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第一章 数控机机床的概述

第一节 数控机床的产生与发展

数字控制（NC-Numerical Control）,简称数控，它是数字化的信号对机床的运动及加工过程进行控制的一种方法，属于自动控制技术。由于数控与机床控制技术的发展紧密相联，因此，现在人们通常所讲的“数控”就是指“机床数控”，用这种技术控制的机床称为“数控机床”，相应的控制装置为“数控装置”。所以数控机床可以简单的说是装有数控装置的机床。

一、数控机床的产生

1. 制造业的历史回顾
18世纪后期，以蒸汽机和工具机发明为特征的产业革命，开始了以机器为主导地位的制造业新纪元，促成了制造企业雏形 —— 工厂式生产的出现。19世纪末、20世纪初，内燃机的发明引发了制造业的革命；由福特、斯隆开创了流水式、大批量生产模式。
2战后，微电子技术、计算机技术、自动化技术得到了迅速发展，推动了制造技术向高质量和柔性化生产的方向发展。
70年代开始，大量生产模式已不能适应新的市场特点，于是相继出现了计算机集成制造、丰田生产模式（精益生产）。也就是说，受市场多样化、个性化的牵引及商业竞争加剧的影响，制造技术进入了面向市场、柔性生产的新阶段，引发了生产模式和管理技术的革命。
90年代, 相继出现了智能制造、敏捷制造、下一代制造等新的制造理念。

2.数控机床产生背景

（1）人类的主观要求（市场的需要）
随着社会需求个性化、多样化的发展：生产规模沿“单件－小批量－少品种大批量－多品种变批量－专业化、专门化批量协同生产”的方向发展。制造资源配置沿着“劳动密集型—设备密集型---信息密集型----知识密集型”的方向发展。与之相适应，制造技术的：生产方式则沿着“手工----机械化----单机自动化----刚性流水自动化----柔性自动化----智能自动化”的方向发展。

（2）计算机技术的客观发展
20世纪人类社会最伟大的科技成果是计算机的发明与应用(1946年），计算机的信息处理功能与机械装置的加工功能相结合而构成的机电一体化系统，在机械制造行业发生了一场新的革命。

二、数控机床的发展

1949年美国Parson公司与麻省理工学院开始合作，历时三年研制出能进行三轴控制的数控铣床样机，取名“Numerical Control”。
1953年麻省理工学院开发出只需确定零件轮廓、指定切削路线，即可生成NC程序的自动编程语言。
1959年美国Keaney&Trecker公司开发成功了带刀库，能自动进行刀具交换，一次装夹中即能进行铣、钻、镗、攻丝等多种加工功能的数控机床，这就是数控机床的新种类——加工中心。
1968年英国首次将多台数控机床、无人化搬运小车和自动仓库在计算机控制下连接成自动加工系统，这就是柔性制造系统FMS。
1974年微处理器开始用于机床的数控系统中，从此CNC(计算机数控系统)软线数控技术随着计算机技术的发展得以快速发展。
1976年美国Lockhead公司开始使用图像编程。利用CAD(计算机辅助设计)绘出加工零件的模型，在显示器上“指点”被加工的部位，输入所需的工艺参数，即可由计算机自动计算刀具路径，模拟加工状态，获得NC程序。
DNC(直接数控)技术始于20世纪60年代末期。它是使用一台通用计算机，直接控制和管理一群数控机床及数控加工中心，进行多品种、多工序的自动加工。DNC群控技术是
FMS柔性制造技术的基础，现代数控机床上的DNC接口就是机床数控装置与通用计算机之间进行数据传送及通讯控制用的，也是数控机床之间实现通讯用的接口。随着DNC数控技术的发展，数控机床已成为无人控制工厂的基本组成单元。
20世纪90年代，出现了包括市场预测、生产决策、产品设计与制造和销售等全过程均由计算机集成管理和控制的计算机集成制造系统CIMS。其中，数控是其基本控制单元。
20世纪90年代，基于PC-NC的智能数控系统开始得到发展，它打破了原数控厂家各自为政的封闭式专用系统结构模式，提供开放式基础，使升级换代变得非常容易。充分利用现有PC机的软硬件资源，使远程控制、远程检测诊断能够得以实现。
我国虽然早在1958年就开始研制数控机床，但由于历史原因，一直没有取得实质性成果。20世纪70年代初期，曾掀起研制数控机床的热潮，但当时是采用分立元件，性能不稳定，可靠性差。1980年北京机床研究所引进日本FANUC5、7、3、6数控系统，上海机床研究所引进美国GE公司的MTC－1数控系统，辽宁精密仪器厂引进美国Bendix公司的Dynapth LTD10数控系统。在引进、消化、吸收国外先进技术的基础上，北京机床研究所又开发出BS03经济型数控和BS04全功能数控系统，航天部706所研制出MNC864数控系统。“八五”期间国家又组织近百个单位进行以发展自主版权为目标的“数控技术攻关”，从而为数控技术产业化建立了基础。20世纪90年代末，华中数控自主开发出基于PC-NC的HNC数控系统，达到了国际先进水平，加大了我国数控机床在国际上的竞争力度。
据1997年不完全统计，全国共拥有数控机床12万台。目前，我国数控机床生产企业有100多家，年产量增加到1万多台，品种满足率达80%，并在有些企业实施了FMS和CIMS工程，数控机床及其加工技术进入了实用阶段。
归纳起来数控技术经厉了2个阶段和6代的发展：
第１阶段：硬件数控（ＮＣ）
第１代：1952年的电子管
第２代：1959年晶体管分离元件
第３代：1965年的小规模集成电路
第２阶段：软件数控（ＣＮＣ）
第４代：1971年的小型计算机
第５代：1974年的微处理器
第６代：1990年基于个人ＰＣ机（PC-BASED）
分类
世代
诞生年代
系统元件及电路构成
世界
我国
硬件数控NC

