿） 整体式立铣刀主要有粗齿和细齿两种类型，粗齿立铣刀具有齿数少（z为3～4），刀齿强度高、容屑空间大等特点，常用于粗加工；细齿立铣刀齿数多（z为5～8），切削平稳，适用于精加工，如图5-10所示。
因此，应根据不同工序的加工要求，选择合理的不同齿数的立铣刀上一页,下一页,返回,5.1 单一外形轮廓铣削,（2）可转位硬质合金立铣刀 可转位硬质合金立铣刀的结构如图5-11所示 与整体式硬质合金立铣刀相比，可转位硬质合金立铣刀的尺寸形状误差相对较差，直径一般大于10 mm，因而通常作为粗铣刀具或半精铣刀具使用 （3）玉米铣刀 玉米铣刀可分为镶硬质合金刀片玉米铣刀及焊接式玉米铣刀两种类型，这种铣刀具有高速、大切深、表面质量好等特点，在生产中常用于大切深的粗铣加工或半精铣加工，其结构如图5-12所示上一页,下一页,返回,5.1 单一外形轮廓铣削,3. 刀具直径的确定 为保证轮廓的加工精度和生产效率，合理确定立铣刀的直径非常重要一般情况下，在机床功率允许的前提下，工件粗加工时应尽量选择直径较大的立铣刀进行铣削，以便快速去除多余材料，提高生产效率；工件精加工则选择相对较小直径的立铣刀，从而保证轮廓的尺寸精度和表面粗糙度值 4. 切削用量的选择 与平面铣削相似，进行零件2D轮廓铣削时也应确定刀具切削用量，即背吃刀量ap、铣削速度Vc、进给速度F其中，ap值的确定在本节中已有所述，其他两个参数的选择可查表5-1及表5-2，并参照平面铣削切削用量的确定方法选择。
上一页,下一页,返回,5.1 单一外形轮廓铣削,5.1.2 程序指令准备 1. FANUC0i-MC系统的G02/G03——圆弧插补指令 该指令控制刀具从当前点按指定的圆弧轨迹运动至圆弧终点，主要适用于圆弧轮廓的铣削加工FANUC0i-MC系统主要有以下几种指令格式 （1）在XY平面内圆弧插补 G17 G02/G03 X___Y___R___(I___J___)F___ 其中， ① X___Y___为圆弧终点坐标； ② I___J___为圆心相对于圆弧起点的坐标增量值，即I=X圆心-X圆弧起点；J=Y圆心-Y圆弧起点；,上一页,下一页,返回,5.1 单一外形轮廓铣削,③ R__为圆弧半径，当圆弧圆心角≤180°时，圆弧半径取正值；当180°≤圆弧圆心角＜360°时，圆弧半径取负值；当圆弧圆心角=360°，即插补轨迹为一整圆时，此时只能用I、J格式编程；当同时输入R与I、J时，R有效 ④ F为圆弧插补时进给速度； ⑤ G02为顺圆插补，G03为逆圆插补 （2）在XZ平面内圆弧插补 G18 G02/G03 X___Z___R___(I___K___)F___ （3）在YZ平面内圆弧插补 G19 G02/G03 Y___Z___R___(J___K___)F___ 圆弧顺、逆方向的判别方法是：逆着圆弧插补坐标平面的矢量正方向看，圆弧沿顺时针方向移动的为顺圆插补（G02），圆弧沿逆时针方向移动的为逆圆插补（G03）。
如图5-13所示上一页,下一页,返回,5.1 单一外形轮廓铣削,如图5-14所示，刀具从当前点A，沿不同圆弧轨迹插补至目标点，取O点为工件原点，刀具进给速度F=100 mm/min，其对应的NC程序见表5-3 2. SINUMERIK-802D系统的G02/G03——圆弧插补指令 （1）程序指令格式 SINUMERIK-802D系统圆弧插补指令的含义与FANUC系统的完全相同，只是程序指令格式有差异其中常用的编程格式是： G02/G03 X___Y___CR=___(I___J___)F___ 此外，SINUMERIK-802D系统还有其他编程格式，详见附表2，此处略上一页,下一页,返回,5.1 单一外形轮廓铣削,（2）圆弧切削速度修调问题 在加工圆弧轮廓时，切削刃处的实际进给速度F切削并不等于编程设定的刀具中心点进给速度F编程由图5-15所示，在铣削直线轮廓时，F切削=F编程在铣削凹圆弧轮廓时，F切削=R轮廓*F编程/（R轮廓-R刀具）＞F编程；在凸圆弧轮廓切削时，F切削=R轮廓*F编程/（R轮廓+R刀具）＜F编程在凹圆弧轮廓切削时，如果R轮廓与R刀具很接近，则F切削将变得非常大，有可能损伤刀具或工件。
因此要考虑圆弧半径对进给速度的影响，在编程时对切削圆弧处的进给速度作必要的修调上一页,下一页,返回,5.1 单一外形轮廓铣削,3. G40/G41/G42——刀具半径补偿指令 （1）刀具半径补偿定义 在编制零件轮廓铣削加工程序时，一般以工件的轮廓尺寸作为刀具轨迹进行编程，而实际的刀具运动轨迹则与工件轮廓有一偏移量（即刀具半径），如图5-16所示数控系统这种编程功能称为刀具半径补偿功能 （2）刀具半径补偿指令 ① 建立刀具半径补偿的程序指令格式如下： G41/G42 G00(G01)X___Y___D___F___,上一页,下一页,返回,5.1 单一外形轮廓铣削,其中， ● X、Y为G00、G01指令运动的终点坐标 ● D刀具补偿偏置号，通常在字母D后用两位数字表示刀具半径补偿值在刀具参数表中的存放地址 ● G41为刀具半径左补偿指令，G42为刀具半径右补偿指令，如图5-17所示刀具半径补偿方向的判别方法是：沿着刀具的进给方向看，若刀具在工件被切轮廓的左侧，则为刀具半径左补偿，用G41指令；反之，则为刀具半径右补偿，用G42指令 ② 取消刀具半径补偿的程序指令格式如下： G41/G42 G00(G01)X___Y___D___(F___) 其中， G40为刀具半径补偿取消指令，使用该指令后，G41和G42指令无效。
上一页,下一页,返回,5.1 单一外形轮廓铣削,③ 刀具半径补偿指令编程应用格式 在G17指令有效时，其编程格式为。