1、第五章 数控铣床简介,5.1 数控铣床的基本组成,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。数控铣床主轴安装铣削刀具，在加工程序控制下，安装工件的工作台沿着X、Y、Z坐标轴的方向运动，通过不断改变铣削刀具与工件之间的相对位置，加工出符合图纸要求的工件。,5.1.1 数控铣床的构成和功能,数控铣床具有以下特点: （1）半封闭或全封闭式防护 （2）主轴无级变速且变速范围宽 （3）采用手动换刀，刀具装夹方便 （4）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，可以完成平面轮廓及曲面的
2、加工。 （5）应用广泛,1. 数控机床的分类：,（1）数控铣床按主轴布置形式可分为三类 ：立式、卧式、龙门数控铣床。 1）立式数控铣床,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。 卧式数控铣床 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）龙门式数控铣床工作台宽度在630mm 以上的数控铣床，多采 用龙门式布局 ，用于大 工件、大平面的加工， 主要在汽车、航空航天、 机床等行业使用。,有两坐标联动、两坐标半联动、三坐标联动和多坐标联动之分 。如图是6坐标铣床， X、Y、Z、B、C、W 六个轴 。,（2）按控制联动坐标数,分为经济型数
3、控铣床、全功能数控铣床、高速数控铣床和龙门数控铣床 。,（3）按系统功能,经济,全功能,高速铣床,龙门铣床,分为开环控制、闭环控制和半闭环控制数控铣床。 1）开环控制数控铣床运动部件没有位置检测反馈装置，采用步进电动机驱动,（4）按伺服系统的控制方式分类,开环控制数控机床结构,2）闭环控制数控铣床运动部件上安装有位置测量反馈装置，由直流或交流伺服电动机驱动。,闭环控制数控机床结构,3）半闭环控制数控铣床将位置检测元件安装在电动机轴端或丝杠轴端，通过角位移的测量间接计算出机床工作台的实际运行位移，与数控装置中的指令位移量相比较，实现差值控制。,半闭环控制数控机床结构,分为点位控制数控铣床、直线控
4、制数控铣床和轮廓控制数控铣床。,（5）按运动轨迹分类,轮廓控制铣床加工,直线控制铣床加工,点位控制铣床加工,2数控机床的构成,数控铣床一般由机床本体、数控系统、进给伺服系统、冷却润滑系统等几大部分组成。机床本体是数控机床的主体，包括：床身、立柱等支承部件；主轴等运动部件；工作台、刀架以及进给运动执行部件、传动部件；此外还有冷却、润滑、转位和夹紧等辅助装置。与传统机床相比，数控铣床的外部造型、整体布局、传动系统与刀具系统的部件结构以及操作机构等都发生了很大的变化，这种变化的目的是为了满足数控技术的要求和充分发挥数控机床的特点。,1.底座；2.强电柜；3.变压器箱；4、13、14.伺服电动机；5.
