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复合加工是数控机床的一个重要技术发展趋向。本文介绍了复合加工的基本概念，并分别阐述了棱柱体类零件和回转体类零件复合加工机床的发展过程与现状。


概述
在面向大批大量生产的组合机床上，多工序复合加工概念便已得到一定的体现，但这属於刚性自动化范畴。而当今所谓复合加工，则是指在柔性自动化的数控加工条 件下，当工件在机床上一次装夹後，能自动进行同一类工艺方法的多工序加工(比如同属切削方法的车、铣、钻、镗等加工)或者不同类工艺方法的多工序加工(比 如切削加工和激光加工)，从而能在一台机床上顺序地完成工件的全部或大部分加工工序。


显而易见，把许多加工工序集中到一台机床上完成，不仅消除了分散加工时工件在各工序流通过程中的运输和等待时间，相应缩短工件的加工周期和降低车间的在制 品数量，而且由于工件不需要在不同(或同一)机床上重新定位装夹，从而既减少了加工辅助时间，又提高了工件的加工精度特别是形位精度。所以自数控机床发明 以来，复合加工便是其重要的技术发展方向之一。1958年问世的加工中心，便是最早出现的复合加工数控机床。


下文将分别对棱柱体类零件(如箱、壳、板等)和回转体类零件(如轴、套、盘等)的复合加工机床进行阐述，重点放在充满生机和活力的回转体类零件复合加工上。


棱柱体类零件的复合加工机床
加工中心是通过自动换刀和工作台分度来对棱柱体类零件进行多工序(铣、钻、镗、攻丝等)和多面复合加工的。实践证明，加工中心确实有利于解决中、小批量机 械制造企业交货期长、资源利用率低、在制品多和资金周转慢的弊端，因而在工业生产中获得愈来愈普遍的应用。据专家估算，2001年全世界加工中心的拥有量 已超过40万台，同年全球的产量也近5万台，加工中心业已成为机械制造业的主力加工设备。


其后，人们又通过加工中心主轴头自动旋转90度立卧转换等方式，使加工中心不仅可以加工箱体件的4个侧面，而且可以加工第5个面－顶面，从而纷纷推出所谓 5面加工中心，这也可以算作加工中心复合加工功能的一个提高。近年来，随着5轴联动数控系统和编程软件的降价与普及，5轴联动的5面(或多面)加工中心已 经成为近期国际机床展一个新的热点。最近推出的可在一次装夹下对棒料的6个面进行铣、钻等加工的棒料加工中心，则是加工中心多面复合加工能力的新发展。


棱柱体类零件方面不同工艺方法的复合加工，目前引人瞩目的倾向是切削加工与激光加工或超声加工相复合。德国DMG公司几年前就在高速铣床的基础上增加了一 个激光加工头，推出了铣削与激光复合加工的机床DMU60L(现在的型号是DML60HSC)。该机装有1个功率为100W的Q开关YAG激光器，光束直 径0.1mm、加工效率20mm3/min。工件(主要是模具)在这种机床上一次装夹后，先用高速铣头完成绝大部分工作量，再用激光头以层切方式进行精加 工，去掉型面的铣削痕迹和加工出精细部分，包括雕刻花纹和图案。


玻璃、陶瓷、硬质合金等硬脆材料，用传统的工艺方法是很难加工的，然而，如果在传统的铣削、钻削、磨削的过程中加上高频振动运动，即把超声技术与切削加工 技术相结合，则加工效率会显着提高。德国DMG公司之DMS系列超声加工机床，就是借助主轴上的转换器把超声发生器的电气高频信号转换成20KHz的机械 振动运动(纵向运动)，然后由调压器放大和控制振动幅值，再通过获得专利的Sauer圆锥形刀夹，把振动全部传给金刚石颗粒制成的铣刀、钻头或砂轮，使刀 具在加工过程中对工件表面进行20,000次/秒的连续敲击，将零件表面材料以微小颗粒形式分离出来。不仅其加工效率比传统方式提高5倍，而且表面粗糙度 也可达到Ra<0.2μm。DMS系列超声加工机床，有3轴联动控制和5轴联动控制两种类型，主轴转速20～6000r/min，还可选配刀库和自 动换刀装置，从而成为既具有超声加工功能，又能进行钻、铣、磨等多工序复合加工的机床。


回转体类零件的复合加工机床
车削中心的发展
有相当一部分回转体类零件(有人估计占1/2左右)，除了车削外，还需要进行铣削、钻孔、攻丝等操作，加上回转体件每道工序的加工时间相对较短，因此迫切 需要在一台机床上一次装夹下对回转体件进行多工序复合加工，从而终於在上世纪70年代开发出车削中心。与普通数控车床相比，车削中心的转塔刀架上装有可使 铣刀、钻头、丝锥旋转的动力刀具，同时机床主轴上还具有可按数控程序精确分度和与X轴或(和)Z轴进行插补联动的C轴功能。这种能在一次装夹下对回转体件 进行车、铣、钻、镗、攻丝的3轴(X、Z、C)控制车削中心，迄今仍是工业生产中用得最多的回转体件复合加工机床。
其后，车削中心又进一步向扩大加工工艺范围方向发展，为了钻削或铣削偏离回转体件中心线的孔或槽，又开发出带Y轴控制的转塔刀架，并相应推出了4轴(X、Y、Z、C)控制的车削中心。


