1、数控铣床的编程与加工操作第三章 数控铣床的编程与加工操作数控铣床是机床设备中应用非常广泛的加工机床，它可以进行平面铣削、平面型腔铣削、外形轮廓铣削、三维及三维以上复杂型面铣削，还可进行钻削、镗削、螺纹切削等孔加工。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。3.1数控铣床零件加工的工艺分析数控铣削加工的工艺设计是在普通铣削加工工艺设计的基础上，考虑和利用数控铣床的特点，充分发挥其优势。关键在于合理安排工艺路线，协调数控铣削工序与其他工序之间的关系，确定数控铣削工序的内容和步骤，并为程序编制准备必要的条件。3.1.1数控铣削加工部位及内容的选择与确定一般情况下，某个零件并不是
2、所有的表面都需要采用数控加工，应根据零件的加工要求和企业的生产条件进行具体分析，确定具体的加工部位和内容及要求。具体而言，以下情况适宜采用数控铣削加工。1.由直线、圆弧、非圆曲线及列表曲线构成的内外轮廓；2.空间曲线或曲面；3.形状虽然简单，但尺寸繁多，检测困难的部位；4.用普通机床加工时难以观察、控制及检测的内腔、箱体内部等；5.有严格位置尺寸要求的孔或平面；6.能够在一次装夹中顺带加工出来的简单表面或形状。下列加工内容一般不采用数控铣削加工：1.需要进行长时间占机人工调整的粗加工内容；2.毛坯上的加工余量不太充分或不太稳定的部位；3.简单的粗加工面；4.必须用细长铣刀加工的部位，一般指狭长
3、深槽或高筋板小转接圆弧部位。3.1.2数控铣削加工零件的工艺性分析根据数控铣削加工的特点，对零件图样进行工艺性分析时，应主要分析与考虑以下一些问题。一、 零件图分析首先应熟悉零件在产品中的作用、位置、装配关系和工作条件，搞清楚各项技术要求对零件装配质量和使用性能的影响，找出主要的关键的技术要求，然后对零件图样进行分析。1.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，如图3-1所示，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又有利于设计基准、工艺基准、测量基准和编程原点的统一。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方面特性，而不
4、得不采用3-2所示的局部分散的标注方法，这样就给工序安排和数控加工带来诸多不便。由于数控加工精度和重复定位精度都很高，不会因产生较大的累积误差而破坏零件的使用特性，因此，可将局部的分散标注方法改为同一基准标注或直接给出坐标尺寸的标注方法。2.零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）条件（如相切、相交、垂直和平行）是数控编程的重要依据。手工编程时要计算构成零件轮廓的每一个节点坐标；自动编程时要对构成零件轮廓的所有几何元素进行定义，如果某一条件不充分，则无法计算零件轮廓的节点坐标和表达零件轮廓的几何元素，导致无法进行编程，因此图纸应当完整地表达构成零件轮廓的几何元素。图3-1
5、统一基准标注方法 图3-2分散基准标注方法 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。过高的精度和表面粗糙度要求会使工艺过程复杂、加工困难、成本提高。4.零件材料分析在满足零件功能的前提下，应选用廉价、切削性能好的材料。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。二、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。良好的结构工艺性，可以使零件加工容易、节省工时和材料。而较差的零件结构工艺性，会使加工困难、浪费工时和材料，有时甚至无法加工
