先进制造技术是近几年提得较多,叫得较响的一个专用词语,而且先进制造技术在机械制造业领域中的应用越来越广泛而深入,并取得了很大的成绩

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1 面向 21 世纪全国高职高专机电类规划教材 数控机床编程与实例 宗晓 主编 高磊李思桥高文参编

2 内容简介 本书结合流行的 CAM 软件, 系统介绍了数控加工手工编程和自动编程技术, 并给出详尽的实例 本书共分 4 章, 第 1 章简要介绍了数控机床的产生 现状和发展趋势, 并简单地叙述了其结构组成 各个组成部分的功能 第 2 章系统 全面地介绍了数控加工编程的工艺基础和编程基础 第 3 章介绍数控车床的手工编程知识和自动编程软件应用, 并给出了各自对应的实例 第 4 章同样以实例为着眼点, 介绍加工中心的手工和自动编程技术 本书的特点是结合大量实例, 使读者深刻理解每一个知识点 ; 结合了当今应用广泛的 CAM 自动编程软件 Mastercam 和 UG CAM, 符合当今的应用实际 本书适合作为高职 高专学校的参考教材, 也适合用作数控加工操作人员的参考材料 图书在版编目 (CIP) 数据 数控机床编程与实例 / 宗晓主编. 北京 : 北京大学出版社, ( 面向 21 世纪全国高职高专机电类规划教材 ) ISBN I. 数 II. 宗 III. 数控机床 程序设计 高等学校 - 教材 IV.TG659 中国版本图书馆 CIP 数据核字 (2005) 第 号 书 名 : 数控机床编程与实例 著作责任者 : 宗晓主编 责任编辑 : 王妍孙宝玉 标准书号 :ISBN /TH 0010 出 版 者 : 北京大学出版社 地 址 : 北京市海淀区成府路 205 号 电 话 : 邮购部 发行部 编辑部 网 址 : 电子信箱 :xxjs@pup.pku.edu.cn 印 刷 者 : 发 行 者 : 北京大学出版社 经 销 者 : 新华书店 787 毫米 980 毫米 16 开本 10.5 印张 220 千字 2006 年 1 月第 1 版 2006 年 1 月第 1 次印刷 定 价 :16.00 元

3 前 言 数控技术是先进制造技术的核心, 是制造业实现自动化 网络化 柔性化 集成化的基础 数控装备的整体水平标志着一个国家工业现代化水平和综合国力的强弱 过去只用于航空 汽车工业的数控机床, 现在已越来越广泛地成为其他制造行业的必要设备, 而且技术发展也相当快速, 令人惊叹 近年来, 我国数控机床的产量持续增长, 数控化率也显著提高 另一方面我国数控产品的技术水平和质量也不断提高 目前我国数控机床的生产已经形成一定规模, 产品技术性能指标较为成熟, 价格合理, 在国际市场上具有一定的竞争力 同时, 我国也已进入世界高速数控机床生产国和高精度精密数控机床生产国的行列 目前我国已经研制成功一批主轴转速在 8000~10000 转 / 分以上的数控机床 随着数控化率的显著提高, 市场对数控机床人才的需求也越来越大 据有关部门统计, 我国数控人才的缺口达到 60 万 培养既有理论知识又有动手能力的数控机床人才已经势在必行 本教材正是为了适应这种需求而编写的 本教材在系统介绍数控理论 数控工艺技术和编程规范的前提下, 更注重数控技术实际的应用 依靠大量的实例介绍, 力图使读者能够在应用中消化知识, 更能够起到对读者在实际机床操作中的指导作用 本教材重点介绍应用最为广泛的数控车床 加工中心的手工和自动编程技术, 同时也介绍了时下最流行的 CAM 软件及其应用实例 本书由宗晓统稿, 参加本书编写的有宗晓 李思桥 高磊和高文 本书作为一种教材, 广泛吸取了国内众多专家学者的研究成果, 编写的主要参考书目附后, 未及一一注明, 在此谨表谢意, 并请谅解 由于成书时间仓促, 同时限于水平, 本书存在着种种不足和缺点, 恳切希望得到大家的批评指正 编者 2005 年 5 月

4 目 录 第 1 章概述 数控机床概述 数控机床的产生和发展 数控机床的特点及应用范围 数控机床的分类 数控机床的发展趋势 数控机床的组成 本章习题...9 第 2 章数控加工工艺和编程基础 数控加工工艺基础 数控加工工艺的特点和内容 数控加工的工艺性分析 加工方法的选择与加工方案的确定 工序以及工步的划分 零件的装夹和夹具的选择 切削刀具的选择和切削用量的确定 加工路线的确定 对刀点和换刀点的确定 编程基础 坐标系统 手工编程 自动编程 本章习题...39 第 3 章数控车床编程技术 数控车床编程基础 数控车床的特点与分类 数控车床的坐标系和运动方向 数控车床的编程特点 数控车床的常用编程指令...43

5 II 数控机床编程与实例 3.2 数控车床的工艺问题 数控车床的合理选择 数控车床的刀具 车螺纹时的主轴转速问题 数控车床中加工路线和加工余量的关系 数控车床编程实例 数控车床自动编程技术 Mastercam 简介 Mastercam 的车削编程实例 本章习题...99 第 4 章数控加工中心编程技术 加工中心编程基础 加工中心简介 加工中心编程指令 加工中心工艺基础 加工中心的工艺特点 加工中心的主要加工对象 加工中心的刀具 夹具及加工工艺 加工中心的辅具及辅助设备 加工中心工艺及编程实例 较为复杂零件的数控加工中心加工实例 冲头的数控加工中心加工实例 数控铣削自动编程技术 UG CAM 介绍 UG CAM 平面铣和型腔铣的实例 本章习题 参考文献

6 第 1 章概 述 1.1 数控机床概述 数控机床的产生和发展 随着社会和科学技术的不断进步, 传统的制造技术已经无法满足现代机械产品在质量和生产效率方面的要求, 因此人们提出了一些先进的生产方法, 一些先进技术也得以应用 现代机械产品具有小批量 高精度 形状复杂 改型频繁等特点 为了降低成本, 对生产效率的要求也相应提高了, 数控技术就是为了满足上述需求, 而产生的一种能够适应产品频繁变化的 柔性的自动化生产技术, 它具有加工质量稳定, 加工精度高和生产效率高等优点 它为单件 小批量生产的精密复杂零件提供了有效的自动化加工手段 数控机床 ( 又称数控车床 ) 是数字控制机床 (Numerically Controlled Machine Tool) 的简称, 也叫 NC 机床 它综合应用了计算机 自动控制 伺服驱动 精密测量和新型机械结构等多方面的技术成果 随着数控技术日新月异的发展, 数控机床已经在机械制造业中占有越来越重要的地位 第一台数控机床是为了解决复杂型面零件加工的自动化而产生的 1948 年, 美国 PARSONS 公司在研制加工直升飞机叶片轮廓用检查样板的机床时, 与麻省理工学院合作, 于 1952 年试制成功世界上第一台三坐标数控机床 这是一台采用专用计算机进行运算与控制的直线插补轮廓控制数控铣床 后又经过 3 年时间的改进和自动程序编制的研究, 数控机床进入实用阶段, 商品化数控机床在市场上出现, 并且在复杂曲面的加工中发挥了重要作用 1958 年, 美国的 KEANEY&TRECKER 公司在世界上首先研制成功带有自动换刀装置的加工中心 当时的数控装置采用电子管元件, 体积庞大, 价格昂贵, 只在航空工业等少数有特殊需要的部门加工复杂型面零件中使用 随着电子技术的不断发展, 数控装置由使用电子管过渡到晶体管 印刷电路板和小规模集成电路, 使数控系统的可靠性进一步提高, 体积和成本有所降低 进入 20 世纪 60 年代以后, 小型机应用到数控系统中 ; 较为简单和经济的点位控制数控钻床和直线控制数控铣床得到较快发展 ; 并且出现了由一台计算机直接控制多台机床的直接数控系统 ( 简称 DNC), 又称群控系统 这些都促进了数控机床品种和产量的发展,

7 2 数控机床编程与实例 使数控机床在机械制造业各部门逐步获得推广 20 世纪 70 年代, 研制成功使用微处理器和半导体存储器的微型计算机 ( 简称微机 ) 数控装置 ( 简称 CNC), 与前几代数控装置相比, 集成电路数控装置具有更高的生产柔性和可靠性, 更易于实现机电一体化和更好的经济性等优点 数控机床的特点及应用范围 1. 数控机床的特点 (1) 数控机床的优点采用数控技术的金属切削机床具有下列优点 生产精度高 数控机床的自动加工方式避免了生产者的人为操作误差, 提高了生产精度, 同一批加工零件的尺寸一致性好, 产品合格率高, 加工质量稳定 适应能力强 可以适应频繁的产品改型 大幅度降低了单件 小批零件加工及试制新产品的成本和此类产品的生产周期 生产效率高 数控机床通常不需要专用的夹具, 因而可省去夹具的设计和制造时间, 与普通机床相比, 生产率可提高 2~3 倍 减轻了操作工人的劳动强度 操作者只要进行面板操作 装卸零件 关键工序的中间测量以及观察机床的运行的操作, 而不需要进行繁重的重复性手工操作, 劳动强度大大减轻 能加工复杂型面 多轴联动技术使数控机床可以加工普通机床难以加工的复杂型面零件 有利于生产管理的现代化 用数控机床加工零件, 能精确地估算零件的加工工时, 有助于精确编制生产进度表, 并有效地简化了检验和夹具 半成品的管理工作, 有利于生产管理的现代化 (2) 数控机床的不足之处数控机床也存在其自身的不足, 列举如下 抬高了起始阶段的投资成本 增加了电子设备的维护费用 对操作人员的技术水平要求较高 2. 数控机床的应用范围 数控机床适合加工以下零件 多品种小批量零件 几何形状复杂的零件 需要频繁改型的零件

8 第 1 章概述 3 贵重的 不允许报废的关键零件 必须严格控制公差的零件 数控机床的分类 数控机床的种类很多, 可以按以下几种方式进行分类 1. 按照刀具与工件的相对运动方式分类 (1) 点位控制数控机床这类机床智能控制工作台或者刀具从一个位置精确地移动到另一个位置, 在移动过程中不进行加工 对于一些孔加工用数控机床, 只要求获得精确的孔系坐标定位精度, 而不管轨迹运动, 如数控钻床, 镗床 冲床以及数控点焊机等 (2) 直线控制数控机床这一类型的数控机床的工作台或者刀具在两点间移动, 同时要进行切削加工 (3) 轮廓控制的数控机床这类数控机床能同时控制两个或两个以上的轴, 具有插补功能, 对位移和速度进行严格的不间断控制, 工作台或者刀具边移动边加工 可以有二轴控制 2.5 轴控制 三轴控制 四轴控制 五轴控制等 如数控铣 车 磨及加工中心等都是典型的轮廓控制数控机床 2. 按照执行机构的伺服系统类型分类 (1) 开环控制系统的数控机床开环控制系统的数控机床通常不带位置检测元件, 使用功率步进电动机或电液压脉冲马达作为执行元件 数控装置发出指令脉冲, 经环形分配器和驱动电路功率放大后, 就驱动步进电动机旋转一定角度, 再由减速齿轮带动丝杠旋转, 最后转化为移动部件的移动 如图 1-1 所示是一个典型的开环控制系统 机床工作台 控制系统 步进电机 图 1-1 开环控制系统 开环控制系统的数控机床对移动误差没有补偿和校正, 步进电动机的步距精度和传动机构的传动链误差都反映到被加工零件的精度中去, 难于实现高精度加工 但由于系统结构简单 反应较快 成本较低 维修简单 技术容易掌握, 切线对比较稳定等特点, 所以使用仍较为广泛 普通机床的数控化改造大多采用开环控制系统

9 4 数控机床编程与实例 (2) 闭环控制系统的数控机床 闭环控制系统的数控机床带有检测反馈装置 如图 1-2 所示为一典型的闭环控制系统 数控装置将位移指令与位置检测元件测得的移动部件实际位置反馈信号随时进行比较, 根据其差值及指令中进给速度的要求, 按一定的规律进行转换后, 得到进给伺服系统的速度指令 此外还利用与伺服驱动电动机同轴刚性连接的测速元器件, 随时实测驱动电动机的转速, 得到速度反馈信号, 将它与速度指令信号相比较, 得到速度误差信号, 对驱动电动机的转速随时进行校正 利用上述的位置控制和速度控制的两个回路, 可以获得比开环伺服系统精度更高 速度更快 驱动功率更大的性能指标 机床工作台 位置检测装置 数控装置 伺服马达 图 1-2 闭环控制系统 但即使是闭环系统, 对于机床的结构和传动系统的要求也没有降低, 因为传动系统的刚度不足 传动间隙以及导轨的爬行等因素会增加调试的困难, 甚至引起闭环系统的震荡 此类机床主要用于一些精度要求较高的镗铣床 超精车床和加工中心等 (3) 半闭环控制系统的数控机床如果将位置检测元件安装在驱动电动机的端部, 或安装在传动丝杠端部, 不直接测量移动部件的位移, 而是通过测量丝杠的转动间接测量, 就是半闭环控制系统 如图 1-3 所示为一半闭环控制系统 机床工作台 数控装置 伺服马达 位置检测装置 图 1-3 半闭环控制系统

10 第 1 章概述 5 半闭环控制系统的数控机床可以获得比开环系统更高的精度, 但由于丝杠变换为移动部件的移动, 这一部分的精度由丝杠 - 螺母副的传动精度来保证, 所以它的位移精度比闭环系统的要低 由于位置检测元件安装方便 调试容易, 现在大多数数控机床都采用半闭环控制系统 3. 按照加工方式分类 (1) 金属切削类数控机床 如数控车床 数控铣床 ( 如图 1-4) 数控钻 镗床 加工中心 ( 如图 1-5) 数控磨床等 图 1-4 数控铣床 图 1-5 数控加工中心 (2) 金属成型类数控机床 如数控折弯机 数控油压成型机 数控弯管机等 (3) 数控特种加工机床 如数控线切割机床 数控电脉冲机床 数控激光切割机等 (4) 其他类型的数控机床 如水射流切割机 数控火焰切割机 数控雕刻机 数控三坐标测量机等 4. 按照控制坐标轴数分类 (1) 两坐标数控机床 此类机床实现两轴联动, 用于加工各种曲线轮廓的回转体, 比如数控车床 (2) 三坐标数控机床 三轴联动, 用于加工曲面零件, 比如数控铣床 数控磨床

11 6 数控机床编程与实例 (3) 多坐标数控机床 四轴或五轴联动, 多用于加工外形复杂的零件 数控机床的发展趋势 随着计算机技术的快速发展, 数控机床的发展势头将更加迅猛, 今后的发展趋势主要包括以下几个方面 (1) 高速生产的同时保证高精度提高机械加工的生产速度往往会降低加工精度, 现代数控机床在提高加工速度的同时, 也在进行高精度化 目前的定位精度已经达到微米级甚至纳米级, 进给速度最高达到 100 m/min 为保证更好的加工表面质量, 主轴的转速也被大幅度地提高了, 已经达到 r/min 以上 要达到上述要求, 就要对机械和数控系统提出更高的要求 1 机械方面采用高精度的传动机械, 如研磨级的滚珠丝杠等 机床主轴要实现高速化, 就要提高主轴和机床机械结构的动 静态刚度, 采用能承受高速的机械零件, 如采用陶瓷球的滚珠轴承等 2 数控系统方面当今世界上著名的几个数控系统生产厂家, 比如日本的 FANUC, 德国的 SIEMENS 和美国的 AB 公司的产品都在向系列化 模块化 高性能和成套性方向发展 它们的产品都采用了高性能芯片 标准总线和模块化的软件和硬件结构 现代数控系统已从 16 位的微处理器, 过渡到普遍采用的 32 位微处理器,64 位的微处理器也开始被逐步采用, 主机频率由 5 MHZ 提高到 20~33 MHZ 内存容量扩大到几十兆 有的系统还采用多 CPU 系统, 减轻主 CPU 负担, 进一步提高控制速度 控制轴数增多到 3~15 轴, 最多可达 24 轴, 同时控制轴数可达 3~6 轴 3 伺服和驱动系统方面采用数字伺服系统 交流传动系统发展迅速, 已经由模拟式向数字式方向发展, 伺服电机的位置环 速度环的控制都已经实现数字化, 克服了以运算放大器为主的模拟化控制器所存在的零点漂移 温度漂移等弱点, 可以对电机进行高速 高精度控制 采用现代控制理论提高跟随精度 当数控系统发出位置指令后, 由于机械部分不能很快响应而会产生滞后现象, 影响了加工精度 现代控制理论中有各种算法能够实现对滞后量的减小 但是, 这些计算方法往往都很复杂, 以往的计算机运算速度不够, 很难胜任 随着计算机的运算速度和存储容量的提高, 以及采用专用芯片的技术, 使复杂的计算能够在线实现, 使得滞后量减少很多, 提高了跟随精度 采用高分辨率的位置编码器 一般交流伺服电动机轴上装有回转编码器 ( 脉冲发生器 ) 用来检测电动机的角位移 显然, 编码器的分辨率越高, 则电动机转动角位移就越精确 现代高分辨率位置编码器绝对位置的测量可达 脉冲 / 转

12 第 1 章概述 7 实现多种补偿功能 数控系统能实现多种补偿功能, 提高数控机床的加工精度和动态特性 数控系统的补偿功能主要用来补偿机械系统带来的误差, 主要功能如下 直线度的补偿 : 通过两轴相互补偿, 实现直线轨迹, 提高机床工作台运动的直度 丝杠 齿轮间隙补偿 热变形误差补偿 : 用来补偿由于机床热变形而引起的加工误差 刀具长度 位置 半径等补偿 存储型补偿 : 这种补偿方法, 可根据机床使用中的实际情况 ( 如机床零件的磨损情况等 ) 适时地修订补偿值 (2) 实现数控系统的高可靠性提高数控系统的可靠性, 一直是人们经常关注的重要性能指标 新型数控系统大量使用大规模和超大规模集成电路, 还采用专用芯片提高集成度以及使用表面封装技术等方法, 减少了器件数量和它们之间的联线和焊点数目, 并且建立从元器件筛选 稳定产品制造及装配工艺 性能测试等一系列质量保证体系 从而大幅度降低系统的故障率 通过对数控系统的模块化 标准化和通用化 使数控系统更便于组织生产 开发和应用, 从而提高了运作的可靠性 现代数控系统还引入了具有人工智能的故障诊断系统, 把已掌握的对于各种故障原因及其处置方法以知识库形式储存到计算机的存储器中, 并以此为依据来开发软件, 用它来诊断数控系统及机床的故障 分析故障原因 (3) 更多样的功能现代数控系统具有比以往更加强大和丰富的功能, 具有多种管理 检测和补偿功能 比如对刀具长度 刀具半径补偿 刀尖补偿和刀具寿命的管理 刀具以及机床磨损的检测 系统机械精度以及热变形的检测功能 现代数控系统大都采用 CRT 显示, 以实现人机交互, 方便操作人员对加工程序的管理 借助 CRT 显示, 操作人员可以更方便地使用键盘进行程序的输入 编辑 修改和删除 通过 CRT 还可以实现二维的刀具轨迹显示, 或者三维图形加工的动态显示, 从而可以实现对加工程序结果的预览和对加工的实时监控 (4) 更加智能化数控系统中使用的计算机运算速度越来越快, 容量越来越大, 使得数控系统不仅完成机床的数字控制功能, 而且还可以充分利用软件技术, 使系统智能化, 减少操作人员的手动操作 例如, 必须由编程员决定的零件的加工部位 加工工序 加工顺序等, 现今也可由数控系统自动生成 操作者只要将加工形状和必要的毛坯形状输入系统, 就能自动生成加工程序, 这样, 加工的编程时间大为缩短, 即使经验不足的操作者也能进行操作 现代数控系统还引入了自适应控制技术, 能够调节加工过程中与加工效果有关的各种特性, 比如工件毛坯余量 材料硬度 刀具磨损 切削液黏度等, 保持加工的最佳状态,

13 8 数控机床编程与实例 从而得到较高的加工精度和表面质量, 同时可以提高刀具和设备的使用寿命 (5) 更高的通信功能将多台数控机床组成各种类型的生产线或者 DNC(Direct Numerical Control, 直接数字控制 ) 系统是现代机械制造业的发展趋势之一, 这就要求数控系统具有较高的联网能力 一般的数控系统都具有 RS 232 和 RS 422 远距离串行接口, 可以按照用户的格式要求, 与同一级计算机进行多种数据交换 为了满足不同厂家 不同类型数控机床联网功能要求, 现代数控系统大都具有 MAP( 制造自动化协议 ) 接口, 现在已实现了 MAP 3. 0 版本 现代数控系统还采用光缆通信, 以提高数据传送速度和可靠性 1.2 数控机床的组成 数控机床主要由程序载体 输入装置 数控装置 伺服系统 位置反馈系统和机床机械部件组成 (1) 程序载体数控程序是数控机床自动加工零件的工作指令序列, 它的内容包括机床上刀具和工件的相对运动轨迹 工艺参数 ( 走刀量 主轴转速等 ) 和辅助运动等 编制程序的工作可由人工进行, 或者在计算机上利用自动编程系统完成, 比较先进的数控机床可以在它的数控装置上直接编程 将零件加工程序以一定的格式和代码, 存储在一种载体上, 如穿孔纸带 录音磁带 软磁盘或硬盘等, 通过数控机床的输入装置, 将程序信息输入到数控装置内 (2) 输入装置输入装置的作用是将程序载体内有关加工的信息读入数控装置, 并转换成相应的电脉冲信号 根据程序载体的不同, 输入装置可以是光电阅读机 录放机或软盘驱动器 现代数控机床还可以不用任何程序载体, 将零件加工程序通过数控装置上的键盘, 用手工方式 (MDI 方式 ) 输入 ; 或者将存储在编程计算机硬盘上的加工程序用通讯方式传送到数控装置中 (3) 数控装置数控装置是数控机床的核心 它接收输入的程序和数据 ( 电脉冲信号 ), 经过数控装置的系统软件或者逻辑电路完成数值计算 逻辑判断 输入输出等一系列处理, 输出各种信号和指令来控制机床的各个部分 这些控制信号包括 : 由插补运算得出的各运动部件在各个方向上的进给位移 进给方向和进给速度的指令 ; 主轴回转的变速 换向和启停指令 ; 交换刀具的指令 ; 控制冷却 润滑 工件的夹紧 松开以及工作台分度转位等辅助动作指令

14 第 1 章概述 9 数控装置一般由专用 ( 或通用 ) 计算机 输入输出接口板及机床控制器 ( 可编程序控制器 ) 等部分组成 机床控制器主要用于对数控机床辅助功能 主轴转速功能和刀具功能的控制 (4) 伺服系统伺服系统包括伺服驱动电路 功率放大线路 伺服电动机等装置, 它接收数控装置发来的各种速度和位移等动作命令, 驱动数控机床进给传动系统的运动 每一个做进给运动的执行部件, 都配有一套伺服驱动系统, 它的伺服精度和动态响应是影响数控机床的加工精度 表面质量和生产率的重要因素之一 (5) 位置检测系统位置检测系统的作用是通过传感器将伺服电动机的角位移或数控机床执行部件的直线位移转换成电信号, 输送给数控装置, 与指令位置进行比较, 数控装置将其差值转换并放大后控制执行部件的运动, 以此纠正所产生的误差 (6) 机床机械部件数控机床的机械部件包括 : 主传动系统 进给运动系统 床身 工作台以及辅助运动部件 液压气动系统 润滑系统 冷却装置等 对于加工中心类数控机床, 还有存放刀具的刀库 自动换刀装置 (ATC) 和自动托盘交换装置等部件 与传统的机床相比, 数控机床的结构强度 刚度和抗振性要求更高 ; 传动系统与刀具系统的部件结构 操作机构等方面也为实现自动化控制做出了很大改变 (7) 辅助控制装置辅助控制装置的主要作用是 : 接受数控装置输出的主轴运动换向 变速 启停 刀具的变换, 以及其他辅助动作的指令信号, 经过编译 逻辑判断和运算, 再经过功率放大器后驱动相应的电器, 带动辅助运动部件完成动作 另外, 机床上的限位开关等开关信号经它的处理后送数控装置进行处理 在数控机床的辅助控制装置领域, 可编程控制器 (PLC) 已经得到广泛的应用 它的功能强大, 可以处理更加复杂的辅助动作指令 ; 运行安全可靠 ; 可以直接输出强电, 而不需要功率放大器, 使系统更加紧凑 1.3 本章习题 1. 试简述数控机床相对于传统机床的优 缺点 2. 按照执行机构的伺服系统类型, 数控机床分为哪几类? 每一类都有些什么特点? 3. 简述数控机床技术的发展趋势 4. 数控机床一般由哪些部分组成? 每一部分的作用是什么?

15 第 2 章数控加工工艺和编程基础 在普通机床上加工零件, 一般要由工艺员制订零件的加工工艺规程 在工艺规程中规定了所使用的机床和刀具, 工件和刀具的装夹方法, 加工顺序和尺寸, 切削参数等内容 然后由操作者按照工艺规程进行零件加工 在数控机床上加工零件时, 则首先要进行程序编制, 将加工零件的加工顺序, 工件与刀具相对运动轨迹的尺寸数据, 工艺参数 ( 主运动和进给运动速度, 背吃刀量等 ) 以及辅助操作 ( 换刀 主轴正反转 冷却液开关 工件夹紧 松开 ) 等加工信息, 用规定的文字 数字 符号组成的代码, 按一定格式编写成加工程序单, 并将程序单的信息通过控制介质输入到数控装置, 由数控装置控制机床进行自动加工 常见的控制介质有穿孔纸带 磁带 磁盘等 程序简单的也可由数控操作面板上的键盘输入 所谓 数控加工编程 是指由分析零件图样到程序检验的全部过程 程序编制可分为手工编程和自动编程两类 手工编程时, 这个程序的编制过程是由人工完成的 这就要求编程人员不仅要熟悉数控代码及编程规则, 而且还必须具备一定的机械加工工艺知识 自动编程时, 编程人员只要根据零件图样的要求, 按照自动编程系统的规定, 编写一个零件源程序, 送入编程计算机, 即可进行自动编程, 并由编程系统自动打印出程序单和制备控制介质 本章将介绍有关手工编程的一些基础知识 2.1 数控加工工艺基础 数控加工工艺的特点和内容 无论是使用数控机床还是普通机床加工零件, 都要对所需加工的零件进行工艺分析, 制定工艺方案 数控加工和普通机床加工在方法和内容上很相似, 但是由于使用数控机床加工零件时, 机床是按照事先编制好的加工程序自动地对零件进行加工, 因此在编制程序过程中, 除了要考虑机床和刀具的选用 零件的尺寸 形状精度及表面粗糙度外, 还要考

16 第 2 章数控加工工艺和编程基础 11 虑对刀点 换刀点及走刀路线的确定等问题 因此数控加工工艺分析及工艺方案制定比普通机床要复杂得多 为了要加工出合格的零件, 数控加工的工艺处理更是一项十分重要的工作 由于数控机床加工的整个过程是自动完成的, 所以我们要将必要的工艺信息编制成程序输入到数控机床中, 用它来控制驱动机床的加工行为 因此严格地说, 数控编程也属于数控工艺的范畴 1. 数控加工工艺与普通机床加工工艺的比较 与使用工艺卡片形式的普通机床加工的加工工艺相比, 数控加工工艺具有以下特点 (1) 数控加工的工序内容比较复杂 与普通机适合加工的零件相比, 数控机床更多地用于加工一些外形复杂的零件 一般来讲, 复杂的零件对应着复杂的工序, 因此, 数控加工工艺的工序往往更加复杂 (2) 数控加工的工艺十分明确而且具体 进行数控加工时, 数控机床是接受数控系统的指令, 自动完成各种加工动作的 因此在编制加工程序之前, 要考虑一些在普通机床的加工工艺中不必考虑的问题, 如工序内工步的安排 对刀点 换刀点及走刀路线的确定等问题 ; 而不能像普通机床进行加工时, 在大多数情况下的许多具体工艺问题, 都是操作人员根据自己的实践经验和习惯自行考虑和决定 也就是说, 许多本来由操作人员在加工中灵活掌握, 并可适时调整处理的工艺问题, 在数控加工时, 就要转变为编程人员必须事先具体设计和明确安排的内容 (3) 数控加工的工艺要求更加准确和严密 数控加工不能像普通机床一样, 可以根据加工过程中出现的问题由操作者自由地进行调整 比如加工螺纹时, 在普通机床上, 操作者可以随时根据孔中切削的数量决定是否需要退刀清理, 而在数控机床上, 这些动作是按照加工程序自动执行的 所以在数控加工的工艺设计中, 要注意加工过程中的每一个细节, 做到万无一失 (4) 数控加工的工序相对集中 一般来说, 普通机床上的加工是根据机床的种类进行单工序加工的, 而在数控机床上往往是在工件的一次装夹中完成工件的钻 扩 铣 铰 镗 攻螺纹等多步工序 在极端的情况下, 一台加工中心可以完成工件的全部加工内容 2. 在实际生产加工中的数控加工工艺设计的内容 在实际生产加工中, 数控加工的工艺设计主要包括以下几个方面 (1) 选择适合零件加工的数控机床, 并确定加工工序的内容 (2) 分析加工零件的图纸, 明确加工内容及技术要求 (3) 确定加工方案, 如工序的划分 刀具的选择 夹具的定位与安装 切削用量的确定 走刀路线的确定等 (4) 调整数控加工工序的程序, 加入对刀点 换刀点的选择 刀具的补偿

17 12 数控机床编程与实例 (5) 分配数控加工中的允许误差 (6) 处理数控机床上部分工艺指令, 编制工艺文件 数控加工的工艺性分析 从数控机床加工程序的编制过程和内容可以看出, 数控机床使用的零件加工程序中, 通常考虑机床的运动 工件的加工工艺过程 刀具的形状及切削用量, 走刀路线等比较广泛的工艺问题 所以, 为了编制出一个合理的 实用的零件加工程序, 要求数控编程人员不仅要了解数控机床的工作原理 性能特点及结构, 掌握数控机床的编程语言和标准的编程格式, 还要能够熟练掌握工件加工工艺, 确定合理的切削用量, 正确选用刀具和装夹方法 也就是说, 数控机床的编程人员必须首先是一个优秀的工艺人员 当然, 除了通过书本知识的学习和正确使用工艺手册来获得数控机床的加工工艺知识以外, 参加实际的编程和操作来获取丰富的经验知识也是一条重要的途径 下面, 就数控加工的工艺性分析中的几个问题作简要的介绍 1. 选择并决定进行数控加工的内容 当选择并决定对某个零件进行数控加工后, 并不等于把它所有的加工内容都包下来, 而可能只是对其中的某一部分进行数控加工, 选择零件数控加工的内容就显得尤为重要, 一般可按下列步骤进行考虑 (1) 普通机床无法加工的内容应作为优先选择的内容 (2) 普通机床难加工 质量也难以保证的内容应作为重点选择内容 (3) 普通机床加工效率低, 工人手工操作劳动强度大的内容可在数控机床尚存在富余能力的基础上进行选择 一般来说, 上述这些加工内容采用数控加工后, 在产品质量 生产率和综合经济效率等方面都会得到显著的提高 而相比之下, 下列这些加工内容则不宜选择数控加工 (1) 需要较长时间进行数控机床调整的加工内容 (2) 必须按专用工装协调的孔及其他加工内容 (3) 按某些特定的制造依据 ( 如 : 样板 样件 模胎等 ) 加工的型面轮廓 (4) 不能在一次安装中加工完成的其他零星部位 此外, 在选择和决定加工内容时, 也要考虑生产批量 生产周期 工序间周转情况等 总之, 要做到尽量合理, 达到多 快 好 省的目的, 防止把数控机床降格为普通机床使用 2. 对零件图进行数控加工的工艺性分析 在选择和决定数控加工的内容时, 工艺人员已经对零件图做过一些工艺性分析, 但这还远远达不到数控加工的要求, 还不够具体和充分 在进行数控加工工艺性分析时, 数控

