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1 第 2 章数控加工工艺分析与程序编制 教学提示 : 数控机床是严格按照从外部输入的程序来自动地对被加工工件进行加工的 为了与数控系统的内部程序 ( 系统软件 ) 相区别, 把从外部输入的直接用于加工的程序称为数控加工程序, 简称为数控程序 理想的数控程序不仅应该保证能加工出符合图样要求的合格零件, 还应该使数控机床的功能得到合理的应用与充分的发挥, 以使数控机床能安全 可靠 高效的工作 数控加工工艺分析和零件图形的数学处理 ( 又称数值计算 ) 是数控编程前的主要准备工作, 无论对于手工编程还是自动编程都是必不可少的 教学要求 : 了解数控加工工艺分析与图形数学处理的基本概念和基本内容, 数控编程方法 内容和步骤 重点让学生了解数控加工工艺分析与图形数学处理的方法, 数控加工工艺文件的制定, 数控车床 数控铣床和加工中心的手工编程知识 当在生产实际中遇到具体问题时, 应根据数控机床的编程知识, 合理而又灵活地去解决实际问题 2.1 数控加工工艺分析 无论是手工编程还是自动编程, 在编程以前都要对所加工的零件进行工艺分析 程序编制人员进行工艺分析时, 要有机床说明书 编程手册 切削用量表 标准工具 夹具手册等资料, 根据被加工工件的材料 轮廓形状 加工精度等选用合适的机床, 制定加工方案, 确定零件的加工顺序, 各工序所用刀具 夹具和切削用量等, 以求高效率地加工出合格的零件 机床的合理选用根据国内外数控机床技术应用实践, 数控机床加工的适用范围可用图 2.1 和图 2.2 定性分析 图 2.1 表明了随零件的复杂程度和生产批量的不同, 三种机床适用范围的变化 当零 图 2.1 零件复杂程度与零件批量的关系 图 2.2 零件批量与综合费用的关系

2 14 机床数控技术 件不太复杂 生产批量不太大时, 宜采用通用机床 ; 当复杂程度增大时, 数控机床就显得更为适用了 图 2.2 是随生产批量的不同, 采用三种机床加工时, 综合费用的比较 由图可知, 在多品种 小批量 (100 件以下 ) 的生产情况下, 使用数控机床可获得较好的经济效益 零件批量的增大, 对选用数控机床是不利的 综上分析说明, 数控机床通常最适合加工具有以下特点的零件 : (1) 多品种 小批量生产的零件或新产品试制中的零件 (2) 轮廓形状复杂, 对加工精度要求较高的零件 (3) 用普通机床加工时, 需要有昂贵的工艺装备 ( 工具 夹具和模具 ) 的零件 (4) 需要多次改型的零件 (5) 价格昂贵, 加工中不允许报废的关键零件 (6) 需要最短生产周期的急需零件 数控加工的缺点是设备费用较高 尽管如此, 随着高新技术的迅速发展, 数控机床的普及和人们对数控机床认识上的提高, 其应用范围必将日益扩大 数控加工工艺性分析数控加工工艺性分析涉及面很广, 在此仅从数控加工的可能性和方便性两方面加以分析 1. 零件图的尺寸标注应符合编程方便的原则 (1) 零件图上的尺寸标注方法应适应数控加工的特点 在数控加工零件图上, 应以同一基准标注尺寸或直接给出坐标尺寸 这种标注方法既便于编程, 也便于尺寸之间的相互协调, 在保证设计基准 工艺基准 检测基准与编程原点设置的一致性方面带来很大的方便 由于零件设计人员一般在尺寸标注中较多地考虑装配等使用特性方面, 而不得不采用局部分散的标注方法, 这样就会给工序安排与数控加工带来许多不便 由于数控加工精度和重复定位精度都很高, 不会因产生较大的积累误差而破坏使用特性, 因此可将局部的分散标注法改为同一基准标注尺寸或直接给出坐标尺寸的标注法 (2) 构成零件轮廓的几何元素的条件应充分 在手工编程时, 要计算每个节点坐标 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 如圆弧与直线 圆弧与圆弧在图样上相切, 但根据图上给出的尺寸, 在计算相切条件时, 变成了相交或相离状态 由于构成零件几何元素条件的不充分, 编程便无法下手 遇到这种情况时, 应与零件设计者协商解决 2. 零件的结构工艺性应符合数控加工的特点 (1) 零件的内腔和外形最好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, 使编程方便, 生产效率提高 (2) 内槽圆角的大小决定着刀具直径的大小, 因而内槽圆角半径不应过小 如图 2.3 所示, 零件工艺性的好坏与被加工轮廓的高低 转接圆弧半径的大小有关, 图 (b) 与图 (a) 相比, 转接圆弧半径大, 可以采用较大直径的铣刀来加工 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, 所以工艺性较好 通常 R<0.2H(H 为被加工零件轮廓面的最大高度 ) 时, 可以判定零件的该部位工艺性不好 14

3 第 2 章数控加工工艺分析与程序编制 15 图 2.3 数控加工工艺性对比 (3) 零件铣削底平面时, 槽底圆角半径 r 不应过大 如图 2.4 所示, 圆角半径 r 越大, 铣刀端刃铣削平面的能力越差, 效率也越低 当 r 大到一定程度时, 甚至必须用球头刀加工, 这是应该尽量避免的 因为铣刀与铣削平面接触的最大直径 d=d-2r(d 为铣刀直径 ) 当 D 一定时,r 越大, 铣刀端刃铣削平面的面积越小, 加工表面的能力越差, 工艺性也越差 (4) 应采用统一的基准定位 在数控加工中, 若没有统一的基准定位, 就会因工件的重新安装而导致加工后的两个面上轮廓位置及尺寸不协调 因此要避免上述问题的产生, 保证两次图 2.4 零件底面圆弧对加工工艺的影响装夹加工后其相对位置的准确性, 应采用统一的基准定位 零件上最好有合适的孔作为定位基准孔, 若没有, 则要设置工艺孔作为定位基准孔 ( 如在毛坯上增加工艺凸耳或在后续工序要铣去的余量上设置工艺孔 ) 若无法制造出工艺孔时, 最起码也要用经过精加工的表面作为统一基准, 以减少两次装夹产生的误差 此外, 还应分析零件所要求的加工精度 尺寸公差等是否可以得到保证, 有无引起矛盾的多余尺寸或影响工序安排的封闭尺寸等 加工方法与加工方案的确定 1. 加工方法的选择加工方法的选择原则是保证加工表面的加工精度和表面粗糙度的要求 由于获得同一级精度及表面粗糙度的加工方法许多, 因而在实际选择时, 要结合零件的形状 尺寸大小和热处理要求等全面考虑 例如, 对于 IT7 级精度的孔采用镗削 铰削 磨削等加工方法均可达到精度要求, 但箱体上的孔一般采用镗削或铰削, 而不宜采用磨削 一般小尺寸的箱体孔选择铰孔, 当孔径较大时则应选择镗孔 此外, 还应考虑生产率和经济性的要求, 15

4 16 机床数控技术 以及工厂的生产设备等实际情况 常用加工方法的经济加工精度及表面粗糙度可查阅有关工艺手册 2. 加工方案的确定零件上比较精确表面的加工, 常常是通过粗加工 半精加工和精加工逐步达到的 对这些表面仅仅根据质量要求选择相应的最终加工方法是不够的, 还应正确的确定从毛坯到最终成形的加工方案 确定加工方案时, 首先应根据主要表面的精度和表面粗糙度的要求, 初步确定为达到这些要求所需要的加工方法 例如, 对于孔径不大的 IT7 级精度的孔, 若最终加工方法取精铰, 则精铰孔前通常要经过钻孔 扩孔和粗铰孔等加工 表 2-1~ 表 2-3 列出了钻 镗 铰等几种加工方法所能达到的公差等级及其工序加工余量, 仅供参考 表 2-1 H13~H7 孔加工方式 ( 孔长度 直径的 5 倍 ) ( 单位 :mm) 孔的精度 孔的毛坯性质在实体材料上加工孔预先铸出或热冲出的孔 H13 H12 一次钻孔 用扩孔钻钻孔或镗刀镗孔 H11 孔径 10: 一次钻孔孔径 >10~30: 钻孔及扩孔孔径 >30~80: 钻孔 扩孔或钻 扩 镗孔 孔径 80: 粗扩 精扩或单用镗刀粗镗 精镗或根据余量一次镗孔或扩孔 孔径 10: 钻孔及铰孔孔径 80: 用镗刀粗镗 ( 一次或 H10 孔径 >10~30: 钻孔 扩孔及铰孔二次, 根据余量而定 ) 铰孔( 或 H9 孔径 >30~80: 钻孔 扩孔 铰孔或钻 镗 铰 ( 或镗 ) 孔精镗 ) 孔径 10: 钻孔 扩孔 铰孔孔径 80: 用镗刀粗镗 ( 一次或 H8 孔径 >10~30: 钻孔 扩孔及一次或两次铰孔二次, 根据余量而定 ) 及半精 H7 孔径 >30~80: 钻孔 扩孔 ( 或用镗刀分几次粗镗 ) 一次或镗 精镗或精铰两次铰孔 ( 或精镗 ) 表 2-2 H7 与 H8 级精度孔加工方式及余量 ( 在实体材料上加工孔 ) ( 单位 :mm) 加工孔的直径 直 径 钻 粗加工 半精加工 精加工 第一次 第二次 粗镗 扩孔 粗铰 半精镗 精铰 精镗

5 第 2 章数控加工工艺分析与程序编制 17 ( 续 ) 直径加工孔钻粗加工半精加工精加工的直径第一次第二次粗镗扩孔粗铰半精镗精铰精镗 注 : 在铸铁上加工直径为 30mm 与 32mm 的孔可用 φ 28mm 与 φ 30mm 的钻头钻一次 表 2-3 按 H7 与 H8 级精度加工已预先铸出或热冲出的孔 ( 单位 :mm) 加工孔的粗镗直径第一次第二次 直径加工直径粗铰或二精铰或孔的粗镗粗铰或二精铰或半精镗半精镗次半精镗精镗成直径第一次第二次次半精镗精镗

6 18 机床数控技术 加工孔的粗镗直径第一次第二次 ( 续 ) 直径加工直径 粗铰或二精铰或孔的粗镗粗铰或二精铰或半精镗半精镗次半精镗精镗成直径第一次第二次次半精镗精镗 注 :1 如果铸出的孔有很大的加工余量时, 则第一次粗镗可以分为两次或多次粗镗 2 也可以将表中 半精镗 和 粗铰或二次半精镗 余量加在一起, 只进行一次半精镗加工 3. 平面类零件斜面轮廓加工方法的选择在加工过程中, 工件按表面轮廓可分为平面类零件和曲面类零件 其中平面类零件的斜面轮廓一般又分为以下两种 (1) 有固定斜角的外形轮廓面 如图 2.5 所示, 加工一个有固定斜角的斜面可以采用不同的刀具, 有不同的加工方法 在实际加工中, 应根据零件的尺寸精度 倾斜角的大小 刀具的形状 零件的安装方法 编程的难易程度等因素, 选择一个较好的加工方案 (2) 有变斜角的外形轮廓面 如图 2.6 所示, 具有变斜角的外形轮廓面, 若单纯从技术上考虑, 最好的加工方案是采用多坐标联动的数控机床, 这样不但生产效率高, 而且加工质量好 但是这种机床设备投资大, 生产费用高, 一般中小企业几乎无力购买, 因此应考虑其他可能的加工方案 例如可在两轴半坐标控制铣床上用锥形铣刀或鼓形铣刀, 采用多次行切的方法进行加工 为提高零件的表面加工质量, 对少量的加工残痕可用手工修磨 图 2.5 固定斜角斜面加工 图 2.6 变斜角斜面加工 18

7 第 2 章数控加工工艺分析与程序编制 19 此外, 还要考虑机床选择的合理性 例如, 单纯铣轮廓表面或铣槽的简单中小型零件, 选择数控铣床进行加工较好 ; 而大型非圆曲线 曲面的加工或者是不仅需要铣削而且有孔加工的零件, 选择数控镗铣加工中心进行加工较好 工序与工步的划分 1. 工序的划分 在数控机床上加工零件, 工序可以比较集中, 在一次装夹中尽可能完成大部分或全部工序 首先应根据零件图样, 考虑被加工零件是否可以在一台数控机床上完成整个零件的加工工作, 若不能则应决定其中哪一部分在数控机床上加工, 哪一部分在其他机床上加工, 即对零件的加工工序进行划分 一般有以下几种方式 (1) 按零件装卡定位方式划分工序 由于每个零件结构形状不同, 各表面的技术要求也有所不同, 故加工时, 其定位方式则各有差异 一般加工外形时, 以内形定位 ; 加工内 形时, 又以外形定位 因而可根据定位方式的不同来划分工序 如图 2.7 所示的片状凸轮, 按定位方式可分为两道工序, 第一道工序可在数控机床上也可在普通机床上进行 以外圆表面的 B 平面定位加工端面 A 和直径 φ 22H7 的内孔, 然后再加工端面 B 和 φ 4H7 的工艺孔 ; 第二道工序以已加工过的两个孔和一个端面定位, 在另一台数控铣床或加工中心上铣削凸轮外表面轮廓 (2) 按粗 精加工划分工序 根据零件的加工精度 刚度和变形等因素来划分工序时, 可按粗 精加工分开的原则来划分工序, 即先粗加工再精加工 此时可用不同的机床或不同的刀具进行加工 通常在一次安装中, 不允许将零件某一部分表面加工完毕后, 再加工零件的其他表面 如图 2.8 所示车削加工的零件, 第一道工序在数控车床上进行粗车削时, 应切除整个零件的大部分余量 ; 第二道工序在另一台数控车床上进行半 精车削, 以保证加工精度和表面粗糙度的要求 图 2.7 片状凸轮 图 2.8 车削加工的零件 (3) 按所用刀具划分工序 为了减少换刀次数, 压缩空程时间, 减少不必要的定位误差, 可按刀具集中工序的方法加工零件, 即在一次装夹中, 尽可能用同一把刀具加工出可能加工的所有部位, 然后再换另一把刀加工其他部位 在专用数控机床和加工中心中常采 19

