《机床数控技术基础》课件-第3章

第3章数控编程与加工工艺基础3.1数控编程的概念、方法和步骤3.2数控机床的坐标系和运动方向的规定3.3程序中的信息字和程序格式3.4常用程序编制指令3.5程序编制中的数值计算3.6数控加工工艺基础知识拓展本章小结

(1)数控编程的概念、方法和基本步骤;

(2)数控机床坐标系和运动方向的规定;

(3)数控程序的格式和指令代码,常用编程指令、程序编制中的数值计算;

(4)数控加工工艺特点和工艺分析主要步骤;

(5)数控加工工艺编制主要内容;

(6)数控加工工艺文件。

如图3-1所示,锥孔螺母套零件数控加工,单件小批生产,试分析其加工工艺并编制数控加工工序卡片。图3-1车削加工典型零件

3.1数控编程的概念、方法和步骤3.1.1数控编程的概念为了使数控机床能根据零件加工的要求进行动作,必须将这些要求以机床数控系统能识别的指令形式告知数控系统,这种数控系统可以识别的指令称为程序,制作程序的过程称为数控编程。数控编程的过程不仅仅单一指编写数控加工指令的过程,它还包括从零件分析到编写加工指令再到制成控制介质以及程序校核的全过程。

在编程前首先要进行零件的加工工艺分析,确定加工工艺路线、工艺参数、刀具的运动轨迹、位移量、切削参数(切削速度、进给量、背吃刀量)以及各项辅助功能(换刀、主轴正反转、切削液开关等);然后,根据数控机床规定的指令及程序格式编写加工程序单;再把这一程序单中的内容记录在控制介质上(如软磁盘、移动存储器、硬盘),检查正确无误后采用手工输入方式或计算机传输方式输入数控机床的数控装置中,从而指挥机床加工零件。

3.1.2数控编程的方法

数控编程可分为手工编程和自动编程两种。

1.手工编程

手工编程是指所有编制加工程序的全过程(图样分析、工艺处理、数值计算、编写程序单、制作控制介质、程序校验)由手工来完成。

手工编程无需计算机、编程器、编程软件等辅助设备,只需要有合格的编程人员即可完成。手工编程具有编程快速、及时的优点,但其缺点是不能进行复杂曲面的编程。手工编程比较适合批量较大、形状简单、计算方便、轮廓由直线或圆弧组成的零件的加工。

2.自动编程

自动编程是指用计算机(或编程器)编制数控加工程序的过程。

自动编程的优点是效率高,程序正确性好。自动编程由计算机(或编程器)代替人完成复杂的坐标计算和书写程序单的工作,它可以解决许多手工编制无法完成的复杂零件编程难题,但其缺点是必须具备自动编程系统或编程软件。自动编程较适合于形状复杂零件的加工程序编制,如模具加工、多轴联动加工等场合。

3.1.3-数控编程的步骤

数控编程的步骤一般如图3-2所示。图3-2数控编程的步骤

1.分析零件图样和工艺要求

分析零件图样和工艺要求的目的是为了确定加工方法、制定加工计划,以及确认与生产有关的问题,其内容包括:

(1)根据零件选用数控机床,选择合理的装夹方法和工装夹具。

(2)确定采用何种刀具或采用多少把刀进行加工。

(3)确定加工路线,即选择对刀点、程序原点、走刀路线、程序终点。

(4)确定切削用量等切削参数。

(5)确定加工过程中机床的辅助动作等。

2.数值计算

根据零件图样的几何尺寸确定工艺路线并设定工件坐标系,计算零件粗、精加工运动轨迹,得到刀位的运动数据。对于点定位控制的数控机床(如数控冲床),一般不需要计算。

只有当工件坐标系与编程坐标系不一致时,才需要进行坐标换算。对于形状比较简单的零件(如直线和圆弧组成的零件)的轮廓加工,需要计算出几何元素的起点、终点、圆弧的圆心、两几何元素的交点或切点的坐标值,有的还要计算刀具中心的运算轨迹坐标值。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,按要求的精度计算其节点坐标值。

3.编制零件数控加工工艺文件

零件的加工路线、工艺参数及刀位数据确定后,编程人员根据数控系统规定的功能指令代码及程序段格式,逐段编制和填写加工程序单。此外,还应填制有关的工艺文件,如编程任务书、工件安装和零点设定卡片、数控加工工程卡片、数控刀具卡片、数控刀具明细表以及数控加工轨迹运行图等,并编制数控加工程序单。

4.制作控制介质,输入程序信息

程序单完成后,编程者或机床操作者可通过CNC机床的操作面板,在编辑方式下将程序信息直接输入到CNC系统程序存储器中;也可以根据CNC系统输入、输出装置的不同,先将程序单的程序制作成穿孔带或转移至某种控制介质中。控制介质大多采用穿孔带,也可以用磁带、磁盘等信息载体。利用光电阅读机、磁盘驱动器等输入装置,可将控制介质中的程序信息输入到CNC系统程序存储器中。

5.程序校验与首件试切

程序必须经过校验和试切才能正式使用。校验的方法是用输入的程序使机床空运转,以检查机床的运动轨迹是否正确。在有CRT图形显示屏的数控机床上,用模拟刀具与工件切削过程的方法进行检验。但这些方法只能检验出运动是否正确,而不能查出被加工零件的加工精度,因此还要进行零件的首件试切。当发现有加工误差时,应分析误差产生的原因,找出问题所在并加以修正。

3.2数控机床的坐标系和运动方向的规定

3.2.1机床坐标系1.机床坐标系的定义在数控机床上加工零件,机床的动作是由数控系统发出的指令来控制的。为了确定机床的运动方向和移动距离,就要在机床上建立一个坐标系,这个坐标系就叫机床坐标系,也叫标准坐标系。

2.机床坐标系中的规定

1)坐标轴的命名

在数控机床中统一规定采用右手笛卡尔坐标系进行坐标轴的命名,如图3-3所示。图中大拇指的指向为X轴的正方向,食指指向为Y轴的正方向,中指指向为Z轴的正方向。A、B、C分别表示绕X、Y、Z的轴线或绕与X、Y、Z轴线相平行的轴转动。图3-3-右手笛卡尔坐标系统

(1)坐标轴的命名规定。

①坐标系中的各个坐标轴与机床的主要导轨相平行。②在加工过程中不论是刀具移动,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,并规定刀具远离工件的运动方向为坐标轴的正方向。

③如果把刀具看作相对静止不动,工件移动,那么在坐标轴的字母上加“'”,如X'、Y'、Z'等。

④机床主轴旋转运动的正方向用右手螺旋定则确定。

(2)机床坐标系的确定方法。

确定机床坐标轴时,一般先确定Z轴,再确定X轴和Y轴。

①Z轴。一般选取产生切削力的轴线作为Z轴。对于有主轴的机床,如图3-4所示的卧式车床和图3-5所示的立式升降台铣床等,都以机床主轴轴线作为Z轴;对于没有主轴的机床,如图3-6所示的牛头刨床、数控龙门刨床等,则规定都以垂直于装夹面的坐标轴为Z轴;同时还规定刀具远离工件的方向为Z轴的正方向。

②X轴。X轴位于与工件装夹面相平行的水平面内。对于机床主轴带动工件旋转的机床,如车床等,X轴在工件的径向并平行于横向滑板,刀具离开工件旋转中心的方向是X轴的正方向,如图3-4所示。

对于机床主轴带动刀具旋转的机床,如铣床、钻床、镗床等,如果Z轴是水平的,则从刀具(主轴)向工件看,X轴的正方向指向右边,如图3-7所示;如果Z轴是竖直的,则从刀具(主轴)向立柱看,X轴的正方向指向右边,如图3-5所示。图3-4卧式车床图3-5立式升降台铣床

对于无主轴的机床,如刨床等,则选定主要切削方向为X轴正方向,如图3-6所示。图3-6牛头刨床图3-7卧式升降台铣床

③Y轴。Y轴方向根据已选定的Z、X轴按右手直角坐标系来确定。

④A、B、C的转向。选定X、Y、Z坐标轴后,根据右手螺旋定则来确定A、B、C转动的正方向。

⑤附加坐标系。如果机床在基本的直角坐标系X、Y、Z之外,另有轴线平行于它们的坐标系,则附加的直角坐标系指定为U、V、W和P、Q、R。

3.机床原点与机床参考点

机床原点(又称机床零点)是机床上设置的一个固定的点,即机床坐标系的原点。它是数控机床进行加工或位移的基准点,在机床装配、调试时就已调整好,一般情况下不允许用户进行修改,因此它是一个固定的点。

