数控机床与编程(第1章：编程基础)

数控机床编程与加工操作华中科技大学出版社目录(27学时)第一章数控机床加工程序的编程基础(9学时)第二章数控铣床的编程及加工(9学时)第三章数控车床的编程及加工(9学时)第一章数控机床加工程序的编程基础目的和要求:1、了解数控程序的基本结构2、了解数控加工工艺分析的目的、内容与步骤3、了解数控加工工艺与传统加工工艺的相同点与区别3、掌握数控加工工艺分析方法4、完成典型零件的数控加工工艺分析要求：熟悉金属切削加工工艺：理解数控编程概念为使用CAM技术打好基础第一节数控编程概述第二节程序的构成第三节指令代码综述第四节坐标系统第五节数控加工工艺分析方法第六节数值分析方法第七节典型零件的数控加工工艺分析实例第一节数控编程概述分析零件图纸工艺处理数学处理编写程序单制作程序介质程首序件检试验切数控机床数控机床程序编写步骤数控编程的方法：手工编程自动编程注意：在编程规则上，不同厂家生产的数控机床并不完全相同，因此编程时应按照具体机床的编程手册中的有关规定来进行。本课程是以华中I型系统为例介绍编程规则的。第二节程序的构成%0001N01G92X0Y0Z10N02G91X10Y10N03G01Z-15F200S300M03N04X100N05Y100N06X-100N07Y-100N08G00X-10Y-10N09M05N10M30程序名程序结束标志程序段字指令字符一览表固定循环的参数P，Q，R参数子程序和固定循环的重复次数L2~9999L重复次数子程序号的指定P1~9999P程序号的指定暂停时间的指定sP，（X）暂停刀具补偿号的指定00~99H，D补偿号机床开/关控制的指定M0~99M辅助机能刀具编号的指定T0~99T刀具机能主轴旋转速度的指定S0~9999S主轴机能进给速度的指定F0~F15000F进给速度圆心与圆弧起点的相对位移量I，J，K圆弧半径R坐标轴的移动命令±99999.999X，Y，Z尺寸字指令动作方式（直线、圆弧等）G00~G99G准备功能程序顺序编号N1~9999N程序段号程序编号1~9999%零件程序号意义地址符机能第三节指令代码综述华中I型数控系统指令代码有:

G代码（准备功能）

M代码（辅助功能）

S代码（主轴功能）

T代码（刀具功能）

F代码（进给功能）等。G代码G代码组名功能★G0001快速定位G01直线插补G02顺圆插补G03逆圆插补G33螺纹切削系统默认状态G代码特点：不同组的G代码可以放在同一程序段中，其排列顺序不影响加工；

G91G00X20Y20G42M03F120除00组的G代码为非模态代码外，其它均为模态代码。G代码G代码组名功能G0400暂停G28返回到参考点G29由参考点返回G52局部坐标系设定G53机床坐标系设定G60单方向定位第四节坐标系统一、机床坐标轴直线运动坐标轴用X、Y、Z（基本坐标轴）表示；旋转方向坐标轴用A、B、C表示；数控车床基本坐标轴的方向定义：ZX坐标轴名正方向定义X垂直于Z轴并平行于工件装卡面的轴，面对刀具主轴立柱方向看，向右切削运动的方向为正方向Z平行于机床主轴的轴，规定刀具远离工件的运动方向为正方向数控铣床基本坐标轴的方向定义：坐标轴名正方向定义X垂直于Z轴并平行于工件装卡面的轴，面对刀具主轴向立柱方向看，向右切削运动的方向为正方向Y根据X轴和Z轴，按右手定则确定Z平行于机床主轴的轴，规定刀具远离工件的运动方向为正方向二、机床坐标系、机床原点和机床参考点1、数控车床机床原点：机床坐标原点通常由机床制造厂确定的，是确定机床固定原点的基准。数控车床的机床坐标系原点的位置大多规定在其主轴轴心线与装夹卡盘的法兰盘端面的交点上。机械原点（机床参考点）为车床上的固定点，通常设置在X轴和Z轴的正向最大行程处。工件编程原点：确定工件轮廓坐标值的计算和编程的原点。一般将工件坐标原点设在零件的轴心线和零件两端面的交点处。程序起点：刀具（刀尖）在加工程序执行时的起点，又称为程序原点，用G92指定。2、数控铣床编程原点机床启动前，通常要通过自动或手动回参考点（回零操作），其作用有：1）建立机床坐标系2）消除由于工作台漂移、变形等造成的误差第五节数控加工工艺分析方法目的：以最合理或较合理的工艺过程和操作方法指导编程和操作人员完成程序编制和加工任务。一、选择适合数控加工的零件1、最适应类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、铰或攻丝等多工序的零件。

