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1、第四章 数控铣床与操作一、数控铣床特点数控铣床是主要采用铣削方式加工工件的数控机床， 能完成各种平面、沟槽、螺旋槽、成型表面、平面曲线和空间曲线等复杂型面的加 工。与普通铣床相比，数控铣床具有以下特点：1、半封闭或全封闭式防护经济型数控铣床多采用半封闭式； 全功能型数控铣床会采用全封闭式防护，防止冷却液、切屑溅出，保证安全。2、主轴无级变速且变速范围宽主传动系统采用伺服电机（高速时采用无传动方式电主轴） 实现无级变速， 且调速范围较宽， 这既保证了良好的加工适应性，同时也为小直径铣刀工作形成了必要的切削速度。3、 采用手动换刀，刀具装夹方便数控铣床没有配备刀库，采用手动换刀，刀具安装方便。4、
2、 一般为三坐标联动数控铣床多为三坐标（ 即 X ， Y ， Z 三个直线运动坐标） 、三轴联动的机床，以完成平面轮廓及曲面的加工。5、 应用广泛与数控车削相比， 数控铣床有着更为广泛的应用范围， 能够进行外形轮廓铣削、 平面或曲面型腔铣削及三维复杂型面的铣削， 如各种凸轮、模具等，若再添加圆工作台等附件（此时变为四坐标），则应用范围将更广， 可用于加工螺旋桨、 叶片等空间曲面零件。 此外，随着高速铣削技术的发展，数控铣床可以加工形状更为复杂的零件，精度也更高 。二、数控铣床分类数控铣床种类很多， 按其体积大小可分为小型、 中型和大型数控铣床，其中规格较大的，其功能已向加工中心靠近，进而演变成柔
3、性加工单元。一、按主轴布置形式分类1、立式数控铣床立式数控铣床的主轴轴线与工作台面垂直， 是数控铣床中最常见的一种布局形式。 立式数控铣床一般为三坐标（ X 、 Y 、 Z ）联动 , 其各坐标的控制方式主要有以下两种：1 ）工作台纵、横向移动并升降，主轴只完成主运动。目前小型数控铣床一般采用这种方式。2 ) 工作台纵、横向移动，主轴升降。这种方式一般运用在中型数控铣床中 。立式数控铣床结构简单，工件安装方便，加工时便于观察，但不便于排屑。2、卧式数控铣床卧式数控铣床的主轴轴线与工作台面平行， 主要用来加工箱体类零件。 一般配有数控回转工作台以实现四轴或五轴加工， 从而扩大功能和加工范围。卧式
4、数控铣床相比立式数控铣床， 结构复杂， 在加工时不便观察，但排屑顺畅。3、龙门式数控铣床大型数控立式铣床多采用龙门式布局， 在结构上采用对称的双立柱结构，以保证机床整体刚性、强度。主轴可在龙门架的横梁与溜板上运动，而纵向运动则由龙门架沿床身移动或由工作台移动实现，其中工作台床身特大时多采用前者。龙门式数控铣床适合加工大型零件， 主要在汽车、 航空航天、机床等行业使用。4、立卧两用数控铣床立卧两用数控铣床的主轴轴线可以变换， 使一台铣床具备立式数控铣床和卧式数控铣床的功能。 这类机床适应性更强， 应用范围更广，尤其适合于多品种、小批量又需立卧两种方式加工的的情况，但其主轴部分结构较为复杂。二、按
5、数控系统的功能分类1、经济型数控铣床经济型数控铣床一般是在普通立式铣床或卧式铣床的基础上改造而来的，采用经济型数控系统，成本低，机床功能较少，主轴转速和进给速度不高， 主要用于精度要求不高的简单平面或曲面零件加工。2、全功能数控铣床全功能数控铣床一般采用半闭环或闭环控制， 控制系统功能较强，数控系统功能丰富， 一般可实现四坐标或以上的联动，加工适应性强，应用最为广泛。3、高速铣削数控铣床我们一般把主轴转速在800040000 r/min的数控铳床称为高速铳削数控铳床，具进给速度可达1030 m/min,如图4- 6 所示。这种数控铣床采用全新的机床结构（主体结构及材料变化）、功能部件（电主轴、
