2.1 多軸數控加工工藝

2.1.1 多軸數控加工工件、工藝裝備及切削液

多軸加工就是多坐標加工，常用于加工復雜曲面產品。本節介紹多軸加工零件、工裝及切削液等。

1.多軸加工工件

采用多軸聯動機床加工模具可以很快完成模具加工，使模具加工變得更加容易，并且使模具修改變得容易。在傳統的模具加工中，一般用立式加工中心來完成工件的銑削加工。隨著模具制造技術的不斷發展，立式加工中心本身的一些弱點表現得越來越明顯。現代模具加工普遍使用球頭銑刀來加工，球頭銑刀在模具加工中帶來的好處非常明顯，但是如果用立式加工中心的話，其底面的線速度為零，這樣底面的表面質量就很差，如果使用四軸、五軸聯動機床加工技術加工模具，就可以克服上述不足。例如車燈模具（圖2-1），汽車大燈模具的精加工用雙轉臺五軸聯動機床加工，由于大燈模具的特殊光學效果要求，用于反光的眾多小曲面對加工的精度和表面質量都有非常高的指標要求，特別是表面質量，幾乎要求達到鏡面效果。

圖2-1 車燈零件

典型復雜型面零件如圖2-2所示，如采用三軸數控機床加工，由于其刀具相對于工件的姿態在加工過程中不能改變，加工某些復雜曲面時，就可能產生干涉和欠加工。而用五軸加工由于刀具的軸線可隨時調整，避免刀具與工件的干涉，并能通過一次裝夾完成全部加工，可用于發動機的葉片、船用螺旋槳和各種人工關節骨骼等的加工，此類零件占五軸加工類零件的5%，如圖2-2和圖2-3所示。

圖2-2 典型復雜型面零件

a）葉片 b）葉輪

圖2-3 人工關節骨骼

多軸定位加工是指兩個旋轉軸根據不同需要轉動到一定的角度，然后鎖緊進行加工，當完成某一加工區域后，再根據需要調整兩個旋轉軸的加工。此類零件占五軸加工類零件的95%。五軸定位加工零件如圖2-4所示。

圖2-4 五軸定位加工零件

2.工藝裝備

數控機床夾具必須適應數控機床的高精度、高效率、多方向同時加工、數字程序控制及單件小批量生產的特點。為此，對數控機床夾具提出了一系列新的要求：

● 標準化、系列化和通用化。

● 發展組合夾具和拼裝夾具，降低生產成本。

● 高精度。

● 提高夾具的高效自動化水平。

（1）數控銑床夾具 數控銑床常用夾具是平口鉗。先把平口鉗固定在工作臺上，找正鉗口，再把工件裝夾在平口鉗上，這種方式裝夾方便，應用廣泛，適用于裝夾形狀規則的小型工件，如圖2-5所示。

（2）組合夾具 組合夾具把專用夾具的設計、制造、使用、報廢的單向過程變為組裝、拆散、清洗入庫、再組裝的循環過程。可用幾小時的組裝周期代替幾個月的設計制造周期，從而縮短了生產周期，節省了工時和材料，降低了生產成本，還可減少夾具庫房面積，有利于管理。

組合夾具的元件精度高、耐磨，實現了完全互換，元件精度一般為IT6～IT7級。用組合夾具加工的工件，位置精度一般可達IT8～IT9級，若精心調整，可以達到IT7級。

由于組合夾具有很多優點，又特別適用于新產品試制和多品種、小批量生產，所以近年來發展迅速，應用較廣。組合夾具的主要缺點是體積較大、剛度較差、一次投資多、成本高，這使組合夾具的推廣應用受到一定限制。

圖2-6所示為盤類件鉆徑向孔工序圖，用來鉆徑向分度孔的組合夾具立體圖及其分解圖如圖2-7所示。

圖2-5 平口鉗

1—底座 2—固定鉗口 3—活動鉗口 4—螺桿

圖2-6 盤類件鉆徑向孔工序圖

圖2-7 鉆盤類零件徑向孔的組合夾具立體圖及其分解圖

1—基礎件 2—支承件 3—定位件 4—導向件 5—夾緊件 6—緊固件 7—其他件 8—合件

（3）拼裝夾具 拼裝夾具是在成組工藝基礎上，用標準化、系列化的夾具零部件拼裝而成的夾具。它有組合夾具的優點，且比組合夾具有更好的精度和剛性、更小的體積和更高的效率，因而更適合柔性加工的要求，常用作數控機床夾具。

圖2-8所示為鏜箱體孔的數控機床夾具，需在工件6上鏜削A、B、C3個孔。工件在液壓基礎平臺5及三個定位銷孔3上定位；通過基礎平臺內兩個液壓缸8、活塞9、拉桿12、壓板13將工件夾緊；夾具通過安裝在基礎平臺底部的兩個連接孔中的定位鍵10在機床T形槽中定位，并通過兩個螺旋壓板11固定在機床工作臺上。可選基礎平臺上的定位孔2作為夾具的坐標原點，與數控機床工作臺上的定位孔1的距離分別為X₀、Y₀。3個加工孔的坐標尺寸可用機床定位孔1作為零點進行計算編程，稱為固定零點編程；也可選夾具上方便的某一定位孔作為零點進行計算編程，稱為浮動零點編程。

圖2-8 鏜箱體孔的數控機床夾具

1、2—定位孔3—定位銷孔4—數控機床工作臺5—液壓基礎平臺 6—工件7—通油孔8—液壓缸9—活塞10—定位鍵11、13—壓板12—拉桿

3.切削液

切削液的主要功能是起潤滑和冷卻作用，它對于減少刀具磨損、提高加工表面質量、降低切削區溫度和提高生產效率都有非常重要的作用。

（1）切削液的作用

1）潤滑作用。切削液能在刀具的前、后面與工件之間形成一層潤滑薄膜，可減少或避免刀具與工件或切屑間的直接接觸，減輕摩擦和黏結程度，因而可以減輕刀具的磨損，提高工件表面的加工質量。

