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随着飞机性能要求的进一步提高，现代航空工业中大量使用整体薄壁结构零件。其主要结构由侧壁和腹板组成，结构简洁、尺寸较大、加工余量大、相对刚度较低, 故加工工艺性差。在切削力、切削热、切削振颤等因素影响下，易发生加工变形，不易控制加工精度和提高加工效率。加工变形和加工效率问题成为薄壁结构加工的 重要约束。为此，国内外学者针对铣刀的特殊结构与机床特性, 通过大量的理论分析和实验研究建立若干种动、静态铣削模型，利用有限元技术模拟分析刀具和工件的加工变形，并由此提出了一些有效的铣削方法，使薄壁件的加 工技术有了一定的突破。本文概述了国内外关于薄壁结构的高效铣削加工技术, 并进行了分析讨论。
1 薄壁结构的侧壁加工

1. 充分利用零件整体刚性的刀具路径优化方案
应用高速切削技术加工薄壁零件的关键在于切削过程的稳定性。大量的实验工作证明, 随着零件壁厚的降低, 零件的刚性减低, 加工变形增大, 容易发生切削振颤，影响零件的加工质量和加工效率。J. Tlusty等人提出了充分利用零件整体刚性的刀具路径优化方案。其思想在于在切削过程中, 尽可能的应用零件的未加工部分作为正在铣削部分的支撑，使切削过程处在刚性较佳的状态。

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(a)


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(b)


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图2 单轴铣削示意图


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图3 双轴铣削示意图
图1 薄壁( 侧壁) 加工示意图
如图1所示，对于侧壁的铣削加工，在切削用量允许范围内，采用大径向切深、小轴向切深分层铣削加工，充分利用零件整体刚性(见图1(a))。为防止刀具对 侧壁的干涉，可以选用或设计特殊形状铣刀，以降低刀具对工件的变形影响和干扰( 见图1(b))。

对于较深的型腔和侧壁的高效铣削加工，J. Tlusty等人在研究动态铣削的基础上，提出合理的大长径比刀具可以有效的解决该类问题。在较高的机床主轴转速和功率状态下，通过调整刀具的悬伸长度来 调整机床—刀具—工件工艺系统的自然频率，利用凸角稳定效应(stability of lobe effects)，避开可能的切削振动，可用较大的轴向切深铣削深腔和侧壁。实验结果表明，该方法有较大的金属去除率和较高的表面完整性。
2. 平行双主轴加工方案
平行双主轴加工方案由日本岩部洋育等人提出。由于铣削力的作用，工件的侧壁会产生“让刀”变形(见图2)，因此，应用一个立铣刀很难实现薄壁零件的高精加 工。常规的小进给量和低切深的方法虽然可以满足一定的加工精度, 但是效率比较低。平行双主轴方案可以有效的解决单一主轴加工零件的变形问题。该方法需要同时应用两个回转半径、有效长度及螺旋升角大小相同的立铣刀, 刀刃分别为左旋和右旋(见图3)。采用平行双主轴加工方案,由于工件两侧受力为对称力, 所以除了微量的刀具变形引起的加工误差以外, 工件的加工倾斜变形基本上可以消除。

采用平行双主轴加工薄壁零件, 有效的控制了薄壁零件的加工变形问题, 零件的加工精度和加工效率显著提高, 可以应用于简单形状的侧壁加工。但是其局限性也在于该方法仅能加工简单薄壁零件的侧壁, 而且对机床双主轴的间距有要求，结构复杂，不适合普遍采用。

2 薄壁结构的腹板加工

1. 带有辅助支撑的腹板加工
对于薄壁结构的腹板或较大的薄板加工, 关键问题就是要解决由于装夹力或切削力引起的加工变形。

Haruki OBARA等人提出的低熔点合金(LowMelting Alloy)辅助切削方案可有效解决薄板的加工变形问题。该方案指出，利用熔点低于100℃的LMA“U-ALLOY70”作为待加工薄板的基座，或者将 LMA浇注入薄壁结构型腔，也可以将LMA与真空吸管相配合组成真空夹具。通过浇注LMA，填补型腔空间，可大大提高工件的刚度，有效抑制了加工变形，在 精铣时可实现加工壁厚达到0. 05mm。U-ALLOY70具有凝固时的膨胀特性，可以起到一定的填充装卡作用；而且其熔点为70℃，可以在沸水中熔融回收再利用。该方法不仅可以加工 高精度的薄板，也可以加工高精度的侧壁。
2. 无辅助支撑的腹板加工
对于一个未附加辅助支撑或不能添加辅助支撑的薄壁零件腹板的加工, S. Smith 等人提出的有效利用零件未加工部分作为支撑的刀具路径优化方案可以有效的解决腹板的加工变形问题，其思想类似于第1章第1节介绍的充分利用零件整体刚性的 刀具路径优化方案(见图4)。

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图4 薄壁(腹板)加工示意图
例如在对一个带有腹板的矩形框体件加工中，铣刀从试件中间位置倾斜下刀，在深度方向铣到最终尺寸，然后一次走刀由中间向四周螺旋扩展至侧壁。实验研究表 明，该方法较为有效的降低了切削变形及其影响，降低了由于刚性降低而能发生的切削振动的可能，零件的质量和加工效率也有了显著提高。

对于腹板的铣削加工，文献中介绍的工艺方法也值得参考。其具体方法如下：①刀具轨迹避免重复，以免刀具碰伤暂时变形的切削面；②粗加工分层铣削，让应力均 匀释放；③采用往复斜下刀方式以减少垂直分力对腹板的压力；④保证刀具处于良好的切削状态。当然，该方法仅在走刀路径方面进行优化，还需结合其它方法(如 使用真空夹具等)进一步控制加工变形。

3 圆角加工的刀具路径优化方案
常规NC加工在制定刀具走刀路径的时候，一般采用等切厚切削，即在一次走刀过程中径向切深为一定值。但是，在圆角过度处，加工问题较大。在高速铣削加工薄壁结构时, 问题尤为显著。在我们的圆角切削力实验中，可以发现刀具在圆角处的切削力有显著的突变(见图5)。