6、。因此，零件各加工部位的结构工艺性应符合数控加工的特点。1.工件的内腔与外形应尽量采用统一的几何类型和尺寸，这样可以减少刀具的规格和换刀的次数，方便编程和提高数控机床加工效率。2.工件内槽及缘板间的过渡圆角半径不应过小。过渡圆角半径反映了刀具直径的大小，刀具直径和被加工工件轮廓的深度之比与刀具的刚度有关，如图3-3 a）所示，当R0.2H时(H为被加工工件轮廓面的深度)，则判定该工件该部位的加工工艺性较差；如图3-3b）所示，当R0.2H时，则刀具的当量刚度较好，工件的加工质量能得到保证。3.铣工件的槽底平面时，槽底圆角半径r不宜过大如图3-4所示，铣削工件底平面时，槽底的圆角半径r越大，铣刀
7、端刃铣削平面的能力就越差，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。a） b）图3-3内槽结构工艺性对比图3-4槽底平面圆弧对加工工艺的影响此外，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，有没有引起矛盾的多余尺寸或影响加工安排的封闭尺寸等。3.1.3数控铣削加工路线的拟定在确定走刀路线时，除了遵循数控加工工艺的一般原则外，对于数控铣削应重点考虑以下几个方面。一、保证零件的加工精度和表面粗糙度要求1.当铣削
8、平面零件外轮廓时，一般采用立铣刀侧刃切削。立铣刀侧刃铣削平面零件外轮廓时避免沿零件外轮廓的法向切入和切出，如图3-5所示，应沿着外轮廓曲线的切向延长线切入或切出，这样可避免刀具在切入或切出时产生的刀刃切痕，保证零件曲面的平滑过渡。 图3-5外轮廓加工刀具的切入切出2.铣削封闭的内轮廓表面时，若内轮廓外延，则应沿切线方向切入、切出。若内轮廓曲线不允许外延图3-6，刀具只能沿内轮廓曲线的法向切入、切出，此时刀具的切入、切出点应尽量选在内轮廓曲线两几何元素的交点处。当内部几何元素相切无交点时如图3-7所示，为防止刀具施加刀偏时在轮廓拐角处留下凹口如图3-7a)，刀具切入、切出点应远离拐角如图3-7b
9、)所示。 图3-6内轮廓加工刀具的切入切出 a) b)图3-7无交点内轮廓加工刀具的切入和切出 3. 如图3-8所示，用圆弧插补方式铣削外整圆时，要安排刀具从切向进入圆周铣削加工，当整圆加工完毕后，不要在切点处直接退刀，而让刀具多运动一段距离，最好沿切线方向，以免取消刀具补偿时，刀具与工件表面相碰撞，造成工件报废。铣削内圆弧时，也要遵守从切向切入的原则，安排切入、切出过渡圆弧，如图3-9所示，若刀具从工件坐标原点出发，其加工路线为12345，这样，来提高内孔表面的加工精度和质量。 图3-8外圆铣削 图3-9内圆铣削 4.对于孔位置精度要求较高的零件，在精镗孔系时，镗孔路线一定要注意各孔的定位方
10、向一致，即采用单向趋近定位点的方法，以避免传动系统反向间隙误差或测量系统的误差对定位精度的影响。例如图3-10a)所示的孔系加工路线，在加工孔时，方向的反向间隙将会影响、两孔的孔距精度；如果改为图3-10b)所示的加工路线，可使各孔的定位方向一致，从而提高了孔距精度。 a) b)图3-10孔的位置精度处理5.铣削曲面时，常用球头刀采用“行切法”进行加工。所谓行切法是指刀具与零件轮廓的切点轨迹是一行一行的，而行间的距离是按零件加工精度的要求确定。对于边界敞开的曲面加工，可采用两种加工路线。如图3-11所示，对于发动机大叶片，当采用图3-11a）的加工方案时，每次沿直线加工，刀位点计算简单，程序少