对于此类零件，首要考虑的是能否加工出来，只要有可能，应把采用数控加工作为首选方案，而不要过多地考虑生产率与成本问题。2、较适应类①零件价值较高，在通用机床上加工时容易受人为因素（如工人技术水平高低、情绪波动等）干扰而影响加工质量，从而造成较大经济损失的零件；②在通用机床上加工时必须制造复杂专用工装的零件；③需要多次更改设计后才能定型的零件；④在通用机床上加工需要作长时间调整的零件；⑤用通用机床加工时，生产率很低或工人体力劳动强度很大的零件。此类零件在分析其可加工性的基础上，还要综合考虑生产效率和经济效益，一般情况下可把它们作为数控加工的主要选择对象。3、不适应类①生产批量大的零件（不排除其中个别工序采用数控加工）；②装夹困难或完全靠找正定位来保证加工精度的零件；③加工余量极不稳定、而且数控机床上无在线检测系统可自动调整零件坐标位置的零件；④必须用特定的工艺装备协调加工的零件。这类零件采用数控加工后，在生产率和经济性方面一般无明显改善，甚至有可能得不偿失，一般不应该把此类零件作为数控加工的选择对象。另外，数控加工零件的选择，还应该结合本单位拥有的数控机床的具体情况来选择加工对象。二、数控工艺分析的主要内容选择并确定零件的数控加工内容；零件工艺性分析；加工方法的选择与加工方案的确定；工序和工步的划分；切削用量的选择；进给路线的确定与加工顺序的安排；对刀点和换刀点的确定等。1、选择并确定零件的数控加工内容对于一个零件来说，并非全部加工工艺过程都适合在数控机床上完成,而往往只是其中的一部分工艺内容适合数控加工。这就需要对零件结构进行仔细的工艺分析，选择那些最适合、最需要进行数控加工的内容和工序。在考虑选择内容时，应结合本企业设备的实际，立足于解决难题、攻克关键问题和提高生产效率，充分发挥数控加工的优势。选择适于数控加工的内容时，一般可按下列顺序考虑：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加工能力时选择。此外，在选择和决定加工内容时，也要考虑生产批量、生产周期、工序间周转情况等等。总之，要尽量做到合理，达到多、快、好、省的目的，要防止把数控机床降格为通用机床使用。2、零件的工艺分析包括：零件图纸分析结构工艺性分析（1）零件图分析

1）尺寸标注方法分析

应以同一基准标注尺寸或直接给出坐标尺寸。DABCEFDABCEF2）零件图的完整性与正确性分析几何图素条件要求充分。3）零件技术要求分析目的：正确合理地选择加工方法、装夹方式、刀具及切削用量等。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。（2）零件的结构工艺性分析零件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。1）零件的内腔和外形最好采用统一的几何类型和尺寸。可减少刀具规格和换刀次数，使编程方便。2）内槽圆角半径不应太小通常R<0.2H时，可判定零件该部位的工艺性不好3）零件铣槽底平面时，槽底圆角半径不应过大。r越大，加工平面能力越差。4）应采用统一的基准定位作用：减少定位误差。零件上最好有合适的定位基准孔。5）尽可能减少刀具数量35不合理33合理（3）选择合适的零件安装方式应尽量采用通用夹具或组合夹具，必要时才设计专用夹具。夹具设计的原理和方法与普通机床所用夹具相同，但应使其结构简单，便于装卸，操作灵活。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、加工方法的选择选择原则：

