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1 21 世纪全国高职高专机电类规划教材 数控加工工艺与编程 王军红主编 赵岐刚副主编

2 内容提要 本书根据高职高专教学的基本要求, 以强化应用 培养技能为重点, 介绍了数控加工工艺和数控编程的相关知识 全书共分 8 章, 分别介绍了 : 数控机床刀具的选择, 数控加工中工件的定位与装夹, 数控加工工艺基础, 数控加工程序编制基础, 数控车床的程序编制, 数控铣床的程序编制, 加工中心的程序编制, 数控电火花线切割机床的程序编制等内容 本书每章配有典型实例及习题, 以方便读者学习 本书适合作为高职院校 中等职业技术学校数控技术专业 机电一体化专业 机械制造及自动化专业 模具设计与制造专业 计算机辅助设计与制造专业的教学用书, 还可作为各类技能培训的教材, 也可供数控加工技术人员参考使用 图书在版编目 (CIP) 数据数控加工工艺与编程 / 王军红主编. 北京 : 北京大学出版社, (21 世纪全国高职高专机电类规划教材 ) ISBN I. 数 Ⅱ. 王 Ⅲ.1 数控机床 加工工艺 高等学校 : 技术学校 教材 2 数控机床 - 程序设计 - 高等学校 : 技术学校 教材 Ⅳ.TG659 中国版本图书馆 CIP 数据核字 (2007) 第 号 书 名 : 数控加工工艺与编程 著作责任者 : 王军红 主编 责任编辑 : 桂春 刘晶平 标准书号 :ISBN /TH 0070 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 出版部 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 14 印张 306 千字 2008 年 9 月第 1 版 2008 年 9 月第 1 次印刷 定 价 :25.00 元 未经许可, 不得以任何方式复制或抄袭本书之部分或全部内容 版权所有, 侵权必究举报电话 : ; 电子信箱 :fd@pup.pku.edu.cn

3 21 世纪全国高职高专机电类规划教材 编委会 编委会主任 : 黄泽森 闫瑞涛 编委会副主任 ( 排名不分先后 ) 栾敏秦庆礼张晓翠赵世友编委会委员 ( 排名不分先后 ) 邓先智耿南平何晶侯长来胡育辉黄仕君马光全汤承江王军红王新兰吴春玉谢婧辛丽宇海英袁晓东张琳张明朱福明

4 前 言 21 世纪, 机械制造业的竞争, 其实质是数控技术的竞争 目前, 我国的制造业正朝着自动化 柔性化 集成化的方向发展 随着数控技术应用的日趋广泛, 对数控技术专业的技能型人才的需求越来越多 数控技术是综合运用计算机技术 自动控制技术 自动检测及精密机械等高新技术的产物 数控技术包括数控加工工艺 数控编程 数控机床的操作和维护等内容 而本书涉及的数控加工工艺及编程是数控技术的核心, 配以相应的实验 实训, 即可掌握数控加工技术 本书正是为适应我国高等职业技术教育及应用型技术人才培养的需要而编写的 本书以数控加工工艺设计和数控编程为主线, 采用数控技术领域中的新知识 新技术, 尽量考虑学生的认识水平和已有的知识能力, 以突出实用性为重点, 以培养技能型人才为目标 其特点在于 : 应用性较强, 突出实际应用能力的培养 书中配以实用性较强的典型例题 习题, 使学生易于理解, 会举一反三, 达到融会贯通的目的 全书包含数控加工工艺及数控编程两部分内容, 共 8 章 第 1~3 章主要讲述数控加工工艺知识, 涉及刀具 夹具 数控加工工艺等方面知识 ; 第 4~8 章主要讲述数控车削 数控铣削 加工中心及数控线切割等的加工工艺及程序编制 本书以广泛使用的 FANUC 系统为例, 详细介绍了数控程序编制的方法及步骤 各章节内容连贯, 由浅入深, 使学生逐步掌握数控加工工艺及数控编程等知识 本书不仅可以作为高职高专院校机电类专业中数控技术应用专业 机电一体化专业 机械制造及自动化专业 模具设计与制造专业 计算机辅助设计与制造专业的教学用书, 还可作为各类业余大学 中等职业学校及各类技能培训的教学用书, 并可供数控加工技术人员参考使用 本书由天津电子信息职业技术学院王军红任主编 ; 辽宁机电职业技术学院赵岐刚任副主编 全书共 8 章, 其中第 1 2 章由黑龙江农业经济职业学院刘春玲编写, 第 3 章由天津电子信息职业技术学院王军红编写, 第 4 5 章由天津市第一轻工业学校张国平编写, 第 6 7 章由辽宁机电职业技术学院赵岐刚编写, 第 8 章由四川工商职业技术学院李伟编写, 全书由王军红统稿 天津电子信息职业技术学院刘洪贤 陶群利任本书主审 在本书的编写过程中, 陈志刚 王新兰 李宝柱等人对本书的编写提出了许多宝贵的建议和修改意见, 在此表示衷心的感谢! 由于编者水平有限, 加之数控技术发展迅速, 书中难免有疏漏和不足之处, 敬请读者提出宝贵意见 编者 2008 年 5 月

5 目 录 第 1 章数控机床刀具的选择 数控加工工艺系统概述 零件的数控加工过程 数控加工工艺的基本特点 数控加工工艺的主要内容 切削基本知识 切削运动和切削要素 刀具几何角度 刀具材料及其选用 刀具失效与磨损 金属切削过程及控制 切削用量及切削液的选择 数控机床刀具的种类及特点 数控刀具的种类 数控刀具的特点 可转位刀片及其代码 工具系统...15 习题...17 第 2 章数控加工中工件的定位与装夹 数控夹具概述 机床夹具的定义 夹具的类型 工件的定位 工件定位的基本原理 常用定位元件限制的自由度 常见定位元件的应用 基准及分类 定位基准及其选择 定位误差及分析...29

6 II 数控加工工艺与编程 2.3 工件的夹紧 夹紧装置的基本要求 夹紧力的确定 数控机床典型夹具简介 车床夹具 铣床夹具...37 习题...39 第 3 章数控加工工艺基础 数控加工工艺规程概述 生产过程和工艺过程 生产纲领和生产类型 零件的工艺分析 工艺路线的拟订 表面加工方法的选择 工序的划分 加工顺序的安排 工序设计与实施 加工余量的确定 工序尺寸及偏差的确定 机械加工精度分析 数控加工工艺设计 分析零件图样 数控加工中的工艺分析与工艺处理 数学处理...73 习题...75 第 4 章数控加工程序编制基础 程序编制的概念 数控程序编制的内容和方法 程序编制的格式及代码 数控机床的坐标系 坐标轴的运动方向及其命名 坐标系的原点 绝对坐标与增量 ( 相对 ) 坐标 常用编程指令 坐标指令...87

7 目录 III 运动指令...88 习题...90 第 5 章数控车床的程序编制 数控车床程序编制的基础 数控车床的分类 数控车床的主要功能 数控车削加工的主要对象 数控车削加工的工艺分析 对刀 典型零件的加工工艺分析 数控车床程序编制的基本方法 数控车床编程坐标系的建立 数控车床的编程特点 数控车床的编程指令 典型零件的程序编制 习题 第 6 章数控铣床的程序编制 数控铣床程序编制的基础 数控铣床的主要功能 数控铣削加工的主要对象 数控铣床的工艺装备 数控铣削的工艺性分析 数控铣床程序编制的基本方法 数控铣床编程坐标系的建立 数控铣床的编程特点 数控铣床的编程指令 典型零件的程序编制 习题 第 7 章加工中心的程序编制 加工中心程序编制的基础 加工中心的主要功能 加工中心加工的主要对象 加工中心的工艺分析 加工中心程序编制的基本方法 机床坐标系与加工坐标系

8 IV 数控加工工艺与编程 加工中心的对刀方法 加工中心编程要点 典型零件的程序编制 习题 第 8 章数控电火花线切割机床的程序编制 数控电火花线切割机床简介 数控电火花线切割加工原理 数控电火花线切割机床分类 数控电火花线切割机床的组成 数控电火花线切割机床的特点 数控电火花线切割机床的应用 数控电火花线切割加工工艺 线切割加工主要工艺指标 线切割加工工艺分析 数控电火花线切割机床的基本编程方法 B 格式编制程序 B 格式编制程序 ISO 代码数控程序编制 习题 参考文献

9 第 1 章 数控机床刀具的选择 1.1 数控加工工艺系统概述 数控加工技术是 20 世纪 40 年代后期发展起来的一种自动化加工技术, 它是综合计算机 自动控制 自动检测及精密机械等高新技术的产物, 目前在机械制造业中已得到了广泛应用 零件的数控加工过程 在数控机床上完成零件数控加工的过程如下 : (1) 根据零件加工图样进行工艺分析, 确定加工方案, 进行工艺参数的选择和位移数据点的计算 (2) 编制零件加工程序单 ( 可以用 CAD/CAM 软件进行自动编程, 直接生成零件的加工程序文件 ) (3) 程序的输入或传输 手工编程时, 可以通过数控机床的操作面板输入程序 ; 由编程软件生成的程序, 通过计算机的串行通信接口直接传输到数控机床的数控单元 (4) 进行程序的模拟校验及首件试切等 (5) 运行程序, 正确地操作机床, 完成零件的加工 数控加工过程是按照事先编制的零件加工程序, 借助于数控加工工艺系统自动完成零件加工的过程 数控加工工艺系统由数控机床 刀具 夹具和工件构成 数控加工工艺的基本特点 工艺规程是工人在加工时的指导性文件 由于普通机床受控于操作工人, 因此, 在通用机床上用的工艺规程实际上只是一个工艺过程卡, 机床的切削用量 走刀路线 工序 工步等往往都是由操作工人自行选定 数控机床加工的程序是数控机床的指令性文件, 数控机床受控于程序指令, 加工的全过程都是按程序指令自动进行的 因此, 数控机床加工工艺规程与普通机床工艺规程有较大差别, 涉及的内容也较广 数控机床加工程序不仅包括零件的工艺过程, 而且还要包括切削用量 走刀路线 刀具数据及机床的运动过程, 因此, 要求编程人员对数控机床的性能 特点 运动方式 刀具系统 切削规范以及工件

10 2 数控加工工艺与编程 的装夹方法都要非常熟悉 工艺方案的好坏不仅会影响机床效率的发挥, 而且将直接影响零件的加工质量 数控加工工艺的主要内容 数控加工工艺设计的主要内容包括以下几个方面 : (1) 分析被加工零件的图样, 明确加工内容及技术要求 (2) 确定零件的加工方案, 制定数控加工工艺路线, 如划分工序 安排加工顺序等 (3) 加工工序的设计 选取零件的定位基准 确定装夹方案 工步的划分 刀具选择和确定切削用量等 (4) 数控加工程序的调整 如选取对刀点和换刀点 确定刀具补偿及确定坐标系和加工路线等 切削运动和切削要素 1.2 切削基本知识 在机床上用金属切削刀具切除工件上多余的金属, 从而使工件的形状 尺寸精度及表面质量都符合预定要求的加工, 称为金属切削加工 在金属切削过程中, 刀具与工件必须有相对的切削运动, 它是由金属切削机床来完成的 1. 切削运动 切削加工过程包含两种运动, 即主运动和进给运动 (1) 主运动 主运动是直接切除毛坯上的金属使之变成切屑的运动, 是进行切削的最基本的运动 主运动的特点是切削加工中速度最高, 消耗功率最大 主运动的形式一般为旋转运动或直线运动 主运动只有一个 对于车床来说, 主运动是工件的旋转运动, 而铣床的主运动是机床主轴的旋转运动 (2) 进给运动 进给运动是不断将被切削金属投入切削, 以逐渐切除整个工件表面的运动 进给运动消耗功率比主运动要小得多, 其运动形式一般为直线 旋转或两者的合成运动, 它可以是连续的或断续的 进给运动可以是一个, 也可以是多个 车削外圆时的进给运动是刀具的连续纵向直线运动, 铣削时的进给运动是工作台的横向和纵向的直线运动 (3) 合成切削运动 合成切削运动是由主运动和进给运动合成的运动 刀具切削刃上选定点相对工件的瞬时合成运动方向称为合成切削运动方向, 其速度称为合成切削速度

11 第 1 章数控机床刀具的选择 3 2. 加工表面 在切削过程中, 工件上有 3 个不断变化着的表面, 如图 1-1 所示 其中待加工表面为工件上有待切除的表面 已加工表面为工件上经刀具切削后产生的表面 过渡表面为工件上由切削刃形成的那部分表面, 它在下一切削行程 刀具或工件的下一转里被切除, 或者由下一切削刃切除 3. 切削要素 图 1-1 车削运动和加工表面 1 待加工表面 ;2 过渡表面 ;3 已加工表面 切削要素包括切削用量和切削层的几何参数 本书只介绍切削用量的相关知识, 对于切削层的几何参数可参考其他相关书籍 图 1-2 所示为切削用量三要素 f v c a p d w d m v f 图 1-2 切削用量三要素 切削用量是用来表示切削运动 调整机床用的参量, 并且可用它对主运动和进给运动进行定量的表述, 它包括以下 3 个要素

12 4 数控加工工艺与编程 (1) 切削速度 v c 在切削加工时, 切削刃选定点相对于工件主运动的瞬时速度称为切削速度 即在单位时间内, 工件和刀具沿主运动方向的相对位移, 单位为 m/min 大多数切削加工的主运动是回转运动 ( 车 钻 镗 铣 磨削加工 ) 时, 其切削速度为加工表面最大线速度, 即 πdwn v c = 1000 式中 d w 切削刃选定点处所对应的工件的最大回转直径,mm; n 主运动的旋转速度,r/min (2) 进给量 f 在主运动的一个循环内, 刀具在进给方向上相对于工件的位移量称为进给量, 可用刀具或工件每转或每行程的位移量来表达或度量 ( 图 1-2) 其单位为 mm/r( 如车削 镗削等 ) 或 mm/ 行程 ( 如刨削 磨削等 ) 车削时的进给速度 v f ( 单位为 mm/min) 是指切削刃上选定点相对于工件的进给运动的瞬时速度, 它与进给量之间的关系为 vf = nf 对于铰刀 铣刀等多齿刀具, 常要规定出每齿进给量 f z ( 单位为 mm/z), 其含义为多齿刀具每转或每行程中每齿相对于工件在进给运动方向上的位移量, 即 f fz = z 式中 z 多齿刀具的刀齿数 (3) 背吃刀量 a p 背吃刀量 a p 是已加工表面和待加工表面之间的垂直距离, 其单位为 mm 外圆车削时, dw dm ap = 2 式中 d w 待加工表面直径,mm; d m 已加工表面直径,mm 刀具几何角度 任何刀具都是由刀柄 ( 刀体 ) 和刀头 ( 刀齿 ) 组成 刀柄用于夹持刀具, 刀头构成刀具的切削部分, 担负着切削工作 图 1-3 所示为外圆车刀切削部分的名称 外圆车刀的几何角度如图 1-4 所示, 几个主要角度的定义和作用见表 1-1

13 第 1 章数控机床刀具的选择 5 图 1-3 外圆车刀切削部分的名称 1 主切削刃 ;2 第一前刀面 ( 倒棱 );3 第二前刀面 ;4 第一后刀面 5 第二后刀面 ;6 刀尖 ;7 第二副后刀面 ;8 第一副后刀面 ;9 副切削刃 P' 0 α' 0 α' 0 β 0 r 0 图 1-4 车刀角度 γ 0 前角 ;α 0 后角 ;β 0 楔角 ;k r 主偏角 k' r 副偏角 ;ε r 刀尖角 ;ψ r 余偏角 ;λ s 刃倾角 ;α' 0 副后角 表 1-1 刀具主要角度的定义和作用 名 称 定 义 作 用 前角 γ 0 前刀面与基面间的夹角, 在正交平面减少切削变形和刀 - 屑间摩擦 影响切削力 P 0 中测量刀具寿命 切削刃锋利, 利于切下切屑 后角 α 0 后刀面与切削平面间的夹角, 在正交减少刀具后刀面和已加工表面间的摩擦 调平面 P 0 中测量整刀具刃口的锐利和强度 主偏角 κ γ 主切削平面与假定工作平面间的夹适应系统刚度和零件外形需要, 改变刀具散角, 在基面 P r 中测量热情况, 影响刀具寿命 副偏角 κ' r 副切削平面与假定工作平面间的夹减小副切削刃与工件间的摩擦, 影响工件表角, 在基面 P r 中测量面粗糙度和刀具散热情况 刃倾角 λ S 主切削刃与基面间的夹角, 在主切削能改变切屑流出的方向, 影响刀尖强度和刃平面 P S 中测量口锋利性

14 6 数控加工工艺与编程 刀具材料及其选用 1. 刀具材料 刀具材料性能的好坏, 是影响加工表面质量 切削效率 刀具寿命的基本因素 刀具材料必须具备以下性能 : (1) 高硬度 刀具切削部分材料的硬度要高于工件材料的硬度 通常在室温下, 刀具硬度应高于 60HRC (2) 高耐磨性 耐磨性通常取决于硬度 材料的硬度越高, 耐磨性越好 含有耐磨性好的碳化物颗粒越多, 晶粒越细, 分布越均匀, 则耐磨性也越好 (3) 足够的强度和韧性 为了防止刀具崩刃和碎裂, 必须具有足够的强度和韧性 (4) 高耐热性 耐热性是指在高温下刀具切削部分材料保持常温时硬度的性能, 用红硬性和高温硬度表示 (5) 良好的工艺性 为了便于制造, 刀具切削部分材料应具有良好的锻造 焊接 处理和磨削加工等性能 (6) 抗黏接性 防止工件与刀具材料分子间在高温高压作用下互相吸附产生黏接 (7) 化学稳定性 指刀具材料在高温下, 不易与周围介质发生化学反应 2. 刀具材料的种类及其选用 数控机床刀具从制造所采用的材料上可以分为高速钢刀具 硬质合金刀具 陶瓷刀具 立方氮化硼刀具 聚晶金刚石刀具等 目前数控机床普遍使用的刀具是硬质合金刀具 (1) 高速钢高速钢是一种含钨 (W) 钼 (Mo) 铬 (Cr) 钒 (V) 等合金元素较多的工具钢, 它具有较好的力学性能和良好的工艺性, 可以承受较大的切削力和冲击 高速钢的品种繁多, 按切削性能可分为普通高速钢和高性能高速钢 ; 按化学成分可分为钨系 钨钼系和钼系高速钢 ; 按制造工艺不同, 分为熔炼高速钢和粉末冶金高速钢 1 普通高速钢 国内外使用最多的普通高速钢是 W6Mo5Cr4V2(M2 钼系 ) 及 W18Cr4V (W18 钨系 ) 钢, 含碳量为 0.7%~0.9%, 硬度为 63~66HRC, 不适于高速和硬材料切削 普通高速钢 W9Mo3Cr4V(W9) 是含钨量较多 含钼量较少的钨钼钢 其硬度为 65~ 66.5HRC, 有较好硬度和韧性的配合, 热塑性 热稳定性都较好, 焊接性能 磨削加工性能都较高, 磨削效率比 M2 高 20%, 表面粗糙度值也小 2 高性能高速钢 指在普通高速钢中加入一些合金, 如 Co Al 等, 使其耐热性 耐磨性又有进一步提高, 热稳定性高, 但综合性能不如普通高速钢 3 粉末冶金高速钢 其强度 韧性比熔炼钢有很大提高 可用于加工超高强度钢 不锈钢 钛合金等难加工材料 用于制造大型拉刀和齿轮刀具, 特别是切削时受冲击载荷的刀具效果更好

15 第 1 章数控机床刀具的选择 7 (2) 硬质合金硬质合金具有硬度高 ( 大于 89HRC) 熔点高 化学稳定性好 热稳定性好的特点, 但其韧性差 脆性大 承受冲击和振动能力低 其切削效率是高速钢刀具的 5~10 倍, 因此, 目前硬质合金是主要的刀具材料 1 普通硬质合金 常用的有 WC+Co 类和 TiC+WC+Co 类两类 WC+Co 类 (YG): 常用牌号有 YG3 YG3X YG6 YG6X YG8 等 数字表示 Co 的百分含量, 此类硬质合金强度好, 硬度和耐磨性较差, 主要用于加工铸铁及有色金属 Co 含量越高, 韧性越好, 适合粗加工 ; 含 Co 量少者用于精加工 TiC+WC+Co 类 (YT): 常用牌号有 YT5 YTl4 YTl5 YT30 等 此类硬质合金硬度 耐磨性 耐热性都明显提高, 但韧性 抗冲击振动性差, 主要用于加工钢料 含 TiC 量多, 含 Co 量少, 耐磨性好, 适合精加工 ; 含 TiC 量少, 含 Co 量多, 承受冲击性能好, 适合粗加工 2 新型硬质合金 在上述两类硬质合金的基础上, 添加某些碳化物可以使其性能提高 如在 YG 类中添加 TaC( 或 NbC), 可细化晶粒 提高硬度和耐磨性, 而韧性不变, 还可提高合金的高温硬度 高温强度和抗氧化能力, 如 YG6A YG8N YG8P3 等 在 YT 类添加合金, 可提高抗弯强度 冲击韧性 耐热性 耐磨性及高温强度 抗氧化能力等 可用于加工铸铁和有色金属, 被称为通用合金 ( 代号 YW) 此外, 还有 TiC( 或 TiN) 基硬质合金 ( 又称金属陶瓷 ) 超细晶粒硬质合金 ( 如 YS2 YM051 YG610 YG643) 等 (3) 新型刀具材料 1 涂层刀具 采用化学气相沉积 (CVD) 或物理气相沉积 (PVD) 法, 在硬质合金或其他材料刀具基体上涂覆一薄层耐磨性高的难熔金属 ( 或非金属 ) 化合物而得到的刀具材料 较好地解决了材料硬度及耐磨性与强度及韧性的矛盾 使用涂层刀具, 可缩短切削时间, 降低成本, 减少换刀次数, 提高加工精度, 且刀具寿命长 另外, 涂层刀具可减少或取消切削液的使用 2 陶瓷刀具材料 常用的陶瓷刀具材料是以 Al 2 O 3 或 Si 3 N 4 为基体成分, 在高温下烧结而成的 其硬度可达 91~95HRA, 耐磨性比硬质合金高十几倍, 适于加工冷硬铸铁和淬硬钢 ; 在 1200 高温下仍能切削, 高温硬度可达 80HRA, 在 540 时为 90HRA, 切削速度比硬质合金高 2~10 倍 ; 具有良好的抗黏接性能, 使它与多种金属的亲和力小 ; 另外, 化学稳定性好, 即使在熔化时, 与钢也不起相互作用 ; 抗氧化能力强 但其最大的缺点是脆性大 强度低 导热性差 3 超硬刀具材料 它是有特殊功能的材料, 是金刚石和立方氮化硼的统称, 用于超精加工及硬脆材料加工 它们可用来加工任何硬度的工件材料, 包括淬火硬度达 65~ 67HRC 的工具钢 ; 有很高的切削性能, 切削速度比硬质合金刀具提高 10~20 倍, 且切削时温度低, 超硬材料加工的表面粗糙度值很小, 部分切削加工可代替磨削加工, 经济效益显著提高

16 8 数控加工工艺与编程 刀具失效与磨损 1. 刀具失效 刀具在使用过程中丧失切削能力的现象称为刀具失效 在加工过程中, 刀具的失效是经常发生的, 主要的失效形式有刀具的破损和磨损两种 (1) 刀具破损 刀具破损常称之为打刀, 是由于刀具选择 使用不当及操作失误而造成的 一旦发生打刀, 很难修复, 常常造成刀具报废, 属于非正常失效, 应尽量避免 刀具破损包括两种形式 : 一种形式是由于切削过程中的冲击振动而造成的刀具崩刃 碎断现象和由于刀具表面受交变力作用引起表面疲劳而造成的刀面裂纹 剥落现象, 称为脆性破损 ; 另一种形式是塑性破损, 是指由于高温切削塑性材料或超负荷切削难切削材料时, 因剧烈的摩擦及高温作用使得刀具产生固态相变和塑性变形 (2) 刀具磨损 刀具的磨损属于正常失效形式, 可以通过重新刃磨来修复, 主要表现为刀具的前面磨损 后面磨损及边界磨图 1-5 刀具的磨损损 3 种形式, 如图 1-5 所示 前面磨损和边界磨损常见于塑性材料加工中, 前面磨损出现在常说的 月牙洼 ; 而在主切削刃靠近工件外皮处和副切削刃靠近刀尖处出现的磨损主要为边界磨损 ; 后面磨损常见于脆性材料加工中, 因脆性材料加工时易形成崩碎切屑, 切屑与刀具前面摩擦不大, 主要是刀具后面与已加工表面的摩擦 2. 刀具磨损过程与磨钝标准 (1) 刀具磨损过程在一定条件下, 不论何种磨损形态, 其磨损量都将随切削时间的增长而增长 由图 1-6 可知, 刀具的磨损过程可分为 3 个阶段 1 初期磨损阶段 ( 图 1-6 中 OA 段 ) 初期磨损产生在后刀面上 0.05~0.1mm 的磨损量, 磨损较快, 其主要原因是新磨好的刀具表面存在微观粗糙度, 且刀刃比较锋利, 刀具与工件实际接触面积较小, 接触压应力较大, 使后刀面很快出现磨损 2 正常磨损阶段 ( 图 1-6 中 AB 段 ) 正常磨损速度减慢, 是刀具正常切削作用的主要阶段, 磨损量随时间的增加均匀增加 此时的曲线表现为一段近似的直线, 其斜率大小表示刀具的磨损强度, 斜率越小, 耐磨性就越好 它是比较刀具切削性能的重要指标之一 3 剧烈磨损阶段 ( 图 1-6 中 BC 段 ) 刀具经过正常磨损阶段后磨损量达到一定的数值, 刀具变钝, 如继续切削, 切削温度和切削力急剧上升, 刀具磨损急剧增加, 无法保证加工质量, 也会加剧刀具的磨损, 甚至导致刀具报废, 所以应在此阶段到达之前及时地更换或刃磨刀具

17 第 1 章数控机床刀具的选择 9 B C A 图 1-6 刀具磨损的典型曲线 (2) 刀具的磨钝标准为了充分利用刀具材料, 减少换刀次数, 保证工件加工精度和表面质量, 提高生产率, 根据后刀面的磨损带的宽度作为指标来制订刀具的磨钝标准 根据生产实践的调查资料, 硬质合金车刀磨钝标准推荐值见表 1-2 表 1-2 硬质合金车刀的磨钝标准 合金钢粗车 钢及铸铁大加工条件精车碳素钢粗车铸铁件粗车粗车刚性较差工件件低速粗车主后面 VB 值 /μm 0.1~ ~ ~ ~ ~ 金属切削过程及控制 金属的切削过程是切屑的形成过程, 实质上是工件表层金属材料受到切削力的作用后发生变形直到剪切断裂破坏的过程 在这个过程中切削力 切削热 加工硬化和刀具磨损等都直接对加工质量和生产率有很大影响 1. 切屑形成过程 金属的切削过程是被切削金属层在刀具切削刃和前面的挤压作用下而产生剪切 滑移变形的过程 切削金属时, 切削层金属受到刀具的挤压开始产生弹性变形 ; 随着刀具的推进, 应力 应变逐渐加大, 当应力达到材料的屈服强度时产生塑性变形 ; 刀具再继续切入, 当应力达到材料的抗拉强度时, 金属层被挤裂而形成切屑 实际上, 由于加工材料性能与切削条件等不同, 上述过程的 3 个阶段不一定能完全显示出来

18 10 数控加工工艺与编程 2. 切屑的种类 由于工件材料不同, 切削条件不同, 切削过程中的变形程度也就不同 根据切削过程中变形程度的不同, 可把切屑分为 4 种不同的形态, 如图 1-7 所示 (a) (b) (c) (d) 图 1-7 切屑种类 (1) 带状切屑 带状切屑如图 1-7(a) 所示 形成带状切屑时, 切削过程较平稳, 切削力波动较小, 加工表面质量高 其主要缺点是切屑连续不断, 会缠在工件或刀具上, 影响工件质量且不安全 一般在加工塑性金属材料 ( 如软钢 铜 铝等 ), 选择的切削厚度较小 速度较高 刀具前角较大时, 容易得到这种切屑 (2) 挤裂切屑 挤裂切屑如图 1-7(b) 所示, 又称节状切屑 产生挤裂切屑时, 切削过程不太稳定, 切削力波动也较大, 已加工表面质量较低 挤裂切屑大多在加工塑性较低的金属材料 ( 如黄铜 ), 切削速度较低 厚度较大 刀具前角较小时产生 ; 特别当工艺系统刚性不足 加工碳素钢材料时, 也容易得到这种切屑 (3) 单元切屑 单元切屑如图 1-7(c) 所示 产生单元切屑时, 切削过程不平稳, 切削力波动较大, 已加工表面质量较差 当采用小前角或负前角, 以极低的切削速度和大的切削厚度切削塑性金属时, 会产生这种切屑 (4) 崩碎切屑 崩碎切屑如图 1-7(d) 所示 产生崩碎切削时, 切削力波动大, 加工表面凹凸不平, 刀刃容易损坏 切削脆性金属 ( 铸铁 青铜等 ) 时, 工件材料越硬脆 刀具前角越小 切削厚度越大时, 越易产生崩碎切屑 3. 积屑瘤 在中速或较低切削速度范围内, 切削一般钢料或其他塑性金属材料, 而又能形成带状切屑时, 紧靠切削刃的前面上黏结一硬度很高的楔状金属块, 它包围着切削刃且覆盖部分前刀面, 这种楔状金属块称为积屑瘤, 俗称刀瘤 (1) 积屑瘤对切削过程的影响 产生积屑瘤后, 会增大刀具的前角, 令切削厚度增大, 影响已加工工件的表面粗糙度, 影响刀具耐用度等 (2) 影响积屑瘤产生的主要因素及防止措施 1 切削速度的影响 切削速度是通过切削温度对前刀面的最大摩擦系数和工件材料

19 第 1 章数控机床刀具的选择 11 性质的影响而产生积屑瘤的 所以控制切削速度使切削温度控制在 300 以下或 380 以上, 就可以减少积屑瘤的生成 2 进给量的影响 进给量增大, 则切削厚度增大 切削厚度越大, 刀与刀屑的接触长度越长, 越容易形成积屑瘤 若适当减小进给量, 则可抑制积屑瘤的生成 3 前角的影响 若增大刀具前角, 切屑变形减小, 则切削力减小, 从而使前刀面上的摩擦减小, 不易产生积屑瘤 一般前角增大到 35 时, 不易产生积屑瘤 4 切削液的影响 采用润滑性能好的切削液可以减少或消除积屑瘤的产生 5 工件材料硬度的影响 当工件材料硬度很低 塑性很高时, 可进行适当的热处理, 以提高硬度, 降低塑性, 抑制积屑瘤的产生 4. 切削热 切削温度与切削液 切削热与切削温度是切削过程中产生的另一个重要物理现象 切削过程中, 切削力所做的功可转化为等量的热, 除少量散逸在周围介质中外, 其余均传散到刀具 切屑和工件中, 并使其温度升高, 可以引起工件热变形, 加速刀具磨损 (1) 切削热的形成及传散 切削热通过切屑 刀具 工件和周围介质传散 各部分传热的比例取决于工件材料 切削速度 刀具材料及其几何形状 加工方式以及是否使用切削液等 无论哪一种切削方式, 当切削速度越高, 切削厚度越大时, 由切屑带走的热量就越多 (2) 切削温度及其影响因素 影响切削温度的因素有切削用量 工件材料 刀具材料及其几何形状和切削液等 首先, 切削用量越大, 单位时间内金属被切除量越多, 切削热越大, 切削温度越高 在切削用量三要素中, 切削速度对切削温度的影响最大, 进给量次之, 背吃刀量影响最小 其次, 刀具角度中以前角和主偏角对切削温度的影响最大 增大刀具前角, 可减少切屑变形和摩擦, 切削热减少, 有利于降低温度 但前角过大, 将使刀头部分散热体积减小, 反而不利于降低切削温度 适当地减小主偏角可使主切削刃工作长度增加, 改善散热条件, 有利于降低切削温度 另外, 工件材料的硬度 强度越高, 切削时消耗的功越大, 切削温度就越高 切削加工时, 使用切削液可以有效地降低温度, 同时还可以起润滑 清洗和防锈的作用 切削用量及切削液的选择 1. 切削用量的选择 切削用量三要素的选择对切削力 切削功率 刀具磨损 加工质量和加工成本均有显

20 12 数控加工工艺与编程 著影响 选择切削用量时, 应考虑在保证加工质量和刀具耐用度的前提下, 充分发挥机床性能和刀具切削性能, 使切削效率最高, 加工成本最低 在粗加工时, 要求保证加工效率的前提下, 兼顾刀具耐用度 优先选取尽可能大的背吃刀量, 以尽量保证较高的金属切除率 ; 其次要根据机床动力和刚性的限制条件等, 选取尽可能大的进给量 ; 最后根据刀具耐用度确定最佳的切削速度 在精加工时, 要保证工件的加工质量, 并兼顾刀具耐用度 首先应根据粗加工后的余量选用较小的背吃刀量 ; 其次根据已加工件表面粗糙度要求, 选取较小的进给量 ; 最后在保证刀具耐用度的前提下选用较高的切削速度 合理选用切削用量, 可参阅有关工艺手册, 并根据生产经验 实际生产条件确定 2. 切削液的选用 粗加工时, 加工余量大, 所以切削用量大, 产生大量的切削热 采用高速钢刀具切削时, 使用切削液的主要目的是降低切削温度, 减少刀具磨损 硬质合金刀具耐热性好, 一般不用切削液, 必要时可采用低浓度乳化液或水溶液 但必须连续 充分地浇注, 以免处于高温状态的硬质合金刀片出现裂纹 精加工时, 要求表面粗糙度值较小, 一般选用润滑性能较好的切削液, 如高浓度的乳化液或含极压添加剂的切削油 另外, 要根据工件材料的性质选用切削液 切削塑性材料时需用切削液, 切削铸铁 黄铜等脆性材料时, 一般不用切削液, 以免崩碎切屑黏附在机床的运动部件上 加工高强度钢 高温合金等难加工材料时, 应选用含极压添加剂的切削液 切削有色金属和铜 铝合金时, 可采用 10%~20% 的乳化液 煤油或煤油与矿物油的混合物, 以得到较高的表面质量和精度 数控刀具的种类 1.3 数控机床刀具的种类及特点 数控刀具是指与数控机床相配套使用的各种刀具的总称, 是数控机床不可缺少的关键配套产品 数控加工刀具必须适应数控机床高速 高效和自动化程度高的特点, 一般包括刀具及连接刀柄两部分 刀柄要连接刀具并装在机床动力头上, 因此已逐渐标准化和系列化 数控刀具的分类有多种方法, 按刀具材料成分 : 高速钢刀具 硬质合金刀具 金刚石刀具 陶瓷刀具 涂层刀具等 ; 按刀具结构分 : 整体式 机夹可转位式 镶嵌式 焊接式 特殊形式等 ; 按切削加工工艺分 : 车削刀具 钻削刀具 铣削刀具 镗削刀具等 近几年, 机夹式可转位刀具在数控加工中得到了广泛应用, 在数量上已达到整个数控刀具的 30%~ 40%, 金属切除量占总数的 80%~90%

21 第 1 章数控机床刀具的选择 数控刀具的特点 数控刀具以其高效 精密 高速 耐磨 长寿命和良好的综合性能取代了传统的刀具 二者进行比较, 除刀具材料上的不同以外, 主要表现在以下几个方面 : (1) 刀具的硬度比传统刀具硬度大大提高 (2) 被加工工件的硬度也远远高于传统刀具所能加工的工件硬度 (3) 切削速度有显著提高, 如加工钢 铸铁, 可转位涂层刀片切削速度可达到 380m/min, PCBN 刀片切削速度可达 1000~2000 m/min (4) 从刀具消耗费用和金属切除上来看, 可转位刀具 硬质合金刀具及超硬刀具占全部刀具费用的 34%, 比传统刀具节省了 30% 左右, 而切除的切屑占总切屑的 68%, 比传统刀具提高了大约 40% 可转位刀片及其代码 1. 可转位刀具的概念 可转位刀具是使用可转位刀片的机夹刀具 当刀片的一个切削刃用钝以后, 只要把夹紧元件松开, 将刀片转一个角度, 换另一个新切削刃, 并重新夹紧就可以继续使用 当所有切削刃用钝后, 换一块新刀片即可继续切削, 不需要更换刀体 由于可转位刀具切削效率高, 辅助时间少, 所以提高了工效, 而且可转位刀具的刀体可重复使用, 节约了钢材和制造费用, 因此其经济性较好 2. 可转位刀片的型号及表示方法 按国家标准规定, 不同用途的可转位刀具, 型号的表示也有所不同, 如果型号中不加前缀, 即指装有硬质合金可转位刀片的可转位刀具 ; 可转位刀具可以根据被加工材料的需要装夹其他材料的可转位刀片, 但必须加前缀 如装夹陶瓷可转位刀片的车刀, 称为陶瓷可转位车刀 可转位刀片的型号由代表一定意义的字母和数字代号按一定顺序排列所组成, 共有 10 个号位, 其格式见表 1-3, 各号位代号表示规则见表 1-4 表 1-3 可转位刀片型号和代号 号位特定字母 车削用刀片型号 D C M T E N -FV 铣削用刀片型号 S P A N ED T R 铣削用刀片毛坯型号 X S P U N

22 14 数控加工工艺与编程 表 1-4 切削刀具用可转位刀片型号表示规则 号位示例表示特征代号规定 1 T 刀片形状用一个字母表示 2 N 刀片法后角 A B C D E F G N P O 其余 3 U 刀片的极限偏差等级用一个字母表示, 主要尺寸 (d,s,m) 的极限偏差等级代号 4 M 5 22 刀片边长 6 04 刀片厚度 7 08 刀片有无断屑槽和中心固定孔 刀片转角形状或刀尖圆角半径 用一个字母表示, 各字母表示 8 E 切削刃截面形状用一个字母表示切削刃形状 9 N 切削方向用一个字母表示切削方向 用一个字母表示, 取刀片理论边长的整数部分, 如边长为 16.5mm 的刀片代号为 16; 若舍去小数部分后只剩一位数, 则在数控前加 0, 如边长为 9.525mm 的刀片代号为 09 取舍去小数值的刀片厚度作为代号, 若舍去小数部分后只剩一位数字, 则在该数字前加 0 ; 当刀片厚度的整数值相同, 小数部分值不同时, 则将小数部分值大的刀片代号用 T 代替 0, 如刀片厚度分别为 3.18 和 3.97 时, 则前者代号为 03 后者为 T3 刀片刀类转角为圆角时, 用放大 10 倍的刀尖圆弧半径作代号 对于铣刀片, 则用两个字母作代号, 前一字母表示主偏角大小, 后一个字母表示修光刃法后角大小 尖角刀片和圆刀片的数字代号为 A2 切屑槽形式及槽宽用一个字母和一个数字表示刀片断屑槽形式及槽宽 标准规定, 任何一个型号的刀片都至少采用前 7 个号位表示, 后 3 个号位在必要时才使用 但对于车刀刀片, 第 10 号位属于标准要求标注的部分 不论有无第 8 9 两个号位, 第 10 号位都必须用短横线 - 与前面号位隔开, 并且其字母不得使用第 8 9 两个号位已使用过的 7 个字母 (F E T S R L N), 当第 8 9 号位为只使用其中一位时, 则写在第 8 号位上, 且中间不需空格 第 号位使用不符合标准规定的尺寸代号时, 第 4 号位要用 x 表示, 并需用略图或详细的说明书加以说明 如表 1-3 中车削用刀具可转位刀片 D C M T E N -FV 的含义查国际标准 ISO 可知为 :D: 菱形顶角 55 刀片 ;C: 法后角为 7 0 ;M: 刀尖转位尺寸公差 ±0.08~±0.15mm 内切圆公差 ±0.05~±0.10mm 刀片厚度公差 ±0.13mm; T: 圆柱孔且单面倒角 (40 ~60 ) 单面断屑槽 ;07: 切削刃长 7.94cm;02: 厚度 2.38mm; 04: 刀尖圆角半径 0.4mm;E: 倒圆刀刃 ;N: 左右切 ;FV: 刀片断屑槽代号 根据零件的材料 表面粗糙度和加工余量等条件选用可转位刀片的类型 选择时, 主

