- 5月 24, 2024
铣削是应用最广泛的数控加工技术之一。它是零件制造和表面精加工的理想工艺，可以实现高精度、高再现性和高产出率。数控铣削应用于许多行业，包括汽车、航空航天、机器人和医疗行业。
本文将介绍数控铣削工艺，如定义、铣削类型、基本工具以及如何通过该工艺节约成本。
铣削的定义
铣削是指在制造过程中通过旋转刀具将材料从工件上切削或去除。此外，铣削是一种适应性很强的加工工艺，可以在各种材料上加工出不同的形状和表面粗糙度。
铣削加工有两种类型：手动铣削和自动（数控）铣削。手动铣削是指使用手动工具和手动操作机械加工产品的传统方法，能否达到预期效果主要取决于机械师的知识、熟练程度和经验。
在此，我们将详细讨论数控铣削。
什么是数控铣削？
数控铣削是一种由计算机控制设备操作的常见加工技术，铣削操作通过旋转工具切割塑料、金属或木材等材料。在CNC铣削过程中，计算机控制主轴转速和进给速度，刀具使用顺序以及每个刀具的刀具路径。
此外，铣削包括3轴、4轴、5轴以及多轴铣削。三轴铣削在X、Y和Z轴上移动，相比之下，5轴铣床在线性X、Y和Z轴方向以及旋转A和B轴方向上移动，可加工出更复杂的零件。
数控铣床的线性轴和旋转轴
数控铣床在两个主要轴上运行：线性轴和旋转轴。
线性轴
数控机床以笛卡尔坐标系为基础，该坐标系广泛应用于数学和计算机辅助设计(CAD)软件。该系统中的三条线性轴相互垂直，并相交于原点。
这三个轴分别是X、Y和Z轴，它们描述了切削刀具的方向。X轴是与切削工具平行的从左到右的运动，Y轴是垂直于切削工具的运动，从前向后移动，另一方面，Z轴是从下至上的运动。
旋转轴
“旋转轴”这一名称源于其与旋转的联系，它们和线性轴的关系也很明显，因为这些旋转轴总是围绕三个线性轴中的一个旋转。
旋转轴有三个，它们之间的关系通常是这样的：围绕X轴的倾斜或旋转称为A轴，简称倾斜轴。绕Y轴的旋转称为B轴，绕Z轴的旋转称为C轴。
数控铣床如何工作？
接下来将详细介绍铣削过程，有助于你全面了解其工作原理。一般来说，数控铣削操作分为三个阶段：
1. 设计CAD文件
第一阶段包括使用CAD软件创建预期产品的虚拟原型。您可以使用不同的CAD-CAM程序来开发加工所需的代码，将CAD设计转化为机器能理解的数控编程语言。制造工程师还能使用该软件模拟整个铣削过程，这样可以检查设计错误，避免创建难以加工的复杂特征。
2. 设置铣床
尽管数控铣床可自动切割工件，但某些加工过程仍需要机床操作员。例如，操作员必须将工件固定在工作台上，并为主轴装上切削刀具。
现代铣床具有实时刀具更换功能，因此，它们能够在铣削过程中自动更换刀具。这就减少了操作过程中的停机次数。不过，在开始加工之前，仍需要进行初始设置和程序检查。
3. 加工部件
如前所述，数控铣削利用旋转刀具在接触工件时切断切屑，刀具的连续旋转可获得所需的形状。由于原材料的类型和最终产品所需的形状，加工过程中的铣削操作有所不同。
不过，最初的几道工序基本是相同的，使用较大的刀具来雕刻出大致的形状，再更换刀具来加工出更精确的特征。精密数控铣削在最后阶段通过精铣实现，包括出色的表面粗糙度和高公差要求。
不同类型的CNC铣削操作
数控铣削中心可以高精度加工多种复杂特征，这些特征包括薄壁、倒角、深槽等。然而，制造这些特征需要各种铣削操作，例如
平铣
平铣使用卧式铣床，切削工具的旋转轴与工作台平行。它根据所需的效果使用不同形状和方向的刀具。宽铣刀（进给速度快）和细切削齿（切削速度快）的组合是实现成本效益的理想选择，它还能确保更好的表面光洁度和高质量的成品。
面铣
面铣使用的切削工具在侧面和端面都有齿。侧齿进行主要的切削工作，齿尖上的其他齿协助进行表面抛光。面铣通常排在平铣之后，因为它可以加工出复杂的轮廓和高质量的表面效果。
角度铣削
这是制造沟槽、倒角、槽和其他复杂特征的首选铣削操作之一。传统的三轴铣床使用不同的铣刀，例如燕尾槽铣刀用于制作斜槽，锥形铣刀头用于制作倒角。角铣铣刀的轴线通常与切削表面垂直或一致。