机床参考点是机床坐标系中一个固定不变的极限点,其固定位置由各轴向的机械挡块来确定。一般数控机床开机后,用控制面板上的“手动返回参考点”按钮使刀具或工作台退到该点。对数控铣床、加工中心而言,机床参考点与机床原点重合;对数控车床而言,机床参考点是指刀架退到离主轴端面和旋转中心线最远处的某一固定点。机床参考点在数控机床制造厂产品出厂时,就已经调好并记录在机床使用说明书中供用户编程使用,一般情况下不允许随意变动。

图3-8所示为某一型号数控车床的机床坐标系。机床原点O取在卡盘后端面与旋转中心线的交点处,而机床参考点O'在机床坐标系中的坐标为(L,D)。图3-8数控车床的机床原点和参考点

3.2.2工件坐标系

编程时,为了编程方便,需要在零件图样上选定一个适当的基准点,并以这个基准点作为坐标系的原点建立一个新的坐标系,此坐标系称为工件坐标系。工件坐标系的原点称为工件原点,见图3-9。工件原点是人为设定的,设定的依据既要符合图样尺寸的标注习惯,又要便于编程。图3-9数控车床的工件坐标系及工件原点

3.2.3-绝对坐标系和相对坐标系

工件或刀具移动量的指令方法有绝对尺寸指令和增量尺寸指令两种。

所有坐标值均以机床或工件原点计量的坐标系,称为绝对坐标系,其移动的尺寸称为绝对尺寸(绝对坐标),所用的编程指令称为绝对尺寸指令。图3-10中,从A点运动到B点,其绝对尺寸指令为X40.0Y70.0。图3-10绝对尺寸和增量尺寸

运动轨迹的终点坐标是相对于起点计量的坐标系,称为增量坐标系或相对坐标系。其移动的尺寸称为增量尺寸(增量坐标),所用的编程指令称为增量尺寸指令。图3-10中,从A点运动到B点,其增量尺寸指令为:X-60.0Y40.0,其中负号表示B点在A点的负向。

在编程时,可根据需要从计算方便、编程方便等方面考虑,选用不同的坐标系,但必须给定相应的指令。

3.3

程序中的信息字和程序格式

3.3.1数控程序指令代码为了设计、制造、维修和使用的方便,在输入代码、坐标系统、加工指令、辅助功能及程序格式等方面逐渐形成了两种国际通用的数字控制标准,即ISO(InternationalStaudardizationOrganization,国际标准化组织)标准,和EIA(ElectourcIndustriesAssociation,美国电子工业协会)标准。

穿孔带几何尺寸见图3-11,按照孔道上有孔或无孔状态的不同组合,可以表示各种信息代码。所谓代码,就是由一些按标准排列的信息孔组成的一行二进制图案,每一行代码分别表示一个十进制数、一个英文字母、一个功能符号。图3-11八单位标准穿孔带

国际上通用的数控穿孔带代码有ISO代码和EIA代码,表3-1是EIA代码和ISO代码的穿孔带编码形式及其意义。穿孔带编码包括数字符0~9、字母符A~Z及其它功能符。代码中是“1”,表示穿孔带编码中有孔;代码为“0”,表示穿孔带编码中无孔,从而组成二进制码位。第3列和第4列之间的连续小孔称同步孔,作为行定位基准。在使用穿孔机制作穿孔带和读代机读穿孔带时,同步孔会产生同步信号。

ISO代码和EIA代码其他区别简单介绍如下:

(1)ISO代码是大写字母,EIA代码是小写字母。

(2)程序段结束时,ISO码用LF或NL,EIA码用CR。

(3)ISO采用“%”实现倒带,EIA使用ER实现倒带。

(4)ISO中有左括号和右括号,左括号表示控制暂停,右括号表示控制恢复,所以在括号之间可以写入注解,对机床控制没有影响,但其间不允许出现字符“;”与“%”。

(5)ISO中有“:”代码,表示数控带上的一个特定位置。它的作用是在读带时,读带机将数控带送到位置后立即停止。若数控带倒带时,返回到此位置停止。后续加工中需使用“:”代码后程序时,非常方便。

(6)ISO使用“/”取消程序段,EIA使用DEL取消程序段。

3.3.2信息字及其含义

信息字又称程序字、功能字,简称字,它是机床数字控制的专用术语。它的定义是:一套有规定次序的代码符号,可以作为一个信息单元进行存贮、传递和操作,如X10就是一个字。字是表示某一功能的一组代码符号,如G01就表示直线插补。字的开头是英文字母,随后是符号和数字。英文字母称为字的地址,它表示该字的功能。英文字母、符号和数字统称为字符或代码。

字分为尺寸字和非尺寸字两种。在尺寸字中,地址后面表示的是运动方向的符号、坐标或距离的十进制数。以字母X、Y、Z、U、V、W、P、Q、R、I、J、K、A、B、C、D、E等为地址的字是尺寸字,以字母N、G、F、S、T、M等为地址的字是非尺寸字。

一个字所含字符的个数叫做字长。

3.3.3-加工程序的组成

数控加工中,零件加工程序的组成形式因采用的数控系统形式不同而略有差异。加工程序一般可分为主程序和子程序。将重复出现的程序(如依次加工几个相同的型面)单独组成子程序。数控装置按主程序运行,在主程序中遇到调用某子程序的指令就转入子程序运行;在子程序中遇到返回指令,则又返回到主程序继续运行,其关系如图3-12所示。

一个主程序按需要可以有多个子程序,并可重复调用。主程序和子程序的内容各不相同,但程序格式是相同的。图3-12主程序与子程序关系图

不论是主程序还是子程序,每一个程序都是由若干个程序段组成。程序段是由一个或若干个字组成,每个字都是数控机床为完成某一特定动作的指令。

3.3.4程序段格式

每个加工程序都由加工程序号、程序段号、程序结束符等几部分组成。

1.加工程序号

格式:□

，

“□”中为程序号指令代码,ISO代码为“:”,EIA代码为“O”,还有的代码为“%”。具体可参见有关机床数控系统的编程说明。

“

”为程序号,可以从0001到9999。存入数控系统中的各零件加工程序号不能相同。

2.程序段

格式:

程序段格式说明:

(1)顺序号可以从1到9999,但有的数控系统只能从10到9990。在把加工程序输入到计算机数控装置时,系统在每个程序段的开头会自动生成顺序号。用DNC传输时可以把顺序号全部省略,以节省内存。

(2)坐标值的输入最大值可为±99999.999,但输入的实际值不能超出机床的加工范围。输入时“+”号可以省略。在输入整数时,有的数控系统小数点后面的三个0可以不输入,但小数点必须输入,如X88.000可只输入X88.;有的数控系统整数后面的小数点及0都可以不输入,具体情况应根据不同的数控系统来确定。

(3)其他坐标包括I、J、K及R等。

(4)附加指令包括固定循环及子程序的重复次数、刀具补偿号、刀具号及暂停等指令。

(5)结束代码可以是*或LF等,不同的数控系统有不同的结束代码,可参见有关规定。

(6)上面程序段格式中的指令有的属于续效指令,所以在每个程序段中,不需要每个指令都完全写出。

(7)除顺序号、程序段结束代码外,其他指令或代码的先后次序都可任意组合。

(8)对有的数控系统,G、T、S、M指令不允许共段。

3.程序结束符

国产数控系统一般都没有结束符,FANUC数控系统的结束符为“%”,SIEMENS数控系统的结束符为“RET”。

3.4常用程序编制指令

3.4.1准备功能G指令准备功能G指令用来规定刀具和工件的相对运动轨迹(即指令插补功能)、工件坐标系、平面选择、刀具补偿等多种操作。JB3208-1983标准规定:G功能指令由字符G及其后面的两位数字组成,从G00到G99共有100个,见表3-2)。