不过，单主轴车削中心无论怎样扩大工艺范围，仍无法解决回转体件在一次装夹下的背面二次加工(即工件夹持端的加工)问题，因而在上世纪80年代又出现了双 主轴车削中心。这种机床的两根主轴大多是在同一轴线上对置排列，以便在加工完回转体件的主要一端后，由第二主轴将工件从主轴上自动摘取过来以加工夹持端。 由于夹持端的加工任务一般都相对简单一些，故第二主轴通常称为副主轴，其功率也相对小一点。双主轴车削中心可以配一个刀架，但大多是两个刀架，以利于提高 加工效率和更充分发挥机床设备的潜能。


双主轴车削中心的布局各式各样，图3所示Hardinge公司的双主轴车削中心具有典型性。该机在床身上方的同一轴线上，配备有相互对置的主轴(18.65kW)和副主轴(11kW)，两主轴的转速均为
40~4000r/min， 并都可以有C轴控制，副主轴还可沿轴线方向运动以摘取在主轴上加工完一端的工件。在主轴的上方和副主轴的下方各配有一个10刀位的转塔刀架，转塔刀架上每 个刀位均可配备功率为3.7kW、转速为80～8000r/min的动力刀具，上刀架为3轴(X1、Y1、Z1)控制，下刀架为2轴(X2、Z2)控制。


车铣中心的兴起
从车削中心基础上发展起来，90年代后期开始成为热点的5轴控制(X、Y、Z、B、C)车铣中心，则不仅进一步增加了B轴控制(使刀架绕Y轴转动)，以钻 斜孔和铣斜面，并且不采用车削中心传统的转塔刀架型式，而代之以高转速和更大功率的电主轴刀架。由于刀架上这根电主轴每次只能装1把刀具(车削时电主轴被 锁住，不转动)，故也要像加工中心那样配备自动换刀机构和刀库。这种机床的铣、钻能力相当於1台小型乃至中型加工中心，其实质是把数控车床和加工中心融为 一体，故命名为车铣中心。


日本山崎马扎克公司在CIMT 2003上展出的车铣中心Integrex 200-ⅢST，是该公司Integrex系列中较新的一种，增加了可沿X2和Z2轴运动的下转塔刀架。机床上对置排列有主轴和副主轴，两主轴最高转速均 为5000r/min，功率分别为22/15kW和18/15kW。主轴的C轴功能最小分度值0.0001°，可实现轮廓加工，副主轴则能沿主轴中心线移 动以摘取工件。上面的电主轴刀架除可沿X1、Z1轴移动外，还有Y轴行程±80mm、B轴转角225°，电主轴上的刀具自然可以更换，相应的刀库容量20 把(任选40或60把)，换刀时间1.3s(刀到刀)。为了减少换刀次数，Mazak公司开发了一种名为Flash Tool的圆柱形刀柄，沿刀柄圆周上安装有多个刀片而成为复合刀具，在加工过程中可以充分利用这种复合刀具上的不同刀片以及同一刀片上的不同刃边(电主轴 分度後可在不同方位被锁住)，使其最多能代替12把不同的刀具使用。


车铣中心多为卧式布局，但也有类似于立式车床布局的车铣中心，以加工大直径、短长度的回转体零件。比如Mazak公司的Integrex V系列立式车铣中心，其回转工作台是为强功率、高精度车削加工大直径零件设计的，但同时也秉承了Integrex机床的设计思路，除有X、Y、Z三个移动 轴外，还有控制工作台回转的坐标轴，特别是安装刀具的电主轴(需要自动换刀)可在立/卧范围内摆动，从而好似把1台数控立式车床和1台可进行立卧转换的多 面加工中心集成在一起。


除了上述从数控车床基础上发展起来的车铣中心外，近期又从加工中心基础上派生出另一类车铣中心。这类车铣中心工作台回转速度高于原来的加工中心，同时机床 的(电)主轴还要能被锁住而且可以装上车削刀具，德国DMG公司新近开发的车铣中心DMU80FD便属於这一类型。DMU80FD的结构与该公司DMU P系列加工中心完全相同，而且具有P系列加工中心的5轴和5面高速铣削等全部加工功能，该机工作台采用了直接驱动技术，最高转速为500r/min，同时 机床主轴的最高转速也达12000r/min，因此工件在这种机床上一次装夹後便可高效率地实现5面和5轴加工以及从铣、钻、镗、攻丝到车削的复合加工。


不同工艺方法的复合加工及新兴的车磨中心
10年前，德国Traub公司就可提供配备有YAG激光头的车削中心，但应用较少并未形成潮流。上文所述的Integrex 200-ⅢST车铣中心，也能为回转体件提供可实现其它加工工艺方法的各种选件，例如可以提供激光淬火装置和砂轮轴，能够在车、铣、钻、镗等操作之后进行 表面淬硬和内、外圆磨削。不过从目前情况看，这类不同工艺方法的复合加工，一般更适合在单件和批量较小的条件下使用。但也不尽然，近年来出现的车磨中心， 就适合包括汽车制造等大批量生产在内的各种批量生产情况使用。