第一代
第二代
第三代
1952年
1959年
1965年
1958年
1965年
1972年
电子管、继电器，模拟电路
晶体管，数字电路（分立元件）
集成数字电路
计算机控CNC
第四代
1970年
1976年
内装小型计算机，中规模集成电路
第五代
1974年
1982年
内装微处理器的NC字符显示，故障自诊
第六代

1979年
1981年
1987年
1991年

超大规模集成电路，大容量存储器，可编程接口，遥控接口
人机对话,动态图形显示,实时软件精度补偿,适应机床无人化运转要求
32位CPU，可控15轴，设定0.0001mm进给速度24m/min，带前馈控制的交流数字伺服、智能化系统。

第６代的系统主要特点主要有：
（１） 元器件集成度高，可靠性好，性能高，可靠性已可达到５万小时以上；
（２） 基于PC平台，技术进步快，升级换代容易；
（３） 提供了开放式基础，可供利用的软、硬件资源丰富，使数控功能扩展到很宽的领域（如CAD、CAM、CAPP，连接网卡、声卡、打印机、摄影机等）；
（４） 对数控系统生产厂来说，提供了优良的开发环境，简化了硬件。
目前CNC市场，国际上最大的数控系统生产厂是日本ＦＡＮＵＣ公司，1年生产5万套以上系统，占世界市场约45%左右，其次是德国的西门子公司约占15%以上，再次是西班牙发格，意大利菲地亚，法国的ＮＵＭ，日本的三菱、安川。国产数控系统厂家主要有华中数控、北京航天机床数控集团、北京凯奇、沈阳艺天、广州数控、南京新方达、成都广泰等，国产数控生产厂家规模都较小，年产都还没有超过300-400套。
国内中高端数控系统被德、日垄断：在高、精、尖技术方面的差距则达到了１０－１５年。如果没有“中国芯”，就要让人牵着鼻子走，你没有跟他讨价还价的资格；原因是缺乏自主创新能力，完全拥有自主知识产权的数控系统少之又少，制约了数控机床产业的发展。有些高端技术，还要受禁。

4.CNC发展趋势－智能思考型软件化数控系统

长期以来，CNC－－传统的封闭式体系结构，只能作为非智能的机床运动控制器。加工过程变量根据经验以固定参数形式事先设定，加工程序在实际加工前用手工方式或通过CAD/CAM及自动编程系统进行编制。CAD/CAM和CNC之间没有反馈控制环节，整个制造过程中CNC只是一个封闭式的开环执行机构。在复杂环境以及多变条件下，加工过程中的刀具组合、工件材料、主轴转速、进给速率、刀具轨迹、切削深度、步长、加工余量等加工参数，无法实时动态调整，更无法修正CAD/CAM中的设定量，因而影响CNC的工作效率和产品加工质量。
在现代制造系统中的全新制造模式中，数控技术是关键技术，它集微电子、计算机、信息处理、自动检测、自动控制等高新技术于一体，具有高精度、高效率、柔性自动化等特点，对制造业实现柔性自动化、集成化、智能化起着举足轻重的作用。目前，数控技术正在发生根本性变革，由专用型封闭式开环控制模式向通用型开放式实时动态全闭环控制模式发展。在集成化基础上，数控系统实现了超薄型、超小型化；在智能化基础上，综合了计算机、多媒体、模糊控制、神经网络等多学科技术，数控系统实现了高速、高精、高效控制，加工过程中可以自动修正、调节与补偿各项参数，实现了在线诊断和智能化故障处理；在网络化基础上，CAD/CAM与数控系统集成为一体，机床联网，实现了中央集中控制的群控加工。