23 第 1 章数控机床刀具的选择 15 要考虑刀片材料 刀片尺寸 形状及刀尖圆角半径等几方面 具体选择方法见后续章节 工具系统 由于数控机床上要加工多种工件, 并完成工件上多道工序的加工, 因此需要使用的刀具品种 规格和数量就较多, 并要求刀具更换迅速 因此, 刀辅具的标准化和系列化十分重要 把通用性较强的刀具和配套装夹工具系列化 标准化, 就是数控机床的工具系统 它由与机床主轴的锥柄 延伸部分的连接杆和工作部分的刀具组成 数控机床在加工不同内容时, 要配备有不同品种 不同规格的刀具, 这些刀具只有通过数控工具系统才能与机床相连接, 可以完成钻孔 扩孔 铰孔 镗孔 攻螺纹等加工工艺 本书以数控镗铣床类工具系统为例, 介绍其组成及分类 1. 整体式工具系统 所谓整体式工具系统是指工具柄部和装夹刀具的工作部分做成一体, 要求不同工作部分都具有同样结构的刀柄, 以便与机床的主轴相连 其优点是 : 使用方便 可靠, 缺点是刀柄数量多 图 1-8 所示为 TSG 工具系统各种工具及其组合连接方式 (a) 接长杆刀柄与接长杆的组合形式 (b) 弹簧夹头刀柄与接杆 卡簧的组合形式 (c)7 24 锥柄块换夹头刀柄与各种接杆的组合形式 (d) 钻夹头刀柄与钻夹头 钻头的组合形式 图 1-8 TSG 工具系统各种工具及其组合连接方式

24 16 数控加工工艺与编程 (e) 无扁尾莫氏锥孔刀柄 接杆和刀具组合形式 (f) 有扁尾莫氏锥孔刀柄 接杆和刀具的组合形式 (g) 攻螺纹夹头刀柄 攻螺纹夹套和丝锥的组合形式 (h) 镗刀类刀柄与镗刀头的组合形式 (i) 铣刀类刀柄与铣刀的组合形式 (j) 套式扩孔钻 铰刀刀柄与刀具的组合形式 2. 模块式工具系统 图 1-8 TSG 工具系统各种工具及其组合连接方式 ( 续 ) 模块式工具系统能以最少的工具数量来满足不同零件的加工需要, 能增加工具系统的柔性, 是数控工具系统发展的高级阶段, 也是目前应用较为普通的 其特点是把整体式刀具分解成柄部 中间连接块 工作头 3 个部分, 各模块之间借助圆锥 ( 或圆柱 ) 配合, 通过组合 3 个模块和刀具, 组装成具有特定加工要求的各种成套刀具 图 1-9 所示为镗铣类模块式工具系统 图 1-9 镗铣类模块式工具系统

25 第 1 章数控机床刀具的选择 17 有关刀头部分的结构及形状及铣刀的种类详见后续章节 习 题 1. 数控机床加工零件的步骤主要有哪些? 2. 切削加工由哪些运动组成? 请简单分析各自的作用 3. 刀具的主要标注角度是如何定义的? 主要作用是什么? 4. 数控机床的刀具材料主要有哪些? 其各自的性能和特点是什么? 5. 什么是积屑瘤? 分析其产生的原因 影响及避免措施 6. 刀具磨损有哪些基本形式? 是如何产生的? 7. 试分析刀具磨损的 3 个阶段

26 第 2 章 数控加工中工件的定位与装夹 2.1 数控夹具概述 机床夹具的定义 夹具概念及构成 机械加工过程中, 用以确定工件相对于刀具和机床的正确位置, 并使这个位置在加工过程中不因外力的影响而变动的工艺装备, 称为机床夹具 机床夹具是用以使工件定位和夹紧的机床附加装置 工件在夹具中的装夹包括定位和夹紧两方面的工作 定位是指在机床上确定工件相对于刀具的正确加工位置, 以保证其被加工表面达到所规定的各项技术要求的过程 ; 夹紧是指在已定好的位置上将工件固定下来可靠地夹住, 防止在加工时工件因受到切削力 惯性力 离心力 重力及冲击和振动等的影响, 发生位置移动而破坏定位的过程 图 2-1 所示为在轴上钻孔时所用的一种简单的专用夹具 根据夹具的用途和种类的不同, 各自结构也不相同, 但其主要组成基本相似, 概括以下几个部分 图 2-1 在轴上钻孔的夹具 1 挡铁 ;2 V 形块 ;3 夹紧机构 ;4 工件 ;5 钻套 ;6 夹具体 (1) 定位夹紧装置 夹具结构中包含有用以确定工件正确位置的定位元件和将工件夹牢的夹紧装置 图 2-1 中, 零件采用 V 形块 2 与挡铁 1 进行定位, 利用夹紧机构 3 进行夹紧 (2) 对刀 引导元件 使用专用夹具进行加工时, 为了预先调正刀具的位置, 在夹具

27 第 2 章数控加工中工件的定位与装夹 19 上设有确定刀具 ( 铣 刨等 ) 位置或导引刀具 ( 孔加工刀具 ) 方向的元件, 如图 2-1 所示的钻套 5 (3) 夹具体 夹具体的作用是使夹具上所有组成部分最终通过一个基础件连接成一个有机整体, 如图 2-1 所示的元件 6 (4) 连接元件 为了使夹具在机床上占有正确的位置, 一般夹具设有供夹具本身在机床上定位连接的元件 夹具的类型 按适用工件的范围和特点分为 : 通用夹具, 如三爪卡盘 平口虎钳等 ; 专用夹具, 指专为某一工件的某一加工工序专门设计的夹具 ; 组合夹具和可调夹具 按使用机床类型分为车床夹具 铣床夹具 钻床夹具 镗床夹具及数控机床夹具等 按驱动夹具工件的动力源分为手动 气动 液压 气液压 电磁 自紧等夹具 2.2 工件的定位 工件定位的基本原理 如图 2-2(a) 所示, 一个在空间处于自由状态的物体, 具有 6 个自由度, 即沿 3 个坐标轴的移动自由度 r x ur y r z, 和绕这 3 个坐标轴的转动自由度 ) x ) y ) z 确定物体在空间的位置, 要限制其 6 个空间自由度 确定工件在夹具中的位置, 需要限制工件的六个自由度 如图 2-2(b) 所示, 用合理分布的 6 个支承点限制工件的 6 个自由度 这一原理称为 六点定位原理 (a) 物体在空间的 6 个自由度 (b)6 个支承点 图 2-2 六点定位原理

28 20 数控加工工艺与编程 根据工件的不同加工要求, 有些自由度对加工有影响, 这样的自由度必须限制, 而有些不影响加工要求的自由度, 有时可以不必限制 工件的 6 个自由度全部被限制的定位称为完全定位, 如图 2-2(b) 所示 根据工件的加工要求, 在保证加工质量的前提下, 并不需要限制工件的全部自由度, 这样的定位称为不完全定位, 如图 2-1 所示 两个或两个以上的定位元件重复限制工件的同一个或几个自由度的现象, 称为过定位 图 2-3 所示为一箱体镗孔时采用的 一面两孔 定位方式示意图, 图中, 支承板限制 r z ) x ) y 三个自由度 ; 短圆柱销 1 限制工件 r x ur y 两个自由度 ; 短圆柱销 2 限制工件 r x ) z 两个自由度 r x 自由度被重复限制, 产生了过定位现象 通常工件两孔中心距与夹具上两销中心距存在误差, 当误差较大, 而孔与销的配合间隙较小时, 会导致工件不能安装 同时, 过定位可能使工件在加工过程中产生变形, 影响加工精度, 所以, 工件在加工过程中应尽量避免过定位现象的产生 图 2-3 一面两孔 定位方式示意图 1,2 短圆柱销 根据工件的加工要求, 应该限制而没有完全被限制的定位, 称为欠定位 欠定位不能保证工件的加工要求, 所以是绝对不允许的 常用定位元件限制的自由度 定位时, 定位支承点作用的是一定几何形状的定位元件 表 2-1 列举了常用定位元件所限制的自由度

29 对工件平6 ur y 面定位对工件圆孔定位对工件支承板或两个支承钉 r z 外圆柱面定位第 2 章数控加工中工件的定位与装夹 21 表 2-1 常用定位元件限制工件自由度数 定位基面定位元件定位简图定位元件特点限制的自由度 支承钉 支承板 r z ) y ) x 4 5 r x ) z 1 2 z r x ) ) y 3 x r z ) 短销 ( 短心销 ) x r y ur 定位销 ( 心轴 ) 短销 ( 长心销 ) r ur x y ) ) x y r ur r x y z 短圆锥销 1 固定销 2 活动销 1 r x ur y r z 2 ) x ) y 支承钉或支承板 r ) z y

30 对工件外圆柱面定位22 数控加工工艺与编程 ( 续表 ) 定位基面 定位元件 定位简图 定位元件特点 限制的自由度 窄 V 形块 z r x r V 形块 宽 V 形块 r r z x ) ) z x 短套 z r y ur 定位套 长套 r ur z y ) ) z y 半圆套 短半圆套 z r x r 长半圆套 z r x r z ) x ) r ur r x y z 镗套 1 固定镗套 2 活动镗套 1 r x ur y r z 2 ) z ) y 对工件组合表面进行定位 平面和定位销 1 大支承板 2 短圆柱销 3 菱形销 1 z r x ) ) y 2 x r y ur 3 z )

31 第 2 章数控加工中工件的定位与装夹 常见定位元件的应用 1. 工件以平面定位时的定位元件 (1) 主要支承 主要支承用来限制工件自由度, 起定位作用 常用的有固定支承 可调支承 自位支承 3 种 固定支承有支承钉和支承板两种形式, 其结构和尺寸都已经标准化, 如图 2-4 所示 (a) (b) (c) (d) (e) 图 2-4 支承板和支承钉 当工件以粗基准定位时, 常用球头支承钉或锯齿头支承钉 ; 而精基准定位时常用平头支承钉和支承板, 支承板用于接触面较大的情况 可调支承用于在工件定位过程中, 支承钉的高度需要调整的场合 如毛坯分批制造, 其形状及尺寸变化较大而又以粗基准定位的场合, 其结构如图 2-5 所示 (a) (b) (c) 图 2-5 可调支承 自位支承 ( 又称浮动支承 ) 是在工件定位过程中, 能自动调整位置的支承, 如图 2-6 所示 其作用相当于一个固定支承, 只限制一个自由度, 适于工件以粗基准定位或刚性不足的场合 (2) 辅助支承 辅助支承只用来提高工件的装夹刚度和稳定性, 不起定位作用 它是

32 24 数控加工工艺与编程 在工件夹紧后, 再固定下来, 以承受切削力 辅助支承的应用如图 2-7 所示 图 2-6 自位支承 图 2-7 辅助支承的应用 2. 工件以圆孔定位时的定位元件 (1) 定位销 常用的定位销有圆柱销和圆锥销 图 2-8 所示为常用圆柱销定位 限制两个自由度 图 2-8(a) (b) (c) 所示为固定式 ; 大批大量生产时, 为便于定位销的更换, 可采用图 2-8(d) 所示的带衬套的结构形式 (a) (b) (c) (d) 图 2-8 圆柱销定位 图 2-9 是工件以圆孔在圆锥销上定位的示意图, 它限制了工件的 3 个自由度 图 2-9 圆锥销定位

33 第 2 章数控加工中工件的定位与装夹 25 (2) 心轴 常用的心轴有圆柱心轴和圆锥心轴 图 2-10 所示为常用的圆柱心轴结构形式 它主要用于在车 铣 磨 齿轮加工等机床上加工套筒和盘类零件 2-10(a) 所示为间隙配合心轴, 装卸方便, 定心精度不高 2-10(b) 所示为过盈配合心轴, 这种心轴制造简单, 定位准确, 不用另设夹紧装置, 但装卸不方便 2-10(c) 所示为花键心轴, 用于加工以花键孔定位的工件 (a) (b) A A A (c) 图 2-10 圆柱心轴 1 引导部分 ;2 工作部分 ;3 传动部分 圆锥心轴 ( 小锥度心轴 ) 定心精度高, 可达 φ0.02~φ0.01mm, 但工件的轴向位移误差加大, 适于工件定位孔精度不低于 IT7 的精车和磨削加工, 不能加工端面 3. 工件以外圆柱面定位时的定位元件 A (1)V 形块 V 形块对中性好 ( 工件的定位基准始终位于 V 形块两限位基面的对称平面内 ), 并且安装方便 图 2-11 所示为常用 V 形块结构 图 2-11(a) 用于较短定位面 ; 图 2-11(b) (c) 用于较长的或阶梯轴定位面 其中图 2-11(b) 用于粗定位基面, 图 2-11 (c) 用于精定位基面 图 2-11(d) 用于工件较长且定位基面直径较大的场合 (a) (b) (c) (d) 图 2-11 V 形块的结构形式

34 26 数控加工工艺与编程 (2) 定位套 图 2-12 所示为常用的两种定位套 其内孔面为限位基面, 为了限制工件沿轴向的自由度, 常与端面组合定位 图 2-12(a) 所示的是带小端面的长定位套, 图 2-12 (b) 所示的是带大端面的短定位套 定位套结构简单, 但定心精度不高, 只适用于工件以精基准定位 (a) (b) 图 2-12 常用定位套 基准及分类 定位基准的选择是制定工艺规程的一个重要问题, 它直接影响零件的尺寸精度和相互位置精度, 以及加工顺序的安排 夹具结构的复杂程度等 基准就是零件上用来确定其他点 线 面位置所依据的那些点 线 面 基准按其作用不同可分为设计基准和工艺基准两大类 (1) 设计基准设计基准是零件图上用以确定其他点 线 面位置的基准 图 2-13 所示为钻套, 轴心线 O-O 是各外圆表面和内孔的设计基准 ; 端面 A 是端面 B C 的设计基准 ; 内孔表面 D 的轴心线是 φ40h6 外圆表面径向跳动和端面 B 端面圆跳动的设计基准 作为设计基准的点 线 面在工件上不一定存在, 而常常由某些具体表面体现, 这些表面称为定位基面 (2) 工艺基准工艺基准是在加工 测量和装配中使用的基准, 它包括定位基准 工序基准 测量基准和装配基准 1 定位基准 加工时使工件在机床或夹具上占有正确位置所采用的基准 例如阶梯轴的中心孔, 箱体类零件的底平面和内壁等 定位基准应限制足够的自由度来实现定位要求 2 工序基准 在工艺文件上用以标定加工表面位置的基准, 称为工序基准 如图 2-14 所示, 加工平面 B 时, 按尺寸 h 进行加工, 那么平面 C 即为工序基准

35 第 2 章数控加工中工件的定位与装夹 27 L 1 L 2 B O O A C L 3 h h D L 4 图 2-13 钻套 图 2-14 工序基准 3 测量基准 检验时用以测量已加工表面尺寸及位置的基准, 称为测量基准 例如, 主轴支承在 V 形块上检验径向跳动时, 支承轴颈表面就是测量基准面 4 装配基准 装配时用来确定零件或部件在机器中位置的基准, 称为装配基准 例如, 主轴箱体的底面和导向面, 主轴的支承轴颈等都是它们各自的装配基准面 定位基准及其选择 1. 粗基准的选择 粗基准选择得好坏, 对以后各加工表面的加工余量的分配, 以及工件上加工表面和非加工表面的相对位置均有很大影响 选择粗基准时应考虑下列原则 : (1) 若工件必须首先保证加工表面与非加工表面之间的位置要求, 则应选非加工表面为粗基准, 以达到壁厚均匀 外形对称等要求 若有多个非加工表面, 则粗基准应选用位置精度要求较高者 如图 2-15 所示的工件, 在毛坯铸造时毛坯和外圆 1 之间有偏心 外圆 1 为不加工面, 而零件要求壁厚均匀, 因此粗基准应为外圆 1 (2) 若工件必须首先保证某重要表面余量均匀, 则应选该表面为粗基准 例如, 图 2-16 所示床身导轨的加工, 导轨面要求硬度高而且均匀 其毛坯铸造时, 导轨面向下放置, 使表层金属组织细致均匀, 没有气孔 夹砂等缺陷 因此加工时希望只切去一层较小而均匀的余量, 保留组织紧密耐磨的表层, 且达到较高加工精度 由图 2-16 可见应选导轨面为粗基准, 此时床脚上余量不均并不影响床身质量 如果希望工件在机械加工过程中总的金属切除量为最少, 应选择工件上面积最大的加工面为粗基准 如图 2-16 所示床身, 因导轨面面积大, 故应选择该面为粗基准 如工件上每个表面都要加工, 则应以余量最小的表面作为粗基准, 以保证各表面都有足够余量 例如, 图 2-17 所示的锻轴以大端外圆为粗基准, 由于大小端外圆偏心有 3mm, 以致小端可能加工不出, 应改选余量较小的小端外圆为粗基准

36 28 数控加工工艺与编程 图 2-15 套的粗基准的选择 1 外圆 图 2-16 床身粗基准的选择 图 2-17 阶梯轴粗基准的选择 (3) 选为粗基准的表面, 应尽可能平整光洁, 不能有飞边 浇口 冒口或其他缺陷, 以便使定位准确 夹紧可靠 (4) 粗基准一般只允许使用一次, 若采用精化毛坯, 而相应的加工要求不高, 重复安装的定位误差在允许范围之内, 那么粗基准也可灵活使用 2. 精基准的选择 精基准的选择, 不仅影响工件的加工质量, 而且与工件安装是否方便可靠也有很大关系 选择精基准时主要应考虑以下选择原则 (1) 应尽可能选用设计 ( 工序 ) 基准作为精基准, 避免基准不重合产生的定位误差, 这就是 基准重合原则 (2) 应尽可能选用统一的定位基准加工各表面, 以保证各表面间的位置精度, 即为 基准统一原则 采用统一基准能用同一组基准面加工大多数表面, 有利于保证各表面的相互位置要求, 避免基准转换带来的误差, 而且简化了夹具的设计和制造, 缩短了生产准备周期, 轴类零件的中心孔 箱体零件的一面两销, 都是基准统一的典型例子 (3) 有些精加工或光整加工工序应遵循 自为基准原则 这些工序要求余量小而均匀, 为保证表面加工质量并提高生产率, 应选择加工表面本身作为精基准, 而该加工表面与其他表面之间的位置精度则应由先行工序保证, 图 2-18 是在导轨磨床上磨削工件导轨, 安装后用百分表找正工件的导轨表面本身, 此时床脚仅起支承作用 此外珩磨 铰孔及浮动镗

37 第 2 章数控加工中工件的定位与装夹 29 孔等都是自为基准的例子 图 2-18 按加工面自身找正定位 (4) 当对工件上两个相互位置精度要求很高的表面进行加工时, 需要用两个表面互相作为基准, 反复进行加工, 以保证位置精度要求 例如, 加工精密齿轮时, 先以内孔定位加工齿面 ; 齿面淬火后, 先以齿面为基准磨内孔, 再以内孔为基准磨齿面, 从而保证孔与齿面的位置精度 不论是粗基准或精基准, 都应满足定位准确 稳定的要求 另外, 在确定基准时, 必须根据生产类型和实际条件分析比较 综合考虑这些原则, 达到定位精度高 夹紧可靠 夹具结构简单及操作方便的要求 定位误差及分析 1. 定位误差的概念及分类 工件在定位时, 每次装夹各工件在夹具中的位置不可能完全一致, 从而使加工后各工件的工序尺寸存在一定的误差 因工件在夹具上定位不一致而造成的误差, 称为定位误差 Δ D 定位误差研究的主要对象是工件的工序基准和定位基准, 其变动量将影响工件的尺寸精度和位置精度 定位误差的实质就是工序基准在工序尺寸方向上的最大变动量, 它包括基准位移误差 Δ Y 和基准不重合误差 Δ B (1) 基准位移误差 Δ Y 工件定位基准相对于定位元件的位置最大变动量或定位基准本身的位置变动量, 即为基准位移误差 在加工如图 2-19 所示键槽时, 工序尺寸 A 由工件与刀具的相对位置决定 按基准重合原则, 工件以内孔在圆柱心轴上定位, 刀具与心轴的相对位置按工序尺寸 A 确定后保持不变 但由于心轴和工件内孔存在制造误差和配合间隙, 使定位基准在工序 A 方向有一个变化范围, 造成工件尺寸 A 的加工误差, 即基准位移误差, 其大小为定位基准的最大变动范围, 即 Δ Y = Amax Amin 式中 A max 最大工序尺寸,mm; A min 最小工序尺寸,mm

38 30 数控加工工艺与编程 图 2-19 基准位移误差 (2) 基准不重合误差 Δ B 定位基准和设计基准 ( 或工序基准 ) 不重合时产生的加工误差, 称为基准不重合误差 图 2-20 所示为铣削沟槽工序简图, 前一工序已将各平面加工好, 本工序铣槽 A, 工序尺寸 B 的基准面是 D 面 为方便装夹, 定位基准选择 F 面, 因此定位基准与工序基准不重合 槽的位置相对于基准一定, 由于工序基准相对于定位基准存在误差 ±ΔL, 使工序基准 D 在一定范围内变动, 导致该批工件尺寸 B 存在基准不重合加工误差 工序基准 D 相对于 F 的最大变动量即为基准不重合误差 Δ B 图 2-20 基准不重合误差 基准位移误差和基准不重合误差并不是任何情况下都存在, 当定位基准与工序基准重合时,Δ B = 0; 当基准无变动时,Δ Y = 0 定位误差只产生在调整法加工一批工件的条件下, 采用试切法加工工件时不存在定位误差 2. 定位误差的计算及评定 (1) 定位误差的计算方法定位误差是由基准位移误差和基准不重合误差组合而成, 计算时, 要先分别计算出两种误差值, 然后再根据具体情况, 按以下方法合成求得

39 第 2 章数控加工中工件的定位与装夹 31 1 当工序基准不在定位面上时 ΔD = ΔY + ΔB 2 当工序基准在定位面上时 ΔD = ΔY ± ΔB 当基准位移和基准不重合引起的加工尺寸同方向变化时, 取 + ; 反之取 - (2) 定位误差分析加工零件时, 由于夹具及装夹造成工件加工误差的因素包括 4 个方面 : 1 与工件在夹具中定位有关的误差, 以 Δ D 表示 ; 2 与夹具在机床上安装有关的误差, 以 Δ A 表示 ; 3 与导向或对刀 ( 调整 ) 有关的误差, 以 Δ T 表示 ; 4 与加工方法有关的误差, 以 Δ G 表示 为了保证工件加工后满足加工精度要求, 上述误差合成后必须满足下式 : ΔD + ΔA + ΔT + ΔG δk 式中, δ K 为定位基准与工序基准之间相关尺寸的公差 定位误差 Δ D 是其中的一项, 其大小直接影响加工精度 随着机械加工精度的不断提高, 许多高精度的定位已将定位误差限制在极小的范围内 但过小的定位误差会大幅度地提高夹具的制造成本, 通常定位误差应满足下式 δk ΔD 工件的夹紧 夹紧是工件装夹过程的重要组成部分 工件定位后, 必须通过一定的机构产生夹紧力, 把它固定, 使工件保持准确的定位位置, 以保证在加工过程中, 在切削力等外力作用下不产生位移或振动 这种产生夹紧力的机构称为夹紧装置 夹紧装置的基本要求 (1) 夹紧过程可靠 夹紧过程中不破坏工件在夹具中的正确位置 (2) 夹紧力大小适当 夹紧后的工件变形和表面压伤程度必须在加工精度允许的范围内 (3) 结构性好 结构力求简单 紧凑, 便于制造和维修 (4) 使用方便 夹紧动作迅速, 操作方便, 安全省力

40 32 数控加工工艺与编程 夹紧力的确定 1. 夹紧力作用点的选择 (1) 夹紧力作用点必须选在定位元件的支承表面上或作用在几个定位元件所形成的稳定受力区域内, 如图 2-21 所示 (a) 错误 (b) 正确 图 2-21 夹紧力作用点与工件稳定性的关系 (2) 夹紧力作用点应选在工件刚性较好的部位 图 2-22 所示为箱体的夹紧 图 2-22 (a) 表示夹紧薄壁箱体时, 夹紧力不应作用在箱体的顶面, 而应作用在刚性好的凸边上 图 2-22(b) 表示箱体没有凸边时, 将单点夹紧改为三点夹紧, 通过改变着力点的位置, 减少工件的变形 (a) (b) 图 2-22 夹紧力作用点与夹紧变形的关系 (3) 夹紧力的作用点应适当靠近加工表面 这样, 可提高工件的装夹刚性, 减少加工时工件的振动 2. 夹紧力方向的确定 (1) 夹紧力的作用方向不应破坏工件的定位 工件在夹紧力的作用下要确保其定位基

41 第 2 章数控加工中工件的定位与装夹 33 准面紧贴在定位元件的工作表面上 为此要求主夹紧力的方向应指向主要定位基准面 如图 2-23 所示, 工件上要镗的孔与 A 面有垂直度要求,A 面为主要定位基面, 应使夹紧力 F 1 垂直于 A 面 ( 图 2-23(a)), 才能保证镗出的孔与 A 面垂直, 如果夹紧力 F 1 垂直于 B 面 ( 图 2-23(b)), 则镗出的孔与 A 面的垂直度不能保证 (a) (b) 图 2-23 夹紧力方向垂直指向主要定位支承面 (2) 夹紧力作用方向应与工件刚度最大的方向一致 夹紧力作用方向与工件刚度最大的方向一致, 可使工件的夹紧变形小, 如加工薄壁套筒时, 由于工件的径向刚度很差, 若用卡爪径向夹紧, 工件变形大 ; 改为沿轴向施加夹紧力, 变形就会小很多 (3) 夹紧力的作用方向应尽量与工件的切削力 重力等方向一致, 以有利于减小夹紧力 夹紧力的大小从理论上讲, 应该与作用在工件上的其他力 ( 或力矩 ) 相平衡 而实际上, 夹紧力的大小还与工艺系统的刚度 夹紧机构的传力效率等因素有关, 准确计算是很困难的 因此, 在实际工作中常用估算法 类比法或经验法来确定所需夹紧力的大小 3. 夹紧力大小的确定 夹紧力的大小, 与在加工过程中工件受到的切削力 离心力 惯性力 自身重力所形成的合力或者力矩相平衡, 而在加工过程中, 切削力本身是变化的, 夹紧力的大小还与工艺系统的刚度 夹紧机构的传递效率等因素有关 所以夹紧力的大小计算是一个很复杂的问题 为简化计算, 在估算夹紧力时只考虑主要因素在力系中的影响 一般只考虑切削力 ( 矩 ) 对夹紧的影响 ; 并假设工艺系统是刚性的, 切削过程是稳定的 ; 找出在夹紧过程中对夹紧最不利的瞬时状态, 按静力平衡原理估算此状态下夹紧力的大小 为保证夹紧安全可靠, 将计算出的夹紧力再乘以安全系数, 作为实际需要的夹紧力 即 式中 F j 实际所需的夹紧力 ; Fj = KF F 由静力平衡计算出的夹紧力 ; K 安全系数, 考虑工艺系统的刚性和切削力的变化, 一般取 K=1.5~3

42 34 数控加工工艺与编程 2.4 数控机床典型夹具简介 在机械制造中, 用来装夹工件 ( 和引导刀具 ) 的装置, 称为夹具 它是用来固定加工对象, 使之占有正确位置, 以接受施工或检测的装置 数控机床夹具与普通机床夹具相同, 分为通用夹具和专用夹具 下面介绍有关车床和铣床采用的通用夹具 车床夹具 1. 圆周定位夹具 (1) 三爪自定心卡盘三爪卡盘是最常用的车床通用卡具, 如图 2-24 所示 三爪卡盘最大的优点是可以自动定心, 夹持范围大, 但定心精度存在误差, 不适于同轴度要求高的工件的二次装夹 (2) 软爪由于三爪卡盘定心精度不高, 当加工同轴度要求高的工件二次装夹时, 常常使用软爪 软爪是一种具有切削性能的夹爪 通常三爪卡盘为保证刚度和耐磨性要进行热处理, 硬度较高, 很难用常用刀具切削 软爪是在使用前配合被加工工件特别制造的, 加工软爪时要注意以下几方面的问题 软爪要在与使用时相同的夹紧状态下加工, 以免在加工过程中松动和由于反向间隙而引起定心误差 加工软爪内定位表面时, 要在软爪尾部夹紧一块适当的棒料, 以消除卡盘端面螺纹的间隙, 如图 2-25 所示 图 2-24 三爪卡盘示意图 图 2-25 加工软爪 当被加工件以外圆定位时, 软爪内圆直径应与工件外圆直径相同, 略小更好, 其目的是消除夹盘的定位间隙, 增加软爪与工件的接触面积, 如图 2-26 所示 软爪内径大于工件外径会导致软爪与工件形成三点接触, 如图 2-27 所示, 此种情况接触面积小, 夹紧牢固程度差, 应尽量避免 软爪内径过小 ( 图 2-28) 会形成六点接触, 一方面会在被加工表面留下压痕, 同时也使软爪接触面变形 软爪常用于加工同轴度要求较高的工件的二次装夹

43 第 2 章数控加工中工件的定位与装夹 35 图 2-26 理想的软爪内径图 2-27 软爪内径过大图 2-28 软爪内径过小 (3) 弹簧夹套弹簧夹套定心精度高, 装夹工件快捷方便, 常用于精加工的外圆表面定位 弹簧夹套特别适用于尺寸精度较高 表面质量较好的冷拔圆棒料, 若配以自动送料器, 可实现自动上料 弹簧夹套夹持工件的内孔是标准系列, 并非任意直径 (4) 四爪单动卡盘加工精度要求不同 偏心距较小 零件长度较短的工件时, 可采用四爪卡盘, 如图 2-29 所示 (5) 花盘及其附件花盘加工表面的回转轴线与基准面垂直 外形复杂的零件可以装夹在花盘上加工 图 2-30 是用花盘装夹双孔连杆的方法 (6) 角铁加工表面的回转轴线与基准面平行 外形复杂的工件可以装夹在角铁上加工 图 2-31 所示为角铁的安装方法 图 2-29 四爪卡盘图 2-30 在花盘上装夹双孔连杆图 2-31 角铁的安装方法 2. 中心定位夹具 最常见的方法是在加工细长轴尖零件时, 在轴一端用卡盘固定, 另一端加用顶尖以增加轴的刚性, 提高加工时的稳定性 顶尖的应用方式有两顶尖拨盘和拨动顶尖 (1) 两顶尖拨盘数控车床加工轴类工件时, 坯料装夹在主轴顶尖和尾座顶尖之间, 工件由主轴上的拨盘带动旋转 两顶尖定位的优点是定心正确可靠 安全方便, 适用于长度尺寸较大或加工工序较多的轴类工件的精加工 顶尖的作用是定心 承受工件的重量和切削力 顶尖分为

44 36 数控加工工艺与编程 前顶尖和后顶尖 1 前顶尖 如图 2-32 所示, 一种是将顶尖插入主轴锥孔内, 另一种是夹在卡盘上 前顶尖与主轴一起旋转, 与中心孔不产生摩擦 前顶尖 (a) 插入主轴锥孔内 (b) 夹在卡盘上 图 2-32 前顶尖 2 后顶尖 插入尾座套筒内, 一种是固定的, 另一种是回转的, 内部装有滚动轴承 回转顶尖使用较为广泛 安装工件时用对分夹头或鸡心夹头夹紧工件一端, 拨杆伸向端面 两顶尖只对工件有定心和支撑作用, 必须通过对分夹头或鸡心夹头的拨杆带动工件旋转, 如图 2-33 所示 利用两顶尖定位还可以加工偏心工件, 如图 2-34 所示 图 2-33 两顶尖装夹 图 2-34 偏心轴加工 (2) 拨动顶尖 拨动顶尖常用的有内 外拨动顶尖和端面拨动顶尖两种 内 外拨动顶尖 ( 如图 2-35) 的锥面带齿, 能嵌入工件拨动工件旋转 ; 端面拨动顶尖 ( 如图 2-36) 利用端面拨爪带动工件旋转, 适合装夹直径在 50~150mm 之间的工件 内拨动顶尖 外拨动顶尖 (a) 内拨动顶尖 (b) 外拨动顶尖 图 2-35 内 外拨动顶尖

45 第 2 章数控加工中工件的定位与装夹 37 拨爪 图 2-36 端面拨动顶尖 铣床夹具 在铣床上常用的夹具有通用夹具 组合夹具 专用夹具 成组夹具等, 在选用时, 要考虑产品的生产批量 生产效率 质量保证及经济性等问题 1. 通用夹具 通用夹具包括螺钉压板 平口钳 三爪卡盘等 (1) 螺钉压板 利用 T 形槽螺栓和压板将工件固定在机床工作台上即可 (2) 平口钳 又称虎钳 加工一般精度要求和夹紧力要求的零件时常用机械式平口虎钳 ; 当加工精度要求较高, 需要较大的夹紧力时, 可采用较高精度的液压平口钳 (3) 铣床用三爪卡盘 当需要在数控铣床上加工回转体零件时, 可以采用三爪卡盘装夹, 对于非回转零件可采用四爪卡盘装夹 铣床用卡盘的使用方法与车床卡盘相似, 使用时用 T 形槽螺栓将卡盘固定在机床工作台上即可 2. 模块组合夹具 它是由一套结构尺寸已经标准化 系列化的模块式元件组合而成, 根据不同零件, 这些元件可以像积木一样, 组成各种夹具, 可以多次重复使用, 适合小批量生产或研制产品时的中小型工件在铣床上进行铣削加工, 如图 2-37 所示 3. 专用夹具 专用夹具结构固定, 仅使用于一个具体零件的具体工序, 这类夹具设计应力求简化, 目的使制造时间尽量缩短 一般用在产量较大或研制需要时采用 4. 多工位夹具 可以同时装夹多个工件, 可减少换刀次数, 以便于一面加工, 一面装卸工件, 有利于

46 38 数控加工工艺与编程 缩短辅助时间, 提高生产率, 适合中小批量生产 5. 回转工作台 常用的回转工作台有分度工作台和数控加工回转工作台 分度工作台只能完成分度运动, 不能实现圆周进给 而回转工作台根据指令脉冲信号, 完成圆周进给运动, 也可以进行分度工作 回转工作台的结构如图 2-38 所示 图 2-37 组合夹具的元件 1 基础件 ;2 支承件 ;3 定位件 ;4 导向件 ;5 夹紧件 ;6 紧固件 ;7 其他件 ;8 组合件 图 2-38 回转工作台

47 第 2 章数控加工中工件的定位与装夹 39 习 题 1. 夹具的组成有哪几部分? 其各自作用是什么? 2. 何谓六点定位原理? 3. 什么是完全定位 欠定位与过定位? 举例说明各自的优 缺点 4. 什么是自位支承和辅助支承? 二者的区别是什么? 5. 什么是基准? 怎样进行分类? 说明各自的特点与二者的区别 6. 粗基准和精基准的选择原则有哪些? 举例说明 7. 在选择夹紧力作用点时应注意哪些事项? 8. 根据图 2-39 图 2-40 工件的加工要求, 分析理论上应该限制哪几个自由度? z h O R9 x 图 2-39 铣平面 图 2-40 钻 φ6h7 孔 9. 分析图 2-41 图 2-42 中各定位元件都限制了哪几个自由度? Z 1 2 Y 图 2-41 题 9 用图 ( 一 ) 图 2-42 题 9 用图 ( 二 ) X 1 三爪 ;2 中心架

48 第 3 章 数控加工工艺基础 生产过程和工艺过程 1. 生产过程 3.1 数控加工工艺规程概述 生产过程是指把原材料转变为产品的全过程 机械产品的生产过程包括原材料的运输 仓库保管 生产技术准备 毛坯的制造 零件的加工 ( 含机械加工 热处理 ) 产品的装配 检验和包装等 2. 工艺过程 改变生产对象的形状 尺寸 相对位置和性质, 使其成为成品或半成品的过程, 称为工艺过程 它是生产过程的主要部分, 包括机械加工工艺过程 热处理工艺过程和装配工艺过程等 数控加工工艺主要是指在数控机床上完成的机械加工工艺, 如 : 采用数控机床, 按照合理的加工方法, 改变毛坯的形状 尺寸和表面质量等, 使其成为零件的过程 在机械加工工艺过程中, 根据被加工工件的结构特点和技术要求采用不同的加工方法及设备, 按照一定的顺序依次进行才能完成由毛坯到零件的转变过程 因此, 机械加工工艺过程是由一个或若干个顺序排列的工序组成的, 每个工序又可分为安装 工位 工步和走刀 (1) 工序 工序是指由一个或一组工人在一个工作地点对一个或几个工件连续完成的那一部分工艺过程 划分工序的依据是工作地是否发生变化和工作是否连续 若改变其中任意一项就构成另一个工序 根据生产条件和生产批量的不同, 同一零件的工序划分及每道工序所包含的内容将不同 如图 3-1 所示的阶梯轴零件, 单件小批生产和大批大量生产时, 分别按表 划分工序

49 第 3 章数控加工工艺基础 41 图 3-1 阶梯轴零件 表 3-1 单件小批生产工艺过程 工序号工序内容设备工序号工序内容设备 1 车两端面 钻两中心孔车床 3 铣键槽 去毛刺铣床 钳工台 2 车外圆 车槽 倒角车床 4 磨外圆磨床 表 3-2 大批大量生产工艺过程 工序号工序内容设备工序号工序内容设备 1 两端同时铣端面 钻中心孔专用机床 4 铣键槽铣床 2 车一端外圆 车槽 倒角车床 5 去毛刺钳工台或专门去毛刺机 3 车另一端外圆 车槽 倒角车床 6 磨外圆磨床 工序是工艺过程的基本组成单元, 是安排生产作业计划 指定劳动定额和配备工人的基本计算单元 (2) 安装 工件经一次装夹后所完成的那一部分工序, 称为安装 在一道工序中, 工件可能只需安装一次, 也可能需要安装几次 如表 3-1 中的工序 2, 至少需要安装两次 ; 而表 3-2 中的工序 4 仅需安装一次即可铣出键槽 安排加工工艺时, 应尽可能减少安装次数, 这样既可以减小安装误差, 也可以减少装卸工件消耗的时间 例如, 生产中常采用一些专用夹具及回转工作台等调整工件的加工位置, 以减少安装次数, 提高加工精度和效率 (3) 工位 利用回转工作台 ( 或夹具 ) 移动工作台 ( 或夹具 ), 使工件在一次安装中先后处于几个不同的加工位置, 每个加工位置称为一个工位 图 3-2 所示为利用回转工作台, 在一次安装中顺次完成装卸工件 钻孔 扩孔和铰孔 4 个工位的加工

50 42 数控加工工艺与编程 图 3-2 多工位加工 (4) 工步 在加工表面和加工工具不变的情况下, 所连续完成的那一部分工序内容, 称为工步 划分工步的依据是加工表面和工具是否变化 如表 3-1 中的工序 1 有 4 个工步, 表 3-2 中的工序 4 仅有一个工步 为了简化工艺文件, 将在一次安装中连续进行的若干个相同的工步看作一个工步 如图 3-3 所示零件, 钻削 6 个 φ20 孔, 可看成为一个工步 有时, 为了提高生产率, 用几把不同刀具或复合刀具同时加工一个工件上的几个表面, 通常称此工步为复合工步, 如图 3-4 所示 数控加工中, 通常将一次安装下用一把刀连续切削零件上的多个表面划分为一个工步 图 3-3 加工 6 个相同表面的工步 图 3-4 复合工步 (5) 走刀 在一个工步内, 若被加工表面需切除的余量较大, 可以用同一把刀分几次进行切削, 每一次切削称为一次走刀 图 3-5 所示为工序 安装 工位 工步和走刀的关系示意图 图 3-5 工序 安装 工位 工步和走刀的关系

51 第 3 章数控加工工艺基础 生产纲领和生产类型 机械产品的制造工艺不仅取决于产品的结构 技术要求, 而且与企业的生产类型有关, 而企业的生产类型又由企业的生产纲领决定 1. 生产纲领 企业在计划期内应当生产的产品产量和进度计划称为生产纲领 计划期通常为一年, 因此生产纲领也常称为年生产纲领 零件的生产纲领应包括一定的备品和废品数, 其计算公式为 N = Qn(1 + α)(1 + β ) 式中 N 零件的年生产纲领, 件 / 年 ; Q 产品的年生产纲领, 台 / 年 ; n 每台产品中该零件的数量, 件 / 台 ; α 备品率 ; β 废品率 2. 生产类型 生产类型是指工厂 ( 或车间 工段 班组 工作地 ) 生产专业化程度的分类 生产类型的划分需由生产纲领 产品结构特点及大小等因素决定 机械加工生产类型可分为 3 类 (1) 单件生产 单件生产是指产品品种多, 每一种产品的结构 尺寸不同且产量少, 各个工作地点的加工对象经常改变且很少重复的生产类型, 如新产品试制 重型机械和专用设备的制造等均属于单件生产 (2) 大量生产 大量生产是指产品种类已经固定, 产品数量大, 大多数厂家长期按一定的生产节拍进行某种零件的某道工序的加工, 如汽车 轴承 柴油机等的生产均属于大量生产 (3) 成批生产 成批生产是指产品品种基本固定, 但数量少 品种多, 一年中分批轮流地生产几种不同的产品, 工作地点的加工对象周期性地重复, 如机床 电动机等的制造均属于成批生产 同一产品 ( 或零件 ) 每批投入生产的数量称为批量 在成批生产中, 按照批量大小与产品特征, 又可分为小批生产 中批生产和大批生产 从工艺特点看, 小批生产与单件生产相似, 大批生产与大量生产相似 因此, 生产中一般按单件小批生产 中批生产 大批大量生产 3 种来划分生产类型 产品的不同生产类型和生产纲领的关系见表 3-3

