1、数控车床的编程与加工操作第2章 数控车床编程与加工操作21数控车削零件加工工艺分析2.1.1分析零件图样分析零件图样主要考虑以下几个方面：1.构成零件轮廓的几何条件由于设计等多方面的原因，可能在零件图上构成零件加工轮廓的数据不充分，这样可增加编程的难度，甚至会无法编程。例如零件图上漏掉某尺寸，使几何尺寸条件不充分；零件图上的图线位置模糊或尺寸标注不清；零件图上给定的几何条件不合理，造成数学处理困难等。2.尺寸精度要求分析零件图样尺寸精度要求，以判断能否利用车削工艺达到，并控制尺寸精度，同时可以进行尺寸换算，如增量尺寸与绝对尺寸及尺寸链计算等。在利用数控车床车削零件时，通常对零件要求的尺寸取最大
2、和最小极限尺寸的平均值作为编程的尺寸依据。3.形状和位置精度要求加工时，按照零件图样给定的形状，位置公差确定零件的定位基准和测量基准。4.表面粗糙度要求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依据。2.1.2确定毛坯确定毛坯的种类及制造方法主要考虑以下几个方面：1.零件材料及其力学性能零件的材料及其力学性能大致确定了毛坯的种类。例如钢质零件若力学性能要求不太高且形状不十分复杂时可选择型材毛坯，但若要求较高的力学性能，则应选择锻件毛坯。2.零件的结构形状与外形尺寸如形状复杂的大型零件毛坯可采用砂型铸造；一般用途的阶梯轴，若各台阶直径相差不大，可用圆棒料，
3、各台阶直径相差较大时，选择锻件毛坯较为合适；对于锻件毛坯，尺寸大的零件一般选择自由锻造，中小型零件可选择模锻。3.生产类型大批量生产的零件应选择精度和生产率较高的毛坯制造方法，如金属模机器造型或精密铸造、模锻、精锻等；零件产量较小时选择精度和生产率较低的毛坯制造方法。4.现有生产条件确定毛坯的种类及制造方法，还要考虑具体的生产条件，如毛坯制造的工艺水平、设备状况以及对外协作等情况。5.充分考虑利用新工艺、新技术的可能性毛坯制造的新工艺、新技术和新材料的应用，对机械制造的生产率、经济性都会产生很大影响，因此，选择毛坯时要尽可能考虑采用如精铸、精锻、冷挤压、粉末冶金等毛坯制造的新工艺和新技术。2.
4、1.3确定加工方案1.制定工艺路线在数控车床加工过程中，考虑加工对象轮廓曲线形状、位置、材料、批量不同等多方面因素的影响，对零件制定工艺路线时，应考虑以下原则：1)先粗后精（见图2-1）粗加工 半精加工 精加工 半精加工目的：当粗加工满足不了精加工要求时，安排半精加工作为过渡性工序，以便使精加工余量小而均匀。精加工时，零件轮廓由最后一刀连续加工而成。加工刀具的进、退刀位置尽量沿轮廓的切线方向切入和切出。2)先近后远远近按加工部位相对于对刀点的距离大小而言。加工时，离对刀点近的部位先加工，离对刀到点远的位置后加工，以缩短刀具移动距离。例：加工图2-2所示零件。如按38mm 36mm 34mm安排
5、车削，会增加刀具返回对刀点所所需的空行程时间，并在阶台处产生毛刺。因此对第一刀的切削深度未超限时，宜按34mm 36mm 38mm的顺序先近后远安排加工。3)先内后外因为控制内表面的尺寸和形状较困难，对既有内表面（内型、腔），又有外表面的零件加工时 ，先加工内型和内腔，后加工外型表面。4)刀具集中用一把刀加工完相应各部位，再换一把刀加工相应的其他部位，以减少空行程时间和换刀时间。2.确定走刀路线确定走刀路线重点在于确定粗加工及空行程的走刀路线。走刀路线包括：1)刀具引入、切出加工刀具的进、退刀位置尽量沿轮廓的切线方向切入和切出。加工车螺纹时，必须设置升速段L1和降速段L2，避免因车刀升降速而影