1)性能发展方向:
(1)高速、高精、高效化。由于采用了高速CPU芯片、RISC芯片、多CPU控制系统以及带高分辨率绝对式检测元件的交流数字伺服系统，同时采取了改善机床动态、静态特性等有效措施，机床的高速高精高效化已大大提高。
(2)柔性化 。包含两方面：数控系统本身的柔性，数控系统采用模块化设计，功能覆盖面大，可裁剪性强，便于满足不同用户的需求；群控系统的柔性，同一群控系统能依据不同生产流程的要求，使物料流和信息流自动进行动态调整，从而最大限度地发挥群控系统的效能。
(3)工艺复合性和多轴化
    以减少工序、辅助时间为主要目的的复合加工，正朝着多轴、多系列控制功能方向发展。数控机床的工艺复合化是指工件在一台机床上一次装夹后，通过自动换刀、旋转主轴头或转台等各种措施，完成多工序、多表面的复合加工。数控技术轴，西门子880系统控制轴数可达24轴。
(4)智能化思考型。早期的系统按程序设定执行。而人工智能则试图用计算模型实现人类的各种智能行为，CNC和人工智能相互结合，使CNC具有了智能化思考型控制功能。主要分支发展：自适应控制、模糊控制、神经网络控制、专家控制、学习控制、前馈控制等。例如在数控系统中配备编程专家系统、故障诊断专家系统、参数自动设定和刀具自动管理及补偿等自适应调节系统，高速加工运动控制的提前预测和预算功能、动态前馈功能，在压力、温度、位置、速度等参数和状态的监测、监控功能等。从而达到最佳控制的目的。

2)功能发展方向
(1)用户界面图形化：图形用户界面极大地方便了非专业用户的使用，人们可以通过视窗操作，便于蓝图编程和快速编程、三维彩色立体动态图形显示、图形模拟、图形动态跟踪和仿真、不同方向的视图和局部显示比例缩放功能的实现。
(2)科学计算可视化 ：高效处理数据和解释数据，使信息交流不再局限于用文字和语言表达，而可以直接使用图形、图像、动画等可视信息
(3)插补和补偿方式多样化：多种插补方式如直线插补、圆弧插补、圆柱插补、空间椭圆曲面插补、螺纹插补、极坐标插补、NANO插补、NURBS插补(非均匀有理B样条插补)、样条插补(A、B、C样条)、多项式插补等。多种补偿功能等。加加速度控制功能：加加速度，移动突变时，振动，导致表面质量降低。
(4)内装高性能PL C：梯图可视化编程，在线监控、仿真、调试运行。
(5)多媒体数控技术 ：集计算机、声像和通信技术于一体，具有综合处理声音、文字、图像和视频信息的能力。应用多媒体技术可以做到信息处理综合化、智能化，在实时监控系统和生产现场设备的故障诊断、生产过程参数监测等方面有着重大的应用价值。
3)体系结构的发展
(1)集成化、超薄型、超小型化： 采用高度集成化CPU、RISC芯片和大规模可编程集成电路FPGA、EPLD、CPLD以及专用集成电路ASIC芯片，可提高数控系统的集成度和软硬件运行速度。应用先进封装和互连技术，将半导体和表面安装技术融为一体。
(2)模块化： 硬件模块化易于实现数控系统的集成化和标准化。根据不同的功能需求，将基本模块，如CPU、存储器、位置伺服、PLC、输入输出接口、通讯等模块，作成标准的系列化产品，通过积木方式进行功能裁剪和模块数量的增减，构成不同档次的数控系统。
(3)网络化： 构成DNC系统、远程监控和诊断、交互。
(4)通用型开放式闭环控制模式： 总线式、模块化、开放式、嵌入式体系结构，便于裁剪、扩展和升级，可组成不同档次、不同类型、不同集成程度的数控系统。智能技术、网络技术、CAD/CAM、伺服控制、自适应控制、动态数据管理及动态刀具补偿、动态仿真等高新技术融于一体，形成严密的制造过程闭环控制体系，具有智能思考功能。
传统封闭式数控系统的缺点
(1)各厂家产品软硬件不兼容，主流技术远落后于PC软硬件技术，购买、使用成本高;
(2)系统功能固定，不能充分反映数控设备制造厂的生产经验，很难满足最终用户的特殊要求;
(3)缺乏统一、有效和高速的通道与外部互连，信息被锁在“黑匣子”中，成为自动化的“孤岛”;
(4)人机界面不灵活，系统的培训和维护费用昂贵。