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图5 切削力变化曲线图


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图6 直边铣削示意图


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图7 圆角铣削示意图
针对圆角加工问题，M. D. Tsai 等人提出了细化圆角刀具路径的方法。在等切厚铣削时，当刀具由直线走刀过渡到圆弧走刀的时候，切入角Qb会增大( 如图6、7 ) 。
对应于该图有如下公式：
cos(Qb)=1-Cl/r (1)
cos(Qb)=1-Cc/r-Cc(r-0.5Cc)/rR (2)
式中：Qb———切入角；
Cl———直边铣削时的径向切深；
Cc———圆角铣削时的径向切深；
r———铣刀半径；
R———刀具中心轨迹在圆角处的半径。
显然，当Cl=Cc 时，在刀具由直线走刀过渡到圆弧走刀的时候，由于切入角的增大而使刀具与工件的接触面积增加, 从而引起切削力的突然增大并容易产生振动。切削力的突变造成刀具和工件的加工变形增大，零件的尺寸误差加大，而切削振颤则会在圆角处产生振纹，影响零件的 加工质量。

细化圆角刀具路径的方法，其思想就是在走刀过程中，保持刀具切入角恒定, 或者附加走刀路径，即减小刀具在圆角处的径向切厚，从而避免切削力的超值突变。具体的细化刀具路径图如图8、9 所示。

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图8 等切入角刀具路径细化示意图


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图9 附加走刀路径细化示意图
采用圆角处刀具路径细化方案，可以有效的保持稳定切削，减小因切削力突变而引起的加工变形和可能发生的切削振动，提高了零件的加工质量。

当然，在圆角切削力实验中，我们还发现，逆铣时切屑厚度是由薄到厚，由于刃口尺寸效应，在刀刃刚接触工件时，后刀面与工件之间的摩擦较大，易于引起振动， 拐角处会出现严重的斜向振纹。顺铣则刚好相反，虽然顺铣的切削力稍大于逆铣时的切削力，但是在切削拐角处时，不会产生明显的振纹。不过顺铣时切屑厚度是由 厚到薄，对工件和刀具的冲击力较大，在加工时尽可能减少刀具的悬伸长度和增加工件的刚性。
4 其它高效铣削加工技术
进给量的局部优化法与刀具偏摆数控补偿技术作为数控加工前期的工艺优化和质量保证研究，分别从抑制加工变形和有效补偿加工变形的思想出发，二者均应用了有限元技术来建立零件的加工变形模型，并分析处理加工过程中的加工变形状况。

进给量的局部优化方法是针对恒定进给量提出的。因为零件某一表面上各部分的刚性及切削力的大小不同, 受力变形情况也不一样。利用有限元分析软件进行分析后得到变形分布图, 可以看到有些位置的变形大, 有些位置的变形小。如果采用恒定的进给量, 为了保证变形量最大的位置能达到质量要求，整个表面就得全部采用很小的进给量, 而进给量的局部优化就是在变形小的地方采用大进给量,而在变形大的地方采用小的进给量。这样可以在保证变形量的同时, 提高效率, 减少成本。实验研究表明, 采用该方法在提高加工质量的同时可以节省约60%的加工时间。

刀具偏摆数控补偿技术，是在有限元分析基础上, 根据模拟仿真加工变形的大小，在数控编程时让刀具在原有走刀轨迹中按变形情况附加补偿运动,补偿因切削力作用而产生的变形。对侧壁加工，通过偏摆刀具进行 补偿；对腹板加工，则补偿轴向切深。通过数控补偿, 可以将因变形而产生的残余材料切除, 一次走刀即可保证薄壁件侧壁或腹板精度,从而达到高效、经济、优质加工薄壁零件的目的。
5 结论
以上介绍和分析了当今国内外有关薄壁结构的高效铣削加工技术研究状况。目前，国内外对于薄壁结构的加工变形研究主要在静态分析方面，而对于薄壁结构的加工 变形研究的动态分析还不成熟。当然，对于薄壁结构的高效铣削加工技术研究，可以从机床、夹具、刀具、工件以及切削参数与走刀路径等不同方面进行优化分析。

随着高速切削技术与有限元技术的进一步发展与完善，数控加工前期的工艺优化和质量保证研究工作日显突出。利用理论分析和实验相结合建立工件变形模型；通过 模拟分析替代大量的实验研究工作来优化切削参数与走刀路径；根据批量生产的实际需要研究、开发新型刀具、夹具，努力提高机床的性能。薄壁结构的高效铣削加 工技术定会得到较大的发展，薄壁结构的应用会更加广泛。
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1 前言
现今大部分的金属切削加工是以使用切削液的湿式方式进行的。切削液具有冷却、润滑、清洗、排屑、防锈等功能，对延长刀具使用寿命，保证加工质量起着重要的 作用。但是近几年随着人类社会对环境保护的日益重视，人们开始关注切削液所带来的一系列负作用。一方面，切削液的广泛使用需消耗大量的能源和资源，增加加 工成本。据德国许多公司统计计算的资料表明，使用冷却液费用占总制造成本的16 % ，而切削刀具消耗的费用只占成本的3～4%。另一方面，切削液对环境的污染较为严重，甚至危害工人健康。为使金属切削加工尽可能少地产生污染，人们提出了 “清洁化生产”这一概念。干切削是消除切削液污染，降低产品成本，实现清洁化生产的最有效的途径。要实现干式切削，必须合理选择刀具材料，设计合理的刀具 几何参数。干式切削技术已成为金属切削加工发展的趋势之一。近年来，它在车削和铣削中的应用已日益普遍，在钻削、镗削和滚齿方面也取得了重大的突破。本文 结合工作实际，仅就干式切削技术在不锈钢铣削中的应用进行论述。
2 干式切削加工对刀具的要求
切削刀具的性能取决于刀具材料和刀具结构及几何参数。不同加工方法对刀具的设计侧重点有所不同。对于干式切削加工刀具必须具备下述性能：(1)刀具应具有 较高的耐热性和良好的耐磨性。(2)切屑和刀具之间的摩擦系数要尽可能小。(3)刀具形状要保证排屑流畅和易于散热。(4)刀具应具有更高的强度和耐冲击 韧性。在实际生产中，应根据工件材料的物理、力学性能和工序特点，合理选用刀具材料、涂层，优化刀具结构和几何参数，并注意刀具材料与工件材料的匹配，才 能设计和制造出适用于干式切削的刀具。