现在市场上所谓的车磨中心，是指对淬硬的回转体件进行硬车和精磨的复合加工机床。1998年德国Emag公司展出了全球首台倒置式车磨中心，2000年投 入生产使用。图7所示的Emag车磨中心，配置有车刀和磨削主轴的转塔刀架在主轴下方，只进行分度转动不移动，主轴在上作X轴和Z轴运动(由主轴内的套筒 完成Z轴运动)并负责上下料。它主要用於加工淬硬的盘、套类零件，如传动齿轮、滑动联轴器、外星轮、轴承环等。凡是硬车能达标的部位都由车削完成，需要磨 削的部位硬车后也只留下几μm的余量，这样不仅生产效率高，而且加工质量好。如今Emag的车磨中心已有多种类型，其中有的还增加了Y轴控制功能，刀具配 置则更加灵活，根据需要最多可配置4个磨削轴、12把车刀。


德国Schaudt Mikrosa BWF公司最近推出了另一种结构型式的车磨中心STRATOS。这种车磨中心没有转塔刀架、刀具(车刀、内圆与外圆磨削装置)在主轴下方沿X向的T形槽柔 性配置而形成不同的工位(最多为5个工位)，居於上方的主轴可进行X轴(由直线电机驱动)和Z轴移动并能自动上下料。在主轴旁边还配备有砂轮修整系统、磨 削区和车削区则采用隔断门分开。 多工序复合磨削
对于回转体工件而言，完全可以在数控磨床上实现多工序复合磨削。比如数控外圆磨床，一般有控制砂轮架前后移动的X轴，控制工作台左右移动的Z轴，并可配备 控制工件主轴旋转的C轴。借助X轴和C轴的联动控制，可以磨削不同心的圆形表面和各种非圆形表面，通过C轴和Z轴的联动控制，可以磨削螺纹，若再加上砂轮 架绕中心回转的B轴，则可自动磨削各种锥度。同样的道理，工件在数控凸轮磨床上一次装夹后，可以磨削凸轮轴的桃形、主轴颈、止推面和端部，数控曲轴磨床则 可在一次装夹下磨削曲轴的主轴颈和曲柄销(比如德国Schaudt Mikrosa BWF公司的ZEUS磨床)。


世界上颇有名声的德国Junker公司的高速点磨(Quickpoint Grinding)外圆磨床，就是使用宽度为4～6mm的薄砂轮，在砂轮轴线与工件轴线成一倾角的条件下进行磨削(这时砂轮与工件理论上变为点接触，故称 点磨)。凭借此种磨床的数控(联动)功能，在工件一次装夹的条件下可以用高达140m/s的磨削速度对工件的锥面、台肩、外圆、螺纹、圆角和非圆表面进行 多工序复合磨削。此外，市场上还流行一种在一次装夹条件下磨削轴类零件外圆、端面和内孔的复合磨床，在它的回转式砂轮架上装有2个外圆砂轮(或外圆、端面 砂轮各1个)和1个内圆磨头，通过砂轮架的回转分度来实现内外圆及端面磨削。这种数控磨床在X轴和Z轴的基础上增加了控制砂轮架回转的B轴，还可选配控制 工件主轴回转的C轴，瑞士Studer公司的S21和S31磨床便是此类复合磨床的代表。


结语
采用多工序复合加工数控机床，无疑可以显着缩短工件加工的过程链，因而愈来愈受到多品种、中小批量机械制造企业的青睐。现在，随着消费的个性化和产品更新 换代速度的加快，大批大量生产的柔性化已是大势所趋，工序分散的刚性自动化装备已开始部分被工序集中的柔性自动化装备所取代。所以总的说来，柔性自动化条 件下的复合加工具有发展潜力，特别是不同工艺方法的复合加工，目前发展得尚不充分。


虽然复合加工是发展方向，但从装备结构设计和加工经济性的角度看，数控机床多工序复合加工能力还是有一个界线为好。以面向回转体件的数控机床为例，目前的 工序集中度基本上以热处理为分界线，而且在多数情况下，齿形等特殊加工仍以使用专门化机床为宜。在一台机床上一次装夹下从毛坯到成品的全部加工，当前仅仅 适用于一定范围的零件和生产方式。


总的来说，复合加工技术的发展需要从三个方面一起推进：一是复合加工机床设计制造技术的优化改进；二是相应的高性能数控系统的发展；三是应用技术水平的提 高。应该看到，车铣中心、五轴五面加工中心等高层次复合加工机床能否在工业生产中成功运行，与应用技术水平密切相关，特别是应用技术中的编程技术(含後置 处理)、防止干涉和碰撞的仿真检查技术、刀具技术等至关重要。
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最 先装备在 Cincinnati Lamb公司新开发的HyperMach(超高速)系列滑轨式板(料)铣床上的A/B回转工作头一开始并没有引起航天工业用户的注意。但由于A/B回转工 作头以具有可使铣削头的主轴沿A轴和B轴两个方向摆动，能高效率实现5轴加工为主要特点。同时A/B回转工作头还具有用户所期望的诸如结构紧凑、传递功率 大、刚性好等优点，所以成为高进给速度下进行重切削的最好选择。尤其最突出的是在单件的铝合金航空零件高速铣削中发挥出的极高生产效率，更是受到用户的好 评。

