数控铣床的编程与零件的加工.doc

数控铣床的编程与零件的加工0 引言随着数控机床的使用和普及，如何在加工中提高生产效率、编程效率，减少编程失误，成为数控加工中的主要问题。凡是采用FANUC(法那科)0系统、18系统、21系统，SIEMENS(西门子)802S、810D、840D，OKUMA(日本大隈)OSYU10M、OSPU100M等系统的数控设备都具有变量编程的特殊功能，即在加工程序中运用机床特有的参数进行编程，它为提高加工效率提供保证，并且使用好这些变量对编程效率和编程方式也有很大提高，同时也能达到优化程序的目的。下面以SIEMENS802S数控系统为例，介绍数控铣床中编程的应用。该铣床可使钻削、铣削、扩孔、铰孔和镗孔等多工序实现自动循环；能够完成平面内各种复杂曲线如凸轮、样板、冲模、压模、弧形槽等零件的自动加工。与普通铣床相比，其加工精度高、精度稳定性好、适应性强、操作劳动强度低，特别适合于模具、异型零件的加工。1 铣削零件的工艺分析与加工要领在数控铣床上加工零件，原始资料就是零件图。首先要对零件图进行工艺分析，其步骤如下：(1) 分析零件图样主要考虑构成零件轮廓的几何条件是否充分；分析零件图样尺寸精度的要求，以判断能否利用铣削工艺达到，并确定控制尺寸精度的工艺方法；形状和位置精度要求；表面粗糙度要求；零件图样上给定的材料与热处理要求。(2)确定毛坯种类及制造方法对于形状复杂的零件，一般用铸造方法制造；有一定强度要求，形状比较简单的零件宜选择锻件毛坯。此外，还应考虑零件材料及其力学性能、生产类型、现有生产条件及充分利用新工艺、新技术的可能性。(3)确定装夹方法数控加工的特点对夹具提出了两个基本要求：一是要保证夹具的坐标方向与机床的坐标方向相对固定；二是要能协调零件与机床坐标系的尺寸。除此之外，主要考虑下列几点： 当零件加工批量小时，尽量采用组合夹具、可调式夹具及其它通用夹具； 当零件成批生产时，应考虑采用专用夹具，但要力求结构简单； 夹具尽量要开敞，其定位、夹紧机构元件不能影响加工中的走刀，以免产生碰撞； 装卸零件要方便可靠，以缩短准备时间，批量较大的零件可采用气动或液压夹具、多工位夹具等。在数控铣床上加工零件，要特别注重零件的定位，尤其是正反面都要加工的零件，以同一基准定位十分必要，否则很难保证两次定位安装加工后两个面上的轮廓位置及尺寸协调。所以，如果零件本身有合适的孔，最好就用它来作定位基准孔；如果零件上没有合适的孔，要想办法专门设置工艺孔作为定位基准。如零件上实在无法找工艺孔，可以考虑在零件轮廓的基坯上增加工艺凸耳，在完成定位加工后再除去的方法。装夹工件时要注意：工件的定位基准应与设计基准重合，防止出现过定位。箱体工件最好选择一面两销作为定位基准。又由于在数控铣床上通常采用一次安装完成工件的全部工序，因此应防止工件因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，最好是靠近切削部位。(4)确定加工方案在数控铣床加工过程中，由于加工对象复杂多样，特别是轮廓曲线的形状及位置千变万化，加上材料、批量不同等多方面因素的影响，在对具体零件制定工艺路线时，应该考虑以下原则：先粗后精、先内后外、先面后孔、刀具集中。确定走刀路线的重点在于确定切削加工的路径及刀具切人、切出等非切削空行程。在数控铣床上进行加工时，刀具的引入、切出路线，一般应沿着零件表面的切向切人和切出，尽量避免沿工件轮廓面垂直方向进退刀而划伤工件；此外，应尽量减少在轮廓处停刀以避免切削力突然变化造成弹性变形而留下刀痕。