成型铣削
这种铣削操作使用特殊刀具来制作更复杂的轮廓。其中凹面铣刀和凸面铣刀是最常见的，只需一次切削，就能加工出表面轮廓、圆边或圆形凹槽。
其他铣削操作
除上述铣削操作外，数控铣床还能完成其他类型的专业铣削操作，例如：
- 轮廓铣削：刀具沿着毛坯棒材上的斜面或垂直面创建切削路径，该工艺使用的轮廓铣刀平行或垂直于工件表面加工。
- 排铣：属于成型铣削的一个子类，可使用多个铣刀同时制作图案。该操作通常使用不同的形状、尺寸或宽度的铣刀，它们可以执行类似或不同的操作，以便在更短的时间内制造出复杂的特征或错综复杂的零件。
- 跨铣：这种铣削操作允许机床一次切削两个或多个平行工件，在工件的两侧布置两个刀具，并在同一机床的轴上对两侧进行铣削。
加工过程中必要的数控铣削工具
虽然使用的数控铣削工具很多，但并非所有工具都必不可少。以下是一些必要的铣削工具。
丝锥
使用丝锥在金属或塑料等材料上加工螺纹。丝锥的形状和尺寸多种多样，包括手动丝锥和自动丝锥。将其安装到铣床上，可以加工出螺纹孔。此外，这种铣削丝锥工具非常适合用于铜和铝等较软的材料。
钻头
使用铣床上的钻头可以在木材和金属上钻出圆孔。钻头的形状和尺寸多种多样，包括铲钻和麻花钻头。
此外，钻头在数控铣削加工中也非常重要，它能在钻孔前精确地形成圆锥孔，从而避免钻孔错误。
立铣刀
用于钻孔和铣削的切削工具称为立铣刀。它们由硬质合金或高速钢等材料制成，有各种尺寸和形状。此外，它们还可用于各种切削应用，包括侧铣、面铣、斜铣、插铣和槽铣，能高效地铣削大量多余的材料。
数控铣床的组成部分
这部分我们将分析数控铣床的组成部件。因为新型铣床款式多且复杂，因此我们以传统的铣床为例概述。铣床的基本组件如下：
1. 机架
该主要结构用于支撑机器，并赋予其刚性和稳定性。它有一个底座和可拆卸的立柱，其中机床头架是机架的重要组成部分，用于安装主轴，防止机床运行时产生振动或颤振。这样可以防止加工误差，延长切削刀具的使用寿命。
2. 数控控制面板
数控控制面板可以被称为铣削中心的”神经系统”。它由各种电子设备组成，使用编程功能控制不同切削动作。控制面板的主要是由数控显示器和编程按钮组成，大多数数控铣床都采用易于操作的控制面板，以方便加工。
3. 轴
数控铣床有X、Y和Z轴。根据配置的不同，它们还配有额外的旋转轴（A、B和C）。CNC控制器中的G代码通常被用来给它们编程。
4. 立柱
该机床部件为铣床的其他部件提供结构和支撑。它有一个固定的底座，可能包括帮助数控铣床操作的内部组件。此类内部功能包括冷却液和储油罐。
5. 工作台
该组件是固定工件的坚固底座。换句话说，它能将毛坯棒、夹钳或夹具固定到位。根据所用铣床的不同，该部件可以垂直、水平或双向调整。大多数工作台使用T型槽，以确保夹紧工件。
6. 主轴
主轴包括一个用于定位刀柄的锥形部分。它还有一个旋转组件和一个用于安装切削刀具的轴。根据铣床类型的不同，主轴可水平或垂直定位。
7. 柱塞
立式铣床中通常会有这种机床部件，它通常连接到支撑主轴的立柱上。操作员可以在铣削过程中调整滑枕到不同位置。
8. 铣削工具
铣削工具是进行材料去除的部件。根据铣削规格的不同，有多种铣削工具可供选择。它们的排列、数量、齿距、直径、长度和几何形状各不相同。
数控铣床的类型
数控铣床有不同类型，适合不同用途。这些机器包括：
立式铣床
这种立式铣床有三个运动轴，它有一个作为主轴和工作面的工作台。顾名思义，立式铣床的主轴方向是垂直的。此外，主轴在铣刀旋转时会固定住铣刀轴。立式数控铣床一般分为两类：
- 床身铣床：床身铣床的工作台仅垂直于主轴轴线移动，主轴在其轴线前方旋转。
- 转塔铣床：转塔铣床的特点是主轴固定不动，工作台可平行或垂直于主轴轴线移动。某些转塔铣床还配有轴套，可升降铣刀工具。转塔铣床的用途更加广泛。
卧式铣床
主轴轴向是立式铣床与卧式铣床的区别，卧式铣床的主轴轴线水平排列。
较长或较重的工件适合使用卧式铣床，许多卧式铣床的旋转工作台还可使机床以不同角度进行磨削。