8 20 机床数控技术 用这种方法 2. 工步的划分工步的划分主要从加工精度和效率两方面考虑 在一个工序内往往需要采用不同的刀具和切削用量, 对不同的表面进行加工 为了便于分析和描述较复杂的工序, 在工序内又细分为工步 下面说明工步划分的原则 : (1) 同一表面按粗加工 半精加工 精加工依次完成, 或全部加工表面按先粗后精加工分开进行 (2) 对于既有铣面又有镗孔的零件, 可先铣面后镗孔 按此方法划分工步, 可以提高孔的加工精度 因为铣削时切削力较大, 工件易发生变形 先铣面后镗孔, 使刀具有一段时间恢复, 可减少由变形引起的对孔的加工精度的影响 (3) 按刀具划分工步 某些机床工作台回转时间比换刀时间短, 可采用按刀具划分工步的方法, 以减少换刀次数, 提高加工效率 总之, 工序与工步之间的划分要根据零件的结构特点 技术要求等情况综合考虑 零件的定位与安装 1. 定位安装的基本原则在数控机床上加工零件时, 定位安装的基本原则与普通机床相同, 也要合理选择定位基准和夹紧方案 为了提高数控机床的效率, 在确定定位基准与夹紧方案时应注意以下三点 : (1) 力求设计 工艺与编程计算的基准统一 (2) 尽量减少装夹次数, 尽可能在一次定位装夹后, 加工出全部待加工面 (3) 避免采用占机人工调试加工方案, 以充分发挥数控机床的效能 2. 选择夹具的基本原则数控加工的特点对夹具提出了两个基本要求 : 一是要保证夹具的坐标方向与机床的坐标方向相对固定 ; 二是要协调零件和机床坐标系的尺寸关系 除此之外, 还要考虑以下四点 : (1) 当零件加工批量不大时, 应尽量采用组合夹具 可调式夹具及其他通用夹具, 以缩短生产准备时间 节省生产费用 (2) 在成批生产时才考虑专用夹具, 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, 即夹具要开敞, 其定位 夹紧机构元件不能影响加工中的走刀 ( 如产生碰撞等 ) 此外, 为了提高数控加工的效率, 在成批生产中还可以采用多位 多件夹具 例如在数控铣床或立式加工中心的工作台上, 可安装一块与工作台大小一样的平板, 如图 2.9 所示, 它既可作为大工件的基础板, 也可作为多个中小工件的公共基础板, 依次并排加工装夹的多个中小工件 20

9 第 2 章数控加工工艺分析与程序编制 数控加工刀具与工具系统 图 2.9 新型数控夹具元件 刀具与工具的选择是数控加工工艺中重要的内容之一, 它不仅影响机床的加工效率, 而且直接影响加工质量 与传统的加工方法相比, 数控加工对刀具和工具的要求更高 不仅要求精度高 刚度好 耐用度高, 而且要求尺寸稳定 安装调整方便 1. 数控加工刀具材料 (1) 高速钢 高速钢又称锋钢 白钢 它是含有钨 (W) 钼 (Mo) 铬 (Cr) 钒 (V) 钴 (Co) 等元素的合金钢, 分为钨 钼两大系列, 是传统的刀具材料 其常温硬度为 62~65HRC, 热硬性可提高到 500 ~600 淬火后变形小, 易刃磨, 可锻制和切削 它不仅可用来制造钻头 铣刀, 还可用来制造齿轮刀具 成形铣刀等复杂刀具 但由于其允许的切削速度较低 (50m/min), 所以大都用于数控机床的低速加工 普通高速钢是以 W18Cr4V 为代表 (2) 硬质合金 硬质合金是由硬度和熔点都很高的碳化物 (WC,TiC,TaC,NbC 等 ), 用 Co Mo Ni 做黏结剂制成的粉末冶金产品 其常温硬度可达 74~82HRC, 能耐 800 ~ 1000 的高温 生产成本较低, 可在中速 (150m/min) 大进给切削中发挥出优良的切削性能, 因此成为数控加工中最为广泛使用的刀具材料 但其冲击韧度与抗弯强度远比高速钢低, 因此很少做成整体式刀具 在实际使用中, 一般将硬质合金刀块用焊接或机械夹固的方式固定在刀体上 常用的硬质合金有钨钴 (YG) 合金 (YG8 YG6 YG3) 钨钛(YT) 合金 (YT5 YT15 YT30) 和钨钛钽 ( 铌 )(YW)(YW1,YW2) 合金三大类 (3) 涂层硬质合金 涂层硬质合金刀具是在韧性较好的硬质合金刀具上涂覆一层或多层耐磨性好的 TiN TiCN TiAlN 和 Al 2 O 3 等, 涂层的厚度为 2 µm ~18 µm 涂层通常起到两方面的作用 : 一方面, 它具有比刀具基体和工件材料低得多的热传导系数, 减弱了刀具基体的热作用 ; 另一方面, 它能够有效地改善切削过程的摩擦和黏附作用, 降低切削热的生成 TiN 具有低摩擦特性, 可减少涂层组织的损耗 TiCN 可降低后刀面的磨损 TiCN 涂层硬度较高 Al 2 O 3 涂层具有优良的隔热效果 涂层硬质合金刀具与硬质合金刀具相比, 无论在强度 硬度和耐磨性方面均有了很大的提高 对于硬度为 45~55HRC 的工件的切削, 低成本的涂层硬质合金可实现高速切削 我国的株洲硬质合金厂 成都工具研究所均已成 21

10 22 机床数控技术 功开发了多涂层硬质合金刀片 近年来, 一些厂家依靠改进涂层材料与比例的方法, 也使得涂层刀具的性质有极大的提高 如美国 日本一些厂家采用瑞士 TiAlN 涂层材料和新涂层专利技术生产的刀片, 硬度高达 4500~4900HV, 在切削温度高达 1500 ~1600 时, 硬度仍然不降低, 刀片不氧化, 其寿命为一般涂层刀片的 4 倍, 且附着力好 它可以在 m/min 的速度下加工硬度达 47~52HRC 的模具钢 (4) 陶瓷材料 陶瓷是近 20 年来发展速度快, 应用日趋广泛的刀具材料之一 在不久的将来, 陶瓷可能继高速钢 硬质合金以后引起切削加工的第三次革命 陶瓷刀具具有高硬度 (91~95HRA) 高强度( 抗弯强度为 750MPa ~1000MPa) 耐磨性好 化学稳定性好 良好的抗黏结性能 摩擦因数低且价格低廉等优点 不仅如此, 陶瓷刀具还具有很高的高温硬度,1200 时硬度达到 80HRA 使用正常时, 陶瓷刀具寿命极长, 切削速度可比硬质合金刀具提高 2~5 倍, 特别适合高硬度材料加工 精加工以及高速加工, 加工硬度达 60HRC 的各类淬硬钢和硬化铸铁等 常用的有氧化铝基陶瓷 氮化硅基陶瓷和金属陶瓷等 氧化铝基陶瓷刀具比硬质合金有更高的热硬性, 高速切削状态下切削刃一般不会产生塑性变形, 但它的强度和韧性较低 氮化硅基陶瓷除热硬性高以外, 还具有良好的韧性, 与氧化硅基陶瓷相比, 它的缺点是在加工钢时易产生高温扩散, 加剧刀具磨损, 氮化硅基陶瓷刀具主要应用于断续车削灰铸铁及铣削灰铸铁 金属陶瓷是一种以碳化物为基体材料, 与硬质合金相似的刀具材料, 但它具有较低的亲和性 良好的摩擦性及较好的耐磨性, 它比常规硬质合金能承受更高的切削温度, 但缺乏硬质合金的耐冲击性 重型加工时的韧性和低速大进给时的强度 近年来通过大量的研究 改进和采用新的制作工艺, 陶瓷材料的抗弯强度和韧性均有了很大的提高, 如日本三菱金属公司开发的新型金属陶瓷 NX2525 及瑞典山德维克公司开发的金属陶瓷刀片新品 CT 系列和涂层金属陶瓷刀片系列, 抗弯强度和耐磨性均远高于普通的金属陶瓷, 大大拓宽了陶瓷材料的应用范围 (5) 立方氮化硼 (CBN) CBN 是人工合成的高硬度材料, 其硬度可达 7300~9000HV, 其硬度和耐磨性仅次于金刚石, 有极好的高温硬度, 与陶瓷刀具相比, 其耐热性和化学稳定性稍差, 但冲击韧度和抗破碎性能较好 它广泛适用于淬硬钢 (50HRC 以上 ) 珠光体灰铸铁 冷硬铸铁和高温合金等的切削加工 与硬质合金刀具相比, 其切削速度可提高一个数量级 CBN 含量高的 PCBN( 聚晶立方氮化硼 ) 刀具硬度高 耐磨性好 抗压强度高及冲击韧性好, 其缺点是热稳定性差和化学惰性低, 适用于耐热合金 铸铁和铁系烧结金属的切削加工 复合 PCBN 刀具中 CBN 颗粒含量较低, 采用陶瓷作黏结剂, 其硬度较低, 但弥补了 CBN 含量高的 PCBN 热稳定性差 化学惰性低的特点, 适用于淬硬钢的切削加工 在切削灰铸铁和淬硬钢的应用领域, 陶瓷刀具和 CBN 刀具是可供同时选择的 对淬硬钢进行干式切削加工时, 选用 Al 2 O 3 陶瓷的成本要低于 PCBN 材料, 因为陶瓷刀具具有良好的热化学稳定性, 但却不及 PCBN 刀具的韧性和硬度 在切削硬度低于 60HRC 和小进给量情况下的工件时, 陶瓷刀具是较好的选择 PCBN 刀具适合于工件硬度高于 60HRC 的情况, 尤其是对于自动化加工和高精度加工时更为重要 (6) 聚晶金刚石 (PCD) PCD 作为最硬的刀具材料, 硬度可达 10000HV, 具有最好的耐磨性, 它能够以高速度 (1000m/min) 和高精度加工软的有色金属材料, 但它对冲击敏感, 容易碎裂, 而且对黑色金属中铁的亲和力强, 易引起化学反应, 一般情况下只能用于加工非铁零件, 如有色金属及其合金 玻璃纤维 工程陶瓷和硬质合金等极硬的材料 22

11 第 2 章数控加工工艺分析与程序编制 数控加工刀具 1) 车削加工刀具数控车床使用的刀具, 无论是车刀 镗刀 切断刀还是螺纹加工刀具等均有焊接式和机夹式之分, 除经济型数控车床外, 目前已广泛地使用机夹式可转位车刀, 其结构如图 2.10 所示 它由刀杆 1 刀片 2 刀垫 3 以及夹紧元件 4 组成 刀片每边都有切削刃, 当某切削刃磨损钝化后, 只需松开夹紧元件, 将刀片转一个位置便可继续使用 刀片是机夹可转位车刀的一个最重要组成元件 按照国家标准 GB/T 切削刀具用转位刀片型号表示规则, 大致可分为带圆孔 带沉孔以及无孔三大类 形状有三角形 正方形 五边形 六边形 圆形以及菱形等共 17 种 图 2.11 所示为几种常见的可转位车刀刀片形状及角度 图 2.10 机夹式可转位车刀 1 刀杆 2 刀片 3 刀垫 4 夹紧元件 (a)t 形 (b)f 形 (c)w 形 (d)s 形 (e)p 形 (f)d 形 (g)r 形 (h)c 形图 2.11 常见可转位车刀刀片的形状及角度 2) 铣削加工刀具铣刀种类很多, 选择铣刀时, 要使刀具的尺寸与被加工工件的表面尺寸和形状相适应 生产中, 平面零件周边轮廓的加工, 常采用立铣刀 铣平面时, 应选硬质合金刀片铣刀 ; 加工凸台 凹槽时, 选高速钢立铣刀 ; 加工毛坯表面或粗加工孔时, 可选镶硬质合金的玉米铣刀 选择立铣刀加工时, 对于刀具的有关参数, 建议按下述经验数据选取, 如图 2.12 所示 (1) 刀具半径 r 应小于零件内轮廓面的最小曲率半径 ρ, 一般取 r = (0.8~0.9)ρ (2) 零件的加工高度 H (1/4~1/6) r, 以保证刀具有足够的刚度 (3) 对不通孔 ( 深槽 ), 选取 l = [H +(5~10)] mm (l 为刀具切削部分长度,H 为零件高度 ) (4) 加工外型及通槽时, 选取 l = [H + r e + (5~10)] mm (r e 为刀尖角半径 ) 23

12 24 机床数控技术 (5) 粗加工内轮廓面时, 铣刀最大直径 D 可按下式计算 ( 图 2.13) D 粗 = 2( δ sinϕ / 2 δ 1) +D 1 sinϕ / 2 式中 D 轮廓的最小凹圆角半径 ; δ 圆角邻边夹角等分线上的精加工余量 ; δ 精加工余量 ; 1 ϕ 圆角两邻边的最小夹角 (6) 加工肋时, 刀具直径为 D = (5~10) b (b 为肋的厚度 ) 图 2.12 刀具尺寸选择 图 2.13 粗加工铣刀直径估算法 对一些立体型面和变斜角轮廓外形的加工, 常采用球头铣刀 环形铣刀 鼓形铣刀 锥形铣刀和盘形铣刀等, 如图 2.14 所示 (a) 球头铣刀 (b) 环形铣刀 (c) 鼓形铣刀 (d) 锥形铣刀 (e) 盘形铣刀图 2.14 常用铣刀曲面加工常采用球头铣刀, 但加工曲面较平坦部位时, 刀具以球头顶端刃切削, 切削条件较差, 因而应采用环形铣刀 在单件或小批量生产中, 为取代多坐标联动机床, 常采用鼓形铣刀或锥形铣刀来加工变斜角零件 加镶齿盘铣刀, 适用于在五坐标联动的数控机床上加工一些球面, 其效率比用球头铣刀高近 10 倍, 并可获得好的加工精度 3) 孔加工刀具数控孔加工刀具常用的有钻头 镗刀 铰刀和丝锥等 (1) 钻头 在数控机床上钻孔大多采用普通麻花钻, 直径为 8mm~80mm 的麻花钻多为莫氏锥柄, 可直接装在带有莫氏锥孔的刀柄内, 直径为 0.1mm~20mm 的麻花钻多圆柱形, 可装在钻夹头刀柄上, 中等尺寸麻花钻两种形式均可选用 由于在数控机床上钻孔都是无钻模直接钻孔, 因此, 一般钻孔深度约为直径的 5 倍, 细长孔的加工易于折断, 要注 24

13 第 2 章数控加工工艺分析与程序编制 25 意冷却和排屑, 在钻孔前最好先用中心钻钻中心孔, 或用刚性较好的短钻头锪窝 钻削直径为 20mm~60mm 孔的深径比小于等于 3 的中等浅孔时, 可选用图 2.15 所示的可转位浅孔钻, 其结构是在带排屑槽及内冷却通道钻体的头部装有一组刀片 ( 多为凸多边形 菱形和四边形 ), 多采用深孔刀片, 通过该中心压紧刀片, 靠近钻心的刀片用韧性较好的材料, 靠近钻头外径的刀片选用较为耐磨的材料 这种钻头具有切削效率高 加工质量好的特点, 最适用于箱体零件的钻孔加工 图 2.15 可转位浅孔钻 (2) 镗刀 镗刀按切削刃数量可分为单刃镗刀和双刃镗刀 镗削通孔 阶梯孔和不通孔可分别选用图 2.16(a) (b) (c) 所示的单刃镗刀 (a) 通孔镗刀 (b) 阶梯孔镗刀 (c) 不通孔镗刀图 2.16 单刃镗刀 1 调节螺钉 2 紧固螺钉单刃镗刀头结构类似车刀, 用螺钉装夹在镗杆上 调节螺钉 1 用于调整尺寸, 紧固螺钉 2 起锁紧作用 单刃镗刀刚性差, 切削时易引起振动, 所以镗刀的主偏角选的较大, 以减小径向力 镗铸铁孔或精镗时, 一般取 κ r =90 ; 粗镗钢件孔时, 取 κ r =60 ~75, 以延长刀具寿命 所镗孔径的大小要靠调整刀具的悬伸长度来保证, 调整麻烦, 效率低, 只能用于单件小批生产 但单刃镗刀结构简单, 适应性较广, 粗 精加工都适用 在孔的精镗中, 目前较多地选用精镗微调镗刀 这种镗刀的径向尺寸可以在一定范围内进行微调, 调节方便, 且精度高, 其结构如图 2.17 所示 调整尺寸时, 先松开拉紧螺钉 6, 然后转动带刻度盘的调整螺母 3, 等调至所需尺寸, 再拧紧螺钉 6, 使用时应保证锥面靠近大端接触 ( 即镗杆 90 锥孔的角度公差为负值 ), 且与直孔部分同心 键与键槽配合间隙不能太大, 否则微调时就不能达到较高的精度 (3) 铰刀 数控机床上使用的铰刀多是通用标准铰刀 此外, 还有机夹硬质合金刀片单刃铰刀和浮动铰刀等 25