(5)铣刀的类型及选用铣削平面时，可选用端铣刀和立铣刀，常用的是立铣刀，立铣刀的半径应小于工件周边轮廓的最小的曲率半径。铣削凹槽内表面时，可选用直径比槽小的立铣刀，先铣槽的中间部分，然后利用刀补功能，铣削槽的两边。铣削立体型面和变斜角轮廓外形时，常用球形铣刀、鼓形铣刀、环形铣刀、锥形铣刀和盘铣刀。2 切削用量的选择及要领数控铣床加工中的切削用量包括铣削速度、进给量、铣削深度和铣削宽度。这些参数的选择要根据工件材料、刀具材料及加工条件选择。用高速钢铣刀铣削平面时，一般铣削速度为1530m/min，铣刀进给量为0.2mm/z左右；粗铣时铣削深度为3mm左右，精铣时为0.3lmm。程序中在选择进给速度时，还应注意某些特殊情况。如加工圆弧面(特别是内圆弧)及带有拐角的加工面时，应适当调整其进给速度，避免因惯性太大造成刀具的损伤及产生“超程”而导致加工误差。编程时应使刀具在接近拐角前适当降低进给速度，过拐角后再逐渐增速。这在编制复杂轮廓零件，尤其是加工复杂内轮廓零件，刀具的自由过渡空间范围很小，因此就显得尤为重要。否则，系统可能出错报警不能加工，或者即使程序能执行下去，也可能因应用了刀补后，刀具中心轨迹的控制不当而造成零件某处过切，甚至损坏刀具。关于刀补转接过程及转接点位置的计算对于正确编程是很重要的。3 数控铣床的编程技巧编制加工程序是数控铣削加工至关重要的环节，巧用编程指令可以在很大程度上缩短程序的长度，提高编程效率，保证零件的加工质量。3.1巧用刀具半径补偿指令在数控铣床上对零件进行轮廓加工时， 由于铣刀具有一定的半径，所以刀具中心轨迹与工件轮廓不重合，相差一个刀具半径值。如果数控系统具备刀具半径补偿功能，编程只需按工件轮廓进行，刀具走刀将自动偏离工件轮廓一个半径值，即进行刀具半径补偿。进行刀具半径补偿时，首先要通过面板输入被补偿刀具的直径或半径补偿值，使其储存在刀具参数库里；然后在程序中采用半径补偿指令，如G41或G42；执行程序时，由半径补偿指令调出刀具参数库中预存的补偿值，并由数控系统自动计算刀具中心轨迹，加工出符合零件图轮廓的工件。1) 刀具半径补偿指令及刀具半径补偿过程刀具半径补偿的代码有G40、CA1、CA2，它们都是模态代码，CA0是取消刀具半径补偿代码；CA1为刀具半径左补偿，CA2为刀具半径右补偿。判断左、右刀具半径补偿的方法是沿着刀具加工路线看，当刀具偏在加工轮廓的左侧时，为左偏补偿，此时为顺铣；当刀具偏在加工轮廓的右侧时，为右偏补偿，此时为逆铣。在机床加工中，一般采用顺铣，这是因为从刀具寿命、加工精度、表面粗糙度而言顺铣的效果较好，因而G41使用较多。在实际轮廓的加工过程中，刀具半径补偿过程一般分3个阶段：刀具半径补偿建立、刀具半径补偿进行和刀具半径补偿撤销。当手工编制比较复杂轮廓的零件程序时，如果刀具半径补偿指令使用不当，会使加工程序执行时出错报警，无法加工，甚至造成零件的报废或者刀具的损坏。出现这些问题的原因很多，但在编程时若能注意以下几点通常可以避免很多问题：(1)对于大多数数控系统，建立和撤销刀补时，只能使用C00或G01指令，而不能使用G02或G03指令。(2)在2个产生运动程序段之间如果有2条辅助功能指令或非刀补平面其他轴运动指令，则刀补计算时就无法获得2个相邻轮廓段的信息，造成程序无法继续执行，系统报警并停止加工。(3)2个运动指令之间有一个运动为0的运动指令时，系统也将报警并停止加工。