- 膝式铣床：这类机床的工作台可以垂直调整，并有一个固定的主轴。膝部支撑着工作台，而工作台则位于鞍座上，膝部可以升高或降低。膝式铣床的例子包括落地式，台式，和普通卧式铣床。
- 龙门式铣床：龙门铣床在某些方面与床身铣床相似。其工作台沿Z轴和Y轴设置，主轴可在X、Y和Z轴上移动。不过，龙门式铣床可支持多种铣削工具。
- 床身型铣床：床身式铣床的工作台直接固定在床身上，工件沿Y轴和Z轴的运动受到抑制。此外，床身式铣床还可分为单轴、双轴和三轴铣床。双轴和三轴铣床分别使用两个和三个主轴，而单轴铣床，只有一个主轴可在X或Y轴方向移动。
不同的多轴铣床
这些机床可以沿不同的轴移动，并以不同的角度进行铣削。常见的多轴铣床有：
三轴铣床
三轴立式铣床允许工作台在X和Y方向移动。使用这些机床，工件可以相对于切削工具定位。然后，操作员可以通过降低刀具来下降Z轴。数控工具可确保三个轴同时运动，从而提供加工所需的灵活性。
四轴铣床
如上所述，这些铣床具有所有三个轴。但还有一个轴 – A轴。增加另一个轴可使工作台绕X轴旋转，就为端面铣削提供了空间，而无需重新定位工件。
五轴铣床
四轴铣床的所有功能在这里都适用，但增加了B轴。这一附加功能有助于工作台绕Y轴旋转。五轴数控铣床比上述几种铣床都要昂贵，但它们可以在一次操作中生产出复杂的零件。此外，它们很少需要额外的设置，并与实时工具兼容。
六轴铣床
由于成本高昂，六轴铣床尚未成为标准配置。它们有固定的工作台，刀具可完全自由移动。也就是说，刀具可以在X、Y和Z轴上左右移动。
决定铣床成本的因素有哪些？
铣床的成本是影响数控加工成本的因素之一。不过，这一成本因机床的先进程度而异。铣床的成本取决于以下因素：
- 机床的重量和尺寸（以X/Y/Z行程测量）
- 机床配置（3、4、5或6轴）
- 机器速度
- 功率
- 其他因素，如冷却液压力、排屑器、自动换刀装置、机器人零件装载机等。
降低数控铣削成本的技巧
以下是一些有助于降低数控铣削项目成本和时间的专业建议。
使用可加工性高的材料
加工时间与材料选择都是节约成本的关键。原材料和零件设计是决定加工时间的主要因素。
加工尺寸极其精确的复杂零件设计既困难又昂贵，尽可能选择易于加工的材料。选择黄铜、铝和低碳合金等易于加工的材料，可以减少加工时间。不锈钢等硬质金属强度高，更难加工，耗费的加工时间长。
仅对关键特征应用严格公差
在进行精细数控加工时，规格要求是必不可少的。然而，零件设计中的较小公差会显著影响生产成本。
对于一般特征，建议直接使用标准公差。如果需要，可以为一些关键特征和功能定义公差。同样，铣削孔的尺寸也要保持一致。较深和较小的孔需要更多的加工时间，并可能导致工件破损，从而增加生产成本。
优化调机时间和次数
每个加工零件都要经过一道或多道工序。每道工序都需要多项准备工作，包括机床设置、夹具（如需要）、CAM编程（根据切削、铣削和钻孔程序的不同而不同）等等。因此，减少安装次数将有助于减少混乱和降低成本。
此外，大多数工件只需四次或更少的调机即可完成。如果可能的话，将所需的工序减少到一个或两个。减少调机次数，就会节省更多的调机时间。此外，这还能让你更快速、更精确地加工数控铣削零件。
内角保持标准半径
建议内角也要符合标准规格的要求。要铣出半径小而精确的内角，成本高、耗时长，而且需要特殊的设备，特别是在使用非常小的刀具时。
对于大多数加工件来说，合适的内角半径为3毫米或1/8英寸。因此，对于非关键特征，遵循传统半径可以节省加工成本和时间。
数控铣削操作的常见材料
数控铣削可加工多种材料。材料的选择取决于应用的要求和规格。最常见的材料包括：
用于铣削的金属材料
- 铝合金
- 不锈钢
- 低碳钢
- 工具钢
- 黄铜
- 铜合金
- 钛合金
- 镁合金
用于铣削的塑料材料
- PC
- ABS
- PA
- PMMA
- POM
- PEEK
- HDPE
- PVC
数控铣削在零件制造中的优缺点