18 第 2 章数控加工工艺和编程基础 13 编程人员应积极与普通机床的加工工艺人员密切配合, 根据所掌握的数控加工的基本特点及其所使用的数控机床的基本功能和实际工作能力, 努力把这一前期准备工作做得更仔细 更扎实一些, 以便为下面进行的零件加工工作铺平道路 由于数控加工的工艺性问题涉及的内容很多, 这里仅从数控加工的可能性与方便性两个角度提出一些必须要分析和审查的内容 (1) 审查与分析零件图纸中的尺寸标注方法是否适合数控加工的特点对数控加工来说, 最倾向于以同一基准标注尺寸或直接给出坐标尺寸 这种标注法, 既便于编程, 也便于尺寸之间的相互协调, 对保持设计 工艺 检测基准与编程原点设置的一致性方面有很大的帮助 由于零件设计人员往往在尺寸标注中较多地考虑装配等使用特性, 而不得不采用局部分散的标注方法, 这样就会给工序安排与数控加工带来诸多不便 事实上, 由于数控加工精度及重复定位精度都很高, 不会因产生较大的误差而破坏使用特性, 因而把局部的分散标注方法改变为集中标注或者坐标式尺寸是完全可行的 (2) 审查与分析零件图纸中构成轮廓的几何元素的条件是否充分由于零件设计人员在设计过程中考虑不周或者忽略, 常常遇到构成轮廓的几何元素的条件不充分或者模糊不清 例如 : 圆弧与直线 圆弧与圆弧到底是相切还是相交, 含糊不清, 有些明明画得相切, 但根据零件图纸给出的尺寸计算相切条件不充分而变为相交或相离状态等, 使编程无法正常进行 ; 有时, 所给的加工条件又过于 苛刻 或者自相矛盾, 增加了数学处理与节点计算的难度 (3) 审查与分析定位基准的可靠性数控加工工艺特别强调加工定位, 尤其是正反两面都采用数控加工的零件, 其加工工艺基准的统一是十分必要的, 否则很难保证两次装夹加工后, 两个面上的轮廓位置及其尺寸相互协调 如果零件上没有合适的基准, 可以考虑利用在零件上增加工艺凸台或者工艺孔, 在加工完成后再将其去除的方法 对零件图的工艺性的分析与审查, 一般是在零件图纸设计和毛坯设计以后进行的, 特别是在把原来采用普通机床进行加工的零件改为数控加工的情况下, 零件设计都已经定型, 我们再要求根据数控加工工艺的特点对零件图或者毛坯进行较大改动, 一般是比较困难的, 所以对零件图纸或者毛坯图纸的初步设计与设计定型进行工艺性审查与分析就显得尤为重要 数控编程人员不仅要积极参与审查和做细致的工作, 还要与设计人员密切合作, 并尽力达到在不损害零件使用特性的许可范围内, 更多地满足数控加工工艺的各种要求 3. 加工零件的结构工艺性分析 数控机床加工除了要对零件图进行工艺性分析外, 审查所要加工零件的各加工部位的结构工艺性是否符合数控加工的特点也是一个重要的步骤 由于零件的结构工艺性涉及的内容很多, 下面就几个方面作简单介绍 (1) 零件的内腔和外形是否统一

19 14 数控机床编程与实例 零件的内腔和外形最好采用统一的几何类型和尺寸, 这样就可以减少刀具规格和换刀次数, 便于编程, 提高生产率 (2) 内槽圆角的大小决定着刀具直径的大小, 进而决定着加工零件的工艺性内槽圆角的大小决定着刀具直径的大小, 因此内槽圆角半径不应太小, 可以采用较大直径的铣刀来进行加工 如图 2-1 所示, 零件工艺性的好坏与被加工轮廓的高低 连接圆弧半径的大小等有关 图 (b) 与图 (a) 相比, 连接圆弧半径大, 可以用直径较大的铣刀加工 铣削平面时, 进给次数相应地减少, 表面加工质量相应地提高, 所以加工工艺性较好 一般只在 R<0.2H 时, 可以判定加工零件该部位的工艺性不好 R<0.2H R>0.2H A A A A A A A A H H (a) 工艺性不好 (b) 工艺性好 图 2-1 数控加工工艺性对比 (3) 零件铣削底平面时, 槽底的圆角半径 r 也会影响零件的工艺性 在数控加工中, 铣削零件底平面时, 槽底圆角半径 r 不应过大, 如图 2-2 所示 圆角 半径 r 愈大, 铣刀端刃铣削平面的能力愈差, 效 率也就愈低 当 r 大到一定程度时, 甚至必须用 球头铣刀加工, 这是应该尽量避免的 因为铣刀 与铣削平面接触的最大直径 d=d 2r( 其中 D 为 铣刀直径 ) 当 D 一定时,r 越大, 铣刀端刃铣削 r r 平面的面积越小, 加工表面的能力越差, 工艺性也就越差 d D 图 2-2 零件底面圆弧半径对工艺性的影响 (4) 采用统一的基准定位在数控加工中, 如果没有统一的基准定位, 就会因为工件的重新安装而导致装夹前后的两个面的轮廓位置及其尺寸相互不协调 因此要避免

20 第 2 章数控加工工艺和编程基础 15 上述问题的产生, 保证两次装夹加工后其相对位置的准确性, 必须要采用统一的基准定位 零件上最好有合适的孔作为定位基准孔, 如果没有, 要设置工艺孔作为定位基难孔 ( 例如在毛坯上增加工艺凸台, 或者在后续工序要铣去的余量上设置工艺孔 ) 如果无法设置工艺孔时, 最起码也要用经过精加工的表面作为统一基准, 以减少两次工件装夹产生的误差 此外, 还应分析零件所要求的加工精度 尺寸公差等是否得到保证, 有无引起矛盾的多余尺寸或者影响工序安排的封闭尺寸等 加工方法的选择与加工方案的确定 1. 加工方法的选择 在数控加工中, 零件的加工实际上就是各种不同表面的加工 加工方法选择的原则是保证加工表面的加工精度和表面粗糙度的要求 由于获得同一级精度及表面粗糙度的加工方法一般有许多, 因此在实际选择加工方法时, 要结合零件的形状 尺寸大小以及热处理要求等方面进行全面周到的考虑 例如, 对于 IT7 级精度的孔采用镗削 铰削 磨削等加工方法均可达到精度要求 但是箱体上的孔一般采用镗削或铰削, 而不宜采用磨削 一般小尺寸的箱体孔选择铰孔, 当孔径较大时则应选择镗孔 除此以外, 在选择加工方法时, 还应考虑生产率和经济性的要求, 以及工厂的生产加工设备等实际情况 通常情况下, 选择加工方法的经济加工精度和表面粗糙度可查阅相关工艺手册 2. 加工方法的确定 零件上加工精度比较高的表面加工, 通常是通过粗加工 半精加工和精加工逐步达到的 对这些表面的加工, 仅仅根据质量要求选择相应的最终加工方法是不够的, 还应正确地确定从毛坯到最终成品的加工方案 确定零件的加工方案时, 首先应根据主要表面的精度和表面粗糙度的要求, 初步确定为了达到这些要求所需要的加工方法 例如, 对于孔径不大的 IT7 级精度的孔, 确定最终加工方法采用精铰时, 在精铰孔前通常要经过钻孔 扩孔和粗铰等加工程序 3. 斜面轮廓加工方法的选择 在数控加工过程中, 加工工件按表面轮廓可分为平面类零件和曲面类零件 其中平面类零件中的斜面轮廓又可分为如下两种 (1) 具有固定斜角的外形轮廓面 如图 2-3 所示的工件, 加工一个有固定斜角的斜面可以采用不同的刀具, 有不同的加工方法 在实际的数控加工中, 应根据零件的尺寸精度 倾斜角的大小 刀具的形状 零件装夹方法 编程的难易程度等因素, 选择一个较好的加工方案

21 16 数控机床编程与实例 图 2-3 固定斜角斜面加工示意图 (2) 具有变斜角的外形轮廓面 如图 2-4 所示, 具有变斜角的外形轮廓面, 若单纯从技术上考虑, 最好的加工方案是采用多坐标联动的数控机床 这样不但生产率高, 而且加工质量好 但是这种数控机床, 设备投资大, 生产成本高, 一般的中小型企业几乎无力承受, 因此应考虑其他可能的加工方案 例如, 可在两轴半坐标加工方法的基础上, 采用锥形铣刀或者鼓形铣刀, 利用多次行切的方法进行加工 为了提高零件的表面加工质量, 对少量的加工残痕可用手工修磨 图 2-4 变斜角斜面加工示意图 此外, 还要考虑机床选择的合理性 例如, 单纯铣轮廓表面或者铣槽的简单中小型加工零件, 选择数控铣床进行加工较好 ; 而大型非圆曲线 曲面的加工或者是不仅需要铣削而且是有孔加工的零件, 则选择在加工中心上加工较好 具体的方案选择, 需要编程人员经过细致周全的考虑后来最终确定 工序以及工步的划分 1. 工序的划分及安排 工序是指一个零件在同一台机床上完成的那部分工艺过程 在数控机床上加工零件, 需要考虑工件整个加工工艺的安排问题, 即工序的划分 工序划分的主要原则如下 (1) 保证加工质量 一般分粗 半精及精加工, 可逐步提高工件的加工精度, 降低表

22 第 2 章数控加工工艺和编程基础 17 面粗糙度, 保证工件加工质量 (2) 合理使用设备 对于工件的加工, 在保证加工精度的前提下可以考虑其中的一部分在数控机床上加工, 另外一部分在其他机床上加工, 这样可以充分利用数控设备的效能 在数控机床上加工零件时, 特别是在加工中心上加工零件时, 工序可以非常集中, 在一次零件装夹中应完成尽可能多的加工内容 但是零件的粗加工通常是在普通机床上完成的, 再装夹到数控机床上进行加工 划分数控机床的加工工序时, 首先应根据零件图纸, 考虑被加工零件是否可以在一台数控机床上完成整个零件的加工工序, 如果不能, 那么应决定其中哪一部分在数控机床上加工, 哪一部分在其他机床上加工, 即对加工零件的工序进行划分 一般的工序划分有以下几种方式 (1) 按零件装夹定位方式划分工序 由于各个零件的结构形状不同, 各表面的技术要求也有所不同, 所以在进行加工时, 其定位方式则各有差异 一般加工外形时, 用内形来定位 ; 加工内形时, 又用外形来定位 故此可根据定位方式的不同来划分工序 (2) 按零件加工部位划分工序 由于所需加工的零件结构不同, 各表面的加工要求也不同, 所以加工时, 可根据加工部位的不同来划分工序 通常, 在数控加工时, 先加工平面和定位面, 再加工孔 ; 先加工简单的几何形状, 后加工复杂的几何形状 ; 先加工表面精度要求较低的部位, 再加工表面精度要求较高的部位 (3) 按所用刀具划分工序 为了减少换刀次数, 压缩空行程时间, 减少不必要的定位误差, 可按刀具集中工序的方法加工零件, 即在一次装夹中, 尽可能用同一把刀具加工出可能加工的所有部位, 然后再换另一把刀加工其他部分 一般情况下, 在数控机床和加工中心中常采用这种方法 (4) 按粗 精加工划分工序 根据零件的加工精度 刚度和变形等因素来划分工序时, 可按粗 精加工分开的原则来划分工序, 即先粗加工再精加工 此时可用不同的机床或者不同的刀具进行加工 通常在一次装夹中, 不允许将零件某一部分表面加工完毕后, 再加工零件的其他表面 如图 2-5 所示的零件, 在数控加工中, 应先车去整个零件的大部分余量, 再将其表面精车一遍, 以满足加工精度和表面粗糙度的要求 图 2-5 工件的车削加工示意图

23 18 数控机床编程与实例 在划分工序时, 一定要根据零件的结构与工艺性 机床的功能 零件加工内容的多少 装夹次数及本单位生产组织的状况灵活掌握 对所要加工的零件, 应采用工序集中的原则还是采用工序分散的原则, 也要根据实际情况来确定, 但一定要合理 工序顺序的安排应根据零件的结构和毛坯状况, 以及定位安装与夹紧的需要来考虑, 重点是工件的刚性不被破坏 顺序安排一般应按下列原则进行 (1) 在编排加工工序时, 应充分考虑到数控机床自身的特点, 采用在一次装夹工位上多工序集中加工的原则 (2) 为了减少换刀次数, 减少空行程时间, 避免不必要的定位误差, 多采用按刀具划分工序的原则, 即用同一把刀具加工工件所有的应该用该刀具进行加工的部位, 在这一步完成之后, 再换接下一把刀具 (3) 在数控车床上加工轴类零件时, 根据所要加工零件的加工精度的不同, 通常采用按粗车 半精车 精车 螺纹加工的原则来编排工序 有同轴度要求的内外圆柱面或者有垂直度要求的外圆与端面, 应尽可能在一次装夹中完成, 以减小工件的定位误差 (4) 在数控铣床或者加工中心上铣平面 台阶或者其他曲面时, 一般采用粗铣 半精铣 精铣的原则来编排工序 同样, 镗孔时也需要先进行粗 半精镗或者在钻 扩后进行半精镗, 然后再转入精镗的加工工序 有垂直度要求的孔与端面或者是有位置精度要求的两平面之间, 应尽可能在一次装夹中完成, 以减小工件的定位误差 (5) 在加工螺纹孔时, 通常是先加工底孔, 然后攻螺纹, 对精度有要求的螺纹孔, 需要进行二次攻螺纹 (6) 在加工深孔时, 一般采用分级进给的方法, 以防止折断钻头 (7) 如果所需加工的工件上, 既有平面需要加工, 又有孔需要加工时, 一般采取先加工平面, 后加工孔的方法, 按这种方法划分工序, 可以在一定程度上提高孔的加工精度 (8) 上道工序的加工不能影响下道工序的定位与夹紧, 中间穿插有普通机床加工工序的也要综合考虑 ; 先进行内型腔加工工序 ; 后进行外型腔加工工序 (9) 以相同定位 夹紧方式或者同一把刀具加工的工序, 最好接连进行, 以减少重复定位次数 换刀次数与挪动压板的次数 (10) 在同一次安装中进行的多道工序, 应先安排对工件刚性破坏较小的工序 数控加工工序与普通工序的衔接也很重要 数控加工工序前后一般都穿插有其他普通工序, 如果衔接得不好就容易产生矛盾, 最好的办法是相互建立状态要求 例如, 在零件加工时要不要留加工余量, 留多少加工余量 ; 定位面与孔的精度要求以及形位公差 ; 对校形工序的技术要求 ; 对毛坯的热处理状态等 所有这些状态要求的目的是为了达到相互能满足加工要求, 且质量目标及技术要求明确, 交接验收有依据的目标 关于手续问题, 如果是在同一个加工车间, 可由编程人员与主管该零件的工艺员共同协商确定, 在制定工序工艺文件中相互审查, 共同负责 ; 如不是在同一个加工车间, 应用交接状态表进行规定, 共同会签, 然后将结果反映在工艺规程中

24 第 2 章数控加工工艺和编程基础 工步的划分 工步是指零件在加工表面和加工工具不变的情况下, 所连续完成的那部分工序内容 工步的划分主要是从加工精度和加工效率两方面来进行考虑的 在一个零件的加工过程中, 仅仅将其加工过程进行工序划分是远远不够的 在同一个工序内部, 往往需要采用不同的刀具和切削用量对不同的表面进行加工 为了便于分析和描述这些比较复杂的工序, 在工序内又做了进一步的划分, 即工步 下面以加工中心为例来说明工步划分的原则 (1) 对同一表面的加工, 按粗加工 半精加工 精加工依次完成, 或者是全部加工表面均按 先粗后精 的加工方法分开进行 (2) 对于既有铣平面又有镗孔的零件, 应先铣平面后镗孔 按照此方法划分工步, 可以提高孔的加工精度 这是因为铣削时, 切削力较大, 工件容易变形, 而先铣面后镗孔, 使零件有一段时间恢复, 这样就可以减少由于变形引起对孔的精度的影响 (3) 按刀具划分工步 这种方法适用于机床工作台回转时间比换刀时间短的加工中心, 采用按刀具划分工步的方法, 可以减少校刀次数, 提高加工效率 总之, 利用数控机床加工零件时, 加工工序与工步的划分要根据具体零件的结构特点 技术要求等情况综合考虑, 具体问题, 具体分析 零件的装夹和夹具的选择 数控机床上零件的安装方法与普通机床上一样, 也需要合理地选择定位基准和夹紧方案 在数控加工中, 既要保证加工质量, 又要减少辅助时间, 提高加工效率 但是, 在确定零件的装夹方法时, 应注意以下几点 (1) 尽可能地减少装夹次数, 即尽可能做到在一次装夹后能加工出全部待加工表面, 以充分发挥数控机床的效能 (2) 尽可能达到设计 工艺与编程计算的基准统一 (3) 避免采用停机调整的加工方案, 以充分发挥数控机床的功能 数控加工所用的夹具, 编程人员在大多数情况下并不进行实际设计 根据数控加工的特点, 在选择数控机床使用的夹具时, 应考虑下列几点 : (1) 夹具结构应力求简单 尽可能采用组合夹具, 避免设计 制造专用夹具, 以便缩短零件的生产周期 (2) 保证夹具在机床上的准确安装 (3) 装卸零件要迅速, 以缩短数控机床的停顿时间 (4) 协调好加工零件与机床坐标系的尺寸关系 (5) 加工部位要开敞, 不致因夹紧机构或其他元件而影响走刀路线 (6) 当零件加工批量不大时, 应尽量采用组合夹具 可调式夹具及其他通用夹具, 以缩短生产设备时间, 节省生产费用

25 20 数控机床编程与实例 (7) 夹具在机床上的安装要准确可靠, 以保证工件在正确的位置上按程序操作 (8) 在成批生产时才考虑采用专用夹具, 并力求结构简单 因此, 当有条件时, 应多采用气 液压夹具, 而像飞机上的整体壁板一类的整体结构件等, 采用真空夹具较为合适 这种夹紧方式由于动作快, 工件变形均匀, 加工部件开敞, 因而在国外的飞机制造厂里被广泛采用 切削刀具的选择和切削用量的确定 1. 切削刀具的选择 在编制数控加工程序时, 正确地选择切削刀具是很重要的步骤, 它不仅影响机床的加工效率, 而且直接影响零件的加工质量 通常应考虑如下几方面 : 工件材料的性质, 机床的加工能力, 数控加工工序的类型, 切削量和进给速度, 以及与机床和数控装置工作范围有关的诸多因素 对切削刀具总的要求是 : 安装调整方便, 刚性好, 精度高, 耐用度好 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, 一般要采用立铣刀 铣削平面时, 应选硬质合金刀片铣刀 ; 加工凸台 凹槽时, 选用高速钢立铣 ; 加工毛坯表面或粗加工孔时, 可选用硬质合金铣刀 选择立铣刀加工时, 刀具的有关参数, 推荐按下述经验数据选取 (1) 刀具半径 r 应小于零件周边轮廓的最小曲率半径 ρ, 一般取 r = ( ) ρ (2) 零件的加工高度 H (1/ 4 1/ 6) r, 以保证刀具有足够的刚度 (3) 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 ) (4) 加工外型及通槽时, 选取 l = H + r ε + (5 10)mm ( r ε 为刀尖角半径 ) (5) 粗加工内轮廓面时, 铣刀最大直径 D 可按下式计算 : 粗 2( δ sin ϕ/ 2 δ1) D = + D 粗 1 sin ϕ /2 式中 : D 轮廓的最小凹圆角直径 δ 圆角邻边夹角等分线上的精加工余量 δ 1 精加工余量 ϕ 圆角两邻边的最小夹角 (6) 加工肋时, 刀具直径为 D = (5 10) b ( b 为肋的厚度 ) 数控机床使用的刀具必须具有较高的精度 刚度和寿命, 所以应尽量采用新型高效刀具, 并使刀具规格化和通用化, 以减少刀具种类 便于刀具管理 在数控加工中, 应尽可能采用可转位刀片, 磨损后只需更换刀片, 增加了刀具的互换性

26 第 2 章数控加工工艺和编程基础 21 下面简要介绍一下刀具的选择情况 (1) 平面铣削 在铣削平面时, 应选用镶不重磨多面硬质合金刀片的面铣刀和立铣刀 在粗铣平面时, 由于被加工表面质量不均匀, 选择铣刀时刀具直径要小一些 精铣时, 铣刀直径要大, 最好能包容整个加工面的宽度 加工余量较小且表面质量要求较高时, 可采用立方氮化硼复合刀片面铣刀或者镶陶瓷刀片的面铣刀 (2) 毛坯面的加工 在加工毛坯面时, 可选用镶硬质合金的玉米立铣刀, 以防止由于毛坯表层有硬化层和夹沙现象, 引起刀具的快速磨损 (3) 凹槽 凸台的加工 在数控机床上加工凹槽和凸台时, 通常采用高速钢立铣刀 在加工精度要求较高的凹槽时, 其内表面可采用直径比槽小的立铣刀, 先铣槽的中间部分, 然后利用刀补功能, 铣削槽的两边 (4) 平面零件周边轮廓的加工 在数控机床上进行平面零件周边轮廓的加工时, 通常采用立铣刀, 同时要求铣刀半径应小于工件轮廓的最小凹圆半径 (5) 立体型面和变斜角轮廓外形的加工 在数控机床上加工此类零件时, 通常情况下, 采用球头铣刀 环形铣刀 鼓形刀 锥形刀和盘形刀 (6) 钻孔 钻孔深度为直径的 5 倍左右时, 应该先用中心钻钻一中心孔引正 在加工中心上, 各种刀具分别装在刀具库上, 进行零件加工时, 按程序要求随时进行选刀和换刀工作 因此, 必须有一套联接普通刀具的刀杆, 以便使钻 镗 扩 铰 铣削等工序用的标准刀具迅速 准确地装在机床主轴或者刀床上去 作为编程人员应了解机床上所用刀杆的结构尺寸以及调整方法 调整范围, 以便在编程时确定刀具的径向和轴向尺寸 在编制数控程序时, 有时还要规定刀具结构尺寸和调整尺寸 如图 2-6 所示中的 Z T 尺寸, 编制程序前应先确定下来 确定 Z T 的方法, 通常是刀具安装到数控机床上之前, 将刀具在机床外预装于刀夹中, 并在 刀具预调装置 上调整到所需要的尺寸 在凹形轮廓加工中, 刀具直径大小的选取需要加以注意 这是因为刀具直径要受曲线的最小曲率图 2-6 刀具尺寸的调整示意图半径的限制, 即刀具半径必须小于曲线的最小曲率半径 2. 切削用量的确定 切削用量包括切削速度 ( 主轴转速 ) 进给速度 切削深度 ( 或宽度 ) 对于不同的加工方法, 需要选择不同的切削用量, 并应编入程序单内 Z d Z T ZS Z Z 0

27 22 数控机床编程与实例 合理选择切削用量的原则是 : 粗加工时, 一般以提高生产效率为主, 但也要考虑经济性和加工成本 ; 半精加工和精加工时, 应该在保证质量的前提下, 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, 并结合实际经验来确定 (1) 数控车床切削用量的选择 1 切削深度的确定 在机床刚性和机床功率允许的条件下, 尽可能选取较大的背吃刀量, 以减少进给次数, 提高生产效率 但是有时为了降低零件的表面粗糙度, 或者零件本身的加工精度要求较高, 则应考虑适当留出精车余量, 所留精车余量一般比普通车削时所留余量少一些, 常取 0.1~0.5mm 2 主轴转速的确定 光车时的主轴转速 光车时主轴转速应根据零件上被加工部位的直径, 并按零件和刀具的材料及加工性质等条件所允许的切削速度来确定 切削速度除了计算和查表选取外, 还可根据实际操作经验确定 这里, 特别要注意许多经济型数控车床采用交流变频调速电动机通过带传动驱动主轴, 在低速时输出力矩比较小, 在切削时容易引起闷车及打刀等现象, 因而切削速度不能太低 切削速度确定后, 可用下式计算主轴转速 n: 1000V n = c πd 式中 : V 切削速度 (m/min); c D 工件待加工表面直径 (mm) 车螺纹时的主轴转速 在切削螺纹时, 车床主轴转速过高会使螺纹破牙, 所以对于普通数控车床, 车螺纹时推荐的主轴转速 n 为 1200 n 80 P 式中 : P 螺纹导程 (mm) 3 进给速度的确定 进给速度 F 主要是指单位时间内, 刀具沿进给方向移动的距离 (mm/min) 有些数控机床规定可以选用以进给量(mm/r) 表示进给速度 确定进给速度的原则如下 当工件的质量要求能够得到保证时, 为提高生产效率, 可选择较高的进给速度 在切断 加工深孔或用高速钢刀具加工或精车时, 宜选择较低的进给速度 当加工精度要求较高时, 进给速度应选更小一些 进给速度应与主轴转速和切削深度相适应 4 进给速度的计算 若进给速度单位为 mm/min, 则它与主轴转速 n 的关系为 : F = n f 上式中 : f 为主轴转一周时刀具的进给量, 粗车时一般取为 0.3~0.8 mm/r, 精车时常

28 第 2 章数控加工工艺和编程基础 23 取 0.1~0.3 mm/r, 切断时常取 0.05~0.2 mm/r (2) 数控铣床切削用量的选择 1 铣削深度与铣削宽度 铣削深度和铣削宽度的选取主要由加工余量和对表面质量的要求决定, 详诉如下 在工件表面粗糙度值要求为 R 12.5 a ~ 25 μ m 时, 如果圆周铣削的加工余量小于 5 mm, 端铣的加工余量小于 6 mm, 粗铣一次进给就可以达到要求 但在余量较大, 数控机床刚性较差或机床功率较小时, 可分两次进给完成 在工件表面粗糙度值要求为 R 3.2 a ~12.5 μ m 时, 可分粗铣和半精铣两步进行 粗铣的铣深或铣宽选取同上 粗铣后留 0.5~1 mm 余量, 在半精铣时切除 在工件表面粗糙度值要求为 Ra 0.8 ~ 3.2 μ m 时, 可分粗铣 半精铣 精铣三步进行 半精铣时铣深或铣宽取 1.5~2 mm; 精铣时, 圆周铣铣宽取 0.3~0.5 mm, 端铣铣深取 0.5~1 mm 2 主轴转速的确定 主轴转速 n 与切削速度 V c 的关系为 : 1000V n = c πd 式中 : V 铣削时的切削速度, 单位 m/min, 可参考表 2-1 选取 c D 铣刀的直径, 单位 mm 在具体选取切削速度时, 还必须注意 : 在粗加工时, 进给速度取小值 ; 在精加工时, 进给速度取大值 加工中心的切削用量选择, 可参考数控铣床的切削用量并结合机床说明书进行选择 表 2-1 铣削时的切削速度 V c 工件材料钢铸铁 硬度 (HBS) 切削速度 V c (m/min) 高速钢铣刀硬质合金铣刀 <225 18~42 66~ ~325 12~36 54~ ~425 6~21 36~75 <190 21~36 66~ ~260 9~18 45~90 260~ ~10 21~30 3 进给速度的确定 数控铣床进给速度的定义同数控车床的定义相同 它与铣刀转速 S 铣刀齿数 Z 及每齿进给量 a f 的关系为 : F = a ZS f

29 24 数控机床编程与实例 每齿进给量 a 的选取主要取决于工件材料的力学性能 刀具材料 工件表面粗糙度等 f 因素 工件材料的强度和硬度越高, a f 越小 ; 反之则越大 硬质合金铣刀的每齿进给量高于同类高速钢铣刀 工件表面粗糙度要求越高, a f 就越小 每齿进给量的确定可参考表 2-2 来选取 表 2-2 铣刀每齿进给量 a f 每齿进给量 a f (mm/z) 工件材料 粗铣精铣 高速钢铣刀硬质合金铣刀高速钢铣刀硬质合金铣刀 钢 0.10~ ~0.25 铸铁 0.12~ ~0.30 注 : 工件刚性差或刀具强度低时, 应取小值 0.02~ ~0.15 在选择进给量时, 还要注意零件加工的某些特殊因素 例如在轮廓加工中, 当零件轮廓有拐角时, 刀具容易产生 超程 现象, 从而导致加工误差的出现 如图 2-7 所示, 铣刀由 A 向 B 运动, 当进给量较高时, 铣刀由于惯性作用, 在拐角 B 处可能出现 超程 现象, 会使拐角处的金属被多切去一些, 如 A B B 果是向外凸起的表面,B 处会有部分金属未被切除, 使 A C 轮廓表面产生误差 解决这个问题的方法是 : 在数控编 A B 程时, 在接近拐角前适当地降低进给量, 过拐角后再逐 B 渐增加进给量 即将加工路线 AB 分成两段, 在 AA 段使用正常的进给量, 到 A 处开始减速, 过 B 处后再逐图 2-7 过切现象与控制步恢复到正常进给量, 从而达到减少超程量的效果 目前一些完善的自动编程系统中有超程检验功能, 一旦检测出超程误差超过允许值, 便可以设置适当的 减速 或 暂停 程序段予以控制 (3) 影响切削用量的因素如下 1 数控机床 切削用量的选择必须根据数控机床的主传动功率 进给传动功率 主轴转速范围以及进给速度范围来确定 2 刀具 刀具材料是影响切削用量的重要因素 数控机床所用的刀具多采用可换刀片 ( 机夹刀片 ) 并具有一定的使用寿命 3 工件 不同的工件材料需要采用与之相适应的刀具材料 刀片类型, 并且要注意到可切削性 合理的切削速度 较小的切削深度和进给量, 这些是得到较高加工精度的必要条件 F/m min 1

30 第 2 章数控加工工艺和编程基础 25 4 冷却液 冷却液不仅具有冷却工件的作用, 同时还有润滑作用 使用冷却液后, 通常情况下可以适当地提高切削用量 加工路线的确定 加工路线是数控机床在加工过程中, 刀具刀位点相对于工件运动的轨迹和方向 在进行数控编程时, 确定加工路线的原则主要有以下几点 (1) 加工路线应保证加工零件的精度和表面粗糙度, 并且效率较高 (2) 使数值计算简单, 以减少编程工作量 (3) 应使加工路线最短, 这样既可以减少程序段, 又可减少空程时间 此外, 确定加工路线时, 还要考虑工件的加工余量和机床 刀具的刚度等情况, 确定是一次走刀, 还是多次走刀完成加工, 以及在铣削加工中是采用顺铣还是逆铣等问题 对于平行坐标轴的矩阵孔, 在保证加工精度的前提下, 为了尽量缩短加工路线, 可以采用单坐标轴方向的加工路线, 如图 2-8 所示 Y O X 图 2-8 平行坐标轴矩阵孔加工路线图 对于位置精度要求较高的孔系加工来说, 通常情况下采用趋近定位的方法, 即快速趋近, 工进钻孔, 快速退回, 然后移动到另一待加工孔的位置后, 重复同样的动作 如图 2-9 所示, 工件上有 4 个孔需要加工, 有两种方案可以采用 如图 2-9(a) 所示, 该方案按照孔 1 孔 2 孔 3 和孔 4 的加工路线来完成加工, 但是由于孔 4 的定位方向与孔 1 孔 2 和孔 3 的方向相反,X 轴的反向间隙会影响孔距间的位置精度 如图 2-9(b) 所示, 该方案是将孔 2 加工完成后, 刀具向 X 轴负方向移动并超越孔 4 一段距离后, 再向 X 轴正方向移动至孔 4, 再移动到孔 3, 由于定位方向一致, 所以孔距位置精度得到了一定程度的提高 在数控铣床上加工平面轮廓时, 必须要安排好刀具的切入和切出的加工路线, 否则就会在交接处出现重复切削或者在法线方向上切出 ( 退刀 ) 而在工件表面上产生痕迹 如图 2-10 所示, 在加工内外轮廓时, 刀具沿着切线方向进刀和退刀, 避免了接刀处的痕迹

31 26 数控机床编程与实例 Y Y Y Y X X P 0 X P 0 X 图 2-9 镗孔加工路线图 图 2-10 切入和切出方式 在数控机床上加工零件时, 应考虑刀具的引入长度和超越长度 刀具的轴向工作循环通常包括快速前进 工作进给和快速退回等运动, 工件的进给距离应当是刀具的引入长度 l1 工件的加工长度 L 和刀具的超越长度 l 2 的和, 如图 2-11 所示 在数控车床上进行螺纹加工时, 因为加工起始时的加速运动和加工结束时的减速运动会引起主轴转数和螺距之间的速比不稳定, 此时加工螺纹会发生乱扣现象, 因此这里要有引入长度和超越长度 l 这样处理之后, 就可以避免在进给机构加速或者减速阶段进行 l1 2 螺纹的切削, 如图 2-12 所示 l 2 l 1 l 2 L l 1 图 2-11 钻孔时工件进给距离 图 2-12 螺纹进给切削示意图 对于点位控制的数控机床, 加工过程中只要求定位精度高, 定位过程尽可能短, 而刀具相对工件的运动路线是无关紧要的, 因此点位控制的数控机床应按空程最短的原则来安排走刀路线 总之, 确定加工路线的原则是 : 在保证零件加工精度和表面粗糙度的条件下, 应尽可能缩短加工路线, 以便提高生产率