1. 干式切削加工的刀具材料
干式切削时刀具材料最重要的是必须具各高的红硬性和高的耐冲击性。目前适用于干式加工的刀具材料有超细颗粒硬质合金、涂层硬质合金、陶瓷及金属陶瓷材料、金刚石(PCD)及立方氮化硼(CBN)等。
1. 超细颗粒硬质合金
通常用的普通硬质合金脆性大、易崩刃。超细颗粒硬质合金可以提高普通硬质合金的韧性，具有很好的耐磨性和耐高温性能，可用于铣削和钻削加工。
2. 涂层硬质合金
涂层刀具最适用于干式切削加工，因为适宜的涂层既可承受高的切削温度，降低刀具/切屑以及刀具/工件表面之间的摩擦系数，减小刀具磨损和产生的热量，还可 使刀具具有强韧的基体及满足切削要求的切削刃或工件表面。因此，适宜的基体与涂层组合及经济可行的涂层工艺技术是干式切削加工的关键技术之一。常用的涂层 基体材料主要是硬质合金。涂层材料主要有TiC、TiN、TiAlN、金刚石等。其中TiAlN 涂层是干式切削加工时最好的涂层之一。如SECO公司开发的用于干式铣削的涂层硬质合金刀片：T150M、T25M 、F20M、F40M 。见表1。
表1 涂层硬质合金刀片的种类和应用范围 刀刀种类 涂层材料 应用 切削液使用
T15OM Ti(C, N)+Al2O3 灰口铸铁/球墨铸铁 干切削
T25M TiC/Ti(C, N)+TiN 碳钢/不锈钢 湿/干切削
F20M Ti(C, N)+(Ti, Al) N+TiN 不锈钢 干切削
F40M Ti(C, N)+(Ti, Al) N+TiN 不锈钢 湿/干切削
3. 陶瓷及金属陶瓷
陶瓷刀具由于高耐热性和良好的化学稳定性，非常适合于干式加工铸铁和淬火钢。但其韧胜差，易折断，在很大程度上限制了它在干式切削中的应用。为了解决这一 难题，国外已开发了一些新型氧化铝陶瓷刀片。如日本学者开发的一种用微细颗粒(0.22µm)、高纯度(99.99 %)的新型氧化铝陶瓷粉末制造的陶瓷刀片，在干车、干铣碳钢和铸铁件时具有优异的切削性能。
金属陶瓷是硬质合金的种类型，它含有钛基化合物，粘结剂是镍或镍相。金属陶瓷刀具适合于干式切削。以往对硬质磨具通常采用磨削或电火花加工，现在可用金属陶瓷刀具进行干铣加工，不仅提高了工效，表面质量也得到了提高。
4. CBN
CBN材料具有韧性好，高温化学稳定性好，硬度高的特点，硬度高达3200～4000HV ，仅次于金刚石。因此很适合干式切削铸铁和淬火钢。SECO公司开发了一系列的CBN刀片，如适用于高速铣削淬硬钢的CBN20刀片；适用于干式粗、精铣 珠光体灰口铸铁和球墨铸铁的CBN300刀片。CBN300是从CBN30 基础上用特殊工艺改变颗粒尺寸大小得到的抗冲击牌号，其晶粒尺寸为22µm 。这一种纯烧结体，PCBN含量(90%)较高，具有很好的耐磨性、优良的导热性和抗冲击性，同原先已有的PCBN产品相比，是一种新的更成熟的PCBN 产品。
5. PCD
PCD刀具具有硬度高、热传导率大、线膨胀系数小的特点。PCD刀具适用于干式精加工铜合金、铝及铝合金、复合材料等。用PCD刀具干式加工铝合金可以达 到很高的切削速度和很长的刀具使用寿命。但是PCD刀具与铁元素反应大，只能用于切削非铁零件。另外，PCD刀具不能经受切削区超过600℃的高温，因 此，它不能切削韧性、高延展性材料。
2. 刀具结构和几何参数
干式切削时，刀尖和刃口材料承受的热负荷大大增加，容易产生各种刃口损伤．最终导致刀具失效。为了保证工件加工质量和刀具寿命，要求刀具设计时要考虑加工 时产生的切削力和摩擦力要小，排屑效应要好。干式切削刀具必须对刀具结构和几何参数进行优化设计，如①设计使刀具为负前角或使前后刀面凸起，以延缓月牙洼 对刀刃的损害。②增大负刃倾角，改善刀刃及刀尖的切入状态，以提高刀具的抗冲击和抗热震能力等等。欧洲的一些刀具制造商已开发出许多有利于干式切削几何形 状的刀具可供选用。如SECO公司设计的ME型断屑槽的八角形铣刀片采用了能有效控制切屑形成和排屑的断屑槽，专门适用于干式铣削。

3 干式切削的冷却和润滑
在有些场合(如深孔钻削、攻丝等)要实现不用切削液的完全干式切削是困难的，因此，完全干式切削工艺的应用范围有一定限制，这时可采用最少量润滑(MQL)的准干式切削方式和冷风切削。
最少量润滑，也称喷雾润滑，它是用压缩空气使微量的植物油雾化，并以很高的速度喷向高温的切削区，可以起到冷却、润滑和排屑的作用。植物油的用量是湿式切 削的万分之一。同等用量所吸收的热量是浇注法的1000 倍，因而大大减低了切削液成本。冷风切削是利用压缩空气进行冷却和排屑，部分代替了切削液的功能，但一般与MQL并用，以提高润滑效果。
4 干式切削在铣削中的应用
一般情况下我们习惯于在铣削中尤其是在立铣加工中加注冷却液，但在铣削中加注冷却液会使刀具产生温度的激烈变化，铣刀刀片自工件切出时冷却，再切入时温度 又上升。温度急剧变化在刀片中产生应力，会导致裂纹的产生。尽管在干铣时也有加热和冷却循环产生，但相比之下要小得多，可以通过合理选择刀具材料、结构和 几何参数得到解决。对于铣削加工采用干式切削可以得到比湿式切削理想的切削效果。以下是干式铣削加工的典型应用实例。