应根据零件的加工精度、表面粗糙度、材料、结构形状、尺寸和生产类型等因素选择相应的加工方法和加工方案。（1）外圆表面加工方法的选择主要加工方法：

车削磨削外圆表面加工方案半精车粗磨磨削精车粗车精磨抛光精细车研磨超精加工超精磨不适用于有色金属不适用于淬火钢适合有色金属加工（2）内孔表面加工方法的选择原则1）选择原则加工方法：钻孔铰孔镗孔拉孔磨孔光整加工等常用的孔加工方案毛坯上无孔钻孔铰孔粗铰扩孔精镗半精镗粗镗（或扩孔）毛坯上有孔精铰拉孔精细镗磨孔粗磨精磨手铰珩磨或研磨2）典型零件孔加工方法要求加工内孔40H7，阶梯孔13和22等三种不同规格和精度的孔，零件材料为HT200。40孔加工方案：钻孔-粗镗（或扩孔）-半精镗-精镗方案。阶梯孔加工方案：钻孔-锪孔（3）平面加工方法的选择1）平面轮廓常用的加工方法有：铣削刨削车削拉削研磨或刮削常见平面加工方案拉削粗铣（粗刨）粗磨粗车精磨半精车刮研研磨精车精铣（精刨）宽刃细刨（4）平面轮廓和曲面轮廓加工方法的选择1）平面轮廓常用的加工方法有：数控铣削线切割磨削等加工内平面轮廓时，当曲率半径较小时，可采用数控线切割方法加工。加工外平面轮廓时，可采用数控铣削加工方法。2）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。4、加工阶段的划分粗加工阶段半精加工阶段精加工阶段光整加工阶段1）粗加工阶段：切除毛坯上大部分多余的金属，主要目标是提高生产率。2）半精加工阶段：使主要表面达到一定的精度，留有一定的精加工余量，完成一些次要表面加工；3）精加工阶段：保证各主要表面达到规定的尺寸精度和表面粗糙要求。主要目标是全面保证加工质量。4）光整加工阶段：对零件上精度和表面粗糙度要求很高（IT6级以上，表面粗糙度为Ra0.2µm以下）的表面，需进行光整加工，其主要目标是提高尺寸精度、减小表面粗糙度。一般不用来提高位置精度。划分加工阶段的目的在于：保证加工质量合理使用设备便于及时发现毛坯缺陷便于安排热处理工序5、工序的划分（1）工序划分的原则工序集中原则工序分散原则1）工序集中原则（数控加工常采用的原则）：

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。特点：

有利于采用高效的专用设备和数控机床，提高生产效率；减少工序数目，缩短工艺路线，简化生产计划和生产组织工作；减少机床数量、操作工人数和占地面积；减少工件装夹次数，不仅保证了各加工表面间的相互位置精度，而且减少了夹具数量和装夹工件的辅助时间。但专用设备和工艺装备投资大、调整维修比较麻烦、生产准备周期较长，不利于转产。2）工序分散原则：

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。特点：

加工设备和工艺装备结构简单，调整和维修方便，操作简单，转产容易；有利于选择合理的切削用量，减少机动时间。但工艺路线较长，所需设备及工人人数多，占地面积大。（2）工序划分的方法考虑生产纲领、设备、零件结构和技术要求。要求遵循以下原则：1）按所用刀具划分。如加工中心，减少换刀次数。2）按安装次数划分。减少定位误差。3）按粗、精加工划分。减少误差复映，提高加工精度。4）按加工部位划分。减少空行程，提高效率。6、定位与夹紧方式的确定正确选用定位方案和夹紧方式是保证加工精度的条件。要求：基准重合、减少安装次数、避免采用占机调整方式。7、加工顺序的安排（1）基面先行原则用作精基准的表面应优先加工出来。（2）先粗后精原则（3）先主后次的原则减少不必要的浪费。Φ52→Φ60→Φ80（4）先面后孔原则（箱体、支架类零件。）避免切削变形，保证孔的加工精度。（5）先近后远原则减少空行程，提高效率。34→36→38→40（6）先内后外的原则20→308、确定走刀路线和加工工序走刀路线是刀具刀位点在整个加工工序中的运动轨迹，它不但包含了工步的内容，也反映了工步的顺序。

走刀路线的确定非常重要，因为它与零件的加工精度和表面质量密切相关。走刀路线确定原则：（1）应能保证零件的加工精度和表面粗糙度要求在选择走刀路线时要充分注意以下几种情况：1）切入切出路径