对于HyperMach系列立式加工机床，引起用户首先注意是机床的加工范围大、切削速度高、进给速度大和机床功率大等。例如，在肯塔基州的 Hebron生产、2004年春天出厂的一批滑轨式板铣床，X轴的工作行程为21,336mm，Y轴工作行程3,250 mm，两轴的进给速度为60.96 m/min.机床就配备了由 Fischer 公司生产的主轴功率为100 kW、最高转速为18,000r/min的 A/B回转工作头、并配套有HSK100-A刀夹。机床选择了Siemens 840D数字化控制器和伺机服系统，以及由Siemens公司提供的直线电机等。

Cincinnati Lamb机床中的A/B回转工作头是以模块附件形式向用户提供。按照产品开发经理 Randy Von Moll所说，回转工作头的A/B两轴均由滚珠丝杠驱动，结构简单、性能可靠、使用方便。与装配在Z轴滑轨上的A/C万向工作头(该工作头多在航空和航天 工业使用的高速靠模铣床和刨床上可以看到)相比，具有结构紧凑、较轻重量和很好的刚性等特点，他说，A/B回转工作头还配备有HSK100-A刀具夹头， 与HSK63-A通用刀具夹头相比，具有能承受较大的径向力和微小的碰撞损害等优点 。虽然 A/B 回转工作头能在5轴联动加工中实行倾斜和回转，但其回转运动只局限于±40°的范围。但能两个方向回转的优点帮助机床实现了尺寸和重量的最小化，所以它可 用于加工航空和航天工业中几何形状复杂的型腔隔板和类似的使A/B回转工作头倾斜和回转一般都不会超过±30°的零件。当然廉价的能调整范围为90°的铣 削头附件可在一次装夹中进行超过±40°的范围的钻削或铣削加工，但它只能一个方向回转。

铣削头的A/B 两轴均由滚珠丝杠驱动，性能可靠，加工精度高。

据vonmoll先生介绍，公司的HyperMach系列产品的设计目标是生产出还具有以下特点的高性能机床：


最低的资本投入 。
最低的年度费用消耗。
为减少寿命周期成本，要求安装简单和维修方便。
公司已能满足这些目标，他说，因为在HyperMach系列产品开发中，对设计好的产品都进行了详尽的计算机模拟试验，其中包括为进行好模拟试验而开发出 一个能真实反映出机床在CNC系统控制下进行工作的有关性能特征的计算机模型。由模拟试验证明，机床在高切削速度和高进给速度加工过程中，实际的静、动态 特性等有关性能特征的所有技术指标完全满足设计图纸和使用要求
HyperMach系列产品的模块化设计也可帮助制造厂降低生产费用。通过复合和匹 配模数化部件、 多样化结构的 hypermach系列产品零部件模块，组装成流水生产线用机床。例如：为在零件的五个侧面进行铣削或钻加工铝合金和形状复杂的复合材料，可以选择A/C 万向工作头替换A/B回转工作头(只说明一种可能性)。也可以选择模数化部件复合和匹配成滑轨立柱移动式结构、龙门式工作台型机床，还有龙门式双工作台板 铣床和双主轴龙门式铣床等 。

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插 铣法(plunge milling)又称为Z轴铣削法，是实现高切除率金属切削最有效的加工方法之一。对于难加工材料的曲面加工、切槽加工以及刀具悬伸长度较大的加工，插铣 法的加工效率远远高于常规的端面铣削法。事实上，在需要快速切除大量金属材料时，采用插铣法可使加工时间缩短一半以上。此外，插铣加工还具有以下优点：① 可减小工件变形；②可降低作用于铣床的径向切削力，这意味着轴系已磨损的主轴仍可用于插铣加工而不会影响工件加工质量；③刀具悬伸长度较大，这对于工件凹 槽或表面的铣削加工十分有利；④能实现对高温合金材料(如Inconel)的切槽加工。插铣法非常适合模具型腔的粗加工，并被推荐用于航空零部件的高效加 工。其中一个特殊用途就是在三轴或四轴铣床上插铣加工涡轮叶片，这种加工通常需要在专用机床上进行。插铣涡轮叶片时，可从工件顶部向下一直铣削到工件根 部，通过X-Y平面的简单平移，即可加工出极其复杂的表面几何形状。实施插铣加工时，铣刀切削刃由各刀片廓形搭接而成，插铣深度可达250mm而不会发生 振颤或扭曲变形，刀具相对于工件的切削运动方向既可向下也可向上，但一般以向下切削更为常见。插铣斜面时，插铣刀沿Z轴和X轴方向作复合运动。在某些加工 场合，也可使用球形铣刀、面铣刀或其它铣刀进行铣槽、铣型面、铣斜面、铣凹腔等各种加工。专用插铣刀主要用于粗加工或半精加工，它可切入工件凹部或沿着工 件边缘切削，也可铣削复杂的几何形状，包括进行挖根加工。为保证切削温度恒定，所有的带柄插铣刀都采用内冷却方式。插铣刀的刀体和刀片设计使其可以最佳角 度切入工件，通常插铣刀的切削刃角度为87°或90°，进给率范围为0.08～0.25mm/齿。每把插铣刀上装夹的刀片数量取决于铣刀直径，例如，一把 直径φ20mm的铣刀安装2个刀片，而一把直径f125mm的铣刀可安装8个刀片。为确定某种工件的加工是否适合采用插铣方式，主要应考虑加工任务的要求 以及所使用加工机床的特点。如果加工任务要求很高的金属切除率，则采用插铣法可大幅度缩短加工时间。另一种适合采用插铣法的场合是当加工任务要求刀具轴向 长度较大时(如铣削大凹腔或深槽)，由于采用插铣法可有效减小径向切削力，因此与侧铣法相比具有更高的加工稳定性。此外，当工件上需要切削的部位采用常规 铣削方法难以到达时，也可考虑采用插铣法，由于插铣刀可以向上切除金属，因此可铣削出复杂的几何形状。从机床适用性的角度考虑，如果所用加工机床的功率有 限，则可考虑采用插铣法，这是因为插铣加工所需功率小于螺旋铣削，从而有可能利用老式机床或功率不足的机床获得较高的加工效率。例如，在一台40级机床上 可实现插铣深槽的加工，而此类机床不适合采用长刃螺旋铣刀进行加工，这是因为螺旋铣削产生的径向切削力较大，易使螺旋铣刀发生振颤。由于插铣加工时径向切 削力较低，因此非常适合应用于主轴轴承已磨损的老式机床。插铣法主要用于粗加工或半精加工，因机床轴系磨损引起的少量轴向偏差不会对加工质量产生较大影 响。作为一种新型数控加工方法，插铣法对CNC加工软件提出了新的要求。目前，在适用软件的开发方面还有许多工作要做，软件供应商正着手改编或重新编制能 够处理大量Z轴代码的加工软件，这种软件必须具有高柔性，以适应各种不同的加工任务。无论对于大金属量切削加工(在模具加工中较为常见)，还是对具有复杂 几何形状的航空零件的加工，插铣法都将是优先考虑的加工手段。与常规加工方法相比，插铣法加工效率高，加工时间短，且可应用于各种加工环境，既适用于单件 小批量的一次性原型零件加工，也适合大批量零件制造，因此是一种极具发展前途的加工技术。
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美 国Turbocam公司生产的Turbocam五轴加工机床是用于加工涡轮机的转子、定子等成套零件。在Turbocam五轴加工机床上加工的材料包括弥 散硬化不锈钢、钛合金、镍合金等，许多工件具有很高的高温强度，很难加工。加工此类材料应采用锋利的正前角刀具，对材料进行“剪切”(而不是“挤压”)加 工，使切削过程的摩擦减至最小。