第二节 数控机床的组成及分类

一、 数控机床的组成

1．控制介质
数控机床工作时，不需要操作工人直接操纵机床，但机床又必须执行人的意图，这就需要在人与机床之间建立某种联系，这种联系的中间媒介物即称为控制介质。
2．数控系统
数控装置是一种控制系统，是数控机床的中心环节。它能自动阅读输入载体上事先给定的数字，并将其译码，从而使机床进给并加工零件，数控系统通常由输入装置、控制器、运算器和输出装置4大部分组成 。
3．伺服系统
伺服系统由伺服驱动电动机和伺服驱动装置组成，它是数控系统的执行部分。伺服系统接受数控系统的指令信息，并按照指令信息的要求带动机床的移动部件运动或使执行部分动作，以加工出符合要求的工件。每一个脉冲使机床移动部件产生的位移量叫做脉冲当量。目前所使用的数控系统脉冲当量通常为0.001mm/脉冲。
4．辅助控制系统
辅助控制系统是介于数控装置和机床机械、液压部件之间的强电控制装置。
5．机床本体
机床本体是数控机床的主体，由机床的基础大件（如床身、底座）和各运动部件（如工作台、床鞍、主轴等）所组成

二、数控机床的分类

1.按刀具与工件的相对运动轨迹分
（1）点位控制
点位控制数控机床只要求获得准确的加工坐标点的位置。在运动过程中并不进行加工，如数控钻床、数控坐标镗床和数控冲床等均采用点位控制。下图是点位控制加工示意图。

（2）直线控制
点位直线控制数控机床，除了要求控制位移终点位置处，还能实现平行坐标轴的直线切削加工，并且可以设定直线切削加工的进给速度。例如在车床上车削阶梯轴，铣床上铣削台阶面等。下图是直线控制切削加工示意图。

（3）轮廓控制
轮廓控制数控机床能够对两个或两以上的坐标轴同时进行控制，不仅能够控制机床移动部件的起点与终点坐标值，而且能控制整个加工过程中每一点的速度与位移量。下图是点位控制加工示意图。

2．按功能分类
数控机床按功能分类，有经济型数控机床、全功能型数控机床和精密型数据控机床。经济型数控机床一般采用八位微处理器作为主控单元，伺服系统大多使用步进电动机驱动，采用开环控制方式，脉冲当量为0.01～0.005mm/P，机床快速移动速度为5～8m/min，精度较低，功能较简单，用数码管或简单的CRT字符显示，基本具备了数控机床的主要功能。
全功能型数控机床一般采用2～4个微处理器进行控制，其中一个是主控微处理器，其余为从属微处理器。主控微处理器

3．按进给伺服系统的类型分类
（1）开环进给伺服系统数控机床
开环进给伺服系统通常不带有位置检测元件，伺服驱动元件一般为步进电动机。

（2）闭环进给伺服系统数控机床
闭环进给控制系统带有位置检测元件，随时可以检测出工作台的实际位移，并反馈给数控装置，并与设定的指令值进行比较，利用其差值控制伺服电动机，直至差值为零为止。

（3）半闭环进给伺服系统数控机床
半闭环进给伺服系统是将位置检测元件安装在伺服电动机的轴上或滚珠丝杠的端部，不直接反馈机床的位移量，而是检测伺服机构的转角，将此信号反馈给数控装置进行指令值比较，用差值控制伺服电动机。

4.按加工方式分类
（1）金属切削类数控机床
金属切削类数控机床包括数控车床、数控钻床、数控铣床、数控磨床、数控镗床以及加工中心。
（2）金属成型类数控机床
金属成型类数控机床包括数控折弯机、数控组合冲床和数控回转头压力机等。这类机床起步晚，但目前发展很快
（3）数控特种加工机床
数控特种加工机床如数控线（电极）切割机床、数控电火花加工机床、火焰切割机和数控激光切割机床等。