切削速度對切削液的潤滑效果影響最大，一般速度越快，切削液的潤滑效果越差。切削液的潤滑效果還與切削厚度、材料強度等切削條件有關。切削厚度越大，材料強度越高，潤滑效果越差。

2）冷卻作用。流出切削區的切削液帶走大量的熱量，從而降低工件與刀具的溫度，提高刀具壽命，減少熱變形，提高加工精度。不過切削液對刀具與切屑界面的影響不大，試驗表明，切削液只能縮小刀具與切屑界面的高溫區域，并不能降低最高溫度，一般的澆注方法主要冷卻切屑。切削液如噴注到刀具副后面處，對刀具和工件的冷卻效果更好。

切削液的冷卻性能取決于它的導熱系數、比熱容、汽化熱、氣化速度及流量、流速等。切削熱的冷卻作用主要靠熱傳導。因為水的導熱系數為油的3～5倍，且比熱也大一倍，所以水溶液的冷卻性能比油好。

切削液自身溫度對冷卻效果影響很大。切削液溫度太高，冷卻作用小；切削液溫度太低，切削液黏度大，冷卻效果也不好。

3）清洗作用。在車、銑、磨削、鉆等加工時，常澆注和噴射切削液來清洗機床上的切屑和雜物，并將切屑和雜物帶走。

4）防銹作用。一些切削液中加入了防銹添加劑，它能與金屬表面起化學反應，生成一層保護膜，從而起到防銹的作用。

（2）切削液添加劑及切削液分類

1）切削液添加劑。

①油性添加劑：單純礦物油與金屬的吸附力差，潤滑效果不好，如在礦物油中添加油性添加劑，將改善潤滑作用。動植物油、皂類、胺類等與金屬吸附力強，形成的物理吸附油膜較牢固，是理想的油性添加劑。不過物理吸附油膜在溫度較高時將失去吸附能力，因此一般油性添加劑切削液在200℃以下使用。

②極壓添加劑：這種添加劑主要利用添加劑中的化合物，在高溫下與加工金屬快速反應形成化學吸附膜，從而起固體潤滑劑作用。目前常用的添加劑中一般含氯、硫和磷等化合物。由于化學吸附膜與金屬結合牢固，一般在400～800℃高溫時仍起作用。硫與氯的極壓切削油分別對有色金屬和鋼鐵有腐蝕作用，應注意合理使用。

③表面活性劑：表面活性劑是一種有機化合物，它使礦物油微小顆粒穩定分散在水中，形成穩定的水包油乳化液。表面活性劑除起乳化作用外，還能吸附在金屬表面，形成潤滑膜，起潤滑作用。

乳化液中除加入適量的乳化穩定劑（如乙二醇、正丁醇）外，還添加防銹添加劑（如亞硝酸鈉等）、抗泡沫劑（二甲硅油等）和防霉添加劑（苯酚等）。

2）切削液的種類。切削液可分為水溶性和非水溶性兩大類。

①切削油：切削油分為兩類，一類是以礦物油為基體加入油性添加劑的混合油，一般用于低速切削有色金屬及磨削中；另一類是極壓切削油，是在礦物油中添加極壓添加劑制成，適用于重切削和難加工材料的切削。

②乳化液：乳化液是用乳化油加70%～98%的水稀釋而成的乳白色或半透明狀液體，它由切削油加乳化劑制成。乳化液具有良好的冷卻和潤滑性能。乳化液的稀釋程度根據用途定。濃度高潤滑效果好，但冷卻效果差；反之，濃度低冷卻效果好，潤滑效果差。

③水溶液：水溶液的主要成分是水，具有良好的防銹性能和一定的潤滑性能，常加入一定的添加劑（如亞硝酸鈉、硅酸鈉等）。常用的水溶液有電介質水溶液和表面活性水溶液。電介質水溶液是在水中加入電介質作為防銹劑；表面活性水溶液是加入皂類等表面活性物質，增強水溶液的潤滑作用。

（3）切削液的選用原則切削液的效果除由本身的性能決定外，還與工件材料、刀具材料、加工方法等因素有關，應該綜合考慮，合理選擇，以達到良好的效果。表2-1為常用切削液選用表。以下是一般的選用原則：

①粗加工：粗加工時，切削用量大，產生的切削熱量多，容易使刀具迅速磨損。此類加工一般采用冷卻作用為主的切削液，如離子型切削液或3%～5%乳化液。切削速度較低時，刀具以機械磨損為主，宜選用潤滑作用為主的切削液；速度較高時，刀具主要是熱磨損，應選用冷卻作用為主的切削液。

硬質合金刀具耐熱性好，熱裂敏感，可以不用切削液。如采用切削液，必須連續、充分澆注，以免冷熱不均產生熱裂紋而損傷刀具。

②精加工：精加工時，切削液的主要作用是提高工件表面加工質量和加工精度。

加工一般鋼件，在較低的速度（6.0～30m/min）情況下，宜選用極壓切削油或10%～12%極壓乳化液，以減小刀具與工件之間的摩擦和黏結，抑制積屑瘤。

精加工銅及其合金、鋁及合金或鑄鐵時，宜選用粒子型切削液或10%～12%乳化液，以及10%～12%極壓乳化液，以減小加工表面粗糙度值。注意加工銅材料時，不宜采用含硫切削液，因為硫對銅有腐蝕作用。另外，加工鋁時，也不適于采用含硫與氯的切削液，因為這兩種元素宜與鋁形成強度高于鋁的化合物，反而增大刀具與切屑間的摩擦。也不宜采用水溶液，因高溫時水會使鋁產生針孔。