1. 涂层硬质合金F20M干铣不诱钢阀门座(工件材料：CF -8M ，不锈耐酸铸钢)
某厂在加工不锈钢阀门座底面时原先采用SECO公司的T25M(CVD涂层)刀片湿式粗铣和精铣，由于生产批量的急剧上升，刀具寿命的矛盾就显得比较突 出。该厂用于粗铣的铣刀刀盘型号为R220.43-0080-07W(主偏角43°，直径80mm) ，所选用的刀片涂层等级为T25M，刀片型号为OFER070405TN-ME15(八角形边长7mm的铣刀片)。粗铣切削参数：Vc= 130m/min，fz=0.1mm/z，ap=2～3mm，ae=80%，每个切削刃的刀具寿命4～6件。精铣切削参数：Vc=250m/min，fz =0.16mm/z，ap=0.7～0.8mm，ae=80%。每个切削刃的刀具寿命：12～16件。工厂要求粗铁加工提高刀具寿命，第一次改进后选用与 原先相同的切削参数，采用SECO公司的F40M(PVD物理涂层)刀片湿式粗铣，刀具寿命为9～10件。这个结果仍没有达到厂方希望的目标。据国外同行 介绍用干切的办法加工不锈钢可使其刀具寿命大大提高，可超过20 件。最后采用SECO公司的F20M(PVD物理涂层)刀片干式粗铣，刀片型号为OFEN070405TN-D18(断屑槽为D18 ，难加工型)。切削参数：Vc=180m /min，fz=0.16mm/z，ap=2～3mm。每个切削刃的刀具寿命：24～28件。其结果是刀具寿命大幅度提高。
分析：切削力和切削温度的变化关系是一根驼峰曲线。当切削温度高至超越驼峰时，随着切削温度的进一步提高，切削力会下降，使得切削变得相对容易，故刀具寿 命提高。而如果在此时加人冷却液，会使切削区温度下降，导致切削力上升，磨损加剧，使刀具寿命降低。而在切削力、切削温度关系曲线驼峰的左方，情况则是相 反，添加冷却液会引起切削力的降低，使得切削轻决．刀具寿命改善。但通过切削试验来确定该关系曲线是一项工作量浩大的工程，这方面的工件有待进一步地深 入。
2. 涂层硬质合金T150M干式切削铸铁排气管端面
上海某汽车零部件加工企业在加工上海通用汽车公司别克轿车的排气管时，采用SECO公司的T150M 黑色涂层硬质合金刀片干式铣削铸铁排气管端面。与原先采用另一公司的陶瓷刀片相比，生产效率明显提高，刀具寿命每个刃口超过100 件。刀盘型号：R220.43-0088-S(直径88mm，齿数：z=5) ；刀片涂层等级：T150M ；刀片型号：OFET070405TN-16；切削参数：n=11OOr/min ，ap=1～1.2mm，Vf=600mm/min。每个切削刃的刀具寿命大于100个工件。四方形的陶瓷刀片只有4个刃口，价格比硬质合金的八角形刀片 高，而且刃口只有八角刀片的一半，经济性更差。
3. PCBN刀具干铣灰口铸铁缸体平面
SECO公司开发的整体结构PCBN刀片系列的CBN300在干式铣削灰口铸铁缸体平面时表现了不凡的特胜，其刀具寿命为一般PCBN刀片的4倍而对于陶 瓷刀片来说，CBN300可以提高50 倍刀具寿命。CBN300已成功运用于上海通用汽车公司新建成的发动机柔性生产线上干式铣削灰口铸铁缸体平面，铣削速度可达1600m/min，大大提高 了发动机的加工效率。刀片型号SNMN090312S；刀盘型号：R22033-0100-12CT(z=8)，切削参数：ae=80mm，ap= 4～5mm，fz=0.15mm，Vc=1600m/min。每个切削刃的刀具寿命：170件。

5 结论
干式切削加工是一种理想的清洁制造工艺方法。国外对干式切削加工的研究和应用已比较广泛，我国在此项技术上同国外相比有很大的差距。但以上的成功应用实例 可以表明，在现有技术条件下，干式切削加工在我国是可以实现的，并随着在车削和铣削中的广泛应用，必将推动在其它加工方法中的应用。当然，干式切削技术的 发展，必须依托于先进的刀具结构和刀具材料。相信随着干式切削技术的深入研究和推广应用，我国的切削加工效率和加工质量都将达到一个新的水平。
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随着高速切削技术的发展，高速铣削工艺的应用日益广泛，越来越受到制造业的企业和科研工作者的关注。信息产业部某研究所自1999年7月从瑞士 MIKRON公司购进第一台HSM-700型高速立式铣削中心后，2001年10月又购进三台HSM-700型高速铣床用于生产。笔者通过对这批先进高速 铣床的加工效率进行深入、细致的调查研究，对比了不同铣床的加工效率，推导了高速铣削加工效率的计算公式。

1、加工效率的计算

按照传统切削理论，切削加工效率ZW(cm3/min)可通过下列公式计算：

ZW=v·f·ap (1)

式中v---切削速度；f---进给量；ap---切削深度

根据分析与研究，我们认为式(1)不适用于高速铣削加工效率的计算，原因主要有两点：

1）高速铣床的主轴转速相当高(如HSM-700型高速铣床最高转速达42000r/min,，加工平面时转速也在35000r/min,以上)，如此高的转速使刀具并非每一转都在切削金属；

2）在实际加工中，设定的转速和进给量只是最大转速和最大进给量，实际的刀具转速和进给量时刻都在变化(HSM-700机床的自测功能可以显示整个切削过 程中的变化情况)，切削过程中的实际转速和进给量总是从较低值迅速达到较高值又很快降到较低值，如此反复变化，这是铣削过程的客观反映，而不像车削过程中 可以保持转速和进给量恒定不变。

因此，我们提出用单位时间内的金属去除量Z(cm3/min)表示加工效率，即

1　(2)

式中W---切削过程总的金属去除量(cm3)

t---切削时间(<0,)

式(2)更符合高速铣削的实际情况，用式(2)很容易实现对高速铣削加工效率的计算，同时也便于不同铣床加工效率的比较。

例如，原来在普通铣床上加工图1所示零件，为了缩短生产周期，一部分零件现采用高速铣床加工。这样，可通过该零件的加工来比较两种加工设备的加工效率。由 于该零件的表面质量要求不高，高速铣削和普通铣削均能达到要求。事实上，高速铣削加工出的零件表面粗糙度要比普通铣削加工低1~2个等级。