(4)其他类型的数控机床
(5)其他类型的数控机床如数控三坐标测量机等。

5．按可联动的轴数分
（1）两轴控制
（2）多轴控制
6.按数控系统的功能水平分
(1)高档数控机床
(2)中档数控机床
(3)低档数控机床

第三节 典型的数控系统

1．日本FANUC系列数控系统
FANUC公司生产的CNC产品主要有FS3、FS6、FS0、FS10/11/12、FS15、FS16、FS18和FS21/210等系列。目前，我国用户主要使用的有FS0系列、FS15、FS16、FS18和FS21/210等系列。
(1) FS0系列。它是可组成面板装配式的CNC系统，易于组成机电一体化系统。FS0系列有FS0－T、FS0－TT、FS0－M、FS0－ME、FS0－G和FS0－F等型号。T型用于单刀架单主轴的数控车床，TT型用于单主轴双刀架或双主轴双刀架的数控车床，M型、ME型用于数控铣床或加工中心，G型用于数控磨床，F型是对话型CNC系统。
(2) FS15系列。它是FANUC公司较新的32位CNC系统，被称为AICNC系统(人工智能CNC)。该系列是按功能模块结构构成的，可以根据不同的需要组合成最小至最大系统，控制轴数从2根到15根，同时还有PMC的轴控制功能，可配备有7、9、11和13个槽的控制单元母板，用于插入各种印刷电路板，采用了通信专用微处理器和RS-422接口，并有远距离缓冲功能。该系列CNC系统主要适用于大型机床、复合机床的多轴控制和多系统控制。
(3) FS16系列。它是在FS15系列之后开发的产品，其性能介于FS15和FS0系列之间。它采用薄型TET(薄膜晶体管)彩色液晶显示。
(4) FS18系列。它是紧接着FS16系列推出的32位CNC系统。其功能在FS15和FS0系列之间，但低于FS16系列。它采用高密度三维安装技术、四轴伺服控制、二主轴控制，且集成度更高。它采用TET彩色液晶显示，画面上可显示电机波形，便于调整控制。在操作、机床接口和编程等方面均与FS16系列有互换性。
(5) FS21/210系列。它是FANUC公司最新推出的系统，适用于中小型数控机床。

2．德国SIEMENS公司的SINUMERIK系列数控系统
SINUMERIK系列数控系统主要有SINUMERIK3、SINUMERIK8、SINUMERIK810/820、SINUMERIK850/880和SINUMERIK840等产品。
(1) SINUMERIK8系列。该系列产品生产于20世纪70年代末。Sinumerik 8M/8ME/8ME-C、Sprint 8M/8ME/8ME-C主要用于钻床、镗床和加工中心等机床。Sinumerik 8MC/8MCE/8MCE-C主要用于大型镗铣床。Sinumerik 8T/Sprint 8T主要用于车床。其中，Sprint系列具有蓝图编程功能。
(2) SINUMERIK810/820系列。该系列生产于20世纪80年代中期。810/820在体系结构和功能上相近。
(3) SINUMERIK840D系列。该系列生产于1994年，是新设计的全数字化数控系统，具有高度模块化及规范化的结构。它将CNC和驱动控制集成在一块板子上，将闭环控制的全部硬件和软件集成在一平方厘米的空间中，便于操作、编程和监控。
(4) SINUMERIK810D系列。该系列生产于1996年，810D是在840D基础上开发的新CNC系统。它第一次将CNC和驱动控制集成在一块板上，其CNC与驱动之间没有接口。810D配备了功能强大的软件，提供了很多新的使用功能，如提前预测功能、坐标变换功能、固定点停止功能、刀具管理功能、样条插补功能、压缩功能和温度补偿功能等，极大地提高了其应用范围。
1998年，在810D的基础上，SIEMENS公司又推出了基于810D系统的现场编程软件ManulTurn和ShopMill。前者适用于数控车床的现场编程，后者适用于数控铣床的现场编程。操作者无需专门的编程培训，使用传统操作机床的模式即可对数控机床进行操作和编程。
近几年来，SIEMENS公司又推出了SINUMERIK802系列CNC系统，有802S、802C、802D等型号。
3．华中数控系统HNC
HNC是武汉华中数控研制开发的国产型数控系统。它是我国863计划的科研成果在实践中应用的成功项目，已开发和应用的产品有HNC－1和HNC－2000两个系列，共计16种型号。
(1) 华中1型数控系统。该数控系统有HNC－1M铣床、加工中心数控系统，HNC－1T车床数控系统，HNC－1Y齿轮加工数控系统，HNC－1P数字化仿形加工数控系统，HNC－1L激光加工数控系统，HNC－1G五轴联动工具磨床数控系统和HNC－1FP锻压、冲压加工数控系统，HNC－1ME多功能小型数控铣系统，HNC－1TE多功能小型数控车系统和HNC－1S高速珩缝机数控系统等。
(2) 华中2000型数控系统。HNC－2000型是在HNC－1型数控系统的基础上开发的高档数控系统。该系统采用通用工业PC，TFT真彩液晶显示，具有多轴多通道控制功能和内装式PC，可与多种伺服驱动单元配套使用，具有开放性好，结构紧凑，集成度高，性价比高和操作维护方便等优点。同样，它也有系列派生的数控系统HNC－2000M、HNC－2000T、HNC－2000Y、HNC－2000L、HNC－2000G等。
此外，国产的数控系统还有航天?型和蓝天?型，它们采用前后台结构，为多机数控系统。