铣削平面零件外轮廓时，刀具的切入、切出应沿轮廓切线方向进行，避免在工件表面形成接刀痕。且注意留有切入长度和切出长度。外轮廓加工刀具的切入切出铣削平面零件内轮廓时，刀具切入、切出点应选择在轮廓两几何元素的交点处。若无交点，刀具切入、切出点应远离拐角，或选择圆弧切入、切出。内轮廓加工刀具的切入切出起刀点无交点内轮廓加工刀具的切入切出错误的切入切出点G41刀具切入切出点应远离拐角起刀点G41正确的切入切出点外圆铣削内圆铣削G41G00XBYBAB错误G41G00XCYC

G01XBYBCAB零件轮廓轨迹刀具中心轨迹确定孔加工路线时，若孔的位置精度要求较高，加工路线的定位方向应保持一致。2）避免引入反向间隙误差孔系加工路线方案比较不好XY合理XY3）车螺纹时，为保证螺距的准确，应避免在进给机构的加速和减速过程中切削，故应有引入距离和超越距离。引入距离超越距离4）曲面加工的走刀路线行切法刀具沿某一方向（如X）进行切削，沿另一方向进给，来回往复切削去除加工余量。行切法切削进给路线环切法刀具沿与精加工轮廓平行的路线进行切削，从外向内或从内向外，呈环状逐步去除加工余量。环切法切削进给路线行切法刀位点计算简单，程序少，可准确保证母线的直线度准确度高，且便于加工后的检测，但程序较多注意：

应选择使工件加工变形小的走刀路线。对薄板类零件应采用分层切削或对称切削的走刀路线。5）采用顺铣加工方式逆铣时切削力F的水平分力FX的方向与进给运动Vf方向相反，顺铣时切削力F的水平分力FX的方向与进给运动Vf的方向相同。铣削方式的选择应视零件图样的加工要求，工件材料的性质、特点以及机床、刀具等条件综合考虑。通常，由于数控机床传动采用滚珠丝杠结构，其进给传动间隙很小，顺铣的工艺性就优于逆铣。

为了降低表面粗糙度值，提高刀具耐用度，对于铝镁合金、钛合金和耐热合金等材料，尽量采用顺铣加工。但如果零件毛坯为黑色金属锻件或铸件，表皮硬而且余量一般较大，这时采用逆铣较为合理。（2）选择最短走刀路线，减少刀具空行程工步起点与对刀点重合，空行程长。工步起点与对刀点分离，空行程短。粗车矩形循环进给路线选择（3）减少编程工作量应使数值计算简单，程序段数量少。9、切削用量的选择切削用量包括：

主轴转速切削速度背吃刀量进给量（1）切削用量的选择原则在保证加工质量和刀具耐用度的前提下，使切削效率最高，加工成本最低。1）粗加工时的选择原则：尽可能大的背吃刀量根据机床限制条件选取尽可能大的进给量根据刀具耐用度确定最佳的切削速度2）精加工时的选择原则：①根据粗加工后的余量确定背吃刀量②根据已加工表面粗糙度的要求，选取较小的进给量③尽可能选取较高的切削速度（2）切削用量的选择方法粗加工：一次进给应尽可能切除全部余量。半精加工：取：0.5~2mm精加工：取：0.2~0.4mm1）背吃刀量的选择（常规加工条件下）CK6140机床车削工艺时：粗车：≥3mm

半精加工：≈3～0.5mm

精加工：≈0.5～0.05mmXK714机床铣削工艺时：粗铣：X、Y方向取刀具直径的75%

Z方向取刀具半径的1/4～1/6

半精加工：X、Y方向取刀具直径的50%

Z方向取刀具半径的1/4～1/6

精加工：X、Y方向取0.1～0.5mmZ方向取0.1～0.3mm2）进给量（进给速度）的选择应根据零件表面粗糙度、加工精度要求、刀具及工件材料等因素，参考切削用量设计手册选取。车削加工时：粗加工：0.3~0.5mm/r