32 第 2 章数控加工工艺和编程基础 对刀点和换刀点的确定在数控编程时, 应正确地选择对刀点和换刀点的位置 所谓对刀点, 就是在数控机床上加工零件时, 刀具相对于工件运动的起点 由于程序段从该点开始执行, 所以对刀点又称为 程序起点 或者 起刀点 对刀点的选择原则如下 (1) 便于用数学处理和简化程序编制 (2) 在机床上找正容易, 加工中便于检查 (3) 引起的加工误差小 对刀点可以选在工件上, 也可选在工件外 ( 例如选在夹具或者机床上 ) 但必须与零件 的定位基准有一定的尺寸关系 ( 如图 2-13 所示的和 Y ), 这样才能确定机床坐标系与工 X 0 0 件坐标系之间的关系 为了提高零件的加工精度, 对刀点应尽量选在零件的设计基准或者工艺基准上, 例如以孔定位的工件, 可以选择孔的中心作为对刀点 刀具的位置以此孔来找正, 使刀位点与对刀点重合 在实际的数控加工过程中, 常用的找正方法是将千分表装在机床主轴上, 然后转动机床主轴, 从而使刀位点与对刀点一致, 一致性越好, 对刀精度就越高 但是这种找正方法效率较低, 所以现在有些情况下已采用光学或者电子装置等新的找正方法, 以减少找正时间, 提高找正精度 所谓刀位点是指车刀 镗刀的刀尖, 钻头的钻尖, 立铣刀 端铣刀刀头底面的中心, 以及球头铣刀的球头中心 Y Y Y X 2 X 0 X 1 X X Y0 Y1 Y2 X 图 2-13 对刀点与换刀点的设定在数控加工过程中, 装夹零件时, 工件坐标系与机床坐标系要有确定的尺寸关系, 在工件坐标系设定后, 从对刀点开始的第一个程序段的坐标值作为对刀点在机床坐标系中的坐标值 ( X0, Y0) 当按绝对值编程时, 不管对刀点和工件原点是否重合, 都是 ( X1, Y1) ; 当

33 28 数控机床编程与实例 按增量值编程时, 对刀点与工件原点重合时, 第一个程序段的坐标值是 ( X, Y ), 不重合 时, 则为 ( X + X, Y + Y ) 对刀点既是程序的起点, 也是程序的终点 因此在批量生产中, 要考虑对刀点的重复 精度, 该精度可用对刀点相对于机床原点的坐标值 ( X0, Y0) 来校核 加工过程中需要换刀, 所以应规定换刀点 所谓换刀点, 即刀架转位或者换刀机械手换刀时的位置 该点可以是某一固定点 ( 例如数控加工中心, 其换刀机械手的位置是固定的 ), 也可以是任意的一点 ( 如车床 ) 换刀点应设在工件或者夹具的外部, 以刀架转位时不接触工件及其他部件为准, 其设定值可用实际测量方法或者计算的方法来确定 2.2 编程基础 坐标系统 1. 机床坐标系 机床坐标系是为了确定工件在机床上的位置 机床运动部件的特殊位置以及运动范围等而建立的几何坐标系, 是机床上固有的坐标系 在机床坐标系下, 始终认为工件静止, 而刀具是运动的 这就使编程人员在不考虑机床上工件与刀具具体运动的情况下, 依据零件图样, 确定机床的加工过程 标准机床坐标系采用右手直角笛卡尔坐标系, 其坐标命名为 X Y Z, 常称为基本坐标系, 如图 2-14 所示 其规定遵循右手定则, 伸出右手的大拇指 食指和中指, 并互相垂直, 则大拇指的指向为 X 坐标的正方向, 食指的指向为 Y 坐标的正方向, 中指的指向为 Z 坐标的正方向 +Y +C +Z +Y +B +A +X +X +Y 或 +Z +A,+B 或 +Z +Z +X 图 2-14 机床坐标系

34 第 2 章数控加工工艺和编程基础 29 围绕 X Y Z 坐标轴或与 X Y Z 坐标轴平行的坐标轴线旋转的圆周进给坐标分别用 A B C 表 Y 示, 根据右手螺旋定则, 大拇指的指向为 X Y Z 坐标中任意一轴的正向, 则其余四指的旋转方向即 X B Z A 为旋转坐标 A B C 的正向, 如图 2-15 所示 机床坐标系的确定通常遵循以下 3 条原则 C' C (1) 刀具相对静止 工件运动的原则 不论机床在加工过程中是刀具移动, 还是被加工工件移动, Z B' A X 都一律假定被加工工件相对静止不动, 而刀具在移 Y 动, 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, 确定加图 2-15 机床旋转坐标系工的过程 (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, 且坐标系中的各个坐标轴与机床的主要导轨相平行 (3) 运动方向的原则 在机床坐标系中规定刀具远离工件的运动方向为坐标轴的正方向 通过上述对机床坐标系的概述, 下面给出机床坐标系的确定方法 (1)Z 坐标的确定 通常选取传递切削力的主轴作为 Z 轴, 即平行于主轴轴线的坐标轴即为 Z 坐标,Z 坐标的正向为刀具远离工件的方向 对于工件旋转的机床, 如车床 磨床等, 工件旋转的轴为 Z 轴, 如图 2-16 所示 ; 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, 如图 所示 ; 对于有几个主轴的机床, 则选一个垂直于工件装夹平面的主轴方向为 Z 坐标方向 ; 对于主轴能够摆动的机床, 则选垂直于工件装夹平面的方向为 Z 坐标方向, 如图 2-19 所示 ; 对于无主轴的机床, 则选垂直于工件装夹平面的方向为 Z 坐标方向 +Z +Y +X +Z +X +C +X +Z +X +Z +Y 图 2-16 数控车床 图 2-17 数控铣床

35 30 数控机床编程与实例 +Z +Y +Z +X +X +Y +Y +X +Z +Z +W +C +A +W +X +Y 图 2-18 数控钻床 图 2-19 五坐标摆动铣头式数控铣床 (2)X 坐标的确定 X 坐标一般平行于工件的装夹平面且与 Z 轴垂直 对于机床主轴带动工件旋转的机床, 如车床等,X 轴在工件的径向并平行于横向滑座, 刀具离开工件旋转中心的方向是 X 轴的正方向 ; 对于机床主轴带动刀具旋转的机床上, 如铣床 钻床 镗床等, 则分为以下两种情况 1 Z 坐标水平时, 观察者沿刀具主轴向工件看时,X 轴正向指向右方 ;Z 坐标垂直时, 观察者面对刀具主轴向立柱看时,X 轴正向指向右方 2 对于无主轴的机床, 如刨床等, 则选定主要切削方向为 X 轴正方向 (3)Y 坐标的确定 在确定 X Z 坐标的正方向后, 可以根据 X 和 Z 坐标的方向, 按照右手直角坐标系来确定 Y 坐标的方向 2. 附加坐标系 为了数控编程和加工的方便, 有时还要设置附加坐标系 以上 X 轴 Y 轴 Z 轴通常称为第一坐标系, 对于直线运动, 通常建立的附加坐标系如下 (1) 若有平行于 X Y Z 坐标轴的运动, 可以采用的附加坐标系 : 第二组 U 轴 V 轴 W 轴坐标, 第三组 P 轴 Q 轴 R 轴坐标 (2) 若有不平行于 X Y Z 坐标轴的运动, 可以采用的附加坐标系 : 第二组 U 轴 V 轴 W 轴坐标, 第三组 P Q R 坐标 对于旋转轴除了 A 轴 B 轴 C 轴以外, 还可以根据需要继续命名为 D 轴 E 轴

36 第 2 章数控加工工艺和编程基础 机床坐标系与机床原点 机床坐标系是机床上固有的坐标系, 并设有固定的坐标原点, 由制造厂家确定 对某一具体机床来说, 这点是机床上固定的点, 即 X = 0 Y = 0 Z = 0 的点 它在机床装配 调试时就已确定下来, 是数控机床进行加工运动的基准参考点 当机床的坐标轴手动回归各自的原点以后, 用各坐标轴部件上的基准线和基准面之间的距离便可以确定机床原点的位置 如在数控车床上, 机床原点一般取在卡盘端面与主轴中心线的交点处, 同时通过设置参数的方法, 也可将机床原点设定在 X Z 坐标的正方向极限位置上, 如图 2-20 所示 再如, 数控铣床原点一般取在 X Y Z 坐标的正方向极限位置上, 构建的机床坐标系如图 2-21 所示 X 1 O 1 Z 图 2-20 数控车床的机床坐标系 Z 1 Y 1 O 1 -Y -X X 1 -Z O 图 2-21 数控铣床的机床坐标系

37 32 数控机床编程与实例 4. 机床参考点 机床参考点是由机床制造厂家在每个进给轴上用限位开关精确调整好的, 坐标值已输入数控系统中, 其固定位置由各轴向的机械挡块来确定 一般数控机床开机后, 用控制面板上的 手动返回参考点 按钮使刀具或工作台退离到该点 通常在数控铣床和加工中心上, 机床参考点与机床原点是重合的, 如图 2-22 所示 ; 而数控车床上, 机床参考点是指车刀退离主轴端面和旋转中心线最远的某一固定点, 如图 2-23 所示 Z Y +Z X +X 图 2-22 数控铣床参考点与机床原点 图 2-23 数控车床参考点与机床原点 Y Y X X 图 2-24 机床坐标系与工作坐标系 5. 工作坐标系与工作原点 工作坐标系是编程人员根据零件图样及加工工艺等建立的坐标系, 目的是为了编程方便, 此坐标系的原点称为工件原点 工件随夹具安装在机床上, 测得的工作原点与机床原点间的距离称为工作原点偏置, 如图 2-24 所示 在零件加工之前, 将该偏置值预存到数控系统中, 加工时, 工作原点偏置值会自动附加到工作坐标系上, 使数控机床实现准确的坐标移动 因此, 编程人员可以不考虑工件在机床上的安装位置, 直接按图纸尺寸编程 6. 绝对坐标系与相对坐标系数控系统中描述运动轨迹移动量的方式有两种 : 绝对坐标系与相对坐标系 绝对坐标系是指所有坐标点均以某一固定原点计量的坐标系, 相对坐标系是指运动轨迹的终点坐标相对于起点来计量的坐标系 如图 2-25 所示,A B 为坐标中的两点, 在绝对坐标系中,A B 两点的坐标分别为 ( x, y ) = (40,40), ( x, y ) = (15,20) 如果在以 A 点为原点建立的相 A A B B

38 第 2 章数控加工工艺和编程基础 33 对坐标系中, 则 B 点的相对坐标为 ( x, y ) = ( 25, 20) B B Y Y A X B X 图 2-25 相对坐标系示意图 手工编程 数控编程人员在编制零件加工程序时, 必须拥有下列资料 : 所使用的数控设备说明书, 加工切削用量表, 标准工夹具手册, 零件图及毛坯图等 编程人员在了解 分析了零件形状特点以及精度要求以后, 就可以决定刀具移动的计算方法, 用绝对值方式 (G90) 或者增量方式 (G91); 所用的坐标平面 (X-Y,X-Z,Y-Z); 选择对刀点和换刀点 ; 确定加工顺序和加工路线计算程序的输入数据 根据零件材料 所用刀具及其要求的精度选用切削用量, 然后根据工序操作要求及所用数控设备具有的准备功能及其辅助功能选用 G 功能和 M 功能 编程人员在具有以上内容的基础上, 才能进行程序单的编写工作 零件的程序必须经划线或者试加工通过后, 整个手工编程的工作才算最终结束 1. 手工编程的概念及其特点 利用规定的代码和格式, 人工制定零件加工程序的工作, 称为手工零件程序编制, 简称为手工编程 手工编程有以下特点 (1) 对加工形状较简单的零件, 编程比较快捷简便 (2) 不需要必备特别的条件 ( 如自动编程所需的硬件和软件 ) (3) 不适合编制形状复杂的零件程序 2. 手工编程的步骤 手工编程的步骤如图 2-26 所示

39 34 数控机床编程与实例 确定工 计算加工 编写 输入到数 程序校验 艺过程 轨迹尺寸 程序 控机床 和试切削 修改 图 2-26 手工编程流程图 (1) 确定工艺过程 根据零件图样进行工艺分析, 在此基础上选定机床 刀具和夹具, 确定零件加工的工艺路线 工序及切削用量等工艺参数 这些工作与普通机床加工零件时的编制工艺规程基本是相同的 (2) 计算加工轨迹尺寸 根据零件图样上的尺寸 工艺要求及编程的方便, 选定一个工件坐标系, 在规定的坐标系内计算零件轮廓或刀具运动轨迹的坐标值, 诸如几何元素的起点 终点 圆弧的圆心及其他基点 节点等坐标尺寸 在使用刀具补偿时, 只需要计算零件的轮廓坐标值 ; 不使用刀具补偿时, 则必须计算刀具运动轨迹 ( 刀具中心轨迹 ) 的坐标值 (3) 编写程序 根据制定的加工工艺路线 切削用量 刀具号码 刀具补偿 辅助动作及刀具运动轨迹等条件, 再按照机床数控指令代码及程序格式的规定, 编写程序 编写完毕后, 对编写的程序进行校核, 检查坐标值是否有错误 所编写的程序指令是否完全 格式是否符合要求等 (4) 输入到数控机床 把编写好的程序, 输入到数控机床中, 具体输入方法有两种 : 一是在操作面板上进行输入 ; 二是利用 DNC( 传输功能 ), 这种方法所编写的程序在计算机上完成, 传输软件把程序输入到数控机床 (5) 程序校验和试切削 所编写的程序必须经过进一步的校验和试切削才能用于正式加工 通常可以采用空运行的方法进行程序校验, 但在这种情况下只能校验程序格式是否正确 代码是否完整, 不能校验移动的轨迹 对于移动的轨迹校验只能采用其他方法, 例如对于平面轮廓工件, 可在机床上用笔代替刀具 坐标纸代替工件进行运行绘图 ; 对于空间曲面零件, 可用木材或塑料工件进行试切 在具有图形显示功能的机床上, 可以利用模拟加工的图形显示来检查运动轨迹的正确性 3. 手工编程的结构 (1) 加工程序的组成数控加工中, 零件加工程序的组成形式因采用的数控系统形式不同而略有差异 数控机床的加工程序一般可分为主程序和子程序 将重复出现的程序 ( 如依次加工几个相同的型面 ) 单独组成子程序 数控装置按主程序运行, 在主程序中遇到调用子程序指令就转入某子程序运行, 在子程序中遇到返回指令, 则又返回到主程序继续运行

40 第 2 章数控加工工艺和编程基础 35 一个主程序按需要可以有多个子程序, 并可重复调用 主程序和子程序的内容各不相同, 但程序格式是相同的 不论是主程序还是子程序, 每一个程序都由若干个程序段组成 程序段是由一个或若干个字组成, 它表示数控机床为完成某一特定动作而需要的全部指令 字是由表示地址的字母 数字和符号组成, 它表示控制数控机床完成一定功能的具体指令 例如 : O 0008 N1 G90 G00 X-50.0 Y30. 0Z30.0; N2 M13 S500; N3 Z-6.0; N4 G41 X-20.0 Y20.0 H010; N5 G01 X0.0 Y0.0 F100; N6 X80.0; N7 G02 Y-40.0 R-20.0; N8 G03 X55.0 Y-60.0 R25.0; N9 G01 X0.0; N10 Y0.0; N11 X-20.0 Y20.0; N12 G00 G40 X-50.0 Y30.0; N13 Z30.0; N14 M30; % 上面每一行称为一个程序段,N1 G90 F100 M30 都是一个字 (2) 加工程序的格式每个加工程序都由加工程序号 程序段 程序结束符等几部分组成 1 加工程序号格式 :α 其中 : α 为程序号指令码,ISO 代码为 : ;EIA 代码为 O ; 还有的代码为 % 具体可参见有关机床数控系统的编程说明 为程序号, 可以从 0001~9999, 存入数控系统中的各零件加工程序号不能相同 2 程序段程序段是可作为一个单位来处理的 连续的字组, 是数控加工程序中的一条语句 一

41 36 数控机床编程与实例 个完整的数控加工程序是若干个程序段组成的 程序段格式是指程序段中的字 字符和数据的安排形式 现在一般使用字地址可变程序段格式, 每个字长不固定, 各个程序段中的长度和功能字的个数都是可变的 地址可变程序段格式中, 在上一程序段中写明的 本程序段里又不变化的那些字仍然有效, 可以不再重写 这种功能字称之为续效字, 或称模态指令 程序段格式举例 : N30 G01 X88.1 Y30.2 F500 S3000 T02 M08; N40 X90; 在第二个程序段中省略了续效字 G01,Y30.2,F500,S3000,T02,M08, 但它们的功能仍然有效 在程序段中, 必须明确以下几点的对应关系 : 移动目标 : 终点坐标值 沿怎样的轨迹移动 : 准备功能字 进给速度 : 进给功能字 F 切削速度 : 主轴转速功能字 S 使用刀具 : 刀具功能字 T 机床辅助动作 : 辅助功能字 M 程序段格式说明 : 顺序号中的, 可以从 1~9999, 但有的数控系统只能从 10~9990 在把加工程序输入到计算机数控装置时, 系统在每个程序段的开头会自动生成顺序号 用 DNC 传输时, 可以把顺序号全部省略, 以节省内存 坐标值的输入最大值可为 ± , 但输入的实际值不能超出机床的加工范围 输入时, + 号可以省略 在输入整数时, 有的数控系统, 小数点后面的三个 0 可以不输入, 但小数点必须输入, 如 X 可只输入 X88.; 有的数控系统, 整数后面的小数点及 0 都可以不输入, 具体情况应根据不同的数控系统来确定 其他坐标包括 I J K 及 R 等 附加指令包括固定循环及子程序的重复次数 刀具补偿号指令 刀具编号及暂停等 结束代码可以是 * LF 或 ; 对于不同的数控系统有不同的结束代码, 可以参见有关规定 上面的程序段格式中, 有的属于续效指令, 所以在每个程序段中, 不需要每个指令都完全写出 除顺序号 程序段结束代码外, 其他指令或代码的先后次序可任意组合 对有的数控系统,G T S M 指令不允许共段

42 第 2 章数控加工工艺和编程基础 37 3 程序结束符国产数控系统一般没有结束符 ;FANUC 数控系统的结束符为 % ;SIEMENS 数控系统的结束符为 RET 加工程序的一般格式举例 : O 1000 N10 G00 G54 X50.0 Y30.0 M03 S3000; N20 G01 X88.1 Y30.2 F500 T02 M08; N30 X90.0; ; ; ; N300 M30; // 程序名 // 程序主体 % // 结束符 自动编程 1. 自动编程的基本概念 由上节的学习可知, 手工编程的特点是处处离不开人的工作, 编程计算量大, 工作繁琐, 而且比较容易出错 特别是大型复杂零件, 数据很多, 校对数据的工作量很大, 工作效率较低 同时, 编程人员在进行手工编程时, 要求其对所用数控机床系统的编程指令代码非常熟悉, 然而当一个编程员同时负责几台不同的数控机床, 进行编制程序时, 由于每一台数控机床所用的指令代码 坐标系及其他一些规定往往不尽相同, 因而增加了编程员编制程序的困难, 也增加了编程时由于互相混淆而出错的可能性 自动编程的特点是应用计算机代替人的手工编程 自动编程也称为计算机编程, 通过计算机把输入的零件加工源程序改写为数控装置能够读取和执行的指令 ( 或信息 ) 的过程就是自动编程 在数控机床上进行自动编程时, 数控装置会根据编程信息的输入与计算机对信息的处理方式不同, 分为以自动编程语言为基础的自动编程方法和以计算机绘图为基础的图形编程方法 (1) 以语言为基础的自动编程方法在编程时, 编程人员根据所使用数控语言的编程手册以及零件图样, 以语言的形式表达出加工的全部内容, 然后再把这些内容全部输入到计算机中进行处理, 制作出可以直接用于数控机床的 NC 加工程序 (2) 图形自动编程方法

43 38 数控机床编程与实例 在进行自动编程时, 编程人员首先要对零件图样进行工艺分析, 确定构图方案, 然后即可利用带有自动编程功能的 CAD( 计算机辅助设计 )/CAM( 计算机辅助制造 ) 软件, 在显示器上以人机对话的方式构建出几何图形, 最后编程人员还需利用软件的 CAM 功能, 制作出适用于数控机床的 NC 加工程序 我们把这种自动编程方式称为图形交互式自动编程, 即图形自动编程, 这种自动编程系统是一种 CAD 与 CAM 高度结合的自动编程系统 数控自动编程的一般处理过程如图 2-27 所示 从图中可见, 数控自动编程语言和数控程序系统是两个重要的组成部分 零件图纸分析 确定工艺过程 和工艺参数 零件加工程序 ATP 编程语言 编写零件源程序 数控程序介质 源程序传输介质 加工仿真图形 ATP 编译系统 电子计算机 接口 数控机床 图 2-27 数控自动编程流程图 数控编程人员根据加工零件图纸和工艺要求, 运用数控编程语言, 编制零件加工过程的源程序, 并输入到计算机内部 计算机通过编译程序进行输入转换 各种计算和后置处理, 自动制作出适用于数控机床的加工代码 由此可见, 自动编程大大减轻了编程人员的工作量, 减少了产生错误的可能性, 加快了数控编程的速度, 提高了编程的精度 因此, 对于较复杂的轮廓零件加工, 尤其是对列表曲线和曲面的加工, 自动编程更能体现出它的优越性 数控自动编程系统的组成如图 2-28 所示, 其主要包括零件源程序 通用计算机和编译程序三大部分, 计算机对源程序的处理都是在编译程序的支持下进行的 编译程序也称为系统处理程序, 它是根据输入 输出和处理过程的具体要求, 事先用高级计算机语言开发的应用软件 编程系统运行之前必须将编译程序输入到计算机内部, 否则计算机将无法识别和处理加工零件的源程序 因此, 可以说, 编译程序是计算机编程系统的核心部分

44 第 2 章数控加工工艺和编程基础 39 通用计算机 零件图 零件源程序 输入翻译 数值计算 后置处理 加工程序单 穿孔纸带 编译程序 图 2-28 自动编程系统的一般处理过程 零件源程序是加工程序预处理的计算机输入程序, 也就是编程人员根据被加工零件的几何图形和工艺要求, 用专用语言编写的计算机输入程序 源程序输入到计算机内部, 经过几何处理 工艺处理和走刀轨迹的处理, 便生成一系列的刀位数据, 然后再经后置处理便可输出所要求的数控加工程序 通常情况下, 我们把几何处理 工艺处理和走刀轨迹的处理称为前置处理 ( 或信息处理 ), 而所谓的后置处理是将刀位数据 ( 即走刀运动的坐标值及其工艺参数 ) 转换成数控机床的加工程序 最早的自动编程语言是美国麻省理工学院 (MIT) 研究的 APT (Automatically Programmed Tools) 系统 它是一种采用世界通用英语的编程语言, 使用方便, 可靠性高, 源程序错误能自行查找, 富有灵活性, 只要计算一遍, 就能用各种装置的后置处理程序编制出各种数控系统的控制介质 因此在世界范围内获得了广泛的应用 ATP 语言于 1955 年推出之后, 又研究开发了多种 ATP 版本 目前世界各国研制的自动编程语言, 多数是在 ATP 的基础上发展起来的, 如日本的 FATP 和 HATP 法国的 IFAPT 德国的 EXATP 以及意大利的 MODATP 等 为了促进数控技术的发展和应用, 我国近几年来也研制出 SKC ZCX 等自动编程系统 我国机械工业部 1982 年发布的 NC 机床自动编程语言标准 (JB ) 采用了 ATP 的词汇语法,1985 年国际标准化组织 ISO 发布的 NC 机床自动编程语言标准 (ISO ) 也是以 ATP 语言为基础的 2.3 本章习题 1. 数控加工工艺分析的目的是什么? 都包括哪些内容? 2. 什么是机床坐标系和工作坐标系? 二者之间存在什么样的关系? 3. 数控加工的手工编程由哪些步骤组成? 每一步都有什么内容? 4. 根据自动编程的特点, 试简述应用自动编程都有哪些优势

45 第 3 章数控车床编程技术 3.1 数控车床编程基础 数控车床的特点与分类 数控车床主要用于加工零件的旋转表面, 它一般能够自动完成内外圆柱面 圆锥面 球面以及螺纹的加工, 还能加工一些复杂的回转面, 如双曲面等 在结构方面, 数控车床与普通车床一样, 都是由床身 主轴箱 刀架 进给系统 冷却和润滑系统等部分组成的 但为了提高加工效率, 数控车床多采用液压 气压和电动卡盘的工件安装方式 同时, 数控车床的进给系统与普通车床有很大的区别, 它一般不采用传统的齿轮变速进给箱装置, 而是直接使用伺服电机通过滚珠丝杠驱动刀架和溜板, 实现进给运动 数控车床一般具有以下特点 (1) 数控车床可以自动完成多种操作, 例如主轴变速 正反转 启动和停止 加工进给运动和快速进给 刀架的各种运动 ( 松开 转位和夹紧 ) 切削液的开关等 (2) 为了满足精度和效率的需要, 数控车床一般都具有较大的调速范围 (3) 一般数控车床可以实现两坐标 (X,Z) 联动来加工工件轮廓 (4) 数控车床通常具有刀具补偿功能和执行跳步指令功能 数控车床分为立式数控车床和卧式数控车床两种类型 立式数控车床的主轴垂直于水平面, 并有一个很大的圆形工作台, 用于回转直径较大 轴向尺寸较小的盘类零件的车削加工 卧式数控车床用于轴向尺寸较长或小型盘类零件的车削加工 由于卧式数控车床的结构形式较多 加工功能丰富 所以实际应用中, 卧式数控车床的应用更为广泛 卧式数控车床按功能可进一步分为经济型数控车床 普通数控车床和车削加工中心 (1) 经济型数控车床 此类车床采用步进电动机和单片机对普通车床的车削进给系统进行改造后形成的简易型数控车床, 成本较低, 但自动化程度和功能都比较差, 车削加工精度也不高, 适用于要求不高的回转类零件的车削加工 (2) 普通数控车床 此类车床根据车削加工要求在结构上进行专门设计并配备通用数控系统而形成的数控车床, 数控系统功能强, 自动化程度和加工精度也比较高, 适用于一

46 第 3 章数控车床编程技术 41 般回转类零件的车削加工 这种数控车床可同时控制两个坐标轴, 即 X 轴和 Z 轴 (3) 车削加工中心 在普通数控车床的基础上, 增加了 C 轴和动力头, 更高级的机床还带有刀库, 可控制 X Z 和 C( 绕 Z 轴的周向 )3 个坐标轴, 联动控制轴可以是 (X Z) (X C) 或 (Z C) 由于增加了 C 轴和铣削动力头, 这种数控车床的加工功能大大增强, 除可以进行一般车削外, 还可以进行径向和轴向铣削 曲面铣削 中心线不在零件回转中心的孔和径向孔的钻削等加工 按照刀架的数量分类, 数控车床可以分为单刀架数控车床和双刀架数控车床 ; 按照加工零件的基本类型分, 可以分为卡盘式数控车床和顶尖式数控车床 ; 按照数控系统的不同控制方式分, 可以分为直线控制数控车床, 两轴控制数控车床等 数控车床的坐标系和运动方向 1. 数控车床的坐标系 数控车床规定主轴方向为 Z 轴方向, 以工件远离主轴箱的方向为 Z 轴正方向, 指向主轴箱方向为 Z 轴负方向 X 轴为刀具所在的径向方向, 使刀具远离工件的方向为 X 轴的正方向 主轴的运动方向 ( 即 C 轴的方向 ) 以从主轴端部看入时逆时针为正方向, 顺时针为负方向, 如图 3-1 所示 +X K 向 +X C 轴 -Z O +Z K 向 +C -C -X 操作者 图 3-1 数控车床坐标系的方向 在编程时, 对于 X 坐标和 Z 坐标指令使用代码 X 和 Z, 至于是指绝对坐标还是增量坐标 ( 相对坐标 ) 则由坐标选择 G 代码确定 还有些数控车床使用代码 U 和 W 分别表示增量坐标的 X 坐标和 Z 坐标 2. 机床原点 数控车床有两个机床原点, 即 X 轴机床原点和 Z 轴机床原点 X 轴机床原点以刀架中心相距主轴中心线的某个距离来设定, 而 Z 轴机床原点则以刀架的前端面距离主轴卡盘前端面的距离来设定 例如 LJ-10MC 数控车铣中心, 其 X 轴机床

47 42 数控机床编程与实例 原点距离主轴中心线 500 mm,z 轴机床原点则可以根据加工工件的大小分别设定在距主轴卡盘前端 640 mm 800 mm 960 mm 1120 mm 的位置处 在进行数控车床编程之前, 必须清楚地知道该车床 X 轴和 Z 轴的机床原点位置 机床坐标系的原点是生产厂家在制造机床时的固定坐标系原点, 也称机械零点 它是在机床装配 调试时已经确定下来的, 是机床加工的基准点 在使用中, 机床坐标系是由参考点来确定的, 机床系统启动后, 进行返回参考点操作, 机床坐标系就建立了 坐标系一经建立, 只要不切断电源, 就不会变化 3. 程序原点和工件坐标系 对于程序原点来说, 在数控车床上, 通常将 X 轴方向的原点设定在主轴中心线上, 而 Z 轴方向的原点一般设定在加工工件在精切后的右端面上, 或在精切后的夹紧定位面上 工件坐标系是机床进行加工时使用的坐标系, 它应该与编程坐标系一致 能否让编程坐标系与工件坐标系一致, 是进行加工操作时的关键 数控车床的编程特点 1. 坐标系的选取和坐标指令 数控车床编程时既可以按绝对坐标系编程, 也可以按相对坐标系编程, 还可以以混合坐标系编程 对于 X 和 U 坐标值, 在数控车床的编程中一般是以直径方式输入的 如图 3-2 所示, 图中 A 点的坐标值为 (30,80),B 点的坐标值为 (40,60) 采用直径尺寸编程与零件图样中的尺寸标注一致, 这样可避免尺寸换算过程中可能造成的错误, 给编程带来很大方便 注意, 在按绝对坐标系编程时,X 坐标值输入的是直径值, 而按增量坐标编程时,U 输入的是径向实际位移量的二倍, 并应附上方向符号 ( 正向可以省略 ) 卡盘 Z Φ40 B Φ30 A X 图 3-2 数控车床的直径编程

48 第 3 章数控车床编程技术 车削固定循环功能 由于车削零件的毛坯常用帮料或铸锻件, 加工余量较大, 所以数控车床常常具备各种不同形式的固定循环功能, 可以进行多次重复循环切削, 并可以通过相应的固定循环指令简化编程 这些固定循环功能包括 : 内 ( 外 ) 圆柱面固定循环 内 ( 外 ) 锥面固定循环 端面固定循环 车槽循环 内外螺纹固定循环及组合面切削循环等 3. 刀具补偿功能 为了提高刀具的使用寿命和降低表面粗糙度, 车刀刀尖经常磨成半径较小的圆弧, 为此, 当编制圆头车刀程序时需要对刀具半径进行补偿 与此同时, 由于刀具磨损和刀具安装产生的磨损误差和位置误差同样需要进行补偿 对具备 G41 G42 自动补偿功能的机床, 可以直接按轮廓尺寸进行编程 ; 对不具备以上功能的机床编程时, 需要人工计算补偿量, 这种计算有时是相当繁琐的 4. 进刀和退刀方式 对于车削加工, 进刀时采用快速走刀接近工件切削起点附近的某个点, 再改用切削进给, 以减少空走刀的时间, 提高加工效率 切削起点的确定与工件毛坯余量大小有关, 应以刀具快速走到该点时刀尖不与工件发生碰撞为原则, 如图 3-3 所示 图 3-3 切削起始点的确定 数控车床的常用编程指令 不同的数控车床, 其个别的功能指令会有所不同, 这里我们以 CJK6032 数控车床系统为标准来介绍数控车床的常用编程指令 实际操作时, 应参照具体数控系统的说明进行编程操作 1. 准备功能指令 (G 指令 ) 如表 3-1 所示为常用 G 功能指令 下面介绍基本的 G 功能指令代码