1

图1 零件示意图

用单位时间内的金属去除量Z=W/t(cm3/min) 表示加工效率。试验中取铣削加工过程中的几个时间段，记录加工时间，测量在各个时间段零件加工前后的体积差，通过式(2)计算得到Z值。通过多次测量计算 取Z的平均值，该平均值即可视为较准确的Z值。对于图1所示零件的高速铣削过程，由式(2)算得的Z值为

1

按照传统切削理论即按式(1)计算得

1

比较Z高速和ZW，显然ZW与该零件实际的高速铣削加工效率相差很大。
2、不同铣床加工效率的比较

某研究所目前用于生产的铣 床除HSM-700型高速铣床外，还有国产的立式铣床和进口的铣削中心。国产铣床是二十世纪九十年代初购进的北京第一机床厂生产的XK5040-1型立式 升降台铣床(以下简称国产普通铣床)，目前主要用于零件粗加工及少量铸铁件和钢件的加工；进口铣削中心是美国产VF- 0 HAAS型铣削中心(以下简称进口普通铣床)，可用于粗加工和精加工。

对于图1所示零件，在国产普通铣床上加工的切削效率为

1

在进口普通铣床上加工的切削效率为

1

将Z高速分别与Z国普和Z进普进行比较，有

1

由上述计算和比较可以看出，在高速铣床上加工该零件的金属去除率相当高，与国产普通铣床相比其优势更为明显(据操作工人反映，甚至出现过高速铣床加工效率 比国产普通铣床快10倍以上的情况)。当然，对于不同材质、不同形状和不同加工要求的零件，不同铣床的加工效率并不相同。对于加工面积较大的大型零件或形 状特别复杂的零件，高速铣床具有更为显著的加工效率优势。高速铣床的效率优势主要体现为高的刀具转速n和高的进给速度Vf。在实际加工中，进给速度Vf 对加工效率的影响往往更大。

3、考虑成本因素的加工效率比较

比较加工效率必须带有一定的约束条件，应结合企业的实际情况，考虑加工效率与生产成本的关系。用式(2)求得的加工效率Z除以加工成本C来表示考虑了成本因素的加工效率E(cm3/min•万元)，即

1

式(3)中，为计算简便，设加工成本C 主要为制造费用(包括设备成本、设备维护费用、刀具损耗费用等)，并假设高速铣床、国产普通铣床、进口普通铣床的日常维护费用相等。为了能客观地反映实际 加工效率，对2001年1月到2002年5月这一较长时间段内的机床使用情况进行比较：

瑞士MICRON HSM-700型高速铣床每台价值人民币C0高速=200万元；由于机床零部件价格昂贵，用于机床非日常维护的费用(包括故障检修、更换零部件等)为C2 高速=9.5万元；在高速铣床上使用的刀具均为进口铣刀，价格较为昂贵，再加上缺少针对不同刀具和零件材料的切削用量规范，使得高速铣刀的使用成本较高， 因此，从去年初至今，高速铣刀损耗费用为C3高速=14,548.13元。

美国产VF-0 HAAS型铣削中心是1998年进口的普通铣削中心，当时价值人民币C0进普=80万元 ；机床使用性能较好，除日常维护外，至今没有出现需要维修的故障，C2进普=0.45万元；与高速铣床一样，所使用的刀具均为进口铣刀，除正常的刀具磨损 外，很少出现刀具非正常损耗，铣刀损耗费用为 C3进普=2,195.26元。

1992年从北京第一机床厂购进的XK5040-1型立式升降台铣床，当时价值人民币C0国普=60万元 ；目前主要用于零件粗加工，虽然精度不高，但性能还比较稳定，除日常维护外，未出现大故障。2000年对其操作系统进行了改造(换装了西门子操作系统)， 改造和检修的费用为C2国普=6.45万元；在 此机床上既使用进口刀具也使用国产刀具，铣刀损耗费用为C3国普=1,377.62元。

设机床的使用年限为20年，按照直线折旧法，机床每年折旧5%，则到2002年，三种铣床的当前成本分别为：

1

由式(3)可求得考虑成本时三种不同铣床 的加工效率分别为 E高速= Z高速 =0.1291cm3/min•万元

1

由计算结果可以看出，考虑成本 因素后，高速铣削不再具有显著的效率优势(与进口普通铣削中心的加工效率接近)。这一比较结果说明，目前高速铣削的使用成本还比较高(其设备成本、维护费用和刀具损耗费用都比普通机床高出很多)。

尽管目前采用高速铣削还达不到经济的切削效率，但并不说明高速铣削不具优势。首先，上文对铣削效率经济性的分析仅考虑了生产成本，并没有考虑时间效益。在 技术飞速发展的今天，时间往往是更重要的经济因素。高速铣削加工在缩短加工工时方面的优势是很明显的。其次，上文所作加工效率比较是在高速铣床和普通铣床 均能加工同一种零件的前提下进行的，事实上许多不适合(或不能)在普通铣床上加工的零件(如薄壁零件或对加工表面质量要求较高的零件)只能用高速铣床加 工。第三，高速铣削技术作为一种新的加工技术在我国正经历不断发展的过程，为了获得高速铣削的经济加工效率，必须深入研究高速铣削机理，加快进行高速铣削 工艺的科研开发，同时加强生产管理，提高操作者素质。相信随着对高速铣削技术研究的不断深入，加工的经济性等问题将得到很好解决。

4、 结论

1) 生产实践表明，高速铣床加工零件覆盖面广，特别适用于加工面积较大、形状复杂的精密零部件。零件加工精度高，废品率低。

2) 传统的切削加工效率公 式不适用于高速铣削，用单位时间内的金属去除量来表述高速铣削的加工效率更为准确。

3) 单从机床的切削效率来看，高速铣床 要高出普通铣床好几倍，但目前高速铣床的使用成本较高。在选择工艺方案时，可以考虑用普通铣床进行粗加工，用高速铣床进行半精加工和精加工。

4) 只有深入开展高 速铣削技术的科研开发，才能充分发挥高速铣床的加工效率优势。
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1 引言
普通钻削加工孔的质量一般较差，比较突出的问题是孔表面质量低、出口毛刺较大。在微小孔加工中，由于刀具制造困难等原因不便采用钻、扩、铰等多工序加工， 当孔的一端在开口较小的腔内时，机械去除毛刺也比较困难；当在塑性较大的材料上加工微小孔时，孔的质量问题将更加突出，必须采用新技术、新工艺，以便使微 小孔的加工质量有较大提高。

