1 数控加工编程教案 第 3 章数控车床的程序编制 数控车床是目前使用最广泛的数控机床之一。数控车床主要用于加工轴类、盘类等回转体零件。通 过数控加工程序的运行，可自动完成内外圆柱面、圆锥面、成形表面、螺纹和端面等工序的切削加工， 并能进行车槽、钻孔、扩孔、铰孔等工作。车削中心可在一次装夹中完成更多的加工工序，提高加工精 度和生产效率，特别适合于复杂形状回转类零件的加工。 3.1数控车床程序编制的基础 针对回转体零件加工的数控车床，在车削加工工艺、车削工艺装备、编程指令应用等方面都有鲜明 的特色。为充分发挥数控车床的效益，下面将结合 HM077 数控车床的使用，分析数控车床加工程序编 制的基础，首先讨论以下三个问题：数控车床的工艺装备；对刀方法；数控车床的编程特点。 3.1.1 数控车床的工艺装备 由于数控车床的加工对象多为回转体，一般使用通用三爪卡盘夹具，因而在工艺装备中，我们将以 WALTER 系列车削刀具为例，重点讨论车削刀具的选用及使用问题。 1、数控车床可转位刀具特点 数控车床所采用的可转位车刀，与通用车床相比一般无本质的区别，其基本结构、功能特点是相同 的。但数控车床的加工工序是自动完成的，因此对可转位车刀的要求又有别于通用车床所使用的刀具， 具体要求和特点如表 3.1 所示。 2 表 3.1 可转位车刀特点 要求特 点目的 精度高 采用 M 级或更高精度等级的刀片； 多采用精密级的刀杆； 用带微调装置的刀杆在机外预调好。 保证刀片重复定位精度，方便坐标设定， 保证刀尖位置精度。 可靠性高 采用断屑可靠性高的断屑槽型或有断屑台和 断屑器的车刀； 采用结构可靠的车刀， 采用复合式夹紧结构和 夹紧可靠的其他结构。 断屑稳定，不能有紊乱和带状切屑； 适应刀架快速移动和换位以及整个自动切 削过程中夹紧不得有松动的要求。 换刀迅速 采用车削工具系统； 采用快换小刀夹。 迅速更换不同形式的切削部件，完成多种 切削加工，提高生产效率。 刀片材料刀片较多采用涂层刀片。满足生产节拍要求，提高加工效率。 刀杆截形 刀杆较多采用正方形刀杆， 但因刀架系统结构 差异大，有的需采用专用刀杆。 刀杆与刀架系统匹配。 2、数控车床刀具的选刀过程 数控车床刀具的选刀过程，如图 3.1 所示。从对被加工零件图样的分析开始，到选定刀具，共需经 过十个基本步骤，以图 3.1 中的 10 个图标来表示。选刀工作过程从第 1 图标“零件图样”开始，经箭 头所示的两条路径，共同到达最后一个图标“选定刀具”，以完成选刀工作。其中，第一条路线为：零 件图样、机床影响因素、选择刀杆、刀片夹紧系统、选择刀片形状，主要考虑机床和刀具的情况；第二 条路线为：工件影响因素、选择工件材料代码、确定刀片的断屑槽型代码或 ISO 断屑范围代码、选择加 工条件脸谱，这条路线主要考虑工件的情况。综合这两条路线的结果，才能确定所选用的刀具。下面将 讨论每一图标的内容及选择办法。 3 图 3.1 数控车床刀具的选刀过程 (1)机床影响因素 “机床影响因素”图标如图 3.2 所示。为保证加工方案的可行性、经济性，获得最佳加工方案，在 刀具选择前必须确定与机床有关的如下因素： 1）机床类型：数控车床、车削中心； 2）刀具附件： 刀柄的形状和直径，左切和右切刀柄； 3）主轴功率； 4）工件夹持方式。 图 3.2机床影响因素 4 (2)选择刀杆 “选择刀杆”图标如图 3.3 所示。其中，刀杆类型尺寸见表 3.2。 表 3.2 刀杆类型尺寸 刀杆类型 外圆加工刀杆 内孔加工刀杆 柄部截面形状 刀杆尺寸 柄部直径 D 柄部长度l1 主偏角 选用刀杆时，首先应选用尺寸尽可能大的刀杆，同时要考虑以下几个因素： 1）夹持方式； 2）切削层截面形状，即切削深度和进给量； 3）刀柄的悬伸。 (3)刀片夹紧系统 刀片夹紧系统常用杠杆式夹紧系统，“杠杆式夹紧系统”图标如图 3.4 所示。 图 3.3选择刀杆 5 图 3.4杠杆式夹紧系统 1） 杠杆式夹紧系统 杠杆式夹紧系统是最常用的刀片夹紧方式。