5、主轴变速控制面板；6.床身；7.数控柜；8、11.纵向行程限位开关；9.挡铁；10.操纵台；12.横向滑板；15.升降台；16.纵向滑板,3数控铣床的使用要求,（1）便于同时操作和观察 （2）刀具、工件装卸、夹紧方便 （3）排屑和冷却,4数控铣床的功能 （1）直线插补（2）圆弧插补（3）固定循环 （4）刀具补偿（5）镜向、旋转、缩放、平移 （6）自动加减速控制（7）数据输入输出及DNC功能,（8）子程序功能 （9）自诊断功能 （10）宏程序功能,5数控铣床的发展趋势 （1）高速度与高精度化主轴转速在（800040000）r/min的数控铣床称为高速铣削数控铣床，其进给速度可达（1030)m/m
6、in。 （2）高柔性化 （3）多功能化 （4）智能化 （5）造型宜人化（6）采用好的机床结构,5.1.2 数控铣床坐标系的定义,为了确定机床的运动方向和移动距离，就要在机床上建立一个坐标系，该坐标系就叫机床坐标系，也叫标准坐标系。数控机床上的坐标系采用右手直角笛卡尔坐标系，。右手的大拇指、食指和中指保持相互垂直，拇指的指向为X轴的正方向，食指的指向为Y轴的正方向，中指的指向为Z轴的正方向。A、B、C分别表示其轴线平行于X、Y和Z坐标的旋转运动。根据右手螺旋定则，分别以大拇指指向X、Y、Z方向，其余四指则分别指向A、B、C轴的旋转方向。上述坐标轴正方向，均是假定工件不动，刀具相对于工件作进给运动
7、而确定的方向，即刀具运动坐标系。,右手直角笛卡尔坐标系,确定原则：（1）刀具相对静止、工件运动的原则 这样编程人员在不知是刀具移近工件还是工件移近刀具的情况下，就可以依据零件图纸，确定加工的过程。（2）标准坐标系原则：即机床坐标系确定机床上运动的大小与方向，以完成一系列的成形运动和辅助运动。（3）运动方向的原则：数控机床的某一部件运动的正方向，是增大工件与刀具距离的方向。,各坐标轴确定（1）Z轴通常把传递切削力的主轴定为Z轴。对于刀具旋转的机床，如镗床、铣床、钻床等，刀具转动的轴为Z轴。若有多根主轴，则可选垂直于工件装夹面的主轴为主要主轴，Z坐标则平行于该主轴轴线。若没有主轴，则规定垂直于工件
8、装夹面的坐标轴为Z轴。Z轴正方向是使刀具远离工件的方向。（2）X轴X轴是水平方向的，它垂直于Z轴并平行于工件的装夹面。对于刀具旋转的机床，若Z轴为水平的，如卧式铣床、镗床，则沿刀具主轴后端向工件方向看，右手平伸出的方向为X轴正向；若Z轴为垂直的，如立式铣床、镗床、钻床，则从刀具主轴向床身立柱方向看，右手平伸出的方向为X轴正向。,（3）Y轴在确定了X、Z轴的正方向后，即可按右手螺旋定则定出Y轴正方向 。,附加坐标系：为了编程和加工的方便，有时还要设置附加坐标系。对于直线运动，通常建立的附加坐标系有：（1）指定平行于X、Y、Z的坐标轴。可以采用的附加坐标系有第二组U、V、W坐标，第三组P、Q、R坐
9、标。（2）指定不平行于X、Y、Z的坐标轴。可以采用的附加坐标系有第二组U、V、W坐标，第三组P、Q、R坐标。,坐标系和附加坐标系,数控铣床的机床原点：机床原点又称为机械原点，是机床坐标系的原点。该点是机床上一个固定的点，其位置是由机床设计和制造单位确定的，通常不允许用户改变。机床原点是工件坐标系、机床参考点的基准点，也是制造和调整机床的基础。对于数控铣床的机床原点，各生产厂不一致，多定在进给行程范围的正极限点处，但有的设置在机床工作台中心，使用前可查阅机床用户手册。,数控铣床的原点,机床参考点：机床参考点是机床上的一个固定点，用于对机床工作台、滑板与刀具相对运动的测量系统进行标定和控制。其位置