轴向超声波振动钻削是一种新的孔加工工艺，具有优良的工艺效果。在钻削过程中使钻头相对于工件沿钻头轴线方向超声波振动，刀具实际切削角度、刀刃与工件的 相对运动速度都呈周期性变化，实际切削厚度一般也呈周期性变化，钻头主切削刃和横刃的切削条件得到改善，平均轴向钻削力降低。将轴向超声波振动钻削方法用 于微小孔加工，可使孔的表面粗糙度降低，表面质量得到改善，出口毛刺的高度和厚度均较普通钻削小得多。
2 振幅对表面粗糙度的影响
分别采用普通钻削及不同振幅的轴向超声波振动钻削加工微小孔，然后将孔剖开，用光切法对孔壁表面粗糙度进行测量。发现振动钻削加工的孔的表面粗糙度Rz与 普通钻削有很大差异，且Rz与振幅关系密切。图1为测量结果，a=0为普通钻削。试验条件：HSS直柄麻花钻直径f0.32mm,转速n= 7100r/min,进给量f0=0.003mm/r,振动频率F0=20kHz, 工件材料为18Cr2Ni4WA低碳合金钢；当振幅a选择在0.5 m～1 m范围内时，表面粗糙度RZ值最低，振幅选择适当，表面粗糙度可比普通钻削下降50%。一般来说，钻头磨损越剧烈,孔表面粗糙度Rz越大。普通钻削时，孔 表面粗糙度随钻头累计钻削长度的增加而增大，而在轴向超声波振动钻削中，孔表面粗糙度的增大趋势十分缓慢,如图2所示，试验条件同图1。

1
图1 振幅对表面粗糙度的影响


1
图3 振幅对平均轴向力、毛刺高度毛刺厚度的影响

1
图2 累计钻削长度对表面粗糙度的影响
3 振幅对出口毛刺的影响
在18Cr2Ni4WA 低碳合金钢微小孔钻削试验中，振动钻削振幅对出口毛刺高度H和厚度B的影响见图3。图中曲线F为平均轴向钻削力曲线，斜线区域分别为毛刺高度H和厚度B变 化范围。试验条件：孔深2.2mm,其余同图1。可以看出，毛刺厚度B随振幅a而变化，变化趋势与平均轴向钻削力F的变化趋势十分接近，两者同是在a= 0.5 m时最小。普通钻削时毛刺厚度差别较大，振动钻削时差别较小，a=0.5 m时毛刺厚度可比普通钻削减小50%以上。毛刺高度H的变化趋势与平均轴向力曲线基本接近，当振幅a=1 m时毛刺高度最小，约为普通钻削的25%左右。
4 试验结果讨论
在微小孔钻削中，进给速度一般较低，极易出现爬行现象，切削速度恰好在钻削积屑瘤生成范围内，经显微放大观察发现，刀刃及刀刃转角处都有积屑瘤生成，使普 通钻削微小孔时，孔表面粗糙度较大，孔表面上分布有许多撕裂痕迹。而在超声波振动钻削微小孔中，由于切削力、切削角度、切削厚度等的周期性变化，消除了进 给爬行，抑制了积屑瘤的产生，相对于工件超声频振动的钻头对孔壁具有往复熨压作用，使孔的表面粗糙度降低，表面质量明显提高。测量结果表明，表面粗糙度 Rz 可比普通钻削降低50%左右。微观显微观察发现，振动钻削的孔壁上切削痕迹细微、整齐、均匀，没有金属撕裂痕迹，表面完整性好。普通钻削中钻头磨损较快， 寿命较低。钻头磨钝后，钻削质量下降，孔的表面粗糙度明显增大。而在超声波振动钻削中，因钻头周期性微弱冲击作用，钻削力降低，钻头磨损速度减慢，寿命提 高，表面粗糙度随累计钻削长度增加而增大的趋势减缓。

在孔加工中，一般轴向钻削力越大，出口毛刺体积越大。而超声波振动钻削微小孔时，平均轴向力可比普通钻削降低30%以上，钻头从工件底部钻出时发生剧烈塑 性变形和位移的材料较少，使毛刺的体积和重量都小于普通钻削。试验结果表明，振动钻削时振幅不宜过大，对于直径在(0.3～0.4)mm范围内的微小孔， 采用振幅a=(0.5～1) m为最好，毛刺高度H可减小至普通钻削的1/4,毛刺厚度B可减小至/普通钻削的1/2。
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摘 要:数控铣削加工路线的确定(三种典型零件举例) 在数控加工中，刀具(严格说是刀位点)相对于工件的运动轨迹和方向称为加工路线。即刀具从对刀点开始运动起，直至结束加工所经过的路径，包括切削加工的路 径及刀具引入、返回等非切削空行程。加工路线的确定首先必须保证被加工零件的尺寸精度和表面质量

数控铣削加工路线的确定(三种典型零件举例)

在数控加工中，刀具(严格说是刀位点)相对于工件的运动轨迹和方向称为加工路线。即刀具从对刀点开始运动起，直至结束加工所经过的路径，包括切削加工的路 径及刀具引入、返回等非切削空行程。加工路线的确定首先必须保证被加工零件的尺寸精度和表面质量，其次考虑数值计算简单，走刀路线尽量短，效率较高等。

下面举例分析数控机床加工零件时常用的加工路线。

（1）轮廓铣削加工路线的分析

对于连续铣削轮廓，特别是加工圆弧时，要注意安排好刀具的切入、切出，要尽量避免交接处重复加工，否则会出现明显的界限痕迹。如图a所示，用圆弧插补方式 铣削外整圆时，要安排刀具从切向进入圆周铣削加工，当整圆加工完毕后，不要在切点处直接退刀，而让刀具多运动一段距离，最好沿切线方向退出，以免取消刀具 补偿时，刀具与工件表面相碰撞，造成工件报废。铣削内圆弧时，也要遵守从切向切入的原则，安排切入、切出过渡圆弧，如图b所示。

2

a) 　

1

b)

