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3 1数控铣削编程的工艺基础 程序编制人员在进行工艺分析时 需借助机床说明书 编程手册 切削用量表 标准工具和夹具手册等资料 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 3 1 1数控铣削加工零件图样的分析 1 零件图的尺寸标注应适应数控加工的特点 2 零件图样尺寸的正确标注由于加工程序是以准确的坐标点来编制的 因此 各图形几何要素间的相互关系 如相切 相交 垂直和平行等 应明确 各种几何要素的条件要充分 应无引起矛盾的多余尺寸或影响工序安排的封闭尺寸等 a 同基准标注 b 分散标注 3 1 2数控铣削加工零件工艺性分析 1 在加工同一表面时 应按粗加工 半精加工 精加工的次序完成 对整个零件的加工也可以按先粗加工 后半精加工 最后精加工的次序进行 2 当设计基准和孔加工的位置精度与机床的定位精度和重复定位精度相接近时 可采用按同一尺寸基准进行集中加工的原则 这样可以解决多个工位设计尺寸基准的加工精度问题 3 对于复合加工 既有铣削又有镗孔 的零件 可以先铣后镗 因为铣削的切削力大 工件易变形 采用先铣后镗孔的方法 可使工件有一段时间的恢复 减少变形对精度的影响 相反 如果先镗孔再进行铣削 会在孔口处产生毛刺 飞边 从而影响孔的精度 如对于图3 1所示零件 应先铣阶梯面 后铰 20的6个孔 4 在孔类零件加工时 刀具在XY平面内的运动路线 主要考虑 1 定位要迅速 2 定位要准确 5 加工中如果受重复定位误差影响较大时 必须一次定好位 按顺序连续换刀加工 完成同轴孔的加工 然后再加工其他坐标位置的孔 以提高孔系的同轴度 6 应采取相同工位集中加工的方法 尽量就近加工 以缩短刀具的移动距离 减少空运行时间 7 按刀具划分工步 在不影响精度的前提下 为了减少换刀次数 空行程时间 不重要的定位误差等 要尽可能用同一把刀完成同一个工位的加工 8 在一次装夹中要尽可能完成较多表面的加工 3 1 3数控刀具的选用 图3 7钻铣常用刀具构成 数控加工刀具 从结构上 从制造所采用的材料上 从切削工艺上 特殊型刀具 从结构上 整体式 镶嵌式 减振式 内冷式 特殊型式 焊接式机夹式 可转位不转位 复合刀具 可逆攻螺纹刀具 从制造所采用的材料上 高速钢刀具 硬质合金刀具 陶瓷刀具 立方氮化硼刀具 金刚石刀具 车削刀具 钻削刀具 镗削刀具 铣削刀具 外圆 内孔 外螺纹 内螺纹 切槽 切端面 切端面环槽 切断 小孔 短孔 深孔 攻螺纹 铰孔 面铣 立铣 模具铣 三面刃铣 键槽铣刀 鼓形铣刀 成形铣刀 从结构上 从加工工艺要求上 整体式镗刀柄 模块式镗刀柄 镗头 粗镗刀 精镗刀 从切削工艺上 4 特殊型刀具 带柄自紧夹头 强力弹簧夹头刀柄 可逆式 自动反向 攻螺纹夹头刀柄 增速夹头刀柄 复合刀具和接杆类 5 其他成形铣刀 图3 3 b 过中心四刃立铣刀 图3 5圆柱球头铣刀图样 3 1 4切削用量的选择 从刀具耐用度出发 切削用量的选择方法是 先选取背吃刀量或侧吃刀量 其次确定进给速度 最后确定切削速度 背吃刀量 p为平行于铣刀轴线测量的切削层尺寸 单位为mm 侧吃刀量 e为垂直于铣刀轴线测量的切削层尺寸 单位为mm 2 切削用量的确定 切削用量包括主轴转速 切削速度 背吃刀量和进给量 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 粗加工时 考虑经济性和加工成本 通常选择较大的背吃刀量和进给量 采用较低的切削速度 半精加工和精加工时 通常选择较小的背吃刀量和进给量 并选用切削性能高的刀具材料和合理的几何参数 以尽可能提高切削速度 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 主轴转速n r min 主要根据允许的切削速度 c m min 选取 式中 vc 切削速度 由刀具的耐用度决定 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书中选取标准值 