14 26 机床数控技术 图 2.17 精镗微调镗刀 1 刀体 2 刀片 3 调整螺母 4 刀杆 5 螺母 6 拉紧螺钉 7 导向键 加工公差等级为 IT8~IT9 级 表面粗糙度 R a 为 0.8 µm ~1.6 µm 的孔时, 通常采用标准铰刀 加工公差等级为 IT5~IT7 级 表面粗糙度 R a 为 0.7 µm 的孔时, 可采用机夹硬质合金刀片的单刃铰刀 这种铰刀的结构如图 2.18 所示, 刀片 3 通过楔套 4 用螺钉 1 固定在刀体上, 通过螺钉 7, 销子 6 可调节铰刀尺寸 导向块 2 可采用黏结和铜焊的方式固定 机夹单刃铰刀应有很高的刃磨质量 因为精密铰削时, 半径上的铰削余量是在 10 µm 以下, 所以刀片的切削刃口要磨得异常锋利 图 2.18 硬质合金单刃铰刀 1 7 螺钉 2 导向块 3 刀片 4 楔套 5 刀体 6 销子铰削公差等级为 IT6~IT7 级, 表面粗糙度 R a 为 0.8 µm ~1.6 µm 的大直径通孔时, 可选用专为加工中心设计的浮动铰刀 图 2.19 所示的即为加工中心上使用的浮动铰刀 在装配时, 先根据所要加工孔的大小调节好可调式浮动铰刀体 2, 在铰刀体 2 插入刀杆体 1 的长方孔后, 在对刀仪上找正两切削刃与刀杆轴的对称度在 0.02 mm~0.05 mm 以内, 然后移动定位滑块 5, 使圆锥端螺钉 3 的锥端对准刀杆体上的定位窝, 拧紧螺钉 6 后, 调整圆锥端螺钉, 使铰刀体有 0.04 mm~0.08 mm 的浮动量 ( 用对刀仪观察 ), 调整好后, 将螺母 4 拧紧 浮动铰刀既能保证在换刀和进刀过程中刀片不会从刀杆的长方孔中滑出, 又能较准确的定心 它有两个对称刃, 能自动平衡切削力, 在铰削过程中又能自动抵偿因刀具安装误差或刀杆的径向圆跳动而引起的加工误差, 因而加工精度稳定 浮动铰刀的寿命比高速钢铰刀高 8~10 倍, 且具有直径调整的连续性 26

15 第 2 章数控加工工艺分析与程序编制 27 图 2.19 加工中心上使用的浮动铰刀 1 刀杆体 2 可调式浮动铰刀体 3 圆锥端螺钉 4 螺母 5 定位滑块 6 螺钉 3. 数控机床的工具系统由于在加工中心上要适应多种形式零件不同部位的加工, 故刀具装夹部分的结构 形式 尺寸也是多种多样的 把通用性较强的几种装夹工具 ( 例如装夹铣刀 镗刀 扩铰刀 钻头和丝锥等 ) 系列化 标准化就成为通常所说的工具系统 我国除了已制定的标准刀具系列外, 还建立了 TSG82 数控工具系统, 如图 2.20 所示 该系统是镗铣类数控工具系统, 是一个联系数控机床 ( 含加工中心 ) 的主轴与刀具之间的辅助系统 TSG82 数控工具系统各种辅具和刀具具有结构简单 紧凑 装卸灵活 使用方便 更换迅速等特点 关于工具系统的代号可查阅有关手册 4. 对刀仪对刀仪是用来调整或测量刀具尺寸的 对刀仪结构有许多种, 其对刀精度为 0.1mm~ 0.001mm 从结构上来讲, 有直接接触式测量和光屏投影放大测量两种 读数方法也各不相同, 有的用圆盘刻度或游标读数, 有的则用光学读数头或数字显示器等 图 2.21 是数控铣床和加工中心常用的两种对刀仪的示意图, 采用图 2.21(a) 时, 通过将刀具装在刀座上后用千分表或高度尺测量进行对刀, 而图 2.21(b) 中则是将刀具安装在刀座上后, 调整镜头, 就可以在屏幕上见到放大的刀具刃口部分的影像, 此时调整屏幕使米字刻线与刃口重合, 即完成对刀, 同时在数字显示器上可读出相应的直径和轴向尺寸值 图 2.22 是在数控车床上使用的一种光学对刀仪外形图, 使用时把对刀仪固定安装在车床床身的某一位置, 然后将基准刀安装在刀架上, 调整对刀仪的镜头位置, 使显微镜内的十字线交点对准基准刀的对刀点, 以此作为其他刀具安装时的基准 这种对刀方法精度不高 HPA(High Precision Arm) 刀具测量系统是数控车床自动对刀最常用的方法之一 采用 HPA 刀具测量系统可在机床内对刀具的 X Z 向尺寸进行自动测量, 并自动修正 CNC 系统刀具补偿单元中的刀具偏置值 目前较常用的数控车床刀具测量系统有英国 RENNISHAW 公司生产的 HPA 刀具自动测量系统, 该系统一般由测头 HPA 精密连接臂 安装座 测头座 接口装置 转接头及测量软件组成 ( 图 2.23), 并可根据不同的机床规格选配 其接触式测头一般为一个 10mm 10mm 4mm 的硬质合金方块, 测量精度为 0.001mm, 测头在 X 27

16 28 机床数控技术 Z 方向的弯曲行程为 ±6mm 在测量时, 测头通过 HPA 精密连接臂和安装座固定在机床主轴旁, 其测头的垂直中心线分别和机床的 X Z 两轴平行 移动刀架, 当刀具的刀尖部分接触到测头时, 测头发出触发信号, 其信号通过接口装置触发 CNC 系统, 记下此时刀具的位置, 然后通过相应的测量软件计算出测量所得的刀具 X Z 向尺寸, 并随即自动修正 CNC 系统中对应刀补单元的固定刀具偏置值 28 图 2.20 TSG82 数控工具系统

17 第 2 章数控加工工艺分析与程序编制 29 图 2.21 对刀仪 图 2.22 数控车床用光学对刀仪外形图 图 2.23 HPA 刀具测量系统 选择对刀仪时必须根据零件加工精度来考虑 另外对刀仪测得的刀具尺寸是在没有承受切削力的静态下测得的, 与加工后的实际尺寸不一定相同 加工过程中要经过试切后现场修调刀具, 根据工件的测量结果对刀具的偏置值进行动态微小的补偿, 以保证零件的加工精度 切削用量的确定切削用量包括主轴转速 ( 或切削速度 ) 背吃刀量 进给量 对于不同的加工方法, 需要选择不同的切削用量, 并应编入程序单内 合理选择切削用量的原则是 : 粗加工时, 一般以提高生产率为主, 但也应考虑经济性和加工成本 ; 半精加工和精加工时, 应在保证加工质量的前提下, 兼顾切削效率 经济性和加工成本 具体数值应根据机床说明书 切削用量手册, 并结合经验而定 (1) 背吃刀量 a p (mm) 背吃刀量 a p 主要根据机床 夹具 刀具和工件的刚度来决定 在刚度允许的情况下, 应以最少的进给次数切除加工余量, 最好一次切净余量, 以便提高生产效率 在数控机床上, 精加工余量可小于普通机床, 一般取 0.2mm ~0.5mm (2) 主轴转速 n(r/min) 主轴转速 n 主要根据允许的切削速度 v (m/min) 选取 n =1000v/ πd 式中 v 切削速度, 由刀具寿命决定, 可查有关手册或刀具说明书, 常用几种刀具的切 29

18 30 机床数控技术 削速度见附表 ; D 工件或刀具直径 (mm) 主轴转速 n 要根据计算值在机床说明中选取标准值 ( 无级变速除外 ), 并填入程序单中 (3) 进给量即进给速度 f(mm/min 或 mm/r) 进给量 f 是数控机床切削用量中的重要参数, 主要根据零件的加工精度和表面粗糙度要求以及刀具 工件的材料性质选取 当加工精度 表面粗糙度要求高时, 进给量数值应小些, 一般在 20 mm/min~50 mm/min 范围内选取 最大进给量则受机床刚度和进给系统的性能限制, 并与脉冲当量有关 数控加工路线的确定 在数控加工中, 刀具的刀位点相对于工件运动的轨迹称为加工路线 所谓 刀位点 是指刀具对刀时的理论刀尖点 如车刀 镗刀的刀尖 ; 钻头的钻尖 ; 立铣刀 端铣刀刀头底面的中心, 球头铣刀的球头中心等 编程时, 加工路线的确定原则主要有以下几点 : (1) 加工路线应保证被加工零件的精度和表面粗糙度, 且效率较高 ; (2) 使数值计算简单, 以减少编程工作量 ; (3) 应使加工路线最短, 这样既可减少程序段, 又可减少空刀时间 此外, 确定加工路线时, 还要考虑工件的加工余量和机床 刀具的刚度等情况, 确定是一次走刀, 还是多次走刀来完成加工, 以及在铣削加工中是采用顺铣还是逆铣等 1. 车削加工路线的确定 1) 最短的车削加工路线车削进给路线为最短, 可有效地提高生产效率, 降低刀具的损耗等 图 2.24 为粗车几种不同车削进给路线的安排示意图 其中图 2.24(a) 表示利用数控系统具有的封闭式复合循环功能控制车刀沿着工件轮廓进行进给的路线 ; 图 2.24(b) 为利用其程序循环功能安排的 三角形 进给路线 ; 图 2.24(c) 为利用其矩形循环功能而安排的 矩形 进给路线 30 图 2.24 粗车进给路线示例 对以上三种车削进给路线, 经分析和判断后可知矩形循环进给路线的进给长度总和最短 因此, 在同等条件下, 其车削所需时间 ( 不含空行程 ) 最短, 刀具的损耗最少 2) 大余量毛坯的阶梯车削加工路线图 2.25 所示为车削大余量工件的两种加工路线, 图 2.25(a) 是错的阶梯车削路线, 图 2.25(b) 按 1~5 的顺序车削, 每次车削所留余量相等, 是正确的阶梯车削路线 因为在同样背吃刀量的条件下, 按图 2.25(a) 的方式加工所剩的余量过多 3) 完整轮廓的连续车削进给路线在安排可以一刀或多刀进行的精加工工序时, 其零件的完整轮廓应由最后一刀连续加

19 第 2 章数控加工工艺分析与程序编制 31 工而成, 这时, 加工刀具的进 退刀位置要考虑妥当, 尽量不要在连续的轮廓中安排切入和切出或换刀及停顿, 以免因切削力突然变化而造成弹性变性, 致使光滑连接轮廓上产生表面划伤 形状突变或滞留刀痕等缺陷 图 2.25 大余量毛坯的阶梯车削路线 4) 特殊的加工路线在数控车削加工中, 一般情况下,Z 坐标轴方向的进给运动都是沿着负方向进行的, 但有时按其常规的负方向安排进给路线并不合理, 甚至可能车坏工件 例如, 当采用尖形车刀加工大圆弧内表面零件时, 安排两种不同的进给方法如图 2.26 所示, 其结果也不相同 对于图 2.26(a) 所示的第一种进给方法 (-Z 走向 ), 因切削时尖形车刀的主偏角为 100 ~105, 这时切削力在 X 向的较大分力 F p 将沿着图 2.26 所示的 +X 方向作用, 当刀尖运动到圆弧的换象限处, 即由 -Z -X 向 -Z +X 变换时, 吃刀抗力 F p 与传动横拖板的传动力方向相同, 若螺旋副间有机械传动间隙, 就可能使刀尖嵌入零件表面 ( 即扎刀 ), 其嵌入量在理论上等于其机械传动间隙量 e, 如图 2.27 所示 即使该间隙量很小, 由于刀尖在 X 方向换向时, 横向拖板进给过程的位移量变化也很小, 加上处于动摩擦与静摩擦之间呈过渡状态的拖板惯性的影响, 仍会导致横向拖板产生严重的爬行现象, 从而大大降低零件的表面质量 图 2.26 两种不同的进给方法 图 2.27 嵌刀现象 对于图 2.26(b) 所示的第二种进给方法, 因为尖刀运动到圆弧的换象限处, 即由 +Z -X 向 +Z +X 方向变换时, 吃刀抗力 F p 与丝杠传动横向拖板的传动力方向相反, 不会受螺旋副机械传动间隙的影响而产生嵌刀现象, 所以图 2.28 所示进给方案是较合理的 5) 车削螺纹加工路线在数控机床上车螺纹时, 沿螺距方向的 Z 向进给应和机床主轴的旋转保持严格的速比关系, 因此应避免进给机构加速或减速过程中的车削 为此要有引入距离 δ 1 和超越距 δ 2 31

20 32 机床数控技术 如图 2.29 所示, δ 1 和 δ 2 的数值不仅与机床拖动系统的动态特性有关, 还与螺纹的导程和螺纹的精度有关, 其数值可由主轴转速和螺纹螺距来确定 : δ 1 = nP δ 2 = np 式中 n 主轴转速 (r/min); P 螺纹的螺距 (mm) 一般 δ 1 为 2 mm~5 mm, 对大螺距和高精度的螺纹取大值 ; δ 2 一般取 δ 1 的 1/4 左右 若螺纹收尾处没有退刀槽时, 收尾处的形状与数控系统有关, 一般按 45 退刀收尾 图 2.28 合理的进给方案图 2.29 车削螺纹时的引入距离 δ 1 和超越距离 δ 2 2. 铣削加工路线的确定 1) 顺铣和逆铣铣削有顺铣和逆铣两种方式 当工件表面无硬皮, 机床进给机构无间隙时, 应选用顺铣, 按照顺铣安排加工路线 因为采用顺铣加工后, 零件已加工表面质量好, 刀齿磨损小 精铣时, 尤其是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, 应采用逆铣, 按照逆铣安排加工路线 因为逆铣时, 刀齿是从已加工表面切入, 不会崩刃 ; 机床进给机构的间隙不会引起振动和爬行 2) 铣削外轮廓的加工路线铣削平面零件外轮廓时, 一般是采用立铣刀侧刃切削 刀具切入零件时, 应避免沿零件外轮廓的法向切入, 以免在切入处产生刀具的刻痕, 而应沿切削起始点延伸线 [ 图 2.30(a)] 或切线方向 [ 图 2.30(b)] 逐渐切入零件, 保证零件曲线的平滑过渡 同样, 在切离零件时, 也应避免在切削终点处直接抬刀, 要沿着切削终点延伸线 [ 图 2.30(a)] 或切线方向 [ 图 2.30(b)] 逐渐切离工件 32 图 2.30 刀具切入和切出外轮廓的加工路线

