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注：D为刀具直径；Φ为钻头刀尖角度；L为切削刃导向部长度。
加工位置精度要求较高的孔系时，应特别注意安排孔的加工顺序。若安排不当，将坐标轴的反向间隙带入，直接影响位置精度。如图5.5所示，镗削图中零件上六个尺寸相同的孔，有两种进给路线。按1→2→3→4→5→6路线加工时，由于5、6孔与l、2、3、4孔加工进给方向相反，Y向反向间隙会使定位误差增加，而影响5、6孔与其它孔的位置精度。按1→2→3→4→P→6→5路线加工时，加工完4孔后往上多移动一段距离至p点，然后折回来在6、5孔处进行定位加工，这样加工进给方向一致，可避免反向间隙的引入，提高5、6孔与其它孔的位置精度。
图5.5孔系加工
走刀路线包括在XY平面上的走刀路线和Z向的走刀路线。欲使刀具在XY平面上的走刀路线最短，必须保证各定位点间的路线的总长最短。图5.6（a）所示为点群零件图，经计算发现图5.6（c）所示走刀路线总长较图5.6（b）短。
（a） （b） （c）
图5.6最短走刀路线设计
（3）铣削曲面的进给路线的分析
铣削曲面时，常用球头刀采用“行切法”进行加工。所谓行切法是指刀具与零件轮廓的切点轨迹是一行一行的，而行间的距离是按零件加工精度的要求确定。对于边界敞开的曲面加工，可采用两种加工路线。如图5.7所示，对于发动机大叶片，当采用图5.7（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5.7（b）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。
（a）（b）
图5.7曲面加工的加工路线
以上通过几例分析了数控加工中常用的加工路线，实际生产中，加工路线的确定要根据零件的具体结构特点，综合考虑，灵活运用。确定加工路线的总原则是：在保证零件加工精度和表面质量的条件下，尽量缩短加工路线，以提高生产率。
铣削方式有逆铣和顺铣两种方式。如图5.8所示，铣刀旋转切入工件的方向与工件的进给方向相反时称为逆铣，相同时称为顺铣。
（a）逆铣 （b）顺铣
图5.8顺铣与逆铣
逆铣时，切削厚度由零逐渐增大，切入瞬时刀刃钝圆半径大于瞬时切削厚度，刀齿在工件表面上要挤压和滑行—段后才能切入工件，使已加工表面产生冷硬层，加剧了刀齿的磨损，同时使工件表面粗糙不平。此外，逆铣时刀齿作用于工件的垂直进给力F朝上，有抬起工件的趋势，这就要求工件装夹牢固。但是逆铣时刀齿从切削层内部开始工作的，当工件表面有硬皮时，对刀齿没有直接影响。
顺铣时，刀齿的切削厚度从最大开始，避免了挤压、滑行现象，并且垂直进给力F朝下压向工作台，有利于工件的夹紧，可提高铣刀耐用度和加工表面质量。与逆铣相反，顺铣加工要求工件表面没有硬皮，否则刀齿很易磨损。
对于铝镁合金、钛合金和耐热合金等材料来说，建议采用顺铣加工，这对于降低表面粗糙度值和提高刀具耐用度都有利。但如果零件毛坯为黑色金属锻件或铸件，表皮硬而且余量一般较大，这时采用逆铣较为有利。
加工中心加工零件的表面不外乎平面、曲面、轮廓、孔和螺纹等，主要要考虑到所选加工方法要与零件的表面特征、所要求达到的精度及表面粗糙度相适应。