6、响螺距的稳定（图2-25）。2)确定最短的空行程路线设计方法及思路如下：巧用对刀点 图2-3a 为采用矩形循环方式进行粗车的一般情况示例。起刀点A的设定考虑在精车等加工过程中需方便的换刀，设置在离坯件较远的位置处，同时将起刀点与对刀点重合，按三刀粗车的走刀路线安排如下：第一刀：A B C D A第二刀：A E F G A第三刀：A H I J A图2-3b将起刀点与对刀点分离，设定为B点，其走刀路线安排如下：起刀点与对刀点分离的空行程为A B第一刀：B C D E B第二刀：B F G H B第三刀：B I J K B显然图2-3b所示的走刀路线短。巧设换刀点考虑换（转）刀的方便和安全，将换（
7、转）刀点设置在离坯件较远的位置处（图2-3a的A点），在换第二把刀时会增加空行程距离。如果将第二把刀的换刀点也设置在图2-3b中的B点上，可缩短空行程距离。 合理安排“回零”路线 如每一刀加工完后，刀具都返回到对刀位置，再执行后续程序，会增加走刀路线距离。应使前一刀终点与后一刀起点间的距离尽量减短或为零。3)确定最短的切削进给路线为了有效地提高生产效率，降低刀具的损耗，应使切削进给路线最短。安排切削进给路线时要兼顾被加工零件的刚性及加工的工艺性等要求。图2-4为粗车图2-1所示例件几种不同切削进给路线的安排示例。图2-4a 表示利用数控系统具有的封闭式复合循环功能而控制车刀进行的走刀路线。图2
8、-4b 表示利用循环程序循环功能安排的“三角形”走刀路线。图2-4c 表示利用矩形循环功能的“矩形”走刀路线。分析以上三种切削进给路线可知，在同等条件下，矩形循环切削所需时间（不含空行程）最短，刀具的损耗小，故制定加工方案时矩形循环进给路线应用较多。2.1.4特殊处理考虑到数控加工毕竟不同于普通切削加工，所以有时还需要做一些特殊处理。1.先精后粗如图2-5，如安排走刀路线为80mm 60mm 52mm，则加工基准将由第一个台阶孔（80mm）来体现，对刀时也以其为参考。由于52mm孔要求与滚动轴承形成过渡配合，其尺寸要求较严（IT7），该孔位置较深，车床纵向长丝杠在该加工段区域可能产生误差，刀尖
9、在切削过程中也可产生磨损，尺寸精度难以保证。所以安排52mm孔为加工（兼对刀）的基准，按52mm 60mm 80mm安排走刀路线，保证其尺寸公差要求。2.分序加工如图2-6a所示手柄零件，批量加工时，所用坯料为32mm棒材，加工方案采用两次装夹，三个程序进行安排。第一次装夹（棒头）及第一个程序安排加工图2-6b所示部分：先车削12mm和20mm两圆柱面及20圆锥面（粗车掉R42mm圆弧的部分余量），换刀后按总长要求留加工余量切断。第二次装夹（调头）及第二个程序安排加工，如图2-6c包络SR7mm球面的30圆锥面，对圆弧面半精车（留精车余量）。换精车后，保持第二次装夹状态，按第三个程序安排将全部
10、圆弧表面一刀精车而成形。也可将第二、三次加工程序合并为一个程序连续执行。3.巧用切断（槽）刀对切断面带一倒角要求的零件（如图2-7a），为便于切断并避免调头倒角。可用切断刀同时完成车倒角和切断两个工序。图2-7b 表示用切断刀先按4mm26mm工序尺寸安排车槽。图2-7c 表示倒角时，切断刀刀位点的起、止位置。图2-7d 表示切断时，切断到的起、止位置。4.断屑处理可采用改变刀具切削部分的几合角度、增加断屑器和通过编程技巧以满足加工中的断屑要求。1）连续进行间隔式暂停 对连续运动轨迹进行分段加工，每相邻加工工段中间用G04（延时暂停）指令功能将其隔开并设定较短的间隔时间（0.5s）。其分段多少