52 44 数控加工工艺与编程 表 3-3 生产类型和生产纲领的关系 生产类型 生产纲领 ( 台 / 年或件 / 年 ) 重型零件 (30kg 以上 ) 中型零件 (4~30kg) 轻型零件 (4kg 以下 ) 单件生产 小批生产 >5~100 >10~150 >100~500 成批生产 中批生产 >100~300 >150~500 >500~5000 大批生产 >300~1000 >500~5000 >5000~50000 大量生产 >1000 >5000 >50000 生产类型不同, 产品和零件的制造工艺 工装设备 技术措施及经济效果不同 大批大量生产采用专用机床和工艺装备, 生产效率高 成本低 ; 单件小批生产通常采用通用设备及工装, 机床调整时间长 生产效率低 成本高 随着科学技术的发展和市场需求的变化, 生产类型的划分也在发生变化 多品种, 中 小批量生产的产品逐渐增加, 生产类型正向着数控加工等自动化加工方式转变 数控加工主要用于单件生产和小批生产, 其适用的产品加工范围越来越广泛 各种生产类型的工艺特征见表 3-4 表 3-4 各种生产类型的工艺特征 工艺特征单件小批生产成批生产大批大量生产加工对象不固定 经常改变周期性变换固定不变 零件互换性无互换性, 钳工修配多数有互换性, 少数钳工修配有互换性 毛坯的制造方木模手工铸造或自由锻造, 毛部分金属模铸造或模锻, 毛坯精度采用金属模铸造和模锻, 法及加工余量坯精度低, 加工余量大与加工余量适中毛坯精度高, 加工余量小 机床设备及布局 工艺装备 通用机床 数控机床, 机群式布置 通用夹具 刀具和量具 通用 专用及数控机床, 按工件类专用机床和自动机床, 别分工段排列按流水线或自动线排列 广泛采用专用夹具 通用刀具和万高效率的专用夹具 量具能量具, 部分采用专用刀具和量具和专用高效复合刀具 获得规定尺寸划线 试切法多用调整法, 有时用试切法调整法的加工方法 装夹方法找正或用通用夹具装夹多用专用夹具装夹, 部分找正装夹用高效专用夹具装夹 工人技术水平要求 工艺文件 熟练 比较熟练 对操作工人技术要求低, 对调整工人技术要求高 详细编制工艺过程卡 工简单工艺过程卡 关键工序工艺过程卡 关键零件的工序卡 序卡 关键工序调整卡和卡 数控加工工序卡和程序单数控加工工序卡和程序单检验卡 生产率低中高 成本高中低

53 第 3 章数控加工工艺基础 零件的工艺分析 1. 机械加工工艺规程的制定 在机械产品的生产中, 用来规定产品或零件制造工艺过程和操作方法的工艺文件, 称为工艺规程 机械加工工艺规程包括 : 工件加工的工艺路线, 各工序的具体加工内容 要求及说明, 切削用量, 时间定额及使用的机床设备与工艺装备等 (1) 机械加工工艺规程的作用 工艺规程是指导生产的主要技术文件, 合理的工艺规程是在工艺理论和实践的基础上制订的, 按照工艺规程组织生产可以保证产品质量和生产效率 ; 工艺规程是生产组织和管理工作的基本依据, 也是生产准备和技术准备的基本依据 (2) 机械加工工艺规程的基本要求 在保证产品质量的前提下, 尽量提高生产效率 降低成本 ; 充分利用本企业现有的生产条件的基础上, 尽可能采用国内外先进的工艺技术和经验 ; 保证工人良好的工作条件 ; 要正确 完整 统一和清晰 ; 所用术语 符号 单位 编号等符合相应标准, 尽量采用国际标准 (3) 制订机械加工工艺规程的主要依据 产品的全套装配图和零件图 ; 产品的技术设计说明书 ; 产品的生产纲领和类型 ; 产品的验收质量标准 ; 现有生产条件和资料, 包括毛坯的生产条件或协作关系 工艺装备及专用设备的规格 性能和制造能力 工人的技术水平及各种工艺资料 ( 工艺手册 图册 ) 和标准等 ; 国内外同类产品的有关工艺资料 (4) 制订机械加工工艺规程的步骤 1 根据零件的年生产纲领确定生产类型, 作为制定工艺规程的依据 2 根据产品的零件图和装配图, 分析 检查零件图上的视图 尺寸 形位公差及表面粗糙度是否齐全, 技术要求及工艺结构是否合理 3 依据生产纲领 零件的尺寸结构特点, 合理确定毛坯类型及制造方法 4 选择定位基准, 拟订工艺路线 5 确定各工序的设备和工艺装备 选择机床时, 要考虑各工序加工方法 ; 零件的外形尺寸及精度要求 ; 零件的生产类型等因素 刀具 夹具及量具的选择应考虑生产类型 6 确定各工序的加工余量, 计算工序尺寸及其公差 7 确定各工序的切削用量及时间定额 8 确定主要工序的技术要求及检验方法 9 进行技术经济分析, 选择最佳工艺方案 10 填写工艺文件 (5) 机械加工工艺规程的格式 1 机械加工工艺规程的一般格式 机械加工工艺过程卡片是描述整个零件加工所经过的工艺路线 ( 包括毛坯 机械加工和热处理等 ) 的一种工艺文件 它是制订其他工艺文件的基础, 也是生产准备 编制计划和组织生产的依据 这种卡片由于对各工序的说明不具体, 一般不能指导工人操作, 多作

54 46 数控加工工艺与编程 为生产管理使用 机械加工工艺过程卡片格式见表 3-5 机械加工 ( 工厂名 ) 工艺过程卡片 工序号 表 3-5 机械加工工艺过程卡片 产品名称及型号零件名称零件图号 材料 工序内容 名称种类工件重毛重第页毛坯牌号尺寸量 /kg 净重共页 性能 加工车间 每台每料件数件数设备名工艺装备名称及编号称及编夹具刀具量具号 每批件数 技术等级 时间定额 /min 单件准备 - 终结时间 更改内容 编制抄写校对审批批准 机械加工工艺卡片是用于普通机床加工的卡片, 它是以工序为单位详细说明零部件机械加工过程的工艺文件 它是指导工人生产和帮助车间技术人员掌握工件加工过程的主要工艺文件, 广泛用于成批生产的零件和小批量生产中的重要零件 工艺卡片的内容包括零件的材料 质量 毛坯性质 各道工序的具体内容及加工要求 机械加工工艺卡片格式见表 3-6 机械加 ( 工厂名 ) 工工艺材料卡片 工序 安装 工步 工序内容 表 3-6 机械加工工艺卡片 产品名称及型号 零件名称 零件图号 名称 工件种类毛坯 毛重 牌号 尺寸 性能 每台件数 工艺装备名 切削用量 称及编号 同时加工零件数 背吃刀量 /mm 切削速度 /m min -1 转速 /r min -1 进给量 /mm r -1 或 mm min -1 设备名称及编号 重量 /kg 每批件数 夹具 刀具 量具 技术等级 第共 页页 时间定额 /min 单件 准备 - 终结时间 更改内容 编制抄写校对审核批准

55 第 3 章数控加工工艺基础 47 机械加工工序卡片是在工艺过程卡片或工艺卡片的基础上, 按每道工序编制的 用来具体指导操作者进行操作的工艺文件 该卡片中要有工序简图, 该工序每个工步的加工内容 工艺参数 操作要求 工件的装夹方式 所用设备及工艺装备等 机械加工工序卡片格式见表 3-7 表 3-7 机械加工工序卡片 机械加工工序卡片 产品名称及型号 工件名称 零件图号 工序名称 工序号 第 页 共 页 车间 工段 材料名称 材料牌号 力学性能 同时加工件数 每台件数技术等级单件时间 准备 - 终结时间 ( 工序简图 ) 设备名称设备编号夹具名称夹具编号切削液 更改内容 工步号 工步内容 计算数据 /mm 切削用量工时定额 /mm 刀具 量具及辅助工具走基辅工作直径刀切削主轴进给量工进给单边背吃刀本助地点名规编或长次速度转速 /mm r -1 或步数量长度余量量 /mm 时时服务称格号度数 /m min -1 /r min -1 mm min -1 号间间时间 编制抄写校对审核批准 2 数控加工专用技术文件的格式 数控加工专用技术文件是编制数控加工程序的依据, 也是数控加工工艺设计的内容之一 它可以让操作者更加明确程序的内容 装夹方式 各个加工部位所选用的刀具等问题 下面介绍几种数控加工专用技术文件 数控加工工序卡是编制数控加工程序的主要依据和操作人员配合数控程序进行数控加工的主要指导性工艺文件 数控加工工序卡与普通加工工序卡有许多相似之处, 区别是 :

56 48 数控加工工艺与编程 草图中应注明编程原点和对刀点, 要进行编程简要说明 ( 机床型号 程序介质 程序编号 刀具半径补偿方式 镜像加工对称方式等 ) 及切削参数 ( 主轴转速 进给速度 最大背吃刀量或宽度等 ) 的设定 当工序加工内容不十分复杂时, 也可把工序简图画在工序卡片上 数控加工工序卡见表 3-8, 主要包括工步顺序 工步内容 各工步所用刀具及切削用量等 单位名称 表 3-8 数控加工工序卡 产品名称或代号零件名称零件图号 典型轴 工序号工序编号夹具名称使用设备车间 001 三爪卡盘和活动顶尖 TND360 数控中心 工步号工步内容刀具号 刀具规格 /mm 主轴转速 /r min -1 进给速度 /mm min -1 背吃刀量 /mm 1 平端面 T 手动 2 钻中心孔 T01 φ5 950 手动 3 粗车轮廓 T 自动 4 精车轮廓 T 自动 5 粗车螺纹 T 自动 6 精车螺纹 T 自动 编制审核批准年月日共页第页 数控加工刀具卡是组装刀具和调整刀具的依据, 主要内容包括刀具号 刀具名称 刀具数量 规格 尺寸及刀柄型号等 数控加工刀具卡见表 3-9 表 3-9 数控加工刀具卡 产品名称或代号零件名称典型轴零件图号 序号刀具号刀具规格名称数量加工表面刀尖半径 /mm 备注 1 T01 φ5mm 中心钻 1 钻 φ5mm 中心孔 2 T02 硬质合金 90 外圆车刀 1 车端面及粗车轮廓右偏刀 3 T03 硬质合金 60 外螺纹车刀 1 精车轮廓及螺纹 0.15 编制审核批准共页 备注 数控加工走刀路线图主要反映加工过程中刀具的运动轨迹, 其作用一方面是方便编程人员编程 ; 另一方面是帮助操作人员了解刀具的运动轨迹, 以便确定夹紧位置和控制夹紧元件的高度 数控加工走刀路线见图 3-6

57 第 3 章数控加工工艺基础 49 数控加工走刀路线图零件图号 NC01 工序号工步号程序号 O0100 机床型号 XK5032 程序段号 N10~ N170 加工内容 铣轮廓周边共 1 页第页 编程 校对 审批 符号 含义抬刀下刀编程原点起刀点走刀方向 走刀路线相交 爬斜坡铰孔行切 图 3-6 数控加工走刀路线 数控加工工序卡片 数控加工刀具卡片及数控加工走刀路线图目前还没有统一的标准 因此, 有时为方便操作者加工, 还需对加工程序进行必要的说明 2. 零件的工艺分析 制订零件的机械加工工艺规程之前, 应对零件进行详细的工艺分析 其主要内容包括产品的零件图样分析 结构工艺性分析和零件安装方式的选择等内容 (1) 零件图分析首先应明确零件在产品中的作用 位置 装配关系和工作条件, 了解各项技术要求对零件装配质量和使用性能的影响, 然后再对零件图样进行分析 1 零件图的完整性与正确性分析 构成零件轮廓的几何元素 ( 点 线 面 ) 的条件 ( 如相切 相交 垂直和平行等 ), 是数控编程的重要依据 在分析零件图样时, 必须首先分析几何元素的给定条件是否充分, 若发现问题及时修改完善 2 尺寸标注方法分析 零件图上尺寸标注方法应适应数控加工的特点 零件设计人员一般在尺寸标注中较多地考虑装配等使用方面特性, 一般采用如图 3-7(a) 所示的局部分散的标注方法, 不利于工序安排和数控加工 在数控加工零件图上, 最好直接给出坐标尺寸, 或尽量统一基准标注尺寸, 如图 3-7(b) 所示

58 50 数控加工工艺与编程 (a) (b) 图 3-7 零件尺寸标注分析 3 零件技术要求分析 零件的技术要求主要是指尺寸精度 形状精度 位置精度 表面粗糙度及热处理等 这些要求在保证零件使用性能的前提下, 应经济合理 4 零件材料分析 在满足零件使用要求的前提下, 应选择切削性能好 成本低的材料 而且, 材料选择应立足国内, 不要轻易选用贵重或紧缺的材料 (2) 零件的结构工艺性分析零件的结构工艺性是指所设计的零件在满足使用要求的前提下制造的可行性和经济性, 即零件的结构应方便加工时工件的装夹 对刀 测量 良好的结构工艺性, 可以使零件易于数控加工, 提高切削效率 结构工艺性不好会使加工困难, 浪费材料和工时, 甚至无法加工 如发现零件结构不合理, 应与设计人员一起分析, 按规定手续对图样进行必要的修改和补充 表 3-10 所例为分析常见零件结构的工艺性 表 3-10 常见零件结构的工艺性分析 序号 A 结构工艺性不好 B 结构工艺性好说明 1 结构 B 键槽的尺寸 方位相同, 可以在一次装夹中加工出全部键槽, 以提高生产率 2 结构 B 避免了深孔加工, 节约了材料

59 第 3 章数控加工工艺基础 51 序号 A 结构工艺性不好 B 结构工艺性好说明 ( 续表 ) 3 结构 B 的底面接触面积小, 加工量小, 稳定性好 4 结构 B 的空刀槽 ( 越程槽 ) 保证了加工的可能性, 减少刀具 ( 砂轮 ) 的磨损 5 结构 B 凸台等高, 可以在一次工作行程中加工出所有凸台面 6 结构 B 在加工时便于刀具引进 7 结构 B 刀槽尺寸相同, 减少了刀具种类和换刀时间 8 结构 B 孔轴线与端面垂直, 使钻头定位准确, 易于加工且定位精度高 此外, 在分析零件结构工艺性时还要与生产类型相联系 图 3-8 所示的车床进给箱箱体, 单件小批生产时, 其同轴孔的直径应设计成单向递减的, 如图 3-8(a) 所示, 以便在镗床上通过一次安装就能逐步加工出分布在同一轴线上的所有孔 但在大批量生产中, 为提高生产率, 一般用双面联动组合机床加工, 这时应用双向递减的孔径设计, 用左 右两镗杆各镗两端孔, 如图 3-8(b) 所示, 以缩短加工工时, 提高效率

60 52 数控加工工艺与编程 (a) (b) 图 3-8 生产类型对零件结构工艺性的影响 (3) 数控加工对零件结构工艺性的影响数控加工的特点是高精度 高效率 高柔性, 可以与计算机通信, 实现计算机辅助设计与制造一体化及生产管理的现代化 因此, 数控加工对传统的零件结构工艺性衡量标准有了更细致的要求 不同的数控加工方法有其不同的结构要求, 将在第 5 6 章讲述 3.2 工艺路线的拟订 工艺路线的拟订是制定工艺规程的关键, 其主要任务是选择各个表面的加工方法和加工方案, 确定各个表面的加工顺序及工序集中与分散等 关于工艺路线的拟订, 多采取生产实践中总结出的一些综合性原则, 结合具体的生产类型及生产条件灵活处理 表面加工方法的选择 加工方法选择的原则是保证加工质量 生产率和经济性 为了正确选择加工方法, 应了解各种加工方法的特点和掌握加工经济精度及经济粗糙度的概念 (1) 经济精度与经济粗糙度 在加工过程中, 影响精度的因素很多 每种加工方法在不同的工作条件下所能达到的精度是不同的 例如, 在一定的设备条件下, 选择较低的进给量和切削深度, 就能获得较高的加工精度和较小的表面粗糙度值 但是这必然使生产率降低, 生产成本增加 反之, 提高了生产率, 虽然成本降低, 但会增大加工误差, 降低加工精度 加工经济精度是指在正常的加工条件下 ( 采用符合质量要求的标准设备 工艺装备和标准技术等级的工人, 不延长加工时间 ) 所能保证的加工精度 (2) 选择加工方法时考虑的因素 各种典型表面的加工方法所能达到的经济精度和表面粗糙度等级都已制定成表格, 编制成机械加工手册 现将有关部分内容列于表 3-11 表 3-12 和表 3-13 中 一般, 满足同样精度要求的加工方法有若干种, 选择时还应考虑下列因素 :

61 第 3 章数控加工工艺基础 53 序号 加工方案 表 3-11 外圆表面加工方法 经济精度公差等级 表面粗糙度值 Ra /µm 1 粗车 IT11 以下 50~ 粗车 半精车 IT8~ IT10 6.3~3.2 3 粗车 半精车 精车 IT7~ IT 8 1.6~0.8 4 粗车 半精车 精车 滚压 ( 或抛光 ) IT7~ IT 8 0.2~ 粗车 半精车 磨削 IT7 ~IT8 0.8~0.4 6 粗车 半精车 粗磨 精磨 IT6~ IT7 0.4~0.1 7 粗车 半精车 粗磨 精磨 超精加工 ( 或轮式超精磨 ) IT5 0.1~0.012 ( 或 Rz0.1) 8 粗车 半精车 精车 金刚石车 IT6~ IT7 0.4~ 粗车 半精车 粗磨 精磨 超精磨或镜面磨 IT5 以下 10 粗车 半精车 粗磨 精磨 研磨 IT5 以上 表 3-12 内孔加工方法 0.025~0.006 ( 或 Rz0.05) 0.1~0.006 ( 或 Rz0.05) 适用范围 适用于淬火钢以外的各种金属 主要用于淬火钢, 也可以用于未淬火钢, 但不宜加工有色金属 主要用于要求较高的有色金属加工 极高精度的外圆加工 序号 加工方案 经济精度表面粗糙度公差等级值 Ra /µm 1 钻 IT11~ IT 钻 铰 IT8~ IT10 3.2~1.6 3 钻 粗铰 精铰 IT7~ IT8 1.6~0.8 4 钻 扩 IT10~ IT ~6.3 5 钻 扩 铰 IT8~ IT9 3.2~1.6 6 钻 扩 粗铰 精铰 IT7 1.6~0.8 7 钻 扩 机铰 手铰 IT6~ IT7 0.4~0.1 8 钻 扩 拉 IT7~ IT9 1.6~0.1 9 粗镗 ( 或扩孔 ) IT11~ IT ~ 粗镗 ( 粗扩 ) 半精镗 ( 精扩 ) IT8~ IT9 3.2~ 粗镗 ( 粗扩 ) 半精镗 ( 精扩 ) 精镗 ( 铰 ) IT7~ IT8 1.6~ 粗镗 ( 粗扩 ) 半精镗 ( 精扩 ) 精镗 浮动镗刀精镗 IT6~ IT7 0.8~0.4 适用范围 加工未淬火钢及铸铁的实心毛坯, 也可以用于加工有色金属 ( 但表面粗糙度稍大, 孔径小于 15~20 mm) 同上, 但孔径大于 15~20mm 大批大量生产 ( 精度由拉刀的精度而定 ) 除淬火钢外的各种材料, 毛坯有铸出孔或锻出孔

62 54 数控加工工艺与编程 序号 加工方案 粗镗 ( 扩 ) 半精镗 磨孔粗镗 ( 扩 ) 半精镗 粗磨 精磨粗镗 半精镗 精镗 精细镗 ( 金刚镗 ) 钻 ( 扩 ) 粗铰 精铰 珩磨 ; 钻 ( 扩 ) 拉 珩磨 ; 粗镗 半精镗 精镗 珩磨以研磨代替上述方案中的珩磨 经济精度公差等级 表面粗糙度值 Ra /µm IT7~ IT8 0.8~0.2 IT6~ IT7 0.2~0.1 适用范围 ( 续表 ) 主要用于淬火钢, 也可以用于未淬火钢, 但不宜用于有色金属 IT6~ IT7 0.4~0.05 主要用于精度要求高的有色金属加工 IT6~ IT7 0.2~0.025 IT6 级以上 0.1~0.006 表 3-13 达式平面加工方法 精度要求很高的孔 序号 加工方案 经济精度级 表面粗糙度值 Ra /µm 1 粗车 半精车 IT9 6.3~3.2 2 粗车 半精车 精车 IT7~IT8 1.6~0.8 3 粗车 半精车 磨削 IT8~ IT9 0.8~0.2 4 粗刨 ( 或粗铣 ) 精刨 ( 或精铣 ) IT8~ IT9 6.3~1.6 5 粗刨 ( 或粗铣 ) 精刨 ( 或精铣 ) 刮研 IT6~ IT7 0.8~0.1 6 以宽刃刨削代替上述方案刮研 IT7 0.8~0.2 7 粗刨 ( 或粗铣 ) 精刨 ( 或精铣 ) 磨削 IT7 0.8~0.2 8 粗刨 ( 或粗铣 ) 精刨 ( 或精铣 ) 粗磨 精磨 IT6~ IT7 0.4~ 粗铣 拉 IT7~ IT9 0.8~ 粗铣 精铣 磨削 研磨 IT6 以上 0.1~0.006 ( 或 Rz0.05) 端面 适用范围 一般不淬硬平面 ( 端铣表面粗糙度较细 ) 精度要求较高的不淬硬平面 ; 批量较大时宜采用宽刃精刨方案 精度要求较高的淬硬平面或不淬硬平面 大量生产, 较小的平面 ( 精度视拉刀精度而定 ) 高精度平面 1 工件的加工精度 表面粗糙度和其他技术要求 例如, 加工精度为 IT7, 表面粗糙度为 Ra0.4µm 的外圆柱表面, 通过精细车削是可以达到要求的, 但不如磨削经济 2 工件材料的性质 例如, 淬火钢的精加工常用磨削 ; 有色金属的精加工要用高速精细车 ( 金钢车 ) 或精细镗 ( 金钢镗 ), 以避免磨削时堵塞砂轮

63 第 3 章数控加工工艺基础 55 3 工件的结构形状和尺寸 例如, 对于加工精度为 IT7 级 表面粗糙度为 Ra1.6µm 的孔采用镗 铰 拉或磨削等都可以 ; 但对于箱体上同样要求的孔, 常用镗孔 ( 大孔 ) 或铰孔 ( 小孔 ), 一般不采用拉削或磨削 4 结合生产类型考虑生产效率和经济性 大批大量生产时, 采用高效的先进工艺 例如, 用拉削方法加工孔和平面同时加工几个表面的组合铣削和磨削等 单件小批生产时采用刨削 铣削平面和钻 扩 铰孔等加工方法 5 现有生产条件 应该充分利用现有设备, 挖掘企业潜力, 发挥工人的创造性 对于除平面 外圆 内孔以外的结构, 如平面轮廓常用的加工方法有数控铣 线切割及磨削等 对如图 3-9(a) 所示的内平面轮廓, 当曲率半径较小时, 可采用数控线切割方法加工 若选择铣削的方法, 因铣刀直径受最小曲率半径的限制, 直径太小, 刚性不足, 会产生较大的加工误差 对图 3-9(b) 所示的外平面轮廓, 可采用数控铣削方法加工, 常用粗铣 精铣方案, 也可采用数控线切割方法加工 对精度及表面粗糙度要求较高的轮廓表面, 在数控铣削加工之后, 再进行数控磨削加工 数控铣削加工适用于除淬火钢以外的各种金属, 数控线切割加工可用于各种金属, 数控磨削加工适用于除有色金属以外的各种金属 立体曲面加工方法主要是数控铣削, 多用球头铣刀, 以 行切法 加工, 如图 3-10 所示 根据曲面形状 刀具形状及精度要求等通常采用二轴半联动或三轴半联动 对精度和表面粗糙度要求高的曲面, 当用三轴联动的 行切法 加工不能满足要求时, 可用模具铣刀, 选择四坐标或五坐标联动加工 (a) 内平面轮廓 (b) 外平面轮廓 图 3-9 平面轮廓类零件 图 3-10 立体曲面的行切法加工示意图 工序的划分 工件的加工质量要求较高时, 应划分为粗加工 半精加工和精加工 3 个阶段 当精度要求特别高, 表面粗糙度值很小时, 还需增加光整加工和超精密加工 这样, 有利于保证加工质量, 合理使用设备, 及时发现毛坯缺陷和便于安排热处理工序 加工阶段的划分也不应绝对化, 应根据零件的质量要求 结构特点和生产纲领灵活掌握

64 56 数控加工工艺与编程 对于质量要求不高 刚性好 毛坯精度高 加工余量小的工件, 可少划分几个阶段或不划分阶段 ; 对刚性好的重型工件, 由于装夹及运输很费时, 也常在一次装夹下完成全部粗 精加工 分析工艺过程时需将同一加工阶段中各表面的加工分成若干个工序, 工序划分的原则分为工序集中原则和工序分散原则 工序集中原则是指每道工序包括尽可能多的加工内容, 从而使工序的总数减少 工序分散原则就是将工件的加工分散在较多的工序内进行, 每道工序的加工内容很少 划分工序主要考虑生产纲领 零件结构特点 技术要求和机床设备等 大批大量生产中常采用高效设备及工艺装备, 如多轴 多刀的高效加工中心, 可按工序集中原则组织生产 ; 有时由组合机床组成的自动线加工, 则按工序分散原则划分 随着现代数控技术的发展, 特别是加工中心的应用, 工艺路线的安排更多地趋向于工序集中 单件小批生产时, 通常采用工序集中原则 ; 成批生产时, 具体情况具体分析 在数控机床上加工零件, 一般按工序集中原则划分工序, 要求在一次装夹中尽可能完成大部分或全部工序, 一般有以下几种方法 : (1) 按安装次数划分 以一次安装完成的那部分工艺过程为一道工序 该法适用于加工内容不多的工件 (2) 按刀具划分 同一把刀具完成的那部分工艺过程为一道工序 适用于工件的待加工表面较多 机床连续工作时间较长的情况, 专用数控机床与加工中心常用此方法 (3) 按粗 精加工划分 考虑工件的加工精度要求 刚度和变形等因素来划分工序时, 按此原则划分 这种划分方法适用于加工后变形较大, 需粗 精加工分开的零件, 如毛坯为铸件 焊接件或锻件 (4) 按加工部位划分 即以完成相同型面的那部分工艺过程为一道工序, 对于加工表面多而复杂的零件, 可按其结构特点 ( 如内形 外形 曲面和平面等 ) 划分成多道工序 加工顺序的安排 在选定加工方法 划分工序后, 工艺路线拟定的主要内容就是合理安排这些加工方法和加工工序的顺序 零件的加工工序通常包括切削加工工序 热处理工序和辅助工序 ( 包括表面处理 清洗和检验等 ), 这些工序的顺序直接影响到零件的加工质量 生产效率和加工成本 因此, 在拟订工艺路线时, 应合理安排切削加工 热处理和辅助工序之间的顺序 1. 切削加工工序的安排原则 (1) 基面先行 用作精基准的表面, 应首先加工出来 因为定位基准的表面精度越高, 定位误差就越小, 加工精度就高 因此, 第一道工序一般为定位面的粗加工和半精加工, 然后再以精基准定位加工其他表面 例如, 加工轴类零件时, 总是先加工中心孔, 再以中心孔为精基准加工外圆表面和端面 又如, 箱体类零件总是先加工定位用的平面和两个定位

65 第 3 章数控加工工艺基础 57 孔, 再以平面和定位孔为精基准加工孔系和其他平面 (2) 先粗后精 各个表面的加工顺序按照粗加工 半精加工 精加工 光整加工的顺序依次进行, 逐步提高表面的加工精度和减小表面粗糙度 (3) 先主后次 零件的主要工作表面 装配基面应先加工, 从而能及早发现毛坯中主要表面可能出现的缺陷, 同时可作为次要表面的加工基准 次要表面一般指键槽 螺纹孔 销孔等表面, 这些表面应以主要表面为基准, 放在主要加工表面加工到一定程度后 最终精加工之前进行加工 (4) 先面后孔 对箱体 支架类零件, 平面轮廓尺寸较大, 一般先加工平面, 再加工孔和其他尺寸 这样, 一方面用加工过的平面定位, 稳定可靠 ; 另一方面有利于保证孔的加工精度 例如, 钻孔加工之前, 先将上表面加工好, 可提高钻头的定位精度, 从而提高孔的加工精度 2. 热处理工序的安排 在切削加工过程中, 通常安排一些热处理工序, 以提高材料的力学性能 改善材料的切削加工性和消除工件的内应力 热处理方法有退火 正火 调质 淬火 时效 渗碳和氮化等 按照功用可分为 : (1) 预备热处理 目的是消除毛坯制造时的残余应力, 改善材料的切削加工性能 一般安排在机械加工之前, 常用的方法有退火 正火等 (2) 消除残余应力热处理 目的是消除机械加工过程中产生的残余应力, 减小变形, 提高精度 一般安排在粗加工之后精加工之前 对精度要求不高的零件, 一般在毛坯进入机加工车间之前, 进行消除残余应力的人工时效和退火安排 ; 对精度要求较高的复杂铸件, 在机加工过程中通常安排两次时效处理 : 铸造 粗加工 时效 半精加工 时效 精加工 ; 对高精度零件, 如精密丝杠 精密主轴等, 应安排多次消除残余应力热处理, 甚至采用冰冷处理以稳定尺寸 (3) 最终热处理 目的是提高零件的强度 表面硬度和耐磨性, 常安排在精加工工序 ( 磨削加工 ) 之前 常用的方法有淬火 渗碳 渗氮和碳氮共渗等 零件的制造过程中还包含一些辅助工序, 主要包括检验 去毛刺 清洗 防锈和平衡等 3. 数控加工工序与普通工序的衔接 数控工序前后一般都穿插有其他普通工序, 如衔接不好就容易产生矛盾, 使加工无法顺利进行 最好的办法是建立工序间的相互状态要求, 如要不要为后道工序留加工余量, 留多少 ; 定位面与孔的精度要求及形位公差等 ; 对前道工序的技术要求 ; 对毛坯的热处理要求等, 都需要统筹兼顾

66 58 数控加工工艺与编程 3.3 工序设计与实施 当数控加工工艺路线确定之后, 各道工序的加工内容基本确定, 接着可以进行数控加工工序的设计 其主要任务是为每一道工序选择机床 夹具 刀具及量具, 确定定位夹紧方案 走刀路线与工步顺序 加工余量 工序尺寸及其公差和切削用量等, 为编制加工程序做好充分准备 加工余量的确定 1. 加工余量的概念 加工余量指加工过程中, 从加工表面所切去的金属层厚度 加工余量分为工序加工余量和加工总余量 (1) 工序加工余量 指一道工序中所切除的金属层的厚度, 其数值为相邻两工序的工序尺寸之差 如图 3-11 所示, 平面的加工余量是单边余量, 等于所切除的金属层厚度 外圆和内孔等回转表面的加工余量为对称的双边加工余量, 是沿直径方向计算的, 实际切除的金属层厚度为加工余量的一半 B A Zb A B Zb (a) (b) Z b /2 B Z b /2 Z b /2 A Z b /2 A B (c) (d) 图 3-11 单边余量和双边余量 (2) 加工总余量 指工件从毛坯变为成品的加工过程中, 从加工表面所切除金属层

67 第 3 章数控加工工艺基础 59 的总厚度, 即工件上某一表面的毛坯尺寸与零件图样的设计尺寸之差 显然, 工件的总加工余量等于各工序余量之和, 即 n ZΣ = Z1 + Z2 + L + Zn = Zi (3-1) 式中 Z 加工总余量 ; Z i 第 i 道工序的工序余量 ; n 该表面总的加工工序数 由于工序尺寸有公差, 所以实际切除的工序余量是一个变值 因此, 工序余量分为基本余量 Z( 公称余量 ) 最大工序余量 Z max 和最小工序余量 Z min 工序余量与工序尺寸及其公差的关系如图 3-12 所示 图中 L a T a 分别为上道工序的基本尺寸与公差,L b T b 分别为本工序的基本尺寸与公差 i= 1 2. 影响加工余量的因素 (a) 被包容面 ( 轴 ) (b) 包容面 ( 孔 ) 图 3-12 工序余量与工序尺寸及其公差的关系 加工余量对工件的加工质量和生产效率均有较大的影响 加工余量过小, 无法消除上道工序的误差和缺陷, 影响加工质量 ; 加工余量过大, 使切削工时 材料浪费, 机床 刀具及动力消耗增大, 成本提高, 效率降低 因此, 合理选择加工余量对生产非常重要 影响加工余量的主要因素如下 (1) 上道工序的表面粗糙度 Ra 和表面缺陷层深度 D a 如图 3-13 所示, 本工序余量应切到正常组织层 (2) 上道工序的尺寸公差 T a 由图 3-12 可知, 本工序余量应包含上道工序的尺寸公差 T a (3) 上道工序的形位误差 ρ a 如图 3-14 所示的小轴, 上道工序轴线的直线度误差 ω, 需在本工序中消除, 则直径方向的加工余量应增加 2ω (4) 本工序的装夹误差 ε b 装夹误差包括工件的定位误差 夹紧误差和夹具在机床上

68 60 数控加工工艺与编程 的安装误差 如图 3-15 所示, 用三爪自定心卡盘夹持工件外圆磨削内孔时, 由于三爪卡盘定心不准, 使工件轴线偏离主轴回转轴线 e, 为保证加工表面有足够的加工余量, 孔的直径余量应增加 2e Da Ra 图 3-13 表面粗糙度及缺陷层 图 3-14 轴线弯曲对加工余量的影响 图 3-15 装夹误差对加工余量的影响 3. 确定加工余量的方法 (1) 经验估算法 工艺人员根据生产经验确定加工余量的方法 为保证零件合格, 所估算的加工余量一般偏大, 此方法常用于单件小批生产 (2) 查表修正法 根据机械加工工艺手册和企业的统计经验表, 结合实际情况确定加工余量 此方法广泛应用于生产 (3) 分析计算法 根据加工余量的计算公式和一定的试验资料, 对影响加工余量的各项因素进行综合分析, 通过计算来确定加工余量 这种方法确定的加工余量经济合理, 但必须有齐全而可靠的实验数据资料, 且计算繁琐, 适用于贵重材料和军工生产 工序尺寸及偏差的确定 工序设计的一项重要任务是进行工序尺寸及偏差的计算 零件上的设计尺寸一般要经

69 第 3 章数控加工工艺基础 61 过几道加工工序才能得到, 每道工序尺寸及其偏差的确定, 不仅取决于设计尺寸 加工余量及各工序所能达到的经济精度, 而且还与定位基准 工序基准 测量基准 编程原点的确定及基准的转换有关 因此, 确定工序尺寸及其偏差时, 应分两种情况分析 1. 基准重合时工序尺寸及偏差的计算 当工艺基准与设计基准重合时, 工序尺寸及其偏差直接由各工序的加工余量和所能达到的精度确定 其计算方法是由最后一道工序开始向前推算, 具体步骤如下 : (1) 先确定各工序的加工余量 根据各工序的加工方法, 参照有关机械加工工艺手册, 查表得出各种加工方法的加工余量 (2) 计算各工序的基本尺寸 根据查到的各工序的加工余量, 从零件图上的设计尺寸开始向前推算, 直至毛坯的基本尺寸 最终工序尺寸等于零件图的基本尺寸, 其余工序尺寸等于后道工序基本尺寸加上或减去后道工序余量 (3) 确定各工序的尺寸公差和表面粗糙度 根据各工序的加工方法, 查表并求出所能达到的经济精度和表面粗糙度, 并查表转换成尺寸公差 (4) 标注各工序的尺寸公差和表面粗糙度 最终工序公差等于零件图上设计尺寸公差, 其余工序尺寸公差按经济精度确定 最后一道工序的偏差按零件图设计尺寸标注, 中间工序尺寸偏差按 入体原则 标注, 毛坯尺寸偏差按 对称原则 标注 例 3-1 图 3-16(a) 所示为法兰盘零件上的一个孔, 孔径为 φ 600 mm, 表面粗糙度值为 Ra0.8μm, 毛坯采用铸钢件, 进行淬火热处理 试确定其各工序尺寸及偏差 解 : 根据题意, 已经铸造出 φ60mm 的毛坯孔, 零件精度为 IT7 级, 查表 3-12 孔加工方法确定工艺路线为 : 粗镗 半精镗 磨削 从机械加工工艺手册查出各工序的基本余量 加工经济精度和经济粗糙度, 见表 3-14 按前面所述步骤(2) 计算各工序基本尺寸并填入表中, 再按公差分配原则安排各尺寸的偏差值, 见表 3-14 (a) (b) (c) (d) 图 3-16 工序尺寸及偏差的计算

70 62 数控加工工艺与编程 工序名称 工序加工余量 /mm 表 3-14 基准重合时工序尺寸及其偏差的计算 加工经济精度 /mm 0.03 磨削 0.4 ( 0 ) 半精镗 1.6 ( 0 ) 0.3 粗镗 7 ( 0 ) 经济粗糙度 /μm 工序基本尺寸 /mm H7 + Ra H9 + Ra =59.6 H12 + Rz =58 工序尺寸及偏差 /mm 0.03 φ φ φ 毛坯孔 ±2 58-7=51 φ 51± 2 2. 基准不重合时工序尺寸及偏差的确定 当工艺基准 ( 工序基准 测量基准 定位基准 ) 或编程原点与设计基准不重合时, 工序尺寸及偏差的确定, 需要借助工艺尺寸链分析计算 (1) 工艺尺寸链的概念及计算 1 工艺尺寸链的概念 在机器装配或零件加工过程中, 由互相联系且按一定顺序排列的尺寸组成的封闭尺寸系统称为尺寸链 图 3-17(a) 所示, 零件图样中已标注了 A 0 A 1 尺寸, 当零件表面 1 和 2 已加工完成, 欲使用 1 面定位加工 3 面时, 需给出工序尺寸 A 2, 以便按尺寸 A 2 对刀,A 2 尺寸与零件图标注的 A 0 A 1 尺寸相互联系, 形成了尺寸链, 如图 3-17(b) 所示 (a) (b) 图 3-17 尺寸链概念及分析 工艺尺寸链的主要特征是封闭性和关联性 封闭性是指尺寸链中的各个尺寸首尾相接组成封闭形式 关联性指任何一个直接保证的尺寸及其精度的变化, 必将影响间接保证的尺寸及其精度, 如图 3-18 所示尺寸链中 A 1 A 2 的变化, 都将引起 A 0 的变化 2 工艺尺寸链的组成 尺寸链中的每一个尺寸称为尺寸链的环, 尺寸链的环按性质分为组成环和封闭环两类 组成环是加工过程中直接形成的尺寸, 封闭环是由其他尺寸最终间接得到的尺寸 组成环按其对封闭环的影响可分为增环和减环 当某一组成环增大时, 若封闭环也增大, 则 uur 称该组成环为增环 ( 图 3-17 中的 A1 ), 在字母上方用 表示 ; 反之, 为减环 ( 图 3-17