11、，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3-11b）的加工方案时，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。 a) b)图3-11曲面加工的走刀路线二、应使走刀路线最短，减少刀具空行程时间，提高加工效率。图3-12所示为正确选择钻孔加工路线的例子。通常先加工均布于同一圆周上的八个孔，在加工另一圆周上的孔如图3-12a）所示。但是对点位控制的数控机床而言，要求定位精度高，定位过程尽可能快，因此这类机床应按空程最短来安排走刀路线如图3-12b）所示，以节省
12、加工时间，提高效率。 a） b）图3-12最短加工路线选择三、最终轮廓一次走刀完成为保证工件轮廓表面加工后的粗糙度要求，最终轮廓应安排在最后一次走刀中连续加工出来。如图3-13a）为用行切方式加工内腔的走刀路线，这种走刀能切除内腔中的全部余量，不留死角，不伤轮廓。但行切法将在两次走刀的起点和终点间留下残留高度，而达不到要求的表面粗糙度。所以如采用3-13b）图的走刀路线，先用行切法，最后沿周向环切一刀，光整轮廓表面，能获得较好的效果。图3-13c）也是一种较好的走刀路线方式。 a）路线1 b)路线2 c)路线3图3-13铣削内腔的三种走刀路线四、选择使工件在加工后变形小的路线对横截面积小的细长
13、零件或薄板零件应采用分几次走刀加工到最后尺寸或对称去除余量法安排走刀路线。安排工步时，应先安排对工件刚性破坏较小的工步。 此外，轮廓加工中应避免进给停顿。因为加工过程中的切削力会使工艺系统产生弹性变形并处于相对平衡的状态，进给停顿时，切削力突然减小，会改变系统的平衡状态，刀具会在进给停顿处的零件轮廓上留下刻痕。为提高工件表面的精度和减小粗糙度，可以采用多次走刀的方法，精加工余量一般以0.20.5为宜，而且精铣时宜采用顺铣，以减小零件被加工表面粗糙度的值。3.1.4数控铣削刀具、夹具及切削用量的选择一、数控铣刀的选择被加工零件的几何形状是选择刀具类型的主要依据。铣刀的类型很多，这里只介绍在数控机
14、床上常用的铣刀。1.面铣刀面铣刀主要用于加工较大的平面。标准可转位面铣刀的直径为16630mm.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，铣刀直径要选大些，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迹。2.立铣刀立铣刀是数控加工中用得最多的一种铣刀，主要用于加工凹槽、较小的台阶面以及平面轮廓。3.模具铣刀模具铣刀主要用于加工空间曲面、模具型腔或凸摸成型表面。4.键槽铣刀键槽铣刀主要用于加工封闭的键槽。5.鼓形铣刀.鼓形铣刀主要用于加工变斜角类零件的变斜角加工面。6.成型铣刀成型铣刀一般是为了特定的工件或加工内容专门设计制造
15、的，如各种直形或圆形的凹槽、斜角面、特性孔或台。二、夹具数控机床主要用于加工形状复杂的零件，但所使用夹具的结构往往并不复杂，数控铣床夹具的选用可首先根据生产零件的批量来确定。对单件、小批量、工作量较大的模具加工来说，一般可直接在机床工作 台面上通过调整实现定位与夹紧，然后通过加工坐标系的设定来确定零件的位置。对有一定批量的零件来说，可选用结构较简单的夹具。例如，加工图3-14所示的凸轮零件的凸轮曲面时，可采用图3-15中所示的凸轮夹具。其中，两个定位销3、5与定位块4组成一面两销的六点定位，压板6与夹紧螺母7实现夹紧。图中：1-凸轮零件，2-夹具体，3-圆柱定位销，4-定位块，5-菱形定位销，
16、6-压板，7-夹紧螺母。 图3- 14凸轮零件图图3- 15凸轮夹具三、切削用量的选择切削用量包括主轴转速、背吃刀量及进给速度等。对于不同的加工方法，需要选用不同的切削用量。切削用量的选择应保证零件加工精度和表面粗糙度，充分发挥刀具切削性能，保证合理的刀具耐用度；并充分发挥机床的性能，最大限度提高生产率，降低成本。 粗、精加工时切削用量的选择原则如下：1.粗加工时首先选取尽可能大的背吃刀量；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。2.精加工时切削用量的选择原则首先根据粗加工后的余量确定背吃刀量；其次根据已加工表面的粗糙度要求，选取较小的