（2）曲面的加工路线的分析

对于边界敞开的直纹曲面，加工时常采用球头刀进行“行切法”加工，即刀具与零件轮廓的切点轨迹是一行一行，行间距按零件加工精度要求而确定，如图所示的发 动机大叶片，可采用两种加工路线。采用图a的加工方案时，每次沿直线加工，刀位点计算简单，程序少，加工过程符合直纹面的形成，可以准确保证母线的直线 度。当采用图b所示的加工方案时，符合这类零件数据给出情况，便于加工后检验，叶形的准确度高，但程序较多。由于曲面零件的边界是敞开的，没有其它表面限 制，所以曲面边界可以延伸，球头刀应由边界外开始加工。

1

（3）孔系加工的路线

对于位置精度要求精度较高的孔系加工，特别要注意孔的加工顺序的安排，安排不当时，就有可能将沿坐标轴的反向间隙带入，直接影响位置精度。如图所示，图 (a)为零件图，在该零件上加工六个尺寸相同的孔，有两种加工路线。当按(b)图所示路线加工时，由于5、6孔与1、2、3、4孔定位方向相反，Y方向反 向间隙会使定位误差增加，而影响5、6孔与其他孔的位置精度。按图(c)所示路线，加工完4孔后，往上移动一段距离到P点，然后再折回来加工5、6孔，这 样方向一致，可避免反向间隙的引入，提高5、6孔与其他孔的位置精度。

1
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平面凸轮如图1所示。

1

图1 平面凸轮
　

1．工艺分析

　 　从图上要求看出，凸轮曲线分别由几段圆弧组成，φ30孔为设计基准，其余表面包括4-φ13H7孔均已加工。故取φ30孔和一个端面作为主要定位面，在 联接孔φ13的一个孔内增加削边销，在端面上用螺母垫圈压紧。因为孔是设计和定位的基准，所以对刀点选在孔中心线与端面的交点上，这样很容易确定刀具中心 与零件的相对位置。

2．加工调整

　　加工坐标系在X和Y方向上的位置设在工作台中间，在G53坐标系中取X＝-400， Y＝-100。Z坐标可以按刀具长度和夹具、零件高度决定，如选用φ20的立铣刀，零件上端面为Z向坐标零点，该点在G53坐标系中的位置为Z＝-80 处，将上述三个数值设置到G54加工坐标系中。加工工序卡如表1所示。

表1 数控加工工序卡

数控加工工序卡


零件图号


零件名称


文件编号


第 页

NC 01


凸轮







1










工序号


工序名称


材料

50


铣周边轮廓


45#









加工车间


设备型号







XK5032












主程序名


子程序名


加工原点

O100





G54









刀具半径补偿


刀具长度补偿




H01＝10


0




































工步号


工步内容


工 装




1


数控铣周边轮廓


夹具


刀具










定心夹具


立铣刀φ20
























更改标记


更改单号


更改者/日期















工艺员





校对





审定





批准



　

3．数学处理

　　该凸轮加工的轮廓均为圆弧组成，因而只要计算出基点坐标，就可编制程序。在加工坐标系中，各点的坐标计算如下：
BC弧的中心O1点：X＝-(175＋63．8)sin8°59′＝-37．28
　　　　　　　　Y＝-(175＋63．8)cos8°59′＝-235．86
EF弧的中心O2点：X2＋Y2＝692 } 联立
　　　　　　　　(X-64)2＋Y2＝212
解之得 　　　　　X＝65．75，Y＝20．93
HI弧的中心O4点：X＝-(175＋61)cos24°15′＝-215.18
　　　　　　　　Y＝(175＋61)sin 24°15′＝96．93
DE弧的中心O5点：X2＋Y2＝63．72 } 联立
　　　　　　　　(X-65．75)2＋(Y-20．93)2＝21．302
解之得 　　　　　X＝63．70，Y＝-0．27
B点： 　　　　　 X＝-63．8sin8°59′＝-9．96
　　　　　　　　 Y＝-63．8cos8°59′＝-63．02
C点： 　　　　　 X2＋Y2＝642 } 联立
　　　　　　　　 (X＋37．28)2＋(Y＋235．86)2＝1752
解之得 　　　　　X＝-5．57，Y＝-63．76
D点： 　　　　　 (X-63．70)2＋(Y＋0．27)2＝0．32 } 联立
　　　　　　　　 X2＋Y2＝642
解之得 　　　　　X＝63．99，Y＝-0．28
E点： 　　　　　 (X-63．7)2＋(Y＋0．27)2＝0．32 } 联立
　　　　　　　　 (X-65．75)2＋(Y-20．93)2＝212
解之得 　　　　　X＝63．72，Y＝0．03
F点： 　　　　　(X＋1．07)2＋(Y-16)2＝462 } 联立
　　　　　　　　 (X-65．75)2＋(Y-20．93)2＝212
解之得 　　　　　X＝44．79，Y＝19．60
G点： (X＋1．07)2＋(Y-16)2＝462 } 联立
　　　　　　　　 X2＋Y2＝612
解之得　　　　　 X＝14．79，Y＝59．18
H点： 　　　　　　X＝-61cos24°15′＝-55．62
　　　　　　　　 Y＝61sin 24°15′＝25．05
I点： 　　　　　　X2＋Y2＝63．802 } 联立
　　　　　　　　 (X＋215．18)2＋(Y-96．93)2＝1752
解之得 　　　　　 X＝-63．02，Y＝9．97
根据上面的数值计算，可画出凸轮加工走刀路线图。如表2所示。