通常，涡轮压缩机的零件都很复杂，其型腔很深，型腔深部和根部的圆弧半径很小。这就迫使刀具悬伸长度较大，且刀具直径受到限制，使刀具长径比较大。正常立 铣加工的长径比约为4:1，而Turbocam公司常用的长径比达到10:1或20:1。有时我们也用一些很细的刀具，其直径为0.5mm或 0.75mm。对于使用小直径刀具进行深型腔加工和用大长径比刀具加工，直接与刀具的硬度有关，而进给量用多大，切削状态如何，则要看刀具是否有偏斜。

Turbocam公司使用了大量的球头立铣刀。该公司副经理John Bressoud说，为了加工一特殊型面，在切除余量较小时，应使用球头立铣刀。在加工很深的型腔时，因切削负荷较大，则应使用平头立铣刀或带有圆角半径 为0.5mm的平头立铣刀进行精加工。对于球头立铣刀，距球头顶端越远，其切削速度越高，直到刀具最大直径。

Turbocam公司所用的整体硬质合金立铣刀多半是专用的。镶可转位刀片的立铣刀则不太适合Turbocam五轴加工机床对小直径刀具的要求。在 Turbocam五轴加工机床上进行加工时，刀具与机床回转中心的同轴度是一个值得重视的问题。如在宇航工业中，设计者要求导向尖有0.076mm的成形 误差，但刀片的径向跳动过大，达到0.05mm，已占去2/3的公差带，显然不能满足要求。

所以,应该掌握优化工具与工件和机床运动的相互关系。在五轴铣削加工中，理想的方位是刀具移动的方向正交于刀具轴线。Mikron Bostmatic公司的Turbocam五轴加工中心能加工很复杂的型面轮廓。Turbocam failors是精加工用的加工程序。如果有一个精度足够高的平面(比32微英寸还好)，再采用一些精密技术，就可加工出形状误差比±0.0025mm还 小的叶片。当然这要根据零件的大小来决定。

Tech Development公司也是一家制造涡轮机的厂商，专门从事设计、试验和制造涡轮机的相关零件，并能生产磁力轴承等其它产品。该公司应用五轴加工技术 加工复杂型面，除了用Bostomatic五轴机床外，还有Parpas公司生产的大型五轴加工机床。五轴加工技术能使用户在加工复杂零件时，避免刀具上 零速度点参与“切削”，机床能定向刀具，不用球头立铣刀的中心进行切削。在加工中，可采用先进的切削方法，如螺旋切入工件，它比直接切入要容易。值得指出 的是，能在三轴机床上加工的零件，就没有必要在五轴加工机床上去加工。Tech Development公司基本是用整体硬质合金、氮铝钛涂层球头立铣刀和带圆角的立铣刀来加工涡轮机零部件，当加工余量较大时，则在有足够动力的三轴机 床上用高速钢立铣刀进行加工，该立铣刀具有很小的回弹力，切削的速度不是很快，但可用较大的切深，加工效果很好。
选择合适的工具夹紧方式也很重 要。在一些要求精度高的场合，可选用热装工具柄。以前加工涡轮压缩机零部件是采用锥度球头立铣刀，因刀具费用较贵，而且制造公差不符合实际要求，现选用热 装卡头装卡直径为3mm、4mm的球头立铣刀。这种热装卡头运转时同轴度好，刀具与卡头有360°接触。加工出的工件表面光洁度很高。热装卡头外廓可适当 加以修切，以消除有进卡头与工件的干涉。