平面、平面轮廓及曲面在加工中心上惟一的加工方法是铣削。经过粗铣的平面，尺寸精度可达IT12～IT14级（指两平面之间的尺寸），表面粗糙度Ra值可达12.5～25。经粗、精铣的平面，尺寸精度可达IT7～IT9级，表面粗糙度Ra值可达1.6～3.2。
5.2.2刀具的类型及选用
与传统加工方法相比，数控加工对刀具的要求更高。尤其在刀具的刚性及耐用度方面较传统加工更为严格。因为刀具若刚性不好，会影响生产效率的提高，在加工中极易出现打刀的事故，也会降低加工精度。若刀具耐用度差，则需经常换刀、对刀，从而增加辅助时间，并且容易在工件轮廓上留下接刀痕迹，影响工件表面质量。此外，还要求刀具精度高，尺寸稳定，安装调整方便。所以刀具的选择是数控加工工艺中重要内容之一，要注意对工件的结构及工艺性认真分析，结合机床加工能力、工件材料及工序内容等综合考虑。
1．刀具材料的选择
当前使用的金属切削刀具材料主要有五类：高速钢、硬质合金、陶瓷、立方氮化硼（CBN）、聚晶金刚石。表5.2列出了各种刀具材料的特性和用途。
表5.2刀具材料的特性和用途
根据数控加工对刀具的要求，选择刀具材料的一般原则是尽可能选用硬质合金刀具，但不同国家和生产厂家有不同的标准和系列。表5.3列出常见厂家和国家的牌号。
表5.3各国硬质合金牌号近似对照
2．刀具的选择
从刀具的结构应用方面来看，数控加工应尽可能采用镶块式机夹可转位刀片以减少刀具磨损后的更换和预调时间。
（1）铣刀的选择
选择铣刀时，要使刀具的尺寸与被加工工件的表面尺寸和形状相适应。粗铣平面时，因切削力大，故宜选较小直径的铣刀，以减少切削扭矩；精铣时，可选大直径铣刀，并尽量包容工件加工面的宽度，以提高效率和加工表面质量。
（2）孔加工刀具的选择
数控钻孔一般无钻模，钻孔刚度差，应使钻头直径D满足L／D≤5(L为钻孔深度)。钻大孔时，可采用刚度较大的硬质合金扁钻；钻浅孔时(L／D≤2)宜采用硬质合金的浅孔钻，以提高效率和加工质量。
钻孔时，应选用大直径钻头或中心钻先锪一个内堆坑，作为钻头切入时的定心锥面，再用钻头钻孔，所锪的内锥面也是孔口的倒角，有硬皮时，可用硬质合金铣刀先铣去孔口表皮，再锪锥孔和钻孔。
精铰孔可采用浮动铰刀，但铰前孔口要倒角。
镗孔一般是悬臂加工，应尽量采用对称的两刃或两刃以上的镗刀头进行切削，以平衡径向力，减轻镗削振动。对阶梯孔的镗削加工采用组合镗刀，以提高镗削效率。精镗宜采用微调镗刀。选择镗刀主偏角接近90°，大于75°。
镗孔加工除选择刀片与刀具外，还要考虑镗杆的刚度，尽可能选择较粗（接近镗孔直径）的刀杆，及选较短的刀杆臂，以防止或消除振动。当刀杆臂小于4倍刀杆直径时可用钢制刀杆，加工要求较高的孔时最好选用硬质合金制刀杆。当刀杆臂为4～7倍刀杆直径时，小孔用硬质合金制刀杆，大孔用减振刀杆。当刀杆臂为7～10倍的刀杆直径时，需采用减振刀杆。此外，在加工中心上，各种刀具分别装在刀库上，按程序规定随时进行选刀和换刀工作。
（3）平面铣刀的种类和选择
①常用铣刀的种类
圆柱形铣刀：一般用于加工较窄的平面。
立铣刀：应用范围广，用于加工各种凹槽、台阶面以及成形表面。其主切削刃位于圆周面上，端面上的切削刃是副切削刃，故切削时一般不宜沿轴线方向进给。
键槽铣刀：用于加工封闭键槽。外形类似立铣刀，有两个刀齿，端面切削刃为主切削刃，圆周的切削刃是副切削刃。
模具铣刀：属于立铣刀类，主要用于加工模具型腔或凸模成形表面。
②铣削刀具的选择