11、，视断屑要求而定。2）进、退刀交替安排 在钻削深孔等加工中，可通过工序使钻头钻入材料内一段并经短暂延时后，快速退出坯件后再钻进一段，并以次循环，以满足断屑、排屑的要求。3）进给方向的特殊安排 Z轴方向的进给运动在沿负轴方向走刀时，有时并不合理，甚至车坏工件。如采用图2-17所示尖形车刀加工如图2-16所示表面零件时，两种不同的进刀方法（图2-8），其结果也不相同。图2-8a的进刀方法（负Z向走向），因切削时车刀的主偏角为100105，切削力在X轴上的分力Px较大，并沿图2-9所示的X正方向作用，由于切削时机械传动间隙的影响，刀尖运动到圆弧的四分点处（负X、负Z转变为正X、正Z时），Px会使刀尖
12、嵌入零件表面，导致横向滑板产生严重爬行现象。图2-8b的进刀方法，因切削时车刀的主偏角为1015，切削力在如图2-10所示的X轴上的分力Px较小，并其方向始终使横向滑板在X正方向上顶住丝杠，不会产生爬行现象。4）灵活选用不同形式的切削路线 图2-11为切削半弧凹表面时的几种常用路线路线。图2-11a为同心圆形式。图2-11b为等径圆弧（不同心）形式。图2-11c为三角形形式。图2-11d为梯形形式。对以上走刀路线的比较和分析如下：程序段最少的为同心圆及等径圆形式。走刀路线最短的为同心圆形式，其余依次为三角形、梯形及等径圆形式。计算和编程最简单的为等径圆形式（可利用程序循环功能），其余依次为同心
13、圆、三角形、梯形形式。金属切除率最高、切削力分布最合理的为梯形形式。精车余量最均匀的为同心圆。2.2数控车削刀具及切削用量选择2.2.1车刀的类型及选用1.车刀的类型1）尖形车刀以直线形切削刃为特征的车刀称为尖形车刀。它由直线形的主、副切削刃构成。其加工零件轮廓主要由一个独立的刀尖或一条直线形主切削刃位移后得到。2）圆弧形车刀（见图2-12）圆弧形车刀特征是构成主切削刃的刀刃形状为一圆度误差或线轮廓度很小的圆弧，圆弧刀刃上每一点都是车刀刀尖，因此对刀点在该圆弧的圆心上。圆弧形车刀应用于车削内、外表面，适于车削各种光滑连接（凹形）的成形面。3）成形车刀 成形车刀俗称样板车刀，其加工零件轮廓完全由
14、车刀刀刃的形状和尺寸决定。数控加工中应尽量少用。4）车刀类型的确认如图2-13所示成形孔工件时所用的特殊内孔刀（见图2-14），其加工车刀类型分析如下：当车刀刀尖的圆弧半径与零件上最小凹形圆弧半径相同，且加工程序中无此圆弧程序段时，对加工R0.2mm圆弧轮廓，可属成形车刀性质。如果车刀刀尖的圆弧为一圆弧，编程时考虑到刀具圆弧半径进行半径补偿，则车刀属圆弧形车刀性质。当车刀尖刀上标注的圆弧尺寸为倒棱性质时，则车刀属尖形车刀。确定车削用车刀的类型必须考虑车刀车削部分的形状及零件轮廓的形成原理（包括编程因素）两个方面。2.常用车刀的几何参数1）尖形车刀的几何参数尖形车刀的几何参数主要参数指车刀的几何
15、角度。例如图2-15所示的零件，使其左右两个45锥面由一把车刀加工，车刀主偏角取5055，副偏角取5052，这样利于保证刀头足够的强度，利于主、副切削刃刀不发生干涉。例如图2-16所示的零件，所选择尖形内孔车刀的形状及主要几何角度如图2-17所示（前角为0），这样刀具将内圆弧面和右端端面一刀车出，避免两把刀进行加工。选择主、副切削刃刀不发生干涉的角度，可通过作图或计算的方法。副偏角大于作图或计算所得不干涉的极限角度68即可。2）圆弧形车刀的几何参数圆弧形车刀的选用对于精度要求效高的凹曲面车削（如图2-18）或大外圆弧面（如图2-19）的批量车削，以及尖形车刀所不能完成的加工，适宜选用圆弧车刀进