Stellex公司专门生产涡轮机硬件(叶轮和定子)。该公司商务部副经理Doug Verill说，涡轮压缩机的各类零部件材料各异，从6061铝(一种Al、Mg、Si合金)到Waspaloy(相当于高温合金GH738)， Hastelloy(相当于高温合金GH22)，Haynes188(属Co、Cr、W系高温合金)，甚至陶瓷材料。因此，对于研发新产品在预先考虑选择 刀具时，生产率固然重要，便更应注重质量，在加工关键零件时，宁可多花一些时间，以求刀具在使用中取得更长的寿命和更好的使用效果。在加工涡轮压缩机各类 零件时，该公司总是用标准涂层硬质合金刀具，而且不采用太高的切削速度。对于形状复杂的零件，90%以上都是使用球头立铣刀，为保证刀具具有足够的强度， 刀具沟槽应尽量短一些。在加工国外特殊工件材料时，要保证正常的切削而避免摩擦，也可将工件淬硬，在没有任何振动冲击的情况下，采用高速和小切深的加工方 法。

对于加工有些合金时产生大量的切削热，则应考虑选用适当、有效的冷却方式：一些冷却液可冷却刀具和减少磨损，而不能免除摩擦；另一些冷却液可使摩擦最小化，但不能延长刀具寿命。

关于如何选择立铣刀，美国Kennametal公司市场部经理Steve Abrams认为，在涡轮机零件生产厂铣刀的选择和应用情况是，不同厂家加工同样的材料，所采用的刀具可能会有很大的差别。如一个厂家使用现代化装备，可 能选择生产效率高的刀具，而一些老企业(使用传统的齿轮传动机床的工厂)，可能会要求韧性较好的刀具。此外还要看所选的刀具是否能在市场上买到。

通常，像宇航工业用的钛合金，则要求刀具有较大的螺旋角和较大的前角，这可使刀具在加工时，刀具和工件间的摩擦降至最小。

美国Kennametal IPG′s Hanita生产了一系列的用于粗、精加工高温合金、不锈钢和淬硬钢的立铣刀，可有效减少加工时间。这种称为VariMill的立铣刀综合了抛物面槽形、 不等分刀齿、带有可控后角(已有专利)设计的几个点，避免了由于高速加工震颤导致的共振

Dura铣刀公司副总裁Scatt Walrath认为，当加工国外材料时，每种场合所用的切削参数都不相同。为帮助使用者选择合理的参数，该公司提供了一个刀具用户指南。该指南指导使用者 通过五个步骤来定义所加工的材料。选择刀具、确定径向和轴向切深，然后最终推荐开始时应选取的切削速度与进给量。这些结果说明，不同的合金材料在加工时有 不同的特性。如当用直径为3/8英寸TiAlN涂层硬质合金立铣刀加工Inconel718(硬度＞32HRC)材料时，径向、轴向切深推荐采用3mm， “指南”推荐进给量为2ipr，表面速度为60sfm。另一方面，当加工Inconel600/625(硬度＜32HRC)材料时，在同样进给量和切削深 度的情况下，所推荐的切削速度比加工那些更硬的合金高50%。如果加工了几个工件后，未见刀具磨损，加工时没有产生噪音，说明铣刀工作良好，则还可将其切 削速度调高20%，目的是为了得到最佳的刀具寿命，提高经济效益。
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目 前塑料模具越来越精巧、结构越来越复杂、整副模具越来越精密，模具要求的合模次数接近和超过80万次，国外的塑料模具厂商采用的模具钢材的硬度越来越高， 有的甚至超过HRC 64以上，而模具的交货期却要求越来越短。这些市场特点给模具制造商带来了极大的压力。高速铣削技术的出现为模具制造带来了新的发展机会，尤其在中小型精 密塑料模具加工中显示了巨大的优势。


1. 减少塑料模具加工中的工序数量，缩短模具的交付时间
高速切削的高效率不光体现在减少多少机床加工时间，实际上是减少整体工序时间。采用更高的切削速度，精加工时更少的加工余量，更密的刀轨以及更少的切深， 特别是在自由曲面上(切深一般在0.02至0.1mm,如使用细小刀具直径，如 0.3-0.8mm直径刀具时，切深更小至(0.008-0.02mm),精细、紧密的刀轨一般均会大大提高加工表面的光洁度。以快速精细的轻切削代替常 规的缓慢的重切削，会大大简化以后的工序。例如手工抛光时间可缩短60%-100%，也可减少EDM的工序与时间，这种节约已经在许多国外模具厂商得到了 真实反映。