49 44 数控机床编程与实例 表 3-1 常用 G 功能指令 代码组意义代码组意义代码组意义 *G00 快速点定位 *G40 刀补取消 G73 车闭环复合循环 G01 直线插补 G41 07 左刀补 G76 车螺纹复合循环 G02 顺圆插补 G42 右刀补 G80 车外圆固定循环 G03 01 逆圆插补 G52 00 局部坐标系设置 G81 01 车端面固定循环 G32 螺纹切削 G54 零点 G82 车螺纹固定循环 11 G04 00 暂停延时 ~G59 偏置 *G90 绝对坐标编程 03 G20 英制单位 G65 00 简单宏调用 G91 增量坐标编程 02 *G21 公制单位 G66 宏指令调用 G92 00 工件坐标系指定 12 G27 回参考点检查 G67 宏调用取消 * G98 每分钟进给方式 05 G28 06 回参考点 G71 车外圆复合循环 G99 每转进给方式 00 G29 参考点返回 G72 车端面复合循环 表内 00 组为非模态指令, 即只在本程序段内有效 其他组为模态指令, 一次指定后持续有效, 直到被本组其他代码所取代 标有 * 的 G 代码为数控系统通电启动后的默认状态 X (1) 绝对编程方式和增量编程方式指令 : B G90 G91 Ф100 A 绝对编程是指程序段中的坐标点值均是相对于坐标原点来计量的, 用 G90 来指定 增量 ( 相对 ) 编程是指程序段中的坐标点值均是相对于程序段起点来计量的, 用 G91 来指定 如对图 3-4 Z 所示的直线段 AB 编程 Ф40 绝对编程 :G90 G01 X100.0 Z50.0; 增量编程 :G91 G01 X60.0 Z-100.0; 在某些机床中用 X Z 表示绝对编程, 用 U 图 3-4 绝对编程和增量 ( 相对 ) 编程 W 表示相对编程, 允许在同一程序段中混合使用 绝对和相对编程方法 如图 3-4 中直线 AB, 可用 : 绝对 :G01 X100.0 Z50.0; 相对 :G01 U60.0 W-100.0; 混用 :G01 X100.0 W-100.0; 或 :G01 U60.0 Z50.0; 这种编程方法不需要在程序段前用 G90 或 G91 来进行指定 本节后面的指令介绍中都 采用这种方式

50 第 3 章数控车床编程技术 45 (2) 快速点定位指令 :G00 该指令使刀架以车床厂设定的最快速度, 按点位控制方式从刀架当前点快速移动到目标点 该指令没有运动轨迹的要求, 也不需要特别规定进给速度 指令格式 :G00 X Z 或 G00 U W 其中 : 指令中的坐标值为目标点的坐标,X(U) 坐标以直径方式输入 当某一轴上相对位置不变时, 可以省略该轴的坐标值 如 :G00 X 或 G00 Z 在一个程序段中, 绝对坐标指令或增量坐标指令也可以混用 如 :G00 X W 或 G00 U Z (3) 直线插补指令 :G01 该指令用于命令刀架以 F 指令指定的进给速度进行直线插补运动 运动既可以是刀架沿 X 轴方向 Z 轴方向做直线运动, 也可以是以两轴联动方式在 XZ 平面内作任意斜率的直线运动 指令格式 :G01 X Z (F ) 或 G01 U W (F ) 同 G00 指令一样, 若某一轴没有进给, 则指令中可以省略 若进给速度已经指定且不需改变, 则同样可以省略 F 指令 在数控车床中, 直线插补指令 G01 还有它特殊的应用 倒角和倒圆角 这种应用主要分以下几种情况 : 1 45 倒角 : 由轴向切削向端面切削倒角, 即由 Z 轴向 X 轴倒角,i 的正负决定于倒角是向 X 轴正向还是负向, 如图 3-5(a) 所示 A +X C -i D A D b C +i -Z C -K +K C +Z -X (a) 指令格式 :G01 Z(W) I±i 图 倒角 (b)

51 46 数控机床编程与实例 其中 : Z(W) 指定 b 点的 Z 轴坐标 由端面切削向轴向切削倒角, 即由 X 轴向 Z 轴倒角,k 的正负决定于倒角是向 Z 轴正向还是负向, 如图 3-5(b) 所示 指令格式 :G01 X(U) K±k 其中 :X(U) 指定 b 点的 X 轴坐标 2 任意角度倒角 : 在直线进给程序段尾部加上 C, 可在直线终点自动插入任意角度的倒角 C 后的数值表示倒角终点距未倒角前两相邻轨迹线交点的距离, 此距离的正负决定于终点的 X 轴或 Z 轴坐标值的正负 3 倒圆角 : 在直线进给程序段尾部加上 R, 可在直线终点自动插入任意角度的圆角,R 后的值表示倒圆半径 指令格式 :G01 Z(W) R ±r 时, 圆弧倒角情况如图 3-6(a) 所示 指令格式 :G01 X(U) R ±r 时, 圆弧倒角情况如图 3-6(b) 所示 其中 :Z(W) 和 X(U) 分别指定 b 点的 Z 轴和 X 轴坐标 +X A +r C A D b -r D +r -r C (a) -X -Z C b C (b) +Z 图 3-6 倒圆角 例 : 如图 3-7 所示的几段轨迹, 使用倒角或倒圆功能指令编程 程序为 : O 0001 N10 G01 W-75.0 R6.0; // 倒圆角 N20 U40.0 W-10.0 C3.0; // 倒角

52 第 3 章数控车床编程技术 47 N30 W-80.0; N40 M02; // 程序结束 其中 : 第二直线段必须由点 B 而不是从点 C 开始 ; 在螺纹切削程序段中不得出现倒角控制指令 ; 当 X Z 轴指定的移动量比指定的 R 或 C 小时, 系统将报警 X R6 Ф60 C B Ф20 Z 图 3-7 倒角加工实例 (4) 圆弧插补指令 :G02 G03 该指令用于控制刀架做圆弧运动, 车削出圆弧轮廓 G02 为刀架沿顺时针方向做圆弧插补, 而 G03 为逆时针方向的圆弧插补 指令格式 :G02 X Z I K (F ) G03 X Z I K (F ) 或 G02 X Z (R F ) G03 X Z (R F ) 其中 : 圆弧半径编程时, 当加工圆弧段所对的圆心角为 0~180 时,R 取正值, 当圆心角为 180~360 时,R 取负值 同一程序段中 I K R 同时指令时,R 优先,I K 无效 X Z 同时省略时, 表示起终点重合, 若用 I K 指令圆心, 相当于指令了 360 的弧, 若用 R 编程时, 则表示指令为 0 的弧, 即 : G02 (G03) I J // 整圆 ; G02 (G03) R // 不动

53 48 数控机床编程与实例 无论用绝对还是用相对编程方式,I K 都为圆心相对于圆弧起点的坐标增量, 为零时可省略 ( 也有的机床厂家指令 I K 为起点相对于圆心的坐标增量 ) (5) 暂停延时指令 :G04 暂停指令 G04 使进给运动暂时停止, 但主轴仍然在转动, 经过指定的暂停时间, 再继续执行下一个程序段 指令格式 :G04 P // 后跟整数值, 单位 ms( 微秒 ) 或 G04 X(U) // 后跟带小数点的数, 单位 s( 秒 ) 由于在两不同轴进给程序段转换时存在各轴的自动加减速调整, 可能导致刀具在拐角处的切削不完整 如果拐角精度要求很严, 其轨迹必须是直角时, 应在拐角处使用暂停指令 例 : 欲停留 1.5 s 时, 程序段为 : G04 X1.5; 或 G04 P1500; (6) 输入数据单位设定指令 :G20 G21 该指令用于单位制式 ( 英制和米制 ) 的设定 G20 和 G21 是两个可以互相取代的 G 代码, 机床出厂时将根据使用区域设定默认状态, 但可按需要重新设定, 在我国一般均以米制单位设定 ( 如 G21), 常用于米制 ( 单位 :mm) 尺寸零件的加工 如果一个程序开始用 G20 指令, 则表示程序中相关的一些数据均为英制 ( 单位 :in/10); 在一个程序内, 不能同时使用 G20 与 G21 指令, 且必须在坐标系确定之前指定 系统对本指令状态具有断电记忆功能, 一次指定, 持续有效, 直到被另一指令取代 (7) 自动回原点指令 :G28 该指令使刀具由当前位置自动返回机床原点, 或经某一中间位置再返回到机床原点 指令格式 :G28 X(U) Z(W) T00 其中 : 指令中的坐标为中间点的坐标, 其中 X 坐标必须按直径方式给出 直接返回机床原点时, 只需将当前位置设置为中间点即可 刀具复位指令 T00 必须与 G28 在同一程序段或写在该程序段之前 刀具以快速方式返回机床原点 (8) 车螺纹指令 :G32 G32 为基本车螺纹的指令, 相当于一个走刀速度比较快的 G01 指令 用于切削圆柱螺纹 圆锥螺纹和端面螺纹指令格式 :G32 X(U) Z(W) F 其中 : F 指令为螺距 ( 螺纹导程 ), 即主轴每转一圈, 刀具所移动的距离 X(U) Z(W) 为螺纹切削的终点坐标值 ;X 省略时为圆柱螺纹切削,Z 省略时为端面螺纹切削 ;X Z 均不省略时为锥螺纹切削 需要注意的是 : 螺纹车削的开始和结束部分应留有适量的缓冲变化段, 称为导入长度 δ1 和切出长度 δ2, 以保证

54 第 3 章数控车床编程技术 49 有效行程段内的螺纹螺距均匀不变 例 : 编写如图 3-8 所示螺纹的加工程序, 螺纹导程 4 mm, 升速进刀段 ( 导入长度 )δ1=3 mm, 降速退刀段 ( 切出长度 )δ2=1.5 mm 程序为 : G00 U-60 G32 W-74.5 F4 X δ2 δ1 O Z 图 3-8 圆柱螺纹加工实例 2. 主轴功能指令 (S 指令 ) 和主轴控制指令 (G96 G97) 主轴功能指令用于控制带动工件旋转的主轴的转速 主轴速度由两种表示方式 : 线速度和转速 (1) 主轴速度以转速设定 : 单位 :r/min 指令格式 :G97 S 该指令之后的程序段工作时, 主轴转速为 S 后的值 ( 以 r/min 为单位 ), 是恒转速 (2) 主轴速度以线速度设定, 单位 :m/min 指令格式 :G96 S 该指令之后的程序段工作时, 主轴转速为 S 后的值 ( 以 m/min 为单位 ), 是恒线速度 采用此功能, 可以保证工件直径变化时, 主轴的线速度不变, 从而保证切削速度不变, 提高了加工质量 实际加工时, 还受到机床面板上的主轴速度修调倍率开关的影响 按公式 :N=1000Vc/πD

55 50 数控机床编程与实例 可根据加工材料查得切削速度 Vc, 然后即可求得 N 例如 : 若要求车直径为 D=60 mm 的外圆时, 切削速度控制到 Vc=48 mm/min, 换算得 :N=250 rpm( 转 / 分钟 ), 则在程序中指令 S 进给功能指令 (F 指令 ) F 功能指令用于控制切削进给量 在程序中, 有两种使用方法 (1) 每转进给量指令格式 :G99 F F 后面的数字表示的是主轴每转进给量, 单位为 mm/r, 如图 3-9 所示 F 图 3-9 主轴每转进给量 例 :G99 F0.2 表示进给量为 0.2 mm/r (2) 每分钟进给量指令格式 :G98 F F 后面的数字表示的是每分钟进给量, 单位为 mm/min 例 :G94 F100 表示进给量为 100 mm/min 系统通电后默认为 G99 模式 4. 刀具功能指令 (T 指令 ) 该指令用于指定当前使用的刀具及刀具补偿量的地址 ( 刀具补偿号 ) 有的机床 T 后只允许跟 2 位数字, 即只表示刀具号, 刀具补偿则由其他指令指定 有的机床 T 后则允许跟 4 位数字, 前 2 位表示刀具号, 后 2 位表示刀具补偿号 如 : T0211 表示用第二把刀具, 其刀具偏置及补偿量等数据在第 11 号地址中 通常刀具序号应与刀盘上的刀位号相对应, 以免出错 若取消刀具补偿, 可写成 : T 或 T00 5. 辅助功能指令 (M 指令 ) 车削中常用的 M 功能指令有 :

56 第 3 章数控车床编程技术 51 M00- 进给暂停 ;M10- 夹盘紧 ; M01- 条件暂停 ;M11- 夹盘松 ;M02- 程序结束 ; M98- 子程序调用 ;M03- 主轴正转 ;M99- 子程序返回 ;M04- 主轴反转 ;M30- 程 序结束并返回到开始处 ;M05- 主轴停转 ;M40- 低速齿轮 ;M08- 开切削液 ;M41 - 高速齿轮 ;M09- 关切削液 ; 6. 刀具补偿指令 (G40 G41 G42) 编程时, 通常都将车刀刀尖作为一点来考虑, 但实际上刀尖处存在圆角, 如图 3-10 所示 当用按理论刀尖 ( 理想刀尖 ) 点编出的程序进行端面 外径 内径等与轴线平行或垂直的表面加工时, 是不会产生误差的 但在进行倒角 锥面及圆弧切削时, 则会产生欠切削或过切削现象 +X O R +Z 图 3-10 理想刀尖和切削点 目前的数控车床都具备刀具半径自动补偿功能 编程时, 只需按工件的实际轮廓尺寸编程即可, 不必考虑刀具的刀尖圆弧半径的大小, 加工时由数控系统自动进行补偿 G40: 解除刀具半径补偿指令 该指令用于解除各个刀具半径补偿功能, 应写在程序开始的第一个程序段或需要取消刀具半径补偿的程序段 G41: 左偏刀具半径补偿 在刀具运动过程中, 当刀具按运动方向在工件左侧时, 用该指令进行刀具半径补偿 G42: 右偏刀具半径补偿 在刀具运动过程中, 当刀具按运动方向在工件右侧时, 用该指令进行刀具半径补偿 使用刀具补偿指令时应该注意 : G41 G42 指令不能与圆弧切削指令写在同一程序段内, 但可以与 G00 和 G01 指令写在同一程序段内 必须用 G40 指令取消刀具半径补偿

57 52 数控机床编程与实例 在使用 G41 或 G42 指令的模式范围内, 不允许有两个连续的非移动指令, 否则刀具将在前一程序段的终点的垂直位置处停止, 产生过切或欠切现象 这些指令包括 :M 代码 S 代码 暂停指令 (G04), 某些 G 代码如 G54 G96 等 切削端面时, 为了防止在回转中心部位留下欠切削的小锥, 应保证理论刀尖点位置切过回转中心 在后面将要讲到的固定循环指令 (G74~G76 G80~G82 等 ) 中不能用刀具补偿指令 7. 坐标系操作和循环车削指令 (1) 坐标系操作指令 :G92 G54 数控程序中所有的坐标数据都是在编程坐标系中确立的, 而编程坐标系并不和机床坐标系重合, 所以在工件装夹到机床上后, 必须首先让机床能够识别程序数据所依赖的坐标系统, 这就是工件坐标系 要完成这样一个过程, 就需要对刀 对刀操作用来沟通机床坐标系 编程坐标系和工件坐标系三者之间的相互关系 采用 G92 指令构建工件坐标系时, 对刀操作即是测定刀具刀位点相对于工件原点的距离 采用 G54 指令构建工件坐标系时, 是先测定出欲预置的工件原点在机床坐标系中的坐标 ( 即相对于机床原点的偏置值 ), 并把该偏置值预置在为 G54 设置的寄存器中 由于 G54 的原点是以固定不变的机床原点作为基准的, 对起刀位置无严格的要求, 而 G92 的原点则对起刀位置有较高的要求, 所以实际加工应用中,G54 比 G92 使用起来更方便 另外, 在现代数控车床中, 有更多的机床直接采用刀偏设置通过 Txxxx 指令来构建工件坐标系, 即直接将工件零点在机床坐标系中的坐标值设置到刀偏地址寄存器中 这种方法和 G54 构建工件坐标系的原理类似 (2) 简单车削循环指令 :G80 G81 简单车削循环指令实现了只用一个 G 功能指令就可以完成一系列连续加工动作, 如 切入 - 切削 - 退刀 - 返回, 具体地说就是由 4 条直线段组成的单一阶梯形轨迹的加工控制操作, 从而大大简化了程序 按照车削路线安排, 可有以车外圆为主的循环指令 (G80) 和以车端面为主的循环指令 (G81) 两种 这两种指令的应用又分为车削圆柱面 圆锥面 平面端面 锥面端面 4 种情况 下面分别介绍 1 圆柱面切削循环 : 指令格式 : G80 X(U) Z(W) (F ) 其中 : X Z 为圆柱面切削的终点坐标值 ;

58 第 3 章数控车床编程技术 53 U W 为圆柱面切削的终点相对于循环起点坐标分量 例 : 应用圆柱面切削循环功能加工图 3-11 所示零件 X n Ф50 Ф O Ф40 Z 图 3-11 圆柱面循环切削实例 程序为 : O 0002 N10 G92 X200.0 Z200.0 T0101; N20 M03 S1000; N30 G00 X55.0 Z4.0 M08; N40 G01 G96 Z2.0 F2.5 S150; N50 G80 X45.0 Z-25.0 F0.2; N60 X40.0; N70 X35.0; N80 G00 X200.0 Z200.0; N90 M30; // 对刀 // 主轴开始转动 // 刀具快速移动 切削液开 // 直线插补到循环起点 主轴线速度恒定 // 圆柱面循环切削, 粗加工 // 半精加工 // 精加工 // 刀具快速回到参考点 // 程序结束并返回到开始处 2 圆锥面切削循环 : 指令格式 :G80 X(U) Z(W) I (F ) 其中 : X Z 为圆锥面切削的终点坐标值 ; U W 为圆柱面切削的终点相对于循环起点的坐标 ; I 为圆锥面切削的起点相对于终点的半径差 如果切削起点的 X 向坐标小于终点的 X 向坐标,I 值为负, 反之为正 例 : 应用圆锥面切削循环功能加工图 3-12 所示零件

59 54 数控机床编程与实例 X n Ф60 Ф50 O Z 图 3-12 圆锥面循环切削实例 程序为 : G01 X65.0 Z2.0; G80 X60.0 Z-25.0 I-5.0 F0.2; X50.0; G00 X100.0 Z200.0; 3 平面端面切削循环 : 指令格式 :G81 X(U) Z(W) (F ) 其中 : X Z 为端面切削的终点坐标值 ; U W 为端面切削的终点相对于循环起点的坐标 例 : 应用端面切削循环功能加工图 3-13 所示零件 X Z W n 2F 1R 4R 3F U/2 O X/2 Z 图 3-13 平面端面切削循环实例

60 第 3 章数控车床编程技术 55 程序为 : G00 X85.0 Z25.0; G81 X30.0 Z15.0 F0.2; Z12.0; Z10.0; 4 锥面端面切削循环 : 指令格式 :G81 X(U) Z(W) K (F ) 其中 : X Z 为端面切削的终点坐标值 ; U W 为端面切削的终点相对于循环起点的坐标 ; K 为端面切削的起点相对于终点在 Z 轴方向的坐标分量 当起点 Z 向坐标小于终点 Z 向坐标时 K 为负, 反之为正 例 : 应用端面切削循环功能加工图 3-14 所示零件 G81 X20.0 Z0.0 K-5.0 F0.2 Z-5.0 Z-10.0 n X Ф50 Ф20 O Z 图 3-14 锥面端面切削循环实例 (3) 复合车削循环指令 :G71 G72 G73 复合车削循环指令实现了仅用一个 G 指令就可以完成多阶梯复杂轴类零件的全部粗加工控制操作 复合车削循环指令除有以车外圆方式为主的循环指令 (G71) 和以车端面方式为主的

61 56 数控机床编程与实例 循环指令 (G72) 之外, 还有闭环粗车方式循环指令 (G73), 下面分别介绍 1 外圆粗车循环指令 :G71 外圆粗车循环适用于外圆柱面需多次走刀才能完成的粗加工, 将工件切削到精加工之前的尺寸 精加工之前的工件形状及粗加工的刀具路径由系统根据精加工尺寸自动设定 指令格式 :G71 U d Re G71 Pns Qnf U u W w(f S T ) 其中 : d 为背吃刀量 ; e 为退刀量 ; ns 为精加工轮廓程序段中开始程序段的段号 ; nf 为精加工轮廓程序段中结束程序段的段号 ; u 为 X 轴向精加工余量 ; w 为 Z 轴向精加工余量 ; 注意 :ns~nf 程序段中的 F S T 功能对粗车循环无效 零件轮廓必须符合 X 轴 Z 轴方向同时单调增大或单调减少 ;X 轴 Z 轴方向非单调时, 精加工程序段中第一条指令必须在 X Z 向同时有运动 例 : 按图 3-15 所示尺寸编写外圆粗切循环加工程序 X Ф120 Ф100 Ф60 Ф40 O Z 图 3-15 外圆粗车循环加工实例 程序为 : O 0003 N10 G92 X200.0 Z140.0 T0101; // 对刀, 设定刀具

62 第 3 章数控车床编程技术 57 N20 G00 G42 X120.0 Z10.0 M08; // 设定刀具补偿, 切削液开 N30 G96 S120; // 设定主轴线速度 N40 G71 U2.0 R0.5; // 粗切循环 N50 G71 P60 Q120 U2.0 W2.0 F0.25; N60 G00 X40.0; // ns N70 G01 Z-30.0 F0.15; N80 X60 Z-60.0; N90 Z-80.0; 精加工程序段 N100 X100.0 Z-90.0; N110 Z-110.0; N120 X120.0 Z-130.0; // nf N130 G00 X125.0; N140 X200.0 Z140.0; // 回参考点 N150 M02; // 程序结束 2 端面粗车循环指令 :G72 端面粗切循环指令适用于 Z 向余量小,X 向余量大的棒料粗加工, 它的循环功能基本与 G71 相同, 不同之处在于,G72 指令中的刀具路径是按径向方向循环, 而 G71 是按轴向方向循环 指令格式 :G72 U d Re G72 Pns Qnf U u W w(f S T ) 其中 : d 为背吃刀量 ; e 为退刀量 ; ns 为精加工轮廓程序段中开始程序段的段号 ; nf 为精加工轮廓程序段中结束程序段的段号 ; u 为 X 轴向精加工余量 ; w 为 Z 轴向精加工余量 ; 注意 : ns~nf 程序段中的 F S T 功能对粗车循环无效 零件轮廓必须符合 X 轴 Z 轴方向同时单调增大或单调减小 例 : 按图 3-16 所示尺寸编写端面粗切循环加工程序

63 58 数控机床编程与实例 X n O Ф160 Ф Ф Ф Z 图 3-16 端面粗车循环加工实例 程序为 : O 0004 N10 G92 X200.0 Z200.0 T0101; N20 M03 S800; N30 G90 G00 G41 X176.0 Z2.0 M08; N40 G96 S120; N50 G72 U3.0 R0.5; N60 G72 P70 Q120 U2.0 W0.5 F0.2; N70 G00 X160.0 Z60.0; N80 G01 X120.0 Z70.0 F0.15; N90 Z80.0; N100 X80.0 Z90.0; N110 Z110.0; N120 X36.0 Z132.0; N130 G00 G40 X200.0 Z200.0; N140 M30; //ns //nf 3 闭环粗车循环指令 :G73 该指令实现每次粗切的轨迹形状都和成品形状类似, 只是在位置上由外向内环状地向最终形状靠近, 也就是刀具路径按精加工轮廓进行循环 这种切削循环方式特别适合于当毛坯已经具备了简单的零件轮廓 ( 例如铸件 锻件等 ) 时的情况 如图 3-17 所示

64 第 3 章数控车床编程技术 59 k+ W W i+ U/2 A U/2 B A W 指令格式 :G73 Ui Wk Rd 图 3-17 闭环粗车循环 G73 Pns Qnf U u W w(f S T ) 其中 : i 为 X 轴向总退刀量 ( 半径方式 ); k 为轴向总退刀量 ; d 为重复加工次数 ; ns 为精加工轮廓程序段中开始程序段的段号 ; nf 为精加工轮廓程序段中结束程序段的段号 ; u 为 X 轴向精加工余量 ; w 为 Z 轴向精加工余量 ; 例 : 按图 3-18 所示尺寸编写闭环切削循环加工程序 程序为 : O 0005 N10 G92 X200.0 Z200.0 T0101; N20 M03 S2000; N30 G00 G42 X140.0 Z40.0 M08; N40 G96 S150; N50 G73 U9.5 W9.5 R3; N60 G73 P70 Q130 U1.0 W0.5 F0.3; N70 G00 X20.0 Z0.0; //ns

65 60 数控机床编程与实例 N80 G01 Z-20.0 F0.15; N90 X40.0 Z-30.0; N100 Z-50.0; N110 G02 X80.0 Z-70.0 R20.0; N120 G01 X100.0 Z-80.0; N130 X105.0; N140 G00 X200.0 Z200.0 G40; N150 M30; //nf X B A Ф80 Ф20 Ф100 R40 Z R20 图 3-18 闭环粗车循环加工实例 例 : 按照图 3-19 所示车削零件, 分别采用外圆粗车循环指令 端面粗车循环指令及闭环粗车循环指令三种方式编程 A2 B X A B1 A1 Ф36 Ф32 Ф22 Ф18 Z Ф40 图 3-19 复合车削循环加工实例

66 第 3 章数控车床编程技术 61 外圆粗车循环指令编程 : O 0006 N10 G92 X200.0 Z200.0 T0101; N20 M03 S2500 N30 G00 G42 X40.0 Z5.0 M08; N40 G96 S120; N50 G71 U1.0 R0.5 N60 G71 P100 Q200 U0.4 W0.2 F0.25; N100 G00 X18.0 Z5.0; //ns N110 G01 X18.0 Z-15.0 F0.15; N120 X22.0 Z-25.0; N130 X22.0 Z-31.0; N140 G02 X32.0 Z-36.0 R5.0; N150 G01 X32.0 Z-40.0; N200 X36.0 Z-50.0; //nf N250 G00 X40.0 Z5.0 G40; N260 M05 M02; 端面粗车循环指令编程 : O 0007 N10 G92 X200.0 Z200.0 T0101; N20 M03 S2500; N30 G00 G41 X40.0 Z5.0 M08; N40 G96 S120; N50 G72 U3.0 R1.0; N60 G72 P100 Q200 U0.4 W0.2 F0.2; N100 G00 X40.0 Z-60.0; //ns A2 点为起始点 N110 G01 X32.0 Z-40.0 F0.15; N120 X32.0 Z-36.0; N130 G03 X22.0 Z-31.0 R5.0; N140 G01 X22.0 Z-25.0; N150 X18.0 Z-15.0; N200 X18.0 Z1.0; //nf

67 62 数控机床编程与实例 N250 G00 X40.0 Z5.0 G40; N250 M05 M02; 闭环粗车循环指令编程 : O 0008 N10 G92 X200.0 Z200.0 T0101; N20 M03 S2000; N30 G00 G42 X40.0 Z5.0 M08; N40 G96 S150; N50 G73 U12 W5 R5; N60 G73 P100 Q200 U0.4 W0.2 F0.3; N100 G00 X18.0 Z0.0; N110 G01 X18.0 Z-15.0 F0.15; N120 X22.0 Z-25.0; N130 X22.0 Z-31.0; N140 G02 X32.0 Z-36.0 R5.0; N150 G01 X32.0 Z-40.0; N200 X36.0 Z-50.0; N250 G00 X40.0 Z5.0 G40; N260 M05 M02; //ns //nf (4) 精加工循环指令 :G70 由 G71 G72 G73 完成粗车加工后, 可以用 G70 进行精加工 精加工时,G71 G72 G73 程序段中的 F S T 指令无效, 只有在 ns~nf 程序段中的 F S T 才有效 指令格式 :G70 Pns Qnf 其中 : ns 为精加工轮廓程序段中开始程序段的段号 ; nf 为精加工轮廓程序段中结束程序段的段号 在 G71 G72 G73 指令的程序应用例子中的 nf 程序段后再加上 G70 Pns Qnf 程序段, 并在 ns~nf 程序段中加上精加工适用的 F S T, 就可以完成从粗加工到精加工的全过程 (5) 车螺纹循环指令 :G82 G76 1 简单车螺纹循环指令 :G82 简单车螺纹切削循环指令实现了用一个 G 功能代码完成 切入 - 螺纹切削 - 退刀 - 返回 4 个动作, 大大简化了编程 简单车螺纹循环指令和前述车外圆循环指令 G80 相似, 其差别就在于其中切削段一个

68 第 3 章数控车床编程技术 63 是用 G32 形式来实现, 一个是用 G01 形式来实现 一般来说, 整个螺纹牙深的车削并非一次切削完成, 而是根据螺纹螺距的大小按表来分配每次的切削深度 ( 背吃刀量 ) 这样使用 G82 指令就大大简化了编程 常见螺纹牙深和螺距下的背吃刀量见表 3-2 背吃刀量及切削次数 表 3-2 常用米制螺纹切削的进给次数与背吃刀量 ( 双边 ) ( mm ) 螺距 牙深 次 次 次 次 次 次 次 次 次 0.2 指令格式 :G82 X(U) Z(W) (I )F 其中 : X(U) Z(W) 为螺纹切削的终点坐标值 ; I 为螺纹部分半径之差, 即螺纹切削起始点与切削终点的半径差 加工圆柱螺纹时, I = 0 加工圆锥螺纹时, 当 X 向切削起始点坐标小于切削终点坐标时,I 为负, 反之为正 F 为螺距 ( 螺纹导程 ) 例 : 试编写图 3-20 所示圆柱螺纹的加工程序 X O Ф30 Ф35 Z 程序为 : 图 3-20 圆柱螺纹循环切削实例

69 64 数控机床编程与实例 G00 X35.0 Z104.0; G92 X29.2 Z53.0 F1.5; X28.6; X28.2; X28.04; G00 X200.0 Z200.0; 例 : 试编写图 3-21 所示圆锥螺纹的加工程序 X 3R 4R 1R Ф50 O 2F Ф10 Z 图 3-21 圆锥螺纹循环切削实例 程序为 : G00 X80.0 Z62.0; G92 X49.6 Z12.0 I-20.0 F2.0; X48.7; X48.1; X47.5; X47.0; G00 X200.0 Z200.0; 2 复合车螺纹循环指令 :G76 复合车螺纹循环指令可以实现用一个 G 功能代码完成螺纹段的全部加工任务, 由系统根据程序指定的车削次数自动分配每次的切削深度 ( 背吃刀量 ) 来进行加工 它的进刀方法有利于改善刀具的切削条件, 在编程中应优先考虑应用该指令

70 第 3 章数控车床编程技术 65 指令格式 :G76 Pm i α Q d min Rd G76 X(U) Z(W) Rr Ff Pk Q d 其中 : m 为精加工重复次数 ; i 为倒角量 ; α 为刀尖角 ; d min 为最小切入量 ; d 为精加工的余量 ; X(U) Z(W) 为车削螺纹的终点坐标 ; r 为螺纹部分半径之差, 即螺纹切削起始点与切削终点的半径差 加工圆柱螺纹时, i=0 加工圆锥螺纹时, 当 X 向切削起始点坐标小于切削终点坐标时,i 为负, 反之为正 f 为螺距 ( 螺纹导程 ); k 为螺纹的牙深 (X 轴方向的半径值 ); d 为第一次切入量 (X 轴方向的半径值 ); 按照车螺纹的规律, 每次切削时的切削面积应尽可能保持均衡的趋势, 因此相邻两次的吃刀深度应按递减规律逐步减小, 在这种循环方式下, 第一次切深为 Δd, 第 n 次切深为 Δd/ n, 相邻两次切削深度差为 (Δd/ n 1 Δd/ n ) 若邻次切削深度差始终为定值的话, 则必然是随着切削次数的增加, 切削面积逐步增大, 有的车床为了计算简便而采用这种等深度螺纹车削方法, 这样螺纹就不易车光, 而且也会影响刀具寿命 例 : 试用 G32 G82 G76 三种指令编写如图 3-22 所示圆柱螺纹的加工程序, 螺距为 3 mm 螺纹牙深 mm X M30 O Ф 图 3-22 螺纹加工综合实例 用基本车螺纹指令 G32:

71 66 数控机床编程与实例 O 0009 N10 G92 X70.0 Z25.0; N20 G96 S160 M03; N30 G00 X40.0 Z2.0 M08; N40 X29.3; // 第一刀深度 N50 G32 Z-46.0 F3.0; N60 G00 X40.0; N70 Z2.0; N80 X28.9; // 第二刀深度 N90 G32 Z-46.0; N100 G00 X40.0; N110 Z2.0; N120 X28.7; // 第三刀深度 N130 G32 Z-46.0; N140 G00 X40.0; N150 Z2.0; N160 X70.0 Z25.0 M09; N170 M05 M02; 用简单车螺纹循环指令 :G82 O 0010 N10 G92 X70.0 Z25.0; N20 G96 S100 M03; N30 G00 X40.0 Z2.0 M08; N40 G82 U-10.7 W-48.0 F3.0; // 循环 -1 N50 U-11.1 W-48.0; // 循环 -2 N60 U-11.3 W-48.0; // 循环 -3 N70 G00 X70.0 Z25.0 M09; N80 M05 M02; 用车螺纹复合循环指令 :G76 O 0011 N10 G92 X70.0 Z25.0; N20 S100 M03; N30 G00 X40.0 Z2.0 M08;