刀具的选择是数控加工工艺中重要内容之一，它不仅影响机床的加工效率，而且直接影响加工质量。编程时，选择刀具通常要考虑机床的加工能力、工序内容、工件材料等因素。与传统的加工方法相比，数控加工对刀具的要求更高。不仅要求精度高、刚度好、耐用，而且要求尺寸稳定、安装调整方便。这就要求采用新型优质材料制造数控加工刀具，并优选刀具参数。
选取刀具时，要使刀具的尺寸与被加工工件的表面尺寸和形状相适应。生产中，平面零件周边轮廓的加工，常采用立铣刀。铣削平面时，应选硬质合金刀片铣刀；加工凸台、凹槽时，选高速钢立铣刀；加工毛坯表面或粗加工孔时，可选镶硬质合金的玉米铣刀。绝大部分铣刀由专业工具厂制造，我们只需选好铣刀的参数就可。铣刀的主要结构参数有：直径d0、宽度（或长度）L及齿数Z。
刀具半径r应小于零件内轮廓面的最小曲率半径ρ，一般取r=(0.8~0.9)ρ。
零件的加工高度H>(1／4～1／6)r，以保证刀具有足够的刚度。
对不通孔(深槽)，选取L=H+(5～10)mm(L为刀具切削部分长度，H为零件高度)。
加工通孔及通槽时，选取L=H＋rc+(5～10)mm(rc为刀尖角半径)。
粗加工内轮廓面时，铣刀最大直径Dt可按下式计算：
式中：D是轮廓的最小凹圆角直径，δ是圆角邻边夹角等分线上的精加工余量，δ1是精加工余量，θ是圆角两邻边的夹角。
图5.9粗加工铣刀直径的估算
加工肋时，刀具直径为D=（5～10）b，其中b为肋的厚度。
铣刀直径D是铣刀的基本结构参数，其大小对铣削过程和铣刀的制造成本有直接影响。选择较大铣刀直径，可以采用较粗的心轴，提高加工系统刚性，切削平稳，加工表面质量好，还可增大容屑空间，提高刀齿强度，改善排屑条件。另外，刀齿不切削时间长，散热好，可采用较高的铣削速度。但选择大直径铣刀也有一些不利因素，如刀具成本高，切削扭矩大，动力消耗大，切入时间长等。综合以上考虑，在保证足够的容屑空间及刀杆刚度的前提下，宜选择较小的铣刀直径。某些情况下则由工件加工表面尺寸确定铣刀直径。例如，铣键槽时，铣刀直径应等于槽宽。
铣刀齿数Z对生产效率和加工表面质量有直接影响。同一直径的铣刀，齿数愈多，同时切削的齿数也愈多，使铣削过程较平稳，因而可获得较好的加工质量。另外，当每齿进给量一定时，可随齿数的增多而提高进给速度，从而提高生产率。但过多的齿数会减少刀齿的容屑空间，因此不得不降低每齿进给量，这样反而降低了生产率。一般按工件材料和加工性质选择铣刀的齿数。例如，粗铣钢件时，首先须保证容屑空间及刀齿强度，应采用粗齿铣刀；半精铣或精铣钢件、粗铣铸铁件时，可采用中齿铣刀；精铣铸铁件或铣削薄壁铸铁件时，宜采用细齿铣刀。
曲面加工常采用球头铣刀，但加工曲面较平坦部位时，刀具以球头顶端刃切削，切削条件较差，因而应采用环形刀（圆鼻刀）。在单件或小批量生产中，为取代多坐标联动机床，常采用鼓形刀或锥形刀来加工一些变斜角零件，其效率比用球头铣刀高近十倍，并可获得好的加工精度。球头刀一般在曲面曲率变化较大，易发生干涉或精加工中采用。对于一些立体型面和变斜角轮廓外形的加工，常用的刀具有球形铣刀、环形铣刀、鼓形铣刀、锥形铣刀和盘铣刀，如图5.10所示。
图5.10曲面加工常用的刀具
5.2.3确定切削用量
切削用量是加工过程中重要的组成部分，合理地选择切削用量，不但可以提高切削效率，还可以提高零件的表面精度，影响切削用量的因素有机床的刚度、刀具的使用寿命、工件的材料、切削液。