2. 可加工薄壁的筋和细小直径刀具的清根
由于高速铣削机床大大提高了主轴转速和主轴的动平衡性能以及机床的稳定性，在同样的刀具直径下，可得到更大的切削速度，这样在刀具与工件表面可实现轻切削 的加工方式，大大降低切削区域的切削力。所以可加工0.1mm以上的薄壁或筋，同时对精密模具的小圆角清根带来极大的方便，甚至在模具材料硬度达 HRC54，可使用直径为0.3mm的刀具进行铣削操作。这样可大大减少电极的数量，同时也减少了放电加工时间。
在没有使用高速铣之前，采用雕刻机制造电极，效果不理想。加工中容易断刀，加工效率低、光洁度低、加工材料硬度低，达不到外商的要求。采用高速铣削后大大提高了加工质量和加工效率。3. 提高加工零件的精度
与传统的切削方式相比，高速铣削的切屑形成方式不同，产生的绝大部分的热量由切屑带走，热量不会聚集在加工区域，同时走刀速度比常规走刀速度要快的多，热 量更不容易聚集，材料热变形小的多，保持比较恒定、理想的切削条件，从而保证了工件的加工精度。另外在电极加工中，加工的电极精度高，轮廓形状一致性好， 光洁度高，电极一般不需要抛光处理，不会产生由于手工抛光而影响工件的精度，从而大大提高了模具的制造精度。


4. 高效率的电极加工及更为有效的放电加工
由于高速铣削产生切屑的方式不同和加工热量不易集中的特性，在加工铜电极与石墨电极这些材料时，能提供更快的走刀速度，单位时间内的材料去除率比常规切削 高好几倍，使得电极的粗加工和半精加工的时间大大缩短，同时在精加工中采用高速的轻切削，更细密、精确的刀轨，大大提高了电极的光洁度，节省、甚至取消了 抛光时间。在刀具磨损量非常大的石墨电极加工中，由于应用了PCD(钻石)涂层的刀具，大大降低了刀具的磨损量，使得加工石墨电极中采用高速铣变为可能。 在放电加工工艺中，目前普遍采用粗、精电极加工，而高速切削加工的电极减少或取消了抛光工作，使得电极放电区域一致，提高面接触，放电间隙得到有效的控 制，提高了放电的效率。同时由于可采用更小的刀具直径，使得模具的加工余量减少，因而可以取消粗电极，减少了电极数量并缩短了放电加工的时间。


随着这几年高速铣削技术的发展，高速铣削的外部环境也越来越完善。刀柄、冷却系统、机床结构、主轴转速的不断提高，应用技术的累积等，使得高速铣削技术的 性价比越来越高。高速铣削刀具的不断推陈出新，新的涂层、新的工艺的不断被采用，切削材料硬度不断提高，模具材料能选用越来越硬的材料。目前带动平衡的高 速铣刀能切削超过HRC 64的淬硬钢材料，提高了模具的合模次数。目前拥有高速加工中心的模具厂商普遍采用在普通机床上进行大余量、大刀具的粗加工，然后进行热处理，最后在高速 机床上进行半精加工和精加工，在提高了精度和效率的同时尽可能地降低加工成本。
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说明：上图为顺铣，下图为逆铣。

　　1.一般概念

　　粗加工

　　粗加工是以快速切除毛坯余量为目的，在粗加工时应选用大的进给量和尽可能大的切削深度，以便在较短的时间内切除尽可能多的切屑。粗加工对表面质量的要求不高，刀具的磨钝标准一般是切削力的明显增大，即以后刀面的磨损宽度VB为标准。

　　精加工

　 　在精加工时最主要考虑的是工件表面质量而不是切屑的多少，精加工时通常采用小的切削深度，刀具的副切削刃经常会有专门的形状，比如修光刃。根据所使用的 机床、切削方式、工件材料以及所采用的刀具，可使表面粗糙度达到 Ra1.6µm的水平，在极好的条件下甚至可以达到Ra0.4µm。
在精加工时刀具后刀面的磨损量不再是主要标准，它将让位于工件的表面质量。

　　2.铣削方式

　　顺铣

　　顺铣时切削点的切削速度方向在进给方向上的分量与进给速度方向一致。
顺铣是为获得良好的表面质量而经常采用的加工方法。它具有较小的后刀面磨损、机床运行平稳等优点，适用于在较好的切削条件下加工高合金钢。

　　使用说明：

　　不宜加工表面具有硬化层的工件(如铸件)，因为这时的刀刃必须从外部通过工件的硬化表层，从而产生较强的磨损。
　　如采用普通机床加工，应设法消除进给机构的间隙。

1


　　逆铣

　　逆铣时切削点的切削速度方向在进给方向上的分量与进给速度方向相反。
鉴于采用这种方式会产生一些副作用，诸如后刀面磨损加快从而降低刀片耐用度，在加工高合金钢时产生表面硬化，表面质量不理想等，所以的加工中不常使用。