1.坐标系有关指令

1)绝对尺寸指令与增量尺寸指令

G90、G91G90表示程序段中的尺寸字为绝对尺寸,G91表示程序段中的尺寸字为增量尺寸;G90以各轴移动的终点位置坐标值进行编程,G91是以各轴的移动量直接编程,它们均为续效指令或称模态指令。图3-9中的移动量分别用绝对尺寸指令和增量尺寸指令编程时,其程序段格式如下:

2)平面选择指令G17、G18、G19

G17、G18、G19分别表示在XY、ZX、YZ坐标平面内进行加工,常用于确定圆弧插补平面、刀具半径补偿平面,它们均为续效指令。有的数控机床(如数控车床)只在一个平面内加工,则在程序中不必加入平面选择指令。

2.快速点定位指令G00

G00指令使刀具以点位控制方式从刀具所在点以最快速度移动到坐标系的另一点。其移动轨迹通常以立方体的对角线三轴联动,然后以正方形的对角线二轴联动,最后一轴移动。在图3-13中,如果从A(0,0,20)移动到D(55,35,0),则刀具轨迹为A→B(走立方体的对角线)→C(走正方形的对角线)→D(走与坐标轴平行的直线)。图3-13-G00快速点定位移动轨迹

3.直线插补指令C01

C01用以指令两个坐标(或三个坐标)以联动的方式,按程序段中规定的进给功能F,插补加工出任意斜率的直线。刀具的当前位置是直线的起点,在程序段中指定的是终点的尺寸字。在C01程序段中必须指定进给功能F,且G01与F都是续效指令。

4.圆弧插补指令G02、G03-

圆弧插补指令G02、G03分别指令刀具相对于工件顺时针及逆时针移动进行圆弧加工。圆弧的顺、逆方向可按图3-14(数控车床)及图3-15(数控铣床与加工中心)给出的方向判断。注意在判断顺、逆方向时,都是从坐标轴的正向往负向看在另外两轴组成平面中的转向。在数控车床中,如从上往下看,顺、逆方向正好与常规的相反。这一点,在编程中必须注意。圆弧插补程序段应包括圆弧的顺/逆圆插补指令、圆弧的终点坐标以及圆心坐标(或半径)。图3-14数控车床的G02与G03图3-15数控铣床(加工中心)的G02与G03

X、Y、Z是圆弧终点坐标值,其值可以用绝对尺寸,也可以用增量尺寸。R是圆弧半径,当圆弧所对应的圆心角小于180°时,R取正值;当圆心角等于或大于180°时,R取负值。I、J、K分别表示圆心相对于圆弧始点在X、Y、Z轴方向的坐标增量,其值与G90无关。注意,I、J、K为零时可以省略;在同一程序段中,当I、J、K与R同时出现时,R有效。

例如在图3-16中,从A→B→C,其程序为:图3-16圆弧插补举例图3-17整圆插补加工举例

5.暂停(延迟)指令G04

暂停指令G04可以使刀具暂时停止进给(但主轴仍然在转动),经过指令的暂停时间后再继续执行下一程序段。其程序段格式为:

G04ψ

，

格式中ψ常用字符F、X或P表示。后面的暂停时间单位为s或ms,也可以是刀具或工件的转数。具体参见各个数控系统的规定。

此指令常用于切槽、钻孔到孔底、锪平底孔等对表面粗糙度有要求的场合。

6.刀具半径补偿指令G41、G42、G40

在加工曲线轮廓时,利用刀具半径补偿指令可不必求出刀具中心的运动轨迹,只按被加工工件的轮廓曲线编程,同时在程序中给出刀具半径补偿指令,就可加工出具有轮廓曲线的工件,使编程工作大大简化。G41为左偏指令,是指顺着刀具前进方向看,刀具偏在工件轮廓的左边;若偏在右边,则用G42指令。G41、G42是续效指令,需用G40进行注销,即当G41或G42程序完成后用G40程序段消除偏置值,从而使刀具中心与编程轨迹重合。图3-18为刀具半径补偿示例,利用G41、G42和G40指令,刀具中心将沿图中虚线移动。图3-18刀具半径补偿举例

3.4.2辅助功能M指令M功能指令

是由地址字符M及其后面的两位数字组成的,从M00到M99共有100个,见表3-3。它是用于机床加工操作的工艺性指令,如主轴的启停、切削液的开关等。M功能指令也有续效指令和非续效指令,这类指令与机床的插补运算无关。

1.程序停止指令M00

M00实际上是一个暂停指令。当执行有M00指令的程序段后,主轴停转,进给停止,切削液关,程序停止。程序运行停止后,模态(续效)信息全部被保存,利用机床的“启动”键,可使机床继续运转。该指令经常用于加工过程中测量工件的尺寸、工件调头、手动变速等固定操作。

2.选择停止指令M01

该指令的作用和M00相似,但它必须是在预先按下操作面板上的“选择停止”按钮并执行到M01指令的情况下,才会停止执行程序。如果不按下“选择停止”按钮,M01指令无效,程序继续执行。该指令常用于工件关键性尺寸的停机抽样检查等,当检查完毕后,按“启动”键可继续执行以后的程序。

3.程序结束指令M02

当全部程序结束后,用此指令可使主轴、进给及切削液全部停止,并使机床复位。

4.与主轴有关的指令M03、M04、M05

M03表示主轴正转,M04表示主轴反转。所谓正转是沿主轴轴线向正Z方向看为顺时针方向旋转,逆时针方向则为反转。也可用右手定则判断:用右手拇指代表正Z方向,紧握四指则代表主轴正转方向,如图3-19所示。M05为主轴停止指令,它是在该程序段其他指令执行完以后才执行的。

图3-19主轴的正转方向

5.换刀指令M06

M06是手动或自动换刀指令,它不包括刀具选择功能,常用于加工中心换刀前的准备工作。

6.与切削液有关的指令M07、M09

M07为切削液开,M09为切削液关。

7.与主轴、切削液有关的复合指令M13、M14

M13为主轴正转,切削液开;M14为主轴反转,切削液开。

8.程序结束指令M30

在完成程序的所有指令后,M30可使主轴、进给和切削液都停止,并使机床及控制系统复位。M30与M02基本相同,但M30能自动返回程序起始位置,为加工下一个工件作好准备。

9.与子程序有关的指令M98、M99

M98为调用子程序指令,M99为子程序结束并返回到主程序的指令。

注意:在一个程序段中只能指令一个M功能指令。如果在一个程序段中同时指令了两个或两个以上的M功能指令时,则只有最后一个M功能指令有效,其余的M功能指令均无效。有的数控系统对两个或两个以上的M功能指令都不能执行,并出现报警。

3.4.3-F、S、T功能

1.进给功能F

F功能指令是由字符F及其后面的若干位数字组成的,单位为mm/min或mm/r。例如,F150表示进给速度为150mm/min。

2.主轴转速功能S

S功能指令是由字母S及其后面的若干位数字组成的,单位为r/min。例如,S300表示主轴转速为300r/min。现在大多数数控机床都采用直接给出主轴转速数值的方法。

3.刀具功能T

在自动换刀的数控机床中,该指令用以选择所需的刀具。在多道工序加工时,必须选取合适的刀具。每把刀具都应安排一个刀具号,如T06表示第6号刀具,刀具号在程序中指定。T功能指令是由字符T及其后面的两位数字组成的,即T00至T99,因此最多可换100把刀。

3.5程序编制中的数值计算

3.5.1数值计算的概念在数控编程加工过程中,首先要计算出刀具运动轨迹点的坐标。这种根据工件图样,按照已确定的加工路线和允许的编程误差,计算数控系统所需输入的数据,称为数控加工的数值计算。

3.5.2数值计算的内容

1.基点、节点的概念与计算

1)基点的概念与计算一个工件的轮廓往往由许多不同的几何元素组成,如直线、圆弧、二次曲线以及其他曲线等。构成工件轮廓的这些不同几何元素的连接点称为基点,如图3-20中的A、B、C、D、E和F等点都是该工件轮廓上的基点。显然,相邻基点间只能是一个几何元素。