16、行。例如图2-18所示的零件曲面形状精度和表面精度均有所要求时，尖形车刀不适合加工。如图2-20，车刀加工靠近圆弧终点时，背吃刀量（ap1）大大超过圆弧起点位置上的背吃刀量，产生较大的误差及粗糙度，因此选用圆弧形车刀。例如图2-19所示的零件，同时跨四个象限的外圆弧轮廓，采用圆弧形车刀可简单完成。圆弧形车刀的几何参数圆弧形车刀的几何参数为前角、后角、车刀圆弧切削刃的形状及半径。选择圆弧形车刀半径大小时，考虑以下两点：a车刀切削刃的圆弧半径小于、等于零件凹形轮廓上的最小曲率半径，以免发生干涉。b车刀半径不易选择太小，否则难于制造，易于损坏。圆弧形车刀半径大小确定后，还应特别注意圆弧切削刃的形状误
17、差对加工精度的影响。如图2-21所示的零件车削加工时，车刀的圆弧切削刃与被加工轮廓曲线作相对滚动，故编程时规定圆弧形车刀的刀位点必须在车刀圆弧刃的圆心位置上。至于圆弧形车刀的前、后角的选择，原则上与普通车刀相同，但其前刀面一般为凹球面，后刀面一般为圆锥面，这样能满足刀刃上每一个切削点上都具有恒定的前角和后角，可以保证加工过程的稳定性及加工精度。2.2.2确定切削用量切削用量是表示机床主体的主运动和进给运动速度大小的重要参数，包括背吃刀量、主轴转速和进给速度。它们的确定方法如下：1.切削深度（ap）的确定在车床主体夹具刀具零件这一系统刚性允许的条件下，尽可能选取较大的切削深度，以减少走刀次数。2
18、.主轴转速的确定主轴转速的确定根据零件上被加工部位的直径、零件和刀具的材料及加工条件等来确定，主轴转速可按下式计算：n=1000v/（d）式中：n主轴转速（r/min）； V切削速度（m/min）； D零件待加工表面的直径（mm）。确定主轴转速时，需先确定切削速度，而切削速度与背吃刀量和进给量有关。1）进给量（f） 指工件每转一周，车刀沿进给方向移动的距离（mm/r）。粗车一般取0.30.8 mm/r，精车时常取0.10.3mm/r，切断时取0.050.2mm/r。2）切削速度（v） 切削时，车刀切削刃上某一点相对于待加工表面在主运动方向上的瞬时速度（v），又称为线速度。3）车螺纹时的主轴转速
19、 车削螺纹时，车床的主轴转速将受到螺纹的螺距（或导程）大小、驱动电动机的升降频率特性及螺纹插补运算速度等多种因素影响，故对于不同的数控系统，推荐有不同的主轴转速选择范围。大多数经济型数控系统推荐车螺纹时主轴转速计算如下：n式中：P工件螺纹的螺距或导程（mm）； K保险系数，一般取80。3.进给速度的确定进给速度指在单位时间里，刀具沿进给方向移动的距离（mm/min或mm/r）。进给速度的确定原则如下：1）当工件质量要求能够保证时，选择较高的进给速度（2000mm/min以下）。2）切断、车削深孔或用高速钢刀具车削时，适宜选用较低的进给速度。3）刀具空行程应可以设定尽量高的进给速度。4）进给速度
20、应与主轴转速和背吃刀量相适宜。23零件装夹及对刀2.3.1零件的装夹数控车削加工时零件定位安装的基本原则与普通车床加工相同。在数控车床加工中，除采用三爪自定心卡盘和四爪单动卡盘外，还有许多相应的夹具，它们主要分为两类：1）用于轴类零件的夹具数控车床加工轴类零件时，毛坯装在主轴顶尖和尾座顶尖之间，又主轴上的拨动卡盘或拨齿顶尖带动旋转。这类夹具在粗车时可以传递足够大的转矩，以适应主轴高速旋转车削。2）用于盘类零件的夹具这类夹具适用于无尾座的卡盘式数控车床上。用于盘类零件的夹具主要有可调卡爪卡盘和快速可调卡盘。2.3.2数控车削时的对刀1.机械坐标系与编程（工件）坐标系的关系机械坐标系又称机床坐标系