10、由机械挡块或行程开关来确定。机床参考点对机床原点的坐标是一个已知定值，也就是说，可以根据机床参考点在机床坐标系中的坐标值来间接确定机床原点的位置。在机床接通电源后，通常都要做回零操作，使刀具或工作台退离到机床参考点。当回零操作完成后，显示器即显示出机床参考点在机床坐标系中的坐标值，表明机床坐标系已自动建立。可以说回零操作是对基准的重新核定，可消除由于种种原因产生的基准偏差。通常在数控铣床上机床原点和机床参考点是重合的。,工件坐标系（编程坐标系）工件坐标系是由编程人员根据零件图样及加工工艺，以零件上某一固定点为原点建立的坐标系，又称为编程坐标系。工件坐标系一般供编程使用。确定工件坐标系时，不必考
11、虑工件在机床上的实际装夹位置。工件坐标系的原点称为工件原点或编程原点。 工件原点在工件上的位置虽可任意选择，但一般应遵循以下原则：（1）工件原点应选在工件图样的设计基准或工艺基准上，以利于编程。,（2）工件原点应尽量选在尺寸精度高、粗糙度值低的工件表面上。（3）工件原点最好选在工件的对称中心上。（4）要便于测量和检验。在数控铣床上加工 件时，工件原点一 般设在进刀方向一侧， 工件外轮廓表面的某 个角上或对称中心上 。如右图所示。,对刀：在数控加工中，工件坐标系确定后，还要确定刀尖点在工件坐标系中的位置。每把刀具的半径与长度尺寸都是不同的，刀具装在机床上后，应在控制系统中设置刀具的基本位置，即常
12、说的对刀问题。数控机床的装备不同，所采用的对刀方法也不同。如果数控机床自带对刀仪或配有机外对刀仪，那么对刀问题会比较简单，对刀精度也较高；否则，只能采用手动对刀，对刀过程相对复杂，效率也低。对于数控铣床来说，通常工件坐标系的确定是通过对刀的过程来实现的，即使用对刀点来确定工件原点。,对刀点：对刀点是指通过对刀确定刀具与工件相对位置的基准点。对刀点可以设在工件上，也可以设在与工件的定位基准有一定关系的夹具某一位置上。其选择原则是： （1）所选的对刀点应使程序编制简单。 （2）对刀点应选在容易找正、便于确定工件原点的位置。 （3）对刀点应选在加工过程中检查方便、可靠的位置。 （4）对刀点的选择应有
13、利于提高加工精度。 当对刀精度要求较高时，对刀点应尽量选在零件的设计基准或工艺基准上。对于以孔定位的工件，一般取孔的中心作为对刀点。对刀点往往与工件原点重合。若二者不重合，在设置机床零点偏置时，应当考虑到两者的差值。,5.1.3 数控铣床的主要技术参数,数控铣床的精度数控铣床的精度主要是指加工精度、定位精度和重复定位精度。中等规格的数控铣床，其定位精度为（0.005mm0.008mm）/300mm，精密级从0.005mm/全程提高到（0.001mm0.003mm）/全程。分辨率与脉冲当量分辨率是指两个相邻的分散细节之间可以分辨的最小间隔。对测量系统而言，分辨率是指可以测量的最小增量；对控制系统
14、而言，分辨率是可以控制的最小位移增量或角位移增量，即数控装置每发出一个脉冲信号，反映到,数控机床各运动部件的位移量或角位移量，一般又称为脉冲当量。脉冲当量是设计数控机床的原始数据之一，其数值的大小决定数控机床的加工精度和表面质量。目前经济型数控机床的脉冲当量一般采用0.01mm；普通数控机床的脉冲当量一般采用0.001mm；精密型数控机床的脉冲当量一般小于0.0001mm；最精密的数控系统的分辨率已经达到0.001m。一般情况下，脉冲当量越小，数控机床的加工精度和加工表面质量越高。,5.2 主轴部件的端部结构与刀柄,数控机床主传动系统包括主轴电动机、传动系统和主轴部件，其作用就是产生不同的主轴