(4)凹轮廓圆弧，如曲率半径小于刀具半径，如果继续加工将会造成过切，系统将报警并停止加工。2) 刀具半径补偿的转接过渡处理在实际加工过程中，随着前后2段编程轨迹的连接方式不同，所产生的刀具中心轨迹转接情况也不尽相同。对于连接部分的过渡处理与相邻两轮廓段的夹角a(称为转接角或拐角)有关。所谓拐角，是指相邻两轮廓交接点处的切线在工件实体一侧的夹角。根据拐角大小不同，刀具半径补偿在此处的转接过渡方式也有所不同。一般可分为3种类型：(1)当时,刀具半径补偿在此处的转接方式为插入型(见图1(c)。(2)当时,刀具半径补偿在此处的转接方式为伸长型(见图1(b)。(3)当时,刀具半径补偿在此处的转接方式为缩短型(见图1(a)。图3 刀具半径补偿进行过程示意图3） 刀具半径补偿指令在数控铣床上的应用具体表现在以下几个方面 用零件轮廓尺寸编程，不必由人工计算刀具中心轨迹，从而简化计算。如用立铣刀精铣图1所示的凸台，程序如下： 0020N1 G92 X0 Y0 Z100N2 G00 X48 Y20 Z1 M03N3 G01 Z5 F40N4 G41 X35 Y15 D01N5 Y5N6 G02 X30 Y10 R5 F30N7 G01 X19.494 Y10 F40N8 G03 X16.245 Yl1667 R4 F30N9 G0 X19.955 Y1.334 R20N10 G03 X21.147 Y4.458 R4N11 G01 X25.727 Y8.946 F40N12 G03 X29.124 Y10.045 R4 F30N13 G02 X23.259 Y20.195 R75N14 G03 X20.706 Y17.829 R4N15 G01 X14.709 Y15.993 F40N16 G03 Xl1.282 Y16.514 R4 F30N17 G0 X16.245 Yl1.667 R20N18 G03 X19.494 Y10 R4N19 G01 X30 Y10 F40N20 G02 X35 Y5 R5 F30N21 G91 G03 X12 Y0 R6N22 G9ON23 G40 G01 X48 Y20 F40N24 Z1N25 G00 X0 YO Z100 M05N26 M30在以上程序中，N1是建立工件坐标系，N4是建立刀具半径左补偿，N5N21是依照轮廓外形进行顺铣，N23是取消刀具半径补偿。刀具的实际走刀路线AB如图2中箭头所示。 刀具直径发生变化，不必修改加工程序。在数控铣床上加工零件，工作时间一长，刀具难免会磨损。对刀具进行重磨或重新换刀时，刀具直径将发生改变。这时，我们不必修改程序，只需在刀具参数设置状态重新输入新的刀具直径。如在上例中，假如现在用立铣刀来加工，我们只需把刀具参数库中1号位置的刀具半径改为4即可。 简化半精加工程序。利用有意识的改变刀具半径补偿值，可用同一程序、同一刀具、不同的切削余量完成粗精加工。在上例中，工序安排如下：粗加工一半精加工一精加工，精加工余量为0.5mm 粗加工已经完成，现在可以用上面的程序来完成半精加工、精加工。具体过程是这样的：A把刀具参数库中1号位置的刀具半径输入为3.5，然后调用程序进行加工，加工完成以后，在工件的表面均匀的留下了0.5的余量；B把刀具参数库中1号位置的刀具半径输入为3，然后调用程序进行精加工，则加工出合格零件。利用刀补值可控制尺寸精度。因刀具直径的输入值具有小数点后24(0.010.0001)的精度，故可控制轮廓尺寸精度。