72 第 3 章数控车床编程技术 67 N40 G76 P Q0.2 R0.1; N50 G76 X28.7 Z-46 R0 F3.0 P0.649 Q0.7;// 复合循环 N50 G00 X70.0 Z25.0 M09; N60 M05 M02; 由上面的例子可以看出, 使用车螺纹的两种循环指令可以大大简化编程, 提高编程效率 (6) 钻深孔循环指令 :G74 钻深孔循环功能适用于深孔钻削的加工, 如图 3-23 所示 X K K K O Z 图 3-23 钻深孔循环加工 指令格式 :G74 Re G74 Z(W) Q k (F ) 其中 : e 为退刀量 ; Z(W) 为钻削深度 ; k 为每次循环钻孔的深度 ( 无符号 ) 例 : 采用钻深孔削循环功能加工图 3-23 所示深孔, 其中 : 退刀量为 1 mm, 每次钻孔深度为 20 mm, 孔深 80 mm 程序为 : N10 G92 X200.0 Z100.0 T0202; N20 M03 S600; N30 G00 X0.0 Z5.0; N40 G74 R1.0; N50 G74 Z-80.0 Q20.0 F0.1; N60 G00 X200.0 Z100.0;

73 68 数控机床编程与实例 N70 M30; (7) 外径切槽循环指令 :G75 外径切槽循环功能适合于在外圆面上切削沟槽或切断加工 指令格式 :G75 Re G75 X(U) P i (F ) 其中 : e 为退刀量 ; X(U) 为槽深 ; i 为每次循环切削的深度 ( 无符号 ) 例 : 试编写对图 3-24 所示零件切断加工的程序 其中每次循环切削深度为 5 mm X Ф30 Z 图 3-24 切断循环指令实例 程序为 : O 0013 N10 G92 X200.0 Z100.0 T0202; N20 M03 S600; N30 G00 X35.0 Z-50.0; N40 G75 R1.0; N50 G75 X-1.0 P5.0 F0.1; N60 G00 X200.0 Z100.0; N70 M30;

74 第 3 章数控车床编程技术 数控车床的工艺问题 数控车床的合理选择 数控车床 车削中心是一种高精度 高效率的自动化机床 它具有广泛的加工工艺性能 可加工直线圆柱 圆锥 圆弧和各种螺纹 如何选择一台适合需要的数控车床, 已成为工件加工生产的首要问题 合理选用数控车床, 应遵循如下原则 (1) 首先确定典型零件的工艺要求 加工工件的数量 拟定数控车床应具有的功能是做好前期准备和合理选用数控车床的前提条件 (2) 根据工件结构尺寸, 即工件的长度 直径及重量等来选择数控车床的规格 根据零件结构特性, 选择数控车床的控制方式, 如点位 直线控制, 连续加工及两轴联动 三轴联动等 (3) 根据可靠性来选择, 应选择那些结构合理 制造精良, 并已批量生产的机床 (4) 选择机床时, 需仔细考虑刀具和附件的配套性, 否则会使高精度 高效率的数控车床处于闲置状态 (5) 根据性能价格比来选择, 尽可能做到功能 精度不闲置 不浪费, 就是说不要追求和自己需要无关的功能和不必要的高性能指标 在选择数控车床 车削中心时, 应综合考虑上述各项原则, 每项都不是孤立的 数控车床的刀具 与普通机床加工方法相比, 数控加工对刀具提出了更高的要求, 不仅需要刚性好 精度高, 而且要求尺寸稳定, 耐用度高, 断屑和排屑性能好 ; 同时要求安装调整方便, 这样来满足数控机床高效率的要求 数控机床上所选用的刀具常采用适应高速切削的刀具材料 ( 如高速钢 超细粒度硬质合金 ) 并使用可转位刀片 数控车削用的车刀一般分为三类 : 尖形车刀 圆弧车刀和成型车刀 (1) 尖形车刀以直线形切削刃为特征的车刀一般称为尖形车刀 这类车刀的刀尖 ( 同时也是刀位点 ) 由直线形的主 副切削刃构成, 如 90 内 外圆车刀, 左 右端面车刀, 切槽 ( 断 ) 车刀及刀尖倒棱很小的各种外圆和内孔车刀 这类车刀加工零件时, 其零件的轮廓形状主要由一个独立的刀尖或一条直线形主切削刃位移后得到, 它与另两类车刀加工时所得到零件轮廓形状的原理截然不同

75 70 数控机床编程与实例 尖形车刀几何参数主要是指车刀的几何角度 它的选择方法与普通车削时基本相同, 但应结合数控加工的特点 ( 如加工路线 加工干涉等 ) 进行全面的考虑, 并应兼顾刀尖本身的强度 (2) 圆弧车刀圆弧形车刀是较为特殊的数控加工用车刀 其特征如下 构成主切削刃的刀刃形状为一圆度误差和轮廓误差很小的圆弧 圆弧刃每一点都是圆弧车刀的刀尖, 因此刀位点不在圆弧上, 而在该圆弧的圆心上 车刀圆弧半径理论上与加工零件的形状无关, 并可按需要灵活确定或测定后确认 当某些尖形车刀或成形车刀 ( 如螺纹车刀 ) 的刀尖具有一定的圆弧形状时, 也可作为这类车刀使用 圆弧车刀可以用于车削内 外表面, 特别适合于车削各种光滑连接 ( 凹形 ) 的成型面 选择车刀圆弧半径时应考虑两点 : 一是车刀切削刃的圆弧半径应小于或等于零件凹形轮廓上的最小曲率半径, 以免发生加工干涉 ; 二是该半径不宜选择太小, 否则不但制造困难, 还会因刀尖强度太弱或刀体散热能力差而导致车刀损坏 (3) 成型车刀成型车刀俗称样板车刀, 其加工零件的轮廓形状完全由车刀刀刃的形状和尺寸决定 数控车削加工中心中, 常见的成型车刀有小半径圆弧车刀 非矩形车槽刀和螺纹车刀等 在数控加工中, 应尽量少用或不用成型车刀, 当确有必要选用时, 则应在工艺准备文件或加工程序单上进行详细说明 (4) 刀具的模块化和标准化为了适应数控机床自动化加工的需要 ( 如刀具的对刀或预调 自动换刀或转刀 自动检测及管理工作等 ), 并不断提高产品的加工质量和生产效率, 节省刀具费用, 应较多使用模块化和标准化刀具 模块化刀具主要以刀具的刀杆 刀体为主, 可以通过拼装和组合而成, 并能根据加工的需要对刀体进行接长或拆短, 也可以改变其直径, 还能按刀柄部组合成不同锥孔号或内径的刀杆模块 数控机床大多采用已经系列化 标准化刀具, 这类刀具主要是针对刀柄和刀头两部分而规定的 在车削加工中, 以方刀体为特征的车刀, 已有标准化的规定 : 国家标准对可转位机夹外圆车刀和端面车刀做了具体规定, 可转位机夹内孔车刀等刀柄部分在有关标准中也做了具体规定 数控加工用刀具的刀头包括多种结构, 如可调镗刀头 不重磨刀片等 其中, 常用的不重磨刀片 ( 车刀和铣刀用 ) 已有多种标准形状和系列化的型号 ( 规格 ) 供选用 如图 3-25 所示为部分可转位机夹不重磨刀片

76 第 3 章数控车床编程技术 71 图 3-25 可转位机夹不重磨刀片 图 3-26 所示为数控车床与车削加工中心常用的刀具 Z X 图 3-26 数控车床与车削加工中心常用刀具

77 72 数控机床编程与实例 车螺纹时的主轴转速问题 数控车床加工螺纹时, 因其传动链的改变, 原则上其转速只要能保证主轴每转一周时, 刀具在 Z 轴方向上位移一个螺距 ( 螺纹导程 ) 即可, 不应受其他限制 但用数控车床加工螺纹时, 会受到以下几个方面的影响 (1) 螺纹加工程序段中指令的螺距值, 相当于进给量速度指令 F 指定的进给速度值 (mm/r), 如果将机床主轴的转速设得过高, 其换算后的进给速度 (mm/min) 则必定大大超过正常值的范围 (2) 刀具在其位移的始 / 终, 都将受到伺服驱动系统升 / 降频率和数控装置插补运算速度的约束, 由于升 / 降频率特性满足不了加工需要等原因, 有可能因主进给运动产生出的 超前 和 滞后 而导致部分螺牙的螺距不符合要求 (3) 车削螺纹必须通过主轴的同步运行功能而实现, 即车削螺纹需要有主轴脉冲发生器 ( 编码器 ) 当其主轴转速选择过高, 通过编码器发出的定位脉冲 ( 即主轴每转一周时所发出的一个基准脉冲信号 ) 将可能因 过冲 ( 特别是当编码器的质量不稳定时 ) 而导致工件螺纹产生乱纹 ( 俗称 烂牙 ) 因此, 车螺纹时, 主轴转速的确定应遵循以下几个原则 (1) 在保证生产效率和正常切削的情况下, 宜选择较低的主轴转速 (2) 当螺纹加工程序中的导入长度 δ1 和切出长度 δ2 考虑比较充裕, 即螺纹进给距离超过图样上规定的螺纹的长度较大时, 可选择适当高一些的主轴转速 (3) 当编码器所规定的允许工作转速超过机床所规定主轴的最大转速时, 则可以选择尽量高一些的主轴转速 (4) 通常情况下, 车螺纹时的主轴转速 n 应按其机床或数控系统说明书中规定的计算式进行确定, 其计算式一般为 : / ( r/min) n n L 允式中为编码器允许的最高工作转速 (r/min);l 为工件螺纹的螺距 (mm) n 允 数控车床中加工路线和加工余量的关系 在数控车床还未达到普及使用的条件下, 一般应把毛坯件上过多的余量, 特别是含有锻 铸硬皮层的余量安排在普通车床上加工 如必须用数控车床加工时, 则要注意程序的灵活安排 例如安排一些子程序对余量过多的部位先做一定的切削加工 1. 对大余量毛坯进行阶梯切削时的加工路线 图 3-27 所示为车削大余量工件的两种加工路线, 图 3-27(a) 是错误的阶梯切削路线, 图 3-27(b) 按 1~5 的顺序切削, 每次切削所留余量相等, 是正确的阶梯切削路线 因为在同样背吃刀量的条件下, 按图 3-27(a) 方式加工所剩的余量过多

78 第 3 章数控车床编程技术 73 a p a p (a) (b) 图 3-27 车削大余量毛坯的阶梯路线 根据数控加工的特点, 还可以放弃常用的阶梯车削法, 改用依次从轴向和径向进刀 顺工件毛坯轮廓走刀的路线 ( 如图 3-28 所示 ) 2. 分层切削时刀具的终止位置 图 3-28 双向进刀走刀路线 当某表面的余量较多需分层多次走刀切削时, 从第二刀开始就要注意防止走刀至终点时切削深度的猛增 如图 3-29 所示, 设以 90 主偏角刀分层车削外圆, 合理的安排应是每一刀的切削终点依次提前一小段距离 e( 例如可取 e = 0.05 mm), 如果 e = 0, 则每一刀都终止在同一轴向位置上, 主切削刃就可能受到瞬时的重负荷冲击 当刀具的主偏角大于 90, 但仍然接近 90 时, 也宜做出层层递退的安排, 经验表明, 这对延长粗加工刀具的寿命是有利的

79 74 数控机床编程与实例 e e 图 3-29 分层切削时刀具的终止位置 3.3 数控车床编程实例 现使用带 FANUC-0T 系统 圆盘回转刀架的长城 CK7810 数控车床上车削前述缸盖零件 零件图如图 3-30 所示 X 3 5 φ36 Ф36 φ32 Ф32 Ф22 φ M18x1 Z Ф40 φ 图 3-30 数控车床加工实例

80 第 3 章数控车床编程技术 工艺准备工艺准备的内容包括 : 选择刀片和刀杆, 确定工件材料, 确定合理的切削用量等 如有必要还要进行基准刀具的对刀 刀偏设置, 其他刀具的刀偏数据测定, 在数控系统中的标刀选择设置及刀偏数据设定 2. 加工程序和程序注释加工程序以及程序的注释见表 3-3 表 3-3 加工程序 程序内容 含 义 O0014 主程序号 G54G99 建立工作坐标系, 进行刀具补偿 G00 X150.0 Z200.0 T0101; 主轴正转, 转速 300 r / min S300 M03; 快进到 X =118,Z =141.5 G90 G00 X118.0 Z141.5; X 方向工进到 X =82, 进给速度 0.3 mm / r( 粗车端面 ) G01 X82.0 F0.3; 快退至 X =103 G00 X103.0; 工进至 X =110.5,Z =135, 速度 0.2 mm / r( 粗车短锥面 ) G01 X110.5 Z135.0 F0.2; Z 向进给至 Z =48( 粗车 φ 110 的外圆 ) Z48.0 F0.3; 返回起刀点, 取消刀补 ( 可用 G28 回参考点去换刀 ) G00 X150.0 Z200.0 T0100; 自动换刀, 并进行刀具补偿 ( 不能自动换刀的机床用 M00) M06 T0303; 快进至 X =89.5,Z =180 G00 X89.5 Z180.0; Z 向快进至 Z =145 Z145.0; Z 向工进至 Z =61.5( 粗车 φ 90 的孔 ) G01 Z61.5 F0.3; X 向工进至 X =79.5( 粗车内孔阶梯面 ) X79.5; Z 向工进至 Z =-5( 粗车 φ 80 的孔 ) Z-5.0; X 向快退至 X =75 G00 X75.0; Z 向快退至 Z =180 Z180.0; 返回起刀点, 取消刀补 ( 或用 G28) G00 X150.0 Z200.0 T0300; 自动换刀, 并进行刀具补偿 ( 或用 M00) M06 T0505; 主轴正转, 转速 600 mm / r S600 M03; 快进至 X =85,Z =145 G00 X85.0 Z145.0; Z 向工进至 Z =141 G01 Z141.0 F0.5; X 向工进至 Z =102( 精车端面 )

81 76 数控机床编程与实例 ( 续表 ) 程序内容 含 义 X102.0 F0.2; X 向轴外工进 8,Z 向左工进 6.93,( 精车短锥面 )( 增量 ) G91 X8.0 Z-6.93; Z 向工进至 Z =48( 精车 φ 110 的外圆 )( 绝对 ) G90 G00 Z48.0 F0.08; X 向快退至 X =112 G00 X112.0; 返回起刀点, 取消刀补 ( 或用 G28) X150.0 Z200.0 T0500; 自动换刀, 并进行刀具补偿 ( 或用 M00) M06 T0707; 主轴正转, 转速 200 mm / r S200 M03; 快进至 X =85,Z =180 G00 X85.0 Z180.0; Z 向快进至 Z =131, 打开切削液 Z131.0 M08; X 向工进至 X =93.8( 车 φ 93.8 的槽 ), 刀头为弧形, 和槽形一致 G01 X93.8 F0.2; X 向快退至 X =85 G00 X85.0; Z 向快退至 Z =180 Z180.0; 返回起刀点, 取消刀补, 关闭切削液 ( 或用 G28) X150.0 Z200.0 T0700 M09; 自动换刀, 并进行刀具补偿 ( 或用 M00) M06 T0909; 主轴正转, 转速 600 mm / r S600 M03; 快进至 X =94,Z =180 G00 X94.0 Z180.0; Z 向快进至 Z =142 Z142.0; 工进至 X =90,Z =140( 内孔倒角 ) G01 X90.0 Z140.0 F0.2; Z 向工进至 Z =61( 精车 φ 90 的内孔 ) Z61.0; X 向工进至 X =80.2( 精车内孔阶梯面 ) X80.2; Z 向工进至 Z =-5( 精车 φ 80 的内孔 ) Z-5.0; X 向快退至 X =75 G00 X75.0; Z 向快退至 Z =180 Z180.0; 返回起刀点, 取消刀补 ( 或用 G28) X150.0 Z200.0 T0900; 自动换刀, 并进行刀具补偿 ( 或用 M00) M06 T1111; 主轴正转, 转速 240 mm / r S240 M03; 快进至 X =115,Z =71 G00 X115.0 Z71.0; X 向工进至 X =105, 打开切削液,( 车 4.1x 2.5 的槽 ) G01 X105.0 F0.1M08; X 向工进至 X =115( 粗车 φ 80 的孔 ) X115.0; 返回起刀点, 取消刀补, 关闭切削液 G00 X150.0 Z200.0 T1100 M09; 程序结束, 复位 M05 M30;

82 第 3 章数控车床编程技术 数控车床自动编程技术 Mastercam 简介 Mastercam 是美国 CNC Software 公司研制出来的, 专门应用于微型计算机数控机床的自动编程系统 Mastercam 特别适合于具有复杂外形和各种空间曲面的模具类零件的自动编程 它可以在微软的各种 Windows 环境下运行, 自 1984 年诞生以来, 就以其强大的加工功能闻名于世 根据国际 CAD/CAM 领域的权威调查公司 CIMdata Inc 的最新数据显示, 它的装机量在 CAM 领域居世界第一 Mastercam 系统的 CAD 模块中所有的几何造型功能都是为了数控加工的自动编程准备的, 具有灵活的线框造型和曲面造型功能, 可以构建 2D 平面图形 构建曲线 3D 曲面 3D 实体 Mastercam 的 CAM 模块可以实现数控车床 铣床 加工中心 线切割机床的刀具路径生成 图形模拟和 NC 代码生成 它能生成二至五轴的数控机床加工程序, 并能传送数控加工程序至数控机床立即加工, 大大地节省了时间 资源和生产成本 本章中介绍的是 Mastercam 的最新版本 Mastercam 9.0, 主要介绍它的数控车模块 Mastercam-Lathe 1.Mastercam 的特点 (1) 设计 造型功能 Mastercam 具有方便直观的几何造型, 它提供了设计零件外形所需的理想环境, 其强大稳定的造型功能可设计出复杂的曲线 曲面零件 它采用了先进的 NURBS 样条, 具有熔解曲面的功能 ; 提供了立方体 圆锥 球 环等封闭的曲面, 可以将实体模型转化为曲面模型 ; 可以转化 ACIS 实体文件, 可以接收 AutoCAD 的 DXF 和 DWG 文件, 另外与许多参数化实体造型软件有专门的数据接口 (2) 数控加工功能 Mastercam 具有强劲的曲面粗加工及灵活的曲面精加工功能, 它提供了多种先进的粗加工技术, 以提高零件加工的效率和质量 ; 还具有丰富的曲面精加工功能, 可以从中选择最好的方法, 加工最复杂的零件 Mastercam 的多轴加工功能, 为零件的加工提供了更多的灵活性 对于不规则的零件,Mastercam 可以先做 2D 刀具路径, 然后把刀具路径投影到多重曲面进行加工 Mastercam 具有批次加工功能, 当有多个刀具路径生成时, 可以设置好每个任务的加工参数, 调整加工次序, 可以让系统按照设定的次序自动执行每一个处理过程 (3) 与机床的通信 Mastercam 提供了 400 种以上的后置处理文件以适用于各种类型的数控系统 Mastercam 可以实现 DNC( 直接数控 ) 加工, 用一台计算机直接控制多台数控机床, 解决了数控系统存储容量的限制, 该技术是实现 CAD/CAM 的关键技术之一 Mastercam 可以使用计算机的常用通信接口, 减少了程序输入的工作量 (4) 模拟加工功能 Mastercam 具有可靠的刀具路径校验功能, 该功能可以模拟零件

83 78 数控机床编程与实例 加工的整个过程, 模拟中不但能显示刀具和夹具, 还能检查刀具和夹具与被加工零件的干涉 碰撞情况, 然后报告发生的错误在刀具路径中的位置 这样可以省去试切的过程, 节约时间, 降低材料消耗, 提高效率 2.Mastercam 9.0 的操作基础 (1)Mastercam 9.0 的启动 1 利用桌面快捷方式启动 Mastercam 9.0 的相应模块, 方法如下 Mastercam 9.0 安装程序会自动在桌面建立快捷图标, 只需双击快捷图标即可启动相应的模块 如图 3-31 为 Mastercam 9.0 的 4 个功能模块所对应的快捷方式图标, 依次为 : 设计模块 (Design) 铣削模块 (Mill) 车削模块 (Lathe) 线切割模块 (Wire) 图 3-31 功能模块对应的快捷方式 2 利用程序组启动 Mastercam 9.0 的相应模块, 方法如下 单击开始按钮, 然后指向程序, 再指向 Mastercam 9.0 程序组, 单击 Design 9 Mill 9 Lathe 9 Wire 9 以启动相应的 Mastercam 9.0 模块 也可以在 Mastercam 9.0 的文件夹中启动 Mastercam 9.0 的相应模块, 方法是 : 双击我的电脑, 然后双击 Mastercam 9.0 所安装的硬盘图标, 再双击 Mastercam 9.0 的安装文件夹, 最后双击 design 9.exe mill 9.exe lathe 9.exe wire 9.exe 来启动相应的 Mastercam 9.0 模块 3 直接运行 Mastercam 9.0 的相应模块, 方法如下 单击开始按钮, 然后单击运行, 在运行对话框中直接键入 design 9.exe mill 9.exe lathe 9.exe wire 9.exe 所在的路径和文件名或通过浏览按钮来选取, 如图 3-32 所示, 单击确定按钮启动相应的 Mastercam 9.0 模块 图 3-32 直接运行 Master CAM9.0 的相应模块

84 第 3 章数控车床编程技术 79 (2)Mastercam 9.0 的窗口界面 Mastercam 9.0 的主界面分为 5 个功能区 : 绘图区 主菜单 辅助菜单 系统提示区和工具栏, 如图 3-33 所示 主菜单 工具栏 辅助菜单 绘图区 系统提示区 图 3-33 Mastercam 9.0 的主界面 1 绘图区用于绘图和修改图形 左边是主菜单和辅助菜单 屏幕的顶部是工具栏, 是用来快速选择菜单的 屏幕下面的空白区是提示区, 它显示系统数据和参数输入 2 主菜单简要说明 计算 分析 : 显示屏幕上的点 线 面及尺寸标注等资料, 并可以进行质量 体积等 绘图 : 在绘图区创建图形至系统的数据库, 绘制点 线 弧 Spline 曲线 矩形 曲面等 文件 : 存取 浏览几何图形, 屏幕显示 打印 传输 转换 删除文件等

85 80 数控机床编程与实例 修整 : 可用倒圆角 修整 打断和连接等功能去修改屏幕上的几何图形 转换 : 用镜像 旋转 比例 平移 偏置和其他的指令来转换屏幕上的图形 删除 : 用于删除屏幕或系统图形文件中的图形元素 屏幕 : 用来设置 Mastercam 系统及其显示的状态 实体模型 : 可以用挤压 旋转 扫描 举升 倒圆角 外壳 修剪等方法绘制实体模型 刀具路径 : 用轮廓 型腔和孔等指令产生 NC 刀具路径 公用管理 : 编辑 修改和处理刀具路径 主菜单的指令是级联的, 当我们从主菜单选一选项时, 另一个菜单就会在此菜单的基础上显示, 可以通过相继的菜单层进行选择, 直到完成 如图 3-34 所示 3 辅助菜单简要说明 图 3-34 级联主菜单 : 工作深度 是相对于系统的原点 (X0,Y0,Z0), 来定义的 : 颜色 它方便我们在构图时区分图素 : 图层 在此可以定义当前的工作层 控制图素在工作区的显示等 : 线形 / 线宽 它能反映图素的类型 : 组群 : 限定使用层 它方便我们在构图时把不必要的图素关闭 : 刀具平面 : 构图平面 : 图形视角 Mastercam 的车削编程实例 本节将通过图 3-35 所示零件介绍 Mastercam 的车端面 粗车 精车 切槽 螺纹切削

86 第 3 章数控车床编程技术 81 钻孔和截断车削过程 1. 生成端面加工刀具路径 图 3-35 加工实例 (1) 工件设置在主菜单中依次选择 Main Menu Toolpaths Job setup, 系统弹出如图 3-36 所示对话框 图 3-36 工件设置对话框

87 82 数控机床编程与实例 1 在图 3-36 的对话框的 General 选项卡下进行下面内容的设置 通过 Tool Offsets 设置刀具偏移 通过 Feed Calculation 设置工件材料 通过 Toolpath Configuration 设置刀具路径参数 通过 Post Processor 设置后置处理程序 2 选择 Boundaries 选项卡可设置工件毛坯等内容, 弹出如图 3-37 所示对话框 图 3-37 Boundaries 选项卡 通过 Stock 栏设置工件毛坯大小 选择 Parameters Take from 2 points 设置毛坯的左下角点为 ( 100, 310), 右上角点为 (100,10), 生成虚线如图 3-38 所示的毛坯 通过 Tailstock 栏设置尾座顶尖的参数 通过 Chuck 栏设置卡盘的参数 通过 Steady Rest 栏设置辅助支撑的参数 图 3-38 毛坯示意图

88 第 3 章数控车床编程技术 83 选择 确定, 工件设置完成 (2) 生成车端面刀具路径在主菜单中依次选择 Main Menu Toolpaths Face, 系统弹出如图 3-39 所示的对话框 在 Tool parameters 参数对话框中选择刀具, 并设置其他参数 图 3-39 车端面参数设置对话框 选择对话框中的 Face parameters 选项卡, 并设置参数, 如图 3-40 所示 图 3-40 Face parameters 选项卡

89 84 数控机床编程与实例 Face parameters 选项中各参数的含义如下 Entry amount: 该输入框用于输入刀具开始进刀时距工件表面的距离 Rough stepover: 当选中 Rough stepover 输入框前面的复选框时, 按该输入框设置的进刀量生成端面车削粗车刀具路径 Finish stepover: 当选中 Finish stepover 输入框前面的复选框时, 按该输入框设置的进刀量生成端面车削精车刀具路径 Number of finish: 设置端面车削精车加工的次数 Overcut amount: 在生成刀具路径时, 该输入框用于输入实际车削区域超出由矩形定义的加工区域的距离 Retract amount: 该输入框用于输入退刀量, 当选中 Rapid retract 复选框时快速退刀 Stock to leave: 该输入框用于输入加工后的预留量 Cut away from center: 当选中该复选框时, 从距工件旋转轴较近的位置开始向外加工, 否则从外向内加工 图 3-41 车端面刀具路径选择 Select Points, 确定加工区域 选择 确定, 退出 Face 参数设置 生成如图 3-41 所示的刀具路径 2. 生成外圆轮廓粗车加工刀具路径 接着前面的例子介绍轮廓粗车加工刀具路径的生成 在主菜单中依次选择 Main Menu Toolpaths Rough Chain 选取所加工的外圆柱表面, 如图 3-42 所示 然后选择 Done 图 3-42 选取粗加工的外圆柱面 系统弹出 Lathe Rough 参数设置对话框 选择 Tool parameters 选项卡, 如图 3-43 所示 在 Tool parameters 选项卡中选择刀具, 并设置其他参数

90 第 3 章数控车床编程技术 85 图 3-43 Tool parameters 选项卡 选择对话框中的 Rough parameters 选项卡, 并设置参数, 见图 3-44 所示 图 3-44 Rough parameters 选项卡

91 86 数控机床编程与实例 Rough parameters 选项卡中各参数的含义如下 Overlap amout: 当选中该复选框时, 相邻粗车削之间设置有重叠量 重叠距离由该复选框下面的输入框设置 若为设置进刀重叠, 则将在工件外形留下凹凸不平的扇形,Mastercam 通过设置重叠量, 使得粗车加工留下的材料都有一样的厚度 当设置了重叠量时, 每次车削的退刀量等于设置的切削深度与重叠量之和 Rough of cut:rough of cut 输入框用来设置每次车削加工的切削深度 切削深度的距离是以垂直于切削方向来计算的 当选中 Equal steps 复选框时, 将最大切削深度设置为刀具允许的最大值 Stock to leave X: 该输入框用于输入在 X 轴方向上的预留量 Stock to leave Z: 输入框用于输入在 Z 轴方向上的预留量 Entry: 用于输入刀具开始进刀时距工件表面的距离 Cutting Method: 用于设置粗切加工的模式 Mastercam 中提供两种选样 :One-way ( 单向切削 ) 和 Zig-zag( 双向切削 ) 在单向切削中, 刀具在工件的一个方向切削后立即退刀, 并快速移向另一方向, 接着下刀进行下一次切削加工 而双向切削中, 刀具在工件的两个方向进行切削加工, 只有刀具为双向刀具才能进行双向切削 Rough Direction/Angle: 用于设置粗切方向和粗切角度 Mastercam 提供了 4 种加工方向 :OD( 外径 ): 在工件外部直径方向上切削 ;ID( 内径 ): 在工件内部直径方向上切削 ;Face( 前端面 ): 在工件的前端面方向进行切削 ;Back( 后端面 ): 在工件的后端面方向进行切削 粗切角度可以被设置为 0~360 之间的任意数值, 一般情况下, 外径或内径车削都是采用 0 粗切角, 端面车削则采用 90 粗切角 Tool Compensation: 刀具偏移方式设置 Lead In/Out: 添加进刀 / 退刀刀具路径设置 Plunge parameters: 设置底切参数 单击 Plunge parameters 按钮, 系统弹出图 3-45 所示的 Plunge Cut Parameters 对话框 该对话框用来设置在粗车加工中是否允许底切, 若允许底切, 则设置底切参数 当选择 Plunge Cutting 栏中的 Do not allow tool to plunge along cut 单选按钮时, 切削加工跳过所有的底切部分, 这时需要生成另外的刀具路径进行底切部分的切削加工 当选择 Plunge Cutting 栏中的 Allow tool to plunge along cut 单选按钮时, 系统可以进行底部分的加工, 这时系统激活 Tool Width Compensation 栏 当选择 Tool Width Compensation 栏中的 Use plunge clearance angle 单选按钮时, 激活 Plunge clearance 输入框, 系统按 Plunge clearance 输入框输入的角度在底切部分进刀 当选择 Tool Width Compensation 栏中的 Use tool width 单选按钮时, 激活 Start of Cut 栏 这时系统根据刀具的宽度及 Start of Cut 栏中的设置进行底切部分的加

92 第 3 章数控车床编程技术 87 工 当在 Start of Cut 栏选中 Start cut on tool front corner 单选按钮时, 系统用刀具的前角点刀底切加工 当在 Start of Cut 栏选中 Start cut on tool back corner 单选按钮时, 系统用刀具的后角点刀底切加工 通常这时刀具应设置为前后均可加工, 否则将会引起工件或刀具的损坏 图 3-45 Plunge cut parameters 对话框 单击 确定, 生成如图 3-46 所示的刀具路径 图 3-46 外圆轮廓粗车加工刀具路径

93 88 数控机床编程与实例 3. 生成精车加工刀具路径 精车是沿工件的外侧 内侧或端面外形做一次或多次的车削 一般用于精车加工的工件在进行精车加工前应进行粗车加工 要生成精车加工刀具路径, 除了要设置共有的刀具参数外, 同样还要设置一组精车加工刀具路径特有的参数 精车加工参数在图 3-49 所示的 Finish parameters 选项卡中进行设置 下面接着前面的例子来介绍生成精车加工刀具路径及 NC 文件的方法 在主菜单中依次选择 Main Menu Toolpaths Finish Chain 选择要精加工的外圆柱表面, 如图 3-47 所示 然后选择 Done 图 3-47 选取精加工的外圆柱面 系统弹出 Lathe Finish 参数设置对话框 在 Tool parameters 选项卡中选择刀具, 并设置其他参数, 如图 3-48 所示 图 3-48 Tool parameters 选项卡

94 第 3 章数控车床编程技术 89 选择对话框中的 Finish parameters 选项卡, 并设置参数 Finish parameters 选项卡中各参数与 Rough parameters 选项卡中的参数基本相同, 如图 3-49 所示 Finish parameters 选项卡中增加的 Number of finish 输入框用来设置精车加工的次数 精车加工的次数应设置为粗车加工的预留量除以 Finish stepover 输入框中输入的精车加工进刀量 图 3-49 Finish parameters 选项卡 选择 确定, 生成如图 3-50 所示的刀具路径 4. 切槽加工刀具路径 加工如图 3-51 所示的退刀槽 图 3-50 精车加工刀具路径

95 90 数控机床编程与实例 图 3-51 退刀槽示意图 在主菜单中依次选择 Main Menu Toolpaths Groove 3 lines Ok, 选择欲加工的槽的外形边界, 再依次选择 End here Done, 系统将弹出如图 3-52 所示的对话框 图 3-52 切槽加工参数设置对话框 在对话框中进行下面内容的设置 在 Tool parameters 选项卡中选择刀具, 并设置其他参数 在 Groove shape parameters 选项卡中设置槽的形状 在 Groove rough parameters 选项卡中设置槽的粗加工参数 在 Groove finish parameters 选项卡中设置槽的精加工参数 选择 确定, 生成如图 3-53 所示的刀具路径

96 第 3 章数控车床编程技术 生成螺纹加工刀具路径 图 3-53 切槽加工刀具路径 下面接着前面的例子来介绍生成螺纹加工刀具路径及 NC 文件的方法 在主菜单中依次选择 Main Menu Toolpaths Next menu Thread, 系统将弹出如图 3-54 所示的对话框 在 Tool parameters 选项卡中选择刀具, 并设置其他参数 图 3-54 螺纹加工参数设置对话框 在 Thread shape parameters 选项卡中定义螺纹参数, 如图 3-55 所示