数控铣削工艺因其优点而成为各种工业应用的关键。不过，它也存在不足。以下是这种制造技术的一些优点和不足。
数控铣削的优点
高精度
数控铣削操作可以尽量减少误差，从而确保更高的精度。这种技术可以生产出符合精确技术规格和公差要求的零件。
大多数数控铣削零件的公差范围在 +/- 0.001 英寸到 +/- 0.005 英寸之间，有些甚至高达 +/- 0.0005 英寸。加工过程的自动化也限制了人为误差，微铣削可以保证只去除部分厚度，避免影响零件的尺寸。
效率和重复性
数控铣削中心因其自动化程度高而产量大，先进的铣床可以更快地生产出质量和光洁度更加一致的零件。
广泛的材料兼容性
该工艺适用于多种材料，包括金属、塑料、玻璃和木材。这进一步提高了其通用性，使其成为各种应用的理想选择。
人工劳动参与低
数控铣床的自动化和高产能大大减少了加工过程中的劳动力。这些机器还可以进行实时工具铣削，确保更换工具时无需停止操作，因此，加工过程中只需极少的操作人员。
成本效益高
数控铣床可以更快、更精确地高效生产复杂的产品，这就减少了生产阶段所花费的时间。此外，较少的劳动力需求也进一步降低了生产成本。
数控铣削的不足
机器成本高
数控铣床的初始投资成本高于传统的手动设备，这会增加整体制造成本。
需要对操作员进行培训
并非任何人都能操作数控铣床，从设计人员到程序员和机床操作员，都需要接受充分的培训，才能实现铣削加工的最佳效果。
高频率的维护
铣床必须经常维护，以确保其正常运行并延长刀具寿命，这就增加了铣床的停机时间。
数控铣削的行业应用
数控铣床的优势和多种应用使多个行业受益匪浅。以下是一些行业应用：
航空航天行业
铣削工艺能够用铝和钛等材料制造航空航天零件，这些材料经久耐用、重量轻。
汽车行业
为汽车工业制造的产品必须高效、精确。因此，数控铣削适用于生产内饰板、驱动轴、气缸盖、变速箱、排气部件、悬挂部件等。
医疗行业
医疗和手术工具通常具有独特的设计，需要很高的精度。因此，数控铣床是制造此类部件的最佳方法之一。通过这种方式，可以在提高效率和生产率的同时保持精密性。
消费品
数控铣削操作还有助于生产通用部件，这些产品包括螺母和螺栓、齿轮和轴、法兰等。该工艺既适用于短期生产，也适用于大规模生产。
铣削加工的替代工艺
磨削
与铣削相比，磨削可以去除更坚硬的材料，生产出表面更精细、表面光洁度更小的产品。许多产品在磨削前都要经过数控铣削，但也有一些磨削是完全从毛坯上进行的，使用的技术称为磨料加工。当需要去除的金属很少，而表面光洁度和尺寸精度又非常重要时，通常会选择磨削而不是铣削。
刨削或成形
铣床的起始成本远远高于同样可以加工相同尺寸工件的刨机或刨床。此外，安装时间通常较长，铣削工具的成本可达其他类型设备的50倍。
刨削使用单点切削工具去除工件上的材料，它还能以直线运动的方式有效去除大量材料。不过，这种工艺很难加工精密零件。
拉削
这种加工技术使用锋利、淬硬、带齿的刀具持续、准确地去除工件上的材料。在拉削过程中，使用带有不同尺寸凸齿的刀具，每次经过都能精确地去除一定数量的材料。
在加工大批量工件时，拉削有时比铣削更具成本效益。但它也有缺点，比如加工过程较慢，在加工高硬度的材料时较困难。
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结论
数控铣削适用于多种高质量应用，无论其复杂程度如何。这种高性价比的制造工艺还能节省大量时间，确保运行效率，加快产品上市速度。
常见问题
数控铣削和车削的区别是什么？
它们的区别在于操作模式。数控铣削是将工件固定在原位并旋转切削工具，以塑造工件形状。另一方面，数控车削使用固定的切削工具和旋转的工件。
数控铣床可以制造什么产品？
只要有设计图纸，铣床可以制造任何产品。您可以获得常规和定制零件，无论其几何形状有多复杂。
数控铣床的成本是多少？
影响数控铣削成本的因素很多，包括原材料、零件设计、铣床类型、加工数量和后处理。每个因素都会影响数控铣削项目成本。