21、，是机床出厂时由制造商设定的坐标系，有固定的参考点。CAK6136数控车床的机械坐标系见图2-22，Z轴平行车床导轨，正方向为离开卡盘的方向；X轴与Z轴垂直，正方向为刀架远离主轴轴线方向；坐标原点O取在卡盘后端面与中心线交点处。编程坐标系是编程者为方便编程计算而设定的坐标系，故其零点一般设在零件图上某一便于计算的参考点。编程坐标系如图2-23所示，Zp轴与机械坐标系的Z轴重合，正方向为离开卡盘的方向；Xp轴与Zp轴垂直，正方向为刀架远离主轴轴线方向；坐标原点Op取在工件端面与中心线交点处，也可由编程者通过设置浮动原点确定。机械坐标系与编程坐标系的关系如下：X=XpZ=Zp+工件外伸长度+卡盘厚
22、度（本系统卡盘厚度为20mm）或Z=Zp+浮动原点值（浮动原点由编程者设定，其值应大于20mm）。数控车床的机械零点是固定的，但对于不同零件，编程零点可以不同，甚至对同一零件也可有不同的编程零点。2.零点偏置 实际生产中要使编程坐标系与机床坐标系的零点完全重合，既不方便也不可能十分准确，这样将给加工带来麻烦。实际生产中为解决这个问题一般利用数控系统的零点偏置功能。工件安装后，先测得工作坐标系的零点即编程原点在机床坐标系中的位置，并将该位置坐标值预存到数控系统，数控系统即可按机床坐标系来确定加工零件的各相应坐标值，它相当于使工作坐标系的原点偏移到了机械零点。现代的数控机床所采用的数控系统大多数都
23、具有零点偏置功能，利用数控系统的零点偏置功能，编程人员不必考虑工件在机床上的安装位置和精度。3确定对刀点和换刀点1）对刀刀位点 刀位点是指在加工程序编制中，用以表示刀具特征的点，也是对刀和加工的基准点。各类车刀的刀位点如图2-24所示。对刀 对刀是指执行加工程序前，调整刀具的刀位点，使其尽量重合于某一理想准点的过程。理想基准点可以设定在基准刀的刀尖上或光学对刀镜内的十字刻线交点上。对刀的目的是告诉数控系统工件在机床坐标系中的位置，实际上是将工作原点（编程零点）在机床坐标系中的位置坐标值预存到数控系统。对刀的基本方法有：a定位对刀法 其实质上按接触式设定基准重合原理进行的一种粗定位对刀方法，它的
24、定位基准由预设的对刀基准点来体现。对刀时，将各号刀的刀位点调整至与对刀基准点重合即可。此方法简便，易行，精度不太高，应用广泛。b光学对刀法 其实质是按非接触式设定基准重合原理而进行的一种定位对刀方法，它的定位基准通常由光学显微镜（或投影放大镜）上的十字基准刻线交点来体现。此方法精度高，不会损坏刀尖。cATC对刀法 ATC对刀法是通过一套将光学对刀镜与CNC组合在一起，从而具有自动刀位计算功能的对刀装置，也称为半自动对刀法。对刀时，需要将由显微镜十字刻线交点体现的对刀基准点调整到机车的固定原点位置上，以便于CNC进行计算和处理。以上三种对刀方法，由于手动和目测等多种误差的影响，对刀精度十分有限。
25、d试切对刀法 通过试切对刀，其对刀精度更加准确，结果更为可靠，实际生产中广泛采用。2）确定对刀点对刀点指采用刀具加工零件时，刀具相对零件运动的起点。确定对刀点应注意以下的原则：尽量与零件的设计基准或工艺基准一致；便于用常规量具的车床上进行找正；该点的对刀误差应较小，或可能引起的加工误差为最小；尽量使加工程序中的引入或返回路线短，并便于换刀。图2-25为数控车床的对刀点确定示例：图2-25 对刀点确定示例3）确定换刀点换刀点是指在加工过程中，自动换刀装置的换刀位置。换刀点的位置应保证刀具转位时不碰撞被加工零件或夹具，一般可设置在对刀点。24编程指令2.4.1数控车床的编程特点1）数控车床上的工件