其特点为：定位精度高,切屑流畅,操作简便,可与其它系列 刀具产品通用。 2）螺钉夹紧系统 特点：适用于小孔径内孔以及长悬伸加工 (4)选择刀片形状 图 3.5选择刀片形状 “选择刀片形状”图标如图 3.5 所示。主要参数选择方法如下： 1） 刀尖角 刀尖角的大小决定了刀片的强度。在工件结构形状和系统刚性允许的前提下，应选择尽可能大的刀 尖角。通常这个角度在 35 o到 90O之间。 图 3.5 中 R 型圆刀片，在重切削时具有较好的稳定性，但易产生较大的径向力。 6 表 3.3刀片形状适用场合 -首选首选-次选次选 2） 刀片基本类型 刀片可分为正型和负型两种基本类型。正型刀片：对于内轮廓加工，小型机床加工，工艺系统刚性 较差和工件结构形状较复杂应优先选择正型刀片。负型刀片：对于外圆加工，金属切除率高和加工条件 较差时应优先选择负型刀片。选择方法见表 3.3。 (5)工件影响因素 7 “工件影响因素” 图标如图 3.6 所示。 选择刀具时，必需考虑以下与工件有关的 因素： 1）工件形状：稳定性； 2）工件材质：硬度、塑性、韧性、可能形 成的切屑类型； 3）毛坯类型：锻件、铸件等； 4）工艺系统刚性：机床夹具、工件、刀具等； 5）表面质量； 6）加工精度； 7）切削深度； 8）进给量； 9）刀具耐用度。 (6)选择工件材料代码 “选择工件材料代码”图标如图 3.7 所示。 图 3.7 选择工件材料代码 图 3.6工件影响因素 8 表 3.4选择工件材料代码 按照不同的机加工性能，加工材料分成 6 个工件材料组，他们分别和一个字母和一种颜色对应，以 确定被加工工件的材料组符号代码，见表 3.4。 (7)确定刀片的断屑槽型代码或 ISO 断屑范围代码 负型刀片的断屑范围正型刀片的断屑范围 图 3.8确定刀片断屑槽代码 “确定刀片的断屑槽型代码或 ISO 断屑范围代码”图标如图 3.8 所示。ISO 标准按切削深度 aP和进 给量的大小将断屑范围分为 A、B、C、D、E、F 六个区，其中 A、B、C、D 为常用区域，WALTER 标准将断 加工材料组代码 钢： 非合金和合金钢 高合金钢 不锈钢，铁素体，马氏体 P（蓝） 不锈钢和铸钢： 奥氏体 铁素体奥氏体 M（黄） 铸铁：可锻铸铁，灰口铸铁，球墨铸铁K（红） NF 金属：有色金属和非金属材料N（绿） 难切削材料： 以镍或钴为基体的热固性材料 钛，钛合金及难切削加工的高合金 钢 S（棕） 硬材料： 淬硬钢，淬硬铸件和冷硬模铸件， 锰钢 H（白） 9 屑范围分为图中各色块表示的区域， ISO 标准和 WALTER 标准可结合使用， 如图 3.8 所示。 根据选用标准， 按加工的切削深度和合适的进给量来确定刀片的 WALTER 断屑槽型代码或 ISO 分类范围。 (8)选择加工条件脸谱 “选择加工条件脸谱”图标如图 3.9 所示，三类脸谱代表了不同的加工条件:很好、好、不足。表 3.5 表示加工条件取决于机床的稳定性、刀具夹持方式和工件加工表面。 图 3.9加工条件脸谱 表 3.5选择加工条件 机床，夹具和工件 系统的稳定性 加工方式 很好好不足 无断续切削加工表面已经过粗加工 带铸件或锻件硬表层，不断变换切深 轻微的断续切削 中等断续切屑 严重断续切削 (9)选定刀具 10 “选定刀具”图标如图 3.10 所示。选定工作分以下两方面： 1）选定刀片材料 根据被加工工件的材料组符号标记、WALTER 槽型、加工条件脸谱，就可得出 WALTER 推荐刀片材料 代号，见表 3.6 和表 3.7。 2）选定刀具 根据工件加工表面轮廓，从刀杆订货页码中选择刀杆。 根据选择好的刀杆，从刀片订货页码中选择刀片 图 3.10 选定刀具 表 3.6选定刀片材料（选择负型刀片） 工件材料组 ISO 分类范围 WALTER 槽代码 P（蓝） AB.-NS4WAK10WAP20WAM20 B.