并填入程序单中 切削用量 背吃刀量ap与进给量f影响因为切削面积AD apf 所以背吃刀量ap与进给量f的增大都将增大切削面积 切削面积的增大将使变形力和摩擦力增大 切削力也将增大 但两者对切削力影响不同 由于进给量f的增大会减小切削层的变形 所以背吃刀量ap对切削力的影响比进给量f大 在生产中 如机床消耗功率相等 为提高生产效率 一般采用提高进给量而不是背吃刀量的措施 铣刀每齿进给量参考值 3 1 5数控机床常用夹具及装夹方式 通用夹具 1 机用虎钳 2 三爪卡盘 1 夹具的刚度和夹紧力都要满足大切削力的要求 2 夹具结构不要妨碍刀具对工件各部位的多面加工 3 夹具的定位要可靠 定位元件应具有较高的定位精度 定位部位应便于清屑 无切屑积留 4对刚度小的工件 应保证最小的夹紧变形 平口钳可选附件 3 直接在数控铣床工作台上安装 图3 11压紧点的选择 4 利用角铁和V形铁装夹工件 图3 12角铁装夹工件 图3 13V铁装夹工件 5 组合夹具装夹工件 新型数控夹具体 3 1 6数控加工工艺路线的设计 数控加工工艺是采用数控机床加工零件时所运用各种方法和技术手段的综合 应用于整个数控加工工艺过程 合格的程序员首先是一个合格的工艺人员 1 数控加工工艺内容的选择 1 通用机床无法加工的内容应作为优先选择内容 2 通用机床难加工 质量也难以保证的内容应作为重点选择内容 3 通用机床加工效率低 工人手工操作劳动强度大的内容 可在数控机床尚存在富裕 2 工序的划分 划分方法 1 按安装次数划分工序 2 按所用刀具划分工序 3 按粗 精加工划分工序 4 按加工部位划分工序 3 加工顺序的安排 1 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应综合考虑 2 先进行外形加工 后进行内腔加工 3 以相同定位 夹紧方式加工或用同一把刀具加工的工序 最好连续加工 以减少重复定位次数 换刀次数与改变装夹次数 4 数控加工工序与普通工序的衔接概念 普通工序是指常规的加工工序 热处理工序和检验等辅助工序 例如是否预留加工余量 留多少 定位基准的要求 零件的热处理等 辅助工序的安排检验工序是主要的辅助工序需要检验的地方其它辅助工序有 每道工序由操作者自行检验 在粗加工之后 精加工之前 零件转换车间时 重要工序之后 表面强化 去毛刺 倒棱 清洗 防锈 3 2平面轮廓零件的加工 3 2 1刀位点的概念端铣刀 立铣刀和钻头来说 是指它们的底面中心对于球头铣刀 是指球头球心现在许多CAM软件也将球头铣刀的刀尖作为刀位点来计算刀具轨迹对于圆弧车刀 刀位点在圆弧圆心上 对于尖头车刀和镗刀 刀位点在刀尖对于线切割来说 刀位点则是电极丝轴心 3 2 1刀具半径补偿 1 零件的加工程序一般是按零件轮廓和工艺要求的进给路线编制的 而数控机床在加工过程中所控制的是刀具中心的运动轨迹 2 不同的刀具 其几何参数也不相同 刀具因磨损 重磨 换新刀而引起刀具直径改变后 不必修改程序 只需在刀具参数设置中输入变化后的刀具半径 3 加工前必须将编程轨迹变换成刀具中心的轨迹 这样才能加工出符合要求的零件 为避免计算刀具轨迹 可直接用零件轮廓尺寸编程4 用同一程序 同一尺寸的刀具 利用刀具半径补偿 可进行粗精加工 5 刀补运算就是完成这种转换的程序 图3 18刀具改变程序不变 图3 19利用刀补进行粗精加工 刀具半径补偿指令G40 刀具半径补偿注销指令 G41 刀具半径左补 左偏 指令 G42 刀具半径右补 右偏 指令 沿着刀具运动前进方向看 刀具在工件轮廓的左边为左补 或左偏 用G41反之用G42 图3 20G41与G42的判断 建立刀补指令格式 G17G01 G00 G41 G42 X Y D G18G01 G00 G41 G42 X Z D G19G01 G00 G41 G42 Y Z D 撤消刀补指令格式 G01 G00 G40X Y Z 4 刀具半径补偿的过程 如图3 21所示编程走刀路线O A B C D A O实际刀具轨迹线O P1 P2 P3 P4 P5 O1 