6、直线电机驱动进给）和功能强大的数控系统， 并配以加工性能优越的刀具系统， 可对大面积的曲面进行高效率、高质量的加工。高速铣削是数控加工的一个发展方向， 目前， 其技术正日趋成熟，并逐渐得到广泛应用，但机床价格昂贵，使用成本较高。三、数控铣床主要加工对象一）数控铣床主要功能不同档次的数控铣床的功能有较大的差别， 但都应具备以下主要功能。1、直线插补完成数控铣削加工所应具备的最基本功能之一， 可分为平面直线插补、空间直线插补、逼近直线插补等。2、圆弧插补完成数控铣削加工所应具备的最基本功能之一， 可分为平面圆弧插补、逼近圆弧插补等。3、固定循环固定循环是指系统所作的固化的子程序， 并通过各种参数适
7、应不同的加工要求， 主要用于实现一些具有典型性的需要多次重复的加工动作，如各种孔、内外螺纹、沟槽等的加工。使用固定循环可以有效地简化程序的编制。4、刀具补偿一般包括刀具半径补偿、 刀具长度补偿、 刀具空间位置补偿功能等。刀具半径补偿平面轮廓加工刀具长度补偿设置刀具长度刀具空间位置补偿曲面加工5、镜向、旋转、缩放、平移通过机床数控系统对加工程序进行上述处理， 控制加工， 从而简化程序编制。6、自动加减速控制该功能使机床在刀具改变运动方向时自动调整进给速度， 保持正常而良好的加工状态，避免造成刀具变形、工件表面受损、加工过程速度不稳等情形。7、数据输入输出及DNC 功能数控铳床一般通过RS232C
8、接口进行数据的输入及输出，包括加工程序和机床参数等。 当执行的加工程序超过存储空间时， 就应当采用DNC加工，即外部计算机直接控制数控铳床进行加工。8、子程序功能对于需要多次重复的加工动作或加工区域， 可以将其编成子程序， 在主程序需要的时候调用它， 并且可以实现子程序的多级嵌套，以简化程序的编写。9、自诊断功能自诊断是数控系统在运转中的自我诊断， 它是数控系统的一项重要功能，对数控机床的维修具有重要的作用。二）数控铣床主要加工对象1、平面类零件加工面平行、 垂直于水平面或与水平面成定角的零件称为平面类零件， 这一类零件的特点是： 加工单元面为平面或可展开成平面。其数控铣削相对比较简单，一般用
9、两坐标联动就可以加工出来。2、曲面类零件加工面为空间曲面的零件称为曲面类零件， 其特点是加工面不能展开成平面，加工中铣刀与零件表面始终是点接触示。3、变斜角类零件如图4-1所示，加工面与水平面的夹角呈连续变化的零件称为变斜角类零件，以飞机零部件常见。其特点是加工面不能展开成平面，加工中加工面与铳刀周围接触的瞬间为一条直线。图4-i变斜角类零件4、孔及螺纹采用定尺寸刀具进行钻、扩、较、链及攻丝等，一般数控铳都有链、钻、较功能。三、数控铳床的基本组成如图4 -2所示，数控铳床一般由数控系统、主传动系统、进给伺服系统、冷却润滑系统等几大部分组成：1、主轴箱 包括主轴箱体和主轴传动系统，用于装夹刀具并
10、带动刀具 旋转，主轴转速范围和输出扭矩对加工有直接的影响。2、进给伺服系统由进给电机和进给执行机构组成，按照程序设定的 进给速度实现刀具和工件之间的相对运动， 包括直线进给运动和旋转 运动。3、控制系统 数控铳床运动控制的中心，执行数控加工程序控制机床 进行加工。4、辅助装置如液压、气动、润滑、冷却系统和排屑、防护等装置。5、机床基础件通常是指底座、立柱、横梁等，它是整个机床的基础 和框架。图4-2数控铳床组成四、主要部件主轴部件是数控铳床上的重要部件之一，它带动刀具旋转完成切 削，其精度、抗振性和热变形对加工质量有直接的影响一)主轴如图4-3 (a )所示，数控铳床的主轴为一中空轴，其 前端