1．铣削用量的选择
铣削用量的选择是否合理直接影响工件加工质量、生产效率和刀具耐用度。合理选择切削用量的原则是：粗加工时，一般以提高生产率为主，但也应考虑经济性和加工成本；半精加工和精加工时，应在保证加工质量的前提下，兼顾切削效率、经济性和加工成本，具体数值应根据机床说明书、切削用量手册，并结合经验而定。
确定铣削深度时，如果机床功率和工艺系统刚性允许而加工质量要求不高（Ra值不小于5μm），且加工余量又不大（一般不超过6mm），可以一次铣去全部余量。若加工质量要求较高或加工余量太大，铣削则应分多次进行。在工件宽度方向上，一般应将余量一次切除。
加工条件不同，选择的切削速度υc和每齿进给量fz也应不同。工件材料较硬时，fz及υc值应取得小些；刀具材料韧性较大时，fz值可取得大些。刀具材料硬度较高时，υc的值可取得大些；铣削深度较大时，fz及υc值应取得小些。
各种切削条件下的fz、υc值及计算公式可查阅《金属机械加工工艺手册》或相关刀具提供商的刀具手册等有关资料。
2．钻削用量的选择
①钻头直径
钻头直径由工艺尺寸确定。孔径不大时，可将孔一次钻出。工件孔径大于35mm时，若仍一次钻出孔径，往往由于受机床刚度的限制，必须大大减小进给量。若两次钻出，可取大的进给量，既不降低生产效率，又提高了孔的加工精度。先钻后扩时，钻孔的钻头直径可取孔径的50％～70％。
②进给量
小直径钻头主要受钻头的刚性及强度限制，大直径钻头主要受机床进给机构强度及工艺系统刚性限制。在以上条件允许的情况下，应取较大的进给量，以降低加工成本，提高生产效率。普通麻花钻钻削进给量可按以下经验公式估算选取
式中，d0为孔的直径。
加工条件不同时，其进给量可查阅切削用量手册。
③钻削速度
钻削的背吃刀量（即钻头半径）、进给量及切削速度都对钻头耐用度产生影响，但背吃刀量对钻头耐用度的影响与车削不同。当钻头直径增大时，尽管增大了切削力，但钻头体积也显著增加，因而使散热条件明显改善。实践证明，钻头直径增大时，切削温度有所下降。因此，钻头直径较大时，可选取较高的切削速度。
一般情况下，钻削速度可参考表5.4选取。
表5.4普通高速钢钻头钻削速度参考值m/min
目前有不少高性能材料制做的钻头，其切削速度宜取更高值，可由有关资料查取。
5.2.4工件的安装与夹具的选择
1．工件安装的基本原则
为了提高数控机床的效率，在确定定位基准与夹紧方案时应注意以下几点：
（1）力求设计基准、工艺基准与编程计算的基准统一。
（2）尽量减少装夹次数，尽可能在一次定位装夹后就能加工出全部待加工表面。
（3）避免采用占机人工调整式方案，以充分发挥数控机床的效能。
2．夹具的选择
数控加工的特点对夹具提出了两个基本要求：一是要保证夹具的坐标方向与机床的坐标方向相对固定；二是要能协调零件与机床坐标系的尺寸关系。除此之外，还要考虑以下几点：
（1）当零件加工批量不大时，应尽量采用组合夹具、可调夹具和其它通用夹具，以缩短准备时间，节省生产费用。
（2）在成批生产时才考虑采用专用夹具，并力求结构简单
（3）夹具要开敞，加工部位开阔，夹具的定位、夹紧机构元件不能影响加工中的进给（如产生碰撞等）。
（4）装卸零件要快速、方便、可靠，以缩短准备时间，批量较大时应考虑采用气动或液压夹具、多工位夹具。