97 92 数控机床编程与实例 图 3-55 Thread shape parameters 选项卡 Thread shape parameters 选项卡中各参数的含义如下 Lead:Lead 输入框用来设置螺纹的螺距 有两种表示方法, 当选择 threads/mm 单选按钮时, 输入框中的输入值表示为每毫米长度上螺纹的个数 ; 当选择 mm/threads 单选按钮时, 输入框中的输入值表示为螺纹的螺距 Included angle 和 Thread angle:included angle 输入框用来设置螺纹两条边间的夹角, Thread angle 输入框用来设置螺纹一条边与螺纹轴垂线的夹角 Thread angle 的设置值应小于 Included angle 的设置值, 对于一般螺纹,Included angle 值为 Thread angle 值的 2 倍 Major Diameter Minor Diameter 和 Thread depth:major Diameter 输入框用于设置螺纹牙顶的直径 ;Minor Diameter 输入框用于设置螺纹牙底的直径 ;Thread depth 输入框用于设置螺纹的螺牙高度 Start Position 和 End Position:Start Position 输入框用于设置螺纹起点的 Z 坐标 ;End Position 输入框用于设置螺纹终点的 Z 坐标 系统通过这两个值定义螺纹的长度 Thread: 当选择 OD 选项时, 生成外螺纹加工的刀具路径 ; 当选择 ID 选项时, 生成内螺纹加工的刀具路径 ; 当选择 Face/Back 选项时, 生成用于加工螺旋槽的刀具路径 在 Thread cut parameters 选项卡中定义螺纹切削参数, 如图 3-56 所示

98 第 3 章数控车床编程技术 93 图 3-56 Thread cut parameters 选项卡 Thread cut parameters 选项卡中各参数的意义如下 NC code format: 该参数用来设置螺纹指令的形式, 用于切削螺纹的 NC 代码有 3 种 :G32 G92 G76 G32 和 G92 命令一般用于切削简单螺纹,G76 用于切削复合螺纹 Determine cut depths form: 该参数用来设置定义切削深度的方式 当选择 Equal area 单选按钮时, 系统按相同的切削量来定义每次的切削深度 ; 当选择 Equal depths 时, 系统按统一的深度进行切削加工 Determine number of cuts from: 该参数用来设置定义切削次数的方式 当选择 Amount of first 单选按钮时, 系统根据设置的第一刀切削量 最后一刀切削量 (Amount of last) 和螺纹深度来计算切削次数 ; 当选择 Number of cuts 单选按钮时, 系统根据设置的切削次数 最后一刀切削量和螺纹深度来计算切削量 选择 确定, 生成如图 3-57 所示的刀具路径 图 3-57 螺纹加工刀具路径

99 94 数控机床编程与实例 6. 生成钻孔加工刀具路径 Mastercam 的钻孔加工用于生成钻孔 镗孔或攻螺纹的刀具路径 系统提供 20 种钻孔形式, 包括 7 种标准形式和 13 种自定义形式 要生成钻孔刀具路径, 除了要设置共有的刀具参数外, 同样还要设置一组钻孔刀具路径特有的参数 下面接着前面的例子来介绍生成螺纹加工刀具路径及 NC 文件的方法 在主菜单中依次选择 Main Menu Toolpaths Drill, 系统将弹出如图 3-58 所示的对话框 图 3-58 钻孔加工参数设置对话框 在 Tool parameters 选项卡中选择刀具, 并设置其他参数 在 Simple drill no peck 选项卡中设置孔的位置 深度及其他参数, 如图 3-59 所示 图 3-59 Simple drill no peck 选项卡

100 第 3 章数控车床编程技术 95 在 Custom Drill parameters 选项卡中设置使用的典型钻孔循环 选择 确定, 生成如图 3-60 所示的刀具路径 7. 生成截断加工刀具路径 截断加工以生成一个垂直的刀具路径来切削工件, 一般用于工件的切断 系统首先通过选取一个点来定义车削起始位置 然后设置共有的刀具参数和一组截断车削刀具路径特有的参数 在主菜单中依次选择 Main Menu Toolpaths Next menu Cutoff, 系统将提示选取一个点来定义车削起始位置, 输入截断点的坐标为 (100, 290), 回车确定, 系统将弹出如图 3-61 所示的对话框 图 3-60 钻孔加工刀具路径 图 3-61 截断加工参数设置对话框 在 Tool parameters 选项卡中选择刀具, 并设置其他参数 在 Cutoff parameters 选项卡中设置截断车削参数, 如图 3-62 所示

101 96 数控机床编程与实例 图 3-62 Cutoff parameters 选项卡 Cutoff parameters 选项卡中的大部分参数与前面介绍的参数相同, 下面仅介绍截断车削特有的参数 X Tangent Point: 该参数设置截断车削的终止点的 X 坐标, 系统的默认设置为 0 ( 将工件截断 ), 用户可以在输入框中输入终止点的 X 坐标, 也可以单击 X Tangent Point 按钮在绘图区选取一点, 以该选取点的 X 坐标作为截断车削终止点的 X 坐标 Cut to: 该参数设置刀具的最终切入位置 当选择 Front radius 单选按钮时, 刀具的前角点切入至定义的深度 ; 当选择 Back radius 单选按钮时, 刀具的后角点切入至定义的深度 Comer Geometry: 该参数在截断车削起始点位置定义一个角的外形 当选择 None 单选按钮时, 在起始点位置垂直切入, 不生成倒角 ; 当选择 Radius 选项时, 按输入框设置的半径生成倒圆角 ; 当选择 Chamfer 单选按钮时, 按设置的参数生成倒角, 其设置方法与切槽加工中切槽角点处倒角设置方法相同 选择 确定, 生成如图 3-63 所示的刀具路径

102 第 3 章数控车床编程技术 97 图 3-63 截断加工刀具路径 8. 刀具路径检查和后处理通过在主菜单中依次选择 Main Menu Toolpaths Operations 或 Main Menu NC utils 进入刀具路径检查 下面使用 Operations 进行刀具路径检查 系统弹出如图 3-64 所示的对话框 图 3-64 刀具路径操作管理器图 3-64 中各项的意义如下 Select All: 表示检查所有刀具路径 若欲检查某一段加工路径, 则可选择要检查的加工路径即可

103 98 数控机床编程与实例 Regen Path: 重新生成刀具路径 Backplot: 重绘刀具路径 Verif: 模拟实体刀具路径检查 控制功能键如图 3-65 所示 按 加工 按钮, 计 算机就会仿真零件的加工过程 加工后的零件如图 3-66 所示 Post: 后置处理, 生成.NCI 文件或.NC 文件,NC 文件即数控加工程序 选择 Post, 系统弹出如图 3-67 所示对话框, 各项的意义为 :Change Post 为改变后置处理程序 ; NCI file 则生成.NCI 文件 ;NC file 按钮生成.NC 文件 ;Send machine 把 NC 程序发送给数控机床 选择 OK, 完成后处理, 生成数控加工程序 图 3-65 加工仿真控制功能键 图 3-66 加工完成零件示意图 图 3-67 后处理设置对话框

104 第 3 章数控车床编程技术 本章习题 1. 试简述数控车床的机床坐标系及坐标轴方向的规定 2. 试简述刀尖圆弧半径补偿的作用 3. 试简述 G71 G72 G73 指令的应用场合有何不同 4. 数控车床的刀具有哪几种, 分别适合用于什么场合? 5. 试简述数控车削螺纹时容易发生的问题 6. 选择加工图 3-68~ 图 3-70 所示零件所需刀具, 编制数控加工程序 图 3-68 加工实例图 ( 一 ) M48 2 图 3-69 加工实例图 ( 二 ) 图 3-70 加工实例图 ( 三 )

105 第 4 章数控加工中心编程技术 4.1 加工中心编程基础 加工中心简介 加工中心 (Machining Center) 简称 MC, 是由机械设备与数控系统组成的适用于加工复杂工件的高效率自动化机床 加工中心是在数控铣床的基础上发展起来的, 加工中心与数控铣床最大的区别在于加工中心具有自动交换加工刀具的能力, 通过刀库安装不同用途的刀具, 可在一次装夹中通过自动换刀装置改变主轴上的加工刀具, 实现钻 铣 镗 攻螺纹 切槽等多种加工功能 世界上第一台加工中心于 1958 年诞生在美国 加工中心与同类数控机床相比, 结构复杂, 控制系统功能较多, 它最少有三个运动坐标, 多的达几十个, 可实现三轴联动及多轴联动控制 加工中心设有存放着不同数量的各种刀具或检具的刀库, 在加工过程中由程序控制自动选用和更换, 实现刀具运动直线插补 圆弧插补和螺旋线插补, 从而可使刀具进行复杂加工 加工中心还具有不同的辅助功能, 如各种加工固定循环 自动对刀 刀具半径及长度补偿 刀具破损检测报警 刀具寿命管理 过载 超行程自动保护 丝杠螺距误差补偿 丝杠间隙补偿 故障自动判断 工件加工过程图形显示 工件在线检测和加工自动补偿, 离线编程等功能 这些功能对于提高机床的加工效率, 保证产品的加工精度和质量等都是普通加工设备无法比拟的 加工中心是一种综合加工能力较强的设备, 工件一次装夹后能完成较多的加工内容, 加工精度较高, 就中等加工难度的批量工件而言, 其加工效率是普通设备的 5~10 倍, 特别是它能完成许多普通设备不能完成的加工 加工中心对形状较复杂, 精度要求高的工件生产更为适用 加工中心的发展已经历了 40 多年的历史, 由于它在机械加工行业中的重要作用, 各个工业发达国家都极为重视, 在技术和产量上都发展很快 目前美国是加工中心的第一消费大国, 日本是加工中心的第一生产大国, 而德国是加工中心第一技术大国 我国从 20 世纪 70 年代开始发展加工中心, 广大工程技术人员通过几十年的努力, 目前已经研发了具有自主知识产权的数控系统和设备, 在数控加工中心的市场上占有一席之地, 但是我们也要看到, 就技术和产量而言, 我们和世界先进水平相比还有一定的差距

106 第 4 章数控加工中心编程技术 加工中心编程指令 1. 数控加工中心坐标系的建立 (1) 机床坐标轴及其运动方向数控机床的运动轴分为平动轴和转动轴 数控机床各轴的运动, 有的是使刀具产生运动, 有的则是使工件产生运动 鉴于以上两方面情况, 标准规定不论机床的具体运动结果如何, 机床的运动统一按工件静止而刀具相对于工件运动来描述, 并以右手笛卡尔坐标系表达, 其坐标轴用 X,Y,Z 表示, 用来描述机床的主要平动轴, 称为基本坐标轴, 若机床有转动轴, 标准规定, 绕 X,Y 和 Z 轴转动的轴分别用 A B C 表示, 其正向按右手螺旋定则确定 如图 4-1 所示 +Z +Y +Y B +Z' +X' +X +C +A +Z +Y' +X +X+Y+Z A+B +C 图 4-1 右手笛卡尔坐标系 Z 坐标轴 : 将机床主轴沿其轴线方向运动的平动轴定义为 Z 轴 如果主轴能够摆动, 即主轴轴线方向是变化的, 则以主轴轴线垂直于机床工作台装卡面时的状态来定义 Z 轴 对于 Z 轴的方向, 标准规定以增大刀具与工件间距离的方向为 Z 轴的正方向 X 坐标轴 : 将在垂直于 Z 轴的平面内的一个主要平动轴指定为 X 轴, 它一般位于与工件安装面相平行的水平面内 对于不同类型的机床,X 轴及其方向有具体的规定 对于像数控加工中心这样刀具旋转的机床, 若 Z 轴是水平的, 则 X 轴规定为从刀具向工件方向看时沿左右运动的轴, 且向右为正 若 Z 轴是垂直的, 则 X 轴规定为从刀具向立柱 ( 若有两个立柱则选左侧立柱 ) 方向看时沿左右运动的轴, 且向右为正 Y 坐标轴 :Y 轴及其方向则是根据 X 和 Z 轴按右手法则确定 机床原点 : 机床原点是机床坐标系的原点 对某一具体的机床来说, 机床原点是固定的, 是机床制造商设置在机床上的一个物理位置 机床参考点 : 是用于对机床工作台 滑板以及刀具相对运动的测量系统进行定标和控制的点, 也称为机床零点 参考点相对于机床原点来讲是一个固定值 它是在加工之前和加工之后, 用控制面板上的回零按钮使移动部件移动到机床坐标系中的一

107 102 数控机床编程与实例 个固定不变的极限点 数控机床在工作时, 移动部件必须首先返回参考点, 测量系统置零, 之后测量系统即可以以参考点作为基准, 随时测量运动部件的位置 工件坐标系和工件零点 : 用于确定工件几何图形上各几何要素的位置而建立的坐标系 工件坐标系的原点就是工件零点 工件零点的一般选用原则如下 工件零点选在工件图样的尺寸基准上, 这样可以直接用图纸标注的尺寸作为编程点的坐标值, 减少计算工作量 能使工件方便地装卡 测量和检验 工件零点尽量选择尺寸精度较高 粗糙度比较低的工件表面上, 以提高加工精度和同一批零件的一致性 对于有对称形状的几何零件, 工件零点最好选择在对称中心上 (2) 原点偏移现代数控系统一般都要求机床在回零操作, 即让机床回到程序原点或机床参考点之后, 通过手动或程序命令初始化控制系统后, 才能启动 机床参考点和机床原点之间的偏移值存放在机床常数中 对于编程员来说, 一般只要知道工件上的程序原点就够了, 与机床原点 机床参考点无关, 也与所选用的机床型号无关 工件在机床上固定后, 程序原点与机床参考点的偏移量必须通过测量来确定 一般用 G54~G59 指令 Y 来分别表示不同工件的工件原点,G54~G59 实际上是 6 个存储器的地址, 其中存储了 6 个工件原点 W 1 X 到机床原点的坐标尺寸 G92 用于在工件坐标系中设定新的工件坐标原点 在程序中只写 G92 或写 W 3 G92 X0Y0Z0, 则认为刀具当前所处的位置为新的 W 2 编程原点, 随后的各程序段是以 G92 定义的新的编程原点计算的 图 4-2 描述了一个一次装夹加工三图 4-2 原点偏移计算示例个相同零件的多程序原点与机床参考点之间的关系及偏移计算方法 1 采用 G54~G59 实现原点偏移 首先设置 G54~G56 原点偏移寄存器 : 对于零件 1:G54 X-10.0 Y-7.0 Z0 对于零件 2:G55 X-14.0 Y-11.5 Z0 对于零件 3:G56 X-18.5 Y-10.3 Z0 然后调用 G54~G56, 程序为 : N1 G54; 加工第一个零件

108 第 4 章数控加工中心编程技术 103 N7 G55; N10 G56; 加工第二个零件 加工第三个零件 2 采用 G92 实现原点偏移 程序为 : N1 G92 X10.0 Y7.0 Z0; N8 G00 X0 Y0; N9 G92 X4.0 Y4.5; N13 G00 X0 Y0; N14 G92 X4.5 Y-1.2; // 对刀定义程序原点 // 加工第一个零件 // 快速回程序原点 // 对刀定义程序原点 // 加工第二个零件 // 快速回程序原点 // 对刀定义程序原点 // 加工第三个零件 (3) 绝对坐标编程及增量坐标编程指令 :G90 G91 绝对坐标编程 : 在程序中用 G90 指定, 刀具运动过程中所有的刀具位置坐标是以一个固定的编程原点为基准给出的, 即刀具运动的指令数值 ( 刀具运动的位置坐标 ) 是与某一固定的编程原点之间的距离给出 增量坐标编程 : 在程序中用 G91 指定, 刀具运动的指令数值是按刀具当前所在位置到下一个位置之间的增量给出 (4) 尺寸单位指令 :G20 G21 用 G20 表示以英寸为单位编程, 用 G21 表示以毫米 ( 公制 ) 为单位编程, 两者都是模态代码, 可互相取代 G20 G21 必须在程序前设定, 用单独的程序段指定, 当电源开时, CNC 的状态与电源关前一样 (5) 平面选择指令 :G17 G18 G19 当进行圆弧切削 (G02 G03) 或刀具补偿 (G41 G42) 时, 必须先确定平面的位置 在数控加工中心中, 规定代码 G17 表示切削平面为 X Y 轴所形成的平面 ;G18 表示切削平面为 X Z 轴所形成的平面 ;G19 表示切削平面为 Y Z 轴所形成的平面 2. 有关切削用量的指令 (1) 主轴转速指令 :S 指令主轴转速用 S 表示, 如主轴转速为 1000 r/min, 则可写为 S1000 (2) 主轴旋转方向 :M03 M04 M05 M19 M03 表示主轴顺时针旋转,M04 表示主轴逆时针旋转, 这两个 M 指令规定在, 该程序

109 104 数控机床编程与实例 段开始时执行 M05 表示主轴停止旋转运动,M19 表示主轴准停, 这两个 M 指令在该程序段的最后执行 (3) 进给速度 进给量指令 :G94 G95 F 指令 G94 表示进给速度, 单位是 mm/min( 或 in/min) G95 表示进给量, 单位是 mm/r( 或 in/r) 两者都是模态指令, 可互相取代, 对加工中心机床, 开机后 G94 自动生效 进给速度 进给量用 F 表示 当 G94 有效时, 程序中出现 F50, 表示进给速度为 50 mm/min 当 G95 有效时, 程序中的 F1 表示进给量为 1 mm/r 3. 换刀指令 换刀指令是数控加工中心操作中的重要内容, 一般包括选刀指令 (T) 和换刀动作指令 (M06) 选刀指令用 T 表示, 其后是所选刀具到刀具号 如选用 01 号刀, 写为 T01 T 指令的各式为 T, 表示允许有两位数, 即刀具最多允许有 99 把 M06 是换刀动作指令, 数控装置读入 M06 代码后, 送出并执行 M05( 主轴停止 ) M19 ( 主轴准停 ) 等信息, 接着换刀机构动作, 完成刀具的转换 编程时可以使用两种换刀方法 : (1) 第一种指令格式为 :G28 Z M06 T 其中 :G28 指令表示返回参考点 执行该程序后,T 号刀由刀库中转至换刀刀位, 做换刀准备 此时执行 T 指令的辅助时间与机动时间重合 本次所交换的是前段换刀指令执行后转至换刀刀位的刀具, 而本段指令的 T 号刀在下一次刀具交换时使用 例如 : N110 G01 X Y Z M T01 ; // 选 T01 号刀 N140 G28 Z M06 T02; // 换 T01 号刀, 选 T02 号刀 N170 G28 Z M06; // 换 T02 号刀 (2) 第二种指令格式为 :G28 Z T M06 返回 Z 轴参考点时, 刀库先将 T 号刀具转出, 然后进行刀具交换, 换到主轴上的刀具为 T, 若返回 Z 轴参考点的时间少于 T 功能的执行时间, 则要等刀库中相应的刀具转到换刀位以后才能执行 M06 因此这种方法占用机动的时间最长 例如 : N110 G01 X Y Z M03 S ; N130 G28 Z T02 M06; // 换 T02 号刀

110 第 4 章数控加工中心编程技术 105 在执行 N130 时, 在主轴返回 Z 向参考点的同时, 刀库转动, 若主轴已回到 Z 向参考点, 而刀库还没有 T02 号刀, 则此时不执行 M06, 直到刀库转出 T02 号刀后才执行 M06, T02 号刀也才换到主轴上 4. 基本运动指令 (1) 快速定位指令 :G00 指令格式 :G00 X Y Z 其中 :X Y Z 为终点坐标 ( 绝对值 ) 或距离 ( 增量值 ) 刀具按机床所提供的最快的速度运动到指定的坐标点 执行 G00, 刀具所经过的路径不做严格要求, 可以是折线, 也可以是直线, 而强调刀具必须准确地到达编程点 (2) 直线插补指令 :G01 指令格式 :G01 X Y Z (F ) 其中 :X Y Z 为终点坐标 ( 绝对值 ) 或距离 ( 增量值 ) 刀具严格地沿起点到终点的连线以编程的 F 值做直线运动 (3) 圆弧插补指令 :G02 G03 G02: 刀具顺时针走刀切削圆弧 G03: 刀具逆时针走刀切削圆弧 指令格式 :G17 G02/G03 X Y R (F ) G17 G02/G03 X Y I J (F ) G18 G02/G03 X Y R (F ) G18 G02/G03 X Y I J (F ) G19 G02/G03 X Y R (F ) G19 G02/G03 X Y I J (F ) 使用圆弧插补指令需先用指令 G17 G18 G19 确定圆弧所在的平面 当人们面对非插补轴的正方向看时, 刀具沿顺时针方向运动为 G02, 反之为 G03 X Y Z 为圆弧终点的坐标, 圆弧插补编程有两种情况 : 一种是用圆弧终点和圆心坐标编程, 另一种是用圆弧终点和圆弧半径编程 圆心坐标是由圆弧起点算起的, 即用 I 表示圆弧起点到圆心的距离在 X 轴上的投影 (X 坐标 ),J 表示圆弧起点到圆心的距离在 Y 轴上的投影 (Y 坐标 ),K 表示圆弧起点到圆心的距离在 Z 轴上的投影 (Z 坐标 ) I J K 均为增量值,I J K 的方向与 X Y Z 轴的正负方向相对应 在已知圆弧的起点和终点的情况下, 用半径编程, 按几何作图会出现两段圆弧 从同样的圆弧起始点 S 和终点 E, 用同样的半径 R 按顺时针或逆时针方向可分别做出一段圆心角大于 180 度圆弧 ( 优弧 ) 和一段圆心角小于 180 度圆弧 ( 劣弧 ), 如图 4-3 所示 为不产

111 106 数控机床编程与实例 生歧义, 规定用 R- 表示优弧,R+ 表示劣弧 设图 4-3 中, 终点坐标为 (40,23), 顺时针圆弧插补, 半径为 20 则 : 优弧编程 :G17 G02 X40 Y23 R20 F120 劣弧编程 :G17 G02 X40 Y23 R-20 F120 对于整圆, 由于其起点和终点重合, 只能用圆心坐标编程 若用半径编程, 圆弧终点和起始点设为相同, 操作的结果是不发生运动 Y 优弧 劣弧 S E X 5. 刀具补偿指令 图 4-3 优弧和劣弧 加工中心在切削过程中不可避免地存在刀具磨损的问题, 例如钻头的长度 铣刀半径尺寸变了等, 这时加工出工件的尺寸也将随之变化 如果数控系统有刀具尺寸补偿功能, 则只需在操作面板上输入相应的修正值, 加工出的工件尺寸仍然符合图样要求 另外, 有了刀具尺寸补偿功能, 使得数控编程大为简便, 在编程时可以完全不考虑刀具中心轨迹计算, 而直接按零件轮廓编程 在启动机床加工之前, 只需输入所有刀具的参数, 数控系统就会自动计算出刀具中心的运动轨迹坐标 刀具尺寸补偿通常有两种 : 刀具长度补偿和刀具半径补偿 (1) 刀具长度补偿如图 4-4 所示, 刀具长度补偿是用来补偿刀具长度差值的, 当实际刀具长度与编程的标准刀具长度不一致时, 可以通过刀具的长度补偿功能实现对刀具长度差值的补偿, 只要把实际刀具长度与编程的标准刀具长度作为偏置值存入刀具参数存储器中即可 用长度补偿来进行修正可不必改变所编程序 用地址 H 来指定补偿量 ( 偏置号 ) 存储器中的序号, 补偿方式在程序中设定 这是一组模态 G 指令, 一旦经过设定后, 便一直有效, 但必须由同组 G 指令来取代 1 刀具长度补偿指令 :G43 G44

112 第 4 章数控加工中心编程技术 107 指令格式 :G43/G44 Z H G43/G44 H 其中 :G43 为长度正向补偿,G44 为长度负向补偿 机床通电后, 其初始状态为取消长度补偿 偏置号为 H00~H32 或 H00~H64 H00 的偏置量固定为 0 长度补偿仅对 Z 坐标方向起作用 图 4-4 刀具长度补偿 2 取消长度补偿指令 :G49 指令格式 :G49 取消长度补偿, 除用 G49 指令外, 也可以用 H00 机床通电后, 其初始状态为 G49 3 刀具长度补偿的特殊情况 : 有的加工中心在绝对值指令 (G90) 中, 当指定的移动量为 0 时, 虽然该程序段同时指定了偏置量, 但机床仍然不移动 但在 G91 状态时, 则按表 4-1 方式运动 有的加工中心无论在 G90 还是在 G91 状态, 当指定移动量为 0 时, 若程序段同时指定了偏置量, 机床将按表 4-1 所示的方式运动 也有的加工中心无论在 G90 还是在 G91 状态, 当指定移动量为 0 时, 无论程序段中是否指定了偏置量, 机床都不会运动 表 4-1 移动量 ( 补偿量为 10.1, 偏置号 H01) NC 指令 G43 G01 Z0 H01 G43 G01 Z-0 H01 G44 G01 Z0 H01 G44 G01 Z-0 H01 移动量 Z10.1 Z-10.1 Z-10.1 Z10.1 (2) 刀具半径补偿刀具半径补偿一般是指铣刀中心轨迹与工件的实际尺寸之间的距离, 且采用半径补偿的方法来设定, 补偿量为刀具半径值 编程时程序按零件轮廓尺寸来编制, 而计算机根据刀具半径的数值自动计算, 控制刀具中心偏移一个刀具半径 r 后沿轮廓外形移动 这样更换刀具或刀具磨损后, 只需改变刀具半径补偿值, 仍可用原来的程序进行加工 补偿量可以在补偿量存储器中设定 (32 个或 64 个 ), 地址为 D 4 刀具半径补偿指令 :G41 G42

113 108 数控机床编程与实例 指令格式 :G41/G42 G01 X Y (F ) G41/G42 G01 X Z (F ) G41/G42 G01 Y Z (F ) 其中 : G41 为刀具左侧补偿,G42 为刀具右侧补偿 操作者面向刀具走刀的方向, 当刀具在轮廓的左手边时为左侧补偿, 反之为右侧补偿 执行 G41/G42 事先一定要将刀具半径值存入参数表中, 补偿只能在所选定的插补平面内 (G17 G18 G19) 进行 用 G41/G42 进行补偿后只能用 G01, 但有的加工中心用 G01 或 G00 均可 刀具补偿指令的起点不能写在 G02/G03 程序段中, 即只能在直线插补方式中加入 G41 或 G42 刀具半径补偿用 D 代码来指定偏移量,D 代码是模态值, 一经指定后长期有效, 必须由另一个 D 代码来取代或使用 G40 或 D00 来取消 (D00 的偏置值永远为 0) 刀具半径补偿指令 (G41/G42) 和刀具偏置指令 (G45~G48) 不能在一个程序段中同时存在 D 代码的数据有正负符号, 在 G41/G42 方式中, 其关系如表 4-2 所示 由此可见, 因为 D 代码数据存在正 负符号的变化,G41 与 G42 的功能可以互换 表 4-2 D 代码的数据正 负符号 +( 正 ) -( 负 ) G41 往前进左方偏置 往前进右方偏置 G42 往前进右方偏置 往前进左方偏置 在更换刀具时, 一般应取消原来的偏置量, 如果在原偏置状态下改变偏置量, 则会得到如图 4-5 所示的轨迹 在 N7 段按 N6 段的偏置量计算转角向量, 从 N8 段开始按 N7 段偏置量计算转角向量 由 N 6 决定 由 N 7 决定 刀具中心轨迹 N 7 N 8 N 6 编程轨迹 图 4-5 刀具半径补偿量的改变

114 第 4 章数控加工中心编程技术 109 加工小于刀具半径的内角, 或小于刀具半径的沟槽时会发生过切, 连续进给时在发生过切的程序段刚开始时会停止, 数控装置同时发出警报 如果运行单程序段, 则在过切发生处发出警报 5 取消刀具补偿指令 :G40 指令格式 :G40 G01 X Y (F ) G40 G01 X Z (F ) G40 G01 Y Z (F ) 系统刚上电或执行 复位 动作及程序终结 (M02 或 M30) 时, 半径补偿均处于取消状态 此时刀具中心轨迹与编程轨迹一致 一个程序中, 在程序终结之前, 必须用 G40 指令来取消刀具半径补偿方式, 否则在程序结束后, 刀具将偏离编程终点一个向量值的距离 为保证刀具从无刀具半径补偿运动到所希望的刀具半径补偿点开始, 应提前建立刀具半径补偿 与建立刀具半径补偿类似, 在最后一段刀具补偿轨迹加工完成后, 应走一段直线以撤销刀具补偿 使用 G41/G42, 当刀具接近工件轮廓时, 数控装置认为是从刀具中心坐标转为刀具外圆与轮廓相切点的坐标 而使用 G40 刀具退出时则相反 在刀具靠近工件和退出工件时, 要注意上述特点, 防止刀具与工件干涉而过切或碰撞 如果人为地让刀具中心与轮廓相距不是一个刀具半径, 则可以用来处理粗 精加工问题 对于刀具补偿值的输入, 在粗加工时输入刀具半径和精加工余量 ; 而在精加工时只需输入刀具半径, 这样粗 精加工就可以用同一程序 6. 刀具偏置指令 所谓刀具偏置就是指刀具沿某一方向, 相对于编程长度伸长或缩短的距离, 这个距离值决定于在 H 地址中存放的数值 (1) 刀具偏置指令 :G45 G46 G47 G48 这几个指令中,G45 按照后面跟的坐标指令同向加长一偏置量,G46 则反向加长一偏置量 ;G47 按照后面跟的坐标指令同向加长二倍偏置量,G48 则反向加长二倍偏置量 (2) 偏置量的设定偏置量一般由参数设定, 许多机床将偏置量设置在存储器 H 地址中 当使用刀具偏置指令时, 还应指定地址号 7. 固定循环指令 数控加工中心的固定循环指令主要用于孔加工的循环, 包括钻孔 镗孔 攻丝等 (1) 固定循环功能概述固定循环指令如表 4-3 所示

115 110 数控机床编程与实例 表 4-3 固定循环指令 G 代码 加工行程 (-Z) 孔底动作 返回行程 (+Z) 用 途 G73 继续进给 - 快速进给 高速深孔往复排屑钻 G74 切削进给 主轴正转 切削进给 攻左螺纹 G76 切削进给 主轴定向 刀具移位 快速进给 精镗 G 取消操作 G81 切削进给 - 快速进给 钻孔 G82 切削进给 暂停 快速进给 钻孔 G83 继续进给 - 快速进给 深孔排屑钻 G84 切削进给 主轴反转 切削进给 攻右螺纹 G85 切削进给 - 切削进给 镗削 G86 切削进给 主轴停止 切削进给 镗削 G87 切削进给 刀具移位 主轴启动 快速进给 背镗 G88 切削进给 暂停 主轴停止 手动操作后快速返回 镗削 G89 切削进给 暂停 切削进给 镗削 1 初始点 R 点 Z 值 图 4-6 固定循环动作的组成 如图 4-6 所示, 固定循环一般由下述 6 个动作组成 : 1 X Y 坐标定位 ; 2 快进到 R 点 ; 3 加工孔 ; 4 孔底动作 ; 5 返回到 R 点 ; 6 返回到初始点

116 第 4 章数控加工中心编程技术 111 固定循环只能使用在 X-Y 平面上,Z 坐标仅作孔加工的进给 上述动作 3 的进给率由 F 决定, 动作 5 的进给率按固定循环规定决定 在固定循环中, 刀具偏置 (G45~G48) 无效 刀具长度补偿 (G43 G44 G49) 有效, 它们在上述动作 2 中执行 (2) 固定循环指令组的书写格式组成一个固定循环, 要用到以下三组 G 代码 数据格式代码 :G90 G91; 返回点代码 :G98( 返回初始点 ) G99( 返回 R 点 ); 孔加工方式代码 :G73~G89 在使用固定循环编程时, 一定要在前面程序段中指定 M03( 或 M04), 使主轴启动 指令格式 :G90/G91 G98/G99 G X Y Z R Q P (F L ) 其中 : G 指令包括有 G73~G89 钻孔方式指令 X Y 指定孔在 X-Y 平面的坐标位置 ( 增量或是绝对值 ) Z 指定孔底的坐标 在增量方式时, 是 R 点到孔底的距离 ; 在绝对值方式时, 是孔底的 Z 坐标值 R 在增量方式中是初始点到 R 点的距离 ; 而在绝对值方式中是 R 点的 Z 坐标 Q 在 G73 G83 中, 用来指定每次进给的深度 ; 在 G76 G87 中, 用来指定刀具的位移量 P 指定暂停的时间, 最小单位为 1 ms L 指定固定循环的重复次数, 如果不指定 L, 则只进行一次 L=0 时, 机床不动作 G73~G89 是模态命令 因此, 多孔加工时该指令只需指定一次, 以后的程序段只给出孔的位置即可 固定循环中的参数 (Z R Q P F) 是模态的, 当变更固定循环方式时, 可用的参数可以继续使用, 不需重设 但中间过程中如果各有 G80( 取消固定循环 ), 则参数均被取消 (3) 固定循环指令以上我们对固定循环总体指令做了介绍, 现在分别介绍每条指令 1 高速深孔往复排削钻指令 :G73 指令格式 :G73 X Y Z R Q (F ) 动作如图 4-7 所示 图中的 d 值由参数设定 ; 图中带箭头的虚线表示快进, 带箭头的实线表示切削进给 ( 以下各图相同 )