③難加工材料的切削：難加工材料硬質點多，熱導率低，切削液不易散出，刀具磨損較快。此類加工一般處于高溫高壓的邊界潤滑摩擦狀態，應選用潤滑性能好的極壓切削油或高濃度的極壓乳化液。當用硬質合金刀具高速切削時，可選用冷卻作用為主的低濃度乳化液。

表2-1 常用切削液選用表

2.1.2 多軸數控加工刀具

刀具是多軸數控加工技術的關鍵之一，只有好的多軸加工機床，沒有適合多軸加工的刀具也不能充分發揮機床的功能。

1.數控銑削刀具的基本要求

（1）銑刀剛性要好 一是為滿足提高生產效率而采用大切削用量的需要；二是為適應數控銑床加工過程中難以調整切削用量的特點。例如，當工件各處的加工余量相差懸殊時，通用銑床遇到這種情況很容易采取分層銑削方法加以解決，而因為數控銑削必須按程序規定的走刀路線前進，遇到余量大時無法像通用銑床那樣“隨機應變”，除非在編程時能夠預先考慮到，否則銑刀必須返回原點，用改變切削面高度或加大刀具半徑補償值的方法從頭開始加工，多走幾刀。但這樣勢必造成余量少的地方經常走空刀，降低了生產效率，如刀具剛性較好就不必這么辦。另外，在通用銑床上加工時，若遇到剛性不強的刀具，也比較容易從振動、手感等方面發現并及時調整切削用量來彌補，而數控銑削時則很難辦到。在數控銑削中，常有因銑刀剛性較差而斷刀并造成工件損傷的事例，所以解決數控銑刀的剛性問題至關重要。

（2）銑刀壽命要長 尤其是當一把銑刀加工的內容很多時，如刀具壽命不長而磨損較快，就會影響工件的表面質量與加工精度，而且會增加換刀引起的調刀與對刀次數。對刀會使工作表面留下因對刀誤差而形成的接刀臺階，降低工件的表面質量。

除上述兩點之外，銑刀切削刃的幾何角度參數的選擇及排屑性能等也非常重要，切屑粘刀形成積屑瘤在數控銑削中是十分忌諱的。總之，根據被加工工件材料的熱處理狀態、切削性能及加工余量，選擇剛性好、壽命長的銑刀，是充分發揮數控銑床的生產效率和獲得滿意加工質量的前提。

2.刀具材料

刀具材料對刀具壽命、加工效率、加工質量和加工成本都有很大影響，因此必須合理選擇。常用的刀具材料有以下幾種：

（1）高速鋼 高速鋼全稱高速工具鋼，也稱為白鋼，19世紀研制而成。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62～67HRC）和耐熱性（切削溫度可達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），刀具壽命長10～40倍，甚至更多，可以加工從有色金屬到高溫合金的范圍廣泛的材料。

（2）硬質合金 硬質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）與金屬黏結劑（鈷、鎳、鉬等）在高溫下燒結而成的粉末冶金制品。常用的硬質合金有鎢鈷類（YG類）、鎢鈦鈷類（YT類）和通用硬質合金（YW類）3類。

①鎢鈷類硬質合金（YG類）：主要由碳化鎢和鈷組成，抗彎強度和沖擊韌度較好，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。

②鎢鈦鈷硬質合金（YT類）：主要由碳化鎢、碳化鈦和鈷組成。由于YT類硬質合金的抗彎強度和沖擊韌度較差，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。

③鎢鈦鉭（鈮）鈷類硬質合金（YW類）：在普通硬質合金中加入了碳化鉭或碳化鈮，從而提高了硬質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合金。

（3）涂層刀具 涂層刀具是在韌性較好的硬質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，在容易產生黏結的條件下，氮化鈦涂層較好。在高速切削產生大量熱量的場合，以采用氧化鋁涂層為好，因為氧化鋁在高溫下有良好的熱穩定性能。

涂層硬質合金刀片的壽命相比硬質合金刀片至少可提高1～3倍，涂層高速鋼刀具的壽命相比高速鋼刀具則可提高2～10倍。加工材料的硬度越高，則涂層刀具的使用效果越好。

（4）陶瓷材料 陶瓷材料是以氧化鋁為主要成分，經壓制成形后燒結而成的一種刀具材料。它的硬度可達到91～95HRA，在1200℃的切削溫度下仍可保持80HRA的硬度。另外，它的化學惰性大，摩擦因數小，耐磨性好，加工鋼件時的壽命為硬質合金的10～12倍。其最大缺點是脆性大，抗彎強度和沖擊韌度小。因此，它主要用于半精加工和精加工高硬度、高強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、復合氧化鋁陶瓷以及復合氧化硅陶瓷等。

（5）人造金剛石 人造金剛石是通過合金觸媒的作用，在高溫高壓下由石墨轉化而成。人造金剛石具有極高的硬度（顯微硬度可達10000HV）和耐磨性，其摩擦因數小，切削刃可以做得非常鋒利，因此，用人造金剛石做刀具加工工件可以獲得很高的加工表面質量，多用于在高速下精細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變而成的超硬刀具材料。立方氮化硼是20世紀70年代才發展起來的一種新型刀具材料，其硬度很高（可達到8000～9000HV），并具有很高的熱穩定性（在1370℃以上時才由立方晶體轉變為六面晶體而開始軟化），最大的優點是在高溫（1200～1300℃）時也不易與鈦族金屬起反應。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、硬質合金及其他難加工材料。