15、切削速度以满足不同的加工条件要求。对主传动系统的基本要求是：有较宽的调速范围，可增加机床加工适应性，便于选择合理切削速度使切削过程始终处于最佳状态；有足够的功率和扭矩，使数控加工方便实现低速时大扭矩，高速时恒功率，以保证加工高效率；有足够的传动精度，各零部件应具有足够精度、刚度、抗振性，使主轴运动高精度，从而保证数控加工高精度；噪声低，运动平稳，使数控机床工作环境良好。,5.2.1 数控铣床主轴的传动方式,主传动系统的变速方式，一般有三种：（1）采用变速齿轮传动采用几对齿轮降速，用液压拨叉自动变速，电机主轴仍为无级变速，并实现主轴的正反启动、停止、制动。该方式扭矩大，噪声大，一般用于较低速加工
16、。（2）采用同步齿形带传动采用直流或交流主轴伺服电机，由同步齿形带传动至主轴。该方式主轴箱及主轴结构简单，主轴部件刚性好；传动效率高、平稳、噪声小；不需润滑；但由于输出扭矩小，低速性能不太好，在中档机床中应用较多。,（3）采用主轴电机直接驱动 亦称一体化主轴、电主轴，由主轴电机直接驱动，电机、主轴合二为一，主轴为电机的转子，电主轴是一套组件，它包括电主轴本身及其附件：电主轴、高频变频装置、油雾润滑器、冷却装置、内置编码器、换刀装置，一般应用于高速机床。,同步齿形带,电主轴,5.2.2 主轴部件的构成,（1）轴承 数控机床主轴轴承的支承形式、轴承材料、安装方式均不同于普通机床，其目的是保证足够的
17、主轴精度。（2）主轴准停装置 满足刀具交换时，刀柄键槽位置必须固定的要求。（3）自动夹紧和切屑清除装置 自动夹紧一般由液压或气压装置予以实现；而切屑清除则是通过设于主轴孔内的压缩空气喷嘴来实现，其孔眼分布及其角度是影响清除效果的关键。,（4）润滑与冷却 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。主轴的冷却以减少轴承及切割磁力线发热，有效控制热源。,1、3、16.轴承；2.皮带轮；4、5、6.密封圈；7.圆锥销；8.推力套；9.轴套 10.推力杆；11.蝶形簧；12.钢球；13.定位套；14.进气孔；15.活塞主轴结构图,5.2.3 主轴端部的结构形状与刀柄,
18、主轴端部用于安装刀具或夹持工件的夹具，在设计要求上，应能保证定位准确、安装可靠、联接牢固、装卸方便，并能传递足够的转矩。,1.端面键；2.弹簧爪；3.拉杆；4.钢球,刀柄：数控铣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，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。,在我国应用最为广泛的是BT系列刀柄和拉钉，刀柄与主轴孔的配合锥面采用7：24的锥度，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，其中，BT表示采用日本标准MAS40的刀柄，其后数字为相应的
19、ISO锥度号：如50和40分别代表大端直径69.85和44.45的7：24锥度。拉钉的右端旋入刀柄，左端与主轴里面的拉杆和夹头相连，从而使刀柄沿轴向拉紧。刀柄的分类 ：整体式刀柄、模块式刀柄 。,5.3 进给系统的机械传动结构及元件,5.3.1 进给传动系统数控机床的进给传动系统负责接受数控系统发出的脉冲指令，并经放大和转换后驱动机床运动执行件实现预期的运动。根据工件加工的需要，在机床上各运动坐标的数字控制可以是相互独立的，也可以是联动的。总的说来，为保证数控机床高的加工精度，要求其进给传动系统有高的传动精度、高的灵敏度（响应速度快）、工作稳定、有高的构件刚度及使用寿命、小的摩擦及运动惯量，并
