项目四 圆弧加工

1、第1页 缙云县职业中等专业学校 有些机器零件表面的轴向剖面呈曲线形，如椭球手柄、圆球手柄等，具有 这种特征的表面叫成形面。在普通车床上加工成形面可以根据工件的精度 要求和批量大小采用双手控制法，该技术难度大，加工精度不高；可采用 成形法，即使用成形刀具加工，此方法适用于轴向尺寸不长的简单成形面； 对于精度要求较高、批量较大的成形面，还可采用仿形法、专业工具法加 工。然而，随着数控技术的发展和普及，利用数控车床的两轴联动功能及 圆弧插补指令，可以联动控制X和Z坐标轴方便地进行曲线轮廓零件的加工， 同时加工精度及加工效率也得到了大大的提高。 本项目重点讲述凹、凸圆弧的G02、G03车削方法，及刀具

2、半径的补偿 指令G40、G41、G42。 项目四圆弧加工项目四圆弧加工 第2页 这里输入标题 学习目标 1)熟悉圆弧面数控车削加工路线，并能合理确定轮廓粗、精加工路线。 2)掌握圆弧面相关尺寸计算，并能准确计算出轮廓上各基点的坐标。 3)掌握圆弧插补指令G02/G03的指令格式、功能，掌握顺逆圆弧的判别方法。 4)能够根据加工要求完成圆弧面零件的编程与加工。 任务粗车循环任务粗车循环G71加工圆弧加工圆弧 第3页 知识知识G02、G03指令指令 1.圆弧面的数控车削加工方法 有些机器零件的表面轴向剖面呈圆弧线，如椭圆手柄、圆球手柄等，具 有这些特征的表面叫成形面。如果在普通车床上加工圆弧面，其

3、难度较大， 加工精度不高，劳动强度也较大。但在数控车床上，利用数控车床的两轴 联动功能及圆弧插补指令，可以联动控制X坐标轴和Z坐标轴方便地进行圆 弧面轮廓零件的加工，同时加工精度及加工效率也得到大大提高。 (1)车削凸圆弧面的方法 1)车锥法如图4-1(a)所示，根据加工余量，采用圆锥分层切削的办法将 加工余量去除后，再进行圆弧精加工。采用这种方法加工时，加工效率高， 但计算麻烦。 第4页 图4-1 车削凸圆弧面的方法 2)同心圆分层切削法如图4-1b所示，根据加工余量，采用不同的圆 弧半径，同时在两个方向上向所加工的圆弧偏移，最终将圆弧加工出来。 采用这种方法加工时，每次进给的加工余量相等，

4、圆弧的起点、终点坐 标容易确定，数值计算简单，编程方便，但空行程较多。 3)圆弧偏移法如图4-1c所示，根据加工余量，通过移动圆心的位置， 并用相同的圆弧半径，渐进地向机床的某一坐标轴方向偏移，最终将圆 弧加工出来。采用这种方法加工时，编程简便，但空行程较多。 第5页 (2)车削凹圆弧面的方法 图4-2所示为切削凹圆弧面时的几种常用方法。 采用同心圆分层切削法(图4-2a)和圆弧偏移法（图4-2b）的特点与凸圆弧 加工类似。此外，还常用以下两种方法： 1)变半径分层切削法如图4-2c所示，根据加工余量，采用起点坐标、终 点坐标固定，改变半径的分层切削法最终将圆弧加工出来。编程时只需计 算变半径

5、值，并注意半径值与背吃刀量匹配。 2)切梯形槽法如图4-2d所示，对于较深凹圆弧的加工，可采用切梯形 槽的方法先去除大部分加工余量，再进行圆弧精加工。 图4-2 车削凹圆弧面的方法 第6页 (3)对以上加工路线的比较和分析如下： 1)程序段最少的为同心圆分层切削法及圆弧偏移法。 2)加工路线最短的为同心圆分层切削法，其余依次为变半径分层切 削法、切梯形槽法及圆弧偏移法。 3)计算和编程最简单的为圆弧偏移法（可利用程序循环功能），其 余依次为同心圆分层切削法、变半径分层切削法、切梯形槽法。 4)金属切除率最高、切削力分布最合理的为切梯形槽法。 5)精车余量最均匀的为同心圆分层切削法 第7页 2.

6、圆弧插补指令 G02、G03 1)指令格式 G02 X(U)_ Z(W)_ R_ F_； G03 I_K_ 其中：X_、Z_是绝对编程时，圆弧终点在工件坐标系中的坐标; U_、 W_是增量编程时，圆弧终点相对于圆弧起点的位移量; I_、K_是圆心相对于圆弧起点的增加量（等于圆心的坐标减去圆弧起点的 坐标， 在绝对、增量编程时都是以增量方式指定，在直径、半径编程时I都是 半径值）; R_是圆弧半径，圆弧圆心角小于180时，R为正值，否则R为负值; F_是进给速度。 2)功能刀具在指定平面内按给定的进给速度作圆弧运动，车削圆弧轮廓。 3)指令说明 第8页 顺逆圆弧判断。顺时针或逆时针是从垂直于圆弧