刀具补偿的建立阶段刀具由起刀点 位于零件轮廓及零件毛坯之外 距离加工零件轮廓切入点较近 以进给速度接近工件的一段过程 如图3 21所示 O P1段为建立刀补段2 刀具补偿进行阶段刀具补偿量参与刀具轨迹进行的阶段 如图P1 P2 P3 P4 P5轮廓加工的过程 3 刀具补偿取消阶段刀具撤离工件 回到退刀点 取消刀具半径补偿 与建立刀具半径补偿过程相似 退刀点也应位于零件轮廓之外 可与起刀点相同 也可以不同 如图3 21所示P5 O段 图3 21刀补过程图 3 2 1刀具的长度补偿 使用刀具长度补偿功能 可以在当实际使用刀具与编程时估计的刀具长度有出入时 或刀具磨损后刀具长度变短时 不需重新改动程序或重新进行对刀调整 仅只需改变刀具数据库中刀具长度补偿量即可 刀具长度补偿指令有G43 G44和G49三个 其使用格式如下 G43 G44 G00 G01 ZH 刀具长度正补偿G43 负补偿G44G49G00 G01 Z 取消刀具长度补偿 格式中 Z值是属于G00或G01的程序指令值 同样有G90和G91两种编程方式 H为刀长补偿号 它后面的两位数字是刀具补偿寄存器的地址号 如H01是指01号寄存器 在该寄存器中存放刀具长度的补偿值 刀长补偿号可用H00 H99来指定 执行G43时 Z实际值 Z指令值 Hxx 执行G44时 Z实际值 Z指令值 Hxx 刀长补偿数据的设定如图3 28所示 将多把刀具中最长或最短的刀具作为基准刀具 用Z向设定器对刀 图3 28基准刀对刀时刀长补偿的设定 在保持机床坐标值不变 刀座等高 的情况下 若分别测得各刀具到工件基准面的距离为A B C 以A为基准设定工件坐标系 则H01 0 H02 A B H03 A C 图3 29刀座对刀时刀长补偿的设定 轻工职业技术学院 起始平面 返回平面 进刀平面 退刀平面和安全平面的确定1 起始平面是程序开始时刀具的初始位置所在的Z平面一般定义在被加工零件的最高点之上50 100mm左右的某一位置上一般高于安全平面2 返回平面是指程序结束时 刀具尖点 不是刀具中心 所在的Z平面一般与起始平面重合3 进刀平面刀具以高速 G00 下刀至要切到材料时变成以进刀速度下刀 以免撞刀 此速度转折点的位置即为进刀平面4 退刀平面零件 或零件区域 加工结束后 刀具以切削进给速度离开工件表面一段距离 5 10mm 后转为以高速返回安全平面 此转折位置即为退刀平面5 安全平面是指当一个曲面切削完毕后 刀具沿刀轴方向返回运动一段距离后 刀尖所在的Z平面 它一般被定义在高出被加工零件最高点10 50mm左右的某个位置上 3 2 4几个平面概念 3 2 4刀具的下刀方式与进退刀方式 1 刀具的下刀方式指的是Z轴方向下刀方式如图3 26所示 图3 26刀具的下刀方式 2 刀具的进退刀方式在铣削加工中是非常重要的 二维轮廓的铣削加工常见的进退刀方式有垂直进退刀 侧向进退刀和圆弧进退刀 垂直进退刀侧向进退刀圆弧进退刀图3 27刀具在XY平面内的进退到方式 3 2 6平面轮廓零件的铣削加工 1 工艺分析及处理 1 零件图的分析 2 刀具选择 3 工件的装夹 4 工件坐标系的确定 5 确定走刀路线 下刀点 进退刀方式见下图 2 程序编制 走刀路线P A K J I H G F E D C B A P 列出个节点坐标 加工参数 F80 F120 S800 D01 10 H01用于调整 参考程序 图3 30走刀路线 根据刀具 14确定下刀点P 刀具中心距离毛坯9mm 刀具距离工件2mm P点坐标为 0 54 在粗加工时使用垂直进退刀的方法 采用逆铣 加工余量为3mm D01 10 在精加工时 使用园弧进退刀方法 刀具中心轨迹圆弧为R10 编程圆弧半径为R17 加工余量为0 D02 7 轻工职业技术学院 第三章数控铣削加工实例 3 3型腔零件的铣削加工 3 3 1型腔加工的形式型腔是指有封闭边界轮廓的平底或曲底凹坑 当型腔底面是平面时为二维型腔 型腔加工在有些资料中和有些CAM软件上也称作挖槽加工或者平面区域加工 是型芯加工的扩展 它既要保证型腔轮廓边界 又要将型腔轮廓内的多余材料铣掉 图3 31型腔零件 轻工职业技术学院 