21 第 2 章数控加工工艺分析与程序编制 33 3) 铣削内轮廓的加工路线铣削封闭的内轮廓表面时, 同铣削外轮廓一样, 刀具同样不能沿轮廓曲线的法向切入和切出, 此时刀具可以沿一过渡圆弧切入和切出工件轮廓 图 2.31 所示为铣切内圆的加工路线, 图中 R 1 为零件圆弧轮廓半径,R 2 为过渡圆弧半径 图 2.31 刀具切入和切出内轮廓的加工路线 4) 铣削内槽的加工路线所谓内槽是指以封闭曲线为边界的平底凹槽 这种内槽在模具零件较常见, 都采用平底立铣刀加工, 刀具圆角半径应符合内槽的图样要求 图 2.32 所示为加工内槽的三种加工路线 图 2.32(a) 和图 2.32(b) 分别用行切法和环切法加工内槽 两种加工路线的共同点是都能切净内腔中全部面积, 不留死角, 不伤轮廓, 同时尽量减少重复进给的搭接量 不同点是行切法的加工路线比环切法短, 但行切法会在每两次进给的起点与终点间留下残留面积, 达不到所要求的表面粗糙度 ; 用环切法获得的表面粗糙度要好于行切法, 但环切法需要逐次向外扩展轮廓线, 刀位点计算稍微复杂一些 综合行 环切法的优点, 采用图 2.32(c) 所示的加工路线, 即先用行切法切去中间部分余量, 最后用环切法切一刀, 既能使总的加工路线较短, 又能获得较好的表面粗糙度 图 2.32 铣削内槽的 3 种加工路线 5) 铣削曲面的加工路线对于边界敞开的曲面加工, 可采用如图 2.33 所示的两种加工路线 对于发动机大叶片, 当采用图 2.33(a) 所示的加工路线时, 每次沿直线加工, 刀位点计算简单, 程序少, 加工过程符合直纹面的形成, 可以准确保证母线的直线度 当采用图 2.33(b) 所示的加工路线时, 符合这类零件数据给出情况, 便于加工后检验, 叶形的准确度高, 但程序较多 由于曲面零件的边界是敞开的, 没有其他表面限制, 所以曲面边界可以延伸, 球头刀应由边界外开始加工 当边界不敞开时, 要重新确定加工路线, 另行处理 33

22 34 机床数控技术 图 2.33 铣削曲面的两种加工路线 3. 孔加工路线的确定加工孔时, 一般是首先将刀具在 XY 平面内快速定位运动到孔中心线的位置上, 然后刀具再沿 Z 向 ( 轴向 ) 运动进行加工 所以孔加工进给路线的确定包括以下内容 1) 确定 XY 平面内的加工路线孔加工时, 刀具在 XY 平面内的运动属点位运动, 确定加工路线时, 主要考虑 : 1 定位要迅速 也就是在刀具不与工件 夹具和机床碰撞的前提下空行程时间尽可能短 例如, 加工图 2.34(a) 所示零件时, 按图 2.34(b) 所示加工路线进给比按图 2.34(c) 所示加工路线节省定位时间近一半 这是因为在定位运动情况下, 刀具由一点运动到另一点时, 通常是沿 X Y 坐标轴方向同时快速移动, 当 X Y 轴各自移距不同时, 短移距方向的运动先停, 待长移距方向的运动停止后刀具才达到目标位置 图 2.34(b) 方案使沿两轴方向的移距接近, 所以定位过程迅速 2 定位要准确 安排加工路线时, 要避免机械进给系统反向间隙对孔位精度的影响 例如, 镗削图 2.35(a) 所示零件上的四个孔 按图 2.35(b) 所示加工路线加工, 由于 4 孔与 孔定位方向相反,Y 向反向间隙会使定位误差增加, 从而影响 4 孔与其他孔的位置精度 按图 2.35(c) 所示加工路线, 加工完 3 孔后往上多移动一段距离至 P 点, 然后再折回来在 4 孔处进行定位加工, 这样方向一致, 就可避免反向间隙的引入, 提高了 4 孔的定位精度 图 2.34 最短加工路线设计示例 34

23 第 2 章数控加工工艺分析与程序编制 35 有时定位迅速和定位准确两者难以同时满足, 在上述两例中, 图 2.34(b) 是按最短路线加工, 但不是从同一方向趋近目标位置, 影响了刀具定位精度, 图 2.35(c) 是从同一方向趋近目标位置, 但不是最短路线, 增加了刀具的空行程 这时应抓主要矛盾, 若按最短路线加工能保证定位精度, 则取最短路线, 反之, 应取能保证定位准确的路线 图 2.35 准确定位加工路线设计示例 2) 确定 Z 向 ( 轴向 ) 的加工路线刀具在 Z 向的加工路线分为快速移动进给路线和工作进给路线 刀具先从初始平面快速运动到距工件加工表面一定距离的 R 平面 ( 距工件加工表面一定切入距离的平面 ) 上, 然后按工作进给速度运动进行加工 图 2.36(a) 所示为加工单个孔时刀具的加工路线 对多孔加工, 为减少刀具空行程进给时间, 加工中间孔时, 刀具不必退回到初始平面, 只要退到 R 平面即可, 其加工路线如图 2.36(b) 所示 (a) 快速移动进给路线 (b) 工作进给路线 图 2.36 刀具 z 向加工路线设计示例在工作进给路线中, 工作进给距离 Z F 包括加工孔的深度 H 刀具的切入距离 Z a 和切出距离 Z o ( 加工通孔 ), 如图 2.37 所示, 图中 T t 为刀头尖端长度, 加工不通孔时, 工作进给距离为 加工通孔时, 工作进给距离为 Z F = Z a + H + T t Z F = Z a + H + Z o + T t 式中刀具切入 切出距离的经验数据见表

24 36 机床数控技术 (a) 加工不通孔时的工作进给距离 (b) 加工通孔时的工作进给距离 图 2.37 工作进给距离计算图 表 2-4 刀具切入 切出距离的经验数据 ( 单位 :mm) 表面状态加工方式 已加工表面 毛坯表面 表面状态加工方式 已加工表面 毛坯表面 钻孔 2~3 5~8 车削 2~3 5~8 扩孔 3~5 5~8 铣削 3~5 5~10 镗孔 3~5 5~8 攻螺纹 5~10 5~10 铰孔 3~5 5~8 车削螺纹 ( 切入 ) 2~5 5~ 工艺文件的制定零件的加工工艺设计完成后, 就应该将有关内容填入各种相应的表格 ( 或卡片 ) 中, 以便贯彻执行并将其作为编程和生产前技术准备的依据 这些表格 ( 或卡片 ) 被称为工艺文件 数控加工工艺文件除包括机械加工工艺过程卡 机械加工工艺卡 数控加工工序卡三种以外, 还包括数控加工刀具卡 另外为方便编程也可以将各工步的加工路线绘成文件形式的加工路线图 不同的数控机床, 其数控加工工艺文件的内容有所不同, 为了加强技术文件管理, 数控加工工艺文件也应向标准化 规范化的方向发展 但目前由于种种原因国家尚未制定统一的标准, 各企业应根据本单位的特点制定上述必要的工艺文件 下面介绍数控机床常用的数控加工工序卡和数控加工刀具卡, 仅供参考 1. 数控加工工序卡数控加工工序卡是用来编制程序的依据, 以及用来指导操作者进行生产的一种工艺文件 其内容包括工序及各工步的加工内容 ; 本工序完成后工件的形状 尺寸和公差 ; 各工步切削参数 ; 本工序所使用的机床 刀具和工艺工装等 见表 2-5: 若在数控机床上只加工零件的一个工步时, 也可不填写工序卡 在工序加工内容不十分复杂时, 可把零件草图反映在工序卡上, 并注明编程原点和对刀点 36

25 第 2 章数控加工工艺分析与程序编制 37 表 2-5 数控加工工序卡 ( 工厂 ) 数控加工工序卡 产品名称或代号零件名称材料零件图号 工序号程序编号夹具名称夹具编号使用设备车间 工步号 工步内容 加工面 刀具号 刀具规格 /mm 主轴转速 /(r/min) 进给速度 /(mm/min) 或进给量 /(mm/r) 背吃刀量 /mm 备注 编制审核批准共页第页 2. 数控加工刀具卡数控加工刀具卡主要包括刀具的详细资料, 有刀具号 刀具名称及规格 刀辅具等 不同类型的数控机床刀具卡也不完全一样 数控加工刀具卡同数控加工工序卡一样, 是用来编制零件加工程序和指导生产的重要工艺文件 加工中心数据加工刀具卡的格式见表 2-6 表 2-6 数控加工刀具卡 ( 加工中心用 ) 格式 产品名称零件名称零件图号程序编号 工步刀具号刀具名称刀柄型号 刀 直径 /mm 具 长度 /mm 补偿量 /mm 备注 编制审核批准共页第页 2.2 图形的数学处理 对零件图形进行数学处理 ( 又称数值计算 ) 是数控编程前的主要准备工作, 无论对于手工编程还是自动编程都是必不可少的 图形的数学处理就是根据零件图样的要求, 按照已 37

26 38 机床数控技术 确定的加工路线和允许的编程误差, 计算出数控系统所需输入的数据 图形数学处理的内容主要有 3 个方面, 即基点和节点计算 刀位点轨迹计算和辅助计算 基点计算 一个零件的轮廓曲线常常由不同的几何元素组成, 如直线 圆弧 二次曲线等 各几何元素间的连接点称为基点, 如两直线的交点, 直线与圆弧的交点或切点, 圆弧与圆弧的交点或切点, 圆弧或直线与二次曲线的切点或交点等 两个相邻基点之间只能有一个几何元素 平面零件轮廓大多由直线和圆弧组成, 而现代数控机床的数控系统都具有直线插补和圆弧插补功能, 所以平面零件轮廓曲线的基点计算比较简单 一般基点的计算可根据图样给定条件, 用几何法 解析几何法 三角函数法或用 AutoCAD 画图求得 当用解析几何法求基点时, 应首先选定零件坐标系的原点, 列出各直线和圆弧的数学方程, 再联立相关方程求解 对于所有直线均可化为一般式 : Ax + By + C = 0 对于所有圆弧, 均可化为圆的标准方程式 : (x-ξ) 2 + (y-η) 2 = R 2 式中 ξ η 圆弧的圆心坐标 ; R 圆弧半径 节点计算 如果零件的轮廓曲线不是由直线或圆弧构成 ( 如可能是椭圆 双曲线 抛物线 一般二次曲线 阿基米德螺旋线等曲线 ), 而数控装置又不具备其他曲线的插补功能时, 要采取用直线或圆弧逼近的数学处理方法 即在满足允许编程误差的条件下, 用若干直线段或圆弧段分割逼近给定的曲线 相邻直线段或圆弧段的交点或切点称为节点 对于立体型面零件, 应根据允许误差将曲线分割成不同的加工截面, 各截面上的轮廓曲线也要进行基点和节点计算 节点计算方法较多, 下面主要介绍几种常用方法 1. 等间距法直线逼近节点计算 等间距法直线逼近节点计算方法简单, 其特点是每个程序段的某一个坐标增量相等 在直角坐标系中可使相邻节点的 x 坐标增量或 y 坐标增量相等 ; 在极坐标系中, 可使相邻节点间的转角坐标增量或径向增量相等 根据曲线的表达式求出另一个坐标值, 即得节点坐标 如图 2.38 所示, 由起点开始沿 x 轴方向取 Δ x 为等间距长, 由曲线方程 y = f (x) 求得 y i, 设 x i+1 = x i + Δ x,y i+1 = f (x i + Δ x ), 可求出一系列节点坐标值作为编程数据 这种方法的关键是确定间距值, Δ x 取决于曲线的曲率和允许误差 δ 允, 常根据加工精度凭经验选取, 一般选取 Δ x =0.1mm, 再进行误差验算 在图 2.38 中,mn 为一逼近直线段, 作 mn 平行于 mn 且与曲线的距离为逼近允许误差 δ 允, 则 mn 的方程为 Ax + By + C = 0 式中 A = y n - y m ; 38

27 mn 的方程为 第 2 章数控加工工艺分析与程序编制 39 B = x n - x m ; C = y m x n - x m y n Ax + By = C ±δ 2 2 A + B 式中 δ 直线 mn 与 mn 间的距离 联立上述二方程得 2 2 Ax + By = C ±δ A + B y= f (x) 求解时, 若方程组无解, 则表明逼近误差小于允许误差, Δ x 取值合适 若方程有唯一解时, 不满足 δ δ 允, 则减小 Δ x 的取值 一般取 δ 允为零件公差的 1/10~1/5 2. 等步长法直线逼近节点计算 图 2.38 等间距法直线逼近求节点 等步长法直线逼近节点计算方法的特点是使所有逼近线段的长度相等, 亦即每个程序段的长度相等, 如图 2.39 所示 由于轮廓曲线各处的曲率不等, 这种方法在各程序段产生的插补误差 δ 也不等, 所以编程时必须使最大插补误差小于 δ 允 该方法的关键是根据 δ 确定程序段长度 一般认为最大插补误差发生在最小曲率半径处 其计算步骤如下 (1) 求曲线最小曲率半径 ρ min 曲线 y= f(x) 上任一点的曲率半径为 令 d ρ /dx = 0, 得 ρ = 2 dy 1 + dx 2 2 d y/dx 3/ d y dy dy d y = 3 dx dx dx dx 2 3 dy dx d y 2 dx d y 可根据 y=f (x) 求得, 从而可得到 x 轴坐标, 再代入曲率半径公式即可 3 dx 求得 ρ min (2) 确定步长 以 ρ min 为半径作曲率圆 ( 图 2.39) 给定的逼近允许误差 δ 允对应的弦长 l 为 39

28 40 机床数控技术 ( ) 2 l = 2 ρ ρ δ 2 2ρ δ 2 min min 允 min 允 (3) 求节点 以曲线起点 a 为圆心, 以 l 半径作圆, 求出该圆与已知曲线的交点 b, 即解方程组 : ( x - x 0 ) 2 + ( y - y 0 ) 2 = l 2 标值 y = f(x) 其解作为节点 b 的坐标 顺次以 b,c, 为圆心, 重复步骤 (3) 即可求出各节点的坐 图 2.39 等步长法直线逼近求节点 3. 等误差法 ( 变步长法 ) 直线逼近节点计算 等误差法计算节点的特点是使零件轮廓曲线上各逼近线段的逼近误差相等, 且小于或等于 δ 允, 各逼近线段的长度不相等, 如图 2.40 所示 计算节点的过程如下 (1) 以起点 (x 0,y 0 ) 为圆心,δ 允为半径作圆, 方程为 (x - x 0 ) 2 + (y - y 0 ) 2 2 = δ 允 (2) 求圆与轮廓曲线公切线的斜率 k 设公切线方程为 y = kx + b 式中 k = (Y 1 - Y 0 ) / (X 1 - X 0 ) 因此求 k 即相当于求出两切点的坐标, 即 (X 0,Y 0 ),(X 1,Y 1 ) 联立方程得 Y 1 - Y 0 = f (X 1 ) (X 1 - X 0 ) ( 曲线切线方程 ) (X 0 - x 0 ) 2 + (Y 0 - y 0 ) 2 2 =δ 允 ( 圆方程 ) Y 1 - Y 0 = F (X 0 ) (X 1 - X 0 ) ( 圆切线方程 ) Y 1 = f (X 1 ) ( 曲线方程 ) 式中, F ( x 0 ) 表示圆的方程 由此可解得 (X 0,Y 0 ),(X 1,Y 1 ) (3) 求节点 过起点 (x 0,y 0 ) 作斜率为 k 的直线 与曲线方程联立 y - y 0 = k (x - x 0 ) y - y 0 = k(x - x 0 ) y = f (x) 可求得第一个节点的坐标 (x 1,y 1 ), 再重复上述计算过程可得其余各节点的坐标值 等误差法中的程序段数目少, 但其计算过程较复杂, 一般要采用计算机程序 40