117 112 数控机床编程与实例 初始点 G98 返回点 R 点 G99 返回点 Q d Q d Q d 图 4-7 G73 循环 Z 点 2 攻左螺纹指令 :G74 指令格式 :G74 X Y Z R (F ) 动作如图 4-8 所示 初始点 G98 返回点 主轴 CW R 点 G99 返回点 主轴 CW 主轴 CCW 图 4-8 G74 循环

118 第 4 章数控加工中心编程技术 113 一般来说, 面对主轴看主轴的旋转方向,CW 为主轴顺时针旋转, 而 CCW 相当于习惯说法的 主轴反转 3 钻孔指令 :G81 指令格式 :G81 X Y Z R (F ) 动作如图 4-9 所示 初始点 G98 返回点 R 点 G99 返回点 图 4-9 G81 循环 4 钻孔指令 :G82 指令格式 :G82 X Y Z R P (F ) G82 指令与 G81 动作轨迹一样, 仅在孔底增加了 暂停 时间, 以得到准确的孔深尺寸 5 精镗指令 :G76 指令格式 :G76 X Y Z R Q P (F ) 动作如图 4-10 所示 其中 :P 表示暂停 6 镗削指令 :G88 指令格式 :G88 X Y Z Q R P (F ) 动作如图 4-11 所示 此循环在加工到孔底后暂停, 主轴停止, 并转为进给保持状态, 然后在手动方式下将刀具移出孔外, 再转回自动方式 用 CYCLESTART 启动自动循环, 刀具将快速进给到 R 点 (G99) 或初始点 (G98)

119 114 数控机床编程与实例 初始点 初始点 R 点 R 点 P 点 图 4-10 G76 循环 P 点 图 4-11 G88 循环 7 深孔排屑指令 :G83 指令格式 :G83 X Y Z R Q (F ) 动作如图 4-12 所示 图中的 d 值由参数设定,d 值表示各次切削时的孔底往上一点的这一段距离, 当重复进给时, 刀具快速下降, 到 d 规定的距离时转为切削进给 初始点 G98 返回点 R 点 G99 返回点 Q d Q d Q Z 点 图 4-12 G83 循环 8 攻右螺纹指令 :G84 指令格式 :G84 X Y Z R (F ) G84 指令与 G74 类似, 但主轴旋转方向相反, 攻右旋螺纹

120 后主轴再重新启动 1第 4 章数控加工中心编程技术 镗削指令 :G85 指令格式 :G85 X Y Z R (F ) G85 指令与 G81 类似, 但返回行程中, 从 Z R 段为切削进给 10 镗削指令 :G86 指令格式 :G86 X Y Z R (F ) G86 指令与 G81 类似, 但进给到孔底后, 主轴停止, 返回到 R 点 (G99) 或初始点 (G98) 1镗削指令 :G89 指令格式 :G89 X Y Z R P F G89 指令与 G85 类似, 从 Z R 段为切削进给, 但在孔底时有暂停动作 12背镗指令 :G87 格式 :G87 X Y Z R Q (F ) 动作如图 4-13 所示 1 2 R 点 Z 点 R 点 图 4-13 G87 循环 刀具先到 1 点, 后到 2 点, 再到 3 点 从 3 点到 4 点后主轴启动 ; 从 4 点到 5 点刀具在切削, 从 5 点到 6 点, 从 6 点到 2 点, 再从 2 点到 1 点后, 主轴再次启动 这个循环必须用 G98 方式, 因为到 R 点的距离比到 Z 点的距离长 (4) 固定循环中重复次数的设定在固定循环指令最后, 用 L 地址指定重复次数 在增量方式 (G91) 中, 如果有孔间距相同的若干相同孔, 采用重复次数来编程是很方便的 采用重复次数来编程时, 要采用 G91( 增量编程 ) G99 方式 当指令为 G81 X50.0 Z-20.0 R-10.0 L6 F200 时, 其运动轨迹如图 4-14 所示

121 116 数控机床编程与实例 初始点 R 点 图 4-14 循环重复次数的设定 如果是在绝对编程方式中, 则不能钻出 6 个孔, 仅仅在第一个孔处往复钻 6 次, 结果还是一个孔 注意 : 如果使用 G74 或 G84 时, 因为主轴回到 R 点或初始点时要反转, 因此需要一定时间, 如果用 L 指令来进行多孔操作, 则要估计主轴的启动时间 如果时间不足, 不应使用 L 地址, 而应对每一个孔给出一个程序段, 并且每段中增加 G04( 暂停延时 ) 来保证主轴的启动时间 7. 图形变换功能 (1) 图形放大 缩小指令 :G50 G51 该指令需单独编在一个程序段中 指令格式 :G51 I J K P 说明 :I J K 为缩放比例中心的 X Y Z 坐标 ( 绝对坐标 );P 为放大 缩小比例 G50 为取消缩放比例指令 (2) 图形旋转 :G68 G69 使用此功能可以使图形在某一平面内绕某一点旋转一定的角度, 如图 4-14 所示 Y R (α,β) X 图 4-14 图形旋转

122 第 4 章数控加工中心编程技术 117 指令格式 :G68 α β R 说明 :α β 为旋转中心的坐标 ;R 为旋转角度,R 值在正负 360 度之间 ( 含 ), 逆时针方向为正值 G69 为图形旋转取消指令 4.2 加工中心工艺基础 加工中心的工艺特点 加工中心作为一种高效多功能机床, 在现代化生产中扮演着重要角色, 它的制造工艺与传统工艺及普通数控加工有很大不同 加工中心自动化程度的不断提高和工具系统的发展使其工业范围不断扩展 现代加工中心更大程度地使工件一次装夹后实现多表面 多特征 多工位的连续 高效 高精度加工, 即工序集中, 但一台加工中心只有在合适的条件下才能发挥出最佳效益 1. 工序集中带来的问题 加工中心的工序集中加工方式固然有其独特的优点, 但也带来一些问题, 列举如下 (1) 工件在粗加工后直接进入精加工阶段, 这时工件的温升来不及回复, 所有加工完成冷却后工件会发生尺寸上的变动 (2) 工件由毛坯直接加工为成品, 一次装夹中金属切除量大 几何形状变化大, 没有释放应力过程, 加工完了一段时间后内应力释放, 使工件变形 (3) 切削时没有断屑处理, 切屑的堆积 缠绕等会影响加工的顺利进行及零件的表面质量, 甚至使刀具损坏 工件报废 (4) 装夹零件的夹具必须满足既能克服粗大加工的切削力, 又能在精加工中准确定位的要求, 而且零件夹紧变形要小 这给夹具的设计带来更大的难度 (5) 由于 APC( 自动工作台交换装置 ) 的应用, 使工件尺寸 大小 高度都受到一定的限制, 钻孔深度 刀具长度 刀具直径 重量等也要予以考虑 2. 各种加工中心的功能特点 (1) 立式加工中心 立式加工中心装夹工件方便, 便于操作, 找正容易, 易于观察切削情况, 调试程序容易, 占地面积小, 应用广泛 但它受到立柱高度以及 ATC( 自动刀具交换装置 ) 的限制, 不能加工太高的零件, 也不适于加工箱体 (2) 卧式加工中心 一般情况下, 卧式加工中心比立式加工中心复杂 占地面积大, 有能精确分度的数控回转台, 可实现对零件的一次装夹多工位加工, 适合于加工箱体类零

123 118 数控机床编程与实例 件及小型模具型腔 但调试程序及试切时不宜观察, 生产时不易监视, 装夹不便, 测量不便, 加工深孔时不易到位 ( 若没有用内冷却钻孔装置 ) 由于诸多不便, 卧式加工中心准备时间比立式更长, 但加工件数越多, 其多工位加工 主轴转速高 机床精度高的优势就表现越明显, 所以卧式加工中心适合于批量加工 (3) 带 APC( 自动工作台交换装置 ) 的加工中心 卧式加工中心 立式加工中心都可带有 APC 装置, 交换工作台可有两个或多个 在有的制造系统中 工作台在各机床上通用, 通过自动运送装置, 工作台带着装夹好的工件在车间内形成物流, 因此, 这种工作台也叫托盘 因为装卸工件不占机时, 所以其自动化程度更高, 效率也更高 (4) 复合加工中心 复合加工中心兼有立式和卧式加工中心的功能, 工艺范围更广, 使本来要两台机床完成的任务在一台上完成, 工序更加集中 由于没有二次定位, 工件加工精度也更高, 但这种加工中心价格昂贵 加工中心的主要加工对象 加工中心适宜于加工形状复杂 加工工序多 质量及精度要求较高的零件 其加工对象主要有下列几类 1. 平面类零件 如图 4-15 所示, 加工单元面是平面如 A B D 面, 或可以展开成为平面如 C 面 ( 圆柱面 ) 的零件均称为平面类零件 此外还包括圆柱凸轮以及一些型槽类的零件 它们是数控铣削加工对象中最简单的一类, 一般只用三坐标数控铣床的两坐标联动 ( 即 2.5 轴加工 ) 就可以把它们加工出来 图 4-15 典型的平面类零件 对于有些斜平面类零件的常用加工方法如下 (1) 当工件尺寸不大时, 可用斜垫板垫平后加工 ( 如 A 面 ), 如果机床主轴可以摆角, 也可以将主轴转到相应的角度来加工 (2) 当工件尺寸很大, 斜面坡度又较小时, 也常用行切法加工, 但会在加工面上留下

124 第 4 章数控加工中心编程技术 119 残余高度, 可用电火花或钳工修整等方法加以清除 (3) 有些面, 如 D 面, 可用专用的角度成型铣刀来加工 (4) 加工斜面的最佳方法是用侧刃加工, 加工质量和效率都很好, 但有时会受机床坐标数的限制, 且编程较为复杂 2. 变斜角类零件 加工面与水平面的夹角呈连续变化的零件称为变斜角类零件, 这类零件的加工面不能展开为平面, 但在加工中, 加工面与铣刀圆周接触的瞬间为一条直线 飞机上的很多零件, 如飞机大梁 ( 如图 4-16 所示 ) 框 缘条与筋等都属于这一类零件 O 1 Z X A Y O 2 图 4-16 变斜角零件 飞机大梁 加工变斜角类零件最好采用四坐标和五坐标数控铣床摆角侧刃加工, 但加工程序编制相对困难 也可用 3 轴或 2.5 轴加工中心进行近似加工, 但质量较差 3. 箱体类零件 箱体类零件一般是指具有一个以上的孔系, 内部有一定型腔, 在长 宽 高方向有一定比例的零件 这类零件在汽车 机床行业用得较多, 如汽车的发动机缸体 齿轮泵壳体等 箱体类零件一般都需要进行多工位孔系及平面加工 公差要求较严, 特别是形位公差要求较为严格, 通常要经过铣 钻 扩 镗 铰 锪 螺纹等工序, 需要刀具较多 如在普通机床上加工, 需要工装套数多, 费用高, 加工周期长, 需多次装夹 找正, 手工测量次数多, 还需频繁地更换刀具, 工艺难以制定, 最终难以保证精度 如果在加工中心加工, 一次装夹就可完成普通机床 60%~95% 的工序内容, 精度一致性好, 质量稳定, 同时可节约费用, 缩短生产周期 对于加工工位较多, 并需要工作台多次旋转角度进行加工才能完成的箱体类零件, 一般选卧式加工中心 当加工的工位较少, 且跨距不大时, 也可选立式加工中心, 从一端进

125 120 数控机床编程与实例 行加工 箱体类零件的加工方法, 主要有以下几种 (1) 当既需要加工面又需要加工孔时, 应先铣面, 后加工孔 (2) 对于孔系, 应先完成全部孔的粗加工, 再进行精加工 先加工大孔, 再加工小孔, 特别是在大小孔相距很近的情况下, 更要采取这一措施 (3) 一般情况下, 直径大于 30 mm 的孔应先铸造出毛坯孔, 预先在普通机床上完成粗加工, 留出 4~6 mm( 直径方向 ) 的余量, 再由加工中心进行精加工 通常分 粗镗 半精镗 孔端倒角 精镗 4 个工步完成 有空刀槽时可用盘状铣刀在半精镗之后和精镗之前用圆弧插补方式完成, 也可用镗刀进行单刀镗削, 但效率较低 (4) 直径小于 30 mm 的孔可以不预铸毛坯孔, 全部加工都在加工中心完成 可分为 锪平端面 打中心孔 钻 扩 孔端倒角 精镗 ( 或铰 ) 等工步来完成 (5) 对于跨距较大箱体的同轴孔加工, 尽量采取调头加工的方法, 以缩短刀 辅具的长径比, 增加刀具刚性, 提高加工质量 (6) 在加工螺纹时, 一般情况下,M6 以上 M30 以下的螺纹孔可在加工中心攻螺纹 ; M6 以下 M30 以上的螺纹可在加工中心完成底孔加工, 攻螺纹可通过其他手段加工 因为加工中心的自动加工方式在攻小螺纹时, 丝锥容易折断, 产生废品 ; 在加工中心加工攻 M30 以上的大螺纹时, 由于刀具 辅具等因素影响也有一定困难 在某些机床上可用镗刀片完成螺纹切削 4. 曲面类零件 这类零件是指加工面不能展开为平面, 在加工过程中加工面与铣刀始终为点接触的空间曲面类零件 这类零件在各行各业都应用很广, 特别是在航空航天工业中占有特别重要的地位, 例如各种叶轮 导风轮 螺旋桨 复杂模具型腔等 曲面零件采用普通机床是难以甚至无法完成加工的, 适合使用加工中心加工, 比较典型的有下面两类 (1) 整体叶轮类航空发动机的压气机 制氧设备的膨胀机 单螺杆空气压缩机等机器中的整体叶轮, 除具有一般曲面加工的特点外, 还存在许多特殊的难点, 如通道狭窄, 极易产生刀具对邻近曲面和加工面的干涉等 (2) 模具类如注塑模具 橡胶模具 真空成型吸塑模具 电冰箱发泡模具 压力铸造模具及精密铸造模具等 利用加工中心加工模具, 工序高度集中, 定位精度高, 基本上可在一次安装中完成型腔等关键件的加工, 能减少尺寸累计误差及修配工作量 加工曲面类零件一般采用三坐标以上的加工中心, 使用图形软件编程, 还要注意刀具过切 曲面拟合误差的处理, 才能保证曲面精度

126 第 4 章数控加工中心编程技术 异形类零件 异形件是外形不规则的零件, 异形件的刚性一般较差, 装夹变形难以控制 因而加工精度难以保证 用加工中心加工时应采用合理的工艺措施, 如多次装夹 合理的切削用量等方法 加工中心的刀具 夹具及加工工艺 1. 加工中心的刀具 (1) 加工中心对刀具的基本要求高刚度 高强度 : 为提高生产效率, 往往采用高速 大切削用量的加工, 因此加工中心采用的刀具应具有能承受高速切削和强力切削所必须的高刚度 高强度 高耐用度 : 加工中心可以长时间连续自动加工, 但若刀具不耐用而使磨损加快, 轻则影响工件的表面质量与加工精度, 增加换刀引起的调刀与对刀次数, 降低效率, 也会使工件表面留下因对刀误差而形成的接刀台阶 ; 重则因刀具破损, 会发生严重的机床乃至人身事故, 因此, 加工中心的刀具还应具有高耐用度 除上述两点之外, 与普通切削一样, 加工中心刀具的切削刃的几何角度参数的选择及排屑性能等也非常重要, 积屑瘤等弊端在数控铣削中也是十分忌讳的 刀具精度 : 随着对零件的精度要求越来越高, 对加工中心刀具的形状精度和尺寸精度的要求也在不断提高, 如刀柄 刀体和刀片必须具有很高的精度才能满足高精度加工的要求 总之, 根据被加工工件材料的热处理状态 切削性能及加工余量, 选择刚性好 耐用度高 精度高的加工中心刀具, 是充分发挥加工中心的生产效率和获得满意加工质量的前提 (2) 加工中心刀具的种类由于加工中心的工艺能力强大, 因此其刀具种类也繁多 加工中心用刀具按结构形式可分为整体式和镶齿式 整体式刀具的刀刃和刀体是一个整体, 刀具磨损后需要重新刃磨 ; 而镶齿式刀具的刀刃采用硬质合金刀片, 并通过一定的方式固定在刀体上, 磨损后只需更换刀片即可, 不仅节约刀具材料, 而且能够避免繁琐的磨刀工作, 提高加工效率 按工艺用途, 数控铣床和加工中心主要刀具的种类可分为铣削类 镗削类 钻削类等几类 1 铣削类刀具因为加工中心主要用于复杂曲面的铣削, 所以铣刀的选择是非常重要的 铣刀的种类繁多, 功能也不尽相同 如平面铣刀 ( 盘铣刀 ) 适合于大面积平面加工 ; 端铣刀 ( 圆柱铣刀 立铣刀 ) 既适合于平面加工, 也可以加工侧面, 即它除用其端刃铣削外, 还可用其侧刃铣削, 有时端刃 侧刃同时进行铣削 铣削类刀具广泛用于较小的平面 斜面 台阶面

127 122 数控机床编程与实例 以及型槽类的平面类零件的加工 图 4-17 是常用的盘铣刀和立铣刀的形式 球头铣刀和成型刀具适合于曲面类零件的加工 图 4-18 是常见的曲面加工用铣刀的形式, 适用于加工空间曲面零件, 有时也用于平面类零件较大的转接凹圆弧的补加工 部分铣刀的形状如图 4-19 所示 除上述几种类型的铣刀外, 还有特殊的铣刀, 如 : 专用成型铣刀, 一般都是为特定的工件或加工内容专门设计制造的, 适用于加工平面类零件的特定形状 ( 如角度面 凹槽面等 ), 也适应于特形孔或台 ; 鼓形铣刀, 主要用于对变斜角类零件中变斜角面的近似加工 图 4-17 常用的盘铣刀和立铣刀示意图

128 第 4 章数控加工中心编程技术 123 图 4-18 曲面铣削刀具及加工 图 4-19 各类铣 2 孔加工类刀具在加工中心上可进行钻孔 扩孔和镗孔加工, 其刀具分别称为浅孔钻 扩孔钻 ( 粗镗刀 ) 精镗刀 浅孔钻用于在实体工件上打孔, 一般加工的长径比在 4 1 以内 这种钻头的刚性很好, 可保证钻孔的精度, 有易于排屑的容屑槽, 加工效率很高 扩孔钻 ( 粗镗刀 ) 用于对铸造孔和预加工孔的加工, 由于刀体上的容屑空间可通畅地排屑, 因此可以扩盲孔, 有些扩孔刀的直径还可进行调整, 可满足一定范围内不同孔径的要求 高档的扩孔刀还带有内冷功能, 可使冷却液直接到达刀刃上, 这样不仅可以有效防止刀具的温升, 而且还可帮助排屑

129 124 数控机床编程与实例 精镗刀用于孔的精加工, 加工中心用的精镗刀通常采用模块式结构, 通过高精度的调整装置调节镗刀的径向尺寸, 可加工出高精度的孔 另外, 镗刀还采用平衡块调整其动平衡, 以减少振动, 从而保证孔的表面粗糙度和尺寸精度 2. 加工中心用夹具 夹具是加工中心切削的重要工艺装备, 由于加工中心切削具有较好的加工柔性, 相对于普通机床而言, 加工中心切削的夹具一般都不复杂, 只要求有简单的定位 夹紧机构就可以了, 其设计原理也与普通切削夹具相同 (1) 对夹具的基本要求为保持零件安装方位与机床坐标系及工件坐标系方向的一致性, 夹具应能保证在机床上实现定向安装, 还要求能协调零件定位面与机床之间保持一定的尺寸联系 为保持工件在工序中所有需要完成的待加工面充分暴露在外, 夹具要做得尽可能开敞, 因此夹紧机构元件与加工面之间应保持一定的安全距离, 同时要求夹紧机构元件能低则低, 以防止夹具与铣床主轴套筒或刀套 刃具在加工过程中发生碰撞 夹具的刚性与稳定性要好 尽量不采用在加工过程中更换夹紧点的设计, 如果一定要更换, 则要特别注意不能因更换夹紧点而破坏夹具或工件的定位精度 (2) 常用夹具类型加工中心切削常用的夹具大致有下列几种 通用组合夹具 : 适应于小批量生产或研制新产品时的中 小型工件加工 专用夹具 : 特别为某一项或类似的几项工件设计制造的夹具, 一般在批量生产时采用 多工位夹具 : 可以同时装夹多个工件, 可减少换刀次数, 也便于一面加工, 一面装卸工件, 有利于缩短准备时间, 提高生产率, 较适宜于中批量生产 气动或液压夹具 : 适用于生产批量较大, 采用其他夹具又特别费工 费力的工件 能减轻工人劳动强度和提高生产率, 但此类夹具结构较复杂, 造价往往较高, 而且制造周期较长 真空夹具 : 适用于有较大定位平面或具有较大可密封面积的工件 除上述几种夹具外, 加工中心切削中也经常采用虎钳 分度头 三爪卡盘和平台夹具等通用夹具 (3) 加工中心用夹具的选用原则在选用夹具时, 根据产品的生产批量 生产效率 质量保证及经济性等, 可参照下列原则 在单件或研制新产品且零件较简单时, 尽量采用虎钳 分度头和三爪卡盘等通用夹具 在生产量小或研制新产品时, 应尽量采用通用组合夹具 小批或成批生产时可考虑采用专用夹具, 但应尽量简单

130 第 4 章数控加工中心编程技术 125 在生产批量较大时可考虑采用多工位夹具和气动 液压夹具 3. 典型的加工循环 这里根据加工中心的加工特点, 简要介绍几种典型的走刀循环路线 (1) 平面铣削循环 ( 如图 4-21 所示 ) 这种循环主要用于平面 凸曲面的加工, 常用的刀具有面铣刀 ( 加工平面 ) 端铣刀 ( 加工平面或曲面 ) 球头铣刀 ( 加工平面或曲面 ) 图 4-21 平面铣削循环 (2) 槽型铣削循环 ( 如图 4-22 所示 ) 主要用于各种轮廓型槽 内外平面轮廓以及内型腔的加工, 常用的刀具有立铣刀 ( 加工型槽 内外平面轮廓以及内型腔 ) 球头铣刀 ( 加工内型腔 ) 图 4-22 槽型铣削循环 (3) 点位加工循环 ( 如图 4-23 所示 ) 主要用于钻孔 扩孔和镗孔等点位控制的加工循环 图 4-23 点位加工循环 加工中心的辅具及辅助设备 在传统制造系统中, 刀具方面投资非常有限, 但在现代制造系统中, 以每台加工中心

131 126 数控机床编程与实例 配备 60 把刀具计算, 每把刀具平均有 3 把姊妹刀, 那么一台加工中心就可能要有 180 把刀具和相应数量的刀柄, 再加上刀具准备和交换的费用, 刀具系统方面的投资往往接近加工中心的费用 加工中心工具繁多, 其利用率与加工中心利用率被放在同等地位看待 在自动化生产系统中如何管理工具系统不但是全局性的工作, 而且对于单台加工中心来说, 只有使用好这些工具才能充分发挥加工中心的效能, 降低加工成本, 提高加工精度, 才能创造良好的效益 图 4-24 刀具的组成加工中心所用的切削工具由两部分组 1- 拉钉 ;2- 刀柄 ;3- 联接器 ;4- 刀具成, 即刀具和供自动换刀装置夹持的通用刀柄及拉钉, 如图 4-24 所示 1. 刀柄 在加工中心上一般采用 7 24 的锥柄, 这是因为这种锥柄不会发生自锁, 换刀比较方便, 并且与直柄相比有高的定心精度和刚性, 刀柄和拉钉已经标准化, 各部分尺寸见图 4-25 和表 4-4(JISB6339) 所示 G1 D2 D1 D3 B1 g1 d3 R1 θ L1 L2 L3 L4 l1 图 4-25 刀柄与拉钉 表 4-4 刀柄及拉钉尺寸 刀柄 D1 D2 L1 L2( ± 0.4) L3( ± 0.2) L4 D3(H8) G1 B1(H12) 40T Φ44.45 Φ Φ17.0 M T Φ69.85 Φ Φ25.0 M 拉钉 L1 g1 d3(h7) R1 θ 形式 1 形式 2 40P 60.0 M º 30º 50P 85.0 M º 30º

132 第 4 章数控加工中心编程技术 127 在加工中心上, 加工的部位繁多使刀具种类很多, 造成与锥柄相连的装夹刀具的多种多样, 把通用性强的装夹工具标准化 系列化就成为工具系统 镗铣工具系统可分为整体式与模块式两类 整体式工具系统针对不同刀具都要求配有一个刀柄, 这样工具系统规格 品种繁多, 给生产 管理带来不便, 成本上升 为了克服上述缺点, 国内外相继开发出多种多样的模块式工具系统, 如图 4-26 所示 图 4-26 加工中心用刀柄

133 128 数控机床编程与实例 图 4-26 加工中心用刀柄 ( 续 ) 有些场合, 通用的刀柄和刀具系统不能满足加工要求, 为进一步提高效率和满足特殊要求, 近年来已开发出多种特殊刀柄, 列举如下 (1) 增速刀柄 现在的增速头能够支持 ATC, 日本 NIKKEN 公司的 NXSE 型增速头, 在主轴 4000 r/min 时, 刀具转速可在 0.8 s 内达到 r/min 其结构特点主要有 : 行星齿

134 第 4 章数控加工中心编程技术 129 轮增速机构, 储油腔润滑方式, 无接触密封方式, 气体冷却方式 气体可从出气口排出, 同时从无接触密封处吹出, 避免脏物进入增速头 (2) 内冷却刀柄 加工深孔时最好的冷却方法是切削液直接浇在切削部位, 但这是不易达到的, 尤其在卧式加工中心上 针对这种情况, 国内外研制了内部通切削液的麻花钻和扩孔钻 其配以专用的冷却油供给系统 工作时, 高压切削液通过刀具芯部从钻头两个后面浇注至切削部位, 起到冷却润滑的作用, 并把切屑排出 (3) 转角刀柄 前面介绍了五轴加工中心价格昂贵, 而配备转角刀柄则以最少的花费达到相近的效果 如 NIKKEN 公司的高刚性五轴加工转角刀柄, 其型号有 30º 45º 60º 90º 转角, 非常适合于多品种少量生产, 除使立式加工中心具有卧式的功能外, 使用转角刀柄的原因还有对深型腔的底部清角工作 (4) 多轴刀柄 能同时加工多个孔, 多轴及增速刀柄的混合应用就成为多轴增速刀柄 (5) 双面接触刀柄 双面接触式刀柄是一种新型的大振动衰减比的工具系统, 其代表性特征如下 1 10 锥度的短刀柄 端面与锥部同时严密配合 在端面配合处, 刀柄与主轴刚性接触外还有蝶簧接触, 增大振动衰减比, 增强工具系统的安定性 使用此种刀柄后, 硬质合金刀具生产能力提高至 110%, 刀具寿命提高 250%, 高速钢刀具生产能力提高 35%, 刀具寿命提高 80% (6) 接触式测头刀柄 此刀柄使接触式测头固定在主轴上, 实现传感器与机床的无接触信号联系, 并支持 ATC 2. 刀具系统 加工中心多工序集中, 尤其在自动线上, 连续工作时间更长 刀具只有具有高的切削性能才能充分发挥加工中心的优势 现代数控机床不停顿地向高速 高刚性和大功率的方向发展, 许多加工中心的主轴转数最高都达到了 r/min 以上 高速高精度加工正成为主流, 而相对应的, 刀具必须适应这种需要 有人预计, 不久硬质合金刀具车削和铣削低碳钢的最高线速度将由现在的 300~400 m/min, 提高到 500~800 m/min, 陶瓷刀具切削灰铸铁的切削速度将由现在的 600~800 m/min 提高到 1000~1500 m/min 当前在加工中心上越来越多地使用涂层硬质合金 涂层高速钢和陶瓷刀具 加工中心上的刀具系统一般由钻削系统 端面铣刀系统 立铣刀系统 螺纹加工系统 槽加工刀具组成 (1) 钻削系统这里叙述一些钻头在加工中心上的应用, 表 4-5 以三菱刀具为例介绍了几种钻头

135 130 数控机床编程与实例 表 4-5 加工中心钻头 型号直径 示意图 用 途 特 点 MZE Φ 2.8~20 钢 铸铁 自动机床 加工中心 各种机床 直线切削刃 刀尖强度高, 重磨容易, 通用性好, 排屑性能好 MZS Φ 5~16 钢 铸铁 不锈钢 难加工材料 自动机床 加工中心 各种机床 直线切削刃 刀尖强度高, 重磨容易, 排屑槽采用宽深槽, 内部冷却式, 寿命长, 效率高 新尖点钻 Φ 8~40 高速钻 Φ 16~70 加工中心用枪钻 Φ 6~20 钢 铸铁 难加工材料 加工中心 数控车床 通用铣床 钢 铸铁 加工中心 数控车床 通用铣床 铸铁 轻合金专用 无横刃, 加工精度是高速钢钻头的 5 倍以上, 可以高效率加工, 重磨容易使用范围广, 从一般进给到大进给, 碳钢 合金钢能大进给加工用加工中心进行深孔加工可以无导套加工深孔, 最大长径比 L/D=20 为适应自动化生产, 加工中心用钻头有其特殊的处理工艺 : 钻头的表面处理 : 见表 4-6 氧化处理 ( 高压蒸汽处理 ) 表 4-6 钻头的表面处理 种类特点目的用途 Fe 3 O 4 氧化 1~3 μm 防黏结, 对加工非金属不抗黏结适用 氮化处理 TiN 涂层 TiCN 涂层 处理层 30~50 μm, 表面硬度 1000~1300 HV 处理层 2~3 μm, 表面硬度 2000 HV 以上, 摩擦系数小, 防黏结处理层 5~6 μm, 表面硬度 2700 HV 以上, 耐磨性好, 摩擦系数小 耐磨损 耐磨损 抗黏结, 耐磨损 用于加工普通不锈钢 软钢, 不适合加工铝等 用于加工对刀具磨损性大的切削材料 铸铁 热硬化性树脂等 用于加工难切削材料 硬度高的合金钢 不锈钢 耐热钢等 用于干式切削 高速切削及对刀具使用寿命要求高的切削 注 : 这些方法也适用于其他刀具

136 第 4 章数控加工中心编程技术 钻头横刃处理 : 为减小轴向切削力, 除了修磨横刃外, 使用新尖点钻是比较理想的选择, 其无横刃结构使轴向切削力大幅降低 3 切屑处理 : 钻头工作时, 切屑的形状对钻头的切削性能非常重要, 形状不合适时, 将引起细微的切屑阻塞刃沟 ( 粉状屑 扇形屑 ) 长的切屑缠绕钻头 ( 螺旋屑 带状屑 ) 长切屑阻碍切削液的进入 ( 螺旋屑 带状屑 ) 等现象 为此可采用增大进给 断续进给 装断屑器等断屑方法, 但都有其缺点 而 R 形横刃修磨很好地达到了断屑要求 图 4-27 为双面接触刀柄 R 形横刃内涂层钻头的切削效果 Φ 6.7 mm Φ 6.7 mm Φ 6.7 mm 图 4-27 高速钻孔 (2) 镗削系统见图 4-26, 加工中心的镗削系统普遍采用模块式刀柄及复合刀具 图 4-28 为复合镗刀的应用, 图 4-28(a) 用于粗 精加工及倒角一次完成, 图 4-28(b) 用于台阶孔同轴度要求高的场合, 减少了 ATC 的动作次数 另外, 镗刀刀杆内部可通过切削液, 使切削液直接冲入切削区, 带走切屑及温度 (a) (b) 图 4-28 复合镗刀的应用

137 132 数控机床编程与实例 (3) 铣削系统加工中心上常用的铣刀有端铣刀 立铣刀两种, 特殊情况下也可安装锯片铣刀等 端铣刀主要用来加工平面, 而立铣刀则使用灵活, 具有多种加工方式, 图 4-29 为立铣刀系统及针对不同加工方式的选用方法 图 4-29 立铣刀选用办法

138 第 4 章数控加工中心编程技术 133 图 4-29 立铣刀选用办法 ( 续 ) 螺纹铣刀利用加工中心的三轴联动功能, 使螺纹铣刀作行星运动, 切削加工出的内螺纹, 只要一把螺纹铣刀就可加工出同螺距的各种直径的内螺纹 (4) 攻丝系统丝锥装在丝锥夹头上进行攻丝, 为了避免丝锥折断, 丝锥夹头有 3~5 mm 浮动距离,