3.銑刀種類

數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加工范圍和加工質量，如圖2-9所示。

圖2-9 銑刀類型和加工范圍

（1）面銑刀 面銑刀是數控銑削加工中最常用的一種銑刀，廣泛用于加工平面類零件，圖2-10所示為兩種最常見的面銑刀。面銑刀除用其面刃銑削外，也常用其側刃銑削，有時端刃、側刃同時進行銑削，面銑刀也可稱為圓柱銑刀。

圖2-10 面銑刀

（2）成形銑刀 成形銑刀一般都是為特定的工件或加工內容專門設計制造的，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。圖2-11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接凹圓弧的補加工。圖2-12所示為一種常見的球頭銑刀。

圖2-11 成形銑刀

圖2-12 球頭銑刀

4.銑刀選擇

數控銑床上所采用的刀具要根據被加工零件的材料、幾何形狀、表面質量要求、熱處理狀態、切削性能及加工余量等，選擇剛性好、壽命長的刀具。

（1）銑刀類型選擇 被加工零件的幾何形狀是選擇刀具類型的主要依據。

1）加工曲面類零件時，為了保證刀具切削刃與加工輪廓在切削點相切，避免切削刃與工件輪廓發生干涉，一般采用球頭銑刀，粗加工用兩刃銑刀，半精加工和精加工用四刃銑刀，切削刃數還與銑刀直徑有關，如圖2-13所示。

圖2-13 加工曲面類銑刀

2）銑較大平面時，為了提高生產效率和提高加工表面質量，一般采用刀片鑲嵌式盤形面銑刀，如圖2-14所示。

3）銑小平面或臺階面時一般采用通用銑刀，如圖2-15所示。

4）銑鍵槽時，為了保證槽的尺寸精度，一般用兩刃鍵槽銑刀，如圖2-16所示。

5）孔加工時，可采用鉆頭、鏜刀等孔加工刀具，如圖2-17所示。

（2）銑刀結構選擇 銑刀一般由刀片、定位元件、夾緊元件和刀體組成。由于刀片在刀體上有多種定位與夾緊方式，刀片定位元件的結構又有不同類型，因此銑刀的結構形式有多種，分類方法也較多。選用時，主要可根據刀片排列方式進行選擇。刀片排列方式可分為平裝結構和立裝結構兩大類。

圖2-14 加工大平面銑刀

圖2-15 加工臺階面銑刀

圖2-16 加工槽類銑刀

圖2-17 孔加工刀具

1）平裝結構（刀片徑向排列）。平裝結構銑刀（圖2-18）的刀體結構工藝性好，容易加工，并可采用無孔刀片（刀片價格較低，可重磨）。由于需要夾緊元件，刀片的一部分被覆蓋，容屑空間較小，且在切削力方向上的硬質合金截面較小，故平裝結構的銑刀一般用于輕型和中量型的銑削加工。

圖2-18 平裝結構銑刀

2）立裝結構（刀片切向排列）。立裝結構銑刀（圖2-19）的刀片只用一個螺釘固定在刀槽上，結構簡單，轉位方便。雖然刀具零件較少，但刀體的加工難度較大，一般需用五坐標加工中心進行加工。由于刀片采用切削力夾緊，夾緊力隨切削力的增大而增大，因此可省去夾緊元件，增大了容屑空間。由于刀片切向安裝，在切削力方向的硬質合金截面較大，因而可進行大切深、大走刀量切削，這種銑刀適用于重型和中量型的銑削加工。

圖2-19 立裝結構銑刀

（3）銑刀角度的選擇 銑刀的角度有前角、后角、主偏角、副偏角、刃傾角等。為滿足不同的加工需要，有多種角度組合型式。各種角度中最主要的是主偏角和前角（制造廠的產品樣本中對刀具的主偏角和前角一般都有明確說明）。

1）主偏角κ_r。主偏角為切削刃與切削平面的夾角，如圖2-20所示。銑刀的主偏角有90°、88°、75°、70°、60°、45°等幾種。

圖2-20 面銑刀的主偏角

主偏角對徑向切削力和切削深度影響很大，徑向切削力的大小直接影響切削功率和刀具的抗震性能。銑刀的主偏角越小，其徑向切削力越小，抗震性能也越好，但切削深度也隨之減小。

①90°主偏角，在銑削帶凸肩的平面時選用，一般不用于單純的平面加工。該類刀具通用性好（既可加工臺階面，又可加工平面），在單件、小批量加工中選用。由于該類刀具的徑向切削力等于切削力，進給抗力大，易振動，因而要求機床具有較大功率和足夠的剛性。在加工帶凸肩的平面時，也可選用88°主偏角的銑刀，較之90°主偏角銑刀，其切削性能有一定改善。

②60°～75°主偏角，適用于平面銑削的粗加工。由于徑向切削力明顯減小（特別是60°時），其抗震性能有較大改善，切削平穩、輕快，在平面加工中應優先選用。75°主偏角銑刀為通用型刀具，適用范圍較廣；60°主偏角銑刀主要用于鏜銑床、加工中心上的粗銑和半精銑加工。

③45°主偏角，此類銑刀的徑向切削力大幅度減小，約等于軸向切削力，切削載荷分布在較長的切削刃上，具有很好的抗震性能，適用于鏜銑床主軸懸伸較長的加工場合。用該類刀具加工平面時，刀片破損率低，壽命長；在加工鑄鐵件時，工件邊緣不易產生崩刃。