轮廓的基点可以直接作为其运动轨迹的起点或终点。目前,一般的数控机床都具有直线和圆弧插补功能。计算基点时,只需计算轨迹(线段)的起点或终点在选定坐标系中的各坐标值和圆弧运动轨迹的圆心坐标值。因此,基点的计算较为方便,常采用手工计算。图3-20工件轮廓中的基点

2)节点的概念与计算

当采用不具备非圆曲线插补功能的数控机床加工非圆曲线轮廓的工件时,在加工程序的编制工作中,常常需要用直线或圆弧去近似代替非圆曲线,称为拟合处理。拟合线段的交点或切点就称为节点。如图3-21中的P1、P2、P3、P4、P5点为直线拟合非圆曲线时的节点。图3-21件轮廓中的节点

2.刀位点轨迹的计算

当采用圆弧形车刀进行车削加工及立铣刀进行铣削加工时,因刀位点规定在刀具中心处,因此大多数情况下,刀具的刀位点轨迹与工件轮廓轨迹不重合,如图3-22所示,通常是沿轮廓偏移一个刀具半径值。对于具有刀具半径补偿功能的数控机床,在切削平面内的刀具刀位点轨迹大多由数控系统根据工件的加工轮廓和设定的刀具半径值自动计算,无需用户计算。如果采用球头铣刀手工编程加工三维型面(如图3-23所示的球面)时,则需计算球头铣刀球心的运动轨迹。此外,一些老式的数控系统,由于不具有刀具半径补偿功能,因此也需进行刀具刀位点运动轨迹的计算。图3-22刀具半径补偿的刀位点轨迹图3-23-球头铣刀加工三维型面

3.辅助计算

辅助计算包括增量计算、辅助程序段计算和切削用量计算等,通常较为简单。

3.5.3-计算方法

常用的基点计算方法有列方程求解法、三角函数法、CAD绘图求解法等。

1.列方程求解法

1)列方程求解法中的常用方程

由于基点计算主要内容为直线和圆弧的端点、交点、切点的计算,因此列方程求解法中用到的直线与圆弧方程如下:

2)列方程求解直线与圆弧的交点或切点

为了叙述上的方便,把直线与圆弧的关系及其列方程求解方法归纳为表3-4中的两种类型。

3)列方程求解法实例

例3-1两圆相交,假设R1=15.0,圆心坐标为(5,10);R2=18.0,圆心坐标为(20,16),试求交点C和D的坐标。

2.三角函数计算法

1)三角函数法中常用的定理三角函数计算法简称三角计算法,在手工编程工作中是进行数学处理时应重点掌握的方法之一。三角函数计算法常用的三角函数定理的表达式如下:

2)三角函数法求解直线和圆弧的交点与切点

为了叙述上的方便,把直线与圆弧的关系及其求解方法归纳为表3-5中的四种类型。

3)三角函数计算法实例

例3-2如图3-24所示,试采用三角函数法求解基点A、B、C、D、E点的坐标。

解A点:按表3-5中的类型(二)求得XA=-49.64,YA=85.98;

B点:按表3-5中的类型(三)求得XB=18.04,YB=126.63;

C点与D点:按表3-5中的类型(四)求得XC=57.69,YC=98.46;XD=131.54,YD=67.69;

E点:按表3-5中的类型(一)求得XE=145.26,YE=23.81。图3-24三角函数法求基点坐标

3.CAD绘图分析法

1)常用的CAD绘图软件

当前在国内常用的CAD绘图软件有AutoCAD和CAXA电子图板等。

AutoCAD是Autodesk公司的主导产品,是当今最为流行的绘图软件之一,具有强大的二维功能,如绘图、编辑、填充、图案绘制、尺寸标注以及二次开发等功能,同时还具有部分三维绘图功能。CAXA电子图板软件由北航海尔公司研制开发,是我国自行研发的全国产化软件。

2)CAD绘图分析基点与节点坐标

(1)分析过程:采用CAD绘图来分析基点与节点坐标时,首先应学会一种CAD软件的使用方法,然后用该软件绘制出工件的二维零件图并标出相应尺寸(通常是基点与工件坐标系原点间的尺寸),最后根据坐标系的方向及所标注的尺寸确定基点的坐标。

(2)注意事项:采用这种方法分析基点坐标时,要注意以下几方面的问题:

①绘图要细致认真,不能出错。

②应严格按1∶1的比例绘制图形。

③尺寸标注的精度单位要设置正确,通常为小数点后三位。

④标注尺寸时找点要精确,不能捕捉到无关的点上去。

(3)CAD绘图分析法的特点:采用CAD绘图分析法可以避免大量复杂的人工计算,操作方便,基点分析精度高,出错几率少。因此,建议尽可能采用这种方法来分析基点与节点坐标。这种方法的不利之处是对技术工人又提出了新的学习要求,同时还增加了设备的投入。

3.5.4非圆曲线节点的拟合计算

1.非圆曲线节点的拟合计算方法

目前,大多数数控系统都不具备非圆曲线的插补功能。因此,在加工这些曲线时,通常采用直线段或圆弧线段拟合的方法进行。在手工编程过程中,常用的拟合计算方法有等间距法、等插补段法和三点定圆法等几种。

1)等间距法

在一个坐标轴方向,将拟合轮廓的总增量(如果在极坐标系中,则指转角或径向坐标的总增量)进行等分后,对所设定的节点所进行的坐标值计算方法称为等间距法,如图3-25所示。图3-25非圆曲线切点的等间距拟合

2)等插补段法

当设定的相邻两节点间的弦长相等时,对该轮廓曲线所进行的节点坐标值计算方法称为等插补段法,如图3-26所示。

3)三点定圆法

三点定圆法是一种用圆弧拟合非圆曲线时常用的计算方法,其实质是过已知曲线上的三点(亦包括圆心和半径)作一圆。图3-26非圆曲线节点的等插补段似合

2.非圆曲线的拟合误差

不管采用以上三种拟合方法中的哪一种进行曲线拟合计算,均会在拟合过程中产生拟合误差(见图3-27),而且各拟合段的误差大小各不相同。图3-27非圆曲线的拟合误差

在实际编程过程中,主要采用以下几种方法来减小拟合误差:

(1)采用合适的拟合方法。相比较而言,采用圆弧拟合方法的拟合误差要小一些。

(2)减小拟合线段的长度。减小拟合线段的长度可以减小拟合误差,但增加了编程的工作量。

(3)运用计算机进行曲线拟合计算。采用计算机进行曲线的拟合,在拟合过程中自动控制拟合精度,以减小拟合误差。

3.6数控加工工艺基础

3.6.1数控加工的工艺特点1.工艺详细

数控加工工艺制定的步骤和内容与普通工艺大致相同,但数控工艺的一个明显特点是工艺内容十分具体、完整。

普通工艺规程视零件的生产批量、复杂程度以及零件的重要性等的不同而有不同的工艺设计内容,但最多详细到工步。数控加工工艺必须详细到每一步走刀和每一个操作的细节,留给操作工人完成的工艺与操作内容都必须由编程人员在程序中预先确定。其次,凡是用数控加工的零件,不论简单、重要与否,都要有完整的加工程序,因而都要制定详细的工艺。

2.工序集中

现代数控机床具有刚性大、精度高、刀库容量大、切削参数范围广及多坐标、多工位等特点,有可能在零件一次装夹中完成多种加工方法和由粗到精的过程,甚至可在工作台上安装几个相同或相似的零件进行加工,从而可缩短工艺路线和生产周期,减少加工设备和工艺装备,减少中间储存与运输。

3.方法先进

对于一般简单表面的加工方法,数控加工与普通加工无大差异。但对于一些复杂表面、特殊表面或有特殊要求的表面,数控加工就与传统加工有着根本不同的加工方法。例如对于曲线、曲面的加工,传统加工是用划线、样板、靠模、预钻、砂轮、钳工等方法,不仅费工、费时,而且还不能保证加工质量,甚至产生废品。而数控加工则用多坐标联动自动控制加工方法,其加工质量与生产效率是传统方法无法与之比拟的。

3.6.2数控加工的工艺性分析

1.零件图分析

分析零件图是制定加工工艺的首要工作,直接影响零件加工程序的编制及加工结果。零件图分析主要内容为:

