数控铣加工基础知识

1．数控铣床的分类

自从工业革命以来，机床工业发生了翻天覆地的变化。大多数人了解的是铣床、车床和钻床，也就是所说的普通机床，这些设备通过技术工人操作手轮移动刀架使刀具沿正确的方向走刀到零件所加工的位置。普通机床需要通过接受过较长时间的专业培训并且具有一定操作技能的操作者在具备一定条件的环境下才能加工出高质量的零件。相对来说，普通设备的加工效率较低，成本较高。

今天，数控设备在相当多的领域已经完全或逐渐取代了普通设备，与普通机床不同，数控机床加工零件的过程完全自动地进行，加工过程中人工不能干预。因此，首先必须将所要加工件的全部信息，包括工艺过程、刀具运动轨迹及走刀方向、位移量、工艺参数（主轴转速、进给量、切削深度）以及辅助动作（换刀、变速、冷却、夹紧、松开）等，按加工顺序采用标准或规定的程序指令编写出正确的数控加工程序，然后输入到数控设备的控制系统中，随后控制系统按数控程序的要求控制数控机床对零件进行加工。所谓数控编程，一般指包括零件图样分析、工艺分析与设计、图形数学处理、编写并输入程序清单、程序校验的全部工作过程。数控编程可分为手工编程和自动编程两种方式。

数控铣床可进行钻孔、镗孔、攻螺纹、轮廓铣削、平面铣削、平面型腔铣削及空间三维复杂型面的铣削加工。加工中心、柔性加工单元是在数控铣床的基础上产生和发展起来的，其主要加工方式也是铣加工方式。

数控铣床可按通用铣床的分类方法分为以下3类：

（1）数控立式铣床

数控立式铣床主轴轴线垂直于水平面，这种铣床占数控铣床的大多数，应用范围也最广。目前三坐标数控立式铣床占数控铣床的大多数，一般可进行三轴联动加工。

（2）卧式数控铣床

卧式数控铣床的主轴轴线平行于水平面。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台或万能数控转台的方式来实现四轴和五轴联动加工。这样既可以加工工件侧面的连续回转轮廓，又可以实现在一次装夹中通过转台改变零件的加工位置也就是通常所说的工位，进行多个位置或工作面的加工。

（3）立卧两用转换铣床

这类铣床的主轴可以进行转换，可在同一台数控铣床上进行立式加工和卧式加工，同时具备立、卧式铣床的功能。

2．数控铣床的主要加工对象

（1）平面类零件

平面类零件的特点表现在加工表面既可以平行水平面，又可以垂直于水平面，也可以与水平面的夹角成定角；目前在数控铣床上加工的绝大多数零件属于平面类零件，平面类零件是数控铣削加工中最简单的一类零件，一般只需要用三坐标数控铣床的两轴联动或三轴联动即可加工。在加工过程中，加工面与刀具为面接触，粗、精加工都可采用端铣刀或牛鼻刀。

（2）曲面类零件

曲面类零件的特点是加工表面为空间曲面，在加工过程中，加工面与铣刀始终为点接触。表面精加工多采用球头铣刀进行。

3．数控铣床的坐标系

为了描述点在平面和空间中的位置，首先需要定义一个确定方向和相对位置的坐标系，数控机床的坐标系采用右手直角笛卡儿坐标系。它规定直角坐标X、Y、Z三个坐标轴的正方向用右手法则判定，围绕各坐标轴的旋转轴A、B、C的正方向用右手螺旋法则判定。数控加工采用的是空间三维坐标系，三维坐标系是在二维即平面坐标系的基础上增加了一个垂直方向的轴，通常称之为Z轴，为平行于机床主轴的坐标轴。

（1）建立加工坐标系的步骤

为了在数控设备上加工零件，首先需要确定工件在机床上的位置，因此，必须建立一个与加工零件相关的坐标系，虽然数控设备的优势在于允许或者机床上、或者工件上、或者夹具上的任何位置都可以作为数控编程的零点而建立坐标系，但最佳的解决方案选择既简单又方便定位的位置，这样操作者通过按控制面板上的几个按钮就可以完成建立加工坐标系了。具体操作可以简单的定义为以下几个步骤：

① 根据数控编程坐标系或加工坐标系确定零件坐标系的位置和坐标轴的方向。

② 利用零件和夹具上定位面建立加工坐标系。

③ 校正加工坐标系，通过校正加工坐标系，使建立的加工坐标系满足数控加工的要求。

（2）建立加工坐标系的要素

几何元素点、线、面对找正和校正加工坐标系非常有用，一个关键的因素是可以确定零件和夹具上的特征位置，进而确定加工坐标系的位置。在实际操作中，零件和夹具上的定位面、定位孔等经常作为找正和校正加工坐标系的主要手段，这主要基于通过简单的几何运算就可以将机床坐标系和零件坐标系联系起来。以下是建立加工坐标系的三个要素。

① 确定坐标平面：选择和找正定位面确定工作平面的方向和位置。

② 确定坐标轴方向：平移或旋转所测量的元素作为方向矢量确定加工坐标系的坐标轴方向，旋转元素需垂直于已找正的元素。这控制着轴线相对于工作平面的旋转定位。

③ 确定坐标系原点：作为定义X、Y、Z坐标轴的原点或零点。

4．数控铣床的零点

数控程序的刀位点位置和刀位矢量确定依赖于加工坐标系的位置，所以，在加工零件前必须确定加工坐标系或编程坐标系的准确位置。

在普通设备上加工工件时，操作技师通常使用刀具的刃边或刃口来确定工件的边缘位置作为加工的零点，然后用机床刻度盘的刻度值或者数字显示器显示的读数通过简单的数学运算来确定工作坐标系的零点，所有的位置都以此点作为参考点，这也就是加工坐标系的由来。

数控铣床和普通铣床的工作原理是一样的：加工前必须确定工件在机床上的位置，或者用刻度盘值或者用位置数字显示器的数值给零件定位。然后，操作者通过按数控机床控制面板上的按钮来建立加工坐标系，也就是通常所说的零点。只不过零点的位置确定通过数控设备控制系统内部的运算来完成。

在数控铣床上建立工件的加工坐标系，是为了确定工件在加工坐标系中的准确位置，首先应该了解两个零点的概念，它们分别是机床坐标系原点和加工坐标系原点。

数控铣床都有一个参考点，也就是通常所说的机床坐标系原点或机床的初始位置，是由机床制造商设置在机床上的一个固定基准位置点，通过限位开关或传感器来建立。作用是使机床与控制系统同步，建立测量机床运动的起始点。从实际意义上讲，机床零点是固定不变的，通常在机床的右上方。当机床启动后，机床必须执行返回到机床零点的固定循环程序即初始化程序，然后将机床参考点和机床原点之间的偏置值自动存储在机床控制单元MCU（Machine Control Unit）中。