71 第 3 章数控加工工艺基础 63 suu 中的 A2 ), 在字母上方用 表示 一个尺寸链中, 只有一个封闭环 ( A 0 ) 3 工艺尺寸链的建立 首先, 确定封闭环 封闭环是在加工过程中最后自然形成或间接保证的尺寸, 一般根据工艺过程或加工方法确定 零件的加工方案改变时, 封闭环也发生改变 然后, 查找组成环 确定完封闭环之后, 从封闭环开始, 依次找出影响封闭环变动的相互连接的各个尺寸, 他们与封闭环连接形成封闭的尺寸链 最后, 画出封闭的工艺尺寸链图, 区分增 减环, 并标注在尺寸链图中 判别增减环的性质, 可用首尾相连带单向箭头的线段表示, 凡与封闭环线段箭头方向一致的组成环为减环, 与封闭环线段箭头方向相反的组成环为增环 4 工艺尺寸链的计算公式 尺寸链计算的关键是正确判定封闭环, 常用计算方法有极值法和概率法 生产中一般用极值法, 其计算公式如下 : m uur n 1 su A = A A (3-2) 0 i i i= 1 i= m+ 1 m ur n 1 su 0max = imax imin i= 1 i= m+ 1 m ur n 1 su 0min = imin imax i= 1 i= m+ 1 m ur n 1 su m 0 = i + i = i i= 1 i= m+ 1 i= 1 A A A A A A T T T T (3-3) (3-4) (3-5) 式中 A 0max 封闭环的最大极限尺寸,mm; A 0min 封闭环的最小极限尺寸,mm; T 0 封闭环的公差,mm; m 增环的环数 ; n 包括封闭环在内的总环数 在极值算法中, 封闭环的公差大于任一组成环的公差 当封闭环的公差一定时, 若组成环数目较多, 各组成环的公差就会过小, 造成加工困难 因此, 分析尺寸链时, 应使尺寸链的组成环数目为最少, 即遵循尺寸链最短原则 (2) 工艺基准与设计基准不重合时, 工序尺寸及偏差的计算基准不重合包括 : 定位基准与设计基准不重合, 测量基准与设计基准不重合, 及编程原点与设计基准不重合等 如图 3-18(a) 所示零件, 各平面及槽均已加工, 求以侧面 K 定位钻 φ10mm 孔的工序尺寸及其偏差 由于孔的设计基准为槽的中心线, 钻孔的定位基准 K 与设计基准不重合, 工序尺寸及

72 64 数控加工工艺与编程 其偏差应按工艺尺寸链进行计算 解算步骤如下 : 确定封闭环 : 在零件加工过程中直接控制的是工序尺寸 (40±0.05)mm 和 A, 孔的位置尺寸 (100±0.2)mm 是间接得到的, 故尺寸 (100±0.2)mm 为封闭环 工艺尺寸链如图 3-18(b) 所示 40±0.05 A 100±0.2 A 1 A 0 K A 2 φ10 (a) (b) 图 3-18 定位基准与设计基准不重合的尺寸链换算 判断组成环的性质 : 从封闭环开始, 按顺时针方向环绕尺寸链, 平行于各尺寸画箭头, 如图所示, 尺寸 A 2 的箭头方向与封闭环相反为增环, 尺寸 A 1 为减环, 见图 3-18(b) 计算工序尺寸 A 2 及其上下偏差 : ur su 根据式 (3-2), 得 : A0 = A2 A1 ur su 则 : A2 = A0 + A1 = = 140( mm) ur su 根据式 (3-3), 得 : A0max = A2max A1min ur su 则 : A2max = A0max + A1min = = ( mm) ur su 根据式 (3-4), 得 : A0min = A2min A1max ur su 则 : A2min = A0min + A1max = = ( mm) 所以 A 2 = 140 ± 0.15( mm) 可以看出, 本工序尺寸公差 0.3mm 比设计尺寸 (100±0.2)mm 的公差小 0.1mm, 工序尺寸精度提高了 本工序尺寸公差减小的数值等于定位基准与设计基准之间距离尺寸的公差 (±0.05mm), 它就是本工序的基准不重合误差 数控加工中, 要解决数控编程原点与设计基准不重合的问题, 就需要进行尺寸链的换算 设计零件图时, 从保证使用性能的角度考虑, 尺寸标注多采用局部分散法 而在数控编程中, 所有点 线 面的尺寸和位置都是以编程原点为基准的 当编程原点与设计基准不重合时, 为方便编程, 必须将分散标注的尺寸换算成以编程原点为基准的工序尺寸 如图 3-19 所示阶梯轴, 轴上部轴向尺寸 Z 1 Z 2 Z 6 为设计尺寸, 编程原点在左端面与轴线的交点上, 与尺寸 Z 2 Z 3 Z 4 Z 5 的设计基准不重合, 编程时按工序尺寸 Z 1 Z 2

73 第 3 章数控加工工艺基础 65 Z 6 编程 为此必须计算工序尺寸 Z 2 Z 3 Z 4 Z 5 及其偏差 所用尺寸链分别如图 3-19 (b) (c) (d) (e) 所示,Z 2 Z 3 Z 4 Z 5 为封闭环, 计算过程略, 计算结果如下 : Z 2 = , Z 3 = , Z = 164, Z = 图 3-19 编程原点与设计基准不重合时的工艺尺寸链 机械加工精度分析 在机械加工中, 机床 夹具 刀具和工件构成一个完整的工艺系统 提高工艺系统的精度, 有利于提高零件的质量 而零件的加工质量有两大指标, 即机械加工精度和机械加工表面质量 1. 加工精度和表面质量的概念 (1) 加工精度 加工精度是指零件加工后的实际几何参数 ( 尺寸 几何形状和相互位置 ) 与理想几何参数相符合的程度, 两者之间的不符合程度 ( 偏差 ) 称为加工误差 加工误差的大小反映了加工精度的高低 生产中加工精度的高低是用加工误差的大小来表示的, 加工精度包括尺寸精度 几何形状精度和相互位置精度 3 个方面 (2) 表面质量 表面质量是指零件加工后的表层状态, 它是衡量机械加工质量的一个重要方面 表面质量包括以表面粗糙度 表面波纹度 冷作硬化表层 残余应力 表层金相组织变化等几个方面 表面质量对零件的工作性能有一定的影响 表面越粗糙, 零件的耐磨性 抗疲劳强度越差, 对零件配合性能的影响也较大 因此, 应从加工精度及表面质量两方面分析, 提高零件的加工质量

74 66 数控加工工艺与编程 2. 提高加工精度的措施 从工艺的角度考虑, 产生加工误差的原因有加工原理误差 工艺系统的几何误差 工艺系统受力变形引起的误差 受热变形引起的误差 工件内应力引起的加工误差及测量误差等 因此, 减少加工误差的措施可归纳如下 (1) 减少工艺系统受力变形 1 提高接触刚度, 改善机床主要零件接触面的配合质量, 如机床导轨及装配面进行刮研 2 设辅助支承, 提高局部刚度, 如细长轴加工时采用跟刀架, 提高切削时的刚度 3 采用合理的装夹方法, 在夹具设计或工件装夹时, 必须尽量减少弯曲力矩 4 采用补偿或转移变形的方法 (2) 减少和消除内应力 1 合理设计零件结构, 设计零件时尽量简化零件结构 减小壁厚差 提高零件刚度等 2 合理安排工艺过程, 如粗 精加工分开, 使粗加工后有充足的时间让内应力重新分布, 保证工件充分变形, 再经精加工后, 就可减少变形误差 3 对工件进行热处理和时效处理 (3) 减少工艺系统受热变形 1 机床结构设计采用对称式结构 2 采用主动控制方式均衡关键件的温度 3 采用切削液进行冷却 4 加工前先让机床空转一段时间, 使之达到热平衡状态后再加工 5 改变刀具及切削参数 6 大型或长工件, 在夹紧状态下应使其末端能自由伸缩 3. 减小表面粗糙度的措施 零件在切削加工过程中, 由于刀具几何形状和切削运动引起的残留面积 黏结在刀具刃口上的积屑瘤划出的沟纹 工件与刀具之间的振动引起的振动波纹以及刀具后刀面磨损造成的挤压与摩擦痕迹等原因, 使零件表面上形成了粗糙度 影响表面粗糙度的工艺因素主要有工件材料 切削用量 刀具几何参数及切削液等 因此, 提高表面质量可采取以下措施 : (1) 工件材料 在切削加工前, 对材料进行调质或正火处理, 改善其切削加工性能, 并细化晶粒 提高硬度和耐磨性 (2) 切削用量 首先减小进给量, 可以减小残留面积的高度, 从而减小表面粗糙度, 如图 3-20 所示 ; 其次, 采用低速或高速切削塑性材料, 可有效地避免积屑瘤的产生, 从而减小表面粗糙度

75 第 3 章数控加工工艺基础 67 (3) 刀具几何参数在进给量一定的情况下, 减小主偏角 κ r 和副偏角 κ r, 或增大刀尖圆弧半径 r ε, 可减小表面粗糙度, 如图 3-20 所示 ; 适当增大前角和后角, 减小切削变形和前后刀面间的摩擦, 抑制积屑瘤的产生, 也可减小表面粗糙度 (a) (b) 图 3-20 切削层残留面积高度及影响因素 (4) 切削液 利用切削液可以降低切削加工时的温度, 减小刀具和被加工表面之间的摩擦, 使切削层金属表面的塑性变形程度下降并抑制积屑瘤的生长, 从而减小表面粗糙度, 提高表面质量 3.4 数控加工工艺设计 数控加工与普通机床加工不同, 普通机床的工序卡只规定工步顺序, 具体操作由操作者在加工过程中手动完成, 并可以随时进行调整 数控机床是由加工程序控制的自动化加工机床, 加工时的走刀路线 切削用量 换刀点的位置等每一环节, 均需编制在程序中 操作者只需编写程序 输入程序 装夹工件 对刀等, 然后操作机床, 运行程序就可以加工工件了 数控加工的实施过程包括 : (1) 分析零件图, 选择工艺方案, 安排工艺过程 (2) 编写零件加工程序 (3) 将程序输入机床, 安装工件和刀具 (4) 进行首件试加工等, 校验程序直至合格 本节主要讲述编程前的准备工作, 程序的编制及校验等将在后续章节讲述 分析零件图样 数控加工前, 应认真分析零件图样, 明确零件的几何形状 尺寸和技术要求, 明确本工序加工范围, 以满足零件的加工要求, 同时结合数控加工的特点, 分析 审查零件图

76 68 数控加工工艺与编程 为方便编程, 零件图最好采用统一基准标注尺寸 数控加工中的工艺分析与工艺处理 在数控机床上加工零件时, 要把被加工的全部工艺过程 工艺参数等编制成程序, 整个加工过程是自动进行的, 因此制定零件的机械加工工艺规程之前, 要对零件进行详细的工艺分析 主要包括以下几个方面 数控加工方案 数控加工工序内容 工艺装备的选用 定位与夹紧方案的选择 正确选择工件原点 选择合理的走刀路线 确定机床对刀点和换刀点及切削用量等 1. 确定数控加工方案 确定数控加工方案是指选择适合数控加工的零件 确定数控加工的内容和选用合适的数控机床及数控系统 (1) 数控加工零件的选择 1 形状复杂, 加工精度要求高, 通用机床无法加工或很难保证加工质量的零件 2 具有复杂曲线或曲面轮廓的零件 3 具有难测量 难控制进给 难控制尺寸型腔的壳体或盒型零件 4 必须在一次装夹中完成铣 镗 锪 铰或攻螺纹等多道工序的零件 上述零件, 只要能采用数控机床进行加工, 就不必考虑其他因素的影响 一般将它们作为数控加工的首选零件 (2) 数控加工内容的确定在选定数控加工的零件之后, 并不是零件所有的加工内容都采用数控加工, 数控加工可能只是零件加工工序中的一部分 因此, 有必要对零件图样进行仔细分析, 选择那些最适合数控加工的工序, 充分发挥数控加工的优势 选择数控加工内容的原则如下 : 1 普通机床无法加工的内容 2 普通机床难加工, 质量难以保证的工序 3 普通机床加工效率低 人工操作劳动强度大的工序 通常情况下, 上述加工工序采用数控加工后, 产品的质量 生产率与综合经济效益等指标都会得到明显的提高 此外, 选择数控加工工序时, 还应该考虑生产批量 生产周期和生产成本等因素, 杜绝把数控机床当作普通机床来使用 (3) 选用合适的数控机床和数控系统当工件表面的加工方法确定之后, 机床的种类也就基本上确定了 但是, 每一类机床都有不同的形式, 其工艺范围 技术规格 加工精度 生产率及自动化程度都各不相同 为了正确地为每一道工序选择机床, 除了充分了解机床的性能外, 尚需考虑以下几点

77 第 3 章数控加工工艺基础 69 1 机床的类型应与工序划分的原则相适应 数控机床或通用机床适用于工序集中的单件小批生产 ; 对大批大量生产, 则应选择高效自动化机床和多刀 多轴机床 若工序按分散原则划分, 则应选择结构简单的专用机床 2 机床的主要规格尺寸应与工件的外形尺寸和加工表面的有关尺寸相适应 即小工件用小规格的机床加工, 大工件用大规格的机床加工 3 机床的精度与工序要求的加工精度相适应 粗加工工序, 应选用精度低的机床 ; 精度要求高的精加工工序, 应选用精度高的机床 但机床精度不能过低, 也不能过高 机床精度过低, 不能保证加工精度 ; 机床精度过高, 会增加零件制造成本 应根据零件加工精度要求合理选择机床 总之, 选用机床及其系统时, 满足加工要求即可 不要过分追求高精度 高性能, 否则, 成本会大大提高 2. 定位基准与夹紧方案的确定 选好数控加工内容后, 应合理地进行工序的划分 基准的选择及确定夹紧方案等 划分工序时, 要结合零件的结构与工艺性 机床的功能 零件数控加工内容的多少 安装次数及本企业生产组织状况等, 并按照 3.2 节所述方法灵活选用 加工顺序的安排结合 3.2 节切削加工顺序的选择原则合理安排, 并做好数控加工与普通加工的衔接 工件的定位基准与夹紧方案的确定, 应遵循 2.2 节中有关定位基准的选择原则与 2.3 节中有关工件夹紧的基本要求 此外, 还应该注意下列 3 点 (1) 力求使设计基准 工艺基准与编程原点统一, 以减少基准不重合误差和数控编程中的计算工作量 (2) 尽量减少装夹次数, 尽可能做到一次定位装夹后能加工出工件上全部或大部分待加工表面, 以减少装夹误差, 提高加工表面之间的相互位置精度, 充分发挥数控机床的效率 (3) 避免采用占机人工调整式方案, 以免占机时间太长, 影响加工效率 3. 工艺装备的选择 (1) 夹具的选择数控加工的特点对夹具提出了两个基本要求 : 一是保证夹具的坐标方向与机床的坐标方向相对固定 ; 二是要能协调零件与机床坐标系的尺寸 同时, 还要考虑以下几点 : 1 单件小批量生产时, 优先选用组合夹具 可调夹具和其他通用夹具, 以缩短生产准备时间和节省生产费用 2 在成批生产时, 才考虑采用专用夹具, 并力求结构简单 3 零件的装卸要快速 方便 可靠, 以缩短机床的停顿时间 4 夹具上各零部件应不妨碍机床对零件各表面的加工, 即夹具要敞开, 其定位 夹紧

78 70 数控加工工艺与编程 机构元件不能影响加工中的走刀 ( 如产生碰撞等 ) 5 为提高数控加工的效率, 批量较大的零件加工可以采用多工位 气动或液压夹具 (2) 刀具的选择刀具的选择不仅影响机床的加工效率, 而且直接影响加工质量 数控机床所用的刀具与普通机床的刀具相比, 刀具类型 材料 切削刃形状与参数均相似 由于数控机床高速强力切削的特点, 不仅要求刀具具有精度高 强度大 刚性好 耐用度高的特点, 而且要求尺寸稳定 安装调整方便 刀具的选择应考虑工件材质 加工轮廓类型 机床允许的切削用量和刚性以及刀具耐用度等因素 ( 参考 1.3 节 ) 一般情况下应优先选用标准刀具 ( 特别是硬质合金可转位刀具 ), 必要时也可采用各种高生产率的复合刀具及其他一些专用刀具 对于硬度大的难加工工件, 可选用整体硬质合金 陶瓷刀具 CBN 刀具等 刀具的类型 规格和精度等级应符合加工要求 刀具合理几何角度的选择参考第 1 章相关内容, 关于车刀 铣刀类型及其规格的选择将在第 5 章 第 6 章中详细介绍 (3) 量具的选择单件小批生产采用通用量具, 如游标卡尺 百分表等 ; 大批大量生产中应采用各种量规 量仪和一些高生产率的专用检具等 量具精度必须与加工精度相适应 4. 正确选择工件原点 为了统一描述刀具与工件的相对运动, 各种数控机床的坐标轴和运动方向都已经标准化, 我国现执行的机械部标准 JB , 与 ISO 标准等效 机床坐标系是机床运动部件进给运动的坐标系, 其坐标轴及运动方向按标准规定, 而坐标原点的位置由厂家设定, 在机床说明书中说明 一般数控车床的机床坐标系原点在主轴中心线与主轴安装卡盘端面的交点上 ; 而数控铣床和加工中心的机床原点一般在机床各运动坐标轴的正向极限位置 工件坐标系是编写加工程序时计算工件上的坐标点使用的, 其原点称为编程原点 该点的位置由编程人员设定, 一般选在加工表面的设计基准上, 或者工件的定位基准上以方便尺寸计算, 避免尺寸换算误差 有时, 为方便原点的测定, 也可将工件的原点选在夹具的找正面上 加工时, 工件随夹具在机床上安装后, 测量工件原点与机床原点之间的距离, 称为工件原点的偏置, 如图 3-21 所示 加工前将原点的偏置输入到数控系统当中 ( 即预置坐标原点偏置量 ), 加工中, 加工程序中的原点偏置指令 ( 如 G54) 使数控系统自动将原点偏置量加到工件坐标系上, 即将工件坐标原点平移到机床原点上, 也就是把工件坐标系中刀具的运动转移到机床坐标系中, 所以加工程序按工件坐标系编制 加工时, 利用原点的偏置功能, 可以保证机床正确执行加工程序

79 第 3 章数控加工工艺基础 确定机床对刀点和换刀点 图 3-21 坐标原点的偏置 数控加工前, 必须通过对刀建立机床坐标系和工件坐标系的位置关系 所谓对刀, 即使 刀位点 与 对刀点 重合的过程 刀具在机床上的位置由刀位点的位置表示 刀位点是指刀具的定位基准点 不同的刀具, 刀位点不同, 如图 3-22 所示 对于平头立铣刀 端铣刀类刀具, 刀位点为它们的底面中心 ; 对于钻头, 刀位点为钻尖 ; 对球头铣刀, 则为球心 ; 对车刀 镗刀类刀具, 刀位点为其刀尖 图 3-22 常用刀具刀位点示意图

80 72 数控加工工艺与编程 对刀点 是数控加工时刀具相对于零件运动的起点, 又称 起刀点, 也就是程序运行的起点 对刀点选定后, 即确定了机床坐标系和零件坐标系之间的相互位置关系 对刀精度的高低直接影响零件的加工精度 目前, 数控机床可以采用人工对刀, 对操作者的技术要求较高 ; 也可以采用高精度的对刀仪进行对刀, 保证对刀精度 为提高零件的加工精度, 减少对刀误差, 对刀点选择的原则如下 : (1) 尽量选在零件的设计基准或工艺基准上 (2) 在机床上对刀方便 便于观察和检测的位置 (3) 便于坐标值的计算, 尽量选在坐标系的原点上 例如, 以孔定位的零件, 应将孔的中心作为对刀点 对车削加工, 则通常将对刀点设在工件外端面的中心上 对数控车床 镗铣床 加工中心等多刀加工数控机床, 在加工过程中需要进行换刀, 故编程时应考虑不同工序之间的换刀位置 ( 即换刀点 ) 为避免换刀时刀具与工件及夹具发生干涉, 换刀点应设在工件的外部 一般, 换刀点就选在起刀点 ( 刀具运动的起始点 ) 上 6. 选择合理的走刀路线 走刀路线是指数控加工过程中, 刀具 ( 刀位点 ) 相对于被加工工件的运动轨迹 它既包括了工步的内容, 也反映出工步顺序 它是刀具从起刀点开始运动, 直至返回该点并结束加工程序所经过的路线, 包括切削加工路线和刀具引入 返回等非切削路线 走刀路线是编写程序的重要依据之一 数控加工中, 精加工的走刀路线基本上是沿零件轮廓顺序进行, 因此, 确定走刀路线实际上指的是粗加工时的走刀路线 主要考虑以下几个原则 : (1) 保证被加工工件的精度和表面质量 (2) 尽量缩短走刀路线, 以减少空行程时间 对点位加工的数控机床, 如钻 镗床, 考虑尽可能缩短走刀路线, 提高加工效率 如图 3-23 所示, 图 3-23(c) 所示的走刀路线比图 3-23(b) 缩短了近一半, 大大提高了生产效率 (a) (b) (c) 图 3-23 最短加工路线的设计

81 第 3 章数控加工工艺基础 73 (3) 最终轮廓应安排最后一次走刀连续加工 可以保证工件轮廓表面加工后的粗糙度要求, 如图 3-24(b) (c) 所示, 以保证内侧的表面质量均匀一致 (a) (b) (c) 图 3-24 最终轮廓一次走刀加工 (4) 尽量简化数学处理时的计算工作量 7. 确定切削用量 切削用量的确定应根据加工性质 加工要求 工件材料及刀具的材料和尺寸等查阅切削用量手册并结合实践经验确定 除了遵循 1.2 节所述原则与方法外, 还应考虑以下因素 (1) 刀具差异 不同厂家生产的刀具质量差异较大, 因此切削用量须根据实际所用刀具和现场经验加以修正 一般进口刀具允许的切削用量高于国产刀具 (2) 机床特性 切削用量受机床电动机的功率和机床刚性的限制, 必须在机床说明书规定的范围内选取 避免因功率不够而发生闷车 刚性不足而产生大的机床变形或振动, 影响加工精度和表面粗糙度 (3) 数控机床生产率 数控机床的工时费用较高, 刀具损耗费用所占比例较低, 应尽量用高的切削用量, 通过适当降低刀具寿命来提高数控机床的生产率 数学处理 根据零件的尺寸 加工路线, 在规定的坐标系内计算零件轮廓和刀具运动轨迹, 如组成零件形状几何要素的起点 终点 圆弧的圆心 几何元素的交点或切点等坐标值, 称为数值换算 数值换算主要有零件轮廓的基点坐标的计算 节点坐标的计算和辅助计算等 1. 基点坐标的计算 所谓基点, 就是指构成零件轮廓的各相邻几何要素间的连接点, 如两条直线的交点 直线与圆弧的切点或交点 圆弧与圆弧的切点或交点等 如图 3-25 中的 A B C D E 等各点即为基点 基点的坐标是编程中的主要数据, 通常可采用手工处理, 即根据图纸上给定的尺寸通过三角函数 解析几何等知识求得 但需注意计算精度与图样加工精度要求相适应, 一般最高精确到机床最小设定单位即可

82 74 数控加工工艺与编程 2. 节点坐标的计算 图 3-25 零件轮廓的基点 当被加工零件的轮廓形状与机床的插补功能不一致时, 如在只有直线和圆弧插补功能的数控机床上加工椭圆 双曲线 阿基米得螺旋线或用一系列坐标点表示的列表曲线时, 就要用许多条直线或若干段圆弧逼近它们, 逼近直线或圆弧与曲线的交点称为节点 如图 3-26 中的曲线用直线逼近, 其交点 A B C D E 即为节点 节点坐标的计算比较复杂 通常对于复杂的曲线 曲面加工, 尽量采用自动编程, 以减小加工误差和编程工作量 3. 辅助计算 图 3-26 零件轮廓的节点 实际生产中, 当编程原点选定并建立好坐标系后, 为了方便编程 实现优化加工, 往往还需对图样上的一些标注尺寸进行适当的转换或计算, 通常包括以下内容 (1) 尺寸换算 有时, 由于图样上的尺寸基准与编程所需要的尺寸基准不一致, 应首先将图样上的基准尺寸换算为编程坐标系中的尺寸, 再进行其他数学处理

83 第 3 章数控加工工艺基础 75 如图 3-27 所示, 对图样进行分析后, 将编程原点设在工件右端面与轴线交点处 则端面 A B 的 Z 坐标数据需要计算 与端面 B 有关的轴向尺寸未注公差, 可以直接采用基本尺寸进行计算 ; 而端面 A 的 Z 向坐标 Z A 需利用工艺尺寸链进行计算, 根据公式 (3-3) 式 (3-4) 得 :15.1=40.05-Z Amin, 则 Z Amin = = 40-Z Amax, 则 Z Amax =25 0 所以 Z = X X (a) (b) 图 3-27 标注尺寸的换算 (2) 公差转换零件图的工作表面或配合表面一般都注有公差, 公差带位置各不相同 图 3-27 中的尺寸公差均为单向偏置 数控编程时, 若采用基本尺寸会影响工件的合格率 为了提高数控加工效率和经济效益, 需将公差尺寸进行转换, 取其极限尺寸的中值进行编程 图 3-27(a) 中零件尺寸换算后, 形成图 3-27(b) 所示的零件尺寸 当图中尺寸精度较高, 公差数值很小时, 可以采用最小极限尺寸的轴和最大极限尺寸的孔作为编程的计算点, 而不必计算中值 工艺分析及数据处理之后, 即可编写零件加工程序并输入到数控机床, 再进行数控加工操作 首件试切等加工前的准备工作, 其相关内容在第 4 章中讲解 习 题 1. 什么是生产过程 工艺过程? 工艺过程的组成是什么? 2. 什么是工序 安装 工位 工步和走刀?

84 76 数控加工工艺与编程 3. 生产纲领的含义是什么? 分哪几种生产类型? 4. 机械加工工艺规程的作用是什么? 常用数控加工工艺卡片有哪几种? 5. 数控加工中工序划分的原则及具体方法是什么? 6. 机械加工顺序安排的原则有哪些? 其中切削加工顺序的原则是什么? 7. 加工余量 工序余量和总余量的概念 8. 加工余量的影响因素有哪些? 9. 机械加工工序的内容有哪些? 10. 主轴箱, 如图 3-30 所示, 镗主轴孔时平面 A B 已加工完, 并以 A 面定位, 试求工序尺寸及极限偏差 图 3-31 所示零件的 尺寸不便测量, 可以采用深度卡尺测量大孔深度, 由孔深尺寸间接保证尺寸 10, 求该测量尺寸孔的深度及公差 图 3-30 题 10 用图 图 3-31 题 11 用图 12. 适宜数控加工的零件及内容是什么? 13. 数控加工工艺分析的内容有哪些? 14. 什么叫数控加工的走刀路线? 确定走刀路线时应考虑的问题是什么? 15. 对刀点 换刀点的概念及设定方法是什么?

85 第 4 章 数控加工程序编制基础 数控程序编制的内容和方法 4.1 程序编制的概念 数控加工是按照事先编制好的零件加工程序, 经机床数控系统处理后, 使机床自动完成零件的加工 程序编制的质量直接影响数控机床的正确使用及数控加工特性的发挥, 因此, 使用数控机床加工零件时, 程序编制是一项重要的工作 所谓数控编程就是根据零件图样要求的图形尺寸和技术要求, 确定工件加工的工艺过程 工艺参数 机床运动及刀具等内容, 并按照数控机床的编程格式及能识别的语言代码记录在程序单上的过程 1. 程序编制的内容 数控编程的主要内容包括分析零件图样 确定工艺过程和加工路线 计算刀具轨迹的坐标值 编写加工程序 程序输入数控系统 程序校验及首件试切等 2. 程序编制的具体步骤与要求 (1) 分析零件图样 通过分析零件的材料 形状 尺寸 精度以及毛坯形状 热处理要求等, 确定加工用的机床及零件的加工表面等, 并对零件数控加工的适应性进行验证 (2) 进行工艺分析 在分析零件图样的基础上, 选择加工方案, 确定加工顺序 加工路线 装夹方式 刀具及切削参数, 正确选择对刀点 换刀点, 减少换刀次数 并制订有关的工艺文件, 如数控加工工序卡 数控刀具卡 数控加工程序单等 (3) 计算刀具轨迹的坐标值 根据零件图样和所确定的加工路线, 计算零件粗 精加工各运动轨迹 当零件图样坐标系与编程坐标系不一致时, 需要对坐标进行换算 对于形状比较简单的零件 ( 直线和圆弧组成的零件 ) 的轮廓加工, 需要计算出几何元素的起点 终点 圆弧的圆心 两几何元素的交点或切点的坐标值 对于形状复杂的零件 ( 如非圆曲线 曲面构成的零件轮廓 ), 需用小直线段或圆弧逼近, 根据要求的精度计算出节点坐标值, 自由曲线 曲面需用计算机自动编程 (4) 编写加工程序 根据数控系统的工艺文件, 按照指令代码及程序段格式, 编写加工程序

86 78 数控加工工艺与编程 (5) 程序输入数控系统 手动输入或通过通信传输方式将程序传送至机床数控系统 (6) 程序校验与首件试切 加工程序必须经过校验合格后才可使用, 可在数控仿真系统上模拟加工过程 ; 空运行观察走刀路线是否正确 ; 首件试切等 但前两者只能检验出运动是否正确, 不能检验出被加工零件的加工精度 3. 程序编制的方法 数控编程分为手工编程和自动编程两种 (1) 手工编程 从分析零件图样 工艺处理 数值计算 编写程序单 键盘输入程序直至程序校验等步骤均由人工完成的编程方法称为手工编程 对于加工形状简单的零件, 手工编程比较简单, 程序不复杂, 而且经济 省时 因此, 在点位加工及由直线与圆弧组成的轮廓加工中, 手工编程仍广泛应用 (2) 自动编程 自动编程就是利用计算机及相应编程软件编制数控加工程序的过程 数控自动编程系统利用设计的结果和产生的模型, 计算出刀具中心运动轨迹, 再由后置处理程序自动编写出零件加工程序, 并输出 制备出穿孔纸带或磁盘等控制介质, 也可直接通过计算机通信程序, 将零件加工程序传送到机床数控系统 编程人员不需要进行繁琐的计算, 不需要手工编写程序单及制备控制介质, 就能自动获得加工程序和控制介质 因此, 编程效率可大幅度提高, 同时也解决了手工编程无法解决的难题 常见软件有 MasterCAM UG Pro/E CAXA 制造工程师等 程序编制的格式及代码 1. 程序编制的格式 一个完整的程序由程序号 程序内容和程序结束 3 部分组成 (1) 程序号 在程序的开始部分, 在数控装置存储器中通过程序号查找和调用程序, 程序号由地址码和 4 位编号数字组成, 在 FANUC 系统中一般地址码为字母 O, 其他系统用 P 或 % 等 (2) 程序内容 程序内容主要用来使数控机床自动完成零件的加工, 是整个程序的主要部分, 它是由若干程序段组成, 每个程序段由若干程序字组成 每个字又是由地址码和若干个数字组成 (3) 程序结束 程序结束一般用辅助功能代码 M02( 程序结束 ) 和 M30( 程序结束, 返回起点 ) 等来表示 例如 :

87 第 4 章数控加工程序编制基础 79 O0001; 程序号 N10 G40 G97 G99 M03 S600 F0.25; N20 T0101; N30 M08; N40 G00 X30.0 Z2.0; N50 G01 Z-10.0; 程序内容 N60 X40.0; N70 G00 X100.0 Z50.0; N80 M05; N90 M09; N100 M30; 程序结束 2. 字符与代码 (1) 字符的含义程序段号加上若干个程序字就可组成一个程序段 在程序段中的程序字由地址符和数字构成, 其中表示地址的英文字母可以分为尺寸字地址和非尺寸字地址两种 表示尺寸字地址的英文字母有 X Y Z U V W P Q I J K A B C D E R H 共 18 个字母 表示非尺寸字地址的有 N G F S T M L O 共 8 个字母 其字母含义见表 4-1 地址功能 表 4-1 地址字母表及其含义 A 坐标字绕 X 轴旋转 B 坐标字绕 Y 轴旋转 C 坐标字绕 Z 轴旋转 D 补偿号刀具半径补偿指令 F 进给速度进给速度指令 G 准备功能指令动作方式 H 补偿号刀具长度补偿号的指令 I 坐标字圆弧中心 X 轴向坐标 J 坐标字圆弧中心 Y 轴向坐标 K 坐标字圆弧中心 Z 轴向坐标 L 重复次数固定循环及子程序的重复次数 M 辅助功能机床开 / 关指令等

88 80 数控加工工艺与编程 地址功能 N 顺序号程序段顺序号 O 程序号程序号 子程序号的指令 P Q ( 续表 ) 暂停或程序中某功能的开始使用的顺序号 固定循环终止段号或固定循环中的定距 R 坐标字固定循环中定距离或圆弧半径的指定 S 主轴功能主轴转速的指令 T 刀具功能刀具编号的指令 U 坐标字与 X 轴平行的附加轴的坐标值或暂停时间 V 坐标字与 Y 轴平行的附加轴的坐标值 W 坐标字与 Z 轴平行的附加轴的坐标值 X 坐标字 X 轴的坐标值或暂停时间 Y 坐标字 Y 轴的坐标值 Z 坐标字 Z 轴的坐标值 (2) 准备功能准备功能又称 G 功能或 G 代码, 由地址符 G 加两位数值构成该功能的指令 G 功能用来规定坐标平面 坐标系 刀具和工件的相对运动轨迹 ( 即插补功能 ) 刀具补偿 单位选择 坐标偏置等多种操作 G 代码有模态代码和非模态代码之分 模态代码表示该 G 代码在一个程序段中功能保持直到被取消或被同组的另一个 G 代码所代替 非模态代码只在有该代码的程序段中有效 G 代码按其功能进行了分组, 不同组的 G 指令可放在同一程序段中, 在同一程序段中有多个同组的 G 代码时, 以最后一个 G 代码为准 不同的数控系统 G 代码含义有所不同, 表 4-2 是 FANUC 数控系统常用的 G 代码 表 4-2 FANUC 数控系统常用的准备功能 G 代码及其功能 指令代码用于数控车床的功能用于数控铣床的功能组别模态 G00 快速定位相同 01 * G01 直线插补相同 01 * G02 顺时针圆弧插补相同 01 * G03 逆时针圆弧插补相同 01 * G04 进给暂停相同 00 G17 XY 平面选择相同 16 * G18 ZX 平面选择相同 16 *

89 第 4 章数控加工程序编制基础 81 ( 续表 ) 指令代码 用于数控车床的功能 用于数控铣床的功能 组别 模态 G19 YZ 平面选择 相同 16 * G20 英制输入 相同 06 * G21 公制输入 相同 06 * G27 检查参考点返回 相同 00 G28 自动返回原点 相同 00 G29 从参考点返回 00 G32 切螺纹 01 * G40 刀尖半径补偿方式的取消 相同 07 * G41 调用刀尖半径左补偿 相同 07 * G42 调用刀尖半径右补偿 相同 07 * G43 刀具长度正补偿 01 * G44 刀具长度负补偿 01 * G49 刀具长度补偿取消 01 * G50 工件坐标原点设置, 最大主轴速度设置 00 G52 局部坐标系设置 相同 00 G53 机床坐标系设置 相同 00 G54 第一工件坐标系设置 相同 14 * G55 第二工件坐标系设置 相同 14 * G56 第三工件坐标系设置 相同 14 * G57 第四工件坐标系设置 相同 14 * G58 第五工件坐标系设置 相同 14 * G59 第六工件坐标系设置 相同 14 * G70 精加工循环 00 G71 外径 内径粗车循环 00 G72 端面粗加工循环 00 G73 固定形状粗车循环 高速深孔钻孔循环 00 G74 Z 向步进钻孔 左旋攻螺纹循环 00 G75 X 向切槽 精镗循环 00 G76 螺纹车削多次循环 00 G80 取消固定循环 相同 10 * G81 钻孔循环 10 * G82 钻孔循环 10 * G83 端面钻孔循环 10 * G84 端面攻螺纹循环 攻螺纹循环 10 *

90 82 数控加工工艺与编程 ( 续表 ) 指令代码 用于数控车床的功能 用于数控铣床的功能 组别 模态 G85 镗孔循环 * G86 端面镗孔循环镗孔循环 10 * G90 单一固定循环绝对坐标编程 01 * G91 增量坐标编程 01 * G92 螺纹切削循环工件坐标原点设置 01 * G94 端面切削循环 01 * G96 恒表面速度设置 02 * G97 恒表面速度设置取消 02 * G98 每分钟进给 (mm min -1 ) 返回初始点 05 * G99 每转进给 (mm r -1 ) 返回 R 点 05 * 注 : 带 * 表示为模态代码 (3) 辅助功能辅助功能也称 M 功能, 是指令机床作一些辅助动作的代码, 如主轴的旋转与停止 切削液的开 关等 不同的数控系统 M 代码的含义也是有差别的, 表 4-3 是 FANUC 数控系统的常用的 M 代码 表 4-3 FANUC 数控系统常用的 M 代码 指令代码用于数控车床的功能用于数控铣床的功能模态 M00 程序停止相同 M01 程序选择停止相同 M02 程序结束相同 M03 主轴顺时针旋转相同 * M04 主轴逆时针旋转相同 * M05 主轴停止相同 * M07 气状切削液打开相同 M08 液状切削液打开相同 * M09 切削液关闭相同 * M30 程序结束并返回相同 M98 子程序调用相同 * M99 子程序调用停止返回相同 *

91 第 4 章数控加工程序编制基础 83 (4)F S T 功能 1 进给功能 (F 功能 ) F 指令用于指令设定刀具相对于工件的进给速度, 由地址码 F 和后面若干位数字构成 它为模态代码 有两种表示方法 : 每分钟进给进给速度由每分钟刀具移动的距离设定, 单位是 mm min 1 指令格式 :G98 F_; 如 G98 F200, 表示进给量为 200mm min -1 每转进给进给速度由主轴每转一转刀具移动的距离设定, 单位是 mm r 1 指令格式 :G99 F_; 如 G99 F0.2, 表示进给量为 0.2 mm min -1 在编程中一个程序段只可使用一个 F 代码, 不同程序段可根据需要改变进给量 数控车床一般采用 G99 指令进给速度 2 主轴功能 (S 功能 ) S 指令用于表示机床主轴的转速, 由地址字 S 与后续数字构成, 为模态代码 如 n=500 r min 1, 其指令表示为 S500 T01 T02 一个程序段只可以使用一个 S 代码, 不同程序段, 可根据需要刀具号改变主轴转速 T04 T03 刀架 3 刀具功能 (T 功能 ) 车削加工中要对各种表面进行加工, 又有粗 精加工之分, 需要选择各种刀具, 每把刀都有特定的刀具号, 以便数控系统图 4-1 刀具号和刀具识别, 如图 4-1 所示 T 功能由地址码 T 和若干位数字组成, 数字用来表示刀具号和刀具补偿号, 数字的位数由系统决定 FANUC 系统中由 T 和 4 位数字组成, 前两位表示刀具号, 后两位表示刀具补偿号 例如,T0202, 前 02 表示 2 刀具号, 后 02 表示刀具补偿号 3. 程序段格式 程序段格式是指令字在程序段中排列的顺序, 是指一个程序段中的字 字符和数据的书写规则, 常用的是字地址可编程序段格式 它由语句号字 数据字和程序段结束符组成 该格式的特点是对一个程序段中的字排列顺序要求不严格, 数据的位数可多可少, 与上一程序段相同的字可以不写 字地址码可编程序段格式如下 : N G X Z F S T M ; 需要说明的是, 数控机床的指令格式在国际上有多种标准格式, 并不完全一致 而随着数控机床的发展, 不断改进和创新, 其系统功能更加强大和使用方便, 在不同数控系统之间, 程序格式存在一定的差异 因此, 在具体掌握某一数控机床时要仔细了解其数控系统的编程格式

92 84 数控加工工艺与编程 4.2 数控机床的坐标系 为了便于编程时描述机床的运动, 简化程序的编制方法及保证记录数据的互换性, 数控机床的坐标系和运动方向均已标准化 坐标轴的运动方向及其命名 为了规范对数控机床坐标和运动方向的描述, 国家有关部委颁布了 数控机床坐标和运动方向的命名 (JB/T ) 标准, 标准规定 : 不论机床的具体机构是工件静止 刀具运动或是工件运动 刀具静止, 在确定坐标系时一律看作是刀具相对静止的工件运动, 且刀具远离工件的方向为坐标轴的正方向 机床的直线运动 X Y Z, 采用右手笛卡儿直角坐标系, 如图 4-2 所示 通常取 Z 轴平行于机床主轴,X 轴水平且平行工件装夹面,+Y 轴按右手定则判定 ;X Y Z 的正向是使工件尺寸增大的方向 ; 机床的 3 个运动 A B C 的转轴分别平行 X Y Z 坐标轴, 取右旋螺纹前进方向为正向 图 4-2 右手直角笛卡儿坐标系 确定机床坐标轴时, 一般先确定 Z 轴, 然后再确定 X 轴和 Y 轴 1.Z 轴的确定 对于主轴带动工件旋转的机床 ( 如图 4-3 所示车床 ),Z 轴与工件旋转轴平行, 从刀具远离工件的方向为正方向 对于主轴带动刀具旋转的机床 ( 如铣床 钻床 铰床等 ), 按主轴方向是否固定来确定 Z 轴, 刀具远离工件的方向为正方向 对主轴方向固定的机床 ( 如图 4-4 所示升降台铣床 ), 取 Z 轴与主轴平行 对主轴方向不固定可转动的机床, 在转动范围内, 主轴如能与标准坐标系的一根坐标轴平行 ( 如龙门铣床 ), 就取该坐标轴为 Z 轴 ; 主轴若能与标准坐标系两根以上的坐标轴平行, 则取垂直于主轴安装面的方向为 Z 轴 对于工件 刀具都不旋转的