20、能清除传动间隙。为满足这种要求，首先需要高性能的伺服驱动电机，同时也需要高质量的机械结构与之匹配。,根据伺服驱动电机的种类进给传动系统可分为： 步进电机伺服进给系统 一般用于经济型数控机床 直流伺服电机伺服进给系统 功率稳定，但因采用电刷，其磨损导致在使用中需进行更换，一般用于中档数控机床。 交、流伺服电机伺服进给系统 应用极为普遍，主要用于中高档数控机床。 直线电机伺服进给系统 无中间传动链，精度高，进给快，无长度限制；但散热差，防护要求特别高，主要用于高速机床。,5.3.2. 进给系统的主要机械传动部件,（1）滚珠丝杠螺母副数控加工时，需将旋转运动转变成直线运动，常采用丝杠螺母传动机构。滚
21、珠丝杠，可将滑动摩擦变为滚动摩擦，传动效率高，摩擦力小，并可消除间隙，无反向空行程，不易产生爬行，但不能自锁，尺寸亦不能太大，所以一般中小型数控机床的直线进给普遍采用滚珠丝杠；大型数控机床因为移动距离大而采用齿条或螺母条。滚珠丝杠螺母副的特点是：传的效率高；摩擦力小；使用寿命长；刚度高；运动精度高；制造成本高；不能实现自锁。,1.螺母；2.电机；3.丝杠；4.支承滚珠丝杠螺母副结构图,按滚珠循环方式的标题，可以分为内循环和外循环两种 。,（a）螺旋槽式 （b）插管式 1.套筒；2.螺母；3.滚珠； 1.弯管；2.压板；3.丝杠；4.挡珠器；5.丝杠 4.滚珠；5.滚道 外循环式的滚珠丝杠副图,
22、1.凸键； 2、3.反向键内循环式的滚珠丝杠副图,1、2.螺母；3.丝杠；4.垫片；5.螺母；6.螺母座双螺母螺纹调隙式结构图,轴向间隙的消除和预紧：,滚珠丝杠的安装 ：,（2）导轨： 1）滑动导轨2）滚动导轨3）直线电动机 进给系统,静压导轨图,4）静压导轨,5.4 数控铣床常用刀具和加工工艺范围,5.4.1. 数控铣床加工范围与数控车削相比，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；采用定尺寸刀具进行钻、扩、铰、镗及攻丝等，一般数控铣都有镗、钻、铰功能；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
23、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。,在数控铣床上所能用到的刀具按切削工艺可分为三种： （1）钻削刀具。钻削刀具分小孔钻头、短孔钻头（深径比5）、深孔钻头（深径比6，可高达100以上）和枪钻、丝锥、铰刀等。 （2）镗削刀具。镗削工具分镗孔刀（粗镗、精镗）和镗止口刀等。 （3）铣削刀具。,（1）常用刀具,成型铣刀,（2）常用刀具材料：常用金属切削刀具材料为高速钢和硬质合金，按国内标准硬质合金刀具材料种类又分为YT、YG、和YW三种，相对应的国际ISO标准为P、K、M，分别为加工钢、铸铁和合金钢以及不易加工的材料。常用非金属
24、刀具材料有陶瓷、聚晶金刚体和立方氮化硼，其中聚晶金刚体主要用于对耐磨、高硬度的非金属和非铁合金材料进行精加工。立方氮化硼适用于加工淬火钢、硬铸铁、高温合金和硬质合金。为提高刀具材料的耐磨性和使用寿命，刀具材料的表面可用TiN、TiCN、Al2O3等材料作渡层处理。,（3）刀具选用：1）加工曲面类零件时，为了保证刀具切削刃与加工轮廓在切削点相切，而避免刀刃与工件轮廓发生干涉，一般采用球头刀，粗加工用两刃铣刀，半精加工和精加工用四刃铣刀。2）铣较大平面时，为了提高生产效率和提高加工表面粗糙度，一般采用刀片镶嵌式盘形铣刀。粗铣时铣刀直径选小一些，精铣时铣刀直径选大一些；铣小平面或台阶面时一般采用通用铣刀。3）铣键槽时，一般用两刃键槽铣刀；加工精度要求较高的凹槽，可选用直径比槽宽小的立铣刀，先铣槽的中间部分，然后利用刀具半径补偿功能铣削槽的两边。4）毛坯表面或孔的粗加工，可选用镶硬质合金的玉米铣刀进行强力切削。,谢谢！,