1)零件图尺寸标注分析

零件图上尺寸标注最好以同一基准引注或直接给出坐标尺寸,既便于编程,也便于尺寸间的相互协调,还利于设计基准、工艺基准、测量基准与编程原点的统一。

2)轮廓几何要素分析

在编制程序时,编程人员必须充分掌握构成零件轮廓的几何要素参数及各几何要素间的关系,以便于自动编程时对零件轮廓的所有几何要素进行定义。手工编程时,计算所有基点和节点的坐标;自动编程时,对构成零件轮廓的几何元素进行定义。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。如图3-28所示,圆弧与斜线的关系要求为相切,但经计算后却为相交。又如图3-29所示,图中给出的各段长度之和不等于其总长,给定的几何元素条件自相矛盾。图3-28几何要素缺陷示例(一)图3-29几何要素缺陷示例(二)

3)尺寸公差和表面粗糙度要求分析

分析零件图样的尺寸公差和表面粗糙度要求,是确定机床、刀具、切削用量以及确定零件尺寸精度的控制方法和加工工艺的重要依据,在分析过程中还同时进行一些编程尺寸的简单换算。

4)形状和位置公差要求分析

零件图上给定的形状和位置公差是保证零件精度的重要要求,在工艺分析过程中,应按图样的形状和位置公差要求确定零件的定位基准、加工工艺,以满足公差要求。

2.零件结构的工艺性分析

零件的结构工艺性是指加工工艺特点对零件的设计所产生的要求。也就是说,零件的结构设计会影响或决定加工工艺性的好坏。因此,在满足使用要求的前提下,要尽量提高零件加工的可行性和经济性。

(1)零件的内腔与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,从而简化编程并提高生产率。

例如,图3-30(a)所示的数控车削加工零件,需要三把不同宽度的切槽刀切槽,如无特殊需要,显然不合理。若改成图3-30(b)所示的结构,只需一把切槽刀即可加工出三个槽,既减少了刀具数量,少占刀架位置,又节省了换刀时间。图3-30数控车削加工零件的结构工艺性

(2)轮廓最小内圆弧或外轮廓的内凹圆弧的半径R限制了刀具的半径。因此,圆弧半径R不能取得过小。此外,零件的结构工艺性还与R/H(H为零件轮廓面的最大加工高度)的值有关,当R/H>0.2时,零件的结构工艺性较好(如图3-31所示的外轮廓内凹圆弧),反之则较差(如图3-31所示的内轮廓圆弧)。图3-31零件结构工艺性

(3)铣削槽底平面时,槽底圆角半径r(见图3-32)不能过大。圆角半径r越大,铣刀端面刃与铣削平面的最大接触直径d=D-2r(D为铣刀直径)越小,加工平面的能力就越差,效率就越差,工艺性也越差。图3-32槽底平面圆弧对加工工艺的影响

(4)对于零件在数控加工过程中的变形问题,可在加工前采取适当的热处理工艺(如调质、退火等)来解决,也可采取粗、精加工分开或对称去余量等常规方法来解决。

(5)对于毛坯的结构工艺性要求,首先应考虑毛坯的加工余量应充足和尽量均匀;其次应考虑毛坯在加工时定位与装夹的可靠性和方便性,以便在一次安装过程中加工出尽量多的表面。对于不便装夹的毛坯,可考虑在毛坯上另外增加装夹余量或工艺凸台、工艺凸耳等辅助基准。

3.6.3-数控加工工艺的制定

1.选择加工内容

数控机床有很多优点,但价格昂贵,消耗较大,维护费用较高,导致加工成本增加。因此,从技术和经济等角度出发,对于某个零件来说,并非全部加工工艺过程都适合在数控机床上进行,而往往只选择其中一部分内容采用数控加工。

在对零件图进行详细工艺分析的基础上,选择那些适合且需要进行数控加工的内容和工序进行数控加工,以充分发挥数控加工技术的优势。一般按下列原则顺序进行选择:

(1)普通机床无法加工的内容优先;

(2)普通机床加工困难、质量难以保证的内容作为重点;

(3)普通机床加工效率低、劳动强度大的内容作为平衡。

此外,在选择加工内容时,还要考虑生产批量、生产周期、工序间周转情况等因素,尽量合理安排,以充分发挥数控机床的优势,达到多、快、好、省的目的。

2.划分加工阶段

对重要的零件,为了保证其加工质量和合理使用设备,零件的加工过程可划分为4个阶段,即粗加工阶段、半精加工阶段、精加工阶段和精密加工(包括光整加工)阶段。

1)粗加工阶段

粗加工的任务是切除毛坯上大部分多余的金属,使毛坯在形状和尺寸上接近零件成品,减小工件的内应力,为半精加工作好准备。因此,粗加工的主要目标是提高生产率。

2)半精加工阶段

半精加工的任务是使主要表面达到一定的精度并留有一定的精加工余量,为主要表面的精加工作好准备,并可完成一些次要表面(如攻螺纹、铣键槽等)的加工。热处理工序一般放在半精加工的之前或之后。

3)精加工阶段

精加工是指从工件上切除较少的余量,得到精度比较高、表面粗糙度值比较小的加工过程,其任务是全面保证工件的尺寸精度和表面粗糙度等加工质量。

4)精密加工阶段

精密加工主要用于加工精度和表面粗糙度要求很高(IT6级以上,表面粗糙度值为Ra0.4μm以下)的零件,其主要目标是进一步提高尺寸精度,减小表面粗糙度。精密加工对位置精度影响不大。

划分加工阶段的目的为:

(1)保证加工质量。

工件在粗加工阶段,切削的余量较多。因此,切削力和夹紧力较大,切削温度也较高,零件的内部应力也将重新分布,从而产生变形。如果不进行加工阶段的划分,将无法避免由上述原因产生的误差。

(2)合理使用设备。

粗加工可采用功率大、刚性好和精度低的机床加工,车削用量也可取较大值,从而充分发挥设备的潜力;精加工则切削力较小,对机床破坏小,从而保持设备的精度。

(3)便于及时发现毛坯缺陷。

对于毛坯的各种缺陷(如铸件、夹砂和余量不足等),在粗加工后即可发现,便于及时修补或决定报废,避免造成浪费。

(4)便于组织生产。

通过划分加工阶段,便于安排一些非切削加工工艺(如热处理工艺、去应力工艺等),从而有效地组织生产。

3.安排加工顺序

加工顺序又称工序,通常包括切削加工工序、热处理工序和辅助工序。

1)加工顺序安排原则

(1)基准面先行原则。

用作精基准的表面应优先加工出来,因为定位基准的表面越精确,装夹误差就越小。如图3-33所示的工件,由于ϕ40mm外圆是同轴度的基准,所以应首先加工该表面,再加工其他表面。图3-33-基准面先行加工示例

(2)先粗后精原则。

各个表面的加工顺序按照粗加工→半精加工→精加工→精密加工的顺序依次进行,逐步提高表面的加工精度,减小表面粗糙度值。

(3)先主后次原则。

零件的主要工作表面、装配基面应先加工,以便能及早发现毛坯中主要表面可能出现的缺陷。次要表面可穿插进行,放在主要加工表面加工到一定程度后、最终精加工之前进行。

(4)先近后远原则。

通常情况下,工件装夹后,离刀架近的部位先加工,离刀架远的部位后加工,以便缩短刀具移动距离,减少空行程时间,而且还有利于保持坯件或半成品的刚性,改善其切削条件。如图3-34所示的零件内孔,应先加工内圆锥孔,再加工ϕ30mm内孔,最后加工ϕ20mm内孔。图3-34先近后远加工示例

2)工序的划分

(1)工序划分的原则。

划分工序有两种不同的原则,即工序集中原则和工序分散原则。

①工序集中原则。工序集中原则是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。

②工序分散原则。工序分散就是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。

(2)工序划分的方法。

①按所用刀具划分。以同一把刀具完成的那一部分工艺过程为一道工序。这种方法适用于工件的待加工表面较多、机床连续工作时间较长、加工程序的编制和检查难度较大等情况。

以图3-34所示的工件为例,工序一:钻头钻孔,去除加工余量;工序二:采用外圆车刀粗、精加工外形轮廓;工序三:内孔车刀粗、精车内孔。

②按安装次数划分。

以一次安装完成的那一部分工艺过程为一道工序。这种方法适用于加工内容不多的工件,加工完成后就能达到待检状态。

以图3-33所示的工件为例,工序一:以外形毛坯定位装夹加工左端轮廓;工序二:以加工好的外圆表面定位加工右端轮廓。

③按粗、精加工划分。以粗加工中完成的那部分工艺过程为一道工序,精加工中完成的那一部分工艺过程为一道工序。这种划分方法适用于加工后变形较大,需粗、精加工分开的工件,如毛坯为铸件、焊接件或锻件的工件。