　　使用说明：必须将工件完全夹紧，否则有抬起工作台的危险。

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一、填空题

1．加工中心是一种带 和 的数控机床。

2．MC机床上的刀具预调是指_____________，一般通过__________预调。

3．高速切削时应使用 类刀柄。

4．在加工中心加工时，零件的定位仍应遵循 。

5．FANUC系统中，程序段G17G16G90X100.0Y30.0中，X指令是 。

6．加工中心中，编程原点与零件定位基准可以不重合，但两者之间必须有 。

7. 宏程序指令 可进行变量的运算。

8. 加工中心通常采用 实现对刀。

9． 是加工中心SIEMENS系统钻削循环的调用格式。

10．适合箱体类零件加工的加工中心是 。

二、判断题

1.( ) 固定循环功能中的K指重复加工次数，一般在增量方式下使用。

2.( ) 固定循环只能由G80撤消。

3.( ) 加工中心与数控铣床相比具有高精度的特点。

4.( ) 一般规定加工中心的宏编程采用A类宏指令，数控铣床宏编程采用B类宏指令。

5.( ) 立式加工中心与卧式加工中心相比，加工范围较宽。

6.( ) C73、C83为攻丝循环指令。

7.( ) 宏程序指令G65可进行变量的运算。

8.( ) DNC方式是指用CAM软件进行零件加工的方式。

9.( ) FANUC系统中，G33螺纹加工指令中F值是每分钟进给指令。

10.( ) 铣螺纹前的底孔直径必须大于螺纹标准中规定的螺纹小径。

11.( ) 宏程序的特点是可以使用变量，变量之间不能进行运算。

12.( ) 在轮廓铣削加工中，若采用刀具半径补偿指令编程，刀补的建立与取消应在轮廓上进行，这样的程序才能保证零件的加工精度。

13.( ) 数控回转工作台不是机床的一个旋转坐标轴，不能与其它坐标轴联动。

14.( ) 加工中心是一种带有刀库和自动刀具交换装置的数控机床。

15.( ) 数控加工中，最好是同一基准引注尺寸或直接给出主标尺寸。

三、选择题

1．加工中心刀具与数控铣床刀具的区别在________。

A、刀柄； B、刀具材料； C、刀具角度； D、拉钉。

2．加工中心编程与数控铣床编程的主要区别是________。

A、指令格式； B、换刀程序； C、宏程序； D、指令功能。

3．按照机床运动的控制轨迹分类，加工中心属于 。
A、点位控制 B、直线控制 C、轮廓控制 D、远程控制

4．高速切削时应使用 类刀柄。
A、BT40 B、CAT40 C、JT40 D、HSK63A

5．在数控铣床的 内设有自动松拉刀装置，能在短时间内完成装刀、卸刀，使换刀较方便。
A、主轴套筒 B、主轴 C、套筒 D、刀架

6．FANUC系统中，程序段G51X0Y0P1000中，P指令是 。
A、子程序号 B、缩放比例 C、暂停时间 D、循环参数

7．下列字符中，_______不适合用于B类宏程序中文字变量。

　　 A、 F；　　　 B、 G；　　 C、 J；　　　D、 Q。

8. Z轴方向尺寸相对较小的零件加工，最适合用 。

　　 A、立式加工中心； B、卧式加工中心； C、卧式数控铣床； D、车削加工中心。

　9．G65 P9201 属于_____ 宏程序。

A、A类；　 B、B类；　 C、SIMENS；　 D、FAGOR。

10．数控机床使用的刀具必须具有较高的强度和耐用度，铣削刀具中，最能体现这两种特性的刀具材料是 。

A、硬质合金 B、高速钢 C、工具钢 D、陶瓷刀片

11．铣床CNC中，R基准面是指_________。

A、 XY平面 B、YZ平面 C、工件的表面 D、离开工件一定距离的XY平面

12．镗削精度高的孔时，粗镗后，在工件上的切削热达到 后再进行精镗。

A、热平衡 B、热变形 C、热膨胀 D、热伸长

13．刀具的选择主要取决于工件的结构、工件的材料、工序的加工方法和 。

A、设备 　B、加工余量 　C、加工精度　D、工件被加工表面的粗糙度

14．刀具半径补偿指令在返回零点状态是 。

A、模态保持 　B、暂时抹消 　C、抹消 　D、初始状态

15．高速切削时应使用 类刀柄。

A、BT40 　B、CAT40 　C、JT40　 D、HSK63A

四、简答题

1．加工中心可分为哪几类？其主要特点有哪些？

2．加工中心与数控铣床的主要区别在哪里？生产中如何充分发挥加工中心的优势？

3．立式加工中心适合加工什么样的零件？

4．加工中心刀库的容量和换刀的方式对加工有什么影响？

5．加工中心所用夹具有哪些？如何选用？

6．试总结加工中心刀具的选用方法。

7．加工中心的编程与数控铣床的编程主要有何区别？

8．孔加工除了用固定循环简化程序编制以外，还可以采用什么方法？

9．B类宏程序中，为何英文字母G、L、N、O、P一般不作为文字变量名？

10．B类宏程序中，有哪些变量类型，其含义如何？

11．编程练习。采用XH714加工中心加工图1-图4所示零件，试编写加工程序。

图1 图2



图3 图4

12．试编写图5所示零件的加工程序（须加工φ80外轮廓、3－φ8×6孔、3－10×3槽）。毛坯尺寸为：φ90×20。要求：

1）写出该零件的加工工艺并选择刀具；

2）编写该零件在立式加工中心上的加工程序；

3）坐标系及切削用量自定。

　　　　　　　

















　

　

　

　

　

　

图5 　　　　　　　　　　　　　　　　　图6



13．在图６示的零件图样中，材料为45#，技术要求见图。试完成以下工作：

　 1） 分析零件加工要求及工装要求；

　 2） 编制工艺卡片；

　 3） 编制刀具卡片；

　 4） 编制加工程序，并请提供尽可能多的程序方案。

14．使用FANUC系统指令编制题图7所示的螺纹加工程序：设刀具起点距工件表mm。面100mm处，切削深度为10。

图7

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