29 第 2 章数控加工工艺分析与程序编制 41 图 2.40 等误差法直线逼近求节点 4. 圆弧逼近轮廓的节点计算零件轮廓曲线可用一段段的圆弧逼近, 常用的有曲率圆法 三点圆法和相切圆法等 这里主要介绍曲率圆法, 它是一种等误差圆弧逼近法, 应用于曲线 y = f (x) 为单调的情形 若不是单调曲线则可以在拐点处分段, 使每段曲线为单调 其节点计算方法 ( 图 2.41) 如下 图 2.41 曲率圆法求节点 (1) 从轮廓曲线 y = f (x) 的起点 (x n,y n ) 开始作曲率圆 半径为 ρ = n ( y ) 1+ n y 圆心坐标为 ζ n = x n - y n [1+( y n ) 2 ] y n η n = y n + [1 + ( y n ) 2 ] y n (2) 求偏差圆与曲线的交点, 即解联立方程组 : (x -ζ n ) 2 + (y -η n ) 2 = ( ρ n ± δ 允 ) 2 n 2 3/2 y = f (x) 得交点 (x n+1,y n+1 ) 当曲线曲率递减时取( ρ +δ 允 ), 当曲线曲率递增时, 取 ( ρ -δ 允 ) (3) 求过 (x n,y n ) 和 (x n+1,y n+1 ) 两点, 半径为 ρ n 的圆的圆心, 即解联立方程组 : n n 41

30 42 机床数控技术 (x - x n ) 2 +(y - y n ) 2 = ρ 2 n (x - x n+1 ) 2 +(y - y n+1 ) 2 = ρ 2 n 得圆心坐标 (ζ m,η m ) (4) 重复上述计算可依次求得其他逼近圆弧 上述计算均可用计算机程序完成 辅助计算 辅助计算包括增量值计算, 辅助程序段的计算, 螺纹大径 小径计算等 1. 增量值计算 增量值计算是仅就增量坐标的数控系统或绝对坐标中某些数据仍要求以增量方式输入时, 所进行的由绝对坐标数据到增量坐标数据的转换 如在数值计算过程中, 已按绝对坐标值计算出某运动段的起点坐标及终点坐标, 以增量方式表示时, 其换算公式为 : 增量坐标值 = 终点坐标值 - 起点坐标值 计算应在各坐标轴方向上分别进行 例如, 要求以直线插补方式, 使刀具从 a 点 ( 起点 ) 运动到 b 点 ( 终点 ), 已计算出 a 点坐标为 (X a,y a ),b 点坐标为 (X b,y b ), 若以增量方式表示时, 其 X Y 轴方向上的增量分别为 Δ X = X b - X a, Δ Y =Y b - Y a 2. 辅助程序段计算 辅助程序段是指开始加工时, 刀具从起始点到切入点, 或加工完毕时, 刀具从切出点返回到起始点而特意安排的程序段 切入点位置的选择应依据零件加工余量的情况, 适当离开零件一段距离 切出点位置的选择, 应避免刀具在快速返回时发生撞刀, 也应留出适当的距离 ( 表 2-4) 使用刀具补偿功能时, 建立刀补的程序段应在加工零件之前写入, 加工完成后应取消刀补 某些零件的加工, 要求刀具 切向 切入和 切向 切出 以上程序段的安排, 在绘制进给路线时, 应明确的表示出来 数值计算时, 按照进给路线的安排, 计算出各相关点的坐标, 其数值计算一般比较简单 3. 螺纹大径 小径计算 螺纹牙型高度是指在螺纹牙型上, 牙顶到牙底之间垂直于螺纹轴线的距离, 如图 2.42 所示 它是车削时车刀的总切入深度 图 2.42 螺纹牙型高度 根据 GB/T 普通螺纹 国家标准规定, 普通螺纹的牙型理论高度 H=0.866P, 实际加工时, 由于螺纹车刀刀尖半径的影响, 螺纹的实际切深有变化 根据 GB/T

31 第 2 章数控加工工艺分析与程序编制 43 普通螺纹公差 规定, 螺纹车刀可在牙底最小削平高度 H/8 处削平或倒圆 则螺纹实际牙型高度可按下式计算 : h = H 2 (H/8) = 式中 H 螺纹原始三角形高度,H=0.866P(mm); P 螺距 (mm) 所以螺纹大径 d 1 和小径 d 2 可用下式计算 : d 1 = d P d 2 = d P 式中 d 螺纹公称尺寸 (mm); d 1 螺纹大径 (mm); d 2 螺纹小径 (mm) 如果螺纹牙型较深 螺距较大, 可分几次进给 每次进给的背吃刀量用螺纹深度减去精加工背吃刀量所得的差按递减规律分配, 如图 2.43 所示 常用螺纹切削的进给次数与背吃刀量可参考表 2-7 选取 在实际加工中, 当用牙型高度控制螺纹直径时, 一般通过试切来满足加工要求 图 2.43 螺纹进刀切削方法 表 2-7 常用螺纹切削的进给次数与背吃刀量 ( 单位 :mm) 公制螺纹 螺距 牙深 背吃刀量及进给次数 1 次 次 次 次 次 次 次 次 次

32 44 机床数控技术 公制螺纹 牙 /in 24 牙 18 牙 16 牙 14 牙 12 牙 10 牙 8 牙 牙深 背 1 次 吃 2 次 刀量 3 次 及 4 次 进给 5 次 次 6 次 数 7 次 0.17 注 :1in=2.54mm ( 续 ) 2.3 数控加工的程序编制 由于数控机床是按照预先编制好的程序自动加工零件, 程序编制的好坏将直接影响到数控机床的正确使用和数控加工特点的发挥 因此, 编程人员除了要熟悉数控机床 刀夹具以及数控系统的性能以外, 还必须熟悉数控机床编程的方法 内容与步骤 编程标准与规范等, 并不断地积累编程经验, 以提高编程质量和效率 数控机床编程基础 1. 数控机床编程的内容与步骤 数控机床编程的内容主要包括 : 分析被加工零件的零件图, 确定加工工艺过程, 数值计算, 编写程序单, 输入数控系统, 程序校验和首件试切等 数控机床编程的步骤一般如图 2.44 所示 44 图 2.44 数控机床编程的步骤 1) 分析零件图通过对工件材料 形状 尺寸精度及毛坯形状和热处理的分析, 确定工件在数控机床上进行加工的可行性 2) 工艺处理选择适合数控加工的加工工艺, 是提高数控加工技术经济效果的首要因素 制定数控加工工艺除需考虑通常的一般工艺原则外, 还应考虑充分发挥所有数控机床的指令功能 ; 正确选择对刀点 ; 尽量缩短加工路线, 减少空行程时间和换刀次数 ; 尽量使数值计算方便,

33 第 2 章数控加工工艺分析与程序编制 45 程序段要少等 3) 数值计算数值计算是指根据加工路线计算刀具中心的运动轨迹 对于带有刀补功能的数控系统, 只需计算出零件轮廓相邻几何元素的交点 ( 或切点 ) 的坐标值, 得出各几何元素的起点 终点和圆弧的圆心坐标 如果数控系统无刀补功能, 还应计算刀具中心运动的轨迹 对于形状比较复杂的零件 ( 如非圆曲线 曲面组成的零件 ), 需要用直线段或圆弧段逼近, 计算出逼近线段的交点坐标值, 并限制在允许的误差范围以内 这种情况一般要用计算机来完成数值计算的工作 4) 编写程序单在完成工艺处理和数值计算工作后, 可以编写零件加工程序, 编程人员根据所使用数控系统的指令 程序段格式, 逐段编写零件加工程序 编程人员应对数控机床的性能 程序指令代码以及数控机床加工零件的过程等非常熟悉, 才能编写出正确的零件加工程序 5) 输入数控系统程序编写好之后, 可通过键盘等直接将程序输入数控系统, 也可通过磁盘驱动器或 RS232 接口输入数控系统 比较老一些的数控系统需要制作穿孔带 磁带等控制介质, 再将控制介质上的程序输入数控系统, 现在已被淘汰, 但是规定的穿孔带代码标准没有变 6) 程序校验和首件试切程序送入数控系统后, 通常需要经过试运行和试加工两步检查后, 才能进行正式加工 通过试运行, 校对检查程序, 也可利用数控机床的空运行功能进行检验, 检查机床的动作和运动轨迹的正确性 对带有刀具轨迹动态模拟显示功能的数控机床可进行数控模拟加工, 以检查刀具轨迹是否正确 ; 通过试加工可以检查其加工工艺及有关切削参数设定得是否合理, 加工精度能否满足零件图要求, 加工工效如何, 以便进一步改进, 直到加工出满意的零件为止 2. 数控机床程序编制方法 数控机床程序编制方法可分为手工编程和自动编程两种 1) 手工编程手工编程是指各个步骤均由手工编制, 即从零件图分析 工艺处理 数据计算 编写程序单 输入程序到程序检验等各步骤主要由人工完成的编程过程 对形状简单的工件, 计算比较简单, 程序不多, 采用手工编程较容易完成, 而且经济 及时, 因此在简单的点定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 但对于几何形状复杂的零件, 特别是具有列表曲线 非圆曲线及曲面的零件 ( 如叶片 复杂模具 ), 或者表面的几何元素并不复杂而程序量很大的零件 ( 如复杂的箱体 ), 手工编程就有一定的困难, 出错的概率增大, 有的甚至无法编出程序, 因此必须采用自动编程的方法编制程序 2) 自动编程自动编程也称为计算机辅助编程, 是利用计算机专用软件编制数控加工程序的过程 它包括数控语言式自动编程和图形交互式自动编程 关于自动编程的有关概念将在 节中进行介绍 3. 字符与代码 1) 字符与代码的含义字符 (character) 是用来组织 控制或表示数据的一些符号, 如数字 字母 标点符号 45

34 46 机床数控技术 数学运算符等 它是加工程序的最小组成单位 常规加工程序用的字符分 4 类 第一类是字母, 它由 26 个大写字母组成 第二类是数字和小数点, 它由 0~9 共 10 个数字及一个小数点组成 第三类是符号, 由正号 (+) 和负号 (-) 组成 第四类是功能字符, 它由程序开始 ( 结束 ) 符 % 程序段结束符 ; 跳过任选程序段符 / 等组成 代码由字符组成, 数控机床功能代码的标准有美国电子工业协会 (EIA) 制定的 EIA RS 244 和国际标准化组织 (ISO) 制定的 ISORS 840 两种标准 国际上大都采用 ISO 代码, 我国机械工业部根据 ISO 标准制定了 JB/T 数控机床穿孔带程序段格式中的准备功能 G 和辅助功能 M 的代码 2) 数控机床功能代码数控机床功能代码主要包括准备功能代码和辅助功能代码 准备功能 (G 功能 ) 是使数控机床建立起某种加工方式的指令, 如插补 刀具补偿 固定循环等 G 功能代码由地址符 G 和后面的两位数字组成 辅助功能 (M 功能 ) 用于指定主轴的旋转方向 启动 停止 切削液的开关, 工件或刀具的夹紧和松开, 刀具的更换等功能 从功能代码由地址符 M 和后面的两位数字组成 不同数控系统的 G 功能代码 M 功能代码及其功能略有不同, 详见以后各节内容 4. 数控机床的坐标系 统一规定数控机床坐标轴及其运动方向, 是为了准确地描述机床的运动, 简化程序的编制方法, 使所编程序具有互换性 目前,ISO 已经统一了标准坐标系 我国已制定了 JB/T 数控机床坐标和运动方向的命名 1) 坐标系及运动方向的规定 标准的坐标系采用右手笛卡儿直角坐标系, 如图 2.45 所示 这个坐标系的各个坐标轴与机床的主要导轨相平行 直角坐标系 X Y Z 三者的关系及其方向用右手定则判定 ; 围绕 X Y Z 各轴回转的运动及其正方向 +A +B +C 分别用右手螺旋定则确定 46 图 2.45 右手笛卡儿直角坐标系

35 第 2 章数控加工工艺分析与程序编制 47 通常在坐标轴命名或编程时, 不论机床在加工中是刀具移动, 还是被加工工件移动, 都一律假定被加工工件相对静止不动, 而刀具在移动, 即刀具相对运动的原则, 并同时规定刀具远离工件的方向为坐标的正方向 2) 机床坐标轴的确定确定机床坐标轴时, 一般是先确定 Z 轴, 然后再确定 X 轴和 Y 轴 Z 轴的确定 Z 轴的方向是由传递切削力的主轴确定的, 标准规定 : 与主轴轴线平行的坐标轴为 Z 轴, 并且刀具远离工件的方向为 Z 轴的正方向, 如图 2.46 所示 对于没有主轴的机床, 如牛头刨床等, 则以与装夹工件的工作台面相垂直的直线作为 Z 轴方向 如果机床有几根主轴, 图 2.46 卧式车床则选择其中一个与工作台面相垂直的主轴, 并以它来确定 Z 轴方向 ( 如龙门铣床 ) X 轴的确定 平行于导轨面, 且垂直于 Z 轴的坐标轴为 X 轴 X 坐标是在刀具或工件定位平面内运动的主要坐标 对于工件旋转的机床 ( 如车床 磨床等 ),X 轴的方向是在工件的径向上, 且平行于横滑座导轨面 刀具远离工件旋转中心的方向为 X 轴正方向, 如图 2.46 所示 对于刀具旋转的机床 ( 如铣床 镗床 钻床等 ), 如果 Z 轴是垂直的, 则面对主轴看立柱时, 右手所指的水平方向为 X 轴的正方向, 如图 2.47 所示 如果 Z 轴是水平的, 则面对主轴看立柱时, 左手所指的水平方向为 X 轴的正方向, 如图 2.48 所示 图 2.47 立式铣床 图 2.48 卧式铣床 Y 轴的确定 Y 轴垂直于 X Z 轴 Y 轴的正方向根据 X 坐标和 Z 坐标的正方向, 按照右手笛卡儿直角坐标系来判断 旋转运动的确定 围绕坐标轴 X Y Z 旋转的运动, 分别用 A B C 表示 它们的正方向用右手螺旋定则判定, 如图 2.45 所示 附加轴 如果在 X Y Z 主要坐标以外, 还有平行于它们的坐标, 可分别指定为 P Q 和 R 工件运动时的相反方向 对于工件运动而不是刀具运动的机床, 如铣床 镗床 钻床等, 必须将前述刀具运动所作的规定, 做相反的安排 用带 ' 的字母, 如 +Y', 表示工件相对于刀具正向运动指令 而不带 ' 的字母, 如 +Y, 则表示刀具相对于工件负 47