17、进给量；最后在保证刀具耐用度的前提下，尽可能选取较高的切削速度。（一）背吃刀量确定 背吃刀量根据机床、工件和刀具的刚度来决定，在刚度允许的条件下，应尽可能使背吃刀量等于工件的加工余量，这样可以减少走刀次数，提高生产效率。粗加工（Ra=1080um）时一次进给应尽可能切除全部余量，在中等功率机床上，背吃刀量可达810mm。半精加工（Ra=1.2510um）时，背吃刀量可取为0.52mm。精加工（Ra=0.320.25um）时，背吃刀量可取为0.20.4mm。在工艺系统刚性不足或毛坯余量很大，或余量不均匀时，粗加工要分几次进给，并且应当把第一、二次进给的背吃刀量取得大一些。（二）进给速度的确定 进
18、给速度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。最大进给速度受机床刚度和进给系统的性能限制。 确定进给速度的原则： 1.当工件的质量要求能够得到保证时，为提高生产效率，可选择较高的进给速度。一般在100200mm/min范围内选取。 2.在切断、加工深孔或用高速钢刀具加工时，宜选择较低的进给速度，一般在2050mm/min范围内选取。 3.当加工精度，表面粗糙度要求高时，进给速度应选小些，一般在2050mm/min范围内选取。 4.刀具空行程时，特别是远距离“回零”时，可以设定该机床数控系统设定的最高进给速度。此外，在选择进给量时，还应
19、注意零件加工中的某些特殊因素。比如在轮廓加工中，选择进给量时，应考虑轮廓拐角处的超程问题。特别是在拐角较大、进给速度较高时，应在接近拐角处适当降低进给速度，在拐角后逐渐升速，以保证加工精度。（三）主轴转速的确定 主轴转速应根据允许的切削速度和工件（或刀具）直径来选择。其计算公式为： n=1000v/D 式中： v切削速度，单位为m/min，由刀具的耐用度决定； n主轴转速，单位为 r/min； D工件直径或刀具直径，单位为mm。 在选择切削速度时，还应考虑以下几点：1.应尽量避开积屑瘤产生的区域；2.断续切削时，为减小冲击和热应力，要适当降低切削速度；3.在易发生振动的情况下，切削速度应避开自
20、激振动的临界速度；4.加工大件、细长件和薄壁工件时，应选用较低的切削速度；5.加工带外皮的工件时，应适当降低切削速度。对刀点与换刀点的确定：一、对刀点对于数控机床来说，在加工开始时，确定刀具与工件的相对位置是很重要的，这一相对位置是通过确认对刀点来实现的。对刀点是指通过对刀确定刀具与工件相对位置的基准点。对刀点可以设置在被加工零件上，也可以设置在夹具上与零件定位基准有一定尺寸联系的某一位置，对刀点往往就选择在零件的加工原点。对刀点的选择原则如下： 1.所选的对刀点应使程序编制简单； 2.对刀点应选择在容易找正、便于确定零件加工原点的位置； 3.对刀点应选在加工时检验方便、可靠的位置； 4.对刀
21、点的选择应有利于提高加工精度。对刀点可以设置在加工零件上，也可以设置在夹具上或机床上，为了提高零件的加工精度，对刀点应尽量设置在零件的设计基准或工艺基准上。例：以外圆或孔定位零件，可以取外圆或孔的中心与端面的交点作为对刀点。 在使用对刀点确定加工原点时，就需要进行“对刀”。所谓对刀是指使“刀位点”与“对刀点”重合的操作。每把刀具的半径与长度尺寸都是不同的，刀具装在机床上后，应在控制系统中设置刀具的基本位置。“刀位点”是指刀具的定位基准点。如图3-16所示，圆柱铣刀的刀位点是刀具中心线与刀具底面的交点；球头铣刀的刀位点是球头的球心点或球头顶点；车刀的刀位点是刀尖或刀尖圆弧中心；钻头的刀位点是钻头