2）前角γ。銑刀的前角可分解為徑向前角γ_f（圖2-21a）和軸向前角γ_p（圖2-21b），徑向前角γ_f主要影響切削功率；軸向前角γ_p則影響切屑的形成和軸向力的方向，當γ_p為正值時切屑即飛離加工面。

常用的前角組合形式如下：

①雙負前角。雙負前角的銑刀通常均采用方形（或長方形）無后角的刀片，刀具切削刃多（一般為8個），且強度高、抗沖擊性好，適用于鑄鋼、鑄鐵的粗加工。由于切屑收縮比大，需要較大的切削力，因此要求機床具有較大功率和較高剛性。由于軸向前角為負值，切屑不能自動流出，當切削韌性材料時易出現積屑瘤和刀具振動。

圖2-21 面銑刀的前角

a）徑向前角γ_f b）軸向前角γp

凡能采用雙負前角刀具加工時建議優先選用雙負前角銑刀，以便充分利用和節約刀片。當采用雙正前角銑刀產生崩刃（即沖擊載荷大）時，在機床允許的條件下亦應優先選用雙負前角銑刀。

②雙正前角。雙正前角銑刀采用帶有后角的刀片，這種銑刀楔角小，具有鋒利的切削刃。由于切屑收縮比小，所耗切削功率較小，切屑呈螺旋狀排出，不易形成積屑瘤。這種銑刀最適用于軟材料和不銹鋼、耐熱鋼等材料的切削加工。對于剛性差（如主軸懸伸較長的鏜銑床）、功率小的機床和加工焊接結構件時，也應優先選用雙正前角銑刀。

③正負前角（軸向正前角、徑向負前角）。這種銑刀綜合了雙正前角銑刀和雙負前角銑刀的優點，軸向正前角有利于切屑的形成和排出；徑向負前角可提高切削刃強度，改善抗沖擊性能。此種銑刀切削平穩，排屑順利，金屬切除率高，適用于大余量銑削加工。

（4）銑刀的齒數（齒距）選擇 銑刀齒數多，可提高生產效率，但受容屑空間、刀齒強度、機床功率及剛性等的限制，不同直徑的銑刀的齒數均有相應規定。為滿足不同用戶的需要，同一直徑的銑刀一般有粗齒、中齒、密齒三種類型。

1）粗齒銑刀。適用于普通機床的大余量粗加工和軟材料或切削寬度較大的銑削加工；當機床功率較小時，為使切削穩定，也常選用粗齒銑刀。

2）中齒銑刀。系通用系列，使用范圍廣泛，具有較高的金屬切除率和切削穩定性。

3）密齒銑刀。主要用于鑄鐵、鋁合金和有色金屬的大進給速度切削加工。在專業化生產（如流水線加工）中，為充分利用設備功率和滿足生產節奏要求，也常選用密齒銑刀（此時多為專用非標銑刀）。

為防止工藝系統出現共振，使切削平穩，還有一種不等分齒距銑刀。如WALTER公司的NOVEX系列銑刀均采用了不等分齒距技術。在鑄鋼、鑄鐵件的大余量粗加工中建議優先選用不等分齒距的銑刀。

（5）銑刀直徑的選擇 銑刀直徑的選用視工件及生產批量的不同差異較大，刀具直徑的選用主要取決于設備的規格和工件的加工尺寸。

1）平面銑刀。選擇平面銑刀直徑時主要需考慮刀具所需功率應在機床額定功率范圍之內，也可將機床主軸直徑作為選取的依據。平面銑刀直徑可按D=1.5d（d為主軸直徑）選取。在批量生產時，也可按工件切削寬度的1.6倍選擇刀具直徑。

2）立銑刀。立銑刀直徑的選擇主要應考慮工件加工尺寸的要求，并保證刀具所需功率在機床額定功率范圍以內。如是小直徑立銑刀，則應主要考慮機床的最高轉數能否達到刀具的最低切削速度（60m/min）。

3）槽銑刀。槽銑刀的直徑和寬度應根據加工工件尺寸選擇，并保證其切削功率在機床允許的功率范圍之內。

（6）銑刀的最大背吃刀量 不同系列的可轉位面銑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，價格也越高，因此從節約費用、降低成本的角度考慮，選擇刀具時一般應按加工的最大余量和刀具的最大背吃刀量選擇合適的規格。除此以外，還需要考慮機床的額定功率和剛性應能滿足刀具使用最大背吃刀量時的需要。

（7）刀片牌號的選擇 合理選擇刀片硬質合金牌號的主要依據是被加工材料的性能和硬質合金的性能。一般選用銑刀時，根據加工材料及加工條件，可按照刀具制造廠提供的硬質合金刀片的參考牌號來選擇。

由于各廠家生產的同類用途硬質合金的成分及性能各不相同，硬質合金牌號的表示方法也不同，為方便用戶，國際標準化組織規定，切削加工用硬質合金按其排屑類型和被加工材料分為三大類：P類、M類和K類。根據被加工材料及適用的加工條件，每大類中又分為若干組，用兩位阿拉伯數字表示，每類中數字越大，其耐磨性越低、韌性越大。

上述三類牌號的刀片選擇原則見表2-2。

表2-2 P類、M類、K類合金刀片選擇原則

2.1.3 多軸數控加工機床的坐標系及設定

數控加工首先要了解控制軸和加工坐標系的相關知識，下面加以簡單介紹。

1.控制軸

由數控系統控制的機床運動軸稱為控制軸，如圖2-22所示。數控機床通過各個移動件的運動產生刀具與工件之間的相對運動來實現切削加工。為表示各移動件的移動方位和方向（機床坐標軸），在ISO標準中統一規定采用右手笛卡兒坐標系對機床的坐標系進行命名，直線軸用X、Y、Z表示，用A、B、C分別表示繞X、Y、Z的旋轉軸。