④按加工部位划分。以完成相同型面的那一部分工艺过程为一道工序。对于加工表面多而复杂的工件,可按其结构特点(如内形、外形、曲面和平面等)划分成多道工序。

以图3-34所示的工件为例,工序一:工件外轮廓的粗、精加工;工序二:工件内轮廓的粗、精加工。

4.选择加工方法

机械零件的结构形状是多种多样的,但它们都是由平面、外圆柱面、内圆柱面或曲面、成形面等基本表面所组成的。每一种表面都有多种加工方法,具体选择时应根据零件表面的形状、尺寸大小、精度和粗糙度、材料性质、生产类型以及具体的生产条件等来确定。

1)外圆表面加工方法的选择

外圆表面加工方法主要是车削和磨削。当表面粗糙度要求较小时,还要经光整加工。图3-35是外圆表面的加工方案。图3-35外圆表面的加工方案(Ra值单位为μm)

各种加工方案的适用范围如下:

(1)最终工序为车削的加工方案,适用于除淬火钢以外的各种金属。

(2)最终工序为磨削的加工方案,适用于淬火钢、未淬火钢和铸铁。不适用于有色金属,因其韧性大,磨削时易堵塞砂轮。

(3)最终工序为精细车或金刚车的加工方案,适用于要求较高的有色金属的精加工。

(4)最终工序为光整加工,如研磨、超精磨及超精加工等。为提高生产率和加工质量,一般在光整加工前进行精磨。

(5)对表面粗糙度要求高,而尺寸精度要求不高的外圆,可通过滚压或抛光达到要求。

2)内孔表面加工方法的选择

内孔表面的加工方法有钻孔、扩孔、铰孔、镗孔、拉孔、磨孔以及光整加工等。图3-36是常用的孔加工方案。应根据被加工孔的加工要求、尺寸、具体的生产条件、批量的大小以及毛坯上有无预加工孔合理选用。图3-36孔加工方案(Ra值单位为μm)

(1)加工精度为IT9级的孔,当孔径小于10mm时,可采用钻—铰方案;当孔径小于30mm时,可采用钻—扩方案;当孔径大于30mm时,可采用钻—镗方案。此方案适用于工件材料为淬火钢以外的各种金属。

(2)加工精度为IT8级的孔,当孔径小于20mm时,可采用钻—铰方案;当孔径大于20mm时,可采用钻—扩—铰。此方案适用于加工除淬火钢以外的各种金属,但孔径应在20~80mm范围内。此外也可采用最终工序为精镗或拉的方案。淬火钢可采用磨削加工。

(3)加工精度为IT7级的孔,当孔径小于12mm时,可采用钻—粗铰—精铰方案;当孔径在12~60mm之间时,可采用钻—扩—粗铰—精铰方案或钻—扩—拉方案。若加工毛坯上已铸出或锻出的孔,可采用粗镗—半精镗—精镗方案或采用粗镗—半精镗—磨孔方案。最终工序为铰孔的方案适用于未淬火钢或铸铁。对有色金属铰出的孔表面粗糙度较大,常用精细镗孔代替铰孔。最终工序为拉孔的方案适用于大批大量生产,工件材料为未淬火钢、铸铁及有色金属。最终工序为磨孔的方案适用于加工除硬度低、韧性大的有色金属外的淬火钢、未淬火钢和铸铁。

(4)加工精度为IT6级的孔,最终工序采用手铰、精细镗、研磨或珩磨等均能达到,应视具体情况选择。韧性较大的有色金属不宜采用珩磨,可采用研磨或精细镗。研磨对大、小孔加工均适用,而珩磨只适用于大直径孔的加工。

3)平面加工方法的选择

平面的主要加工方法有铣削、刨削、车削、磨削及拉削等,精度要求高的表面还需经研磨或刮削加工。图3-37是常见的平面加工方案。表中尺寸公差的等级是指平行平面之间距离尺寸的公差等级。图3-37平面加工方案(Ra值单位为μm)

(1)最终工序为刮研的加工方案多用于单件小批生产中配合表面要求高且不淬硬平面的加工。当批量较大时,可用宽刀细刨代替刮研。宽刀细刨特别适用于加工像导轨面这样的狭长平面,能显著提高生产率。

(2)磨削适用于直线度及表面粗糙度要求高的淬硬工件和薄片工件,也适用于未淬硬钢件上面积较大的平面的精加工,但不宜加工塑性较大的有色金属。

(3)车削主要用于回转体零件的端面的加工,以保证端面与回转轴线的垂直度要求。

(4)拉削平面适用于大批量生产中的加工质量要求较高且面积较小的平面。

(5)最终工序为研磨的方案适用于高精度、表面粗糙度较小的小型零件的精密平面,如量规等精密量具的表面。

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、线切割及磨削等。对如图3-38(a)所示的内平面轮廓,当曲率半径较小时,可采用数控线切割方法加工。若选择铣削方法,因铣刀直径受最小曲率半径的限制,直径太小,刚性不足,会产生较大的加工误差。对图3-38(b)所示的外平面轮廓,可采用数控铣削方法加工,常用粗铣—精铣方案,也可采用数控线切割方法加工。对精度及表面粗糙度要求较高的轮廓表面,在数控铣削加工之后,再进行数控磨削加工。数控铣削加工适用于除淬火钢以外的各种金属,数控线切割加工可用于各种金属,数控磨削加工适用于除有色金属以外的各种金属。图3-38平面轮廓类零件

(2)立体曲面轮廓的加工方法主要是数控铣削,多用球头铣刀,以“行切法”加工,如图3-39所示。根据曲面形状、刀具形状以及精度要求等通常采用二轴半联动或三轴联动。对精度和表面粗糙度要求高的曲面,当用三轴联动的“行切法”加工不能满足要求时,可用模具铣刀,选择四坐标或五坐标联动加工。图3-39曲面的行切法加工

5.选择零件装夹方式和夹具

在数控机床上工件的装夹与普通机床相同。但因数控机床是高度自动化加工机床,为了能保证在长时间无人看管的情况下自动加工出符合精度要求的工件,充分发挥数控机床的特点,装夹工件时应考虑以下几个因素:

(1)尽量采用组合夹具,必要时才设计专用夹具。

(2)工件的定位基准应与设计基准保持一致,防止过定位;箱体工件最好选择一面两销作为定位基准,定位基准在数控机床上要细心找正。为了找正方便,有的机床,例如卧式加工中心工作台侧面,会安装专用定位板。

(3)因为在数控机床上通常一次装夹完成全部工序,因此应防止工件夹紧引起的变形造成工件加工不良影响。夹紧力应靠近主要支承点,力求靠近切削部位。

(4)若需要设计专用夹具,夹具结构应有足够的刚度和强度。

对数控车床而言,在装夹前确定工件的伸出长度时(见图3-40),应考虑工件的加工长度、切断车刀的宽度、刀架与卡盘之间必要的空间距离等因素。图3-40数控车床零件的装夹

对数控铣床、加工中心而言,在工件夹紧时要用千分表(或百分表)。如图3-41所示,将工件的一些主要平面调整成分别与X、Y、Z轴相平行,这样才能使误差在规定的精度范围内。图3-41数控铣床(或加工中心)上压板装夹与找正示意图

6.选择刀具

刀具的选择是数控加工工艺中重要的内容之一,不仅影响机床工作的效率,而且影响加工质量。与传统方法相比,数控加工对刀具的要求更高,不仅要求精度高,强度大,刚性好,耐用工高,而且要求尺寸稳定,安装调整方便。这就需要采用新型优质材料制造刀具,并合理选择刀具结构和几何参数。