93 第 4 章数控加工程序编制基础 85 机床 ( 如图 4-5 所示牛头刨床 ), 取 Z 轴与机床的工件安装面垂直, 刀具远离工件的方向为正方向 +Z +Y +X +Z +X +Z +Z +X +W +Y +X +Z 图 4-3 卧式车床 图 4-4 立式升降台铣床 +Z +X +Y +Z 图 4-5 牛头刨床

94 86 数控加工工艺与编程 2.X 轴的确定 对于主轴带动工件旋转的机床 ( 如车床 磨床 ), 在水平面内选定垂直于工件旋转轴线的方向为 X 轴, 且刀具远离工件方向为 X 轴的正方向 对于机床主轴带动刀具旋转的机床, 若主轴是水平的 ( 如图 4-6 所示卧式升降台铣床等 ), 由主要刀具主轴向工件看, 选定主轴右侧方向为 X 轴正方向 ; 若主轴是竖直的, 如立式铣床 立式钻床等, 由主要刀具主轴向立柱看, 选定主轴右侧方向为 X 轴正方向 ; 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 轴的确定 图 4-6 卧式升降台铣床 Y 轴的方向可根据已选定 Z X 轴按照右手笛卡儿坐标系确定 坐标系的原点 (1) 机床原点及机床坐标系 机床坐标系是机床上固有的坐标系, 机床坐标系的方位是参考机床上的一些基准确定的 机床原点是机床坐标系的原点, 是机床上的一个固有点, 它的位置是在各坐标轴的正向最大极限处 不同的机床有不同的坐标系 数控车床的机床原点一般设在卡盘前端面或后端面的中心, 数控铣床或加工中心的机床原点, 各生产厂家设置不一, 有的设在机床工作台的中心, 有的设在各坐标轴正方向的极限位置 (2) 工件原点及工件坐标系 工件坐标系是编程人员在编程时根据零件图样设定的坐标系, 也称编程坐标系 数控编程时, 首先要根据被加工工件的形状特点和尺寸, 在图样

95 第 4 章数控加工程序编制基础 87 上建立工件坐标系, 使工件上所有的几何元素都有确定的位置 工件坐标系原点, 简称为工件原点, 也称编程零点, 是由编程人员根据具体情况定义在工件上的几何基准点, 常选用零件图上最重要的设计基准点 绝对坐标与增量 ( 相对 ) 坐标 绝对坐标系 数控加工程序中表示几何点的所有坐标值均从编程原点计量的坐标系, 称为绝对坐标系 增量坐标系 坐标系中的坐标值是相对刀具前一位置来计算的, 称为增量 ( 相对 ) 坐标系 增量坐标系常用 U V W 表示, 分别与 X Y Z 轴平行且同向 例如, 在图 4-7 中,B 点绝对坐标为 (75,30),B 点相对 A 点的增量坐标为 (50,15) 编程中可根据图样尺寸的标注方式及加工精度要求, 在一个程序段中可采用绝对坐标方式或相对坐标方式编程, 也可采用二者混合编程 Y 30 B 15 A A X 图 4-7 绝对坐标与增量坐标示意图 4.3 常用编程指令 坐标指令 1. 绝对坐标与增量坐标指令 表示运动轴的移动方式 采用绝对坐标指令 G90 时, 程序中的位移量用刀具运动的终点坐标表示 指令格式 :G90 X Y ;

96 88 数控加工工艺与编程 说明 : (1)G90 编入程序时, 其后所编入的程序的坐标值全部以工件原点为基准 (2) 系统通电时, 机床处在 G90 状态 采用相对坐标指令 G91 时, 用刀具运动的增量坐标表示 指令格式 :G91 X Y ; 说明 :G91 编入程序时, 以后所有编入的坐标值均以前一个坐标位置作为起始点来计算运动的位置矢量 如图 4-6 所示, 表示刀具从 A 点到 B 点的移动, 用以上两种方式的编程分别为 : G90 X 75 Y 30; G91 X 50 Y 15; 2. 工件坐标系设定指令 在数控编程时, 应预先确定工件坐标系 可通过 G50( 适用于数控车床 ) G92( 数控铣床或加工中心 ) 设定当前工件坐标系, 该坐标系在机床断电后自动消失 指令格式 : G50 X Z ; G92 X Y Z ; 3. 工件坐标系选择指令 一般数控机床用 G54~G59 指令可以预先设定 6 个工件坐标系, 这些坐标系存储在机床存储器内, 在机床重新开机时仍然存在, 在程序中可以分别选取其中之一使用 6 个坐标系均以机床原点为参考点, 分别以各自与机床原点的偏移量表示, 需要提前输入机床内部 运动指令 1. 快速点定位指令 (G00) 使用快速点定位指令可使刀具快速移动到指定的工件坐标系中的某个位置, 主要用于使刀具快速接近或快速离开零件 指令格式 :G00 X(U) Y(V) Z(W) ; 其中 :X Y Z 为目标点 ( 刀具运动的终点 ) 的绝对坐标 ; U V W 为目标点 ( 刀具运动的终点 ) 的增量坐标说明 : (1)G00 为模态代码 ;

97 第 4 章数控加工程序编制基础 89 (2)G00 指令使刀具移动的速度由机床系统设置, 无需在程序段中指定 ; (3)G00 指令使刀具移动的轨迹依系统不同而有所不同, 使用时要注意刀具所走路线是否和零件或夹具发生碰撞 2. 直线插补指令 使用直线插补指令可使刀具从当前点沿直线移动到指令规定的终点 指令格式 :G01 X(U) Y(V) Z(W) F ; 其中 :X Y Z 为目标点 ( 刀具运动的终点 ) 的绝对坐标 ;U V W 为目标点 ( 刀具运动的终点 ) 的增量坐标 ;F 为刀具的进给速度 3. 圆弧插补指令 G02 为顺时针圆弧插补,G03 为逆时针圆弧插补, 刀具进行圆弧插补时必须规定所在平面, 然后再确定回转方向 沿圆弧所在平面 ( 如 XY 平面 ) 的另一坐标轴的负方向 (-Z) 看去, 顺时针为 G02, 逆时针为 G03, 如图 4-8 所示 指令格式 : G02 R G17 X Y F G03 IJ G02 R G18 X Z F G03 IK G02 R G19 X Z F G03 IK Z G17 G03 G02 G02 G18 G18 Y X G19 图 4-8 圆弧顺 逆方向

98 90 数控加工工艺与编程 说明 :G17 G18 G19 分别用于 XOY XOZ YOZ 平面的选择 X Y Z 表示圆弧终点坐标, 可以用绝对值, 也可以用增量值, 由 G90 或 G91 指定 I J K 分别为圆弧起点到圆心的 X Y Z 轴方向的增量 当圆心角不大于 180 时, 用 R 表示 ; 当圆心角大于 180 小于 360 时, 用 -R 表示 如图 4-9 所示,AB 段圆弧的起点 A 的坐标为 (20,0), 终点 B 的坐标为 (30,-5), 其圆心坐标为 (20,-5), 因此其加工程序可写成 : G03 X30.0 Z-5.0 R5.0; 或 G03 X30.0 Z-5.0 K-5.0; R5 B R5 φ50 φ30 O A Z X 图 4-9 圆弧坐标点 习 题 1. 数控加工程序编制内容和步骤是什么? 2. 试述手工编程和自动编程的特点 3. 数控加工程序由哪几部分构成? 4. 何谓绝对坐标编程与相对坐标编程? 5. 何谓工件坐标系? 数控机床的工件坐标系是如何建立的? 6. 简述 M00 指令与 M01 指令的区别 7. 何谓模态代码和非模态代码?

99 第 5 章 数控车床的程序编制 数控车床是在普通车床基础上发展起来的, 主要用于回转体零件的加工 一般可用于加工内外圆柱面 圆锥面 球面及攻螺纹, 还能加工一些复杂的回转面, 如双曲面等 数控车床的分类 1. 按数控车床主轴位置分类 5.1 数控车床程序编制的基础 (1) 立式数控车床 立式数控车床简称为数控立车, 其车床主轴垂直于水平面, 一个直径很大的圆形工作台, 用来装夹工件 这类机床主要用于加工径向尺寸大 轴向尺寸相对较小的大型复杂零件 (2) 卧式数控车床, 如图 5-1 所示 卧式数控车床又分为数控水平导轨卧式车床和数控倾斜导轨卧式车床 其倾斜导轨结构可以使车床具有更大的刚性, 并易于排除切屑 2. 按加工零件的基本类型分类 图 5-1 卧式数控车床 (1) 卡盘式数控车床 这类车床没有尾座, 适合车削盘类 ( 含短轴类 ) 零件 夹紧方

100 92 数控加工工艺与编程 式多为电动或液动控制, 卡盘结构多具有可调卡爪或不淬火卡爪 ( 即软卡爪 ) (2) 顶尖式数控车床 这类车床配有普通尾座或数控尾座, 适合车削较长的零件及直径不太大的盘类零件 3. 按刀架数量分类 (1) 单刀架数控车床 数控车床一般都配置有各种形式的单刀架, 如四工位卧动转位刀架或多工位转塔式自动转位刀架 (2) 双刀架数控车床, 如图 5-2 所示 这类车床的双刀架配置平行分布, 也可以是相互垂直分布 4. 按功能分类 图 5-2 双刀架数控车床 (1) 经济型数控车床 采用步进电动机和单片机对普通车床的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 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, 是更高级的数控车床带有刀库, 可控制 X Z 和 C 三个坐标轴, 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

101 第 5 章数控车床的程序编制 其他分类方法 按数控系统的不同控制方式等指标, 数控车床可以分为很多种类, 如直线控制数控车床 两主轴控制数控车床等 ; 按特殊或专门工艺性能可分为螺纹数控车床 活塞数控车床 曲轴数控车床等多种 数控车床的主要功能 数控车削是数控加工中应用最多的方法之一 由于数控车床具有直线和圆弧插补以及加工过程中能自动变速和进行各种循环等功能, 因此, 其加工范围较普通车床宽得多 归纳起来有以下几种 (1) 直线插补功能 控制刀具沿直线进行切削, 在数控车床中利用该功能可加工圆柱面 圆锥面和倒角 (2) 圆弧插补功能 控制刀具沿圆弧进行切削, 在数控车床中利用该功能可加工圆弧面和曲面 (3) 固定循环功能 固化了机床常用的一些功能, 如粗加工 切螺纹 切槽 钻孔等, 使用该功能简化了编程 (4) 恒线速度车削 通过控制主轴转速保持切削点处的切削速度恒定, 可获得一致的加工表面 (5) 刀尖半径自动补偿功能 可对刀具运动轨迹进行半径补偿, 具备该功能的机床在编程时可不考虑刀具半径, 直接按零件轮廓进行编程, 从而使编程变得方便 简单 数控车削加工的主要对象 由于数控车床具有加工精度高 能做直线和圆弧插补以及在加工过程中能自动变速的特点, 因此其工艺范围较普通机床宽 凡能在数控车床上装夹的回转体零件都能在数控车床上加工 数控车床适合加工的零件如下 : (1) 精度要求高的回转体零件 由于数控车床刚性好, 制造和对刀精度高, 以及能方便 精确地进行人工补偿和自动补偿, 所以能加工尺寸精度要求较高的零件 有些场合能替代磨削 此外, 数控车削的刀具运动是通过高精度插补运算和伺服驱动来实现的, 而且数控车床的刚性好 制造精度高, 所以它能加工对母线直线度 圆度 圆柱度等形状精度要求高的零件 另外, 数控车削加工与普通车床相比能更有效地提高位置精度 (2) 表面粗糙度要求高的回转体零件 在材质 精车余量和刀具已定的情况下, 表面粗糙度取决于进给量和切削速度 数控车床具有恒线速度切削的功能, 能加工出表面粗糙度值小而均匀的零件 数控车削还适合于车削各部位表面粗糙度要求不同的零件, 表面粗糙度值要求大的部分选用大的进给量, 要求小的部位选用小的进给量

102 94 数控加工工艺与编程 (3) 表面形状复杂的回转体零件 由于数控车床具有直线和圆弧插补功能, 所以可以车削由任意直线和曲线组成的形状复杂的回转体零件 一些在普通车床上无法加工的复杂零件, 在数控机床上可以很容易地进行加工 (4) 带特殊螺纹的回转体零件 普通车床所能车削的螺纹相当有限, 它只能车等导程的直 锥面公 英制螺纹, 而且一台车床只能限定加工若干种导程 数控车床不但能车削任何等导程的直 锥和端面螺纹, 而且能车增导程 减导程, 以及要求等导程与变导程之间平滑过渡的螺纹 数控车床车削螺纹时主轴转向不必像普通车床那样交替变换, 它可以一刀又一刀不停顿地循环, 直到完成, 所以它车螺纹的效率很高 数控车床可以配备精密螺纹切削功能, 再加上一般采用硬质合金成形刀片, 以及可以使用较高的转速, 所以车削出来的螺纹精度高 表面粗糙度小 数控车削加工的工艺分析 制定加工工艺是数控车削加工的前期工艺准备工作 工艺方案制定得合理与否, 对程序编制 机床的加工效率和零件的加工精度都有重要的影响 因此, 应遵循一般的加工工艺原则并结合数控车床的特点, 认真而详细地制定数控车削的加工工艺 1. 数控车削加工工艺内容 (1) 选择适合在数控车床上加工的零件, 确定工序内容 (2) 分析被加工零件的图样, 明确加工内容及技术要求 (3) 确定零件的加工方案, 制定数控加工工艺路线, 如划分工序 安排加工顺序 处理与非数控加工工序的衔接等 (4) 加工工序的设计, 如零件定位基准的选取 夹具方案的确定 工步的划分 刀辅具 确定切削用量的选取等 (5) 数控加工程序的调整 选取对刀点和换刀点, 确定走刀路线及刀具补偿 (6) 处理数控机床上的部分工艺指令 2. 数控车削加工工艺制定 (1) 零件图工艺分析在制定车削工艺之前, 首先必须对被加工零件的图样进行分析, 其结果将直接影响加工程序的编制及加工精度 零件图的分析主要包括以下内容 1 结构工艺分析 零件的结构工艺性是指零件对加工方法的适应性, 即所设计的零件结构应便于加工成形 在数控车床上加工工件时, 应根据数控车削的特点认真审视零件结构的合理性 如图 5-3(a) 所示的结构需用 3 把不同宽度的切槽刀, 如果这些槽无特殊要求, 显然是不合理

103 第 5 章数控车床的程序编制 95 的, 若改成图 5-3(b) 所示的结构, 只需一把刀即可切出 3 个槽, 这样既减少了刀具数量, 少占用刀架刀位, 又节省了换刀时间 在结构分析时, 如果发现问题应向设计人员或有关部门提出修改意见 (a) (b) 图 5-3 结构工艺示例 2 构成零件轮廓的几何要素分析 在手工编程时, 要计算每个基点的坐标, 在自动编程时, 要对构成零件轮廓的所有几何元素进行定义, 因此在分析零件图时, 要分析几何元素的给定条件是否充分 由于设计等多种因素, 在图纸上可能会出现加工轮廓的数据不充分 尺寸模糊不清及尺寸封闭等缺陷, 增加了编程的难度, 有时甚至无法编程 如图 5-4 所示 SR10 φ32 φ 图 5-4 几何要素缺陷示例 图 5-4 中给出的各线段长度之和不等于总长, 条件自相矛盾 以上问题出现时, 要向设计人员或技术管理人员及时反映, 解决后方可进行程序的编制工作 3 尺寸公差要求分析 在确定控制零件尺寸精度的加工工艺时, 必须分析零件图样上的公差要求, 从而正确选择刀具和确定切削用量等

104 96 数控加工工艺与编程 4 形状和位置公差要求分析 图样上给定的形状和位置公差是保证零件精度的重要要求 具体分析内容为 : 一是分析精度及各项技术要求是否齐全 是否合理 ; 二是分析本工序的数控车削加工精度能否达到图样要求, 若达不到, 需采取其他措施 ( 如磨削 ) 弥补, 则应给后续工序留有加工余量 ; 三是找出图样上有位置精度要求的表面, 这些表面应在一次安装下完成 5 表面粗糙度要求分析 表面粗糙度是保证零件表面微观精度的重要要求, 也是合理选择机床 刀具及确定切削用量的重要依据 对表面粗糙度要求较高的表面, 应采用圆周恒线速度切削 6 零件工序基准和定位基准的选择 数控车床加工内容的特点决定了其在零件工序基准及定位基准的选择上较固定, 一般不许考虑基准转换问题 设计基准的选择 轴套类和轮盘类零件都属于回转体类, 径向设计基准通常在回转体轴线上, 轴向设计基准在工件的某一端面或对称面上 定位基准的选择 数控车床加工轴套类和轮盘类零件的定位基准, 只能是零件的外圆表面 内圆表面或零件的端面中心孔 定位基准的选择包括定位方式的选择和被加工工件定位面的选择 轴类零件的定位方式通常是一端外圆固定, 即用三爪自定心卡盘 四爪单动卡盘或弹簧套固定工件的外圆表面, 但此定位方式对工件的悬伸长度有一定限制 工件悬伸过长会在切削过程中产生变形, 严重时将使切削无法进行 对于切削长度过长的工件可以采取一夹一顶或两端顶尖定位 在装夹方式允许的条件下, 定位面尽量选择几何精度较高的表面 测量基准的选择 测量基准应与工序基准统一 例如, 测量径向圆跳动误差时, 测量方向应垂直于基准轴线 当实际基准表面形状误差较小时, 可采用一对 V 形铁支撑测量工件, 工件旋转一周, 指示表上最大 最小读数之差即为径向圆跳动误差 如图 5-5a 所示, 这种测量方法的测量基准是零件支撑处的外表面, 测量误差中包含测量基准本身的形状误差和同轴度误差 也可以利用两中心孔作为测量基准, 如图 5-5b 所示 (a) (b) 图 5-5 测量基准示例

105 第 5 章数控车床的程序编制 97 此外, 还要考虑工件材料 认真分析图样上给出的毛坯材料及热处理要求, 据此合理选择刀具的材料 几何参数及使用寿命, 确定加工工序 切削用量及选择机床 同时, 零件的生产类型对其装夹与定位 刀具的选择 工序的安排及走刀路线的确定等也都不容忽视 (2) 工序和装夹方式的确定 1 工序的划分 在数控车床上加工工件, 应按工序集中的原则划分工序 数控车床一般可装 4~12 把刀, 无论零件轮廓怎么复杂, 毛坯是棒料还是铸 锻件, 一般都能用两道工序完成车削加工 在批量生产中, 常用下列方法划分工序 按粗 精加工划分 数控加工要求工序尽可能集中, 通常粗 精加工可在一次装夹下完成 为减少热变形和切削力变形对工件的尺寸形状 位置精度和表面粗糙度的影响, 应将粗 精加工分开进行, 对轴类零件或盘类零件, 将待加工表面先粗加工, 留少量余量精加工, 来保证工件表面的质量要求 对轴上有孔 螺纹的工件, 应先加工表面后加工孔 螺纹 要求较高时, 可将粗车安排在精度较低 功率较大的数控车床上, 将精车安排在精度较高的数控车床上进行, 以保证零件的加工精度 按零件加工表面划分 将位置精度要求较高的表面安排在一次装夹下完成, 以免多次装夹所产生的安装误差影响位置精度 例如, 如图 5-6(a) 所示的轴承内圈, 其内孔对小端面的垂直度 滚道和大挡边对内孔回转中心的角度差, 以及滚道与内孔间的壁厚差均有严格的要求, 精加工时划分为两道工序, 用两台数控车床完成 第一道工序采用图 5-6(b) 所示的以大端面和大外径装夹方案, 将滚道 小端面及内孔和小端面安排在一次装夹下车削加工, 很容易保证上述的位置精度 第二道工序采用图 5-6(c) 所示的内孔和小端面装夹方案, 车削大外圆和大端面 (a) (b) (c) 图 5-6 轴承内圈加工方案 在实际生产中, 数控加工工序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 2 工件的装夹 在数控车床上零件的装夹方式与普通车床相似, 在确定装夹方式时, 力求在一次装夹中尽可能完成大部分甚至完成全部表面的加工 工件的装夹应根据零件图样的技术要求和

106 98 数控加工工艺与编程 数控车削的特点来选定, 根据零件结构形状不同, 通常选择外圆 端面装夹或内孔 端面装夹, 并力求设计基准 工艺基准和编程原点的统一 (3) 加工顺序的安排在分析了零件图样和确定了工序 装夹方式之后, 接下来要确定零件的加工顺序 制定零件车削加工顺序一般遵循下列原则 1 先粗后精 按照粗车 半精车 精车的顺序进行, 逐步提高加工精度 在粗加工中先切除较多毛坯 如图 5-7 所示切除双点画线部分, 为精加工留下较均匀的加工余量 ; 当粗车后所留的余量的均匀性不满足精加工的要求时, 则需安排半精车, 一般精车要按图样尺寸一刀切出零件轮廓, 并要保证精度要求 2 先近后远 这里所说的远和近是按照加工部位相对于对刀点的距离远近而言的 先近后远即离对刀点最近的部位先加工, 远的部位后加工 这样不仅可以缩短走刀路线, 减少空行程时间 ; 而且还有利于保持坯件或半成品的刚性, 改善其切削条件 如图 5-8 所示精加工顺序应为 φ28 φ32 φ36 φ38 走刀路线是刀具在整个加工工序中相对于工件的运动轨迹, 它是编写程序的主要依据 φ38 φ36 φ32 φ28 对刀点 图 5-7 先粗后精 图 5-8 先近后远 3 内外交叉 对既有内表面 ( 内型腔 ) 又有外表面需要加工的零件, 安排加工顺序时应先进行内 外表面粗加工, 后进行内 外表面精加工 切不可将零件上的一部分表面 ( 外表面或内表面 ) 加工完毕后, 再加工其他表面 ( 内表面或外表面 ) 对于某些特殊情况, 可根据经验采取不同的加工方案 (4) 走刀路线的确定在数控车削加工中, 因精加工的走刀路线基本上都是沿零件轮廓的顺序进行, 所以确定进给路线的重点在于确定粗加工及空行程的走刀路线 走刀路线是刀具在整个加工工序中相对于工件的运动轨迹, 即刀具从对刀点开始运动起, 直至加工结束所经过的路径, 包括切削加工路径及刀具切入 切出等空行程 它是编写程序的主要依据 走刀路线的确定必须在保证被加工零件的尺寸精度和表面质量的前提下, 按最短走刀路线的原则确定, 以减少加工过程的执行时间, 提高工作效率, 同时减少不必要的刀具损

107 第 5 章数控车床的程序编制 99 耗及机床进给机构滑动部件的磨损等 实现最短进给路线, 除了依靠大量的实践经验外, 还应善于分析, 必要时可借助一些辅助计算, 因此, 还应考虑数值计算简便, 以方便程序的编制 常用的数控车削加工时的走刀路线选择方法如下 1 粗车轮廓进给路线 车削加工中, 经常进行圆弧 圆锥的加工 在确定轮廓粗车进给路线时, 除使用数控系统的循环功能外, 还可以按下列方式安排进给路线 车圆锥的进给路线 在数控车床上车削圆锥可以分为车削正圆锥和车削倒圆锥, 每一种情况又有两种进给路线 图 5-9 所示为车削正圆锥的两种进给路线 按图 5-9(a) 车削正圆锥时, 需要计算终刀距 S, 但切削运动的距离较短, 每次切深相等 ; 按图 5-9(b) 车削正圆锥时, 每次切削背吃刀量是变化的, 而且切削运动的路线较长但不需要计算终刀距 S, 只要确定背吃刀量 a p, 即可车出圆锥轮廓 车倒圆锥的原理与车正圆锥相同 D L S a p d (a) (b) 图 5-9 车正圆锥的两种进给路线 车削圆弧的进给路线 圆弧加工的粗加工切削量不均匀, 切削深度过大, 容易损坏刀具, 在粗加工中要考虑进给路线和切削方法的选择 总体原则是在保证背吃刀量均匀的情况下, 减少走刀次数及空行程 具体方法如下 圆弧表面为凸表面时, 通常有两种方法, 车锥法 ( 斜线法 ) 和车圆法 ( 同心圆法 ) 车锥法即用车圆锥的方法切除圆弧毛坯余量, 再车圆弧, 如图 5-10(a) 所示 采用此方法时, 特别要注意车锥时起点和终点的计算 确定不好可能会损坏圆弧表面或将加工余量留得过大 确定方法是连接 DC 交圆弧于点 F, 过 F 作圆弧的切线 AB 进给路线不能超过 AB 两点的连线, 否则会过切, 而使工件报废 车锥法一般适用于圆心角小于 90 的圆弧 此方法数值计算繁琐, 但走刀路线较短 车圆法即用不同的半径切除毛坯余量, 如图 5-10(b) 所示 此方法的优点在于每次背吃刀量相等, 数值计算简单, 编程方便, 所留加工余量相等, 有助于提高精加工质量 ; 缺点是空行程时间较长 此方法适用于圆心角大于 90 的圆弧粗车 当圆弧表面为凹表面, 其加工方法有等径圆弧形式 ( 等径不同心 ) 同心圆弧形式 ( 同心不等径 ) 梯形形式 三角形形式等, 见图 5-11 表 5-1 所例为几种加工方法的比较

108 100 数控加工工艺与编程 R R D F B (a) 车锥法 A C D (b) 车圆法 图 5-10 圆弧凸表面车削方式 (a) 等径圆弧形式 (b) 同心圆弧形式 (c) 梯形形式 (d) 三角形形式图 5-11 圆弧凹表面车削方式表 5-1 圆弧凹表面各种形式加工特点比较形式特点 等径圆弧形式同心圆弧形式梯形形式三角形形式 计算和编程最简单, 但走刀路线较其他几种方式长走刀路线短, 且精车余量最均匀切削力分布合理, 切削率最高走刀路线较同心圆弧形长, 但比梯形 等径圆弧形式短 2 精车轮廓进给路线 在安排轮廓精车时, 应妥善考虑刀具的进 退位置, 避免在轮廓中安排切入和切出, 避免换刀及停顿, 以免因切削力突然发生变化而造成弹性变形, 致使在光滑连续的轮廓上产生表面划伤 形状突变或滞留刀痕等缺陷 合理的轮廓精车进给路线应是一刀连续加工而成 3 合理安排退刀和换刀路线 在数控车床加工过程中, 为了提高加工效率, 刀具从起始点或换刀点运动到接近工件部位, 以及加工完成后退回到起始点或换刀点, 是以 G00 方式运动的 根据刀具加工工件部位的不同, 退刀路线的确定方式也不同 常用的方式有斜线退刀方式 径 - 轴向退刀方式 斜线退刀方式路线最短, 适用于加工外圆表面的偏刀退刀 ; 径 - 轴向退刀方式是刀具先径向垂直退刀, 到达指定位置后再轴向退刀, 切槽即采用这种退刀方式 确定退刀路线时应首先保证加工的安全性, 在退刀过程中刀具不能与工件及夹具等发生碰撞 ; 然后, 再力求使退刀路线最短, 以提高生产率

109 第 5 章数控车床的程序编制 101 数控车床加工时通常有两种换刀方式 : 设置换刀点和跟随式换刀 设置换刀点是设置一个固定的点, 它不随工件坐标系位置的改变而发生变化 换刀点最安全的位置是换刀时刀架或刀盘上的刀具都不与工件发生碰撞的位置 换刀点轴向位置 (Z 轴 ) 由轴向最长的刀具 ( 如内孔刀 钻头等 ) 确定, 换刀点径向位置 (X 轴 ) 由径向最长的刀具 ( 如外圆刀 切断刀等 ) 确定 这种设置换刀点方式的优点是安全 简便, 在单件 小批量生产中经常采用 ; 缺点是增加了刀具到加工表面的运动距离, 降低了加工效率, 机床磨损也大, 大批量生产时往往不采用这种方式换刀, 而是采用所谓的 跟随式换刀, 跟随式换刀使用 G00 快速定位指令, 每把刀都有各自的换刀点 设置换刀点时, 只需考虑换下一把刀是否与工件发生碰撞, 而不用考虑刀架上所有刀具是否与工件发生碰撞 这样做的前提是刀架上的刀具是按加工顺序安排的, 调试时从第一把刀开始 零件加工的进给路线, 应综合考虑数控系统的功能 数控车床的加工特点及零件的特点等多方面的因素, 灵活使用各种进给方法, 从而提高生产效率 (5) 夹具的选择数控车床夹具与普通车床夹具相同, 分为通用夹具和专用夹具两类 选择夹具时应先考虑通用夹具, 降低成本 数控车床通用夹具, 前面章节已介绍过, 其应用场合不同 1 圆周定位夹具 在车削加工中, 大多数情况是使用工件或毛坯的外圆柱面定位 三爪卡盘 是车床常用定位夹具, 可以自动定心 夹持范围大 ; 但定心精度存在误差 ( 定心误差在 0.05mm 以内 ), 不适于同轴度要求高的工件的二次装夹 用三爪自定心卡盘装夹精加工过的表面时, 应包一层铜皮, 以免夹伤工件表面 软爪 由于三爪自定心卡盘定心精度不高, 成批加工同轴度要求高的工件在二次装夹时, 常常使用软爪 四爪卡盘 有 4 个对称分布的卡爪, 各自独立运动, 可以调整工件夹持部位在主轴上的位置, 使工件加工面的回转中心与车床主轴的回转中心重合 四爪单动卡盘夹紧力大, 但找正比较费时, 加工大型或形状不规则的工件时, 可以用四爪单动卡盘装夹 弹簧夹套 弹簧夹套定心精度高, 装夹工件快捷方便, 常用于精加工外圆表面的定位 弹簧夹套夹持工件的内孔是标准系列, 并非任意直径 花盘可用于装夹加工表面的回转轴线与基准面垂直 外形复杂的零件, 如双孔连杆的装夹 2 中心定位夹具 ( 顶尖 ) 顶尖定位的优点是定心准确可靠 安全方便, 适用于长度尺寸较大或加工工序较多的轴类工件的精加工 顶尖的作用是定心 承受工件的重量和切削力 顶尖分为前顶尖和后顶尖, 具体结构及使用方法参看 2.3 节 (6) 刀具的选择刀具的选择是数控加工工艺设计的重要内容之一, 数控加工对刀具的要求较普通机床高, 不仅要满足刚性好 切削性能好 耐用度高, 且安装调整方便 根据车刀与刀体的连接固定方式, 主要分为焊接式与机夹可转位式两大类

110 102 数控加工工艺与编程 1 常用数控车刀的种类和用途, 如表 5-2 所示 表 5-2 常用数控车刀的种类和用途 外圆粗车刀外圆精车刀端面车刀切槽刀螺纹刀内孔车刀 焊接车刀 外圆右偏粗车刀外圆右偏精车刀 45 端面车刀外圆切槽刀外圆螺纹车刀 机夹可转位车刀 孔车刀 中心钻麻花钻粗镗孔车刀精镗孔车刀 2 机夹可转位车刀的选择 数控车床一般使用标准的机夹可转位车刀 其主要目的是为了减少换刀时间和对刀方便, 便于实现标准化 刀片是机夹可转位车刀的重要组成元件 在选择刀片时, 要结合工件材料 加工要求及机床设备等情况, 刀片规格选择的方法如下 : 刀片材料 速钢 硬质合金 涂层硬质合金 陶瓷 立方氮化硼和金刚石等, 其中应用最多的是硬质合金和涂层硬质合金刀片 刀片尺寸 刀片尺寸的大小取决于必要的有效切削刃长度 L, 有效切削刃长度与背吃刀量和车刀的主偏角有关, 使用时可查阅有关刀具手册选取 刀片形状 根据工件的表面形状 切削方法 刀具寿命和刀片的转位次数等因素选择 刀片型号组成见 1.3 节, 车刀刀片形状如图 5-12 所示

111 第 5 章数控车床的程序编制 103 (a)t 型 (b)f 型 (c)w 型 (d)s 型 (e)p 型 (f)d 型 (g)r 型 (h)c 型 图 5-12 常用硬质合金车刀刀片 (7) 切削用量的选择切削用量包括背吃刀量 ( 切削深度 )a p 进给量 ƒ 切削速度 ν 合理选择切削用量可以在保证加工质量和刀具耐用度的前提下, 使切削时间最短, 生产率最高, 成本最低 不同的加工要求和加工条件, 选用的切削用量不同 1 数控车削切削用量的选择原则 粗车时, 应保证生产效率 首先选择一个大的背吃刀量 a p ; 其次选择一个较大的进给量 f; 最后根据刀具耐用度, 确定一个合理的切削速度 v 增大背吃刀量, 可以减少进给次数, 提高切削效率 ; 增大进给量有利于断屑 精车时, 应保证工件精度和表面粗糙度要求 首先选用较小的背吃刀量和进给量 f, 然后根据刀具耐用度的要求, 计算并选用较高的切削速度 v 切削用量的选择应在机床说明书给定的允许范围内选择, 同时考虑机床工艺系统的刚性和机床功率的大小 2 常用车削用量的选择方法 a. 背吃刀量 a p 的选择 背吃刀量应根据加工余量而定 粗加工时, 在保证后续工序加工余量的前提下, 尽可能一次去除全部余量 若余量过大且不均匀 工艺系统刚性不足时, 分几次进给, 背吃刀量随进给次数逐渐减少 一般情况下, 粗加工背吃刀量可达 8~10mm, 半精加工可取 0.5~ 2mm, 精加工取 0.1~0.5mm

112 104 数控加工工艺与编程 b. 进给量 f 的选择 进给量主要根据工件的精度和表面粗糙度要求以及刀具和工件的材料等因素, 参考切削用量手册选用 粗加工时, 进给量在保证刀杆 刀具 机床 工件刚度等条件前提下, 选用尽可能大的进给量 ; 精加工 切断或加工深孔时, 应选择较低的进给量, 当加工精度 表面粗糙度要求较高时, 进给量应选择得更小一些 c. 切削速度 v 的确定 根据已选定的背吃刀量 进给量及刀具寿命选择切削速度 在保证刀具的耐用度及切削负荷不超过机床额定功率的情况下选定切削速度 粗车时, 背吃刀量和进给量均较大, 故选较低的切削速度 ; 精车时, 则选较高的切削速度 由切削速度 ν 计算主轴转速的公式为 : 1000v n = (5-1) πd 式中 d 工件直径,mm; v 切削速度,m min 数控车床加工螺纹时, 车床的主轴转速受螺纹螺距大小, 驱动电机的升 降频特性及螺纹插补运算速度等多种因素的影响, 故对于不同的数控系统, 车螺纹时推荐使用不同的主轴转速范围, 大多数经济型数控车床的数控系统推荐车螺纹时的主轴转速 n 为 1200 n k p (5-2) 式中 P 工件的螺距,mm; K 保险系数, 一般取 80; n 主轴转速,r/min 切削用量的具体数值根据机床说明书, 参考切削用量手册, 并结合实际经验确定 对刀 在进行数控车床的编程和运行之前, 必须确定刀具与机床及工件的相对位置, 即对刀 在数控车床上, 有很多对刀方法, 目前常用的方法为试切对刀 将工件安装好之后, 先用已选好的刀具将工件端面车一刀, 然后保持刀具在轴向尺寸不变, 沿径向退刀 当取工件右端面 O 为工件原点时, 对刀输入 Z 0 ; 当取工件左端面 O' 为工件原点时, 需要测量从内端面到加工面的长度尺寸 L, 此时对刀输入 Z L, 如图 5-13(a) 所示 用同样的方法, 再将工件的外圆表面车一刀, 然后保持刀具径向的尺寸不变, 沿轴向退刀, 停止主轴转动, 再量出工件车削后的直径值 φ, 此时对刀输入 φ, 如图 5-13(b) 所示 根据 L 和 φ 值即可确定刀具在工件坐标系中的位置

113 第 5 章数控车床的程序编制 105 L O' O O' O φ (a) (b) 图 5-13 对刀示意图 典型零件的加工工艺分析 下面以图 5-14 所示零件为例, 分析数控车削加工工艺 选用机床为 CKA6140 数控车床, 数控系统为 FANUC 0IMATE-TB 工件材料 :45 钢 M30 3/2 Sφ50±0.05 图 5-14 典型轴类零件 1. 零件图工艺分析 该零件表面由圆柱 圆锥 顺时针圆弧 逆时针圆弧及双线螺纹组成 其中多个直径尺寸有较严格的尺寸精度和表面粗糙度等要求 ; 球面 Sφ50 的尺寸公差还兼有控制该球面形状误差的作用 尺寸标注完整, 轮廓描述清楚 零件材料为 45 钢, 无热处理和硬度要求 数学计算时, 注意对图样上给定的几个精度要求较高的尺寸, 因公差值较小, 编程时不必取平均值, 取基本尺寸即可

114 106 数控加工工艺与编程 2. 确定装夹方案 确定毛坯轴线和左端大端面为定位基准 左端采用三爪自定心卡盘定心夹紧, 右端采用活动顶尖支撑的装夹方式 3. 确定加工顺序及走刀路线 加工顺序按照由粗到精 由右到左的原则确定 即先从右到左进行粗车, 留 0.5mm( 直径值 ) 精车余量, 然后从右到左按轮廓进行精车, 车削螺纹, 最后切断 由于所选用的数控车床具有粗车循环和车螺纹循环功能, 正确使用编程指令, 系统会自行确定其走刀路线 因此, 只需确定其精车路线, 应从右到左沿工件表面轮廓进给 4. 刀具的选择 (1)T01 选用 φ5mm 中心钻钻削中心孔 (2)T02 外圆粗车刀, 选用硬质合金 93 外圆车刀, 为防止刀具与工件轮廓发生干涉, 负偏角不能太小, 可选 к r '=35 (3)T03 外圆精车和螺纹刀, 选用硬质合金 60 外螺纹车刀 (4)T04 切断刀, 选用刀宽为 4mm 的硬质合金切刀 数控加工刀具卡片见表 5-3 表 5-3 数控加工刀具卡 产品名称或代号零件名称典型轴零件图号 序号刀具号刀具规格名称数量加工表面 1 T01 φ5mm 中心钻 1 钻 φ5mm 中心孔 刀尖半径 /mm 2 T02 硬质合金 90 外圆车刀 1 车端面及粗车轮廓右偏刀 3 T03 硬质合金 60 外螺纹车刀 1 精车轮廓及螺纹 T04 刀宽 4mm 的切刀 1 切断 编制审核批准共页 5. 切削用量的选择 (1) 背吃刀量 粗车循环时,a p =2.5mm; 精车时,a p =0.25mm, 螺纹精车时,a p =0.1mm (2) 进给量 查手册可取, 粗车时 f=0.4mm/r; 精车时 f=0.1mm/r; 车螺纹时的进给量等于螺纹导程, 即 f=3mm/r (3) 主轴转速 车直线和圆弧轮廓时的主轴转速, 根据毛坯直径 ( 精车时取平均直径 ), 并结合机床说明书选取, 查表取粗车的切削速度 v c =90m/min, 精车的切削速度 v c =120m/min; 备注

115 第 5 章数控车床的程序编制 107 粗车时, 主轴转速 n=500r/min; 精车时, 主轴转速 n=1200 r/min 车螺纹时的主轴转速, 取 n=320r/min 加工工序卡片见表 5-4 表 5-4 数控加工工序卡 单位名称 产品名称或代号 零件名称 零件图号 典型轴 工序号 工序编号 夹具名称 使用设备 车间 001 三爪卡盘和活动顶尖 TND360 数控中心 工步号 工步内容 刀具号 刀具规格主轴转速进给速度背吃刀量 /mm /r min -1 /mm r -1 /mm 备注 1 平端面 T 手动 2 钻中心孔 T01 φ5 950 手动 3 粗车轮廓 T 自动 4 精车轮廓 T 自动 5 粗车螺纹 T 自动 6 精车螺纹 T 自动 7 切断 T 自动 编制 审核 批准 年 月 日 共 页 第 页 5.2 数控车床程序编制的基本方法 数控车床编程坐标系的建立 编制数控加工程序时, 编程原点一般设在右端面与主轴回转中心线交点 O 上 [ 如图 5-15(b) 所示 ], 也可设在工件的左端面与主轴回转中心线交点 O 上 [ 如图 5-15(a) 所示 ] 坐标系以机床主轴轴线方向为 Z 轴方向, 刀具远离工件的方向为 Z 轴的正方向 X 轴位于水平面且垂直于工件旋转轴线的方向, 刀具远离主轴轴线的方向为 X 轴正向, 如图 5-15 所示