確定機床坐標軸，一般是先確定Z軸，再確定X軸和Y軸。

圖2-22 數控系統的控制軸

（1）確定Z軸 對于有主軸的機床，如車床、銑床等以機床主軸軸線方向作為Z軸方向。對于沒有主軸的機床，如刨床，則以與裝夾工件的工作臺相垂直的直線作為Z軸方向。如果機床有幾個主軸，則選擇其中一個與機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）確定X軸 X軸一般位于與工件安裝面相平行的水平面內。對于機床主軸帶動工件旋轉的機床，如車床、磨床等，則在水平面內選定垂直于工件旋轉軸線的方向為X軸，且刀具遠離主軸軸線方向為X軸的正方向。對于機床主軸帶動刀具旋轉的機床，當主軸是水平的，如臥式銑床、臥式鏜床等，則規定人面對主軸，選定主軸左側方向為X軸正方向；當主軸是豎直時，如立式銑床、立式鉆床等，則規定人面對主軸，選定主軸右側方向為X軸正方向。對于無主軸的機床，如刨床，則選定切削方向為X軸正方向。

（3）確定Y軸 Y軸方向可以根據已選定的Z軸、X軸方向，按右手笛卡兒坐標系來確定。

2.坐標系

（1）機床坐標系 刀軌是用很多坐標點來表示的，數控系統驅動刀具從一個坐標點到另一個坐標點，只有坐標點與工件之間是切削位置關系，刀具進給才會切削工件，因此坐標點和工件的相對位置要用一個坐標系來描述，所以每臺數控機床都有一個如圖2-23所示的X₀Y₀Z₀坐標系，該坐標系稱為機床坐標系，機床坐標系的原點O₀由生產廠家出廠前設定，一般固定不變。

圖2-23 工件原點、編程原點和機械原點

（2）加工坐標系 實際加工中工件裝夾到工作臺上的位置是隨機的，因此用機床坐標系無法事先確定刀軌與工件的位置關系，也就是說工件還沒有就位，就無法用機床坐標系確定刀軌與工件的切削位置關系。為了解決這個問題就要設置相對坐標系，或者稱為加工坐標系，有的稱為工作坐標系。

編程時計算機里面已準備了工件模型，在模型上找三個相互垂直面為加工基準面，以三個加工基準面的交點為原點建立X_MY_MZ_M加工坐標系，編程時先用加工坐標系確定刀軌與工件模型的切削位置關系。

加工時真實的工件擺放到裝夾工作臺上，參照工件模型在真實工件上同樣建立加工基準面和加工坐標系，使加工坐標系與機床坐標系的方向一致，如圖2-23所示。接著通過對刀讓機床知道加工坐標系原點在機床坐標系里的位置。對完刀就自然確定了刀軌在機床坐標系的位置，如刀軌在加工坐標系的位置為（x，y，z），加工坐標系原點在機床坐標系的位置為（-X，-Y，-Z），則刀軌在機床坐標系的位置坐標為（-X+x，-Y+y，-Z+z）。

設置了加工坐標系后可以撇開機床坐標系，在虛擬的計算機里先行完成編程，然后用對刀把加工坐標系的隨機位置告訴機床，就間接確定了刀軌在機床坐標系的位置，從而解決了工件隨機裝夾無法事先確定刀軌在機床坐標系中位置的問題。

2.1.4 多軸數控機床加工切削用量

切削用量包括切削速度（主軸轉速）、背吃刀量和側吃刀量、進給速度。選擇切削用量時，應該在保證零件加工精度和表面粗糙度的前提下，充分發揮機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。選擇切削用量時，首先選擇背吃刀量和側吃刀量，其次選擇進給速度，最后確定切削速度。

1.背吃刀量α_p（端銑）或側吃刀量α_e（圓周銑）的選擇

背吃刀量α_p為平行于銑刀軸線測量的切削層尺寸，單位為mm。端銑時，α_p為切削層深度，而圓周銑削時，為被加工表面的寬度。側吃刀量α_e為垂直于銑刀軸線測量的切削層尺寸，單位為mm。端銑時，α_e為被加工表面寬度，而圓周銑削時，α_e為切削層深度，如圖2-24所示。

圖2-24 銑削加工的切削用量

a）圓柱銑削 b）端銑

背吃刀量或側吃刀量的選取是由機床、工件和刀具的剛度來決定的。在滿足工藝要求和工藝系統剛度許可的條件下，盡可能地選擇大的背吃刀量和側吃刀量，可以減少走刀次數，提高生產效率。

背吃刀量或側吃刀量的選取主要由加工余量和對表面質量的要求決定。

1）當工件表面粗糙度值要求為R_a=12.5～25μm時，如果圓周銑削加工余量小于5mm，端面銑削加工余量小于6mm，粗銑一次進給就可以達到要求。但是在余量較大、工藝系統剛度較差或機床動力不足時，可分為兩次進給完成。

2）當工件表面粗糙度值要求為R_a=3.2～12.5μm時，應分為粗銑和半精銑兩步進行。粗銑時背吃刀量或側吃刀量選取同前。粗銑后留0.5～1.0mm余量，在半精銑時切除。

3）當工件表面粗糙度值要求為R_a=0.8～3.2μm時，應分為粗銑、半精銑、精銑三步進行。半精銑時背吃刀量或側吃刀量取1.5～2mm；精銑時，圓周銑側吃刀量取0.3～0.5mm，面銑刀背吃刀量取0.5～1mm。

2.進給速度V_f的選擇

銑削加工的進給量f（mm/r）是指刀具轉一周，工件與刀具沿進給運動方向的相對位移量；進給速度V_f（mm/min）是單位時間內工件與銑刀沿進給方向的相對位移量。進給速度與進給量的關系為v_f=nf（n為銑刀轉速，單位r/min）。