5.2.5支撑套零件的加工工艺及编程
1．分析零件图样
如图5.11所示为升降台铣床的支撑套，该零件材料为45钢，毛坯选棒料。在两个互相垂直的方向上有多个孔要加工，其中Φ35H7孔对Φ100f9外圆、Φ60㎜孔底平面对Φ35H7孔、2×Φ15H7孔对端面C及端面C对Φ100f9外圆均有位置精度要求。若在普通机床上加工，则需要多次安装才能完成，且效率低，在加工中心上加工，只需一次安装即可完成。为便于在加 工中心上定位与夹紧，将Φ100f9外圆、80尺寸两端面、78尺寸上平面均安排在前面工序中由普通机床完成。其余加工表面（2×Φ15H7孔、Φ35H7孔、Φ60孔、2×Φ11孔、2×Φ17孔、2×M6-6H螺孔）确定在加工中心上一次装夹完成。支撑套的工艺过程如表5.5所示。
表5.5工艺过程卡
2．设计工艺
（1）选择加工方法
所有孔都是在实体上加工，为防钻偏，均先用中心钻钻引孔，然后再钻孔。为保证Φ35H7及2×Φ15H7孔的精度，根据其尺寸，选择铰削作为其最终加工方法。对Φ60㎜的孔，根据孔径精度、孔深尺寸和孔底平面的加工，选择粗铣→精铣。各加工表面选择的加工方案如下：
图5.11支撑套
Φ35H7孔：钻中心孔→钻孔→粗镗→半精镗→铰孔；
Φ15H7孔：钻中心孔→钻孔→扩孔→铰孔；
Φ60孔：粗铣→精铣；
Φ11孔：钻中心孔→钻孔；
Φ17孔：锪孔（在φ11底孔上）；
M6-6H螺孔：钻中心孔→钻底孔→孔端倒角→攻螺纹。
（2）确定加工顺序
为减少变换工位的辅助时间和工作台分度误差的影响，各个工位上的加工表面在工作台一次分度下按先粗后精的原则加工完毕。具体的加工顺序是：
第一工位：钻Φ35H7、2×Φ11的中心孔→钻Φ35H7孔→钻2×Φ11孔→锪2×Φ17孔→粗镗Φ35H7孔→粗铣、精铣Φ60×12的孔→半精镗Φ35H7孔→钻2×M6-6H螺纹中心孔→钻2×M6-6H螺纹底孔→2×M6-6H螺纹孔端倒角→攻2×M6-6H螺纹→铰Φ35H7孔。
第二工位：钻2×Φ15H7中心孔→钻2×Φ15H7孔→扩2×Φ15H7孔→铰2×Φ15H7孔，详见表5.7。
（3）选择加工设备
因加工表面位于零件的相互垂直的两个表面（左侧面与上平面）上，需要两工位才能加工完成，故选择卧式加工中心。加工工步有钻孔、扩孔、镗孔、锪孔、铰孔及攻螺纹孔等，所需刀具不超过20把。国产XH754型卧式加工中心可满足上述要求。
（4）确定装夹方案、选择夹具
Φ35H7孔、Φ60孔、2×Φ11孔、及2×Φ17孔的设计基准均为Φ100f9外圆中心线，遵循基准重合原则，选择Φ100f9外圆中心线为主要定位基准。因Φ100f9外圆不是整圆，故用V型块作为主要定位元件。在支撑套长度方向，若选择右端面定位，则难保证Φ17孔深尺寸11㎜，故选择左端面定位。所用夹具为专用夹具，工件的装夹简图如图5.12所示。在装夹时应使工件上平面在夹具中保持垂直，以消除转动自由度。
图5.12工件的装夹简图
（5）选择刀具
各工步刀具直径根据加工余量和孔径确定，见表5.6。
表5.6支撑套数控加工刀具卡片
（6）选择切削用量
在机床说明书允许的切削用量范围内查表选取切削速度和进给量，然后算出主轴转速和进给速度。见表5.7。
表5.7支撑套数控加工工序卡片
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