第二章 数控铣床的工艺基础
第一节 数控铣床的类型

1．数控铣床按其主轴位置的不同分三类
（1）数控立式铣床 其主轴垂直于水平面。
（2）卧式数控铣床 其主轴平行于水平面。为了扩大加工范围和扩充功能，卧式数控铣床通常采用增加数控转盘或万能数控转盘来实现4至5坐标，进行“四面加工”。
（3）立、卧两用数控铣床 它的主轴方向可以更换（有手动与自动两种），既可以进行立式加工，又可以进行卧式加工，其使用范围更广。当采用数控万能主轴头时，其主轴头可以任意转换方向，可以加工出与水平面呈各种不同角度的工件表面。当增加数控转盘后，就可以实现对工件的“五面加工”。

a)卧式升降台铣床 b)立式升降台铣床 c)龙门式轮廓铣床 d)卧式镗铣床

第二节 数控铣床及加工中心的刀具

一、 孔加工刀具

中心钻、麻花钻（直柄、锥柄）、扩孔钻、锪孔钻、铰刀、镗刀、丝锥等，如图4-8所示。

（a）中心钻 （b）麻花钻 （c）扩孔钻

（d）锪孔钻 （e）铰刀

（f）丝锥 （g）镗刀
二、铣刀
1．数控铣削刀具的基本要求
（1）铣刀刚性要好 目的有二：一是为提高生产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。
（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很快，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，也会使工件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。
2．常用铣刀的种类
（1）面铣刀

（2）立铣刀

a) 硬质合金立铣刀 b) 高速钢立铣刀
（3）模具铣刀
模具铣刀由立铣刀发展而成，它是加工金属模具型面的铣刀的通称。刀头的形式：
1）圆锥形立铣刀（圆锥半角＝3°、5°、7°、10°）
2）圆柱形球头立铣刀
3）圆锥形球头立铣刀
柄部形式：直柄、削平型直柄和莫氏锥柄等。

高速钢模具铣刀
a） 圆锥形立铣刀 b）圆柱形球头立铣刀 c）圆锥形球头立铁刀

硬质合金模具铣刀

（4）键槽铣刀
它有两个刀齿，圆柱面和端面都有切削刃，端面刃延至中心，既象立铣刀，又像钻头。用键槽铣刀铣削键槽时，先轴向进给达到槽深，然后沿键槽方向铣出键槽全长。由于切削力引起刀具和工件的变形，一次走刀铣出的键槽形状误差较大，槽底一般不是直角。为此，通常采用两步法铣削键槽，即先用小号铣刀粗加工出键槽，然后以逆铣方式精加工四周，可得到真正的直角。

键槽铣刀

（5）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

球头铣刀
（6）鼓形铣刀
右图所示的是一种典型的鼓形铣刀，它的切削刃分布在半径为R的圆弧面上，端面无切削刃。加工时控制刀具上下位置，相应改变刀刃的切削部位，可以在工件上切出从负到正的不同斜角。R越小，鼓形刀所能加工的斜角范围越广，但所获得的表面质量也越差。这种刀具的缺点是刃磨困难，切削条件差，而且不适于加工有底的轮廓表面，主要用于对变斜角面的近似加工。

（7）锯片铣刀
锯片铣刀可分为中小型规格的锯片铣刀和大规格锯片铣刀（GB6130—85），数控铣和加工中心主要用中小型规格的锯片铣刀。锯片铣刀主要用于大多数材料的切槽、切断、内外槽铣削、组合铣削、缺口实验的槽加工、齿轮毛坯粗齿加工等。