36 48 机床数控技术 向运动指令 二者表示的运动方向正好相反 对于编程人员只考虑不带 ' 的运动方向 3) 数控机床坐标系的原点与参考点数控机床坐标系是机床的基本坐标系, 机床坐标系的原点也称机械原点或机械零点 (M), 这个原点是机床固有的点, 由生产厂家确定, 不能随意改变, 它是其他坐标系和机床内部参考点的出发点 不同数控机床坐标系的原点也不同, 数控车床的机床原点在主轴前端面的中心上, 如图 2.49 所示 M 点 数控铣床的机床原点, 因生产厂家而异, 例如有的数控铣床的机床原点位于机床的左前上方, 如图 2.50 所示 M 点 立式加工中心的机床原点, 一般在机床最大加工范围平面的左前角 如图 2.51 所示 M 点 数控机床参考点 R 也称基准点, 是大多数具有增量位置测量系统的数控机床所必须具有的 它是数控机床工作区确定的一个点, 与机床原点有确定的尺寸联系 参考点在各轴以硬件方式用固定的凸块和限位开关实现 机床每次通电后, 移动件 ( 刀架或工作台 ) 都要进行返回参考点的操作, 数控装置通过移动件 ( 刀架或工作台 ) 返回参考点后确认出机床原点的位置, 从而使数控机床建立机床坐标系 数控车床的参考点 R 在 M 点的右上方 ( 图 2.49 中未标出 ), 数控铣床与立式加工中心的参考点 R 如图 2.50 和图 2.51 所示 用机床原点计算被加工零件上各点的坐标并进行编程是很不方便的, 在编写零件的加工程序时, 常常还要选择一个工件坐标系 ( 又称编程坐标系 ) 关于工件坐标系将在以后几章内容中进行详细介绍 图 2.49 数控车床原点 图 2.50 数控铣床原点 图 2.51 立式加工中心原点 48

37 5. 程序段与程序格式 第 2 章数控加工工艺分析与程序编制 49 1) 程序段在数控机床上, 把程序中出现的英文字母及其字符称为 地址, 如 X Y Z A B C % 等 ; 数字 0~9( 包含小数点 + - 号 ) 称为 数字 通常来说, 每一个不同的地址都代表着一类指令代码, 而同类指令则通过后缀的数字加以区别 地址 和 数字 的组合称为 程序字 ( 亦称代码指令 ), 程序字是组成数控加工程序的最基本单位, 如 N010 G01 X-100 Z200 F0.1 等 程序段是可作为一个单位来处理的连续程序字组, 它实际上是数控加工程序中的一段程序 数控加工程序的主体由若干个程序段组成, 多数程序段用来指令机床完成或执行某一动作 程序段由若干程序字和程序段结束指令构成 如 N010 G01 X-100 Z200 F0.1 ; 就是一个程序段 在书写和打印程序段时, 每个程序段一般占一行, 在屏幕显示程序时也是如此 程序段格式是指一个程序段中程序字 字符 数据的书写规则 不同的数控系统, 往往有不同或大同小异的程序段格式 2) 常规加工程序的格式 数控机床的加工程序, 以程序字作为最基本的单位, 程序字的集合构成了程序段, 程序段的集合构成了完整的加工程序 加工零件不同, 数控加工程序也不同, 但有的程序段是所有程序都必不可少的, 有的却是可以根据需要选择使用的 下面是一最简单的加工程序实例 O001; N01 G00 G90 G54; N02 S800 M03; N03 G00 X100 Y100; N04 Z5; N05 G01 Z-10 F60; N06 G00 Z50; N07 M02; 从上面的程序中可以看出 ; 程序以 O001 开头, 以 M02 结束 在数控机床上, 将 O001 称为程序号,M02 称为程序结束标记 程序中的每一行以 ; 作为分行标记, 被称为程序段结束符 程序号 程序结束标记 加工程序段是任何加工程序都必须具备的三个要素 程序号必须位于程序的开头, 它一般由字母 O 后缀若干位数字组成 根据采用的标准和数控系统的不同, 有时也可以由字符 % 或字母 P 后缀若干位数字组成, 有时还可以直接用多字符程序名 ( 如 TEST1 等 ) 代替程序号 程序号是零件加工程序的代号, 它是加工程序的识别标记, 不同程序号对应着不同的零件加工程序 程序结束标记用 M 功能代码 ( 辅助功能代码 ) 表示, 它必须写在程序的最后, 代表着一个加工程序的结束 程序结束标记代码为 M02 或 M30 程序段作为程序最主要的组成部分, 通常由 N 及后缀的数字 ( 称顺序号或程序段号 ) 开头 ; 以程序段结束标记 CR( 或 LF) 结束 ; 实际使用时, 常用符号 ; 结束标记 数控车削加工程序编制 数控车床主要用来加工轴类零件的内外圆柱面 圆锥面 螺纹表面 成形回转体表面 49

38 50 机床数控技术 等 对于盘类零件可进行钻 扩 铰 镗孔等加工 数控车床还可以完成车端面 切槽等加工 本节以配置 FANUC0T 系统的 MJ460 数控车床为例介绍数控车床的编程 图 2.52 为 MJ460 数控车床的外观图 图 2.52 MJ460 数控车床的外观图 MJ460 数控车床为两坐标连续控制的卧式车床 如图所示, 床身 14 为斜床身, 床身导轨面上支承着导轨护板, 不仅排屑方便, 而且导轨保护性好 床身的左上方安装有主轴箱 4, 主轴采用变频调速, 免去了变速传动装置, 因此使主轴箱的结构变得十分简单 为了快速而又省力地装夹工件, 主轴卡盘 3 的夹紧与松开由主轴尾端的液压缸控制 床身右上方安装有尾座 12 顶尖可由液压缸控制伸缩 滑板的倾斜导轨上安装有回转刀架 11, 其刀盘上有 16 个工位, 最多安装 12 把刀具 8 刀架上有自动切削液喷头 13 滑板上分别安装有 X 轴和 Z 轴的进给传动装置 主轴箱前端面上可以安装对刀仪 2( 其结构见图 2.21), 用于车床的机内对刀 检测刀具时, 对刀仪的转臂 9 摆出, 其上端的接触式传感器测头对所用刀具进行检测 检测完成后, 对刀仪的转臂摆回图中所示的原位, 且测头被锁在对刀仪防护罩 7 中 10 是操作面板 5 是机床防护门, 可以配置手动防护门, 也可以配置气动防护门 数控装置 6 安装在机床的后侧 1 是主轴卡盘夹紧与松开的脚踏开关 1. 数控车床的编程特点 (1) 在一个程序段中, 根据图样上标注的尺寸, 可以采用绝对坐标编程 增量坐标编程或二者混合编程 (2) 由于被加工零件的径向尺寸在图样上和在测量时都以直径值表示, 所以直径方向用绝对坐标编程时 X 以直径值表示, 用增量坐标编程时以径向实际位移量的 2 倍值表示, 并附上方向符号 (3) 由于车削加工常用棒料或锻料作为毛坯, 加工余量较大, 所以为简化编程, 数控装置常具备不同形式的固定循环, 可进行多次重复循环切削 (4) 编程时一般认为车刀刀尖是一个点, 而实际上为了延长刀具寿命和工件表面质量, 车刀刀尖常磨成一个半径不大的圆弧 因此为提高工件的加工精度, 当编制圆头刀程序时需要对刀具半径进行补偿 大多数数控车床都具有刀具半径自动补偿功能 (G41,G42), 这 50

39 第 2 章数控加工工艺分析与程序编制 51 类数控车床可直接按工件轮廓尺寸编程 对不具有此功能的数控车床, 编程时需先计算补偿量 (5) 不同组 G 功能代码可编写在同一程序段内, 且均有效 ; 相同组 G 功能代码若编写在同一程序段内, 后面的 G 功能代码有效 G 功能代码的分组及功能见表 2-8,M 功能代码的功能见表 2-9 表 2-8 G 功能代码的分组及准备功能 序号代码组别功能序号代码组别功能 *G00 G01 G02 G03 G04 G10 G20 *G21 *G25 G26 G27 G 快速定位直线插补圆弧插补 ( 顺时针 ) 圆弧插补 ( 逆时针 ) 暂停数据设定 英制输入公制输入 主轴速度波动检测断主轴速度波动检测通 参考点返回检查参考点返回 13 G32 01 螺纹切削 *G40 G41 G42 07 取消刀尖半径补偿刀尖半径左补偿刀尖半径右补偿 G50 G65 G70 G71 G72 G73 G74 G75 G76 G90 G92 G94 G96 *G97 G98 *G99 注 :1. 00 组的 G 功能代码为非模态, 其他各组中的 G 功能代码均为模态 2. 标有 * 的 G 功能代码为数控系统通电后的状态 表 2-9 M 功能代码的功能 坐标系设定 主轴最大速度设定调用宏循环 精车循环外圆粗车循环端面粗车循环固定形状粗车循环端面钻孔循环外圆车槽循环多头螺纹循环 外圆切削循环螺纹切削循环端面切削循环 主轴恒线速控制取消主轴恒线速控制 每分钟进给每转进给 序号代码功能序号代码功能 1 M00 程序停止 9 M23 切削螺纹倒角 2 M01 选择停止 10 M24 切削螺纹不倒角 3 M02 程序结束 11 M25 误差检测 4 M03 主轴正转 12 M26 误差检测取消 5 M04 主轴反转 13 M30 复位并返回程序开始 6 M05 主轴停止 14 M98 调子程序 7 M08 切削液开 15 M99 返回子程序 8 M09 切削液关 2. 数控车床工件坐标系的设定 在编写工件的加工程序时, 首先是在建立机床坐标系后设定工件坐标系 1) 数控车床坐标系的建立 数控车床欲对工件的车削进行程序控制, 必须首先建立机床坐标系 在数控车床通电 51

40 52 机床数控技术 之后, 当完成了返回机床参考点的操作后,CRT 屏幕上立即显示刀架中心在机床坐标系中的坐标值, 即建立起了机床坐标系 MJ460 数控车床的机床坐标系及机床参考点与机床原点的相对位置如图 2.53 所示 在以下三种情况下, 数控系统失去了对机床参考点的记忆, 因此必须使刀架重新返回机床参考点 (1) 数控车床关机以后重新接通电源开关时 (2) 数控车床解除急停状态后 图 2.53 机床坐标系 (3) 数控车床超程报警信号解除之后 2) 工件坐标系的设定工件坐标系是用于确定工件几何图形上各几何要素 ( 如点 直线 圆弧等 ) 的位置而建立的坐标系, 是编程人员在编程时使用的 工件坐标系的原点就是工件原点, 而工件原点是人为设定的 数控车床工件原点一般设在主轴中心线与工件左端面或右端面的交点处 工件坐标系设定后,CRT 显示屏幕上显示的是基准车刀刀尖相对工件原点的坐标值 编程时, 工件各尺寸的坐标值都是相对工件原点而言的 因此, 数控车床的工件原点又是程序原点或编程原点 建立工件坐标系使用 G50 功能指令, 设定工件坐标系的指令格式如下 G50 X_ Z_ ; 说明 : (1) 格式中 G50 表示工件坐标系的设定,X Z 表示工件原点的位置 (2) 程序如设该指令, 则应设定在刀具运动指令之前 (3) 当系统执行该指令后, 刀具并不运动, 系统根据 G50 指令中的 X Z 值从刀具起始点反向推出工件原点 (4) 在 G50 程序段中, 不允许有其他功能指令, 但 S 指令除外, 因为 G50 还有另一种功用 设定恒切削速度 例如, 如图 2.54 所示,O 为工件原点,P 0 为刀具起始点, 设定工件坐标系指令为 G50 X300 Z480; 车床刀架的换刀点是指刀架转位换刀时所在的位置 换刀点是任意一点, 可以和刀具起始点重合, 它的设定原则是以刀架转位时不碰撞工件和车床上其他部件为准则 换刀点的坐标值一般用实测的方法来设定 52

41 第 2 章数控加工工艺分析与程序编制 53 图 2.54 工件坐标系 3. 常用编程指令的使用 1) 快速定位指令 G00 格式 :G00 X(U)_ Z(W)_; 说明 : (1) G00 指令使刀具在点位控制方式下从当前点以快移速度向目标点移动,G00 可以简写成 G0 绝对坐标(X Z) 和增量坐标 (U W) 可以混编 不运动的坐标可以省略 (2) X U 的坐标值均为直径量 (3) 程序中只有一个坐标值 X 或 Z 时, 刀具将沿该坐标方向移动 ; 有两个坐标值 X 和 Z 时, 刀具将先以 1 1 步数两坐标联动, 然后单坐标移动, 直到终点 (4) G00 快速移动速度由机床设定 (X 轴 :12m/min;Z 轴 :16m/min), 可通过操作面板上的速度修调开关进行调节 例如 : 如图 2.55 所示, 刀尖从 A 点快进到 B 点, 分别用绝对坐标 增量坐标和混合坐标方式写出该程序段 ( 直径编程 ) 图 2.55 快速定位指令实例绝对坐标方式 :G00 X40 Z58; 增量坐标方式 :G00 U-60 W-28.5; 混合坐标方式 :G00 X40 W-28.5; 或 G00 U-60 Z58; 2) 直线插补指令 G01 格式 :G01 X(U)_ Z(W)_ F_; 说明 : (1) G01 指令使刀具以 F 指定的进给速度直线移动到目标点, 一般将其作为切削加工运动指令, 既可以单坐标移动, 又可以两坐标同时插补运动 X(U) Z(W) 为目标点坐标 F 53

42 54 机床数控技术 为进给速度 ( 进给率 ), 在 G98 指令下,F 为每分钟进给 (mm/min); 在 G99( 默认状态 ) 指令下, F 为每转进给 (mm/r) (2) 程序中只有一个坐标值 X 或 Z 时, 刀具将沿该坐标方向移动 ; 有两个坐标值 X 和 Z 时, 刀具将按所给的终点直线插补运动 例如 : 如图 2.55 所示, 刀具从 B 点以 F0.1(F=0.1 mm/r) 进给到 D 点的加工程序如下 G01 X40 Z0 F0.1; 或 G01 U0 W-58 F0.1; 又如图 2.56 所示, 刀具沿 P 0 P 1 P 2 P 3 P 0 运动 ( 图中 为 G00 方式 ; 为 G01 方式 ) 加工程序如下 绝对坐标方式 : N030 G00 X50 Z2;(P 0 P 1 ) N040 G01 Z-40 F0.1;(P 1 P 2 ) N050 X80 Z-60;(P 2 P 3 ) N060 G00 X200 Z100;(P 3 P 0 ) 增量坐标方式 : N030 G00 U-150 W-98;(P 0 P 1 ) N040 G01 W-42 F0.1;(P 1 P 2 ) N050 U30 W-20; (P 2 P 3 ) N060 G00 U120 W160;(P 3 P 0 ) 3) 圆弧插补指令 G02 G03 格式 :G02(G03) X(U)_ Z(W)_ R_ F_; 或 G02(G03) X(U)_ Z(W)_ I_ K_ F_; 说明 : (1) 该指令控制刀具按所需圆弧运动 G02 为顺时针圆弧插补指令,G03 为逆时针圆弧插补指令 ;X Z 表示圆弧终点绝对坐标,U W 表示圆弧终点相对于圆弧起点的增量坐标, R 表示圆弧半径,I K 表示圆心相对圆弧起点的增量坐标,F 表示进给速度 (2) X U I 均采用直径量编程 例如 : 如图 2.57 所示工件, 加工顺时针圆弧的程序如下 图 2.56 直线插补 图 2.57 顺时针车圆弧 54 绝对坐标方式 : N050 G01 X20 Z-30 F0.1; N060 G02 X40 Z-40 R10 F0.08;