-NS8WAP10WAP20WAP30 BC.-NM4WAP10WAP20WAP30 C.-NM7WAP10WAP20WAP30 CD.-NR7WAP10WAP20WAP30 M（黄） AB.-NS4WAM20WAM20WAM20 BC.-NM4WAP30WAM20WAM20 CD.-NR7WAP30WAP30WAP30 K（红） -.-NS4WAK10WAP20WAP20 -.-NS8WAK10WAP20WAP30 -.-NM4WAK10WAK10WAP30 -.NMAWAK10WAK10- 11 表 3.7选定刀片材料(选择正型刀片） 工件材料组 ISO 分类范围WALTER 槽代码 P（蓝） AB.-PS4WAK10WAP20WAM20 BC.-PM5WAP10WAP20WAP30 M（黄） AB.-PS4WAM20WAM20WAM20 BC.-PM5WAP30WAP30WAP30 K（红） -.-PS4WAK10WAK20WAP20 -.-PM5WAP10WAP20WAP30 N（绿）-.-PM2WK1WK1WK1 3.1.2 对刀 数控车削加工中，应首先确定零件的加工原点，以建立准确的加工坐标系，同时考虑刀具的不同尺 寸对加工的影响。这些都需要通过对刀来解决。 1、一般对刀 一般对刀是指在机床上使用相对位置检测手动对刀。 下面以 Z 向对刀为例说明对刀方法， 见图 3.11。 刀具安装后，先移动刀具手动切削工件右端面，再沿 X 向退刀，将右端面与加工原点距离 N 输入数 控系统，即完成这把刀具 Z 向对刀过程。 手动对刀是基本对刀方法，但它还是没跳出传统车床的“试切-测量-调整”的对刀模式，占用较 多的在机床上时间。此方法较为落后。 2、机外对刀仪对刀 机外对刀的本质是测量出刀具假想刀尖点到刀具台基准之间 X 及 Z 方向的距离。利用机外对刀仪可 将刀具预先在机床外校对好，以便装上机床后将对刀长度输入相应刀具补偿号即可以使用，如图 3.12 所示。 3、自动对刀 12 自动对刀是通过刀尖检测系统实现的，刀尖以设定的速度向接触式传感器接近，当刀尖与传感器接 触并发出信号，数控系统立即记下该瞬间的坐标值，并自动修正刀具补偿值。自动对刀过程如图 3.13 所示. 图 3.11 相对位置检测对刀图 3.12 机外对刀仪对刀图 3.13 自动对刀 3.1.3 数控车床的编程特点 1、加工坐标系 加工坐标系应与机床坐标系的坐标方向一致，X 轴对应径向，Z 轴对应轴向，C 轴（主轴）的运动 方向则以从机床尾架向主轴看，逆时针为C 向，顺时针为C 向，如图 3.14 所示： 加工坐标系的原点选在便于测量或对刀的基准位置，一般在工件的右端面或左端面上。 2、直径编程方式 在车削加工的数控程序中，X 轴的坐标值取为零件图样上的直径值，如图 3.15 所示：图中 A 点的 坐标值为（30，80），B 点的坐标值为（40，60）。采用直径尺寸编程与零件图样中的尺寸标注一致， 这样可避免尺寸换算过程中可能造成的错误，给编程带来很大方便。 3、进刀和退刀方式 对于车削加工，进刀时采用快速走刀接近工件切削起点附近的某个点，再改用切削进给，以减少空 走刀的时间，提高加工效率。切削起点的确定与工件毛坯余量大小有关，应以刀具快速走到该点时刀尖 不与工件发生碰撞为原则。如图 3.16 所示。 13 图 3.14 数控车床坐标系 图 3.15 直径编程图 3 .16 切削起始点的确定 3.2 数控车床的基本编程方法 数控车削加工包括内外圆柱面的车削加工、端面车削加工、钻孔加工、螺纹加工、复杂外形轮廓回 转面的车削加工等，在分析了数控车床工艺装备和数控车床编程特点的基础上，下面将结合配置 FANUC-0T 数控系统的 HM-077 数控车床重点讨论数控车床基本编程方法。 3.2.1 F 功能 F 功能指令用于控制切削进给量。在程序中，有两种使用方法。 1、 每转进给量 编程格式编程格式 G95 F F