第三章数控铣削加工实例 3 3 2下刀方式的确定 第一种方法是使用预钻孔的方法 在下刀的位置预先加工一个下刀孔 刀具可以在孔位进行下刀到工作深度 然后进行切削加工 第二种方法是斜线下刀 刀具沿着空间斜线切入工件 到达工作深度后进行切削加工 第三种方法是圆弧下刀 刀具沿着三维螺旋线切入工件 切到工作深度 斜线下刀 螺旋下刀 轻工职业技术学院 第三章数控铣削加工实例 3 3 3一般型腔零件的加工 图3 33型腔加工方法 型腔的切削分两步 第一步切内腔 第二步切轮廓 切削内腔区域时 方法很多 如图3 33所示 其共同点是都要切净内腔区域的全部面积 不留死角 不伤轮廓 同时尽量减少重复走刀的搭接量 一般采用大直径与小直径刀具混合使用的方案 大直径刀具进行粗加工 小直径刀具进行清角加工 轻工职业技术学院 第三章数控铣削加工实例 3 3 3一般型腔零件的加工 1 零件图纸工艺分析及处理 1 该零件毛坯尺寸为120 x90 x16 且不需要加工 在零件上有多个加工特征 本例是只对矩形型腔加工 矩形型腔尺寸60X40X3 尺寸标注完整 设计基准在毛坯料左下角 2 刀具选择精加工刀具最大为10mm 粗加工选用14mm的圆柱形直柄铣刀 3 下刀方法确定与粗加工方法 14mm圆柱直柄铣刀 为了避免在工件表面垂直下刀 采用螺旋下刀方法 螺旋线的投影中心点在 36的圆心 35 45 螺旋线的圆弧半径为11 下刀到工作平面后 采用行切的粗加工方法 轻工职业技术学院 第三章数控铣削加工实例 2 程序编制 1 写出走刀路线M A B C D E F G H 2 列出各节点坐标 3 加工参数S 800Z方向F 80mm minXY方向F 120mm min 4 以华中数控系统为例编制加工程序 图3 36行切粗加工路径 程序见教材 轻工职业技术学院 第三章数控铣削加工实例 3 4加工中心的数控编程 加工中心是在数控铣床的基础上发展起来的 它和数控铣床有很多相似之处 但主要区别在于增加刀库和自动换刀装置 是一种备有刀库并能自动更换刀具对工件进行多工序加工的数控机床 3 4 1加工中心的功能特点 1 立式加工中心 轻工职业技术学院 第三章数控铣削加工实例 2 卧式加工中心 卧式加工中心与立式加工中心相比 一般具有刀库容量大 整体结构复杂 体积和占也面积大 价格较高等特点 卧式加工中心比立式加工中心更适合加工复杂的箱体类零件 轻工职业技术学院 第三章数控铣削加工实例 3 带APC 自动工作台交换装置 的加工中心 立式加工中心 卧式加工中心都可带有APC装置 交换工作台可有两个或多个 4 复合加工中心 轻工职业技术学院 第三章数控铣削加工实例 图4 5链式刀库 轻工职业技术学院 第三章数控铣削加工实例 3 4 2加工中心编程中与自动换刀有关的指令 1 自动返回参考点 G28 指令格式为 G28X Y Z 其中X Y Z为返回参考点时所经过的中间点坐标 指令执行后 所有受控轴都将快速定位到中间点 然后再从中间点到参考点 如图3 44 a 所示 a 经过中间点返回参考点 b 坐标轴直接返回参考点图3 44G28指令图示 G91方式编程为 G91G28X100 0Y150 0 G90方式编程为 G90G54G28X300 0Y250 0 轻工职业技术学院 第三章数控铣削加工实例 2 从参考点返回 G29 指令格式为 G29X Y Z 其中X Y Z后面的数值是指刀具的目标点坐标 这里经过的中间点就是G28指令所指定的中间点 故刀具可经过这一安全通路到达欲切削加工的目标点位置 所以用G29指令之前 必须先用G28指令 否则G29不知道中间点位置 而发生错误 其使用方法如图3 45所示 图3 45G28 G29使用例 M06T02 换2号刀 G90G28X50 0Y65 0Z50 0 由A点经中间点B回到Z轴机床参考点 M06T03 换3号刀 G29X35 0Y30 0Z5 0 3号刀由机床参考点经中间点快速定位至C点 轻工职业技术学院 第三章数控铣削加工实例 3 4 3加工中心编程的特点 加工中心加工零件的工艺设计包含了从零件的毛坯选择到通过机械加工的手段使零件达到其图