3．铣削刀具的选择
（1）铣刀类型的选择
选取刀具时，要使刀具的尺寸与被加工工件的表面尺寸和形状相适应。

• 加工较大的平面应选择面铣刀
• 加工平面零件周边轮廓、凹槽、较小的台阶面应选择立铣刀
• 加工空间曲面、模具型腔或凸模成形表面等多选用模具铣刀；加工封闭的键槽选用键槽铣刀
• 加工变斜角零件的变斜角面应选用鼓形铣刀
• 加工立体型面和变斜角轮廓外形常采用球头铣刀、鼓形刀
• 加工各种直的或圆弧形的凹槽、斜角面、特殊孔等应选用成形铣刀

第三节 数控铣床夹具

一、夹具的要求

1.为保持工件在本工序中所有需要完成的待加工面充分暴露在外，夹具要做得尽可能开敞，因此夹紧机构元件与加工面之间应保持一定的安全距离，同时要求夹紧机构元件能低则低，以防止夹具与铣床主轴套筒或刀套、刃具在加工过程中发生碰撞。
2.为保持零件安装方位与机床坐标系及编程坐标系方向的一致性，夹具应能保证在机床上实现定向安装，还要求能协调零件定位面与机床之间保持一定的坐标联系。
3.夹具的刚性与稳定性要好。尽量不采用在加工过程中更换夹紧点的设计，当非要在加工过程中更换夹紧点不可时，要特别注意不能因更换夹紧点而破坏夹具或工件定位精度。

二、常用夹具种类
（1）万能组合夹具 适合于小批量生产或研制时的中、小型工件在数控铣床上进行铣削加工。
（2）专用铣削夹具 这是特别为某一项或类似的几项工件设计制造的夹具，一般在年产量较大或研制时非要不可时采用。
（3）多工位夹具 可以同时装夹多个工件，可减少换刀次数，也便于一面加工，一面装卸工件，有利于缩短辅助时间，提高生产率，较适宜于中批量生产。
（4）气动或液压夹具 适用于生产批量较大，采用其他夹具又特别费工、费力的工件，能减轻工人劳动强度和提高生产率，但此类夹具结构较复杂，造价往往较高，而且制造周期较长。
（5）通用铣削夹具 一次安装工件，同时可从四面加工坯料。

三、数控铣削夹具的选用原则
在选用夹具时，通常需要考虑产品的生产批量、生产效率、质量保证及经济性，选用时可参照下列原则：
（1）在生产量小或研制时，应广泛采用万能组合夹具，只有在组合夹具无法解决工件装夹时才考虑采用其他夹具。
（2）小批量或成批生产时可考虑采用专用夹具，但应尽量简单。
（3）在生产批量较大时可考虑采用多工位夹具和气动、液压夹具。

四、工件的安装
（一）用机用平口钳安装工件
机用平口钳适用于中小尺寸和形状规则的工件安装，它是一种通用夹具，一般有非旋转式和旋转式两种，前者刚性较好，后者底座上有一刻度盘，能够把平口钳转成任意角度。安装平口钳时必须先将底面和工作台面擦干净，利用百分表校正钳口，使钳口与横向或纵向工作台方向平行，以保证铣削的加工精度，如图右所示。数控铣床上加工的零件多数为半成品，利用平口钳装夹的工件尺寸一般不超过钳口的宽度，所加工的部位不得与钳口发生干涉。平口钳安装好后，把工件放入钳口内，并在工件的下面垫上比工件窄、厚度适当且要求较高的等高垫块，然后把工件夹紧。为了使工件紧密地靠在垫块上，应用铜锤或木锤轻轻的敲击工件，直到用手不能轻易推动等高垫块时，最后再将工件夹紧在平口钳内。工件应当紧固在钳口比较中间的位置，装夹高度以铣削尺寸高出钳口平面 3～5mm 为宜，用平口钳装夹表面粗糙度较差的工件时，应在两钳口与工件表面之间垫一层铜皮，以免损坏钳口，并能增加接触面。下图所示为使用机用平口钳装夹工件的几种情况。

（a）正确的安装

（b）错误的安装
　机用平口钳的使用
（二）用组合压板安装工件
对于体积较大的工件大都用组合压板来装夹，根据图纸的加工要求，可将工件直接压在工作台面上，图a所示，这种装夹方法不能进行贯通的挖槽或钻孔加工等；也可在工件下面垫上厚度适当且要求较高的等高垫块后再将其压紧，图b所示，这种装夹方法可进行贯通的挖槽或钻孔加工。