3.2巧用镜像加工指令在加工某些对称图形时，为了避免反复编制类似图3的程序，可采用镜像功能和子程序结合的方法，只对工件的一部分进行编程，就能加工出工件的整体。如用立铣刀精铣如图3所示4个对称凸块外侧面，在程序llll中：N5是调用子程序2000加工凸块l；N6，N7是加工凸块2；N8，N9是加工凸块3，N10，N1l是加工凸块4。程序： llllN1 G92 X0 Y0 Z100N2 M03N3 G00 ZlN4 G0l Z2 F40N5 M98 P2000N6 G24 X0N7 M98 P2000N8 G24 X0 Y0N9 M98 P2000Nl0 G25 X0Nll M98 P2000Nl2 G25Nl3 G90 G00 Zl00Nl4 M05N15 M30 2000Nl00 G9lNl10 C41 X10 Y4 D0lNl20 Y1.0N130 Y25N140 X10N150 G03 X10 Y10 I10 J0 F30Nl60 G0l Yl0 F40N170 X25Nl80 C,40 X5 Y10Nl90 M993.3巧用固定循环指令及参数化编程在数控铣床加工中，某些加工动作已经典型化。例如，钻孔、镗孔的动作是：定位、快速引进、工作进给、快速退回等，这样一系列典型的加工动作已经预先编好程序，存储在内存中，可用包含G代码的一个程序段调用，从而简化了编程工作。如G99 G8l X10.0 Y10.0 Z22.0 R98.0 F150，即可完成一个孔的加工。同时也可以应用参数化编程，参数编程举例：1.1 椭圆曲线的编程方法椭圆曲线的方程，化成参数方程为。若要加工图1所示的椭圆槽。设置R1为椭圆槽长轴半径，R2为椭圆槽短轴半径；R3为加工椭圆轮廓的起始角度，R4为每次椭圆轮廓加工的增量角度，R5为每次加工完一个椭圆轮廓后，其长半轴和短半轴同时减少的一个不大于刀具直径的正数值，以便进入下一个椭圆轮廓的加工。其程序如下：G90G54G00 T01D1M03 S1200 F200设置坐标系、刀具、转速及走刀量Z20提到安全高度X27Y0让出刀具半径(用 的铣刀加工)G01Z-10下刀R1=27 R2=17 R3=0 R4=0.5 R5=5设置各参数初始值，R1/R2分别减一个刀具半径MA：R3=R3+R4椭圆角度增量G01 X=R1*COS(R3)，Y=R2*SIN(R3)椭圆终点IF R3=0 GOTOB MA椭圆槽加工结束条件判断G00Z20抬刀M30程序结束图 椭圆槽1.2 球面铣削的编程方法变量编程的另一个应用就是规则曲面的编程。规则曲面指的是其母线能够用函数表达，曲面走势也呈现规律的曲面，如球面、锥面、圆柱面等。以加工球面为例，可以控制刀具沿图2轨迹走刀，即将球面沿着一条法线方向分层，每层得到一个圆，圆的半径r与深度h函数关系为。如图3所示。 图 加工球面轨迹 图 球面半径R与每层半径R4关系编程时，建立如图3所示的坐标系。加工时设定使刀具沿Z向进给一个值，在XY平面内铣削整圆，然后逐层向下加工，即可完成球面加工。当分层越多，球面轮廓越精确。用平面立铣刀侧刃加工时，要在加工平面内先移动一个刀具半径长度。