26、一个表面往往需要进行多次反复加工，为简化编程，数控车床的数控系统中都有车外圆、车端面和车螺纹等不同形式的循环功能。2）数控系统中都有刀具补偿功能。3）数控车床的编程有直径、半径两种方法。4）为提高机床径向尺寸的加工精度，数控系统在X方向的脉冲当量应取Z方向的脉冲当量的一半。2.4.2数控车床的编程指令1.基本G指令及M指令如前述，JB3208-83规定了数控机床常用的G指令及M指令的功能，分别见表1-1和表1-2。当采用不同的数控系统时，其某些G指令及M指令的功能、编程格式可能不同，如JB3208-83规定G33为等螺距螺纹切削，但FANUC系统中完成该功能则用G32。目前，世界上流行的数控系
27、统的G、M指令都不完全相同，但有些基本指令，像G00、G01、G02、G03、G04、G17、G18、G19、G40、G41、G42、G43、M03、M05等，其功能和编程格式都是一致的。使用数控系统前应详细阅读其说明。2.数控车削循环指令一般而言，不同的数控系统规定的循环指令往往不同。循环功能用于需要分多次往复切削的场合，这种情况下若采用简单的直线移动指令（G00、G01等），将可能导致程序较长而又繁琐 。循环指令可以简化编程，循环功能则由系统自动控制，编程者只需按系统规定的格式书写即可。FANUC系统中循环指令较多，表2-1列出了几种常用循环指令的功能及其书写格式，供参考。表2-1数控车床
28、（FANUC0i/TC）几种循环指令循环代码功能格式说明G90内径、外径直线车削循环G90X（U）_Z（W）_F_刀具从定点进行矩形运动，X（U）、Z（W）给出定点对顶点内径、外径锥体车削循环G90X（U）_Z（W）_R_F_刀具从定点进行直线运动，X（U）、Z（W）给出定点对顶点，R的正负由第二步进给量决定G92直螺纹切削G92X（U）_Z（W）_F_同上锥螺纹切削G90X（U）_Z（W）_R_F_同上G71内、外径粗车循环指令G71 Ud ReG71Pns Qnf Uu WwF_S_T1） d是深切半径值；2） e是退刀量半径值；3） ns指定精加工路线的第一个程序段的段号；4） nf指定
29、精加工路线的第一个程序段的段号；5） u是X方向上的加工余量，直径值；6） w是Z方向上的加工余量，直径值；7） 粗车过程中程序段号为nsnf的任何F、S、T功能均被忽略，只有G71指令中指定的F、S、T功能有效G72端面粗车循环指令G72 Ud ReG72Pns Qnf Uu WwF_S_T切削时平行X轴G73成形车削循环指令G73 Ui WkRdG73Pns Qnf Uu WwF_S_T1） i是X轴总退刀量半径值；2） k是Z轴总退刀量半径值；3） d是循环次数；4） ns指定精加工路线的第一个程序段的段号；5） nf指定精加工路线的第一个程序段的段号；6） u是X方向上的加工余量，直径
30、值；7） w是Z方向上的加工余量，直径值；8） 粗车过程中程序段号为nsnf的任何F、S、T功能均被忽略，只有G73指令中指定的F、S、T功能有效G70精车循环指令G70Pns Qnf用G71、G72、G73粗车后，可用G70指令进行精加工。1） ns指定精加工路线的第一个程序段的段号；2） nf指定精加工路线的第一个程序段的段号；G76车螺纹循环指令G76Pm r a Qdmin RdG76X（U）_Z（W）_RiPkQdFL1） m是精车重复次数，为199；2） r螺纹尾端倒角值，为0.0L9.9L，L为螺距3） a刀具角度，取80、60、55、30、29和0。4） dmin是最小车削深度。5） d精车余量6） X（U）、Z（W）是螺纹终点坐标7） i是螺纹锥度直，若R=0，为直螺纹8） k是螺纹高度9） d是第一次车削深度25实例（以FANUC0i/TC为例）24编程指令编制如图2-26所示零件图加工程序，设毛坯是40的棒料，材料为45钢。1.工艺分析1）先车出右端面，并以此端面的中心为原点建立工件坐标系。2）该零件的加工面有外圆、