（a） （b）
组合压板安装工件的方法
1-工作台　2-支承块　3-压板　4-工件　5-双头螺柱　6-等高垫块
使用压板时应注意以下几点：
1.必须将工作台面和工件底面擦干净，不能拖拉粗糙的铸件、锻件等，以免划伤台面。在工件的光洁表面或材料硬度较低的表面与压板之间，必须安置垫片（如铜片或厚纸片），这样可以避免表面因受压力而损伤。
2.压板的位置要安排得妥当，要压在工件刚性最好的地方，不得与刀具发生干涉，夹紧力的大小也要适当，不然会产生变形。
3.支撑压板的支承块高度要与工件相同或略高于工件，压板螺栓必须尽量靠近工件，并且螺栓到工件的距离应小于螺栓到支承块的距离，以便增大压紧力。螺母必须拧紧，否则将会因压力不够而使工件移动，以致损坏工件、机床和刀具，甚至发生意外事故。
（三）用精密治具板安装工件

HT系列　 HL系列

　　　　　 HC系列

HP系列 HM系列

HH系列
精密治具板的各种系列

精密治具板具有较高的平面度、平行度及表面粗糙度，工件或模具可通过尺寸大小选择不同的型号或系列，如图所示。有些工件或大型模具在装夹后必须同时完成整个表面、外形、型腔及孔的加工才能保证其精度要求时，采用HP、HH、HM系列精密治具板安装，装夹前必须在工件底平面合适的位置加工出深度适宜的工艺螺钉孔（在加工模具时，其工艺螺钉孔位置应考虑到今后模具安装时能被利用掉），利用内六角螺钉将工件锁紧在精密治具板上（在加工贯通的型腔及通孔时，必须在工件与精密治具板之间合适的位置放入等高垫块），然后再将精密治具板安装在工作台面上。一些工件在使用组合压板装夹，工作台面上的T形槽不能满足安装要求时，采用HT、HL、HC系列精密治具板安装，利用组合压板将工件装夹在精密治具板上，然后再将精密治具板安装在工作台面上，这类系列的精密治具板还适用于零件尺寸较小时的多件一次性装夹加工。
（四）用精密治具筒安装工件
在加工表面相互垂直度要求较高的工件时，多采用精密治具筒安装工件。精密治具筒具有较高的平面度、垂直度、平行度及表面粗糙度，如图所示。

BJB系列　　　　　　　 　　　HJC系列　　　　　　 　　　　　HIB系列
精密治具筒的各种系列

（五）用其它装置安装工件
1.用万能分度头安装
分度头是铣床常用的重要附件，能使工件绕分度头主轴轴线回转一定角度，在一次装夹中完成等分或不等分零件的分度工作，如加工四方、六角等。
2.用三爪卡盘安装
将三爪卡盘利用压板安装在工作台面上，可装夹圆柱形零件。在批量加工圆柱工件端面时，装夹快捷方便，例如铣削端面凸轮、不规则槽等。
（六）用专用夹具安装工件
为了保证工件的加工质量，提高生产率，减轻劳动强度，根据工件的形状和加工方式可采用专用夹具安装。
近年来，为了解决专用夹具的专用性和产品品种的多变性之间的矛盾，按“积木”的方法而设想发展了组合夹具。它是由各种不同形状、规格、尺寸的标准件，根据被加工件形状和工序要求，装配成各种夹具。用完之后，便可拆开、清洗，再重新组装成其它夹具。

五、工件的校正
1.工件的校正
工件利用上述任一方法安装后必须进行找正（在安装时首先应目测工件，使其大致与坐标轴平行），找正一般用百分表或杠杆表与磁性表座配合使用来完成。根据找正需要，可将表座吸在机床主轴、导轨面或工作台面上，百分表安装在表座接杆上，使测头轴线与测量基准面相垂直，测头与测量面接触后，指针转动2mm左右，移动机床工作台，校正被测量面相对于X、Y或Z轴方向的平行度或平面度。使用杠杆表校正时杠杆测头与测量面间成约15°的夹角，测头与测量面接触后，指针转动0.5mm左右。百分表与杠杆表的安装与使用如图所示。

（a）百分表的安装 （b）百分表的使用

（c）杠杆表的安装 （d）杠杆表的使用
百分表与杠杆表的安装与使用
利用平口钳装夹的工件，必须先校正平口钳固定钳口与工作台某一移动方向的平行度与垂直度，工