成型工件的数控切削工艺优化.doc

成型工件的数控车削工艺优化谢涛 林子凯 李敬坤 指导老师：陈银清 梁广中 邹金荣（茂名学院，广东 茂名 525000）摘要：简单介绍了数控车床与普通车床加工工艺的差别，突出数控车床在成型工件加工中的优势，阐述了制定加工工艺的一般原则，并用实例分析了在数控车床中工件加工的几种编程方法，并通过比较确定最优方案。关键词：加工工艺；工艺优化；数控编程1 前言数控机床是一种通过数字信息控制机床按给定的运动规律，进行自动加工的机电一体化新型加工装备。所谓数控，就是通过特定处理方式下的数字信息去自动控制机械装置进行动作，它与通过连续变化的模拟量进行的程序控制，有着截然不同的性质。由它的特性，就决定了它在促进技术进步和经济发展，提高人类生存质量和创造新的就业机会等方面，起着非常重要的作用。因此，确定优化的加工工艺工作尤为重要。它不仅会影响到机床效率的发挥，而且将直接影响到零件加工质量和加工成本。2 数控车床与普通车床的加工工艺比较普通车床的操作受控于操作者，机床的切削用量、走刀路线、工序的工步等都由操作者自行选定，并可根据加工情况随时调整；因此，普通车床加工零件难度大、精度低、时间长、对操作者的技术要求极高，而且容易出废品。而数控加工以整个加工过程自动进行为特点，数控车床受控于程序指令，加工的过程都是按程序指令自动进行的，涉及的内容也较广，从装夹到加工完毕的每一工步的加工过程都要十分清晰，还要考虑每一工步的切削用量、走刀路线、位置、刀具尺寸等比较广泛的问题；因此，数控车床能适应不同零件的自动加工，生产效率和加工精度高、加工质量稳定，并能完成复杂型面的加工，而且工序集中，一机多用。3 制定加工工艺制定加工工艺是工艺处理的关键,一般遵守以下基本原则：1)先粗后精：在切削加工中,先安排粗加工工序,将毛坯的加工余量在较短时间内去掉,提高生产效率。同时应尽量满足精加工的余量均匀性要求,接着安排换刀后的半精加工,以满足要求。最后精车加工应一次走刀连续完成,加工的进退刀路线要认真考虑,以尽量减少刀具在轮廓处切入、切出或停顿(切削力突然变化造成弹性变形)而留下的刀痕。对于易发生变形的零件,由于粗加工后可能发生变形需对其进行校正,在进行粗、精加工时,一般要将工序分开设计2)先近后远：数控车床加工中,一般先安排离刀具起点近的部分先加工,离刀具起点远的后加工。可缩短刀具移动距离,减少空走刀次数,提高效率,有利于工件刚性的保证,切削条件的改善。3)先内后外：为了改善加工条件,一般先进行内型腔加工工序,后进行外形加工工序。4)程序段最少：在保证加工效率的前提下,程序的简洁可减少编程工作量,降低编程出错率,便于程序的检查和修改。4 加工工艺优化实例分析现要加工如图1所示圆弧面旋转工件，各个基点坐标值如表 1所示。图1 圆弧面旋转工件表1 零件各个基点坐标（以N点为坐标原点、直径编程）基 点坐 标基 点坐 标A（20，-65）H（15，-35）B（20，-55）I（15，-30.25）C（10，-55）J（17.86，-26.75）D（10，-50）K（25，-18）E（15.77，-50）L（12.79，-7.26）F（28，-39.41）M（2.16，-1.87）G（28，-35）N（0，0）4.1 采用普通车床加工（传统加工方法）这是一个圆弧面旋转工件，如果在普通车床上加工，对工件上的圆弧面有两种方法加工：（1）用常用刀具先直线逼近加工，再沿轮廓用成型刀加工；（2）用靠模加工。方法（2）与配钥匙方法相似，适合批量生产，准备过程繁琐，而且制模所用时间远比加工一个零件所用的时间长。由于是单件生产，故可选用先直线逼近法粗加工出轮廓，再用成型刀（样板刀）完成精加工。加工球面过程中要双手同时摇动中、小托板。这样就容易造成各种误差：（1）刀具本身在磨刀时存在的误差；（2）样板刀本身的尺寸误差；（3）在测量中人眼观察造成的人为误差。这样几种误差累加起来总的误差将很大，没办法达到工件要求的精度。所以这个工件只能选在数控车床上加工。4.2 采用数控车床加工（手工编程）对于几何形状不太复杂的零件，编程工作量小，加工程序段不多，出错的几率很小，快捷、简便、并不需要具备相应的硬件和软件知识，所以它广泛用于点位、直线、圆弧组成的轮廓加工中。现选用三种方法对工件进行加工。