116 108 数控加工工艺与编程 O Z O Z X (a) 工件原点在左端面 X (b) 工件原点在右端面 图 5-15 工件原点及工件坐标系 数控车床的编程特点 (1) 在一个程序段中, 可以采用绝对值编程 增量值编程或两者混合编程 (2) 由于被加工零件的径向尺寸在图样上和测量时都是以直径值表示的, 所以大多数数控车削系统采用直径编程 用绝对值编程时,X 以直径值表示 ; 用增量值编程时, 以径向实际位移量的两倍值表示, 并附方向符号 ( 正向可以省略 ) (3) 为简化程序, 数控车床系统中有各种固定循环功能可完成外圆 端面 螺纹等循环粗车加工 (4) 数控车床具有刀具补偿功能 可以对刀具尺寸及位置变化 刀具几何形状变化 刀尖圆弧半径变化, 自动进行补偿 只要将刀具变化的相关尺寸输入存储器中并在程序中运用相关指令即可 数控车床的编程指令 不同的数控系统, 其指令不完全相同, 使用者应根据使用说明书编写程序 本章主要介绍 FANUC 0I MATE-TB 系统指令代码 1. 坐标系设定指令 (1) 工件坐标系的设定 (G50) G50 是规定工件坐标系原点的指令, 同时设定起刀点的位置 格式 :G50 X_ Z_ ; 说明 :X Z 设定起刀点相对于工件坐标系原点的位置,G50 并不使刀具产生运动 执行程序前, 应将刀具移动到起刀点方可启动程序 如图 5-16 所示, 建立工件坐标系指令为 :

117 第 5 章数控车床的程序编制 109 G50 X200. Z100; 坐标系的原点即为工件右端面的中心 O 点 图 5-16 工件坐标系的建立 (2) 机床坐标系的设定 (G53) 格式 :G53 说明 :G53 是设定机床坐标系 在含有 G53 的程序段中, 绝对编程时的指令值是在机床坐标系中的坐标值 G53 为非模态指令 (3) 工件坐标系的选择 (G54~G59) 数控机床一般既可通过预置寄存器的方法设定坐标系 (G50 G92), 也可以用 CRT/MDI 手工输入方法设置加工坐标系 采用后者设定加工坐标系时, 执行程序前刀具可以在任一位置 使用此方法可以根据加工位置不同, 选择需要的加工坐标系原点, 可采用 G54~G59 指令 后续章节再详细讲授 2. 基本加工指令 第 4 章已介绍了 G00 G01 G02 G03 指令, 下面只给出数控车编程时的指令格式 G00 X (U) Z(W) ; G01 X(U Z(W) F ; G02 R_ X(U)_Z(W)_ F_ ; G03 I_K_ 例 5-1 加工如图 5-17 所示零件, 毛坯尺寸为 φ35 80mm, 材料为 45 钢, 选用 CKA6140 机床, 最大背吃刀量 2.5mm, 试用 G01 指令编写单件生产加工程序

118 110 数控加工工艺与编程 3.2 其余 φ35 φ30 φ24 O Z 30 X 55 图 5-17 阶梯轴 (1) 工艺分析 : 该零件由不同外圆柱面组成, 零件材料为 45 钢, 切削加工性能较好, 无热处理和硬度要求 (2) 工艺过程 : 1 三爪卡盘夹住毛坯 φ35, 外伸长 60mm, 找正 ; 2 对刀, 设置编程原点 O 在工件右端面中心 ; 3 粗车 φ30 φ24 外圆, 留 0.5mm 精车余量 ; 4 依次精车 φ30 φ24 各段外圆及端面至尺寸 (3) 刀具选择 : 1 选硬质合金 93 偏刀, 刀尖圆弧半径为 0.8mm, 用于加工各外圆, 置于 T01 号刀位 2 选硬质合金 93 偏刀, 刀尖圆弧半径为 02mm, 用于加工各外圆 端面, 置于 T02 号刀位 (4) 确定切削用量 : 选用切削用量见表 5-5 表 5-5 阶梯轴的切削用量 加工内容背吃刀量 a p /mm 进给量 F/mm r -1 主轴转速 n/r min -1 粗车 φ30 φ24 外圆 精车 φ30 φ24 外圆 O0001; N10 G40 G97 G99 M03 S500 F0.25; T0101; 主轴正转 600r min -1, 进给量 0.25 mm r -1

119 第 5 章数控车床的程序编制 111 N20 N30 N40 N50 N60 N70 N80 N90 N100 N110 N120 N130 N140 N150 N160 N170 N180 N190 N200 N210 N220 N230 N240 N250 N260 N270 N280 M08; G00 X30.5 Z2.0; G01 Z-55.0; X35.0; G00 Z2.0 X26.0; G01 Z-30.0; X30.0; G00 Z2.0; X24.5; G01 Z-30.0; X30.0; G00 X100.0 Z100.0; M09; T0202; M03 S800 F0.12; M08; G00 X0 Z2.0; G01 Z0; X24.0; Z-30.0; X30.0; Z-55.0; X35.0; G00 X100.0 Z100.0; M30; 换刀 T0101 切削液开快速进刀准备粗车 φ30 外圆粗车 φ30 外圆 X 向退刀快速 φ 回快速进刀, 准备粗车 φ24 外圆第一刀粗车 φ24 外圆第一刀 X 向退刀快速返回快速进刀, 准备粗车 φ24 外圆第二刀粗车 φ24 外圆第二刀 X 向退刀快速退刀至换刀点切削液停换刀 T0202 主轴正转 800r min -1, 进给量 0.12 mm r -1 切削液开快速进刀准备精车右端面精车右端面精车 φ24 外圆至尺寸精车 φ30 端面精车 φ30 外圆至尺寸 X 向退刀快速退刀至换刀点程序结束 3. 暂停功能 (G04) G04 暂停指令可使刀具做短时间无进给加工或机床空运转, 使加工表面降低表面粗糙度 指令格式 :G04 X(U) ; G04 P ; 其中 :X U P 为暂停时间 X U 后面可用带小数点的数, 单位为 s, 如 G04 X2.0 表示前面的程序执行完后要经过 2s 的进给暂停 P 后面不允许用小数点 单位为 ms, 如

120 112 数控加工工艺与编程 G04 P2000 表示进给暂停 2s 4. 单一固定循环切削指令 (1) 外径 内径车削单一固定循环指令 (G90) 进行内 外径粗加工时, 刀具常常要反复地执行相同的动作, 才能切至工件要求的尺寸, 程序中常常要写入很多程序段, 为了简化程序, 数控装置可以用一个程序段指定刀具作反复切削, 这就是固定循环功能 加工一个轮廓表面需要 4 个动作 :1 快速进刀 ;2 切削进给 ;3 退刀 ;4 快速返回 单一形状固定循环指令 G90 用一个程序段完成上述四步操作, 如图 5-18 所示 (a) 外圆切削循环 (b) 锥面切削循环 (c) 内圆切削循环 (d) 内锥面切削循环 图 5-18 单一固定循环指令走刀路线 指令格式 : 圆柱面车削循环 :G90 X(U) Z(W) F ; 圆锥面车削循环 :G90 X(U) Z(W) R( 或 I) F ; 其中 : X Z 切削终点 (C 点 ) 的坐标值 ; U W 切削终点 (C 点 ) 相对循环始点 (A 点 ) 的增量值 ; F 进给速度 (mm r -1 );

121 第 5 章数控车床的程序编制 113 R( 或 I) 车圆锥时, 切削起点 B 与终点 C 的半径差值 该值有正负号 : 若 B 点半径值小于 C 点半径值,R 取负值 ; 反之,R 取正值 例 5-2 试用 G90 指令编写图 5-17 所示零件加工程序 O0002; N10 N20 N30 N40 N50 N60 N70 N80 N90 N100 N110 N120 N130 N140 N150 N160 N170 N180 N190 N200 N210 G40 G97 G99 M03 S600 F0.25; T0101; M08; G00 X35.0 Z2.0; G90 X30.5 Z-55.0; X26 Z-30.0; X24.5; G00 X100.0 Z100.0; M09; T0202; M03 S800 F0.12; M08; G00 X0 Z2.0; G01 Z0; X24.0; Z-30.0; X30.0; Z-55.0; X35.0; G00 X100.0 Z100.0; M30; 主轴正转 600r min -1, 进给量 0.25 mm r -1 换刀 T0101 切削液开快速进刀至循环起点粗车 φ30 外圆粗车 φ24 外圆第一刀粗车 φ24 外圆第二刀快速退刀至换刀点切削液停换刀 T0202 主轴正转 800r min -1, 进给量 0.12 mm r -1 切削液开快速进刀准备精车右端面精车右端面精车 φ24 外圆至尺寸精车 φ30 端面精车 φ30 外圆至尺寸 X 向退刀快速退刀至换刀点程序结束 (2) 端面切削循环指令 (G94) 指令格式 : 切削直端面 :G94 X(U) Z(W) F ; 切削锥度端面 :G94 X(U) Z(W) R( 或 K) F ; 其中 : X Z 端平面切削终点 (C 点 ) 的坐标值 ; U W 端平面切削终点 (C 点 ) 相对循环始点 (A 点 ) 的增量值 ; F 进给速度 (mm r -1 );

122 114 数控加工工艺与编程 R( 或 I) 车圆锥时, 切削起点 B 与终点 C 的半径差值 该值有正负号 : 若 B 点半径值小于 C 点半径值,R 取负值 ; 反之,R 取正值 5. 复合循环指令 (G71 G72 G73 G70) 简单循环只能完成一次切削, 实际加工中, 用简单循环仍不能有效地简化程序, 如粗加工切削余量太大或切削表面形状复杂时, 可采用复合循环指令 复合循环指令可将多次重复动作用一个程序段来表示, 只要在程序中给出最终走刀轨迹及重复切削次数, 系统便会自动地重复切削, 直到加工完成 (1) 外径 内径粗加工循环指令 (G71) 该指令主要用于棒料毛坯的加工 如图 5-19 所示, 只需指定粗加工切削深度 精加工余量和精加工路线, 系统便会自动给出粗加工路线和加工次数, 完成各外圆表面的粗加工 图中 A 为刀具循环起点,AB 为精加工路线 执行粗车循环时, 刀具从 A 点移动到 C 点, 开始循环, 粗车循环结束后, 刀具返回 A 点 精加工路线 0 Δp Z c Δd ΔU/2 B A X C 图 5-19 外圆粗车循环 指令格式 :G71 UΔd Re; G71 Pns Qnf UΔu WΔw F S T ; 其中 : G71 外圆粗车循环指令 ; Δd 每刀切削深度 无正 负号, 半径值 ; e 退刀量 无正 负号, 半径值 ; ns 精加工程序段开始程序段的段号 ;

123 第 5 章数控车床的程序编制 115 nf 精加工程序段结束程序段的段号 ; Δu X 方向上的精加工余量, 直径值, 加工内径轮廓时, 为负值 ; Δw Z 方向上的精加工余量 (2) 端面粗车循环指令 (G72) G72 与 G71 指令类似, 不同之处就是刀具切削进给是按径向方向进行的 指令格式 :G72 UΔd(W) Re; G72 Pns Qnf UΔu WΔw F S T ; 其中参数含义与 G71 相同 (3) 仿形车削循环指令 (G73) 如图 5-20 所示, 该指令只需指定粗加工循环次数 精加工余量和精加工路线, 系统自动算出粗加工的切削深度, 给出粗加工路线, 完成各外圆表面的粗加工 其进给路线与工件最终轮廓平行 铸件 锻件等工件已经具备了简单的零件轮廓, 粗加工使用 G73 循环指令可以提高效率 指令格式 : G73 UΔi WΔk Rd; G73 Pns Qnf UΔu WΔw F S T ; 其中 : G73 固定形状粗车循环指令 ; Δi X 方向总退刀量 ( 半径值 ); Δk Z 方向总退刀量 ; d 重复加工次数 ; 图 5-20 固定形状粗车循环

124 116 数控加工工艺与编程 ns 精加工程序段中开始程序段的段号 ; nf 精加工程序段中结束程序段的段号 ; Δu X 方向上的精加工余量 ; Δw Z 方向上的精加工余量 (4) 精车循环指令 (G70) 由 G71 G72 G73 完成粗加工后, 可以用 G70 进行精加工 指令格式 :G70 Pns Qnf 其中 : G70 精加工循环指令 ; ns 精加工程序段中开始程序段的段号 ; nf 精加工程序段中结束程序段的段号 在精车循环 G70 状态下,ns 至 nf 程序中指定的 F S T 有效 ; 当 ns 至 nf 程序中不指定 F S 时, 粗车循环 (G71 G73) 中指定的 F S T 有效 6. 刀具半径补偿功能 (G40 G41 G42) (1) 刀尖圆弧半径补偿在数控车编程时, 一般认为车刀的刀尖是理想刀尖, 即刀尖为一点, 即图 5-21 中的 A 点 实际上一般车刀均有刀尖圆弧, 用于车外径或端面时, 刀尖圆弧大小并不起作用, 但是车倒角 锥面或圆弧时, 则会影响精度, 如图 5-22 所示 因此在编制数控车程序时, 必须给予考虑 大多数全功能的数控车床都具备刀具半径自动补偿功能, 可对刀尖圆弧半径引起的误差进行补偿, 称刀尖圆弧半径补偿 因此, 编程时按零件轮廓编程, 并在程序中采用刀具半径补偿指令 A R δ S 图 5-21 假想刀尖与圆弧过渡刃 图 5-22 车圆锥产生的误差 (2) 刀具半径补偿参数 1 刀尖半径 补偿刀尖圆弧半径大小时, 刀具自动偏离工件轮廓距离为半径 2 车刀形状和位置 车刀形状不同, 决定刀尖圆弧所处的位置不同, 执行刀具补偿时, 刀具自动偏离工件轮廓的方向也就不同 车刀形状和位置参数称为刀尖方位 T, 如图 5-23 所示, 共有 9 种, 分别用参数 0~9 表示 常用刀尖方位 T 为 : 外圆右偏刀 T=3, 镗孔右

125 第 5 章数控车床的程序编制 117 偏刀 T=2 (a) 后置刀架刀位图 (b) 前置刀架刀位图 图 5-23 车刀形状和位置前置刀架刀位图 (3) 刀具半径补偿方法刀具半径补偿方法是在加工前, 通过机床数控系统的操作面板向系统存储器中输入刀具半径补偿的相关参数 : 刀尖圆弧半径 R 和刀尖方位 T 当系统执行程序中的半径补偿指令时, 数控装置读取存储器中相应刀具号的半径补偿参数, 刀具自动沿刀尖方位 T 方向, 偏离工件轮廓一个刀尖圆弧半径值 R, 刀具按刀尖圆弧圆心轨迹运动, 加工出所要加工的工件轮廓, 如图 5-24 所示 (4) 刀具半径补偿指令 (G41 G42 G40) 从机床坐标系的 y 轴的正方向向负方向, 并沿刀具运动方向看去, 刀具位于工件轮廓的左侧为刀具半径左补偿, 使用 G41 指令 ; 刀具在工件轮廓的右侧为刀具半径右补偿, 使用 G42 指令, 如图 5-25 所示, 车外圆为 G42, 孔加工为 G41 G40 为取消刀具半径补偿指令, 使用该指令后,G41 G42 指令失效 (a) 刀具右补偿 (b) 刀具左补偿 图 5-24 刀尖圆弧半径补偿 图 5-25 刀具半径补偿

126 118 数控加工工艺与编程 指令格式 : G41 G00 G42 X_Z_ ; G01 G41 其中 : X Z 建立或取消刀具补偿程序段中, 刀具移动的终点坐标 说明 : G41 G42 G40 指令不能与圆弧切削指令 G02 G03 写在同一程序段内, 必须与 G00 G01 写在同一程序段内 G41 G42 不能同时使用, 即在程序中, 前面程序段中使用 G41, 就不能再继续使用 G42, 必须先用 G40 指令取消 G41 刀补状态后, 才可使用 G42 刀补指令 例 5-3 加工如图 5-26 所示零件, 毛坯尺寸为 φ55 70mm, 材料为 45 钢, 选用 CKA6140 机床, 最大背吃刀量 2.5mm, 试用 G71 G70 循环指令编写单件加工程序 R5 R5 3.2 全部 φ50 φ30 O Z X 图 5-26 外圆编程示例 1 零件图分析 : 零件由外圆和圆弧组成, 零件材料为 45 钢, 切削加工性能较好, 无热处理和硬度要求 2 工艺分析 : 工艺过程 : 粗车外圆 圆弧 ; 精车外圆 圆弧 3 选择刀具 : 选硬质合金 93 偏刀, 粗加工各外圆 端面, 刀尖半径为 0.8mm, 刀尖方位 T=3, 置于 T01 刀位 选硬质合金 93 偏刀, 精加工各外圆 端面, 刀尖半径为 0.2mm, 刀尖方位 T=3, 置于 T02 刀位 4 确定切削用量 : 由于加工背吃刀量较大, 因此选用较小的进给量和主轴转速, 如表 5-6 所示

127 第 5 章数控车床的程序编制 119 表 5-6 工件的切削用量 加工内容背吃刀量 a p /mm 进给量 F/mm r -1 主轴转速 n/r min -1 粗车 精车 O0003; N10 G40 G97 G99 M03 S500 F0.25; N20 T0101; N30 M08; N40 G00 X55.0 Z2.0; N50 G71 U2.0 R0.5; N60 G71 P70 Q160 U0.5 W0.05; N70 G00 G42 X0; N80 G01 Z0; N90 X20.0; N100 G03 X30.0 Z-5.0 R5.0; N110 G01 Z-20.0; N120 G02 X40.0 Z-25.0 R5.0; N130 G01 X50.0; N140 Z-45.0; N150 X55.0; N160 G01 G40 X56.0; N170 G00 X100.0 Z100.0; N180 M09; N190 T0202; N200 M03 S800 F0.1; N210 M08; N220 G00 X55.0 Z2.0; N230 G70 P70 Q160; N240 G00 X100.0 Z100.0; N250 M30; 主轴正转,S=600r min -1,F=0.25 mm r -1 ; 换 T01 粗车车刀打开切削液快速进刀, 准备粗车轮廓切削深度 2mm, 退刀量 0.5mm 循环粗车轮廓快速进刀, 刀具补偿进刀平端面至圆弧起点车削 R5 圆弧车削外圆车削 R5 圆弧车 φ50mm 阶台车 φ50 外圆 X 向退刀退刀, 取消刀补快速返回换刀点关闭冷却液换 T02 号精车车刀主轴正转,S=800r min -1 进给速度 F=0.15 mm r -1 ; 冷却液打开快速进刀精车轮廓快速返回换刀点程序结束 例 5-4 加工如图 5-27 所示宽槽, 毛坯尺寸为 φ55 70mm, 材料为 45 钢, 选用

128 120 数控加工工艺与编程 CKA6140 机床, 最大背吃刀量 2.5mm, 试编写单件加工程序 1 零件图分析 : 零件由外圆和宽槽组成, 零件材料为 45 钢, 切削加工性能较好, 无热处理和硬度要求 2 工艺分析 : 粗车各外圆, 精车各外圆, 切槽 切断 3 选择刀具 : 选硬质合金 93 偏刀, 用于加工各外圆 端面, 刀尖半径为 0.8mm, 刀尖方位 T=3, 置于 T01 刀位, 选硬质合金 93 偏刀, 用于加工各外圆 端面, 刀尖半径为 0.2mm, 刀尖方位 T=3, 置于 T02 刀位, 选硬质合金切刀 ( 刀宽为 4mm), 以左刀尖为刀位点, 用于加工槽 切断, 置于 T03 刀位 C1 3.2 全部 φ50 φ30 φ40 O Z X 50 图 5-27 宽槽编程示例 4 确定切削用量 : 由于加工背吃刀量较大, 因此选用较小的进给量和主轴转速, 如表 5-7 所示 表 5-7 宽槽加工的切削用量 加工内容 背吃刀量 a p /mm 进给量 F/mm r -1 主轴转速 n/r min -1 粗车外圆 精车外圆 切槽 切断 O0004; N10 N20 G40 G97 G99 M03 S500 T0101 F0.25; T0101;

129 第 5 章数控车床的程序编制 121 N30 N40 N50 N60 N70 N80 N90 N100 N110 N120 N130 N140 N150 N160 N170 N180 N190 N200 N210 N220 N230 N240 N250 N260 N270 N280 N290 N300 N310 N320 N330 N340 N350 N360 N370 M08; G00 X55.0 Z2.0; G71 U2.0 R0.5; G71 P70 Q150 U0.5 W0.05; G00 G42 X0; G01 Z0; X38.0; X40.0 Z-1.0; Z-32.0; X50.0; Z-55.0; X55.0; G40 G01 X56.0; G00 X100.0 Z100.0; M09; T0202; M03 S800 F0.10; M08; G00 X55.0 Z2.0; G70 P70 Q150; G00 X100.0 Z100.0; M09; T0303; M03 S350 F0.05; M08; G00 X42.0 Z-24.0; G01 X30.2; X42.0; G00 Z-27.0; G01 X30.2; X42.0; G00 Z-30.0; G01 X30.2; G01 X52.0; Z-32.0; 快速进刀, 准备车槽粗车槽第一刀, 设进给量退刀移刀粗车槽第二刀退刀移刀粗车槽第三刀退刀移刀

130 122 数控加工工艺与编程 N380 N390 N400 N410 N420 N430 N440 X30.0; Z-24.0; X42.0; G00 Z-54.0; G01 X0; G00 X100.0 Z100.0; M30; 粗车槽第四刀精车宽槽退刀移刀, 准备切断切断快速回换刀点程序结束 注 : 加工宽槽要分几次进刀, 每次车削轨迹在宽度上应略有重叠, 并要留精加工余量, 最后精车 7. 螺纹加工指令 (1) 螺纹切削指令 G32 用于加工固定导程的圆柱螺纹或圆锥螺纹, 也可用于加工端面螺纹, 其走刀路线如图 5-28 所示 指令格式 :G32 X(U) Z(W) F; 其中 : X Z 螺纹切削终点的 X Z 向坐标值,X 为直径值 ; U W 螺纹切削终点相对切削始点的 X Z 向增量值,U 为直径值 ; F 螺纹导程 (mm) 注意 : 车削螺纹时, 由于伺服电动机由静止到匀速运动有一个加速过程 ( 加速时间取决于主轴转速 ), 停止时, 有一个减速过程, 使螺纹切削在开始及结束部分出现导程不正确的现象 因此, 必须设置适当的刀具引入距离 ( 升速段 )δ 1 和刀具切出距离 ( 降速段 )δ 2, 如图 5-28 所示 δ 1 一般取 2~5mm, 对于大螺距和高精度的螺纹,δ 1 取大值 ;δ 2 一般取 δ 1 的 1/4~1/2 (a) 圆柱螺纹 (b) 圆锥螺纹 图 5-28 单行程螺纹切削指令 G32 进刀路径 为保证内 外螺纹相互旋合的要求, 外螺纹的实际大径应略小于理论值 车普通外螺纹前, 可根据经验公式计算其实际大径为

131 走刀次数及背吃刀量8 次 第 5 章数控车床的程序编制 123 d 大 M-0.1p (5-3) 小径的计算公式为 : d 小 M -1.3p (5-4) 再计算牙高, 加工螺纹时, 单边切削总深度等于螺纹实际牙型高度, 一般取 h 实 =0.65p (5-5) 在数控车床上加工螺纹时的进刀方法通常有直进法 斜进法 螺距 >3mm 时, 一般采用斜进法, 如图 5-29 所示 ; 当螺距 <3mm 时, 一般采用直进法, 如图 5-30 所示 根据螺纹的加工质量要求, 车削时应遵循后一刀的背吃刀量不能超过前一刀的背吃刀量的原则, 即递减的背吃刀量分配原则, 确定径向进给次数及背吃刀量, 否则会因切削面积的增加 切削力过大而损害刀具 常用螺纹加工中的进给次数及背吃刀量, 也可参考表 5-8 图 5-29 斜进法 图 5-30 直进法 表 5-8 常用螺纹加工走刀次数与分层切削余量 公制螺纹 (mm) 螺距 实际牙深 切深 次 次 次 次 次 次 次 次 0.2

132 124 数控加工工艺与编程 (2) 螺纹切削循环指令 G92 G92 指令用于单一螺纹切削循环加工, 其循环路线与单一固定循环基本相同, 如图 5-31 所示, 循环路径中除螺纹车削 2 为进给运动, 其他运动 ( 循环起点进刀 1 螺纹切削终点 X 向退刀 3 Z 向退刀 4) 均为快速运动 该指令是切削圆柱螺纹和圆锥螺纹时使用最多的螺纹切削指令 图 5-31 螺纹切削循环指令 G92 指令格式 :G92 X(U) Z(W) I(R) F ; 其中 : X Z 螺纹切削终点的绝对坐标 ; U W 螺纹切削终点相对于循环始点的增量值 ; F 螺纹导程 (mm); I(R) 圆锥螺纹始点半径与终点半径的差值 (mm) 其值的正负判断方法与 G90 相同, 圆锥螺纹终点半径大于始点半径时 I(R) 为负值 ; 圆锥螺纹终点半径小于始点半径时 I(R) 为正值 圆柱螺纹 I=0, 可省略 圆柱螺纹 G92 X(U) Z(W) F ; 圆锥螺纹 G92 X(U) Z(W) I(R) F ; (3) 螺纹切削复合循环指令 G76 G76 指令用于多次循环切削螺纹, 切削深度和进刀次数等均可设置后自动完成 指令格式 :G76 P(m)(r)(α) Q(Δd min ) R(d) G76 X(U) Z(W) R(i) P(k) Q (Δd) F(f) 其中 : m 精车重复次数 r 螺纹尾部倒角量, 该值的大小可设定在 0.0L~9.9L 之间, 系数应为 0.1 的整数倍, 用 00~99 之间的两位整数来表示, 其中 L 为螺距

133 第 5 章数控车床的程序编制 125 α 刀尖角度, 可从 和 0 这 6 个角度中选择, 用两位整数来表示, 常用 和 30 这 3 个角度 m r 和 α 用地址 P 同时指定, 如 P 表示精车两次, 尾端倒角量为一个螺距长, 刀具角度为 60 Δd min 最小车削深度, 用半径指定 车削过程中每次的车削深度为 (Δd n-δd n-1), 当计算深度小于 Δd min 时, 则用 Δd min 作为一次车削深度 d 精车余量, 用半径指定 X(U) Z(W) 螺纹终点坐标 i 螺纹部分的半径差,i=0, 则为直螺纹 k 螺纹牙型高度, 用半径指定 Δd 第一次车削深度, 用半径指定 f 螺距 指令中,Q P R 地址后的数值应以无小数点形式表示 例 5-5 用 G92 指令编制如图 5-32 所示的零件, 材料为 45 钢 C1 3.2 全部 φ36 M30 2 O Z X 图 5-32 螺纹编程示例 1 零件图分析 零件由外圆 槽 螺纹组成, 零件材料为 45 号钢, 切削加工性能较好, 无热处理和硬度要求 2 螺纹加工尺寸计算 根据式 5-3 实际切削时外圆柱面的直径为 : =29.8(mm) 3 工艺分析 : 先粗车, 留余量 0.5mm, 再精车外轮廓至尺寸, 切 4mm 的退刀槽, 粗 精加工螺纹 4 选择刀具 : 选硬质合金 93 偏刀, 粗加工各外圆 端面, 刀尖半径为 0.8mm, 刀尖方位 T=3, 置于 T01 刀位 选硬质合金 93 偏刀, 精加工各外圆 端面, 刀尖半径为 0.2mm, 刀尖方位 T=3, 置于 T02 刀位

134 126 数控加工工艺与编程 选硬质合金切刀, 刀宽为 4mm, 以左刀尖为刀位点, 用于加工槽 切断, 置于 T03 刀位 选硬质合金螺纹车刀置于 T04 刀位 5 确定切削用量 : 由式 (5-5) 知双边切深为 2.6mm, 分 5 刀切削, 分别为 0.9mm 0.6mm 0.6mm 0.4mm 0.1mm O0005; N10 N20 N30 N40 N50 N60 N70 N80 N90 N100 N110 N120 N130 N140 N150 N160 N170 N180 N190 N200 N210 N220 N230 N240 N250 N260 N270 N280 G40 G97 G99 M03 S600 F0.25; T0101; M08; G00 X40.0 Z2.0; G71 U1.5 R0.5; G71 P70 Q150 U0.5 W0.05; G00 G42 X0; G01 Z0; X27.8; X29.8 Z-1.0; Z-34.0; X36.0; Z-49.0; X40.0; G40 G01 X41.0; G00 X100.0 Z100.0; M09; T0202; M03 S800 F0.10; M08; G00 X55.0 Z2.0; G70 P70 Q150; G00 X100.0 Z100.0; M09; T0303; M03 S350 F0.05; M08; G00 X38.0 Z-34.0; 定义精加工轮廓取消刀补换精车刀换切刀快速进刀, 准备切槽

135 第 5 章数控车床的程序编制 127 N290 N300 N310 N320 N330 N340 N350 N360 N370 N380 N390 N400 N410 N420 N430 N440 G01 X26.0; X38.0; G00 X100.0 Z100.0; M09; T0404; M03 S500; M08; G00 X31.0 Z5.0; G92 X29.1 Z-32.0 F2; X28.5; X27.9; X27.5; X27.4; X27.4; G00 X200 Z100; M30; 切槽退刀换 60 螺纹刀快速进刀至螺纹循环起点螺纹车削循环第一刀切深 0.9mm, 螺距为 2mm 螺纹车削循环第二刀切深 0.6mm 螺纹车削循环第三刀切深 0.6mm 螺纹车削循环第四刀切深 0.4mm 螺纹车削循环第五刀切深 0.1mm 螺纹车削循环第六刀光一刀 5.3 典型零件的程序编制 例 5-6 如图 5-33 所示零件, 已知材料是 45 钢, 毛坯为 φ55 65 棒料, 编写零件的加工程序 (1) 零件图分析 该零件有外圆, 阶梯孔, 内 外倒角等加工表面, 表面粗糙度要求较高, 应分粗 精加工 因孔的最小尺寸为 φ30, 可用钻孔 粗镗孔 精镗孔的加工方式加工 其中 φ35 φ30 有尺寸精度要求, 取尺寸中值进行编程 由于棒料较长, 可采用一次装夹工件完成多个表面的加工 (2) 数值计算 对具有公差的尺寸计算如下 : 上偏差 + 下偏差编程尺寸 = 基本尺寸 + 2 φ30 外圆尺寸 = φ35 外圆尺寸 = (3) 工艺分析 先手动车端面, 钻中心孔, 用 φ28 钻头手动钻内孔 用镗刀, 粗 精镗阶梯孔, 粗 精车外圆 倒角, 换切刀, 车左外倒角 切断

136 128 数控加工工艺与编程 C2 C1 C 图 5-33 阶梯孔 (4) 选择刀具 1 中心钻,φ28 钻头 ( 手动切削 ) 2 选硬质合金不通孔镗刀加工阶梯孔及内倒角, 刀尖半径为 0.4mm, 刀尖方位 T=2, 置于 T01 刀位 3 选硬质合金 93 偏刀加工外圆及倒角, 刀尖半径为 0.4mm, 刀尖方位 T=3, 置于 T02 刀位 4 选切刀 ( 刀宽为 4mm), 车左倒角 切断, 置于 T03 刀位 (5) 确定切削用量 镗孔加工, 因镗孔刀杆较细, 应选用较小的进给速度, 选用切削用量如表 5-9 所示 表 5-9 阶梯孔加工的切削用量 加工内容背吃刀量 a p /mm 进给速度 F/mm r -1 主轴转速 n/r min -1 粗镗 φ35 内孔 1.5/ 内倒角 精镗 φ35 φ30 内孔 粗车 φ50 外圆 精车 φ50 外圆 外倒角 切断 O0001; N10 N20 N30 N40 N50 G40 G97 G99 M03 S500; T0101; M08; G41 G00 X28.0 Z2.0; G90 X31.0 Z-18.0 F0.15;

137 第 5 章数控车床的程序编制 129 N60 N70 N80 N90 N100 N110 N120 N130 N140 N150 N160 N170 N180 N190 N200 N210 N220 N230 N240 N250 N260 N270 N280 N290 N300 N310 N320 N330 N340 N350 N360 N370 N380 N390 N400 N410 X34.0; G00 X29.0; G01 Z-38.0; G00 X28.0 Z2.0 S800; G00 X37.02; G01 Z0.0; X35.02 Z-1.0 ; Z-18.0 F0.1; X32.013; X W-1.0 ; Z-38.0; G00 X28.0 Z2.0; G40 X200.0 Z10.0; M09 T0202; M08; G42 G00 X46.0 Z2.0; G01 Z-42.0 F0.25; G00 X48.0 Z2.0; X41.0; G01 Z0.0 F1.0; X45.0 Z-2.0 S800; Z-38.0; G40 G00 X200.0 Z10.0; M09; T0303; M08; G00 X47.0 Z-42.0 S450; G01 X41.0 F0.05; X47.0; G00 W2.0; G01 X45.0; X41.0 Z-42.0; X30.0; G00 X200.0 Z100.0; M30;

138 130 数控加工工艺与编程 例 5-7 加工如图 5-34 所示零件, 毛坯直径为 φ65mm 长为 130mm, 未注倒角 2 45, 材料为 45 钢 6.3 其余 φ60 Z X 图 5-34 阶梯轴 (1) 零件图分析 根据零件的工艺特点和毛坯尺寸 φ65 130mm, 确定加工方案 此阶梯轴两端轴径小, 中间轴径大, 需掉头装夹加工, 且两端精度要求高, 需以精基准定位, 进行精加工, 因此, 应进行 3 次装夹 (2) 工艺分析 采用三爪自定心卡盘装夹, 工件伸出卡盘 105mm, 粗加工 φ60mm φ20mm 外圆并切断工件 ; 掉头用铜片垫夹 φ20mm 外圆, 找正, 加工 φ25mm 外圆 ; 调头铜片垫夹 φ25mm 外圆, 找正, 精加工 φ20mm 外圆 加工前先对刀, 设置编程原点在每一次装夹的右端面轴线上 (3) 刀具的选择 T01:93 硬质合金偏刀, 粗加工外圆, 刀尖圆弧半径为 0.8mm, 刀尖方位 T=3 T02: 硬质合金切刀, 切断, 刀宽 3mm T03:93 硬质合金偏刀, 精加工外圆, 刀尖圆弧半径为 0.2mm, 刀尖方位 T=3 (4) 数值计算 φ20 外圆尺寸为 φ25 外圆尺寸为 (5) 程序如下 1 粗车 φ60mm φ20mm 外圆 O0001; N10 G40 G97 G99 S500 M03 F0.25; N20 TO1O1; N30 M08;

139 第 5 章数控车床的程序编制 131 N40 G00 X65 Z2.0; N50 G71 U2 R0.5; N60 G71 P70 Q160 U0.5 W0.05; N70 G00 G42 XO.; N80 G01 ZO.; N90 X16.015; N100 X Z-2.0; N110 Z-60.0; N120 X56.0; N130 X60 Z-62.0; N140 Z-103.5; N150 X65.0; N160 G40 G01 X-66.0; N170 G00 X100.0 Z100.0; N180 M09; N190 T0202; N200 S350 F0.05; N210 M08; N220 G00 X68.0 Z-103.5; N230 G01 X0.; N240 X65; N250 G00 X100.0 Z100.0; N260 M30; 2 车 φ25mm 外圆的加工程序 O0002; N10 G40 G97 G99 S500 M03 F0.25; N20 TO1O1; N30 M08; N40 G00 X60.0 Z2.0; N50 G71 U2 R0.5; N60 G71 P70 Q150 U0.5 W0.05; N70 G00 G42.0 XO.; N80 G01 ZO.; N90 X21.015;

140 132 数控加工工艺与编程 N100 X Z-2.0; N110 Z-20.0; N120 X56.0; N130 X60.0 Z-22.0; N140 X60.0 ; N150 G40 G01 X61.0; N160 G00 X100.0 Z100.0; N170 M09; N180 T0303; N190 S800 F0.08; N200 M08; N210 G00 X60.0 Z2.0; N220 G70 P70 Q150; N230 G00 X100.0 Z100.0; N240 M30; 3 精车 φ60mm φ20mm 外圆 O0003; N10 G40 G97 G99 S800 M03 F0.08; N20 TO3O3; N30 M08; N40 G00 X65.0 Z2.0; N50 G00 G42 X16.015; N60 G01 ZO. ; N70 X Z-2.0; N80 Z-60.0; N90 X56.0; N100 X60.0 Z-62.0; N110 Z-80.0; N120 G40 G01 X-61.0; N130 G00 X100.0 Z100.0; N140 M30; 例 5-8 用数控车床加工如图 5-35 所示零件, 材料为 45 钢调质处理, 毛坯直径为 50mm, 长度为 200mm 试完成零件的加工工艺及程序编制

141 第 5 章数控车床的程序编制 133 毛坯 : 图 5-35 典型零件编程示例 (1) 零件图及工艺分析 根据零件的工艺特点和毛坯尺寸 φ50 200mm, 确定加工方案 采用三爪自定心卡盘装夹, 工件伸出卡盘 160mm, 加工零件外轮廓至尺寸要求 工步划分 : 先粗车外轮廓, 留精车余量 0.5mm, 然后精车各表面至尺寸, 再进行槽加工 : 分别加工 5mm 退刀槽 10mm 宽槽和 C5 倒角, 最后粗 精加工螺纹 加工前先对刀, 设置编程原点在右端面的轴线上 (2) 刀具的选择 T01 93 硬质合金偏刀, 粗加工外圆, 刀尖圆弧半径为 0.8mm 刀尖方位 T=3 T02 93 硬质合金偏刀, 精加工外圆, 刀尖圆弧半径为 0.2mm 刀尖方位 T=3 T03 硬质合金切刀, 切槽, 刀宽 5mm T04 60 硬质合金螺纹刀, 加工螺纹 (3) 数值计算 图纸上有公差值的尺寸, 编程时取极限尺寸的平均值 由此可得 φ24 外圆的编程尺寸为 mm, 根据三角形的勾股定理和相似三角形中对应边成比例, 可计算出 Sφ40 圆弧起点坐标为 (32,-65) 终点坐标为 (34.54,-87) 加工程序如下 O0004; N10 G40 G97 G99 S600 M03 F0.25; N20 T0101; N30 M08; N40 G00 X50.0 Z2.0; N50 G73 U15.0 W0 R15.0; N60 G73 P70 Q190 U0.5 W0; N70 G00 G42 X0; N80 G01 Z0;

142 134 数控加工工艺与编程 N90 G01 X20.0; N100 X Z-20.0; N110 Z-30.0; N120 X25.85; N130 X29.85 Z-32.0; N140 Z-65.0; N150 X32.0; N160 G03 X34.54 Z-87.0 R20.0; N170 G02 X45.0 Z R20.0; N180 G01 Z-145.0; N190 G40 G01 X55.0; N200 G00 X100.0 Z100.0; N210 M05; N220 M09; N230 S800 M03 F0.12; N240 T0202; N250 M08; N260 G00 X50.0 Z2.0; N270 G70 P70 Q190; N280 G00 X100.0 Z100.0; N290 M05; N300 M09; N310 S300 M03 F0.05; N320 T0303; N330 M08; N340 G00 X42.0 Z-65.0; N350 G01 X26.0; N370 G04 X2.0; N380 G01 X42.0; N390 G00 X50.0; N400 Z-133.0; N410 X30.2; N420 X47.0; N430 Z-135.0; N440 X30.2;