表2 数控加工走刀路线图

数控加工走刀路线图


零件图号


NC01


工序号





工步号





程序号


O100

机床型号


XK5032


程序段号
<, P class=MsoNormal style="LINE-HEIGHT: 150%">N10～N170



加工内容


铣周边轮廓


共1页


第 页

1


编程
校对
审批

符号


⊙







→










含义


抬刀


下刀


编程原点


起刀点


走刀方向


走刀线相交


爬斜坡


铰孔


行切

4．编写加工程序

凸轮加工的程序及程序说明如下：
N10 G54 X0 Y0 Z40　　　　　　　　　 //进入加工坐标系
N20 G90 G00 G17 X-73．8 Y20　　　 　//由起刀点到加工开始点
N30 G00 Z0 　　　　　　　　　　　　 //下刀至零件上表面
N40 G01 Z-16 F200 　　　　　　　　　 //下刀至零件下表面以下1mm
N50 G42 G01 X-63．8Y10 F80 H01 　　　//开始刀具半径补偿
N60 G01 X-63．8 Y0　　　　　　　　　 //切入零件至A点
N70 G03 X-9．96 Y-63．02 R63．8 　　 //切削AB
N80 G02 X-5．57 Y-63．76 R175　　　　 //切削BC
N90 G03 X63．99 Y-0．28 R64 　　　　　//切削CD
N100 G03 X63．72 Y0．03 R0．3 　　　　//切削DE
N110 G02 X44．79 Y19．6 R21 　　　　　//切削EF
N120 G03 X14．79 Y59．18 R46 　　　　//切削FG
N130 G03 X-55．26 Y25．05 R61 　　　　//切削GH
N140 G02 X-63．02 Y9．97 R175 　　　　//切削HI
N150 G03 X-63．80 Y0 R63．8 　　　　　//切削IA
N160 G01 X-63．80 Y-10 　　　　　　　//切削零件
N170 G01 G40 X-73．8 Y-20 　　　　　 //取消刀具补偿
N180 G00 Z40 　　 　　　　　　　　　//Z向抬刀
N190 G00 X0 Y0 M02 　　　　　　　　　//返回加工坐标系原点，结束
参数设置：H01＝10；
G54：X＝-400，Y＝-100，Z＝-80。
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一、Vericut的工作流程

Vericut是美国CGTech公司开发的一款集数控加工仿真、干涉校验、工时工况分析、代码优化等多种功能于一体的软件。该系统可以以虚拟现实的方式 建立数控机床、刀具、夹具和毛坯模型，在刀位数据或NC代码的驱动下模仿金属切削加工中走刀轨迹和材料被切除的过程，使用户以直观的方式对工艺规划的合理 性进行评估，对是否存在干涉进行校验，并优化走刀轨迹和NC代码。Vericut的工作流程如图1所示。

1

图1 Vericut的加工仿真流程

二、少齿转子的特点和编程方法

1.转子的特点

在油量计、气量计或塑料机械进给机构中，广泛使用一种螺旋齿轮。该齿轮的特点是模数较大，且属于非标准模数。若采用齿轮滚刀加工，为减小根切，必须采用特 定的工艺方法才可生产出合格产品。另一方面，它的齿数较少（常为3齿或4齿），故精加工时采用铣削方法生产，其效率和精度均是可以接受的。例如，图2是一 转子齿轮，它是由4齿渐开线剖面绕z轴作螺旋运动而形成的。该剖面由齿顶圆、渐开线和摆线连接而成，其外形如图2所示。齿轮参数列于表1，齿面粗糙度Ra 为1.6。

表1 转子齿轮参数

1

1

图2 转子齿轮

2.转子的NC编程方法

由转子的形成过程可知，该工件应采用四轴加工：工件沿z轴负方向作匀速进给，同时绕z轴作匀速旋转运动，这样刀具在空间切削出一条螺旋线；每完成一个切削 行程，工件快速复位，然后刀具在xOy平面上作渐开线插补运动（x、y联动），再进行第二个行程。反复执行该过程，直到整个齿面铣削完毕。这实质上仍是展 成法加工。

转子NC编程时的已知条件为：（1）转子端面轮廓线。设计者通常把该轮廓离散为上千个数据点给NC编程者。（2）转子的齿数、模数、压力角、螺旋角、导程等参数。编程的具体方法如下：

（1）将端面轮廓点拟合成为光滑曲线，如图3a 所示。

1
图3 转子数据处理与建模

（2）建立转子的三维模型，如图3b所示。建模方法有很多，可在Pro/ENGINEER、AlphaCAM等平台上建立。建模时，轮廓线上任一点P(xi, yi)处的螺旋导动线方程为（坐标系参见
图2）：1


式中，q为转子长度，h为导程，为P点矢径，1，t为参变量，0≤t≤1。

（3）将端面轮廓按弧长平均打断为若干子段（图3c、图3d为局部放大图），子段数目按照表面粗糙度的要求确定。

（4）求出每个子段端点的坐标及该点处螺旋曲面的法矢量n。设球头刀半径为r，按公式P=P0＋nr计算得到刀位数据，并据此编制NC程序（按刀心编程）。
三、用Vericut对铣削过程进行仿真

1.建立毛坯模型

对精加工进行切削仿真，理论上应该建立半成品模型作为精加工前的毛坯。但是，由于转子的端面齿廓是一单值曲线，故可以把粗加工前的圆柱形毛坯作为精加工前的毛坯，如图4所示。这样，在仿真中系统可能会提示每刀切深过大，但并不影响轨迹模拟和干涉校验。

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图4 毛坯定义

2.机床定义

机床定义的内容包括*.mch文件（定义机床、夹具）和*.usr（CNC定义）两方面。由于机床的结构千变万化，CNC类型繁多，所以通常采用基于 Vericut内嵌的机床定义文件结合具体的机床结构与CNC编程规则来定义。主要内容包括：（1）确定机床坐标系；（2）确定编程坐标系；（3）定义运 动轴运动关系；（4）G代码和M代码定义。转子编程原点位于右端面中心，所以机床原点与编程原点不重合。以KAFO，某四轴立式加工中心为例，其CNC为 FANUC 0M，机床原点位于z轴与工作台面的交点。这些均可在“Component Tree”中进行设置.

3.刀具定义

转子加工时采用球头铣刀。应根据NC程序中的刀号和选定的球头刀半径定义刀具，如图6所示。

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a)

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图6 刀具定义

4.加工过程仿真

在定义好毛坯、机床和刀具的基础上，设置好仿真动画显示参数，就可以进行切削过程仿真了。如果需要，还可以对夹具、材料、视窗等辅助内容进行定义。图7a 是左旋转子铣削仿真中的一个场景。切削过程和切削结果均显示在图形窗口中，干涉与否可通过日志文件和提示行查看。图7b则是由机床加工出的转子成品，它与 仿真加工的结果完全一致。

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a)

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b)

图7 仿真加工的转子与实际加工的转子

四、结束语

Vericut是集多种功能于一体的切削仿真系统。本文阐述了基于Vericut少齿转子的NC铣削仿真的实现方法。利用该平台可以以形象直观的方式实现对数控代码的校验，对于保证数控程序的正确性具有重要意义，可以将过切与干涉等不安全因素消除在机床加工之前。
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