采用平面立铣刀加工球面的程序如下：程序开始部分X3 Y0；立铣刀x向走一个刀具半径3mmR1=0 R2=-30；以球面的上端面为零点，半球面高度为30mmMA：R3=SQRT(3030(30+R1)(30+R1)；R3为加工每层圆的半径R4=R3+3；用 的铣刀加工时，移动一个刀具半径距离G01 X=R4 Y0 Z=R1；轴向进给G02 I=-R4 jo；整圆铣削加工R1=R1-0.05；从顶点到加工所在层的高度用R1表示IFR1=R2 GOTOB MA ；若没有达到加工高度，条件转移G00Z20；抬刀M30；程序结束4汽车发动机曲轴数控加工实现方法4.1曲轴工艺分析下图为六缸汽车发动机的曲轴零件简图。主轴颈和连杆轴颈不在同一轴线上。它具有七个主轴颈；六个连杆轴颈分别位于三个互成120角的平面内。曲轴在六个连杆轴颈处形成了六个开挡，因此曲轴是一个结构复杂、刚性差的零件。为了保证曲轴正常工作，对曲轴规定了严格的技术要求。主要技术要求如下：（1）主轴颈和连杆轴颈的尺寸精度为0.02mm；轴颈的圆度误差和轴颈轴线间的平行度误差均不大于0.015mm；轴颈表面粗糙度不大于Ra0.32m。（2）连杆轴颈与主轴颈轴线间的平行度误差在每100mm长度上不大于0.02mm。（3）以1，7主轴颈支承时，第4主轴颈的径向圆跳动误差不大于0.03mm；装飞轮法兰盘的端面窜动误差不大于0.02mm；法兰盘的端面只允许凹入，以保证和飞轮端面可靠贴合，凹入量不大于0.1mm。（4）曲柄半径尺寸精度为0.05mm。（5）连杆轴颈之间的角度偏差不大于土30。（6）主轴颈、连杆轴颈与曲柄连接圆角的表面粗糙度不大于Ra0.4m。（7）曲轴轴颈表面热处理后硬度不低于46HRC。（8）曲轴需径动平衡，动平衡精度小于100gcm。（9）曲轴需要进行磁力探伤。V左铣刀右铣刀W图2 曲轴装夹示意图选择铣刀主轴转速36r/min，刀盘直径920mm，切削速度104m/min，最大进给速度 2400mm/min工件主轴转速O5r/min。一根曲轴毛坯整个铣削(一次完成精加工)过程只需40min左右。图2是曲轴装夹和同时加工主轴轴颈及连杆轴颈示意。由图可以看出各个曲臂的分度情况(分度)，曲轴绕回转中心转一周即可完成一个主轴轴颈和一个连杆轴颈的加工。V轴Y轴配合控制左铣刀，W轴Z轴配台控制右铣刀，完成多缸曲轴的所有主轴轴颈和连杆轴颈加工。更换左或右铣刀并使用曲臂外圆加工程序，可完成卵形曲臂外圆的铣削加工主轴轴颈和连杆轴颈铣刀宽度等于欲加工宽度，大于曲臂宽度。4.2数控加工实现方法铣削原理是：工件夹紧在回转中心作低速回转，而高速旋转的铣刀盘作数控水平进给，先切人铣削到要求尺寸(见图3a)，然后进行回转铣削(见图3 b)。在毛坯余量过大时，则宜采用图3c所示的阿基米德螺线切人铣削(下简称阿线铣削法)。切人铣削：工件不回转只进行铣刀盘进给的切削方式。回转铣削：在切人铣削进给到要求尺寸轮廓某点后，经插补运算，使刀盘切削点绕要求尺寸轮廓切削一周的切削方式。对主轴轴颈保持刀盘不进给，工件旋转一周，对连杆轴颈机床控制系统以G36调用偏心圆加工程序完成(如图3b)，对圆形轮廓曲臂外圆可类似连杆轴颈处理，对异形轮廓曲臂外圆机床控制系统以G37调用G38/G39组成的子程序完成(程序省略)。阿线铣削：在切入铣削进给到工件表面后使用，铣削过程使切削起点到工件要求尺寸面上切削终点的切削轨迹上的任意一点到工件要求尺寸面的距离按转角比例分配，到总切削余量为零。切削点轨迹为该圆上的阿基米德螺线(图3c)。阿线铣削是工件回转运动与铣刀盘进给运动直线插补的结果。阿线铣削能充分发挥机床效能。图3 曲轴连杆轴两及主轴轴颈铣削方法示意图(a)连杆轴颈切入铣削(b)连杆轴颈回转铣削(c)主轴轴颈阿线铣削对主轴轴颈可采用切入铣削与回转铣削法；即先切入铣