43 第 2 章数控加工工艺分析与程序编制 55 增量坐标方式 : N050 G01 U0 W-32 F0.1; N060 G02 U20 W-10 I20 K0 F0.08; 例如 : 如图 2.58 所示的工件, 加工逆时针圆弧的程序如下 绝对坐标方式 : N050 G01 X28 Z-40 F0.1; N060 G03 X40 Z-46 R6 F0.08; 增量坐标方式 : N050 G01 U0 W-42 F0.1; N060 G03 U12 W-6 R6 F0.08; 4) 程序延时 ( 暂停 ) 指令 G04 格式 :G04 X_; 或 G04 U_; 或 G04 P_; 说明 : (1) G04 指令按给定时间延时, 不做任何动作, 延时结束后再自动执行下一段程序 该指令主要用于车削环槽 不通孔及自动加工螺纹时可使刀具在短时间无进给方式下进行光整加工 (2) X U 表示 s( 秒 ),P 表示 ms( 毫秒 ) 程序延时时间范围为 16ms~ s 例如 : 程序暂停 2.5s 的加工程序如下 G04 X2.5; 或 G04 U2.5; 或 G04 P2500; 5) 英制和公制输入指令 G20 G21 格式 :G20(G21) 说明 : (1) G20 表示英制输入,G21 表示公制输入 G20 和 G21 是两个可以相互取代的代码, 但不能在一个程序中同时使用 G20 和 G21 (2) 机床通电后的状态为 G21 状态 6) 进给速度控制指令 G98 G99 格式 :G98(G99) 说明 : (1) G98 为每分进给 (mm/min),g99 为每转进给 (mm/r) G98 通常用于数控铣床 加工中心类进给指令,G99 通常用于数控车床类进给指令 G99 为该数控车床通电后的状态 (2) 在机床操作面板上有进给速度倍率开关, 进给速度可在 0~150% 范围内以每级 10% 进行调整 在零件试切削时, 进给速度的修调可使操作者选取最佳的进给速度 7) 参考点返回检测指令 G27 格式 :G27 X(U)_;(X 向参考点检查 ); G27 Z(W)_;(Z 向参考点检查 ); G27 X(U)_ Z(W)_;(X Z 向参考点检查 ) 图 2.58 逆时针车圆弧 55

44 56 机床数控技术 说明 : (1) G27 指令用于参考点位置检测 执行该指令时刀具以快速运动方式在被指定的位置上定位, 到达的位置如果是参考点, 则返回参考点灯亮 仅一个轴返回参考点时, 对应轴的灯亮 若定位结束后被指定的轴没有返回参考点则出现报警 执行该指令前应取消刀具位置偏置 (2) X Z 表示参考点的坐标值,U W 表示到参考点所移动的距离 (3) 执行 G27 指令的前提是机床在通电后必须返回过一次参考点 8) 自动返回参考点指令 G28 格式 :G28 X(U)_;X 向返回参考点 G28 Z(W)_;Z 向返回参考点 G28 X(U)_ Z(W)_;X Z 向同时返回参考点说明 : (1) G28 指令可使被指令的轴自动地返回参考点 X(U) Z(W) 是返回参考点过程中的中间点位置, 用绝对坐标或增量坐标指令 如图 2.59 所示, 在执行 G28 X80 Z50; 程序后, 刀具以快速移动速度从 B 点开始移动, 经过中间点 A(40,50), 移动到参考点 R; 或编程 G28 U2 W2; 后, 则刀具沿 X Z 向快速离开 B 点, 经过中间点 ( 相对于 B 点 U=2, W=2), 移动到参考点 R 图 2.59 自动返回参考点 (2) X(U) Z(W) 是刀架出发点与参考点之间的任一中间点, 但此中间点不能超过参考点 有时为保证返回参考点的安全, 应先 X 向返回参考点, 然后 Z 向再返回参考点 9) 主轴控制指令 G96 G97 格式 :G96 S_; G97 S_; 说明 : (1) G96 指令用于接通机床恒线速控制, 此处 S 指定的数值表示切削速度 (m/min) 数控装置从刀尖位置处计算出主轴转速, 自动而连续的控制主轴转速, 使之始终达到由 S 指定的数值 设定恒线速可以使工件各表面获得一致的表面粗糙度 (2) G97 指令用于取消恒线速控制, 并按 S 指定的主轴转速旋转, 此处 S 指定的数值表示主轴转速 (r/min), 也可以不指定 S (3) 在恒线速控制中, 由于数控系统是将 X 的坐标值当作工件的直径来计算主轴转速, 所以在使用 G96 指令前必须正确的设定工件坐标系 56

45 第 2 章数控加工工艺分析与程序编制 57 (4) 当刀具逐渐靠近工件中心时, 主轴转速会越来越高, 此时工件有可能因卡盘调整压力不足而从卡盘中飞出 为防止这种事故发生, 在使用 G96 指令之前, 最好设定 G50 指令来限制主轴最高转速 10) 主轴最高转速设定指令 G50 格式 :G50 S_; 说明 : (1) G50 指令有坐标系设定和主轴最高转速设定两种功能, 此处指后一种功能, 用 S 指定的数值来设定主轴最高转速 (r/min), 如 G50S2000; 是把主轴最高转速设定为 2000r/min (2) 在设置恒线速度后, 由于主轴的转速在工件不同截面上是变化的, 为防止主轴转速过高而发生危险, 在设置恒线速度前, 可以将主轴最高转速设定在某一个最高值, 切削过程中当执行恒线速度时, 主轴最高转速将被限制在这个最高值 11) 螺纹车削指令 G32 格式 :G32 X(U)_ Z(W)_ F_; 说明 : (1) 使用 G32 指令可进行等螺距的直螺纹 圆锥螺纹以及端面螺纹的切削 (2) X(U) Z(W) 为螺纹终点坐标,F 为长轴螺距, 如图 2.60 所示, 若锥角 α 45,F 表示 Z 轴螺距, 否则 F 表示 X 轴螺距 F=0.001 mm~500 mm (3) δ 1 δ 2 为车削螺纹时的切入量与切出量, 如图 2.29 和表 2-4 所示 一般 δ 1 =2 mm~ 5 mm,δ 2 =(1/4~1/2)δ 1 (4) 背吃刀量及进给次数可参考表 2-7, 否则难以保证螺纹精度, 或会发生崩刀现象 (5) 车削螺纹时, 主轴转速应在保证生产效率和正常切削的情况下, 选择较低转速 一般按机床或数控系统说明书中规定的计算式进行确定, 可参考公式 n 螺 n 允 / P 式中 n 允编码器允许的最高工作转速 (r/min); P 工件螺纹的螺距或导程 (mm) (6) 在螺纹粗加工和精加工的全过程中, 不能使用进给速度倍率开关调节速度, 进给速度保持开关也无效 例如 : 如图 2.61 所示直螺纹车削 已知直螺纹车削参数 : 螺纹螺距 P =2 mm, 引入量 δ 1 =3 mm, 超越量 δ 2 =1.5 mm, 分两次车削, 背吃刀量为 a p =0.5 mm 图 2.60 螺纹加工 图 2.61 直螺纹车削 57

46 58 机床数控技术 程序如下 : N100 G00 U-60; N110 G32 W-74.5 F2; N120 G00 U60; N130 W74.5; N140 U-61; N150 G32 W-74.5 F2; N160 G00 U61; N170 W74.5; 例如 : 如图 2.62 所示圆锥螺纹车削, 已知圆锥螺纹切削参数 : 螺纹螺距 P =3.5 mm, 引入量 δ 1 =2 mm, 超越量 δ 2 =1 mm, 分两次车削, 背吃刀量 a p =0.5 mm 程序如下 : N100 G00 X13 Z72; N110 G32 X42 W-43 F3.5; N120 G00 X50; N130 Z72; N140 X12; N150 G32 X41 W-43 F3.5; N160 G00 X50; N170 Z72; 图 2.62 圆锥螺纹车削 4. 车削加工循环车削加工余量较大的表面时需多次进刀切除, 此时采取固定循环程序可以缩短程序段的长度, 节省编程时间 1) 单一外形固定循环指令 G90 G92 G94 (1) 外径 内径车削循环指令 G90 圆柱面车削循环的编程格式 :G90 X(U)_ Z(W)_ F_; 圆锥面车削循环的编程格式 :G90 X(U)_ Z(W)_ R_ F_; 说明 : 1 X Z 为终点坐标,U W 为终点相对于起点坐标值的增量 如图 2.63 所示为圆柱面车削循环, 图中 R 表示快速进给,F 为按指定速度进给 用增量坐标编程时地址 U W 58

47 第 2 章数控加工工艺分析与程序编制 59 的符号由轨迹 1 2 的方向决定, 沿负方向移动为负号, 否则为正号 单程序段加工时, 按一次循环启动键, 可进行 的轨迹操作 图 2.64 所示为圆锥面车削循环, 图中 R 表示圆锥体大小端的差值,X(U) Z(W) 的意义同 G90 指令 用增量坐标编程时要注意 R 的符号, 确定方法是锥面起点坐标大于终点坐标时为正, 反之为负 G90 指令可用来车削外径, 也可用来车削内径 图 2.63 圆柱面车削循环 图 2.64 圆锥面车削循环 2 G90 G92 G94 都是模态量, 当这些代码在没有被同组的其他代码 (G00 G01) 取代以前, 程序中又出现 M 功能代码时, 则先将 G90 G92 G94 代码重新执行一遍, 然后才执行 M 功能代码, 这一点在编程时要特别注意 例如 :N100 G90 U-50 W-20 F0.2; N110 M00; 当执行完 N110 段时, 先重复执行 N100 段的动作, 然后再执行 N110 段 为避免这种情况, 应将程序段改为 N100 G90 U-50 W-20 F0.2; N110 G00 M00; 此处仅取消 G90 状态, 并不执行任何动作 (2) 螺纹车削循环指令 G92 直螺纹车削循环的编程格式 ( 图 2.65(b)): G92 X(U)_ Z(W)_ F_; 圆锥螺纹车削循环的编程格式 ( 图 2.65(a)):G92 X(U)_ Z(W)_ R_ F_; 说明 : 1 G92 指令可使螺纹加工用车削循环完成, 其中 X(U) Z(W) 为终点坐标,F 为螺纹的导程,R 为圆锥螺纹大小端的差值 地址 U W 的符号判别同 G90 指令 2 螺纹的导程范围及主轴速度的限制等与 G32 指令相同 (3) 端面车削循环指令 G94 端面车削循环包括直端面车削循环和圆锥端面车削循环 直端面车削循环编程格式 ( 图 2.66): G94 X(U)_ Z(W)_ F_; 圆锥端面车削循环编程格式 ( 图 2.67):G94 X(U)_ Z(W)_ R_ F_; 各地址代码的用法同 G90 指令 59

48 60 机床数控技术 图 2.65 螺纹车削循环 2) 复合固定循环指令这类循环指令用于无法一次走刀即能加工到规定尺寸的场合, 主要在粗车和多次走刀车螺纹的情况下使用 如在一根棒料上车削阶梯相差较大的轴, 或车削铸 锻件的毛坯余量时都有一些重复进行的动作, 且每次走刀的轨迹相差不大 利用复合固定循环指令, 只要编出最终走刀路线, 给出每次切除的余量深度或循环的次数, 机床即可自动地重复切削, 直到工件完成为止 主要有以下几种复合固定循环指令 图 2.66 直端面车削循环 图 2.67 圆锥端面车削循环 (1) 外径 内径粗加工循环指令 G71 格式 :G71 P ns Q nf UΔ u WΔ w DΔ d (F_ S_ T); 说明 : 1 G71 指令适用于圆柱毛坯料粗车外径和圆筒毛坯料粗车内径 G71 指令程序段内要指定精加工工件程序段的顺序号 精加工余量 粗加工每次切深 F 功能 S 功能 T 功能等, 刀具循环路径如图 2.68 所示 2 ns 为精加工第一个程序段的顺序号 ;nf 为精加工最后一个程序段的顺序号 ; Δu 为 X 轴方向的精加工余量 ( 直径值 ); Δ w 为 Z 轴方向的精加工余量 ; Δ d 为粗加工每次切深 60

49 第 2 章数控加工工艺分析与程序编制 61 (2) 端面粗加工循环指令 G72 格式 :G72 P ns Q nf UΔ u WΔ w DΔ d (F_ S_ T); 说明 : G72 指令适用于圆柱毛坯料端面方向的加工, 刀具的循环路径如图 2.69 所示 G72 指 令与 G71 指令类似, 不同之处就是刀具路径是按径向方向循环的 图 2.68 外径粗加工循环 图 2.69 端面粗加工循环 (3) 图形重复车削循环指令 G73 格式 :G73 P ns Q nf IΔ i KΔ k U Δ u WΔ w DΔ d (F_S_T); 说明 : 1 G73 指令与 G71 G72 指令功能相同, 只是刀具路径是按工件精加工轮廓进行循环的, 如图 2.70 所示 如铸件 锻件等毛坯已具备了简单的零件轮廓, 这时粗加工使用 G73 指令可以节省时间, 提高功效 2 ns nf Δ u Δ w 的含义与 G71 指令相同 ; Δ i 为 X 轴方向的退出距离和方向 ; Δk 为 Z 轴方向的退出距离和方向 ; Δ d 为粗车次数 (4) 精加工循环指令 G70 格式 :G70 P ns Q nf ; 图 2.70 图形重复车削循环 61

50 62 机床数控技术 说明 : G70 为执行 G71 G72 G73 粗加工循环指令以后的精加工循环指令 在 G70 指令程序段内要给出精加工第一个程序段的序号和精加工最后一个程序段的序号 例 2.1 如图 2.71 所示工件, 试用 G70 G71 指令编程 62 程序如下 : 图 2.71 粗 精车削实例 O1000; 程序名 N010 G50 X200 Z220; 坐标系设定 N020 M04 S800 T0300; 主轴旋转 N030 G00 X160 Z180 M08; 快速到达点 (160,180) N040 G71 P050 Q110 U4 W2 D7 F0.2 S500; 粗车循环, 程序段 N050~N110 N050 G00 X40 S800; 背吃刀量为 7mm N060 G01 W-40 F0.1; N070 X60 W-30; N080 W-20; N090 X100 W-10; N100 W-20; N110 X140 W-20; N120 G70 P050 Q110; 精车循环 N130 G00 X200 Z220 M09; N140 M30; 注意 : 包含在粗车循环 G71 程序段中的 F S T 有效, 包含在 ns 到 nf 中的 F S T 对于粗车无效 因此上例中粗车时的进给量为 0.2 mm/r, 主轴转速为 500 r/min; 精车时进给量为 0.1 mm/r, 主轴转速为 800 r/min 5. 刀具补偿功能 数控车床均有刀具补偿功能, 刀架在换刀时前一刀尖位置和更换新刀具的刀尖位置之间会产生差异, 以及由于刀具的安装误差 刀具磨损和刀具刀尖圆弧半径的存在等, 在数控加工中必须利用刀具补偿功能予以补偿, 才能加工出符合图样形状要求的零件 此外合理地利用刀具补偿功能还可以简化编程