139 134 数控机床编程与实例 有的攻丝夹头能在攻到盲孔底部时保护丝锥不折断 在螺纹加工刀具中, 内冷丝锥 加工中心丝锥 螺旋铣刀是专门为加工中心设计的 3. 加工中心的自动化功能 (1) 刀具长度自动测量功能在单台立式 卧式加工中心上, 一般配备有刀具长度自动测量装置 其工作过程是把刀库中刀具依次调出, 测出刀长, 并按刀具号存入系统的记忆装置中 此种功能特别适合于无刀具中心仓库的 FMC( 柔性制造单元 ) 及单台加工中心使用, 其价格便宜 使用方便灵活 因为它是在机床内部直接对刀具进行测量, 所以能补偿机床的热变形和刀具的磨损, 从而实现高精度加工 另外利用适当的程序还可以测出刀具是否破损 掉落 (2) 工件自动测量功能该功能可以测出工件的对称中心 基准孔中心 基准角 基准边的坐标值 ; 自动补偿工件坐标系的坐标值, 去除安装误差 在加工过程中, 能测量孔径 台阶高度差 孔距 面距等 测量结果可以通过打印机打印出来 根据测定结果, 用适当的程序可自动补偿刀具的补偿量, 然后进行再加工 以上两种功能都是用宏程序来实现 宏程序是具有变量的程序, 可对变量进行读取和赋值 (3) 自适应控制功能在粗加工时, 机床可根据主轴负荷电流来控制进给速度, 当切削负荷大时进给慢, 反之进给快, 当主轴负荷超过允许值时, 机床停止动作并报警 国内的蓝天等数控系统已能完成此工作, 效果很好 (4) 工具寿命监视及刀具破损检验功能刀具寿命以分钟来衡量, 通过工具寿命管理功能, 机床可以在某刀具达到寿命极限时报警 在某工序或某工件加工前, 可对刀具进行破损检验, 若刀具破损或掉落则要进行更换 在加工中若刀具折断, 机床可以根据切削力的突变或超声波或光电方法测出事故 (5) 预备刀具交换功能当刀具达到寿命极限或破损时, 机床可自动用预备好的姊妹刀替换并自动测长度, 达到不间断作业的目的 另外有些加工中心配备工作台交换功能, 当刀具在加工中突然断裂时, 机床并不停止, 而是把工件送出工作机, 送入下一个工件进行加工, 达到不间断物流的目的 4. 加工中心的常用工具 (1) 对刀器 对刀器的功能是测定刀具与工件的相对位置, 其形式多样, 如 : 对刀量块 电子式对刀器 对刀块有淬火钢 硬质合金及陶瓷材料的 (2) 找正器 找正器的作用是确定工件在机床上的位置, 即确定工作坐标系, 它有机械式和电子式两种 电子式找正器需要内置电池, 当其找正球接触工件时, 发光二极管亮,

140 第 4 章数控加工中心编程技术 135 其重复找正精度在 2 μm 以内 (3) 刀具预调仪 此设备在机床外部对刀具的长度直接进行测量和调整, 还能测出刀具的几何角度, 测量时不占用机时 5. 辅助轴 在三坐标加工中心上, 加工表面的复杂程度是有限的, 而且有些表面即使能加工, 精度也不高 如果刀轴矢量与曲面法向不重合, 刀具长度和半径不准确时将造成加工误差 而对于回转体零件 螺旋曲面 多倾斜孔箱体 桨叶等复杂零件, 即使五面加工中心也没办法 这时只能使用四坐标或五坐标加工中心, 利用四轴或五轴联动实现加工目的 但另一方面, 不能因为某些零件或某个零件而购置价格昂贵的五轴加工中心, 这时可以考虑选用辅助回转轴 四轴加工中心与五轴加工中心常见的加工零件如图 4-30 所示 图 4-30 四轴与五轴加工中心常见的加工零件 另外, 在大型零件或箱体零件 模具型腔的加工中, 常遇到局部的不规则回转体加工 针对这种情况, 最好采用 U 轴控制 CNC 镗头可从刀库调出, 并完成刀柄与机床控制系统的联接 加工时, 主轴带动镗刀旋转, 同时镗头 U 轴按数控程序横向移动实现加工功能, 实际上它是在加工中心上进行车削 6. 加工中心的夹具系统 (1) 夹具种类制造自动化系统的夹具系统主要由机床夹具 托盘 自动上下料装置三部分组成, 根据加工中心特点和加工需要, 其夹具类型主要有专用夹具 组合夹具 通用夹具和成组夹具 (2) 夹具选择在加工中心上, 要想合理应用夹具必须对加工中心的加工方式有深刻了解, 同时还要考虑加工零件的精度 批量大小 制造周期 制造成本 一般的选择顺序是单件生产中尽量使用虎钳 压板螺钉等通用夹具, 批量生产时优先考虑组合夹具, 其次考虑可调整夹具, 最后选用专用夹具和成组夹具 设计和选用夹具时, 不能和各工序刀具轨迹发生干涉 如 : 有时在加工箱体时刀具轨迹几乎包括了整个零件外形, 为了避免干涉现象发生, 可以把夹具安置在箱体内部 在现代生产中, 还广泛采用液压 气动夹具 电动夹具 磁力夹具等 可根据不同需

141 136 数控机床编程与实例 要做出选择 卧式加工中心广泛采用刚性夹具体, 其与组合夹具的夹具体基本相同, 只是刚性更好 装夹在回转工作台上 使用时配上通用夹具元件, 如 : 压板 垫铁 螺钉等, 也可以装夹组合夹具的标准元件 采用两个以上刚性夹具体, 配上 APC 系统, 就可以实现不占用机动时间装夹工件的功能, 从而提高效率 若安装在托盘上, 就可以形成物流, 兼有单件生产和批量生产的特点 所以, 刚性夹具体具有很高的使用价值和比较低的价格, 应用日益广泛 (3) 装夹工件前边提到, 加工中心上夹具必须有大夹紧力和高精度, 不仅如此, 对于某些零件还要考虑到要产生小夹紧变形, 否则工件被松开后恢复变形就不合格了 因此夹具的夹紧点的确定是十分重要的 有些情况下, 零件的应力变形情况是十分严重的, 甚至不得不采用粗 精加工分开, 二次装夹的方法, 减小工件变形 如 : 低刚性的零件, 高精度零件等 此外, 是否采用二次装夹的方法还取决于零件加工前后的热处理安排 如 : 需淬火的模具型腔可采用粗加工 淬火 高速精加工的方法 4.3 加工中心工艺及编程实例 加工如图 4-31 所示的凸轮零件, 毛坯是经过预先铣削加工过的规则正方形铝板, 且 20 mm 10 mm 孔已加工, 尺寸为 105 mm 105 mm 6 mm R14 R50 Φ10 R30 Φ20 6 图 4-31 凸轮零件

142 第 4 章数控加工中心编程技术 137 根据图纸要求和毛坯情况, 制定如下加工方案 1. 加工机床的选择 使用国产立式数控铣床, 型号 XZK7532A( 数控系统为华中 I 型 ) 2. 装夹方式 由于该零件有两个孔, 可做一个一面两销的简单夹具, 其中 10 mm 孔处为菱形销 定位夹紧示意图如图 4-32 所示 应该注意, 由于在加工过程中, 切削力是由夹具 工件 垫板之间产生的摩擦力来平衡的, 因此在不影响周边铣削的情况下, 夹具 垫板的面积尽可能选大一些 Y H( 20,50) A(60,50) B G O F E X C D 3. 刀具的选择 图 4-32 加工轨迹图 由于是外轮廓加工, 选用立铣刀, 又因为该零件轮廓较简单, 所以刀具直径和长度的选择只需考虑刀具的刚度, 在保证加工过程刀具与垫板不发生干涉的情况下, 刀具的长度尽可能短 据此, 刀具直径选 12 mm, 长度选 50 mm 4. 加工路线 由于零件轮廓较简单, 只需考虑切入和切出的方式 按工艺原则的要求, 切入和切出段尽可能与零件轮廓相切, 以避免直接切入和切出时在工件上留下刀痕 加工路线如图 4-31 中的点划线所示

143 138 数控机床编程与实例 5. 切削用量 设定主轴转速为 600 r/min, 进给速度为 200 mm/min 6. 加工程序的编制 (1) 确定工件坐标系 : 选择凸轮 20 mm 孔圆心 ( 即夹具上芯轴的中心 ) 为 X Y 轴零点, 工件表面为 Z 轴零点, 建立工件坐标系 起刀点选在 O 点, 其 Z 坐标值要视装夹螺栓的高度而定, 这里假定螺栓伸出高度的 Z 坐标值为 30 mm( 即螺栓顶端到工件表面的距离 ), 则起刀点的 Z 坐标值可定为 35 mm, 参见图 4-30 图 4-31 (2) 数学处理 : 在编制程序之前, 要计算每一圆弧的起点坐标值和终点坐标值, 有了坐标值方能正式编程 计算过程不再赘述, 算得的基点坐标分别为 :G(18.856,36.667), F(28.284,10.000),E(28.284, ),D(18.856, ) (3) 零件程序编制 : 根据算得的基点和设定的工件坐标系, 编制的零件加工程序如下 : O 0001 // 零件程序号 #101=6; // 设置 Φ 12 立铣刀的刀补值 ( 半径 ) N10 G92 X0 Y0 Z35; N20 G90 G00 G42 D#101 X60.0 Y50.0; // 建立工件坐标系 // 快速由点 O 移到点 A(60,50,35), 并建立刀补 N30 Z-7.0 M03 F500 S600; // 由点 A 下刀到 (60,50,-7) N40 X0 Y50.0; N50 G03 Y-50.0 J-50.0; N60 G03 X Y R20.0; N70 G01 X Y-10.0; N80 G03 X Y10.0 R30.0; N90 G01 X Y36.667; N100 G03 X0 Y50.0 R20.0; N110 G01 X-20.0; N120 G00 Z35.0; N130 G40 X0 Y0 M05; N140 M30; 7. 加工操作 // 由点 A 到点 B, 切入 // 加工圆弧 BC // 加工圆弧 CD // 加工直线 DE // 加工圆弧 EF // 加工直线 FG // 加工圆弧 GB // 由点 B 到点 H, 切出 // 抬刀 // 取消刀补, 回到对刀点 O // 程序结束 (1) 机床各轴回参考点 建立机床坐标系 (2) 夹紧立铣刀, 然后在工作台上安装夹具, 并调整夹具的芯轴和销钉中心的连线与 Y 方向平行

144 第 4 章数控加工中心编程技术 139 (3) 对刀操作 : 调整机床, 使主轴中心与夹具芯轴中心同轴 此时, 屏幕上 机床坐标系 项目下显示的 X Y 轴的值即为工件原点与机床原点 X Y 轴的偏置值, 记下此数据 按图 4-33 所示安装工件, 然后启动主轴, 并手动操作 X 轴或 Y 轴, 将刀具移到工件毛坯将被切掉的某一位置的上方, 再缓慢下降 Z 轴, 当刀具端面与工件表面接触时, 表示已找到工件坐标系 Z 轴的零点 此时, 屏幕上 机床坐标系 项目下显示的 Z 轴的值即为工件原点与机床原点 Z 轴的偏置值 记下此数据 Z Y 图 4-33 工件装夹示意图 先将 Z 轴抬高 35 mm, 然后使 X Y 轴移到工件原点, 此时, 刀具已处在起刀点的位置 输入凸轮加工程序, 并进行程序检验 ( 语法检查 空运行等 ) 修改, 直至程序无错误 试切并检查零件是否合格 若合格, 则说明该程序正确, 否则应分析原因并采取相应措施 较为复杂零件的数控加工中心加工实例 加工图 4-34 所示的零件, 图 4-35 为该零件的毛坯示意图, 毛坯的大平面经过预先铣削加工, 材料为 45 钢 由零件图和毛坯图可知, 该零件需要进行铣削和钻削加工, 为了在一次装夹后完成所有的加工, 所准备的毛坯增加了一个工艺凸台, 可以利用该凸台将其装夹在平口钳上, 在加工完零件形状后再设法去除工艺凸台 下面是数控铣削的典型加工程序 ( 图 4-33 中的点划线部分为刀具中心轨迹,1 2 为每段程序的加工位置, 与程序段号相同 )

145 140 数控机床编程与实例 r m 图 4-34 零件图 Φ 310 Φ 150 图 4-35 毛坯图

146 第 4 章数控加工中心编程技术 141 铣削加工 : O 0002 // 程序号 N10 G90 G54 G00 X200.0Y140.0Z100.0; // 快速走刀到开始点 a N20 X170.0Y0.0Z-30.0; // 快速进给到 b 点, 同时下刀 注意是否有干涉 N30 G41X150.0Y-20.0D01S180M03; // 快速进给到 c 点刀径左补, 设定主轴转速 N40 G01V-10.0F150; // 切削进给至 d 点并设定切削速度 N50 G02X120.0Y120.0R150.0; // 顺时针圆弧切削至 e 点 N60 G01U-30.0; // 直线切削至 f 点 N70 G03U V20.0R30.0; // 逆时针圆弧切削至 g 点 N80 G01X ; // 直线切削至 h 点 N90 G03X-90.0Y-120.0R30.0; // 逆时针圆弧切削至 i 点 N100 G01U-30.0; // 直线切削至 j 点 N110 G02X-150.0Y-30.0R150.0; // 顺时针圆弧切削至 k 点 N120 G03X-120.0Y0R30.0; // 逆时针圆弧切削至 l 点 N130 G02X120.0R120.0; // 顺时针圆弧切削至 m 点 N140 G03U30.0V-30.0R30.0; // 逆时针圆弧切削至 d 点 N150 G01U10.0; // X 正向移动 10 mm N160 G40G00X170.0Y0; // 取消刀具补偿, 快速进给至 b 点 N170 Z10.0; // 抬刀 N180 X0; // 回到 XY 坐标原点 N190 Z2.0; // 快速进刀 N200 G01Z-30.0F80; // Z 轴切削 N210 G01G42X-35.0Y35.0D01F150; // 刀具右补, 直线进给到 n 点 N220 G02X0Y70.0R35.0; // 作为圆弧切入, 顺时针圆弧切削至 p 点 N230 J-70.0; // 顺时针圆弧切削一周 N240 X35.0Y35.0R35.0; // 作为圆弧切出, 顺时针圆弧切削至 q 点 N250 G00G40X0Y0M05; // 取消刀具补偿, 快速回原点, 主轴停止 N260 Z100.0; // 抬刀 N270 X200.0Y140.0M0; // 返回开始点 钻削加工 : N280 G43X0Y0Z10.0H11S600M03; N290 G99G76R5.0Z-35.0Q10.0F100L0; N300 G00X73.612Y42.5; // 刀具长度 + 补偿, 设定主轴转速 // 钻孔固定循环 // r 孔

147 142 数控机床编程与实例 N310 X0Y85.0; N320 X Y42.5; N330 Y-42.5; N340 X0Y-85.0; N350 X73.612Y42.5; N360 X-110.0Y-85.0; N370 X-110.0; N380 G80G00X0Y0; N390 G49Z100.0M05; N400 X200.0Y140.0; N410 M30; // s 孔 // t 孔 // u 孔 // v 孔 // w 孔 // x 孔 // y 孔 // 取消固定循环 // 取消刀具长度补偿, 抬刀, 主轴停止 // 返回加工开始点 // 程序结束 冲头的数控加工中心加工实例 如图 4-36 所示, 工件为一车灯反射面钣金模具的冲头, 它的外表为椭球面 其加工过程主要分为以下几个步骤 ZC YC XC 1. 确定工件的装夹方法和工件坐标系 工件毛坯的装夹采用平口钳, 在圆形毛坯的下面铣出一个小平面作为定位平面, 钳口就夹在这个平面上 假定设计编程的坐标系 XC YC 和 ZC 分别与机床坐标系的 X 轴 Y 轴和 Z 轴一致 Z 轴原点选在毛坯的上表面,X Y 选在毛坯的上表面圆心 2. 确定加工方法并进行数控编程及加工仿真 根据工件的特点, 确定利用 4 道工序进行数控加工 首先是粗加工, 利用铣型腔的方法来编制粗加工程序 在编程过程中, 要注意以下几个参数的选择 图 4-36 车灯反射面钣金模具的冲头 (1) 加工刀具的选择 由于粗加工需要去除大量的金属材料, 所以应选用加工效率比较高 承载能力比较大的刀具进行加工 在本例中选用的是 Φ 16 的键槽铣刀 (2) 为半精加工和精加工预留合适的加工余量 在本例中选加工余量为 0.25 mm (3) 切削用量和进给速度 主轴转速等参数的选择 这几个参数的选择主要受刀具的大小 材质 形状, 毛坯的材料, 机床的承载能力及冷却效果等因素的影响, 编程中所定的参数可由操作者根据加工的实际情况调整 (4) 走刀方式的选择 采用何种走刀方式, 如轮廓仿形 平行走刀等, 主要根据毛坯

148 第 4 章数控加工中心编程技术 143 和零件的形状来选择 本例中选用轮廓仿形加工 (5) 加工精度选择 加工精度是指在计算机插补计算过程中, 加工程序与实际形状之间的最大误差 由于是粗加工, 可以选择系统默认的 0.03 mm 以上几个参数的选择对加工质量和效率具有较大的影响 实际上, 在数控编程过程中, 还有许多其他的参数, 如进 退刀方式, 刀具转移方式, 下刀点的选择等, 需根据具体情况确定 粗加工完成后, 再对工件进行半精加工, 以去除粗加工时留下的台阶, 并为精加工留下比较合理的加工余量, 使精加工刀具能够吃刀均匀, 受力稳定, 从而保证工件的加工精度 半精加工采用固定轴的加工方式, 刀具选用 Φ 16 球头铣刀, 为精加工预留 0.15 mm 的加工余量 半精加工不需要分层铣削, 刀具只需按照一定的驱动方式和合理的步距沿着曲面运动, 使加工表面比较接近实际的曲面形状 半精加工完成后就可以对工件进行精加工了 精加工的程序编制也选用固定轴的铣削方式, 步距的选择利用扇形区域的残余高度来确定, 本例中设残余高度为 mm, 因而加工轨迹非常密 由于加工量比较小, 可以尽量加快走刀速度, 以提高加工效率 最后, 还需要铣削曲面下方的柱面, 和对柱面与平面的接触部分进行清根, 这两部分的加工可编为一个程序, 加工用的刀具为 Φ 16 键槽铣刀 得到数控程序后, 还要将程序传送给机床, 在本例中采用串行接口进行传送 工件装夹用的是平口钳, 钳口和底平面已经事先用千分表拉平 将毛坯的侧平面和固定钳口靠紧, 底平面靠在平口钳的底平面上, 如果高度不合适, 可以用合适的垫铁将工件垫起来, 夹紧平口钳, 并用铜棒在工件的上表面进行适度的打击, 以保证工件的底平面和平口钳底紧密接触 安装好工件之后, 需要确定加工坐标系 在本例中, 工件 X Y 方向的坐标可以利用分中的方法来确定 以 X 坐标为例, 首先将找正器装夹在已安装在机床主轴上的钻夹中 令主轴以 600 r/min 的速度旋转并使找正器沿着 X 轴的正 ( 或负 ) 方向逐渐靠近工件, 当接触到工件之后, 减低速度或把手轮切换到低速档, 使找正器和工件缓慢地接近, 当偏心轮的上下两部分突然甩开时, 将主轴提起并将 X 坐标定为零, 然后再将找正器沿相反的方向接近工件 当偏心轮甩开时, 记下当前坐标, 将主轴移动到该坐标的一半处并将该处的坐标定为零, 这样,X 轴的坐标就确定了 用同样的方法也可以确定 Y 轴的坐标 ( 参见图 4-37) X Y 轴原点确定之后, 取下找正器, 换上粗加工刀具 Φ 16 键槽铣刀, 并利用它来确定 Z 轴坐标 Z 轴方向的坐标确定有多种方式, 如利用对刀器, 或者利用量块 塞纸等垫在刀具和工件之间, 根据压紧力来确定坐标, 或者让刀具以一定的转速旋转, 并逐渐接近工件的上表面, 当刀具和工件刚一接触时, 就可以确定 Z 轴的坐标 本例利用量块来确定 Z 轴的坐标 当需要将工件的上表面定为 Z 轴的原点时, 可用 100 mm 长的量块立在工件的上表面, 让刀具缓慢地接近量块, 用手扶住量块并来回移动, 当刀具和量块接触后, 量块被压紧无法移动, 这时将机床 Z 坐标定为 100 mm, 即将工件的上表面定为零 ( 对刀过程中

149 144 数控机床编程与实例 一定要注意, 刀具要缓慢地接近量块, 以免刀具和量块发生碰撞 ), 如图 4-38 所示 确定 Z 轴坐标以后, 以一把刀具为基准, 在对刀仪上测量其他刀具和基准刀具的长度差, 并将测量的结果输入机床的刀具补偿中, 在换刀时只需调出该刀具的补偿值即可 图 4-37 用找正器确定 XY 坐标 图 4-38 用量块确定 Z 轴坐标 完成以上工作后, 就可以运行程序进行实际加工, 加工按照粗加工 半精加工 精加工和清根的顺序进行 由图 4-39 的仿真图可以看出, 下部粗加工所留下的刀痕和经过精加工得到的上部光洁表面 图 4-40 是加工完成后的工件, 可以看到, 工件的形状与计算机造型完全一致, 经测量, 尺寸精度和表面质量达到要求 图 4-39 仿真图 图 4-40 加工完成的模具照片

150 第 4 章数控加工中心编程技术 数控铣削自动编程技术 能够进行数控铣削的自动编程软件有许多, 例如 Master CAM UG CAM CAXA CATIA 等 本章以 UG CAM 的自动编程功能为例, 介绍数控铣削加工的自动编程技术 UG CAM 介绍 众所周知,UG 是当今世界最先进的高端 CAD/CAM/CAE 软件, 其各大功能高度集成 UG CAM 是 UG 的计算机辅助制造模块, 它与 UG CAD 紧密结合在一起, 是十分实用的数控编程软件之一 虽然 UG CAM 具有强大的功能, 但是对于初学者来说, 它的操作却是十分容易学习和掌握的 使用 UG CAM 可以实现数控铣 数控车 数控线切割的自动编程, 同时可以实现五轴的数控铣编程 UG CAM 更提供了十分人性化的仿真处理功能, 使使用者可以方便地确认所编写的加工程序的正确性 1.UG CAM 可以实现的数控铣加工的加工方式和特点 (1) 平面铣 可以实现对平面零件 ( 由平面和垂直直线构成的零件 ) 的粗加工和精加工 ( 如图 4-41 所示 ) (2) 型腔铣 主要应用于平面铣不能解决的曲面零件的粗加工 ( 如图 4-42 所示 ) 图 4-41 平面铣零件示意图 图 4-42 型腔铣零件示意图 (3) 固定轴曲面轮廓铣 主要用于以三轴方式对零件曲面进行半精加工和精加工, 并且可以实现多种精加工方式 (4) 可变轴曲面轮廓铣 主要应用于需要使用五轴铣床或加工中心加工的零件的数控自动编程功能, 同样可以实现多种精加工方式 2.UG CAM 的其他功能特点 (1) 仿真功能 对于已经生成数控程序的零件来说, 在 UG CAM 中可以仿真其在数控

151 146 数控机床编程与实例 机床上进行的实际加工过程, 同时可以检验工件 机床和刀具之间有没有干涉的现象发生 这样不仅可以检验数控程序的正确性, 同样可以检验数控加工的可执行性 (2) 定制编程环境 UG CAM 的数控编程环境是可以由用户自己定制的 用户可以根据自己的需要定制编程环境, 将自己经常使用的功能包含在编程环境当中, 将自己不常用到的功能排除在外 使整个编程的环境符合自己的使用需要, 提高编程的效率 (3) 工艺文件的生成 同许多 CAM 软件一样,UG CAM 也提供了工艺文件的输出功能, 这样使得 CAPP 与 UG CAM 的集成更加方便, 同时也方便了工程师和现场加工人员的沟通 由于篇幅的限制, 本章不对功能方面进行详细的讲解, 只介绍 UGCAM 中平面铣和型腔铣的两个实例, 以使读者对数控铣的自动编程有一定的了解 UG CAM 平面铣和型腔铣的实例 1.UG CAM 平面铣削实例 (1) 首先在 UGCAD 中建立如图 4-43 所示的模型 图 4-43 零件模型 (2) 进入加工环境 (3) 在操作导航器中创建一把铣刀, 刀具参数设置和刀具如图 4-44 所示 (4) 在操作导航器的几何视图中, 双击 MCS_MILL, 弹出 MILL_ORIENT 对话框 单击加工坐标系, 弹出点构造器对话框, 将加工坐标系改变到图 4-45 所示位置 加工坐标的确定非常重要, 它决定了毛坯将来如何在机床中定位, 从哪里对刀等问题 (5) 双击 WORKPIECE, 弹出 MILL_GEOM 对话框, 如图 4-46 所示 选择, 单击 选择, 选择待加工的零件的毛坯

152 第 4 章数控加工中心编程技术 147 图 4-44 刀具创建对话框和刀具 ZC ZM YC XC 图 4-45 加工坐标系确定 图 4-46 选择毛坯对话框 (6) 在工具菜单中选择 PART MATERIAL, 弹出选择零件材料的对话框, 如图 4-47 所示 选取零件的材料, 零件材料的选取是自动计算切削速度和切削进给量的依据

153 148 数控机床编程与实例 图 4-47 零件材料选择对话框 (7) 单击工具栏中的 创建几何 按键, 弹出创建几何体对话框 按照图 4-48 所示选择几何类型 子类型 父本组, 然后点击 应用, 进入 MILL_BND 对话框 (8) 在如图 4-49 所示的 MILL_BND 对话框中选择, 单击 选择 按键, 弹出零件边界对话框 PART BOUNDARY 图 4-48 几何体创建对话框 图 4-49 零件边界对话框 (9) 按图 4-50 所示选择和设置参数, 同时确定边界平面, 当平面一栏选中 手工的 的时候, 边界平面选取的界面将自动弹出, 将零件的上平面作为边界平面

154 第 4 章数控加工中心编程技术 149 图 4-50 边界选择示意图 (10) 选择零件的外边界, 单击, 执行结果如图 4-51 所示 图 4-51 零件加工边界示意图 然后将 材料侧 改为 内部, 重复以上步骤, 得到的结果如图 4-52 所示 图 4-52 零件加工边界示意图

155 150 数控机床编程与实例 最后按图 4-53 所示设置界面, 并选择零件内部岛屿形状的上平面和内腔的底平面 最后得到的结果如图 4-54 所示 但是我们可以注意到, 零件型腔内部的一个边界应该为外侧, 所以还需要对型腔的边界线进行修改 修改的方法是退回到 MILL_BND 界面, 然后选择 编辑, 单击或者, 如图 4-55 所示, 直到内边界成为当前显示边界, 将 材料侧 改为 外部 即可 图 4-53 参数选择面方法 图 4-54 零件加工边界最终结果 图 4-55 边界编辑对话框 (11) 返回 MILL_BND 对话框, 选择毛坯边界 设置方法如图 4-56 所示 选择毛坯顶面为毛坯边界, 如图 4-57 所示 最后选择选项, 创建底平面, 同时完成几何加工的定义, 如图 4-58 所示

156 第 4 章数控加工中心编程技术 151 图 4-56 毛坯边界选择对话框 图 4-57 毛坯边界示意图

157 152 数控机床编程与实例 图 4-58 底面选择 (12) 打开创建操作对话框, 操作类型 子类型 共享数据节点以及操作名称的设定如图 4-59 所示 点击 应用 按钮进入 PLANAR_MILL 对话框, 设置各种切削用量, 包括切削深度 进给速度等, 如图 4-60 和图 4-61 所示 切削深度设定时增加 0.02 mm 的侧余量, 以防止侧刃的摩擦 图 4-59 创建操作对话框 图 4-60 切削深度参数设定

158 第 4 章数控加工中心编程技术 153 图 4-61 切削用量设定 (13) 设置避让点,FORM 点和 GOHOME 点如图 4-62 所示 图 4-62 避让点示意图 (14) 其余参数按照默认值设定, 单击 PLANANR_MILL 对话框中的, 生成刀具轨迹, 单击 确定 按钮并保存文件 此时数控加工的自动编程完成, 生成的数控刀具轨迹如图 4-63 所示 图 4-63 刀具轨迹

159 154 数控机床编程与实例 2.UG CAM 型腔铣削实例 (1) 打开已经存在的零件文件, 或是建立新的 UG 三维零件模型, 本实例采用已经建成的零件文件, 如图 4-64 所示 文件中已经包括了零件几何模型 毛坯几何模型和刀具 本练习中, 直接利用系统默认提供的程序节点和切削方法节点, 不再另外定义 (2) 进入加工环境 (3) 在操作导航工具的几何视图中双击 WORKPIECE 节点, 打开 MILL_GEOM 对话框, 开始编辑毛坯几何体 因为 WORKPIECE 节点实际尚未制定毛坯几何, 因此单击 MILL_GEOM 对话框中的 图标, 再单击 选择 按钮, 如图 4-65 所示 图 4-64 实例零件模型 图 4-65 MILL_GEOM 对话框 弹出 毛坯几何体 定义对话框, 如图 4-66 所示 图 4-66 毛坯几何体 定义对话框

160 第 4 章数控加工中心编程技术 155 (4) 毛坯几何体 定义对话框中的设置如图 4-67 所示, 然后用光标直接在图形区选取毛坯模型, 单击 确定 关闭两级对话框 图 4-67 毛坯几何体 定义对话框设置 (5) 选取加工创建工具条中的 创建几何体, 弹出 创建几何体 对话框, 如图 4-68 所示 操作模版指定为 mill_contour, 子类型指定为 MILL_GEOM 图标, 父节点指定为前面创建的毛坯几何 WORKPIECE, 几何名为 PART 单击 应用, 弹出 WORKPIECE 的 MILL_GEOM 对话框, 如图 4-69 所示 (6) 在 MILL_GEOM 对话框中, 选取图标, 然后单击 选择, 弹出 工件几何体 对话框, 如图 4-70 所示 图 4-68 创建几何体 对话框图 4-69 WORKPIECE 的图 4-70 工件几何对话框 MILL_GEOM 对话框 (7) 零件几何体 对话框中的设置如图 4-71 所示, 然后用光标直接在图形区选取零件模型作为零件几何体, 单击 确定 关闭两级对话框

161 156 数控机床编程与实例 图 4-71 零件几何体 对话框设置 图 4-72 操作创建 对话框 ( 8 ) 选取加工创建工具条中的 创建操作 (Create Operation) 图标, 弹出 创建操作 对话框, 如图 4-72 所示 指定操作模版 类型 为 mill_contour, 子类型 ( 操作模版 ) 为 CAVITY_MILL, 程序 选 NC_PROGRAM, 使用几何体 选 PART, 使用刀具 选 MILL, 使用方法 选 MILL_ROUGH, 名称 为 CAVITY_MILL 单击 应用, 进入型腔铣 (CAVITY_MILL) 对话框, 这一步开始创建一个型腔铣粗加工操作, 本步骤指定操作的类型 操作名称 操作的父节点 (9) 在 CAVITY_MILL 对话框中, 将 Depth Per Cut(Range 1) 的值改为 3.0, 如图 4-73 所示 认定其他默认参数, 不做任何改变 至此这个操作的所有参数全部定义完成, 直接选取对话框下面的生成刀轨 这一步, 完成这个型腔隙粗加工操作的参数定义 其刀轨的生成视其加工复杂程度, 要花费一定的时间 生成的刀具轨迹如图 4-74 所示 图 4-73 切削深度设定 图 4-74 刀具轨迹 (10) 改变操作导航工具到程序视图, 可以看见创建的操作 :CAVITY_MILL, 如图 4-75 所示

162 第 4 章数控加工中心编程技术 157 图 4-75 程序视图 (11) 单击操作对话框下面的, 然后选择 动态仿真 (Dynamic) 选项卡, 单击生成切削的仿真动画, 结果如图 4-76 所示, 单击 确定, 完成操作的创建工作 图 4-76 加工动态仿真 (12) 在 文件 菜单中, 选择 保存 以保存加工模型的数据 4.5 本章习题 1. 简述加工中心与数控铣床之间的异同 2. 简述在何种情况下使用加工中心生产机械零件才能达到较高的经济效益 3. 数控加工中心适合加工哪几类零件? 4. 加工中心的刀具有哪几类? 它们分别适合于哪些加工场合? 5. 在加工中心上加工零件时, 从工艺方面考虑, 需要注意哪几点? 6. 选择加工图 4-77 图 4-78 所示零件所需刀具, 编制数控加工程序