11、为锥孔，与刀柄相配，在其内部和后端安装有刀具自动夹紧机构, 用于刀具装夹。主轴在结构上要保证好良好冷却润滑，尤其是在高转速场合，通常采用循环式润滑系统。对于电主轴而言，往往设有温控系统,且主轴外表面有梢结构，以确保散热冷却，如 图4-3(b )所示。(b)电主轴 图4-3主轴主轴结构及其润滑二)刀具自动夹紧机构在数控铣床上多采用气压或液压装夹刀具， 常见的刀具自动夹紧机构主要由拉杆、 拉杆端部的夹头、蝶形弹簧、活塞、气缸等组成，见图 4 - 3 （ a ）。夹紧状态时，蝶形弹簧通过拉杆及夹头，拉住刀柄的尾部，使刀具锥柄和主轴锥孔紧密配合；松刀时，通过气缸活塞推动拉杆，压缩蝶形弹簧，使夹头松开，
12、夹头与刀柄上的拉钉脱离，即可拔出刀具，进行新、旧刀具的交换，新刀装入后，气缸活塞后移，新刀具又被蝶形弹簧拉紧。需注意的是，不同的机床，其刀具自动夹紧机构结构不同，与之适应的刀柄及拉钉规格亦不同。三）端面键带动铣刀旋转，传递运动和动力。四）自动切屑清除装置自动清除主轴孔内的灰尘和切屑是换刀过程中的一个不容忽视的问题。如果主轴锥孔中落入了切屑、灰尘或其它污物，在拉紧刀杆时， 锥孔表面和刀杆的锥柄就会被划伤， 甚至会使刀杆发生偏斜，破坏刀杆的正确定位， 影响零件的加工精度， 甚至会使零件超差报废。为了保持主轴锥孔的清洁， 常采用的方法是使用压缩空气经主轴内部通道吹屑，清除主轴孔内不洁。五、进给传动装
13、置如图 4 -4 所示，数控铣床的进给传动装置多采用伺服电机直接带动滚珠丝杠旋转，在电动机轴和滚珠丝杠之间用锥环无键连接或高精度 十字联轴器结构，以获得较高的传动精度。六、工作台在数控铳床上使用的工作台主要有下列几种：矩形工作台使用最多，以表面上的T形梢与工件、附件等连接，基准一般设在中间。方形回转工作台用于卧式铳床，表面以众多分布的螺纹孔安装工件。圆形工作台可作任意角度的回转和分度，表面T形梢呈放射状分布（径向）。七、铳刀及其它旋转刀具、数控铳削刀具系统要求1、刀具切削部分几何参数及其切削参数须规范化、合理化；2、刀具切削部分材料及切削参数选择必须与工件材料相匹配；3、刀具磨损及耐用度值规定
14、必须合理；4、刀片在刀具中的定位方式及其结构必须优化；5、刀具安装后在机床中的定位应保持一定精度；6、换刀后刀具应在机床中仍有高的重复定位精度；7、刀具的刀柄应有足够的强度、刚度及耐磨性；8、刀柄及其工具对机床的重量影响应有相应的控制；9、刀片、刀柄切入的位置、方向必须正确；10、刀片、刀柄各参数应通用化、规格化、系列化；11、工具系统应进一步优化。二、数控铣削刀具系统标准数控镗铣类刀具系统采用的标准有国际标准 ( ISO 7388 ) 、德国标准( DIN 69871 )、美国标准( ANSI/ASMEB5.50 )、日本标准( MAS 403 ，其高速刀柄采用 HSK 标准 )和中国标准(
15、 GB10944-89 )等。由于标准繁多，我们在机床使用时务必注意，所具备的刀具系统的标准必须与所使用的机床相适应，如在我国，由于较多购进德国及美国机床，按机床要求便较多地使用其标准刀具。三、刀柄1、刀柄的作用数控铳床使用的刀具通过刀柄与主轴相连， 刀柄通过拉钉和 主轴内的拉刀装置固定在主轴上，由刀柄夹持传递速度、扭矩，如图 4-5所示。刀柄的强度、刚性、耐磨性、制造精度以及夹紧力等对加 工有直接的影响。图4-5刀柄作用示意图刀柄与主轴孔的配合锥面一般采用7 : 24的锥度，这种锥柄不自锁，换刀方便，与直柄相比有较高的定心精度和刚度。为了保证刀柄与主轴的配合与连接，刀柄与拉钉的结构和尺寸均已标准化和系列 化，在我国应用最为广泛的是 BT40和BT50系列刀柄和拉钉，如