22、顶点。各类数控机床的对刀方法是不完全一样的，这一内容将结合各类机床分别讨论。 a)钻头的刀位点 b)圆柱铣刀的刀位点 c)球头铣刀的刀位点图3-16刀位点二、对刀方法以华中世纪星数控系统为例来说明数控铣床的对刀过程。将要建立工件表面中心位置作为工件坐标系的原点。在选择了图3-18所示的被加工零件图样，并确定了编程原点位置后，可按以下方法进行加工坐标系设定：1、准备工作 机床回参考点，确认机床坐标系；2、装夹工件毛坯 图3-17 零件图通过夹具使零件定位，并使工件定位基准面与机床运动方向一致；3、对刀测量 用简易对刀法测量,方法如下:用直径为10的标准测量棒、塞尺对刀，得到测量值为X = -43
23、7.726, Y = -298.160,如图3-19所示。Z = -31.833，如图3-19所示。 4、计算设定值 按图3-18所示,将前面已测得的各项数据,按设定要求运算。 图3-18 XY轴对刀 X坐标设定值：X= -437.726+5+0.1+40= -392.626mm注： -437.726mm为X坐标显示值；+5mm为测量棒半径值；+0.1mm为塞尺厚度；+40.0为编程原点到工件定位基准面在X坐标方向的距离。 Y坐标设定值：Y= -298.160+5+0.1+46.5= -246.46mm注：如图3-18所示，-298.160mm为坐标显示值；+5mm 图3-19 Z向对刀方法为
24、测量棒半径值；+0.1mm为塞尺厚度；+46.5为编程原点到工件定位基准面在Y坐标方向的距离。Z坐标设定值：Z= -31.833-0.2=-32.033mm。注：-31.833为坐标显示值；-0.2为塞尺厚度,如图3-19所示。通过计算结果为：X -392.626；Y -246.460；Z -32.033。5、设定加工坐标系将开关放在 MDI 方式下，进入加工坐标系设定页面。输入数据为:X= -392.626 Y= -246.460 Z= -32.033表示加工原点设置在机床坐标系的X= -392.626; Y= -246.460; Z= -32.033 的位置上。三、换刀点的选择由于数控铣床
25、采用手动换刀，换刀时操作人员的主动性教高，换刀点只要设在零件外面，不发生换刀阻碍即可。3.2数控铣床的编程以华中世纪星（HNC-21/22M）数控系统为例来说明数控铣床程序编制的有关指令及方法的介绍。3.2.1M功能指令 HNC-21/22M 数控系统的M功能指令是由地址字母M和其后的两位数字来表示的，其功能见表3-1所示。表3-1M 指令功能（ 标记 者为缺省值）3.2.2主轴功能S、进给功能F 一、主轴功能S主轴功能S 控制主轴转速，其后的数值表示主轴速度，单位为转/每分钟(r/min)。S 是模态指令，S 功能只有在主轴速度可调节时有效。二、进给速度FF 指令表示工件被加工时刀具相对于工
26、件的合成进给速度，F 的单位取决于G94(每分钟进给量mm/min)或G95(每转进给量mm/r)。当工作在G01，G02 或G03 方式下，编程的F 一直有效，直到被新的F 值所取代，而工作在G00、G60 方式下，快速定位的速度是各轴的最高速度，由CNC参数设定，与所编F 无关。借助操作面板上的倍率按键，F 可在一定范围内进行倍率修调。当执行攻丝循环G84，螺纹切削G33 时，倍率开关失效，进给倍率固定在100。3.2.3准备功能G指令准备功能G 指令由G 后续一或二位数值组成，它用来规定刀具和工件的相对运动轨迹、机床坐标系、坐标平面、刀具补偿、坐标偏置等多种加工操作。HNC-21/22M