半精加工：0.15~0.25mm/r

精加工：0.05~0.15mm/r铣削加工时：Vf=fzZn=（0.05～0.18）Zn进给速度=每刃切削量×刀具刃数×主轴转速

刀具小时取小端数值，刀具大时取大端数值。每种规格的刀具每刃切削量变化在0.01~0.03的范围内，刃数少时取偏大的值，刃数多时取偏小的数值。精加工时取刃数多的刀具，粗加工时取刃数少的刀具。3）切削速度的选择可由经验公式计算或查手册确定根据已经选定的背吃刀量、进给量、刀具材料和刀具耐用度等选择。n=1000Vc/πD主轴转速=1000×切削线速度/（π×刀具直径或工件直径）高速钢刀具：粗加工：V≈15m/min半精加工：V≈25m/min精加工：V≈45m/min硬质合金刀具：粗加工：V≈30m/min半精加工：V≈50m/min精加工：V≈100m/min陶瓷刀具：5～10倍的硬质合金刀具10、对刀点和换刀点的确定对刀点是程序的起点换刀点是指换刀时刀架位置对刀点和换刀点对刀点选择的原则：1）便于用数学处理和简化程序编程2）在机床上找正容易，加工中便于检查3）引起的加工误差小换刀点选择的原则：以刀架转位时不碰工件及其它部件位准。第六节编程中的数学处理根据零件图给出的参数计算出编程所需的各相关点的坐标值。内容：数值换算基点、节点计算1、数值换算（1）选择原点尽可能让部分点的指令值与零件图上的尺寸值相同。车床编程原点的选择若为对称的零件，原点应选在对称平面中的对称中心。（2）标注尺寸换算将零件图纸上的基准尺寸换算为编程坐标系中的尺寸。包括：直接换算间接换算1）直接换算直接通过图样上的标注尺寸，即可获得编程尺寸。注意：

若有公差时，编程尺寸取两极限尺寸平均值后得到编程尺寸。例：20140.0859.94162）间接换算通过平面几何、三角函数等计算方法进行必要的解算后，才能得到其编程尺寸的一种方法。例：2059.94140.081642.13）尺寸链解算确定某些重要尺寸的允许变动量。例：2059.941642.12、基点与节点（1）基点

直线段和圆弧段的交点和切点；（2）节点用来逼近直线或圆弧小段与轮廓曲线的交点或切点。例：2059.94140.0816例：节点-----基点-----节点节点数目的确定：根据被加工曲线的形状、逼近线段的形状和允许的插补误差来决定。节点坐标的计算切线逼近法弦线逼近法割线逼近法圆弧逼近法等。第七节典型零件数控加工工艺分析实例一、数控车削加工典型零件工艺分析实例轴承套数控车削加工工艺（单件小批量生产），所用机床为CJK6240。该零件表面由外圆柱面、内圆锥面、顺圆弧、逆圆弧及外螺纹等表面组成，其中多个直径尺寸与轴向尺寸有较高的尺寸精度和表面粗糙度要求。零件图尺寸标注完整，符合数控加工尺寸标注要求；轮廓描述清楚完整；零件材料为45钢，切削性能较好，无热处理和硬度要求。1、零件图工艺分析1）零件图样上带公差的尺寸，因公差值较小，故编程时不必取其平均值，而取基本尺寸。2）左右端面均为多个尺寸的设计基准，相应工序加工前，应先加工左、右端面。3）内孔尺寸较小，镗1﹕20锥孔与镗φ32孔及15°斜面时需掉头装夹。2、确定装夹方案1）内孔加工时以外圆定位，用三爪自动定心卡盘夹紧。2）加工外轮廓时，需要设一圆锥心轴装置，用三爪卡盘夹持心轴左端，心轴右端留有中心孔并用尾座顶尖顶紧。3、确定加工顺序及走刀路线先加工内孔各表面，再加工外轮廓表面。由于该零件为单件小批量生产，外轮廓表面车削走刀路线可沿零件轮廓顺序进行。

4、刀具的选择序号刀具号刀具规格名称加工表面刀尖半径1T01450硬质合金端面车刀车端面0.52T025中心钻钻5中心孔3T0326钻头钻底孔4T04镗刀镗内孔各表面0.45T05930右手偏刀自右至左车外表面0.26T06930左手偏刀自左至右车外表面0.27T07600外螺纹车刀车M45螺纹0.15、切削用量选择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1平端面T0125×253201切削用量选择: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2钻5中心孔T0259502.5切削用量选择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3钻底孔T032622013切削用量选择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4粗镗32内孔、150斜面及0.5×450倒角T0420×20400.8切削用量选择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5精镗32内孔、150斜面及0.5×450倒角T0420×20250.2切削用量选择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6掉头装夹粗镗1：20锥孔T0420×20320400.8切削用量选择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7精