1)刀具的材料

(1)常用的刀具材料。

常用的数控刀具材料有高速钢、硬质合金、涂层硬质合金、陶瓷、立方氮化硼、金刚石等。其中,高速钢、硬质合金和涂层硬质合金在数控加工刀具中应用最广。

(2)刀具材料性能比较。

以上各刀具材料的硬度和韧性对比如图3-42所示。图3-42不同刀具材料的硬度与韧性对比

2)刀具的种类

(1)数控车削加工刀具的种类。

①根据加工用途分,数控车床用刀包括外圆车刀、内孔车刀、螺纹车刀和切槽刀等种类。

②根据刀尖形状分,数控车床用刀包括尖形车刀、圆弧形车刀和成形车刀,如图3-43-所示。图3-43-按刀尖形状分类的数控车刀

·尖形车刀。以直线形切削刃为特征的车刀一般称为尖形车刀。

·圆弧形车刀。构成圆弧形车刀的主切削刃形状为一段圆度误差或线轮廓度误差很小的圆弧。车

·成形车刀。成形车刀俗称样板车刀,其加工零件的轮廓形状完全由车刀的切削刃形状和尺寸决定。

③根据车刀结构分,数控车床用刀包括整体式车刀、焊接式车刀和机械夹固式车刀三类。

·整体式车刀。整体式车刀(如图3-44(a)所示)主要指整体式高速钢车刀,通常用于小型车刀、螺纹车刀和形状复杂的成形车刀,具有抗弯强度高、冲击韧度好,制造简单、刃磨方便、刃口锋利等优点。

·焊接式车刀。焊接式车刀(如图3-44(b)所示)是将硬质合金刀片用焊接的方法固定在刀体上,经刃磨而成。这种车刀结构简单,制造方便,刚性较好,但抗弯强度低,冲击韧度差,切削刃不如高速钢车刀锋利,不易制作复杂刀具。

·机械夹固式车刀。机械夹固式车刀(如图3-44(c)所示)是将标准的硬质合金可换刀片通过机械夹固方式安装在刀杆上的一种车刀,是当前数控车床上使用最广泛的一种车刀。图3-44按刀具结构分类的数控车刀

机械夹固式车刀又可分为可重磨式和不重磨式两类,如图3-45所示。机械夹固式车刀又可分为可重磨式和不重磨式两类,如图3-45所示。图3-45机械夹固式车刀

图3-46所示为机夹可转位刀片的形状。机夹可转位刀片的具体形状已标准化,且每一种形状均有一个相应的表示代码。在选择刀片形状时要特别注意,有些刀片虽然形状和刀尖角度相等,但由于同时参加切削的切削刃数不同,因此其型号也不相同,如图中的T型和V型刀片。另有一些刀片,虽然刀片形状相似,但其刀尖角度不同,其型号也不相同,如图3-46中的D型和C型刀片。图3-46常用机夹可转位刀片的形状

可转位刀片型号表示方法如图3-47所示。十个号位表示的内容如表3-6所示。刀片型号的具体含义请查阅相关数控刀具手册。图3-47机夹可转位刀片型号表示方法

如图3-48所示为刀片与刀杆的固定方式,通常有压板式压紧、复合式压紧、杠杆式压紧和螺钉式压紧等几种。图3-48刀片与刀杆的固定方式

(2)数控铣削加工刀具的种类。

数控铣床(或加工中心)的刀具种类很多,根据刀具的加工用途,可分为轮廓类加工刀具和孔类加工刀具等几种类型。

①轮廓类加工刀具。

·面铣刀。如图3-49所示,面铣刀的圆周表面和端面上都有切削刃,端部切削刃为主切削刃。面铣刀多制成套式镶齿结构,刀齿为高速钢或硬质合金,刀体为40Cr。图3-49面铣刀

·立铣刀。立铣刀(见图3-50)是数控机床上用得最多的一种铣刀。立铣刀的圆柱表面和端面上都有切削刃,圆柱表面的切削刃为主切削刃,端面上的切削刃为副切削刃。它们可同时进行切削,也可单独进行切削。主切削刃一般为螺旋齿,可以增加切削平稳性,提高加工精度。由于普通立铣刀端面中心处无切削刃,所以立铣刀不能作轴向进给。端面刃主要用来加工与侧面相垂直的底平面。图3-50立铣刀

·键槽铣刀。键槽铣刀(如图3-51所示)一般只有两个刀齿,圆柱面和端面都有切削刃,端面刃延伸至中心,既像立铣刀,又像钻头。加工时先轴向进给达到槽深,然后沿键槽方向铣出键槽全长。图3-51键槽铣刀

·模具铣刀。模具铣刀由立铣刀发展而成,可分为圆锥形立铣刀(圆锥半角α/2=3°、5°、7°、10°)、圆柱形球头立铣刀和圆锥形球头立铣刀三种,其柄部有直柄、削平型直柄和莫氏锥柄三种。模具铣刀中,圆柱形球头立铣刀(见图3-52)在数控机床上应用较为广泛。图3-52球头铣刀

·鼓形铣刀和成形铣刀。鼓形铣刀的切削刃分布在半径为R的圆弧面上,端面无切削刃。该刀具主要用于斜角平面和变斜角平面的加工。这种刀具的缺点是刃磨困难,切削条件差,而且不适于加工有底的轮廓表面。

②孔类加工刀具。

孔类加工刀具主要有钻头、铰刀、镗刀等。

·钻头。加工中心上的常用钻头(见图3-53)有中心钻、标准麻花钻、扩孔钻、深孔钻和锪孔钻等。麻花钻由工作部分和柄部组成。工作部分包括切削部分和导向部分,而柄部有莫氏锥柄和圆柱柄两种。刀具材料常使用高速钢和硬质合金。图3-53-加工中心用钻头

·铰刀。加工中心大多采用通用标准的铰刀进行铰孔。此外,还使用机夹硬质合金刀片单刃铰刀和浮动铰刀等。铰孔的加工精度可达IT6~IT9级,表面粗糙度Ra可达0.8~1.6μm。

标准铰刀(见图3-54)有4~12齿,由工作部分、颈部和柄部三部分组成。铰刀工作部分包括切削部分与校准部分。切图3-54机用铰刀

·镗孔刀具。镗孔所用刀具为镗刀。镗刀种类很多,按加工精度可分为粗镗刀和精镗刀。此外,镗刀按切削刃数量可分为单刃镗刀和双刃镗刀。

粗镗刀(见图3-55)结构简单,用螺钉将镗刀刀头装夹在镗杆上。图3-55单刃粗镗刀

精镗刀目前较多地选用可调精镗刀(见图3-56)。这种镗刀的径向尺寸可以在一定范围内进行调节,调节方便,且精度高。调整尺寸时,先松开锁紧螺钉,然后转动带刻度盘的调整螺母,等调至所需尺寸,再拧紧锁紧螺钉。图3-56可调精镗刀

镗刀刀头有粗镗刀(见图3-57)和精镗刀刀头(见图3-58)两种。粗镗刀刀头与普通焊接车刀相类似;精镗刀刀头上带刻度盘,每格刻线表示刀头的调整距离为0.01mm(半径值)。图3-57粗镗刀刀头图3-58精镗刀刀头

·螺纹孔加工刀具。加工中心大多采用攻螺纹的加工方法来加工内螺纹。此外,还采用螺纹铣削刀具来铣加工螺纹孔。

丝锥(见图3-59)由工作部分和柄部组成。工作部分包括切削部分和校准部分。图3-59机用丝锥

3)刀柄系统

数控铣床、加工中心用刀柄系统由三部分组成,即刀柄、拉钉和夹头(或中间模块)。

(1)刀柄。

切削刀具通过刀柄与数控铣床主轴联接,其强度、刚性、耐磨性、制造精度以及夹紧力等对加工有直接的影响。数控铣床刀柄一般采用7∶24的锥面与主轴锥孔配合定位,刀柄及其尾部供主轴内拉紧机构用的拉钉已实现标准化,其使用的标准有国际标准(ISO)和中国、美国、德国、日本等国的标准。因此,数控铣床刀柄系统应根据所选用的数控铣床的要求进行配备。