143 第 5 章数控车床的程序编制 135 N450 X47.0; N460 Z-138.0; N470 X30.0; N480 Z-133.0; N490 X47.0; N500 X45.0 Z-128.0; N510 X30.0 Z-133.0; N520 X50.0; N530 G00 X100.0 Z100.0; N540 M05; N550 M09; N560 S400 M03 F1.5; N570 T0404; N580 M08; N590 G00 X32.0 Z-27.0; N600 G92 X29.2 Z-62.5; N610 X28.7; N620 X28.2; N630 X28.05; N640 X28.05; N650 G00 X100.0 Z100.0; N660 M30; 习 题 1. 简述数控车削加工的特点及加工对象有哪些? 2. 应从哪些方面对数控车削零件进行加工工艺分析? 3. 在进行数控车削加工工艺设计时, 应考虑哪些方面的问题? 4. 如何选择数控车床夹具? 用外圆表面定位的常用机床夹具有哪几种? 5. 圆弧加工中如何选择 G02 G03? 6. 写出图 5-36 所示工件的精加工程序 已知零件材料为 45 钢 毛坯为 φ 图 5-37 所示, 毛坯为 φ60 80 的棒料, 材料为 45 钢, 若加工 φ40 外圆及两个锥面, 试用循环指令编写加工程序

144 136 数控加工工艺与编程 3.2 其余 其余 φ40 φ φ20 φ60 φ φ20 图 5-36 题 6 用图 图 5-37 题 7 用图 8. 已知材质为 45 钢, 毛坯为 φ40 65 棒料, 加工如图 5-38 所示工件, 试编写零件的加工程序 C1.5 图 5-38 题 8 用图 图 5-39 题 9 用图 9. 已知材质为 45 钢, 毛坯为 φ45 90 棒料, 加工如图 5-39 所示工件, 试编写零件的加工程序 10. 已知毛坯为 φ45 90 棒料, 材质为 45 钢, 试用循环指令编写如图 5-40 所示零件的加工程序 1.6 R 其余 2 45 φ φ ±0.15 其余未注倒角 : 图 5-40 题 10 用图

145 第 5 章数控车床的程序编制 用数控车床加工图 5-41 所示零件, 材料为 45 钢调制处理, 毛坯的直径为 40mm, 长度为 120mm 按要求完成零件的加工工艺及程序编制 (1) 编写程序前请注明使用的系统, 如 FANUC0-TDⅡ FANUC0i-TB; (2) 在图中标出编程坐标系及编程原点 ; (3) 编写该零件加工工艺, 并注明所选用的刀具规格 切削用量等 ; (4) 计算该零件图中关键编程点坐标 ( 要求写出求解和推导的过程 ); (5) 程序中在适当位置要做简要说明 ; (6) 加工程序单要字迹工整 φ36± 图 5-41 题 11 用图 12. 用数控车床加工图 5-42 所示零件, 材料为 45 钢调制处理, 毛坯的直径为 45mm, 长度为 150mm 试编写零件的加工工艺及程序 3.2 全部 φ0.03 A R3 R2 C1 C1 R20 R φ40 φ m 图 5-42 题 12 用图

146 138 数控加工工艺与编程 13. 编制图 5-43 所示工件的数控加工程序 毛坯为 φ70mm 的棒料, 右端面和中心孔 左端双点画线外圆及端面均已加工, 现采用一夹一顶定位, 数控加工其余的表面 图 5-43 题 13 用图

147 第 6 章 数控铣床的程序编制 数控铣床是在普通铣床的基础上发展起来的, 两者的加工工艺基本相同 它是机床设备中应用非常广泛的加工机, 可以进行平面铣削 平面型腔铣削 外形轮廓铣削 三维及三维以上复杂型面的铣削, 还可进行钻 扩 镗 铰 攻螺纹等加工 加工中心 柔性制造单元等都是在数控铣床的基础上产生和发展起来的 6.1 数控铣床程序编制的基础 数控铣床具有丰富的加工功能和较宽的加工工艺范围, 面对的工艺性问题也较多 在开始编制铣削加工程序前, 一定要仔细分析数控铣削加工工艺性, 掌握铣削加工工艺装备的特点, 以保证充分发挥数控铣床的加工功能 数控铣床的主要功能 各种类型数控铣床所配置的数控系统虽然各有不同, 但各种数控系统的功能, 除各自特点之外, 一般具有的主要功能有以下几个方面 : (1) 点位控制功能 此功能可以实现对相互位置精度要求很高的孔系加工 (2) 连续轮廓控制功能 此功能可以实现直线 圆弧的插补功能及非圆曲线的加工 除此之外, 还可以加工一些空间曲面 (3) 刀具补偿功能 一般包括刀具半径补偿功能和长度补偿功能, 为程序的编制提供了方便 (4) 比例及镜像加工功能 比例功能可将编好的加工程序按指定比例改变坐标值来执行 镜像加工又称轴对称加工, 如果一个零件的形状关于坐标轴对称, 那么只要编出一个或两个象限的程序, 其余象限的轮廓就可以通过镜像加工来实现 (5) 旋转功能 该功能可将编好的加工程序在加工平面内旋转任意角度来执行 (6) 子程序调用功能 有些零件需要在不同的位置上重复加工同样的轮廓形状, 将这一轮廓形状的加工程序作为子程序, 在需要的时候进行调用, 就可以完成对该零件的加工 (7) 宏程序功能 该功能可用一个总指令代表实现某一功能的一系列指令, 并能对变

148 140 数控加工工艺与编程 量进行运算, 使程序更具灵活性和方便性 数控铣削加工的主要对象 数控铣床主要用于加工平面和曲面轮廓的零件, 还可以加工复杂型面的零件, 如凸轮 样板 模具 螺旋槽等 同时也可以对零件进行钻 扩 铰 锪和镗孔加工 适于采用数控铣削的零件有平面类零件 直纹曲面类零件和立体曲面类零件 1. 平面类零件 平面类零件是指加工面平行或垂直于水平面, 以及加工面与水平面的夹角为一定值的零件 这类零件的特点是, 各个加工单元面是平面或可以展开成为平面 目前, 在数控铣床上加工的绝大多数零件属于平面类零件 图 6-1 所示的 3 个零件均为平面类零件 其中, 曲线轮廓面 A 垂直于水平面, 可采用圆柱立铣刀加工 凸台侧面 B 与水平面成一定角度, 这类加工面可以采用专用的角度成形铣刀来加工 对于斜面 C, 当工件尺寸不大时, 可用斜板垫平后加工 ; 如机床主轴可以摆角, 则可摆成适当的定角加工 当工件尺寸很大, 斜面坡度又较小时, 也常用行切法加工, 这时会在加工面上留下进刀时的刀锋残留痕迹, 要用钳修方法加以清除 (a) 轮廓面 A (b) 轮廓面 B (c) 轮廓面 C 2. 直纹曲面类零件 图 6-1 平面类零件 直纹曲面类零件是指加工面与水平面的夹角呈连续变化的零件 这类零件多数为飞机零部件, 如飞机上的整体梁 框 椽条与肋等, 此外还有检验夹具与装配型架等 图 6-2 所示为飞机上的一种变斜角梁椽条, 当直纹曲面从截面 1 至截面 2 变化时, 其与水平面间的夹角从 3 10' 均匀变化为 2 32', 从截面 2 到截面 3 变化时, 又均匀变化为 1 20', 最后到截面 4, 斜角均匀变化为 0 直纹曲面类零件的加工面不能展开为平面 当采用四坐标或五坐标数控铣床加工直纹曲面类零件时, 加工面与铣刀圆周接触的瞬间为一条直线 这类零件也可在三坐标数控铣床上采用行切加工法实现近似加工

149 第 6 章数控铣床的程序编制 ' 2 32' ' 0 3. 立体曲面类零件 图 6-2 直纹曲面 立体曲面类零件是指加工面为空间曲面的零件 这类零件的加工面不能展成平面, 一般使用球头铣刀切削, 加工面与铣刀始终为点接触, 若采用其他刀具加工, 易于产生干涉而铣伤邻近表面 加工立体曲面类零件一般使用三坐标数控铣床, 采用以下两种加工方法 (1) 行切加工法 采用三坐标数控铣床进行二轴半坐标控制加工, 即行切加工法 如图 6-3 所示, 球头铣刀沿 YZ 平面的曲线进行直线插补加工, 当一段曲线加工完后, 沿 Y 方向进给 ΔY 再加工相邻的另一曲线, 如此依次用平面曲线来逼近整个曲面 相邻两曲线间的距离 ΔY 应根据表面粗糙度的要求及球头铣刀的半径选取 球头铣刀的球半径应尽可能选得大一些, 以增加刀具刚度, 提高散热性, 降低表面粗糙度值 加工凹圆弧时的铣刀球头半径必须小于被加工曲面的最小曲率半径 (2) 三坐标联动加工 采用三坐标数控铣床三轴联动加工, 即进行空间直线插补 如半球形, 可用行切加工法加工, 也可用三坐标联动的方法加工 采用三坐标联动加工时, 数控铣床用 X Y Z 三坐标联动的空间直线插补, 实现球面加工, 如图 6-4 所示 Z Z X Y X Y 图 6-3 行切加工法 图 6-4 三坐标联动加工 数控铣床的工艺装备 数控铣床的工艺装备较多, 这里主要分析夹具和刀具

150 142 数控加工工艺与编程 1. 夹具 数控铣削加工时一般不要求很复杂的夹具, 只要求有简单的定位 夹紧机构就可以了 数控铣床常用的定位 夹紧机构是平口虎钳 分度头和三爪卡盘等通用夹具 精密机床用平口虎钳的钳口平行度很高, 可用来定位, 它往往长期被固定在数控铣床的工作台上 此外, 数控铣削加工常用的夹具大致有下列几种 : (1) 万能组合夹具 适用于小批量生产或研制时的中 小型工件在数控铣床上进行铣削加工 (2) 专用铣削夹具 特别为某一项或类似的几项工件设计制造的夹具, 一般用于批量生产 (3) 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 (4) 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 在选用夹具时, 通常考虑产品的生产批量 生产效率 质量保证及经济性等, 选用时按照下列原则选用 : (1) 在生产量小或研制时, 应广泛采用万能组合夹具, 只有在组合夹具无法满足工件装夹要求时才可放弃 ; (2) 小批或成批生产时可考虑采用专用夹具, 但应尽量简单 ; (3) 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 2. 刀具 (1) 数控铣削刃具的基本要求 1 铣刀刚性要好 一是为提高生产效率而采用大切削用量的需要 ; 二是为适应数控铣床加工过程中难以调整切削用量的特点 例如, 当工件各处的加工余量相差悬殊时, 通用铣床遇到这种情况很容易采取分层铣削方法加以解决, 而数控铣削就必须按程序规定的走刀路线前进, 遇到余量大时无法像通用铣床那样 随机应变, 除非在编程时能够预先考虑到, 否则铣刀必须返回原点, 用改变切削面高度或加大刀具半径补偿值的方法从头开始加工, 多走几刀 但这样势必造成余量少的地方经常走空刀, 降低了生产效率, 如刀具刚性较好就不必这么办 再者, 在通用铣床上加工时, 若遇到刀具刚性不足, 比较容易从振动 手感等方面及时发现, 并及时调整切削用量, 而数控铣削时则很难办到 在数控铣削中, 因铣刀刚性较差而断刀并造成工件损伤的事例是常有的, 所以解决数控铣刀的刚性问题是至关重要的 2 铣刀的耐用度要高 尤其是当一把铣刀加工的内容很多时, 如刀具不耐用而磨损

151 第 6 章数控铣床的程序编制 143 较快, 就会影响工件的表面质量与加工精度, 而且会增加换刀引起的调刀与对刀次数, 也会使工作表面留下因对刀误差而形成的接刀台阶, 降低了工件的表面质量 除上述两点之外, 铣刀切削刃的几何角度参数的选择及排屑性能等也非常重要, 切屑黏刀形成积屑瘤在数控铣削中是十分忌讳的 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 耐用度高的铣刀, 是充分发挥数控铣床的生产效率和获得满意的加工质量的前提 (2) 数控铣刀的选择数控铣床上所采用的刀具要根据被加工零件的材料 几何形状 表面质量要求 热处理状态 切削性能及加工余量等, 选择刚性好 耐用度高的刀具 应用于数控铣削加工的刀具主要有面铣刀 立铣刀 键槽铣刀 球头铣刀 鼓形铣刀和成形铣刀等 1 铣刀类型选择 被加工零件的几何形状是选择刀具类型的主要依据 铣较大平面时, 为了提高生产效率和减小加工表面粗糙度, 一般采用刀片镶嵌式盘形面铣刀 ; 加工平面零件周边轮廓 凹槽 较小的台阶面应选择立铣刀 ; 加工空间曲面 模具型腔或凸模成形表面等多选用模具铣刀 ; 加工封闭的键槽选用键槽铣刀 ; 加工变斜角零件的变斜角面选用鼓形铣刀 ; 加工立体型面和变斜角轮廓外形常采用球头铣刀 鼓形刀 ; 加工各种直的或圆弧形的凹槽 斜角面 特殊孔等应选用成形铣刀 ; 孔加工时, 可采用钻头 镗刀等孔加工刀具 2 铣刀主要参数的选择 选择铣刀时应根据不同的加工材料和加工精度要求, 选择不同参数的铣刀进行加工 数控铣床上使用最多的是可转位面铣刀和立铣刀, 下面重点介绍面铣刀和立铣刀参数的选择 面铣刀主要参数的选择 : 标准可转位面铣刀直径为 φ16~630mm, 应根据侧吃刀量选择适当的铣刀直径, 尽量包容整个加工宽度, 以提高加工精度和效率 粗铣时, 铣刀直径要小些, 因为粗铣切削力大, 选小直径铣刀可减小切削扭矩 精铣时, 铣刀直径要大些, 尽量包容工件整个加工宽度, 以提高加工精度和效率, 并减小相邻两次进给之间的接刀痕 可转位面铣刀有粗齿 中齿和密齿 3 种 粗齿铣刀容屑空间较大, 常用于粗铣钢件 ; 粗铣带断续表面的铸件和在平稳条件下铣削钢件时, 可选用中齿铣刀 密齿铣刀的每齿进给量较小, 主要用于加工薄壁铸件 立铣刀主要参数的选择 : 立铣刀的刀具半径 R 应小于零件内轮廓的最小曲率半径 ρ, 一般取 R=(0.8~0.9)ρ 零件的加工高度 H (1/4~1/6)R, 以保证刀具有足够的刚度 当加工肋时, 刀具直径为 D=(5~10)b,b 为肋的厚度 数控铣削的工艺性分析 数控铣削加工的工艺性分析是编程前的重要工艺准备工作之一, 关系到机械加工的效果和成败, 不容忽视 进行数控加工时, 数控机床是接受数控系统的指令, 完成各种运动

152 144 数控加工工艺与编程 实现加工的 因此, 在编制加工程序之前, 需要对影响加工过程的各种工艺因素, 如加工顺序 走刀路线 切削用量 加工余量 刀具的尺寸及是否需要切削液等都要预先确定好并编入程序中 根据加工实践, 数控铣削加工工艺分析所要解决的主要问题大致可归纳为以下几个方面 1. 选择并确定数控铣削加工部位及工序内容 数控铣削加工有着自己的特点和适用对象, 若要充分发挥数控铣床的优势和关键作用, 就必须正确选择数控铣床类型 数控加工对象与工序内容 通常将下列加工内容作为数控铣削加工的主要选择对象 : (1) 工件上的曲线轮廓, 特别是由数学表达式给出的非圆曲线与列表曲线等曲线轮廓 ; (2) 已给出数学模型的空间曲面 ; (3) 形状复杂 尺寸繁多 划线与检测困难的部位 ; (4) 用通用铣床加工时难以观察 测量和控制进给的内外凹槽 ; (5) 以尺寸协调的高精度孔或面 ; (6) 能在一次安装中顺带铣出来的简单表面或形状 ; (7) 采用数控铣削后能成倍提高生产率, 大大减轻体力劳动强度的一般加工内容 2. 零件的工艺性分析 零件的工艺性分析主要内容包括数控加工零件图样分析和结构工艺性分析, 下面结合数控铣削加工的特点进一步说明其结构工艺性 (1) 零件图样尺寸的正确标注构成零件轮廓的几何元素 ( 点 线 面 ) 的相互关系 ( 如相切 相交 垂直和平行等 ) 是数控编程的重要依据 因此, 在分析零件图样时, 务必要分析几何元素的给定条件是否充分, 应无引起矛盾的多余尺寸或者影响工序安排的封闭尺寸等 发现问题及时与设计人员协商解决 (2) 保证获得要求的加工精度检查零件的加工要求, 如尺寸加工精度 形位公差及表面粗糙度在现有的加工条件下是否可以得到保证, 是否还有更经济的加工方法或方案 此外, 虽然数控机床精度很高, 但对一些特殊情况, 如过薄的底板与肋板, 因为加工时产生的切削拉力及薄板的弹性退让极易产生切削面的振动, 使薄板厚度尺寸公差难以保证, 其表面粗糙度也将增大, 根据实践经验, 对面积较大的薄板, 当其厚度小于 3mm 时, 就应在工艺上充分重视这一问题 (3) 零件内腔外形的尺寸统一零件的内腔与外形应尽量采用统一的几何类型和尺寸, 这样可以减少刀具规格和换刀次数, 方便编程, 提高生产效益

153 第 6 章数控铣床的程序编制 145 (4) 尽量统一零件轮廓内壁圆弧的尺寸 1 内槽圆角的大小决定着刀具直径的大小, 所以内槽圆角半径不应太小 对于图 6-5 所示零件, 其结构工艺性的好坏与被加工轮廓的高低 转角圆弧半径的大小等因素有关 图 6-5(b) 与图 6-5(a) 相比, 转角圆弧半径 R 大, 可以采用直径较大的立铣刀来加工 ; 加工平面时, 进给次数也相应减少, 表面加工质量也会好一些, 因而工艺性较好 ; 反之, 工艺性较差 通常 R<0.2H(H 为被加工工件轮廓面的最大高度 ) 时, 可以判定零件该部位的工艺性不好 A A A A H H R<0.2H R<0.2H A A A A (a) (b) 图 6-5 内槽结构工艺性 2 零件铣槽底平面时, 槽底圆角半径 r 不要过大 如图 6-6 所示, 铣刀端面刃与铣削平面的最大接触直径 d=d-2r(d 为铣刀直径 ), 当 D 一定时,r 越大, 铣刀端面刃铣削平面的面积越小, 加工平面的能力就越差, 效率越低, 工艺性也越差 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 图 6-6 零件底面圆弧半径对工艺性的影响 (5) 分析零件的变形情况铣削工件在加工时的变形, 将影响加工质量 这时, 可采用常规方法如粗 精加工分

154 146 数控加工工艺与编程 开及对称去余量法等, 也可采用热处理的方法, 如对钢件进行调质处理, 对铸铝件进行退火处理等 加工薄板时, 切削力及薄板的弹性退让极易产生切削面的振动, 使薄板厚度尺寸公差和表面粗糙度难以保证, 这时, 应考虑合适的工件装夹方式 3. 数控铣削零件毛坯的工艺性分析 零件在进行数控铣削加工时, 由于加工过程的自动化, 有关余量的大小 装夹方式等问题在选择毛坯时应仔细考虑 因此, 对零件图进行工艺分析之后, 还应结合数控铣削的特点, 对所用毛坯进行工艺性分析 (1) 毛坯应有充分的加工余量 毛坯主要指锻 铸件, 因模锻时的欠压余量与允许的错模量会造成余量不等, 铸造时也会因砂型误差 收缩量及金属液体的流动性差不能充满型腔等造成余量不等 另外, 锻造 铸造后, 毛坯的翘曲与扭曲变形量的不同也会造成加工余量不充分 不稳定 因此, 除板料外, 不管是铸件 锻件还是型材, 只要准备采用数控铣削加工, 其加工面均应有较充分的余量 经验表明, 数控加工中最难保证的是加工面与非加工面之间的尺寸, 这一点应引起特别重视 在这种情况下, 如果已确定或准备采用数控铣削加工, 应事先对毛坯的设计进行必要的更改或在设计时就加以充分考虑, 即在零件图样注明的非加工面也增加适当的余量 (2) 分析毛坯的装夹适应性 主要考虑毛坯在加工时定位和夹紧的可靠性与方便性, 以便充分发挥数控铣削在一次安装中加工出较多待加工面 对于不便装夹的毛坯, 可考虑在毛坯上另外增加装夹余量或工艺凸台来定位与夹紧, 也可以制出工艺孔或另外准备工艺凸耳来特制工艺孔作为定位基准 (3) 分析毛坯的余量大小及均匀性 主要是考虑在加工时要不要分层切削, 分几层切削 也要分析加工中与加工后的变形程度, 考虑是否应采取预防性措施与补救措施 对于热轧中 厚铝板, 经淬火时效后很容易在加工中与加工后变形, 所以需要考虑分层切削, 最好采用经预拉伸处理的淬火板坯 4. 加工顺序和走刀路线的确定 (1) 加工顺序的安排数控铣削一般采用工序集中原则划分工序, 符合第 3 章所述切削加工顺序的安排原则 通常按照从简单到复杂的原则, 先加工平面 沟槽 孔, 再加工内腔 外形, 最后加工曲面, 先加工精度要求低的表面, 再加工精度要求高的部位等 在安排数控铣削加工顺序时还应注意以下问题 : 上道工序的加工不能影响下道工序的定位与夹紧, 中间穿插有通用机床加工工序的也要综合考虑 ; 一般先进行内腔加工, 后进行外形加工 ; 以相同定位 夹紧方式或同一把刀具加工的工序, 最好连续进行, 以减少重复定位次数与换刀次数 ; 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

155 第 6 章数控铣床的程序编制 147 总之, 加工顺序的安排应根据零件的结构和毛坯状况, 以及安装时定位与夹紧的需要综合考虑 (2) 确定对刀点与换刀点按照前面章节讲述的方法, 确定对刀点和换刀点 对刀点可以设在零件上 夹具上或机床上, 但必须与零件的定位基准有已知的准确关系 当对刀精度要求较高时, 对刀点应尽量选在零件的设计基准或工艺基准上 对刀点往往也是工件的加工原点 数控铣削加工中, 一般取工件的上表面中某一点为 Z 向对刀点,X Y 方向就实际情况而定 对于对称工件, 可以取对称中心作为对刀点 ; 以孔定位的零件, 可以取孔的中心 ; 一般情况下可以取工件上方便操作的一角点为对刀点 换刀点 应根据工序内容来安排, 为了防止换刀时刀具碰伤工件, 换刀点往往设在距离零件较远的地方 (3) 走刀路线的确定走刀路线的确定与零件的加工精度和表面质量密切相关 安排走刀路线时, 除了考虑第 3 章的原则外, 还要注意以下几个方面 : 1 避免引入反向间隙误差 数控机床在反向运动时会出现反向间隙, 如果在走刀路线中将反向间隙带入, 就会影响刀具的定位精度, 增加工件的定位误差 如精镗图 6-7(a) 所示的 4 个孔, 当孔的位置精度要求较高时, 安排镗孔路线的问题就显得比较重要, 安排不当就有可能把坐标轴的反向间隙带入, 直接影响孔的位置精度 这里给出两个方案, 方案 A 如图 6-7(a) 所示, 方案 B 如图 6-7(b) 所示 Y 对刀点 Y O (a) X O (b) X 图 6-7 镗铣加工路线 从图 6-7 中不难看出, 方案 A 中由于 Ⅳ 孔与 Ⅰ Ⅱ Ⅲ 孔的定位方向相反,X 向的反向间隙会使定位误差增加, 而影响 Ⅳ 孔的位置精度 在方案 B 中, 当加工完 Ⅲ 孔后并没有直接在 Ⅳ 孔处定位, 而是多运动了一段距离, 然后折回来在 Ⅳ 孔处定位 这样 Ⅰ Ⅱ Ⅲ 孔与 Ⅳ 孔的定位方向是一致的, 就可以避免引入

156 148 数控加工工艺与编程 反向间隙的误差, 从而提高了 Ⅳ 孔与各孔之间的孔距精度 2 切入切出路径 在铣削轮廓表面时一般采用立铣刀侧面刃口进行切削, 由于主轴系统和刀具的刚性变化, 当沿法向切入工件时, 会在切入处产生刀痕, 所以应尽量避免沿法向切入工件 当铣削外表面轮廓形状时, 应安排刀具沿零件轮廓曲线的切向切入工件, 并且在其延长线上加入一段外延距离, 以保证零件轮廓的光滑过渡 同样, 在切出零件轮廓时也应从工件曲线的切向延长线上切出, 如图 6-8(a) 所示 当铣削内表面轮廓形状时, 也应该尽量遵循从切向切入的方法, 但此时切入无法外延, 最好安排从圆弧过渡到圆弧的走刀路线 切出时也应多安排一段过渡圆弧再退刀, 如图 6-8 (b) 所示 当实在无法沿零件曲线的切向切入 切出时, 铣刀只有沿法线方向切入和切出, 在这种情况下, 切入 切出点应选在零件轮廓两几何要素的交点上, 而且进给过程中要避免停顿 刀具轨迹 1 原点 原点 圆弧切入点 (a) 铣削外圆加工路径 (b) 铣削内圆加工路径 图 6-8 铣削圆的加工路线 为了消除由于系统刚性变化引起进 退刀时的痕迹, 可采用多次走刀的方法, 减小最后精铣时的余量, 以减小切削力 在切入工件前应该已经完成刀具半径补偿, 而不能在切入工件时同时进行刀具补偿, 如图 6-9(a) 所示, 这样会产生过切现象 为此, 应在切入工件前的切向延长线上另找一点, 作为完成刀具半径补偿点, 如图 6-9(b) 所示 过切 (a) (b) 图 6-9 刀具半径补偿点

157 第 6 章数控铣床的程序编制 149 (4) 顺铣和逆铣的选择铣削有顺铣和逆铣两种方式, 如图 6-10 所示 当工件表面无硬皮, 机床进给机构无间隙时, 应选用顺铣 因为采用顺铣加工后, 零件已加工表面质量好, 刀具磨损小 精铣时, 尤其当零件材料为铝镁合金 钛合金或耐热合金时, 应尽量采用顺铣 当工件表面有硬皮, 机床的进给机构有间隙时, 应选用逆铣 因为逆铣时, 刀齿是从已加工表面切入, 不会崩刀 ; 机床进给机构的间隙不会引起振动和爬行 (a) 顺铣 (b) 逆铣 图 6-10 顺铣和逆铣切削方式 6.2 数控铣床程序编制的基本方法 数控铣床编程坐标系的建立 编程坐标系是编程人员根据零件图样及加工工艺性等建立的坐标系, 也称工件坐标系 它只与工件有关, 而与机床坐标系无关 从理论上讲, 编程坐标系可以在零件上任意选择, 但实际上, 为了换算尺寸简便, 减少计算误差, 应选择一个合理的编程坐标系 编程坐标系中各坐标轴的正方向应该与所使用的数控机床的坐标轴正方向一致 数控铣削加工时, 编程原点的选择应注意以下几点 : (1) 铣削零件的编程原点应选择在零件图的设计基准上, 以利于坐标值的计算 ; (2) 编程原点尽量选在精度高的工件表面, 以提高被加工零件的加工精度 ; (3) 对于结构对称的零件, 编程原点应设在对称中心上, 以便用镜像等指令来简化编程 ; (4) 对于一般零件, 编程原点设在工件外轮廓的某一交点处 ; (5)Z 向的编程原点, 习惯选在工件上表面, 这样当刀具切入工件后 Z 向尺寸均为负值, 以便于检查程序 编程原点选定后, 就应把各点的尺寸换算成以编程原点为基准的坐标值 为了在加工过程中有效地控制尺寸公差, 可按尺寸公差的中值来计算坐标值

158 150 数控加工工艺与编程 数控铣床的编程特点 (1) 数控铣床一般仅具有直线插补和圆弧插补功能, 因此非圆曲线的加工是按编程允许误差将曲线分割成许多小段, 再用直线或圆弧逼近得到的, 编程时需计算各节点坐标 (2) 数控铣床具备镜像加工功能, 加工一个轴对称零件只需编出一半加工程序即可 (3) 数控铣床具备刀补功能, 在编程时可以直接按工件尺寸编程而无需计算刀具中心轨迹坐标, 同时, 利用改变刀具半径补偿值的方法, 可以用同一个加工程序进行粗 精加工, 也可以加工同一公称尺寸的内 外两个型面 (4) 当一个工件上有相同的加工部位时, 运用子程序功能可以简化程序的编制 数控铣床的编程指令 数控铣床配备的数控系统种类很多, 本章以 FANUC-0i 系统为例, 介绍它的各种功能指令的用法 1. 有关坐标系和坐标指令 (1)G90 G91 绝对尺寸编程 相对尺寸编程指令格式 :G90 (G91)X_Y_Z_; 说明 :G90: 绝对尺寸编程, 每个坐标轴上的坐标值都是相对于工件原点确定的 G91: 相对尺寸编程, 每个坐标轴上的坐标值都是相对于前一位置而确定的 G90 G91 为模态指令, 可互相注销 同一程序段中只能用一种, 不能混用 例如, 图 6-11 所示使用 G90 G91 编程要求刀具由原点按顺序移动到 点 Y G90 编程 G91 编程 N01 G90 X20 Y15 N01 G91 X20 Y15 O X N02 G90 X40 Y45 N03 G90 X60 Y25 N02 G91 X20 Y30 N03 G91 X20 Y-20 图 6-11 G90/G91 编程 (2)G92 坐标系设定格式 :G92 X_ Y_ Z_; 说明 :X Y Z 为设定起刀点相对工件坐标系原点的位置 G92 并不驱使机床刀具或工作台运动, 数控系统通过 G92 命令确定刀具当前机床坐标位置相对于加工原点 ( 编程起点 ) 的距离关系, 以求建立起工件坐标系 要建立如图 6-12

159 第 6 章数控铣床的程序编制 151 所示工件的坐标系, 使用 G92 设定坐标系的程序为 G92 X20.0 Y10.0 Z10.0 其确立的加工原点在距离刀具刀位点 X=-20,Y=-10,Z=-10 的位置上 G92 指令一般放在一个零件程序的第一段 Z Y 10 O X 6-12 设定加工坐标系 (3)G53 机床坐标系选择格式 :G53 说明 :G53 是机床坐标系编程, 在含有 G53 的程序段中, 绝对编程时的指令值是在机床坐标系中的坐标值 G53 为非模态指令 (4)G54~G59 工件坐标系选择格式 :G54(G55,G56,G57,G58,G59) 说明 :G54~G59 是系统预定的 6 个工件坐标系, 可根据需要任意选用 这 6 个预定工件坐标系的原点在机床坐标系中的值 ( 工件零点偏置值 ) 可用 MDI 方式输入, 系统自动记忆 工件坐标系一旦选定, 后续程序段中绝对值编程时的指令值均为相对此工件坐标系原点的值 采用 G54~G59 选择工件坐标系方式如图 6-13 所示 Z Z G54 原点 G54 坐标系 Y G59 原点工件零点偏置 G59 坐标系 Y X X 机闲原点 图 6-13 选择坐标系指令 G54~G59 例如, 在图 6-14(a) 所示坐标系中, 要求刀具从当前点移动到 A 点, 再从 A 点移动

160 152 数控加工工艺与编程 到 B 点 使用工件坐标系 G54 和 G59 的程序如图 6-14(b) 所示 在使用 G54~G59 时应注意, 用该组指令前, 应先用 MDI 方式输入各坐标系的坐标原点在机床坐标系中的坐标值 G54 Y 40 A 30 X Z Y 30 G59 30 B X 当前点 A B N10 G54 G00 G90 X30 Y40 N20 G59 N30 G00 X30 Y30 机床原点 X Z (a) (b) 图 6-14 G54~G59 的使用 2. 回参考点控制指令 (1)G28 自动返回参考点格式 :G28 X_ Y_ Z_; 说明 : 使控制轴自动返回参考点, 为非模态指令 执行时, 刀具经过 G28 指令的 X Y Z 坐标所指定的中间点, 返回到参考点位置 中间点的作用是在返回过程中, 控制刀具运动的轨迹, 避免 撞刀 (2)G29 自动从参考点返回格式 :G29 X_ Y_ Z_; 说明 : 使刀具从参考点, 经 G28 指定的中间点, 快速移动到 G29 指定的目标点, 为非模态指令 该指令一般与 G28 指令成对使用 3. 刀具补偿功能指令 (1)G40,G41,G42 刀具半径补偿指令格式 :G41(G42) G00(G01) X _ Y_ D_; G40 G00(G01) X_ Y_; 说明 :G41: 为刀具半径左补偿 ;G42: 为刀具半径右补偿 ;G40: 为取消刀具半径补偿 D: 刀具半径补偿值所存放的地址, 或者说是刀具半径补偿值在刀具参数表中的编号 G40 G41 G42 都是模态代码, 可互相注销 补偿方向的判定 : 沿刀具运动方向看, 刀具在被切零件轮廓左侧即为刀具半径左补偿, 用 G41; 否则, 为右补偿, 用 G42 指令, 如图 6-15 所示 例如, 使用刀具半径为 3 的刀具加工如图 6-16 所示零件的加工程序, 要求建立如图

161 第 6 章数控铣床的程序编制 所示的工件坐标系, 按箭头所指示的路径进行加工, 设加工开始时刀具距离工件上表面 50mm, 切削深度为 10mm 图 6-15 G41 和 G42 的方向判定 O 0001; N10 G92 X-10.0 Y-10.0 Z50.0; N20 G90; N30 G42 G00 X4.0 Y10.0 D01; N40 Z2.0 ; N50 M03 S900 ; N60 G01 Z-10.0 F800; N70 X30.0; N80 G03 X40.0 Y20.0 I0 J10.0; N90 G02 X30.0 Y30.0 I0 J10.0; N100 G01 X10.0 Y20.0; N110 Y5.0; N120 G00 Z50.0; N130 M05; N140 G40 X-10.0 Y-10.0; N150 M30; 图 6-16 刀具半径补偿编程 // 建立加工坐标系 // 选择绝对方式 // 建立刀具半径补偿 // 到 Z2 平面 // 主轴启动 // 切入工件 // 切削轮廓 // 切削轮廓 // 切削轮廓 // 切削轮廓 // 切削轮廓 //Z 轴退刀 // 主轴停止 // 取消刀补 // 程序停 设置 :D01=3

162 154 数控加工工艺与编程 注意 : 1 补偿状态的进入 撤销, 必须配用 G00 或 G01 指令, 不能用 G02 或 G03 指令 2 由于半径补偿的建立需要一个过程, 所以补偿时补偿开始点的选择非常重要 3 G41 G42 不能重复使用,G40 必须和 G41 或 G42 成对使用 4 从刀具寿命 加工精度 表面粗糙度而言, 顺铣的效果较好, 因而 G41 使用较多 刀具半径补偿应用于下列情况 : 直接用零件轮廓尺寸编程 ; 刀具磨损 重磨 换刀后, 更改刀具补偿参数 ; 使用同一程序 同一尺寸刀具, 改变刀补值实现粗 精加工 ; 利用刀补值控制轮廓尺寸精度 (2)G43,G44,G49 刀具长度补偿指令格式 :G43(G44) G00(G01) Z_ H_; G49 G00(G01) Z_; 说明 :G43: 为刀具长度正向补偿 ( 补偿轴终点加上偏置值 );G44: 为刀具长度负向补偿 ( 补偿轴终点减去偏置值 );G49: 为取消刀具长度补偿 G43 G44 G49 都是模态代码, 可相互注销 H: 刀具长度补偿值所存放的地址, 或者说是刀具长度补偿值在刀具参数表中的编号 如果用 H00 则取消刀具长度补偿 例如, 图 6-17 中左图所对应的程序段为 G01 G43 Zs H_; 图 6-17 中右图所对应的程序段为 G01 G44 Zs H_; 其中 :S 为 Z 向程序指令点 ; 长度补偿值, 即当前刀具相对于基准刀具的长度差值 G43 Z 实际到达点 G44 S Z H 值程序中指定的点 S H 值 0 0 程序中指定的点 实际到达点 图 6-17 刀具长度补偿 4. 子程序调用 M98,M99 若一组程序段在一个程序中多次出现, 或在几个程序中都要使用它, 为了简化程序, 可以把这组程序段抽出来, 按规定的格式写成一个新的程序单独储存, 以供另外的程序调

163 第 6 章数控铣床的程序编制 155 用, 这种程序就叫子程序 主程序执行过程中如果需要某一子程序, 可以通过一定格式的子程序调用指令来调用该子程序, 执行完后返回到主程序, 再继续执行后面的程序段 (1) 子程序的格式子程序的格式与主程序相同, 在子程序的程序名后面编制子程序, 在子程序的结尾用 M99 指令返回主程序 (2) 子程序的调用格式 M98 P~ 其中,P 表示子程序调用情况 P 后共 8 位数字, 前四位为重复调用次数, 省略时为调用一次 ; 后四位为所调用的子程序号 例如, 如图 6-18 所示, 在一块平板上加工 6 个边长为 10mm 的等边三角形, 每边的槽深为 2mm, 工件上表面为 Z 向零点 ( 编程时不考虑刀具补偿 ) Y X 图 6-18 零件图样 主程序 : O1000; N10 G54 G90 G01 X0 Y0 Z40.0 F800; // 进入工件加工坐标系 N20 M03 S800; // 主轴启动 N30 G00 Z3.0; // 快进到工件表面上方 N40 G01 X 0 Y10.0; // 到 1 # 三角形上顶点 N50 M98 P2020; // 调 20 号切削子程序切削三角形 N60 G90 G01 X30.0 Y10.0; // 到 2 # 三角形上顶点 N70 M98 P2020; // 调 20 号切削子程序切削三角形 N80 G90 G01 X60.0 Y10.0; // 到 3 # 三角形上顶点 N90 M98 P2020; // 调 20 号切削子程序切削三角形 N100 G90 G01 X 0 Y-20.0; // 到 4 # 三角形上顶点 N110 M98 P2020; // 调 20 号切削子程序切削三角形

164 156 数控加工工艺与编程 N120 G90 G01 X30.0 Y -20.0; // 到 5 # 三角形上顶点 N130 M98 P2020; // 调 20 号切削子程序切削三角形 N140 G90 G01 X60.0 Y -20.0; // 到 6 # 三角形上顶点 N150 M98 P2020; // 调 20 号切削子程序切削三角形 N160 G90 G01 Z40.0 F2000; // 抬刀 N170 M05; // 主轴停 N180 M30; // 程序结束 子程序 : O2020; N10 G90 G01 Z -2.0 F100; N20 G91 G01 X -5.0 Y-10.0; N30 G01 X 10.0 Y 0; N40 G01 X- 5.0 Y10.0; N50 G90 G01 Z 5.0 F2000; N60 M99 设置 G54:X=-400,Y=-100,Z=-50 // 在三角形上顶点切入 ( 深 )2mm // 切削三角形 // 切削三角形 // 切削三角形 // 抬刀 // 子程序结束 5. 简化编程指令 (1)G50,G51 比例 镜像功能指令比例及镜像功能可使原编程尺寸按指定比例缩小或放大 ; 也可让图形按指定规律产生镜像变换 G51 为比例编程指令 ;G50 为撤销比例编程指令 G50 G51 均为模态 G 代码 1 各轴按相同比例编程格式 :G51 X~ Y~ Z~ P~ G50 说明 : X Y Z 比例中心坐标 ( 绝对方式 ); P 比例系数, 最小输入量为 0.001, 比例系数的范围为 0.001~ 该指令以后的移动指令, 从比例中心点开始, 实际移动量为原数值的 P 倍 P 值对偏移量无影响 例如, 在图 6-19 中,P1~P4 为原编程图形,P1'~P4' 为比例编程后的图形,P0 为比例中心 2 各轴以不同比例编程 : 各个轴可以按不同比例缩小或放大, 当给定的比例系数为 -1 时, 可获得镜像加工功能

165 第 6 章数控铣床的程序编制 157 格式 :G51 X~ Y~Z~ I~ J~K~ G50 说明 : X Y Z 比例中心坐标 ; I J K 对应 X Y Z 轴的比例系数, 在 ±0.001 ~ ±9.999 范围内 本系统设定 I J K 不能带小数点, 比例为 1 时, 应输入 1000, 并在程序中都应输入, 不能省略 比例系数与图形的关系见图 6-20 其中:b/a:X 轴系数 ;d/c:y 轴系数 ;O: 比例中心 Y Y P 4 P' 4 P' 3 P 3 c 比例后形状 编程形状 P 0 d O P' 1 P' 2 P 1 P 2 X O b a X 图 6-19 各轴按相同比例编程 图 6-20 各轴按不同比例编程 3 镜像功能再举一例来说明镜像功能的应用 使用镜像功能编制如图 6-21 所示轮廓的加工程序, 切削深度为 5mm 30 Y R X 图 6-21 镜像功能 4

