CNC 铣削加工详解

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  CNC 铣削加工详解：金属如何被去除
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  3 轴、4 轴和 5 轴到底改变了什么
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  哪些零件特征适合在铣床上加工
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  铣床上的公差、表面处理与检测
• 5
  铣削在哪些情况下不再是答案
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  选择合适的铣削装夹方案

铣削是减材工艺。多齿旋转刀具以设定转速旋转，并被进给到夹紧在工作台或工装夹具上的工件中。每个刀齿切下一个小切屑，工作台或主轴移动，使这些切屑重叠形成图纸上的形状。刀具从不走自由路径；每一次移动都来自经过验证的程序。

之所以称为 CNC，是因为主轴转速、进给率、切削深度、切削液流量和每个轴的位置都由控制器给出，而不是由操作员的手控制。在手动铣床上，反向间隙、手压力和疲劳都会反映到零件上。在 CNC 铣床上，这些因素基本被排除在控制回路之外。

切屑是物理规律所在。6061 铝用两刃或三刃硬质合金刀具，以 200–400 m/min 的表面速度切削。316 不锈钢零件则慢得多，通常为 60–120 m/min，因为材料会加工硬化，并把热量保持在刃口处。在铝件中用 10 mm 刀具时，每齿进给量通常在 0.05 mm 到 0.15 mm 之间。

热量主要随切屑排出。如果进给太轻，刀具就会摩擦而不是切削，刃口变钝，表面处理变得模糊。这就是为什么轻切削精加工并不自动等于安全的走刀。

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  顺铣刀具旋转使切屑厚度由厚变薄。是采用滚珠丝杠的 CNC 机床的标准做法。
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  切削深度在刚性装夹下，铝件粗加工可采用 0.5–3 mm 的轴向切深。
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  切削液不锈钢和钛合金用浇注式冷却，铝和塑料用吹气。

3 轴铣床移动 X、Y 和 Z。刀具始终从一个方向接近，因此任何朝向其他方向的面都需要第二次装夹。每次装夹都会增加一套工装夹具、一次重新夹紧和一个新基准。两次装夹不会使误差翻倍，但确实会叠加：跨装夹的位置公差通常比单次装夹内更松。

4 轴铣床增加绕一个轴的旋转，通常是 A 轴，在 X、Y、Z 切削时转动工作台。轴类、凸轮、直叶片叶轮以及四面都有特征的零件变成一次装夹即可完成的活。我们 4 轴铣床上的转台为 Ø400 mm，分度精度决定槽和孔是否保持相位一致。

5 轴铣床增加第二个旋转轴，使刀具可以相对零件倾斜。这才是真正的变化。短刀具无需长悬伸就能到达深腔，倒扣和复合角度可在一次装夹中切出，球头刀可以始终保持垂直于曲面，使残留高度保持均匀。

五轴并不能修正糟糕的设计。薄壁仍然会变形，深窄槽仍然需要长刀具，而能轻松在三轴内完成的零件通常那样加工更便宜。轴数应服从几何形状，而不是反过来。

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  三轴棱柱类零件、板件、一两个面有特征的壳体。
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  4 轴圆柱形零件以及绕单一轴分度的特征。
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  5 轴复合角度、倒扣、深腔、轮廓曲面。

铣削擅长平面、型腔、槽、台阶、凸台、螺纹、钻孔和攻丝孔以及轮廓 3D 曲面。如果特征可以从材料外部由旋转刀具到达，铣床很可能可以切削它。这涵盖了支架、板件、壳体、歧管、模具和结构框架的很大一部分。

车削擅长回转体零件：轴、衬套、环、隔套、接头。工件旋转，单点刀具沿其进给。车削表面在轴向没有刀路残留，因此圆度和直径公差成本较低。

许多零件两者都需要。带铣削平面的轴、带镗孔和钻孔螺栓圆的壳体、带车削阀座和铣削接口的阀体，都跨越了这条线。车铣复合中心在一个程序中完成两者，省去一次重新夹紧，并保持内孔与平面之间的相互位置关系。

棘手的情况是细长零件、非常深的小型腔、尖锐内角，以及零件背面只能到达一次的特征。这些是设计师应在发布前询问的地方，而不是在第一次报价之后。

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  适合铣削深于 3 倍刀具直径的型腔需要更小的刀具和更多时间。
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  不适合铣削比刀具半径更尖的内角根本无法切削。
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  考虑车削任何围绕单一中心线的圆形特征。

我们的通用铣削公差在关键尺寸上为 ±0.005 mm，英制等效为 ±0.0002 in。这个数字不是免费的。它取决于刚性装夹、锋利刀具、温度稳定性，以及一台不会在长时间运行中追逐热漂移的机床。

表面处理是选择出来的，不是继承来的。加工态表面处理为 Ra 1.6–3.2 μm。受控精加工走刀可达到 Ra 0.8–1.6 μm。采用小步距和新刀具的精细精加工可达到 Ra 0.2–0.8 μm。表面处理越精细，循环时间越长，刀具成本在价格中体现得越多。

检测是验证公差的地方。我们在来料时检查原材料，加工过程中监控，出货前100%全检，报告可按需提供。首件加工时，请在批量继续前索取报告。前十个零件中发生漂移的尺寸，接下来一千个也会漂移。

材料选择会改变整个公差窗口。铝和黄铜容易保持紧公差。钛、Inconel 和 17-4PH 则难加工：它们会加工硬化、积热，并在应力释放时变形。要预留额外时间，而不是额外争论。

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  铝 6061快速、稳定，100 mm 以上特征可达 ±0.005 mm。
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  不锈钢 316会加工硬化；必须采用较轻的进给和锋利刀具。
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  钛 TC4低转速、高切削液压力，加工节拍会更长。

单件成本随批量下降，但不会无限下降。铣削零件是从实心料一件一件加工出来的，材料去除时间永远不会消失。当零件简单且年产量高时，压铸或锻造加轻加工通常在单价上胜出。铣削仍用于制作模具或首件。

极薄壁是第二道墙。60 mm 深腔中的 0.5 mm 壁，无论程序多好都会振刀。真正的解决办法是增加支撑材料、改变装夹方向或重新设计加强筋布局。增加走刀次数不会让壁变刚。

硬材料划出第三道边界。硬度大约高于 45 HRC 时，硬质合金铣削会变慢且刀具寿命短。磨削、电火花加工或先加工后热处理的顺序通常更便宜。如果图纸同时要求硬度和紧公差，要尽早确定工艺顺序，因为零件在热处理过程中会变形。

最后的限制是刀具无法到达的几何形状。小于最小可用刀具的尖锐内角、L 形路径的孔，或刀具无法进入的型腔，任何轴数都铣不了。这些特征需要拆分设计、铸造成形或改用其他工艺。

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  大批量、简单形状铸造或锻造，然后只加工关键面。
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  淬硬钢先软态加工，热处理，然后磨削或电火花加工配合面。
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  无法到达的特征拆分零件或改变工艺；增加轴数解决不了。