51 第 2 章数控加工工艺分析与程序编制 63 刀具功能又称为 T 功能, 它是进行刀具选择和刀具补偿的功能 格式 :T 刀具补偿号刀具号 说明 : (1) 刀具号从 01~12; 刀具补偿号从 00~16, 其中 00 表示取消某号刀的刀具补偿 (2) 通常以同一编号指令刀具号和刀具补偿号, 以减少编程时的错误, 如 T0101 表示 01 号刀调用 01 补偿号设定的补偿值, 其补偿值存储在刀具补偿存储器内 又如 T0700 表示调用 07 号刀, 并取消 07 号刀的补偿值 数控车床的刀具补偿功能包括刀具位置补偿和刀尖圆弧半径补偿两个方面 1) 刀具位置补偿 刀具位置补偿又称为刀具偏置补偿或刀具偏移补偿, 亦称为刀具几何位置及磨损补偿 在下面 3 种情况下, 均需进行刀具位置的补偿 (1) 在实际加工中, 通常是用不同尺寸的若干把刀具加工同一轮廓尺寸的零件, 而编程时是以其中一把刀为基准设定工件坐标系的, 因此必须将所有刀具的刀尖都移到此基准点 利用刀具位置补偿功能, 即可完成 (2) 对同一把刀来说, 当刀具重磨后再把它准确地安装到程序所设定的位置是非常困难的, 总是存在着位置误差 这种位置误差在实际加工时便成为加工误差 因此在加工前, 必须用刀具位置补偿功能来修正安装位置误差 (3) 每把刀具在其加工过程中, 都会有不同程度的磨损, 而磨损后刀具的刀尖位置与编程位置存在差值, 这势必造成加工误差, 这一问题也可以用刀具位置补偿的方法来解决, 只要修改每把刀具在相应存储器中的数值即可 例如某工件加工后外圆直径比要求的尺寸大 ( 或小 ) 了 0.1mm, 则可以用 U-0.1( 或 U0.1) 修改相应刀具的补偿值 当几何位置尺寸有偏差时, 修改方法类同 刀具位置补偿一般用机床所配对刀仪自动完成, 也可用手动对刀和测量工件加工尺寸的方法, 测出每把刀具的位置补偿量并输入到相应的存储器中 当程序执行了刀具位置补偿功能后, 刀尖的实际位置就代替了原来的位置 值得说明的是, 刀具位置补偿一般是在换刀指令后第一个含有移动指令的程序段中进行, 或者说刀具位置补偿是在上个程序段的执行过程中完成的 例如 N50 程序段为 N50 G00 X50 Z78 T0100; 该程序段中没有刀具补偿, 刀尖运动轨迹如图 2.72(a) 中实线所示, 即从 P 0 运动到 P 1 当增加了刀具补偿之后变为 N50 G00 X50 Z78 T0101; 刀具位置补偿量在 01 号的存储器中, 设定 X= +2 Z= -2, 其运动结果如图 2.72(a) 中虚线所示, 刀尖从 P 0 运动到 P 1 如果下一个程序段是车 φ 50 外圆, 那么刀尖由 P 1 点开始运动, 加工出的零件表面是符合零件图样要求的 如果采用下面的两程序段, 其结果就不同了 63

52 64 机床数控技术 N50 G00 X50 Z78 T0100; N60 G01 Z15 T0101; 执行完 N50 程序段后, 刀尖从 P 0 运动到 P 1, 执行 N60 时再进行刀具补偿, 切削出的工件表面必然是圆锥面, 如图 2.72(b) 中 PP 1 1 虚线所示, 故加工出的是不合格的零件 取消刀具位置补偿是在加工完该道的工序之后, 返回换刀点的程序段中进行的 图 2.72 刀具补偿程序执行情况 2) 刀尖圆弧半径补偿编制数控车床加工程序时, 将车刀刀尖看作一个点 但是为了提高刀具寿命和降低加工表面的粗糙度 R a 的值, 通常是将车刀刀尖磨成半径不大的圆弧, 一般圆弧半径 R 在 0.4mm~1.6mm 之间 如图 2.73 所示, 编程时以理论刀尖点 P( 又称刀位点或假想刀尖点 : 沿刀片圆角切削刃作 X Z 两方向切线相交于 P 点 ) 来编程, 数控系统控制 P 点的运动轨迹 而切削时, 实际起作用的切削刃是圆弧的各切点, 这势必会产生加工表面的形状误差 而刀尖圆弧半径补偿功能就是用来补偿由于刀尖圆弧半径引起的工件形状误差 图 2.73 刀尖圆弧半径对加工精度的影响切削工件的右端面时, 车刀圆弧的切点 A 与理论刀尖点 P 的 Z 坐标值相同 ; 车外圆时车刀圆弧的切点 B 与点 P 的 X 坐标值相同 切削出的工件没有形状误差和尺寸误差, 因此可以不考虑刀尖圆弧半径补偿 如果车削外圆柱面后继续车削圆锥面, 则必存在加工误差 64

53 第 2 章数控加工工艺分析与程序编制 65 BCD( 误差值为刀尖圆弧半径 ), 这一加工误差必须靠刀尖圆弧半径补偿的方法来修正 车削圆锥面和圆弧面部分时, 仍然以理论刀尖点 P 来编程, 刀具运动过程中与工件接触的各切点轨迹为图中所示无刀尖圆弧半径补偿时的轨迹 该轨迹与工件加工要求的轨迹之间存在着图中斜线部分的误差, 直接影响到工件的加工精度, 而且刀尖圆弧半径越大, 加工误差越大 可见, 对刀尖圆弧半径进行补偿是十分必要的 当采用刀尖圆弧半径补偿时, 车削出的工件轮廓就是图中所示工件加工要求的轨迹 3) 实现刀尖圆弧半径补偿功能的准备工作在加工工件之前, 要把刀尖圆弧半径补偿的有关数据输入到存储器中, 以便使数控系统对刀尖的圆弧半径所引起的误差进行自动补偿 (1) 刀尖半径 工件的形状与刀尖半径的大小有直接关系, 必须将刀尖圆弧半径 R 输入到存储器中, 如图 2.74 所示 (2) 车刀的形状和位置参数 车刀的形状有很多, 它能决定刀尖圆弧所处的位置, 因此也要把代表车刀形状和位置的参数输入到存储器中 将车刀的形状和位置参数称为刀尖方位 T 车刀的形状和位置如图 2.75 所示, 分别用参数 0~9 表示,P 点为理论刀尖点 如图 2.75 左下角刀尖方位 T 应为 3 (3) 参数的输入 与每个刀具补偿号相对应有一组 X 和 Z 的刀具位置补偿值 刀尖圆弧半径 R 以及刀尖方位 T 值, 输入刀尖圆弧半径补偿值时, 就是要将参数 R 和 T 输入到存储器中 例如某程序中编入下面的程序段 : N100 G00 G42 X100 Z3 T0101; 若此时输入刀具补偿号为 01 的参数,CRT 屏幕上显示图 2.74 的内容 在自动加工工件的过程中, 数控系统将按照 01 刀具补偿栏内的 X Z R T 的数值, 自动修正刀具的位置误差和自动进行刀尖圆弧半径的补偿 图 2.74 CRT 显示屏幕显示刀具补偿参数 图 2.75 车刀形状和位置 4) 刀尖圆弧半径补偿的方向 在进行刀尖圆弧半径补偿时, 刀具和工件的相对位置不同, 刀尖圆弧半径补偿的指令也不同 图 2.76 表示了刀尖圆弧半径补偿的两种不同方向 65

54 66 机床数控技术 (a) 刀尖圆弧半径右补偿 (b) 刀尖圆弧半径左补偿 图 2.76 刀尖圆弧半径补偿方向如果刀尖沿 ABCDE 运动 [ 图 2.76(a)], 顺着刀尖运动方向看, 刀具在工件的右侧, 即为刀尖圆弧半径右补偿, 用 G42 指令 如果刀尖沿 FGHI 运动 [ 图 2.76(b)], 顺着刀尖运动方向看, 刀具在工件的左侧, 即为刀尖圆弧半径左补偿, 用 G41 指令 如果取消刀尖圆弧半径补偿, 可用 G40 指令编程, 则车刀按理论刀尖点轨迹运动 5) 刀尖圆弧半径补偿的建立或取消指令格式及说明格式 : G41 G00 G42 X(U) Z(W) T F ; G01 G40 说明 : (1) 刀尖圆弧半径补偿的建立或取消必须在位移移动指令 (G00 G01) 中进行 X(U) Z(W) 为建立或取消刀具补偿程序段中刀具移动的终点坐标 ;T 代表刀具功能, 如 T0707 表示用 07 号刀并调用 07 号补偿值建立刀具补偿 ;F 表示进给速度, 用 G00 编程时,F 值可省略 G41 G42 G40 均为模态指令 (2) 刀尖圆弧半径补偿和刀具位置补偿一样, 其实现过程分为三大步骤, 即刀具补偿的建立 刀具补偿的执行和刀具补偿的取消 见 例 2.2 程序 (3) 如果指令刀具在刀尖半径大于圆弧半径的圆弧内侧移动, 程序将出错 (4) 由于系统内部只有两个程序段的缓冲存储器, 因此在刀具补偿的执行过程中, 不允许在程序里连续编制两个以上没有移动的指令, 以及单独编写的 M S T 程序段等 例 2.2 车削如图 2.77 所示零件, 采用刀尖圆弧半径补偿指令编程 图 2.77 刀尖圆弧半径补偿的应用 66

55 第 2 章数控加工工艺分析与程序编制 67 程序如下 : N040 G00 X60 Z292; N050 G42 G01 Z290 F0.1; N060 X120 W-150; N070 X200 W-30; N080 Z50; N090 G40 G00 X300 Z300; 快进接近工件刀尖圆弧半径右补偿的建立车削圆锥面车削圆锥台阶面车削 φ 200 外圆面退刀并取消刀具补偿 6. 辅助功能辅助功能又称 M 功能, 主要控制机床主轴或其他机电装置的动作, 还可用于其他辅助动作, 如程序暂停 程序结束等 下面仅介绍常用的几种 M 指令 1) 程序停止指令 M00 格式 :M00; 说明 : (1) 系统执行 M00 指令后, 机床的所有动作均停止, 机床处于暂停状态, 重新按下启动按钮后, 系统将继续执行 M00 程序段后面的程序 若此时按下复位键, 程序将返回到开始位置, 此指令主要用于尺寸检验 排屑或插入必要的手工动作等 (2) M00 指令必须单独设一程序段 2) 选择停指令 M01 格式 :M01; 说明 : (1) 在机床操作面板上有 选择停 开关, 当该开关置 ON 位置时,M01 功能同 M00, 当该开关置 OFF 位置时, 数控系统不执行 M01 指令 (2) M01 指令同 M00 一样, 必须单独设一程序段 3) 程序结束指令 M30 M02 格式 :M30(M02); 说明 : (1) M30 表示程序结束, 机床停止运行, 并且系统复位, 程序返回到开始位置 ;M02 表示程序结束, 机床停止运行, 程序停在最后一句 (2) M30 或 M02 应单独设置一个程序段 4) 主轴旋转指令 M03 M04 M05 格式 :M03(M04) S _; M05; 说明 : (1) M03 启动主轴正转,M04 启动主轴反转,M05 使主轴停止转动,S 表示主轴转速, 如 M04 S500 表示主轴以 500r/min 转速反转 (2) M03 M04 M05 可以和 G 功能代码设在一个程序段内 5) 切削液开关指令 M08 M09 格式 :M08(M09); 67

56 68 机床数控技术 说明 : (1) M08 表示打开切削液,M09 表示关闭切削液 (2) M00 M01 M02 M30 指令均能关闭切削液, 如果机床有安全门, 则打开安全门时, 切削液也会关闭 6) 调子程序指令 M98, 子程序返回指令 M99 调子程序格式 :M98 P ; 子程序名调子程序次数子程序返回格式 :M99; 说明 : (1) 如果在一个加工程序的执行过程中又调用了另一个加工程序, 并且被调用的程序执行完后又返回到原来的程序, 则称前一个程序为主程序, 后一个程序为子程序 用调用子程序指令可以对同一子程序反复调用,FANUC-OT 系统最多允许连续调用子程序 999 次, 当在主程序中调用了一个子程序时, 称之为 1 重嵌套 如果在子程序中又调用了另一个子程序, 则称为 2 重嵌套 ( 图 2.78) 该系统只允许 2 重嵌套 68 图 2.78 程序结构 (2) M98 指令编写在主程序中, 表示调子程序,P 最后面的四位数字表示子程序名, 前面其余几位数字为调用子程序的次数 (0~999), 如 M98 P 表示连续调用 O1001 子程序 101 次 ; M98 P52003 表示连续调用 O2003 子程序 5 次 M98 P3000 和 M98 P13000 一样, 表示只调用 O3000 子程序 1 次 (3) M99 指令编写在子程序的最后一句, 表示子程序返回, 并返回到主程序中 子程序为单独编写的一个程序, 编写方法同主程序 (4) 子程序中的内容应视具体情况用增量值编写, 见 例 2.3 例 2.4 (5) 子程序调用主要用在重复加工的场合, 如多刀车削的粗加工, 形状尺寸相同部位的加工等 例 2.3 多刀粗加工的子程序调用 如图 2.79 所示锥面分三刀粗加工, 程序如下 : O1000;( 主程序 ) N010 G50 X280 Z250.8; N020 M04 S700 T0100; N030 G00 X85 Z5 M08; N040 M98 P31001; N050 G28 U2 W2; N060 M30;

57 O1001;( 子程序 ) N010 G00 U-35; N020 G01 U10 W-85 F0.15; N030 G00 U25; N040 G00 Z5; N050 G00 U-5; N060 M99; 第 2 章数控加工工艺分析与程序编制 69 例 2.4 形状相同部位加工的子程序调用如图 2.80 所示, 已知毛坯直径 φ 32mm, 长度 L=80mm, 材料为 45 号钢,01 号刀 (T0101) 为外圆车刀,02 号刀 (T0202) 为刀尖宽 2mm 的切断刀 工件坐标原点设定在零件右端中心, 此点与 01 号刀刀位点 ( 基准刀 ) 的位置是 X=280( 直径量 ),Z=265 程序如下 : O2000;( 主程序 ) N010 G50 X280 Z265; N020 M04 S800 T0100; N030 G00 X35 Z0 M08; N040 G01 X0 F0.08; N050 G00 X30 Z2; N060 G01 Z-53 F0.1; N070 G28 U2 W2; N080 M04 S400 T0200; N090 G00 X32 Z-12 T0202; N100 M98 P12001; N110 G00 Z-32; N120 M98 P12001; N130 G00 Z-52; N140 G01 X0 F0.1; N150 G00 X40 T0200 M09; N160 G28 U2 W2; N170 M30; O2001;( 子程序 ) N010 G01 X20 F0.1; N020 G00 X32; N030 G00 W-8; N040 G01 X20 F0.1; N050 G00 X32; N060 M99; 图 2.79 多刀车削零件图 图 2.80 形状相同部位零件的加工 69