166 158 数控加工工艺与编程 主程序如下 : O9000 N10 G92 X0 Y0 Z25.0; N20 G90 G00 Z5.0; N30 M03 S800; N40 M98 P9001; N50 G51 X0 Y0 I-1000 J1000; N60 M98 P9001; N70 G51 X0 Y0 I-1000 J-1000; N80 M98 P9001; N90 G51 X0 Y0 I1000 J-1000; N100 M98 P9001; N110 G50; N120 M05; N130 M30; // 建立加工坐标系 // 选择绝对方式 // 主轴正转 // 调用 9001 子程序, 加工 1 号图形 // 以 X0 Y0 为比例中心, 以 X 比例为 -1 Y 比例为 1 开始镜像 // 加工 2 号图形 // 以 X0 Y0 为比例中心, 以 X 比例为 -1 Y 比例为 -1 开始镜像 // 加工 3 号图形 // 以 X0 Y0 为比例中心, 以 X 比例为 1 Y 比例为 -1 开始镜像 // 加工 4 号图形 // 取消镜像 // 主轴停 // 程序停 子程序如下 : O9001; N10 G00 G41 X10.0 Y4.0 D01; N20 Y10.0; N30 G01 Z-5.0 F200; N40 Y30.0; N50 X20.0; N60 G03 X30.0 Y20.0 R10.0; N70 G01 Y10.0; N80 X5.0; N90 G00 Z5.0; N100 G40 X0 Y0; N110 M99; // 建立刀具半径补偿 // 刀具定位 // 主轴下刀 // 切削工件 // 切削工件 // 切削工件 // 切削工件 // 切削工件 // 主轴抬刀 // 取消刀具半径补偿 // 子程序结束 (2)G68,G69 旋转变换指令格式 :G68 X _Y _ R _

167 第 6 章数控铣床的程序编制 G69 说明 : 该指令可使编程图形按照指定旋转中心及旋转方向旋转一定的角度 G68: 表示开始坐标系旋转,G69: 用于撤销旋转功能 X Y 旋转中心的坐标值 ( 可以是 X Y Z 中的任意两个, 它们由当前平面选择指令 G17 G18 G19 中的一个确定 ) 当 X Y 省略时,G68 指令认为当前的位置即为旋转中心 R: 旋转角度, 逆时针旋转定义为正方向, 顺时针旋转定义为负方向 当程序在绝对方式下时,G68 程序段后的第一个程序段必须使用绝对方式移动指令, 才能确定旋转中心 如果这一程序段为增量方式移动指令, 那么系统将以当前位置为旋转中心, 按 G68 给定的角度旋转坐标 现以图 6-22 所示为例, 应用旋转指令的程序为 : 指令为增量值 ( 包括中 N30 段 ) 的刀具轨迹 Y 编程轨迹 X 起刀点 (-5,5) 旋转后刀具轨迹 图 6-22 坐标系的旋转 O0010; N10 G54 G00 X-5.0 Y-5.0 ; // 选择图 6-22 所示的加工坐标系刀具到起刀点 N20 G68 G90 X7.0 Y3.0 R60; // 以点 (7,3) 为旋转中心, 逆时针旋转 60 N30 G90 G01 X0 Y0 F200; // 按原加工坐标系描述运动, 到达 (0,0) 点 (G91 X5 Y5) // 若按括号内程序段运行, 将以 (-5,-5) 的当前点为旋转中心旋转 60 N40 G91 X10.0; //X 向进给到 (10,0) N50 G02 Y10 R10.0; // 顺圆进给 N60 G03 X-10 R6.0; // 逆圆进给

168 160 数控加工工艺与编程 N70 G01 Y-10.0; N80 G69 G90 X-5.0 Y-5.0; N90 M30; // 回到 (0,0) 点 // 撤销旋转功能, 回到 (-5,-5) 点 // 结束 6. 固定循环功能 FANUC 数控铣削加工系统设有固定循环功能, 它规定对于一些典型孔加工中的固定 连续的动作, 用一个 G 指令表达, 即用固定循环指令来选择孔加工方式 常用的固定循环指令能完成的工作有钻孔 攻螺纹和镗孔等, 这些循环通常包括下列 6 个基本动作 : (1) 在 XY 平面定位 ; (2) 快速移动到 R 平面 ; (3) 孔的切削加工 ; (4) 孔底动作 ; (5) 返回到 R 平面 ; (6) 返回到起始点 图 6-23 中实线表示切削进给, 虚线表示快速运动 R 平面为在孔口时, 快速运动与进给运动的转换位置 操作 1 起始点 操作 2 快速移动 操作 6 R 平面 操作 3 进给速度进给 操作 5 快速移动 操作 4 图 6-23 固定循环的基本动作 常用的固定循环有高速深孔钻循环 螺纹切削循环 精镗循环等

169 第 6 章数控铣床的程序编制 161 编程格式 G90 /G91 G98/G99 G73~G89 X~ Y~ Z~ R~ Q~ P~ F~ K ~ 其中 G90 /G91 绝对坐标编程或增量坐标编程 ; G98 返回起始点 ; G99 返回 R 平面 ; G73~G89 孔加工方式, 如钻孔加工 高速深孔钻加工 镗孔加工等 ; X Y 孔的位置坐标 ; Z 孔底坐标 ; R 安全面 (R 面 ) 的坐标 增量方式时, 为起始点到 R 面的增量距离 ; 在绝对方式时, 为 R 面的绝对坐标 ; Q 每次切削深度 ; P 孔底的暂停时间 ; F 切削进给速度 ; K 规定重复加工次数 固定循环由 G 80 或 01 组 G 代码撤销 (1)G73 高速深孔钻循环指令格式 :G73 X_Y_Z_R_Q_F_K_; 说明 :G73 用于深孔钻削, 在钻孔时采取间断进给, 有利于断屑和排屑, 适合深孔加工 图 6-24 所示为高速深孔钻加工的工作过程 其中 Q 为增量值, 指定每次切削深度 d 为排屑退刀量, 由系统参数设定 例如, 对图 6-25 所示的 5-φ 8 mm 深为 50mm 的孔进行加工 显然, 这属于深孔加工 利用 G73 进行深孔钻加工的程序为 : O4000 N10 G56 G90 G01 Z60.0 F2000 // 选择 3 号加工坐标系, 到 Z 向起始点 N20 M03 S600 // 主轴启动 N30 G98 G73 X0 Y0 Z-50.0 R10.0 Q5.0 F50 // 选择高速深孔钻方式加工 1 号孔 N40 G73 X40.0 Y0 Z-50.0 R10.0 Q5.0 F50 // 选择高速深孔钻方式加工 2 号孔 N50 G73 X0 Y40.0 Z-50.0 R10.0 Q5.0 F50 // 选择高速深孔钻方式加工 3 号孔 N60 G73 X-40.0 Y0 Z-50.0 R10.0 Q5.0 F50 // 选择高速深孔钻方式加工 4 号孔 N70 G73 X0 Y-40.0 Z-50.0 R10.0 Q5.0 F50 // 选择高速深孔钻方式加工 5 号孔 N80 G01 Z60.0 F2000 // 返回 Z 向起始点 N90 M05 // 主轴停 N100 M30 // 程序结束并返回起点 加工坐标系设置 :G56 X=-400,Y=-150,Z=-50 上述程序中, 选择高速深孔钻加工方式进行孔加工, 并以 G98 确定每一孔加工完后, 回到 R 平面 设定孔口表面的 Z 向坐标为 0,R 平面的坐标为 10, 每次切深量 Q 为 5, 系

170 162 数控加工工艺与编程 统设定退刀排屑量 d 为 2 起始平面 G98 R 平面 G99 Q Q Q d d Z 点 图 6-24 G73 高速深孔钻循环 图 6-25 应用举例 (2)G84 G74 螺纹加工循环指令 ( 攻螺纹加工 ) 格式 :G84(G74)X_Y_Z_R_P_F_K_; 说明 :G84: 为右旋螺纹加工循环指令 G84 指令用于切削右旋螺纹孔 向下切削时主轴正转, 孔底动作是变正转为反转, 再退出 F 表示导程, 在 G84 切削螺纹期间速率修正无效, 移动将不会中途停顿, 直到循环结束 G84 右旋螺纹加工循环工作过程见图 6-26 G74: 为左旋螺纹加工循环指令, 用于切削左旋螺纹孔 主轴反转进刀, 正转退刀 与 G84 指令中的主轴转向相反, 其他运动均与 G84 指令相同 起始平面 Z 向孔底平面 主轴正转 R 平面 主轴反转 图 6-26 螺纹加工循环

171 第 6 章数控铣床的程序编制 163 (3)G76 精镗循环指令格式 :G76 X_Y_Z_R_Q_P_F_K_ 说明 :G76 指令用于精镗孔加工 镗削至孔底时, 主轴停止在定向位置上, 即准停, 再使刀尖偏移离开加工表面, 然后再退刀 这样可以高精度 高效率地完成孔加工而不损伤工件已加工表面 程序格式中,Q 表示刀尖的偏移量, 一般为正数, 移动方向由机床参数设定 图 6-27 所示为 G76 精镗循环的工作过程示意图 (4)G81 钻孔循环指令格式 :G81 X_Y_Z_R_F_K_ 说明 :G81 固定循环指令用于通常的钻削加工 在固定循环中, 钻削进给到孔底, 然后刀具快速返回 格式中, 指令代码意义同前 其循环动作如图 6-28 所示 指令动作包括定位 快进 ( 到 R 点平面 ) 进给和快速返回 图 6-27 G76 精镗循环 图 6-28 G81 钻孔固定循环 FANUC 数控系统的孔加工循环指令见表 6-1 表 6-1 FANUC 数控系统的孔加工固定循环功能 G 代码 孔加工动作 在孔底动作 刀具返回方式 用途 G73 间歇进给 快速 高速深孔钻 G74 切削进给 暂停 - 主轴正转 切削进给 攻左旋螺纹 G76 切削进给 主轴准停 - 刀具位移 快速 精镗孔 G80 取消固定循环

172 164 数控加工工艺与编程 ( 续表 ) G 代码 孔加工动作 在孔底动作 刀具返回方式 用途 G81 切削进给 快速 钻孔 G82 切削进给 暂停 快速 钻孔 锪孔 G83 间歇进给 快速 深孔钻 G84 切削进给 暂停 - 主轴反转 切削进给 攻右旋螺纹 G85 切削进给 切削进给 精镗孔 铰刀孔 G86 切削进给 暂停 快速 镗孔 G87 切削进给 暂停 快速 反镗孔 G88 切削进给 暂停 - 主轴停 手动 镗孔 G89 切削进给 暂停 切削进给 精镗阶梯孔 以上主要介绍了 FANUC 数控系统循环指令代码, 不同的数控系统其指令代码的意义和格式会有所不同, 应以具体使用数控机床的编程手册为依据 7. 宏指令编程 宏程序是含有变量的程序 它允许使用变量 运算及条件功能, 使程序顺序结构更加合理 宏程序编制多用于零件形状有一定规律的情况下 用户使用宏指令编制的含有变量的子程序叫做用户宏程序 用户总指令就能执行宏功能是提高数控机床性能的一种特殊功能 使用中, 通常把能完成某一功能的一系列指令向子程序一样存入存储器, 然后用一个总指令代表它们, 使用时只需给出这个总指令就能执行其功能 用户宏功能主体是一系列指令, 相当于子程序体, 既可以由机床生产厂提供, 也可以由机床用户自己编制 用户宏功能的最大特点是 : 可以对变量进行运算, 使程序应用更加灵活 方便 用户宏功能有 A B 两类,A 类宏功能使用 G65Hm 格式的宏指令来表示各种数学运算和逻辑关系, 极不直观, 且可读性差, 因而导致在实际工作中很少有人使用它, 多数用户可能根本不知道它的存在 这里只介绍 B 类宏功能的使用方法 (1) 变量在常规的主程序和子程序内, 总是将一个具体的数值赋给一个地址 为了使程序更具有通用性, 更加灵活, 在宏程序中设置了变量, 即将变量赋给一个地址 1 变量的表示 变量可以用 # 号和跟随其后的变量序号来表示 :# i (i =1,2,3, ) 如 #5 #109 #501 2 变量的类型 变量根据变量号可以分成 4 种类型, 见表 6-2

173 第 6 章数控铣床的程序编制 165 表 6-2 变量类型 变量名 类型 功 能 # 0 空变量 该变量总是空, 没有值能赋给该变量 只能用在宏程序中存储数据, 如运算结果 当断电时 # 1~# 33 局部变量 局部变量被初始化为空 调用宏程序时, 自变量对局部变量赋值 用户变量 在不同的宏程序中的意义相同 当断电时, 变量 #100~#199 #100~#199 初始化为空 变量 #500~#999 的数据保存, 公共变量 #500~#999 即使断电也不丢失 # 1000~ 系统变量 用于读和写 CNC 运行时各种数据的变化, 如刀具的当前位置和补偿值 3 变量的分配类型 这类变量中的文字变量与数字序号变量之间有如表 6-3 所示确定的关系 表 6-3 文字变量与数字序号变量之间的关系 A #1 E #8 J #5 R #18 V #22 Z #26 B #2 F #9 K #6 S #19 W #23 C #3 H #11 M #13 T #20 X #24 D #7 I #4 Q #17 U #21 Y #25 表 6-3 中, 文字变量为除 G L N O P 以外的英文字母, 一般可不按字母顺序排列, 但 I J K 例外 ;#1~#26 为数字序号变量 例如,G65 P1000 A1.0 B2.0 I3.0 则上述程序段为宏程序的简单调用格式, 其含义为 : 调用宏程序号为 1000 的宏程序运行一次, 并为宏程序中的变量赋值, 其中 :#1 为 1.0,#2 为 2.0,#4 为 3.0 (2) 算术和逻辑运算指令 1 算数运算符 +,-,*,/ 2 条件运算符 EQ(=),NE( ),GT(>),LT(<<),GE( ),LE( ) 3 函数运算 SIN [ ]( 正弦 ),COS [ ]( 余弦 ),TANN [ ]( 正切 ),ATANN [ ]( 反正切 ),SQRT [ ]

174 166 数控加工工艺与编程 ( 开方 ),ABS [ ]( 绝对值 ) 4 逻辑运算符 AND( 与 ),OR( 或 ),XOR( 异或 ) 5 运算的组合 以上算术运算和函数运算可以结合在一起使用, 运算的先后顺序是函数运算 乘除运算 加减运算 6 括号的应用 表达式中括号的运算将优先进行 连同函数中使用的括号在内, 括号在表达式中最多可用 5 层 赋值语句格式 : 宏变量 = 常数或表达式例如,#1=175/SQRT[2]*cos[55] (3) 控制指令 1 条件转移 格式 :IF [ 条件表达式 ] GOTO n 说明 : 如果条件表达式的条件得以满足, 则转而执行程序中程序号为 n 的相应操作, 程序段号 n 可以由变量或表达式替代 ; 如果表达式中条件未满足, 则顺序执行下一段程序 ; 如果程序作无条件转移, 则条件部分可以被省略 2 重复执行 格式 :WHILE [ 条件表达式 ] DO m (m=1,2,3) END m 说明 : 条件表达式满足时, 程序段 DO m 至 END m 即重复执行 ; 条件表达式不满足时, 程序转到 END m 后处执行 ; 如果 WHILE [ 条件表达式 ] 部分被省略, 则程序段 DO m 至 END m 之间的部分将一直重复执行 注意 : WHILE DO m 和 END m 必须成对使用 ; DO 语句允许有 3 层嵌套, 即 : DO 1 DO 2 DO 3

175 第 6 章数控铣床的程序编制 167 END 3 END 2 END 1 DO 语句范围不允许交叉, 即以下语句是错误的 : DO 1 DO 2 END 1 END 2 以上仅介绍了 B 类宏程序应用的基本问题, 有关应用详细说明, 请查阅 FANUC-0i 系统说明书 (4) 用户宏程序应用举例例如, 编制图 6-29 所示椭圆轮廓程序, 椭圆的表达式为 X = a cosα, Y = b sinα 刀具中心按椭圆轨迹编程 Y 0 α 20 X 图 6-29 椭圆轮廓 宏子程序 : O9010; N10 #1=20; // 定义 a 值 N20 #2=10; // 定义 b 值 N30 #3=0; // 定义步距角 α 初始值, 单位 :( ) N40 #4=5; // 定义递增角度 5 N50 G00 X#1 Y0; N60 G01 Z-5.0; N70 WHILE [#3 GE -360] DO1; N80 G01 X[#1*COS#3] Y[#2*SIN#3]; N90 #3=#3-#4 N100 END1

176 168 数控加工工艺与编程 N110 G01 Z10.0 N120 M99 例 6-1 用宏程序和子程序功能顺序加工圆周等分孔 设圆心在 O 点, 它在机床坐标系中的坐标为 (X0,Y0), 在半径为 r 的圆周上均匀地钻几个等分孔, 起始角度为 α, 孔数为 n 以零件上表面为 Z 向零点 如图 6-30 所示 H =3 H =2 H =4 β β β H =1 αα [X,Y] 半径 r H = n 图 6-30 沿圆周均匀分布的孔 宏程序中将用到下列变量 : #1(A) 第 1 个孔的起始角度 α; #2(B) 各孔间角度间隔 β; #4(I) 圆周半径 ; #9(F) 切削进给速度 ; #11(H) 孔数 ; #18(R) 固定循环中快速趋近 R 点 Z 坐标 ( 非绝对值 ); #24(X) 圆心的 X 坐标值 ; #25(Y) 圆心的 Y 坐标值 ; #26(Z) 孔深 (Z 坐标值, 非绝对值 ) 主程序如下 : O0001 S1000 M03 G54 G90 G00 X0 Y0 Z30 // 程序开始, 定位于 G54 原点上方 G65 P9001 X50 Y20 Z-10 R1 F200 A22.5 B45 I20 H8 // 调用宏程序 O9001 M30

177 第 6 章数控铣床的程序编制 169 宏程序如下 : O9001 #3=1 // 孔序号计数置 1 WHILE[#3LE#11] DO 1 // 如果 #3 #11, 循环 1 继续 #5= #1+[#3-1]*#2 // 计算第 #3 个孔对应的角度 #6= #24+#4*COS[#5] // 计算第 #3 个孔中心的 X 坐标 #7= #25+#4*SIN[#5] // 计算第 #3 个孔中心的 Y 坐标 G90 G81 G98 X#6 Y#7 Z#26 R#18 F#9 // 钻削第 #3 孔 (G81 方式 ) #3=#3+1 // 序号 #3 递增 1 END1 // 循环 1 结束 G80 // 取消固定循环 M99 // 宏程序结束 6.3 典型零件的程序编制 例 6-2 试编写图 6-31 所示零件的精加工程序, 材料为硬铝 Z X Y X 图 6-31 板类零件 1. 零件图及工艺分析 (1) 分析零件图 该零件外轮廓不需要加工 有两个加工面, 分别是六边形轮廓和中

178 170 数控加工工艺与编程 间长圆形槽 尺寸标注完整, 设计基准在对称中心 (2) 刀具的选择 采用 φ20 高速钢立铣刀, 切削用量的选择综合工件的材料和硬度 加工的精度要求 刀具的材料和耐用度 使用切削液等因素, 主轴转速设为 800r/min, 进给速度设为 120mm/min (3) 工件的装夹 工件的毛坯外形为长方体, 为使其定位和装夹准确可靠, 选择机用虎钳来进行装夹 (4) 工件坐标系的确定 本例的工件坐标系原点选择如图 6-31 所示, 按基准重合原则, 选择在工件上表面的中心 (5) 走刀路线的选择 外轮廓加工顺序为 A B C D E F A, 内轮廓加工顺序为 G H I J G (6) 数学处理 坐标计算 ( 过程略 ) 结果为 :A( ,85),B(49.075,85), C(98.15,0),D(49.075,-85),E( ,-85),F(-98.15,0),G(40,-32.5), H(40,32.5),I(-40,32.5),J(-40,-32.5) 假设刀具的初始位置在 (0,0,100) 处 2. 程序编制 参数设置 :D01=10 参考程序如下 : O0001 N10 G90 G54 G00 X-70.0 Y85.0; // 刀具快速平移至下刀位置的上方 (A 点左侧 ) N20 Z1.0 S800 M03 M08; // 下刀至 Z1, 主轴正转, 切削液开 N30 G01 Z-4.0 F50; // 慢速下刀至切深 N40 G41 D01 X-60 F120; // 进行刀具半径补偿 N50 X49.075; // 切至 B 点 N60 X98.15 Y0; // 切至 C 点 N70 X Y-85.0; // 切至 D 点 N80 X ; // 切至 E 点 N90 X Y0; // 切至 F 点 N100 X-37.5 Y105; // 沿边的延长线结束外轮廓切削 (A 点上方 ) N110 M09; // 切削液关 N120 G00 Z10.0; // 抬刀 N130 G40 G00 X0 Y0; // 取消刀具半径补偿至原点 N140 Z1.0 M08; // 快速下刀至 Z1, 切削液开 N150 G01 Z-5.0 F50; // 工进至槽底 N160 G41 D01 X40.0 F120; // 进入内轮廓刀补位置

179 第 6 章数控铣床的程序编制 171 N170 Y-32.5; N180 G03 X40.0 Y32.5 R32.5; N190 G01 X-40.0; N200 G03 X-40.0 Y-32.5 R32.5; N210 G01 X40.0; N220 G03 Y0 R16.25; N230 G00 Z10.0; N240 G40 G00 X0 Y0; N250 M09 Z200.0; N260 M05; N270 M30 // 至 G 点 // 圆弧插补至 H 点 // 直线插补至 I 点 // 圆弧插补至 J 点 // 直线插补至 G 点 // 沿弧线收刀 // 抬刀 // 取消刀补至原点 // 切削液体关, 抬刀至安全高度 // 主轴停 // 程序停 习 题 1. 数控铣床的主要功能是什么? 2. 数控铣削适用于哪些场合? 3. 宏程序的功能是什么? 宏程序变量有哪些? 4. 被加工零件轮廓的内壁圆弧尺寸为何要尽量统一? 5. 什么是顺铣? 什么是逆铣? 它们各有什么特点? 6. 什么是刀具半径补偿? 如何建立刀具半径补偿? 7. 什么情况下使用子程序? 调用子程序的指令是什么? 8. 编程练习 编写图 6-32 图 6-33 图 6-34 所示零件的加工程序 图 6-32 编程练习 ( 一 )

180 172 数控加工工艺与编程 20 4 φ φ80 R5 R 图 6-33 编程练习 ( 二 ) 图 6-34 编程练习 ( 三 ) 4-R5 4-R5 4-R5

181 第 7 章 加工中心的程序编制 加工中心 (Machining Center,MC) 是由机械设备与数控系统组成的适用于加工复杂零件的高效率自动化机床 加工中心是目前世界上产量最高 应用最广泛的数控机床之一 加工中心是从数控铣床发展而来的, 它与数控铣床的最大区别在于加工中心具有自动换刀功能 它的综合加工能力较强, 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, 其效率是普通设备的 5~10 倍, 特别是它能完成许多普通设备不能完成的加工, 对形状较复杂 精度要求高的单件加工或中小批量多品种生产更为适用 7.1 加工中心程序编制的基础 加工中心是高效 高精度数控机床, 工件在一次装夹中便可完成多道工序的加工, 同时还备有刀具库, 并且有自动换刀功能 加工中心所具有的这些丰富的功能, 决定了加工中心程序编制的复杂性 加工中心的主要功能 加工中心能实现 3 轴或 3 轴以上的联动控制, 以保证刀具进行复杂表面的加工 加工中心除具有直线插补和圆弧插补功能外, 还具有各种加工固定循环 刀具半径自动补偿 刀具长度自动补偿 加工过程图形显示 人机对话 故障自动诊断 离线编程等功能 加工中心与数控铣床的最大区别在于加工中心具有自动交换加工刀具的能力, 通过在刀库上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, 实现多种加工功能 加工中心从外观上可分为立式 卧式和复合加工中心等 立式加工中心的主轴垂直于工作台, 主要适用于加工板材类 壳体类工件, 也可用于模具加工 卧式加工中心的主轴轴线与工作台台面平行, 它的工作台大多为由伺服电动机控制的数控回转台, 在工件一次装夹中, 通过工作台旋转可实现多个加工面的加工, 适用于箱体类工件加工 复合加工中心主要是指在一台加工中心上有立 卧两个主轴或主轴可 90 改变角度, 因而可在工件一

182 174 数控加工工艺与编程 次装夹中实现 5 个面的加工 加工中心上如果带有自动交换工作台, 一个工件在工作位置上进行加工的同时, 另一工件在装卸位置的工作台上进行装卸, 可大大缩短辅助时间, 提高加工效率 加工中心加工的主要对象 加工中心作为一种高效 多功能自动化机床, 在现代化生产中扮演着重要角色 在加工中心上, 零件的制造工艺与传统工艺以及普通数控机床加工工艺有很大不同, 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艺范围不断扩展 现代加工中心功能的加强和工具系统的发展使其工艺范围不断扩大 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, 工序高度集中 针对加工中心的工艺特点, 加工中心适宜加工形状复杂 加工内容多 精度要求较高 需用多种类型的普通机床和众多的工艺装备, 且经多次装夹和调整才能完成加工的零件, 主要的加工对象有下列几种 1. 既有平面又有孔系的零件 加工中心具有自动换刀装置, 在一次安装中, 可以完成零件上平面铣削 孔系的钻削 镗削 铰削及攻螺纹等多工步加工 加工的部位可在一个平面上, 也可以在不同的平面上 复合加工中心一次安装可以完成除装夹面以外的 5 个面的加工 因此, 既有平面又有孔系的零件是加工中心的首选对象 这类零件常见的有箱体类零件和盘 套 板类零件 (1) 箱体类零件 箱体类零件是指具有一个以上孔系, 内部有一定型腔, 在长 宽 高方向有一定比例的零件 箱体类零件很多, 如机床主轴箱 泵壳 变速器箱体等, 如图 7-1 所示 箱体类零件一般都要进行多工位孔系及平面加工, 精度要求较高, 特别是形状精度和位置精度要求较严格, 通常经过铣 钻 扩 镗 铰 锪 攻螺纹等工步, 需要刀具较多, 工装套数多, 需多次装夹找正, 手工测量次数多, 因此, 导致工艺复杂, 加工周期长, 成本高, 在普通机床上加工难度大, 精度不易保证 这类零件在加工中心上加工, 一次安装可完成普通机床的 60%~95% 的工序内容, 图 7-1 箱体类零件示例零件各项精度一致性好, 质量稳定, 生产周期短, 成本低 对于加工工位较多, 工作台需多次旋转角度才能完成的零件, 一般选用卧式加工中心 ; 当加工工位较少, 且跨距不大时, 可选用立式加工中心, 从一端进行加工 在加工中心上加工箱体类零件时, 应注意以下几点 : 1 应先铣面, 后加工孔 ; 在孔系加工中, 先加工大孔, 后加工小孔 ; 待所有孔系全部完成粗加工后, 再进行精加工

183 第 7 章加工中心的程序编制 通常情况下, 直径 φ30 的孔都应预制出毛坯孔 在普通机床上完成毛坯孔粗加工, 预留余量 4~6mm, 再由加工中心进行半精加工和精加工 3 对于箱体上跨距较大的同轴孔, 尽量采取调头加工, 以缩短刀具 辅具的长径比, 增加刀具的刚性, 确保加工质量 4 一般情况下, 在 M6~20 范围内的螺纹孔可在加工中心上直接完成 直径在 M6 以下的螺纹, 在加工中心上完成底孔加工, 通过其他手段攻螺纹 因为在加工中心上攻螺纹不能随机控制加工状态, 小直径丝锥易折断 直径在 M20 以上的螺纹, 可采用镗刀片镗削加工 (2) 盘 套 板类零件 这类零件是指带有键槽或径向孔, 后端面分布的孔隙 曲面的盘套或轴类零件, 如带法兰的轴套 带有键槽或方头的轴类零件等 还有具有较多孔加工的板类零件, 如图 7-2 所示的端盖 A A A A A 图 7-2 盘 套 板类零件示例 端面有分布孔系 曲面的盘 套 板类零件宜选择立式加工中心加工 ; 有径向孔的可选用卧式加工中心或车削中心加工 2. 结构形状复杂 普通机床难加工的零件 主要表面由复杂曲线 曲面组成的零件, 加工时需要多坐标联动加工, 这在普通机床上是无法完成的, 加工中心是加工这类零件的最有效的设备, 常见的典型零件有以下几类 (1) 凸轮类 这类零件有各种曲线的盘形凸轮 圆柱凸轮 圆锥凸轮和端面凸轮等, 加工时, 可根据凸轮表面复杂程度, 选用三轴 四轴或五轴联动的加工中心 (2) 整体叶轮类 整体叶轮常见于航空发动机的压气机 空气压缩机 船舶水下推进器等, 它除具有一般曲面难加工的特点外, 还存在许多特殊的加工难点, 如通道狭窄, 刀具很容易与加工表面和邻近曲面产生干涉 图 7-3 所示为压气机转子, 它的叶面是一个典

184 176 数控加工工艺与编程 图 7-3 压气机转子 型的三维空间曲面, 加工这样的型面, 可采用四轴以上联动的加工中心 (3) 模具类 常见的模具有锻压模具 铸造模具 铸塑模具及橡胶模具等 采用加工中心加工模具, 由于工序高度集中, 动模 静模等关键件的精加工基本上是在一次安装中完成全部机加工内容, 尺寸积累误差及修配工作量小 同时, 模具的可复制性强, 互换性好 3. 外形不规则的异形零件 异形零件是外形不规则的零件, 大多要点 线 面多工位混合加工, 如支架 机座 样板 靠模等 图 7-4 所示为支架 异形零件的刚性一般较差, 夹压及切削变形难以控制, 加工精度也难以保证 这类零件由于外形不规则, 在普通机床上只能采取工序分散的原则加工, 需要工装较多, 周期较长 利用加工中心多工位点 线 面混合加工的特点, 可以完成大部分甚至全部工序内容 实践证明, 利用加工中心加工异形零件时, 形状越复杂 精度要求越高, 越能显示其优越性 4. 特殊加工 图 7-4 支架 在熟练掌握了加工中心的功能后, 配合一定的工装和专用工具, 利用加工中心可完成一些特殊的工艺内容, 如在金属表面刻字 刻线 刻图案 在加工中心的主轴上装上高频电火花电源, 可对金属表面进行线扫描, 表面淬火 ; 在加工中心装上高速磨头, 可进行各种曲线 曲面的磨削等 上述是根据零件特征选择的适合加工中心加工的几类零件 此外, 还有以下一些适合加工中心加工的零件 : 周期性投产的零件 加工精度要求较高的中小批量零件 新产品试制中的零件

185 第 7 章加工中心的程序编制 加工中心的工艺分析 零件的工艺分析的任务是分析零件图的完整性 正确性和技术要求, 分析零件的结构工艺性和定位基准等 1. 工艺性分析 (1) 分析零件图样 零件图样应表达正确, 标注齐全 同时要特别注意, 图样上应尽量采用统一的设计基准, 从而简化编程, 保证零件的精度要求 例如, 图 7-5 所示零件 在图 7-5(a) 中,A B 两面均已在前面工序中加工完毕, 在加工中心上只进行所有孔的加工 以 A B 两面定位时, 由于高度方向没有统一的设计基准,φ48H7 孔和上方两个 φ25h7 孔与 B 面的尺寸是间接保证的, 欲保证 32.5±0.1 和 52.5±0.04 尺寸, 须在上道工序中对 105±0.1 尺寸公差进行压缩 若改为图 7-5(b) 所示标注尺寸, 各孔位置尺寸都以 A 面为基准, 基准统一, 且工艺基准与设计基准重合, 各尺寸都容易保证 (a) (b) 图 7-5 零件加工的基准统一 (2) 选择加工内容 加工中心最适合加工形状复杂 工序较多 要求较高的零件, 这类零件常需使用多种类型的通用机床 刀具和夹具, 经多次装夹和调整才能完成加工 (3) 分析零件的技术要求 根据零件在产品中的功能, 分析各项几何精度和技术要求是否合理 ; 考虑在加工中心上加工, 能否保证其精度和技术要求 ; 选择哪一种加工中心最为合理

186 178 数控加工工艺与编程 (4) 加工中心零件结构的工艺性分析 从机械加工的角度考虑, 在加工中心上加工的零件, 其结构工艺性除了具有第 3 章所列结构工艺性要求之外, 还要考虑以下几个方面 1 零件的切削加工量要小, 以便减少加工中心的切削加工时间, 降低零件的加工成本 2 零件上的光孔和螺纹的尺寸规格尽可能少, 减少加工时钻头 铰刀及丝锥等刀具数量, 以防刀库容量不够 3 零件尺寸规格尽量标准化, 以便采用标准刀具 4 零件加工表面应具有加工的方便性和可能性 5 零件结构应具有足够的刚性, 以减少夹紧变形和切削变形 2. 加工中心定位基准的选择 (1) 尽量选择零件上的设计基准作为定位基准 (2) 一次装夹能够完成全部关键精度部位的加工 为了避免精加工后的零件再经过多次非重要的尺寸加工, 多次周转, 造成零件变形 磕碰 划伤, 在考虑一次完成尽可能多的加工内容 ( 如螺孔 自由孔 倒角 非重要表面等 ) 的同时, 一般将加工中心上完成的工序安排在最后 (3) 当在加工中心上既加工基准又完成各工位的加工时, 其定位基准的选择需考虑完成尽可能多的加工内容 为此, 要考虑便于各个表面都能被加工的定位方式, 如对于箱体, 最好采用一面两销的定位方式, 以便刀具对其他表面进行加工 (4) 当零件的定位基准与设计基准难以重合时, 应认真分析装配图纸, 确定该零件设计基准的设计功能, 通过尺寸链的计算, 严格规定定位基准与设计基准间的公差范围, 确保加工精度 对于带有自动测量功能的加工中心, 可在工艺中安排坐标系测量检查工步, 即每个零件加工前由程序自动控制用测头测量设计基准, 系统自动计算并修正坐标系, 从而确保各加工部位与设计基准的几何关系 3. 加工中心装夹方案的确定和夹具的选择 在零件的工艺分析中, 已确定了零件在加工中心上加工部位和加工时用的定位基准, 因此, 在确定装夹方案时, 只需根据已选定的加工表面和定位基准确定工件的定位夹紧方式, 并选择合适的夹具 因此主要考虑以下几点 (1) 夹紧机构或其他元件不得影响进给, 加工部位要敞开 要求夹持工件后夹具上的一些组成件 ( 如定位块 压块和螺栓等 ) 不能与刀具运动轨迹发生干涉 如图 7-6 所示, 用立铣刀铣削零件的六边形, 若用压板机构压住工件 A 面, 则压板易与铣刀发生干涉, 若夹压 B 面, 就不影响刀具进给 对有些箱体零件加工可以利用内部空间来安排夹紧机构, 将其加工表面敞开, 如图 7-7 所示 当卧式加工中心上对工件的四周进行加工时, 若很难安排夹具的定位和夹紧装置, 则可以通过减少加工表面来留出定位夹紧元件的空间

187 第 7 章加工中心的程序编制 179 A B 图 7-6 不影响进给的装夹示例 图 7-7 敞开加工表面的装夹示例 1 定位装置 ;2 工件 ;3 夹紧装置 1 定位装置 ;2 工件 ;3 夹紧装置 (2) 必须保证最小的夹紧变形 工件在粗加工时, 切削力大, 需要夹紧力大, 但又不能把工件夹压变形, 否则松开夹具后零件发生变形 因此必须慎重选择夹具的支撑点 定位点和夹紧点 (3) 装卸方便, 辅助时间尽量短 由于加工中心效率高, 装夹工件的辅助时间对加工效率影响较大, 所以要求配套夹具在使用中也要装卸快而方便 (4) 多件加工 对小型零件或工序不长的零件, 可以考虑在工作台上同时装夹几个工件进行加工, 以提高加工效率 (5) 夹具结构应力求简单 由于零件在加工中心上加工大都采用工序集中原则, 加工的部位较多, 同时批量较小, 零件更换周期短, 夹具的标准化 通用化和自动化对加工效率的提高以及加工费用的降低有很大的影响 因此, 对批量小的零件应优先选用组合夹具 只有对批量较大, 且周期性投产, 加工精度要求较高的关键工序才设计专用夹具, 以保证加工精度和提高装夹效率 (6) 夹具应便于与机床工作台面及工件定位面间的定位连接 加工中心工作台面上一般都有基准 T 形槽, 转台中心有定位圆, 台面侧面有基准挡板等定位元件 固定方式一般用 T 形槽螺钉或工作台面上的紧固螺孔, 用螺栓或压板压紧 夹具上用于紧固的孔和槽的位置必须与工作台上的 T 形槽和孔的位置对应 4. 加工中心对刀具的基本要求 (1) 高刚度 高强度 为提高生产效率, 往往采用高速 大切削量的加工, 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需的高刚度 高强度 (2) 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,

188 180 数控加工工艺与编程 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, 也会使工作表面留下因对刀误差而形成的接刀痕, 重则因刀具破损而发生严重的机床乃至人身事故 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 (3) 刀具精度 随着对零件的精度要求的提高, 对加工中心刀具的形状精度和尺寸精度的要求也不断提高, 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 耐用度高的加工中心刀具, 是充分发挥加工中心的生产率和获得满意加工质量的前提 7.2 加工中心程序编制的基本方法 机床坐标系与加工坐标系 加工中心坐标系统包括机床坐标系和工件坐标系, 不同的加工中心其坐标系统略有不同 如前所述加工中心的机床坐标系各坐标轴的关系符合右手笛卡儿坐标系准则 1. 机床坐标系 机床坐标系是用来确定工件坐标系的基本坐标系 ; 是机床本身所固有的坐标系 ; 是机床生产厂家设计时自定的, 不能随意改变 该坐标系的位置必须在开机后, 通过手动回参考点的操作建立 机床在手动返回参考点时, 返回参考点的操作是按各轴分别进行的, 各轴沿正向返回极限位置 当某一坐标轴返回参考点后, 该轴的参考点指示灯亮, 同时该轴的坐标值也被清零 2. 工件坐标系 工件坐标系是编程人员在编写程序时, 在工件上建立的坐标系 工件坐标系的原点位置为工件原点 理论上工件原点的设置是任意的, 但实际上, 它是编程人员根据零件特点, 为编程方便而设定的 选择坐标系时应注意以下几点 : (1) 编程原点应选择在零件图的尺寸基准上, 这样便于坐标值的计算, 减少错误 (2) 编程原点尽量选在精度高的工件表面, 以提高被加工零件的加工精度 (3) 对于有对称部分的工件, 编程原点应设在对称中心上, 以便用镜像等指令来简化编程 (4) 对于一般零件, 编程原点设在工件外轮廓的某一角上 (5)Z 向的编程原点, 习惯选在工件上表面, 这样当刀具切入工件后 Z 向尺寸均为负值, 以便于检查程序

189 第 7 章加工中心的程序编制 181 (6) 对于卧式加工中心, 最好把工件原点设在回转中心上, 即设置在工作台回转中心与 Z 轴连线适当位置上 编程原点选定后, 就应把各点的尺寸换算成以编程原点为基准的坐标值 为了在加工过程中有效地控制尺寸公差, 应按尺寸公差的中值来计算坐标值 加工中心的对刀方法 加工中心是一种功能较多的数控加工机床, 具有铣削 镗削 钻削 螺纹加工等多种工艺手段 使用多把刀具时, 尤其要注意准确地确定各把刀具的基本尺寸, 掌握正确的对刀方法 由于加工中心具有多把刀具, 并能实现自动换刀, 因此需要测量所用各把刀具的基本尺寸, 并存入数控系统, 以便加工中调用, 即进行加工中心的对刀 加工中心通常采用机外对刀仪实现对刀 对刀仪的基本结构如图 7-8 所示 图 7-8 中, 对刀仪平台 7 上装有刀柄夹持轴 2, 用于安装被测刀具, 如图 7-9 所示为钻削刀具 通过快速移动单键按钮 4 和微调旋钮 5 或 6, 可调整刀柄夹持轴 2 在对刀仪平台 7 上的位置 当光源发射器 8 发光, 将刀具刀刃放大投影到显示屏幕 1 上时, 即可测得刀具在 X( 径向尺寸 ) Z( 刀柄基准面到刀尖的长度尺寸 ) 方向的尺寸 X 刀具 Z 刀柄 图 7-8 对刀仪的基本结构 1 显示屏幕 ;2 刀柄夹持轴 ;3 控制台 ;4 按钮 ; 5,6 微调旋钮 ;7 对刀仪平台 ;8 光源发射器 图 7-9 钻削刀具 钻削刀具的对刀操作过程如下 : (1) 将被测刀具与刀柄连接安装为一体