進給量與進給速度是數控銑床加工切削用量中的重要參數，根據零件的表面粗糙度、加工精度要求、刀具及工件材料等因素，參考切削用量手冊選取或通過選取每齒進給量f_z，再根據公式f=zf_z（z為銑刀齒數）計算。

每齒進給量f_z的選取主要依據工件材料的力學性能、刀具材料、工件表面粗糙度等因素。工件材料強度和硬度越高，f_z越小；反之則越大。硬質合金銑刀的每齒進給量高于同類高速鋼銑刀。工件表面粗糙度值要求越小，f_z就越小。每齒進給量的確定可參考表2-3選取。工件剛性差或刀具強度低時，應取較小值。

表2-3 銑刀每齒進給量參考值

3.切削速度v_c的選擇

銑削的切削速度計算公式為

銑削的切削速度v_c與刀具壽命T、每齒進給量f_z、背吃刀量a_p、側吃刀量a_e以及銑刀齒數z成反比，而與銑刀直徑成正比。其原因是當f_z、a_p、a_e和z增大時，切削刃負荷增加，而且同時工作的齒數也增多，使切削熱增加，刀具磨損加快，從而限制了切削速度的提高。為提高刀具壽命允許使用較低的切削速度。但是加大銑刀直徑可改善散熱條件，提高切削速度。

背吃刀量和進給速度確定后，可以根據機械切削手冊查出切削速度v_c的具體值，也可以根據表2-4中數據簡單選取。通常，工件進行粗加工時選擇較低的切削速度；精加工時選擇較高的切削速度。

表2-4 銑削加工的切削速度參考值

切削速度確定后，可以計算出主軸轉速n，計算公式為

式中 n——主軸轉速（r/min）；

v_c——切削速度（m/min）；

D——工件直徑或刀具直徑（mm）。

4.球頭銑刀的切削厚度

由于球頭銑刀實際參與切削部分的直徑和加工方式有關，在選擇切削用量時必須考慮其有效直徑和有效速度，如圖2-25所示。

圖2-25 球頭銑刀的有效直徑和有效速度

由于球頭銑刀實際參與切削部分的直徑和加工方式有關，在選擇切削用量時必須考慮其有效直徑和有效線速度。球頭銑刀的有效直徑計算公式為

式中 β——刀具軸線方向與加工表面法向之間的夾角。

銑刀實際參與切削部分的最大線速度定義為有效線速度，球頭銑刀的有效線速度為

因此，計算刀具表面切削速度時必須使用刀具有效切削直徑，而不是公稱直徑。有效切削直徑可在表2-5中查到。表中橫向第一行為公稱直徑，縱向左側第一列為切削深度值。計算表面切削速度時應使用相應切削深度值下的有效切削直徑。若切削深度是變化的，計算時應取最大的切削深度值。計算表面切削速度時應使用相應切削深度值下的有效直徑。

球頭刀具的切削厚度由徑向切削厚度決定，它與每齒進給量f_z值有關。

切削深度太小會加劇刀片摩擦，使刀片過早磨損，同時也會引起振動。球頭銑刀在計算合理切削厚度及相應進給速度時要考慮徑向切削厚度系數RCTF，見表2-5。

表2-5 球頭銑刀有效切削直徑及徑向切削厚度系數

例如，所需切削厚度為0.12mm，刀具直徑為50mm，由表2-5查得切削深度值3.175mm時對應的RCTF值為0.4。故每齒進給量為

2.1.5 多軸數控加工步驟及常用工藝路線

不論是四軸編程還是五軸編程，相對兩軸輪廓編程和三軸曲面編程都比較復雜，復雜的原因在于編程要考慮零件的旋轉或者是刀軸的變化。

多軸加工編程和加工順序是：CAD/CAM建立零件模型→生成刀具軌跡→裝夾零件→找正→建立工件坐標系→根據機床運動關系、刀具長度、機床的結構尺寸、工裝夾具的尺寸以及工件的安裝位置等設置后處理的參數→生成NC代碼→加工。

在編程時要考慮粗、精加工工藝安排。

（1）粗加工的工藝安排原則

①盡可能用平面加工或三軸加工去除較大余量，這樣做的目的是切削效率高，可預見性強。

②分層加工，留夠精加工余量。分層加工使零件的內應力均衡，防止變形過大。

③遇到難加工材料或者加工區域窄小，刀具長徑比較大的情況下，粗加工可采用插銑方式。

（2）半精加工的工藝安排原則

①給精加工留下均勻的較小余量。

②保證精加工時零件具有足夠剛性。

（3）精加工的工藝安排原則

①分層、分區域分散精加工。順序最好是從淺到深，從上到下。對于葉片、葉輪類零件，最好是從葉盆、葉背開始精加工，再到輪轂精加工。

②模具零件、葉片、葉輪類零件的加工順序應遵循曲面→清根→曲面反復進行。切忌兩相鄰曲面的余量相差過大，防止在加工大余量時，刀具向相鄰的而余量又小的曲面方向讓刀，從而造成相鄰曲面過切。

③盡可能采用高速加工。高速加工不僅可以提高精加工效率，而且可以改善和提高工件精度及表面質量，同時有利于使用小直徑刀具和薄壁零件的加工。

1.加工順序的安排

一般數控銑削采用工序集中的方式，這時工步的順序就是工序分散時的工序順序，可以按一般切削加工順序安排的原則進行。通常按照從簡單到復雜的原則，先加工平面、溝槽、孔，再加工內腔、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。在安排數控銑削加工工序的順序時還應注意以下問題：