27、 数控系统G 功能指令见表3-2。3.2.4华中世纪星（HNC-21/22M）数控系统的数控铣床的常用编程指令 一、工件坐标系选择G54G59格式：G54G55G56G57G58G59 图3-20工件坐标系选择说明：G54G59可预定6个工件坐标系(如图3-20)，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，用MDI 方式预先输入在“坐标系”功能表中，系统自动记忆。当程序中执行G54G59 中某一个指令, 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。例如图3-21所示，用G54 和G59 选择工件坐标系指令编程：要求刀具从当前点（任一点）移动到A 点，再从
28、A 点移动到B 点。%1000N01 G54 选择工件坐标系1N02 G00 G90 X30 Y40 当前点AN03 G59 选择工件坐标系2N04 G00 X30 Y30 AB 图3-21用G54 和G59 编程N05 M03二、回参考点控制指令1.自动返回参考点G28格式：G28 X_Y_Z_说明：X 、Y 、Z ：回参考点时经过的中间点（不是机床参考点），在G90 时为中间点在工件坐标系中的坐标；在G91 时为中间点相对于起点的位移量。G28 指令先使所有的编程轴都快速定位到中间点，然后再从中间点到达参考点，如图3-22。一般，G28 指令用于刀具自动更换或者消除机械误差，在执行该指令之
29、前应取消刀具半径补偿和刀具长度补偿。在G28 的程序段中不仅产生坐标轴移动指令，而且记忆了中间点坐标值，以供G29 使用。系统电源接通后，在没有手动返回参考点的状态下，执行G28 指令时，刀具从当前点经中间点自动返回参考点，与手动返回参考点的结果相同。这时从中间点到参考点的方向就是机床参数“回参考点方向”设定的方向。G28 指令仅在其被规定的程序段中有效。例：图3-22从A 经过B 回参考点R 轨迹编程如下：%1101G92 X30 Y50 Z20 以A（30,50,20）为起刀点建立工件坐标系。G91 G28 X100 Y20 Z0 从A 点按增量移动到B，最后到达R。M02 图3-22 G
30、28 编程2.自动从参考点返回G29格式：G29 X _Y_Z_说明：X 、Y 、Z ：返回的定位终点，在G90 时为定位终点在工件坐标系中的坐标；在G91 时为定位终点相对于G28 中间点的位移量。G29 可使所有编程轴以快速进给经过由G28 指令定义的中间点，然后再到达指定点。通常该指令紧跟在G28 指令之后。G29 指令仅在其被规定的程序段中有效。例：用G28、G29 对图3-23所示的路径编程：要求由A 经过中间点B并返回参考点，然后从参考点经由中间点B 返回到C 点 。图3-18 轨迹编程如下：%1102G92 X30 Y50 Z20 以A（30,50,20）为起刀点建立工件坐标系。
31、G91 G28 X100 Y20 Z0 从A 点按增量移动到B，最后到达R。G29 X50 Y40 从参考点经过B，到达CM02 图3-23 G28/G29 编程三、刀具半径补偿指令G41、G42、G40（模态）1.刀具半径补偿的目的：数控铣床上进行轮廓的铣削加工时，由于刀具半径的存在，刀具中心轨迹和工件轮廓不重合。如果系统没有半径补偿功能，则只能按刀心轨迹进行编程，即在编程时事先加上或减去刀具半径，其计算相当复杂，计算量大，尤其当刀具磨损、重磨或换新刀后，刀具半径发生变化时，必须从新计算刀心轨迹，修改程序，这样既繁琐，又不利于保证加工精度。当数控系统具备刀具半径补偿功能时，数控编程只需按工件轮廓进行，数控系统会自动计算刀心轨迹，使刀具偏离工件轮廓一个刀具半径值，即进行刀具半径补偿。2.刀具半径补偿G40，G41，G42说明：G40：取消刀具半径补偿；G41：左刀补(在刀具前进方向左侧补偿)，如图3-2