4.2.1 用G73代码编程方式(封闭切削循环)G73指令主要用于铸、锻造成型毛坯件的加工，根据图纸要求，确定工艺方案，画出工艺方案草图如图2所示：图2 用G73代码编制程序（1） 本工艺加工顺序（自右向左）车端面 用G73指令完成粗车 NMLKJIHGFDCBA 切槽（精车） 利用G70指令完成精车 NMLKJIHGFEBA 车螺纹切断（2） 选择刀具及切削用量外圆刀T0101：粗车外圆螺纹刀T0202：车螺纹切断刀T0303：割槽、切断（宽4mm）切削用量：车外圆S600、F40-100 切槽S600、F100 车螺纹S250 F1.5（3）编制程序（以点N为坐标原点）O0001N000 G00 X100 Y100 M03 S600N004 T0101N006 G0 X32 Z0N008 G1 X0 F100N010 G0 X28.5 Z2N012 G1 Z-70 F80 N014 G0 X30 Z2N016 G0 X25.5N018 G1 Z-35N020 G0 X50 Z50N022 G73 U1 W0.5 R0.003N024 G73 P100 Q 220 U0.5 W0.2 F100N026 G0 X0N028 G1 X2.16 Z-1.87 F30 S750N030 G02 X12.8 Z-7.26 R15N032 G03 X17.86 Z-26.75 R12.75N034 G02 X15 Z-30.25N036 G1 Z-35N038 G1 X28N040 G1 Z-39.41N042 G03 X 15.77 Z-50N044 G1 X10N046 G1 Z-55N048 G1 X20N050 G1 Z-68N052 G0 X100 Z100N054 T0303N056 G0 X22 Z-54N058 G1 X10 F50N060 G0 X22N062 G0 Z-55N064 G1 X10N066 G0 X20N068 G1 Z-68N070 G0 X100 Z100N072 T0202N074 G0 Z-53N076 G0 X26N078 G92 X19.5 Z-68 F1.5N080 X19.1N082 X18.8N084 X18.6N086 X18.5N088 X18.4N090 X18.35N092 G0 X100 Z100N094 T0303N096 G0 X30 Z-69N098 G1 X0 F50N100 G0 X100 Z100N102 M05N104 M30（4）工艺分析G73是一条封闭切削循环指令，通过以上程序我们看到，这种加工方法程序段少,编程简单（只需按精加工轮廓编程即可），但走刀路线长。刀具路径中空刀部分较多，因而加工效率低。只适合于一些成型毛坯的工件加工。4.2.2 用G01代码编程方式 G01指令主要用于棒料的加工，根据图纸要求，确定工艺方案，画出工艺方案草图如图3所示：图3 用G01代码编程方式根据图纸要求，确定工艺方案，画出工艺方案草图如图3所示：（1）本工艺加工顺序（采用自右向左分段、直线逼近加工）：已知毛坯为30mmX100mm的钢棒。车端面 粗车外圆至28.5mm、长75 mm粗车外圆至25.5mm、长34.5 mm切槽精加工出HI利用G71、G70指令完成粗车KLMN、KJI切槽精车CD和粗车OP利用G71、G70指令完成粗车EFG、BA车螺纹切断（2）选择刀具及切削用量（与上一种加工方法一样）（3）编制程序（以点N为坐标原点）O0010N000 G00 X100 Y100 M03 S600N002 T0101 N004 G0 X32 Z0N006 G1 X0 F100N008 G0 X28.5 Z2N010 G1 Z-70 F80 N012 G0 X30 Z2N014 G0 X25.5N016 G1 Z-35N018 G0 X100 Z100N020 T0303 N022 G0 X26 Z-33.25N024 G1 X15.5 F50N026 G0 X26N028 G0 Z-35N030 G1 X16N032 G0 X30 N034 G0 X100 Z100N036 T0101N038 G0 X18.84 Z1N040 G1 X26 Z-4.83 F100N042 G0 X20 Z1N044 G0 X13.9 N046 G1 X26 Z-7.66N048 G0 X14 Z1N050 G0 X7.52N052 G1 X26 Z-10.49N054 G0 X8 Z1N056 G0 X1.88N058 G1 X26 Z-12.02N060 G0 Z-27.95N062 G1 X23.24 Z-30.25 F100N064 G0 X27N066 G0 X26 Z-27.63N068 G1 X20.82 Z-30.25N070 G0 X27 Z-28N072 G0 X26 Z-23.95N074 G1 X18.42 Z-30.25N076 G0 X27 Z-23.95N078 G0 Z-21.95N080 G1 X16 Z-30.25N082 G0 X100 Z100N084 