加工中心刀柄可分为整体式与模块式两类。根据刀柄柄部形式及所采用国家标准的不同,我国使用的刀柄常分成BT(日本MAS403-75标准)、JT(GB/T109441989与ISO73881983标准,带机械手夹持槽)、ST(ISO或GB,不带机械手夹持槽)和CAT(美国ANSI标准)等几种系列,这几种系列的刀柄除局部槽的形状不同外,其余结构基本相同。根据锥柄大端直径的不同,与其相对应的刀柄又分成40、45、50(个别的还有30和35)等几种不同的锥度号。40、45、50是指刀柄的型号,并不是指刀柄实际的大端直径,如BT/JT/ST50和BT/JT/ST40分别代表锥柄大端直径为69.85mm和44.45mm的7∶24锥柄。加工中心常用刀柄的类型及其使用场合见表3-7。

(2)拉钉。

加工中心拉钉(见图3-60)的尺寸也已标准化,ISO或GB规定了A型和B型两种形式的拉钉,其中A型拉钉用于不带钢球的拉紧装置,而B型拉钉用于带钢球的拉紧装置。刀柄及拉钉的具体尺寸可查阅有关标准的规定。图3-60拉钉

(3)弹簧夹头及中间模块。

弹簧夹头有两种,即ER弹簧夹头(如图3-61(a)所示)和KM弹簧夹头(如图3-61(b)所示)。其中ER弹簧夹头的夹紧力较小,适用于切削力较小的场合;KM弹簧夹头的夹紧力较大,适用于强力铣削。图3-61弹簧夹头

中间模块(见图3-62)是刀柄和刀具之间的中间连接装置。中间模块的使用提高了刀柄的通用性能,例如,镗刀、丝锥与刀柄的连接就经常使用中间模块。图3-62中间模块

7.选择工件坐标原点

为确定工件原点,一般采用工件试切或由刀具与工件某些表面相接触等方法。下面分别以数控车床、数控铣床(或加工中心)为例进行说明。

1)数控车床工件原点的确定

在手动状态下,首先用外圆车刀试切右端面,记下此时的机床坐标值Z,通过操作面板,用C54等指令设置偏移量(机床坐标值Z),就可确定工件原点(见图3-40)。

2)数控铣床(或加工中心)工件原点的确定

(1)机械法。

如图3-63所示零件的凹型型腔,工件外表面已在其他机床上进行了精加工,现在选用键槽铣刀加工此零件。图3-63-用机械法在数控铣床(或加工中心)上确定工件原点

(2)电子法。

用机械法确定工作原点时,刀具与工件的接触很难控制,有时一接触就发现刀具已切入工件。虽然切入量较少,但在加工精度要求较高的场合,就会出现误差。为此,可采用电子法,如电子定位器,如图3-64所示。图3-64用电子法在数控铣床(或加工中心)上确定工件原点

8.确定机床的对刀点、换刀点和起刀点

在加工时,工件可以在机床加工尺寸范围内任意安装。要正确执行加工程序,必须确定工件在机床坐标系中的确切位置。对刀点是工件在机床上定位装夹后,设置在工件坐标系中用于确定工件坐标系与机床坐标系空间位置关系的参考点。对刀时应使对刀点与刀位点重合。所谓刀位点,是指确定刀具位置的基准点。平头立铣刀的刀位点一般为端面中心,球头铣刀为球心,车刀为刀尖,钻头为钻尖。

选择对刀点的原则如下:

(1)方便数学处理和简化程序编制;

(2)在机床上容易找正;

(3)加工过程中便于检查;

(4)引起的加工误差小。

对刀点的设置没有严格规定,可以设置在工件上,也可以设置在夹具上,但在工件坐标系中必须有确定的位置,如图3-65所示的X=和Y=。对刀点既可以与工件原点重合,也可以不重合,主要取决于加工精度和对刀的方便性。当对刀点与工件原点重合时,X==0,Y==0。图3-65对刀点的确定

9.确定加工路线

加工路线是指数控机床在加工过程中,刀具相对于被加工零件的运动轨迹和方向,即刀具从起刀点(即刀具刀位点的初始位置,也称程序起点)开始运动起,直至返回该点并结束加工程序所经过的路径,包括切削加工的路径及刀具的引入、返回等非切削空行程。确定加工路线主要是确定粗加工及空行程的走刀路线,而精加工切削过程的走刀路线都是沿零件轮廓进行的。

确定加工路线时,应注意以下几点:

(1)在保证加工精度的前提下,应尽量缩短加工路线。例如,对于平行坐标轴的矩阵孔,可采用单坐标轴方向的加工路线,如图3-66所示。图3-66平行坐标轴矩阵孔加工路线

(2)对多次重复的加工动作,可编写成子程序,由主程序调用。如图3-67所示,要加工一系列孔径、孔深和孔距都相同的孔,每一个孔的加工循环动作都一样:快速趋进—工进钻孔—快速退回,然后移动到另一待加工孔的位置后,重复同样的动作。因此,把加工循环动作编写成子程序,不仅简化编程,而且程序长度也缩短了。图3-67钻孔加工路线

(3)在数控铣床上加工平面轮廓图形时,要安排好刀具的入和切出的加工路线,避免因交接处重复切削或法线方向切出(退刀)而在工件表面上产生痕迹。

图3-68(a)是采用圆弧插补方式用立铣刀铣削整圆时的加工路线示意图,刀具从起始点沿圆周表面的切线方向进入,进行圆弧铣削加工。当整圆加工完毕开始退刀时,顺着圆周表面切线方向退刀,并退出一段距离,防止取消刀具半径补偿时,刀具和工件表面发生碰撞,造成工件报废。铣削内孔时,也应遵循切线方向切入和切出的原则。如图3-68(b)所示是铣削内孔壁加工路线,起始点在圆孔的中心处,刀具应从切线方向切入加工,切出时,可多走一段圆弧再退到起始点,这样可以降低接刀处的刀痕,提高内孔精度。图3-68切入和切出方式

(4)确定轴向移动尺寸时,应考虑刀具的引入长度和超越长度。加工工件时,刀具的轴向工作循环一般包括快速前进、工作进给和快速退回等运动,工件进给距离应当是刀具的引入长度δ1、工件加工长度L和刀具的超越长度δ2的和,如图3-69所示。常用刀具的引入长度和超越长度可参考表3-8和表3-9。图3-69钻孔时工作进给距离

在数控车床上加工螺纹时,因为开始加速时和加工结束减速时主轴转数和螺距之间的速度比不稳定,加工螺纹会发生乱扣现象,所以也要有引入长度δ1和超越长度δ2,如图3-70所示,这样可以避免在进给机构加速或减速阶段进行螺纹切削。一般δ1取2~5mm,螺纹精度要求较高时取大值;δ2一般可取δ1的1/4。若螺纹收尾处无退刀槽时,收尾处的形状按45°退刀收尾。图3-70螺纹进给切削

(5)镗孔加工时,若位置精度要求较高时,加工路线的定位方向应保持一致。例如图3-71中工件上有4个孔需要加工,可以采用两种方案。图3-71(a)所示方案按照孔1、孔2、孔3和孔4加工路线完成。由于孔4的定位方向与孔1、孔2、孔3方向相反,因此X轴的反向间隙会使定位误差增加,影响孔距间的位置精度。图3-71(b)方案是加工完孔2后,刀具向X轴反方向移动一段距离,越过孔4后,再向X轴正方向移至孔4进行加工,再移到孔3进行加工,因定位方向一致,所以孔间位置精度较高。图3-71镗孔加工路线示意图

10.选择切削用量

主轴转速(切削速度)、进给速度(进给量)、背吃刀量(或侧吃刀量)称为切削用量三要素。

合理选择切削用量对提高劳动生产率、延长刀具使用寿命、保证加工质量、增加经济效益有着十分重要的意义。

在加工程序的编制工作中,应把各种切削用量都编入加工工序卡内。因此在选择切削用量时,应使背吃刀量、主轴转度和进给速度三者都互相适应,以形成最佳切削参数。

1)数控车床切削用量的选择

(1)背吃刀量的确定。

在机床刚性和机床功率允许的条件下,应尽可能选取较大的背吃刀量,以减少进给次数,提高生产效率。有时为了减小