1）上道工序的加工不能影響下道工序的定位與夾緊，中間穿插有通用機床加工工序的也要綜合考慮。

2）一般先進行內形內腔加工工序，后進行外形加工工序。

3）以相同定位、夾緊方式或同一把刀具加工的工序，最好連續進行，以減少重復定位次數與換刀次數。

4）在同一次安裝中進行的多道工序，應先安排對工件剛性破壞較小的工序。

總之，順序的安排應根據零件的結構和毛坯狀況，以及定位安裝與夾緊的需要綜合考慮。

2.進給路線的確定

合理地選擇進給路線不但可以提高切削效率，還可以提高零件的表面精度。對于數控銑床，還應重點考慮以下幾個方面：能保證零件的加工精度和表面粗糙度要求；使走刀路線最短，既可簡化程序段，又可減少刀具空行程時間，提高加工效率；應使數值計算簡單，程序段數量少，以減少編程工作量。

（1）銑削平面類零件的進給路線 銑削平面類零件外輪廓時，一般采用立銑刀側刃進行切削。為減少接刀痕跡，保證零件表面質量，對刀具的切入和切出程序需要精心設計。

銑削外表面輪廓時，如圖2-26所示，銑刀的切入和切出點應沿零件輪廓曲線的延長線上切入和切出零件表面，而不應沿法向直接切入零件，以避免加工表面產生劃痕，保證零件輪廓光滑。

銑削封閉的內輪廓表面時，若內輪廓曲線允許外延，則應沿切線方向切入、切出。若內輪廓曲線不允許外延（圖2-27），則刀具只能沿內輪廓曲線的法向切入、切出，并將其切入、切出點選在零件輪廓兩幾何元素的交點處。當內部幾何元素相切無交點時（圖2-28），為防止刀補取消時在輪廓拐角處留下凹口（圖2-28a），刀具切入、切出點應遠離拐角（圖2-28b）。

圖2-29所示為圓弧插補方式銑削外整圓時的走刀路線。當整圓加工完畢時，不要在切點2處退刀，而應讓刀具沿切線方向多運動一段距離，以免取消刀補時，刀具與工件表面相碰，造成工件報廢。銑削內圓弧時也要遵循從切向切入的原則，最好安排從圓弧過渡到圓弧的加工路線（圖2-30），這樣可以提高內孔表面的加工精度和加工質量。

圖2-26 刀具切入和切出時的外延

圖2-27 內輪廓加工刀具的切入和切出

圖2-28 無交點內輪廓加工刀具的切入和切出

a）錯誤 b）正確

圖2-29 外圓銑削走刀路線

圖2-30 內圓銑削走刀路線

（2）銑削曲面類零件的加工路線 在機械加工中，常會遇到各種曲面類零件，如模具、葉片螺旋槳等。由于這類零件型面復雜，需用多坐標聯動加工，因此多采用數控銑床、加工中心進行加工。

1）直紋面加工。對于邊界敞開的直紋曲面，加工時常采用球頭銑刀進行“行切法”加工，即刀具與零件輪廓的切點軌跡是一行一行的，行間距按零件加工精度要求確定，如圖2-31所示的發動機大葉片，可采用兩種加工路線。采用圖2-31a所示的加工方案時，每次沿直線加工，刀位點計算簡單，程序少，加工過程符合直紋面的形成，可以準確保證母線的直線度。當采用圖2-31b所示的加工方案時，符合這類零件數據給出情況，便于加工后檢驗，葉形的準確度高，但程序較多。由于曲面零件的邊界是敞開的，沒有其他表面限制，所以曲面邊界可以延伸，球頭銑刀應由邊界外開始加工。

圖2-31 直紋曲面的加工路線

a）沿直線進給 b）沿曲線進給

2）曲面輪廓加工。立體曲面加工應根據曲面形狀、刀具形狀以及精度要求采用不同的銑削方法。

如圖2-32所示工件，側面為直紋扭曲面。若在三坐標聯動的機床上用圓頭銑刀按行切法加工，不但生產效率低，而且表面粗糙度值大。為此，采用圓柱銑刀周邊切削，并用四坐標銑床加工，即除三個直角坐標運動外，為保證刀具與工件型面在全長始終貼合，刀具還應繞O₁（或O₂）做擺角運動。由于擺角運動使直角坐標（圖中Y軸）需做附加運動，所以其編程計算較為復雜。

圖2-32 四軸半坐標加工

螺旋槳是五坐標加工的典型零件之一，其葉片的形狀和加工原理如圖2-33所示。在半徑為R₁的圓柱面上與葉面的交線AB為螺旋線的一部分，螺旋升角為Ψi，葉片的徑向葉形線（軸向割線）EF的傾角α為后傾角。螺旋線AB用極坐標加工方法，并且以折線段逼近。逼近段mn是由C坐標旋轉△θ與Z坐標位移△Z的合成。當AB加工完成后，刀具徑向位移△X（△X是指A點到B點加工刀具沿X軸方向的位移），再加工相鄰的另一條葉形線，依次加工即可形成整個葉面。由于葉面的曲率半徑較大，所以常采用面銑刀加工，以提高生產率并簡化程序，因此為保證銑刀端面始終與曲面貼合，銑刀還應做由坐標A和坐標B形成的擺角運動。在擺角的同時，還應做直角坐標的附加運動，以保證銑刀端面始終位于編程值所規定的位置上，即在切削成形點，銑刀端平面與被切曲面相切，銑刀軸心線與曲面該點的法線一致，所以需要五坐標加工。這種加工的編程計算相當復雜，一般采用自動編程。

圖2-33 螺旋槳是五坐標加工