T0303 N086 G0 X29 Z-54N088 G1 X10 F20N090 G0 X29N092 G0 Z-55N094 G1 X10 N096 G0 X29 N098 G0 Z-69 N100 G1 X16N102 G0 X29 N104 G0 X100 Z100N106 T0101 N108 G0 X28.5 Z-47.2N110 G1 X21.9 Z-50.5 F40N112 G0 X29N114 G0 X28.5 Z-42.55N116 G1 X23.88 Z-47.51N118 G1 X17.9 Z-50.5N120 G0 X24.78 Z-54.5N122 G1 Z-66N124 G0 X25 Z-54N126 G0 X20.5N128 G1 Z-66N130 G0 X40 Z2N132 G0 X0.9 Z0N134 G1 X3.28 Z-1.66N136 G02 X13.3 Z-6.83 R14.5N138 G03 X18.56 Z-27.1 R13N140 G02 X16 Z-30.25 R4.45N142 G0 X29 Z-34N144 G0 X28.5 Z-41.04N146 G03 X16.1 Z-50.5N148 G0 X30 Z-50N150 G0 Z2N152 G0 X0 Z0N154 G1 X2.16 Z-1.87N156 G2 X12.8 Z-7.26 R15N158 G3 X17.86 Z-26.75 R12.5N160 G2 X15 Z-30.25 R5N162 G1 Z-35N164 G1 X28N166 G1 Z-39.41N168 G03 X15.77 Z-50 R15 N170 G0 X20 Z-55N172 G1 Z-67N174 G0 X100 N176 G0 Z100N178 T0202N180 G0 Z-53 N182 G0 X26 N184 G92 X19.5 Z-68 F1.5N186 X19.1N188 X18.8N190 X18.6N192 X18.5N194 X18.4N196 X18.35N198 G0 X100 Z100N200 T0303 N202 G0 X30 Z-69N204 G1 X0 F30N206 G0 X100 Z100N208 M05N210 M30（4）工艺分析 由于是对圆柱钢棒进行加工，为了使车削工艺得到优化，结合实验室实际情况我们选用G01代码编程方式。本工艺加工顺序（采用自右向左分段、直线逼近加工），总的来说，这种加工方法前期准备工作比较麻烦，因为用到直线逼近法，需要在零件图上找出很多个点的坐标，如下图4所示基点示意图。不过，确定各点坐标可借助计算机辅助软件来快速的找出各点的坐标值，如绘图软件AutoCAD2004可以轻易做到。图4 粗加工所用基点示意图另外，采用直线逼近法加工也带来编程上的麻烦，需要编制出的程序比采用G73代码编程方式的程序多一倍！所以编制程序的时间较长。这种方法对刀具特别是外圆车刀的要求比较高，与上一种方法相同。通过实验我们看到，这种加工方法走直线的次数比较多，但用到G0快速进给指令，提高了加工速度。先用直线插补去掉大部分加工余量,再采用圆弧插补精加工成形,走刀路线相对较长,但整个加工过程切削力均匀,能保证零件的加工质量。综合以上两种加工工艺的比较，可以看出最大的区别就是采用了不同的G代码和不同工艺路线加工工件的。考虑到是单件生产，最重要是保证质量。通过比较，所以选用G01代码编程方式比较优越。4.2.3 用G71代码编程方式（外圆粗加工循环）G71指令同样也是主要用于棒料的加工，根据图纸要求，确定工艺方案，画出工艺方案草图如图5所示：图5 用G71代码编程方式（1） 本工艺加工顺序（自右向左）用G71指令完成粗车 NMLK （外圆刀） 切槽HI、DC、OP粗车弧KJI、FE和BA（切槽刀）车螺纹精车NMLKJIHGFE（螺纹刀）切断（2） 选择刀具及切削用量外圆刀T0101：粗车外圆螺纹刀T0202：车螺纹和精车外圆切断刀T0303：割槽、切断（宽4mm）切削用量：车外圆S400、F30-60 切槽S300、F30 车螺纹S200 F1.5（3）编制程序（以N为坐标原点）N048 F30 N050 G0 X30N052 Z-58N054 G75 R1N056 G75 X19.9 Z-70 P2500 Q2000 F30N058 G0 Z-69N060 G01 X16 F20N062 G01 X20N064 Z-67.5N066 X18.5 Z-69N068 G0 X35N070 G0 X35 Z-18N072 G01 X29N074 G03 X20.714 Z-28.148 R14.5 N076 F40N078 G02 X19 Z-30.24 R3N080 G0 X26N082 Z-18N084 X27N086 G03 X19.286 Z27.448 R13.5N088 G02 X17 Z-30.24 R4N090 G0 X26N092 Z-18N094 X25.4 N096 G03 X18.143 Z-26.888 R12.7N098 G02 X15.4 Z-30.24 R4.8O0011N000 G0 X100 Z100N002 T0101N004 M03 S400N006 G0 X32 Z2N008 G71 U1.5 R0.5N010 G71 P10 Q20 U0.15 F60N012 G0 X0 N013 G01 Z0N014 X2.16 Z-1.87N016 G02 X12.79 Z-7.26 R15 F60N018 G03 X25 Z-18 R12.5N020 G01 Z-35N022 X28N024 Z-70N026 G0 X100 Z100N028 S300N030 T0303N032 G0 Z-34.25N034 X29N036 G75 R1N038 G75 X15.015 Z-35 P2500 Q2000 F30N040 G0 X30N042 Z-54N044 G75 R1N046 G75 X15 Z-55 P2500 Q2000N100 G0 X32.019N102 Z-39.412N104 G03 X21.956 Z-50 R17N106 G0 X30.010N108 Z-39.412N110 G03 X18.998 Z-50 R16N112 G0 X28.398 N114 Z-39.432 N116 G03 X16.446 Z-50 R15.2N118 G0 X29N120 G0 X100 Z100N122 T0202N124 G0 Z-53 S200N126 X22N128 G92 X19.5 Z-68 F1.5N130 X19.1N132 X18.9N134 X18.7N136 X18.5N138 X18.3N140 X18.2N142 G0 X35N144 G0 Z2N146 G0 X0N148 G01 X0 Z0 F20N150 G01 X2.16 Z-1.87N152 G02 X12.79 Z-7.26 R15 F15N154 G03 X17.86 Z26.75 R12.5N156 G02 X15 Z30.25 R5N158 G01 Z31N160 G0 X28N162 G01 Z-39.41 F20N164 G03 X15.77 Z-50 R14N166 G0 X30N168 G0 X100 Z100N170 T0303N172 G0 X30 Z-69N174 G75 R1 N176 G75 X0 P3000 F20N178 G0 X100N180 Z100N182 T0100N184 M30（4）工艺分析为了实现车削工艺优化，先利用G71代码编程方式（外圆粗加工循环）粗车出NMLK。再切槽和粗车圆弧。突出的特点是一刀多用（螺纹刀既用于车螺纹又用于精加工，切槽刀既用于切槽又用于粗车圆弧），节省了换刀的时间。粗加工KJI和FE两段圆弧都需要找出一些基点坐标值，如上图6所示实心点，编程时用到的是G75指令（外圆、内圆切削循环）。虽然要找基点，但我们需要找出的基点数比用G01代码编程方式直线逼近加工少很多。因此工作量小很多。同时加工程序段数量跟用G01代码编程方式差不多。图6 粗加工圆弧KJI、FE所需基点示意图粗加工这两段圆弧时用的是切槽刀，最后用螺纹刀完成精加工，都没有用到外圆车刀，所以对外圆车刀的要求不高，不需要很大的副偏角。通过实验我们可以看到这种工艺在加工前的准备工作少、加工速度快、能保证加工质量。综合以上三种加工工艺的比较，可以看出利用G71代码编程方式与其他两种工艺最大的区别就是采用了一刀多用（螺纹刀既用于车螺纹又用于精加工，切槽刀既用于切槽又用于粗车圆弧）和不同工艺路线加工工件的。考虑到是单件生产，利用G71代码编程方式在加工前的准备工作少、既能提高加工速度又能保证加工质量。所以，利用手工编程的三种加工工艺方法中，利用G71代码编程方式的是最优方案。4.3 计算机软件辅助编程（CAM）这是一种利用计算机及其外围设备组成的自动编程系统完成程序编制工作的方法。广泛用于一些非圆曲线、曲面的加工表面，或者零件的几何形状并不复杂但是程序编制的工作量很大，或者是需要进行复杂的工艺及工序处理的零件。自动编程所用到的软件编程有UG、Mastercam等，现在这里选用Mastercam8.0软件来完成自动编