7、所在平面（如ZX平 面）的坐标（如Y轴）的正方向到负方向看到的回转方向，顺时针方向 圆弧为G02顺圆，逆时针方向弧为G03逆圆。在判断圆弧的顺逆方向时， 一定要注意刀架的位置及Y轴的方向，图4-3所示。前置刀架与后置刀架 正好相反。 图4-3 圆弧插补方向规定 a)圆弧顺逆方向b）刀架位置 第9页 圆弧半径的确定。圆弧半径R有正值与负值之分。当圆弧圆心角小于或 等于180（图4-4中圆弧1）时，程序中的R用正值表示。当圆弧圆心角大于 180并小于360 (图4-4中圆弧2）时，R用负值表示。通常情况下，数控车 床上所加工的圆弧的圆心角小于180。 整圆编程时不可以使用R，只能用I、K。 同时编

8、入R与I、K时，R有效。 第10页 例：如图4-4中轨迹AB，用R指令格式编写的程序段如下 AB1: G03 X60.0 Z40.0 R50.0 F200; AB2: G03 X60.0 Z40.0 R-50.0 F200; 图4-4 圆弧半径正负值的判断 第11页 3.圆弧相关计算及编程 试按圆弧偏移法的加工工艺编写如图4-5所示工件的加工程序（外圆已加工完）。 (1)相关计算 1)确定X方向圆弧加工余量 i= CD= OD-OC= OD- =(20- 2)估算粗车次数d 粗车次数可由下式估算 d=（X方向圆弧加工余量i -精加工余量u）单边背吃刀量ap d=( i - u)/ap= (2.

9、68-0.2)/1.5 2次 )mm =2.68mm 第12页 图4-5圆弧计算编程实例图 第13页 (2)程序编制见表4-1 工件加工的参考程序如表4-1所示 主程序 用自定心卡盘夹持毛坯外圆并夹牢，车左端外圆 程 序简要说明 04001;程序名 G21 G97 G98 G40;程序初始化 T0101 M03 S600 ;主轴正转，选择1号93外圆车刀 G00 X35.0 Z-10.0 ;快速定位35mm直径，距离端面负向10mm G01 X32.4 F120；进刀至切入点 G02 X32.4 Z-30.0 R20.0；第一次粗车圆弧面，背吃刀量为单边1.2mm 表4-1程序卡（供参考） 第

10、14页 G00 X35.0 Z-10.0； 退回起刀点 G01 X30.4； 进刀至切人点 G02 X30.4 Z-30.0 R20.0； 第二次粗车圆弧面，X方向留单边0.2mm 精加工余量 G00 X35.O Z-10.0；退回起刀点 G01 X30.0 S1000；进刀至精加工切入点，转速l000r/min G02 X30.0 Z-30.0 R20.0 F80；精车圆弧面，进给量80mm/min G00 X100.0 Z100.0 M05;返回刀具换刀点，停主轴 M30;程序结束 第15页 知识知识G40、G41、G42指令指令 1.刀尖圆弧半径补偿 (1)刀尖圆弧半径补偿的定义 带有刀

11、尖圆弧的车刀的刀位点为刀尖圆弧的圆心。为确保工件加工后的轮廓形状，加工 时刀尖圆弧的圆心运动轨迹应与工件轮廓偏置一个半径值，这种偏置称为刀尖圆弧半径 补偿。圆弧形车刀的切削刃半径偏置也与其相同。 (2)刀尖圆弧半径补偿指令格式 G41 G01/G00 X_ Z_ F_;刀尖圆弧半径左补偿 G42 G01/G00 X_Z_F_：刀尖圆弧半径右补偿 G40 G01/G00 X_Z_F_；取消刀尖圆弧半径补偿 (3)刀尖圆弧半径补偿过程刀尖圆弧半径补偿的过程分为三步： 刀补的建立、刀补的进行和刀补的取消。 其补偿过程是AB：刀补建立，BCDE：刀补进行，EF：刀补取消，如图4-6所示 第16页 。

12、图4-6 刀尖圆弧半径补偿过程 第17页 补偿过程的加工程序如表4-2所示 主程序 用自定心卡盘夹持毛坯外圆并夹牢，车左端外圆 程 序简要说明 04002;程序名 G21 G97 G98 G40;程序初始化 T0101 M03 S1000 ;主轴正转，转速1000r/min,选择1号93外圆车刀 G00 X0 Z10.0 ;快速定位0mm直径，距离端面正向10mm G42 G01 X0 Z0 F100.0;刀补建立 表4-2程序卡（供参考） 第18页 X40.0; 刀补进行Z-18.0; X80.0 ; G40 G00 X85.0 Z10.0;刀补取消 X100.0 Z100.0 M05;返回

13、刀具换刀点，停主轴 M30;程序结束 第19页 1)刀补建立 刀补的建立指刀具从起点接近工件时，车刀圆弧刃的圆心从与编程 轨迹重合过渡到与编程轨迹偏离一个偏置量的过程。该过程的实现必须与G00或 G01功能在一起才有效。 刀具补偿过程通过G42程序段建立。当执行G42程序段后，车刀圆弧刃的圆心 坐标位置由以下方法确定：将包含G42语句的下边两个程序段预读，连接在补偿 平面内最近两移动语句的终点坐标（见图4-6中的BC连线），其连线的垂直方向 为偏置方向，根据G41或G42来确定偏向哪一边，偏置的大小由刀尖圆弧半径值 决定。经补偿后，车刀圆弧刃的圆心位于图4-6中的B点处，其坐标值为0，（0+

14、刀尖圆弧半径）。 2)刀补进行 在(G41或G42程序段后，程序进入补偿模式，此时车刀圆弧刃的圆 心与编程轨迹始终相距一个偏置量，直到刀补取消。 在该补偿模式下，机床同样要预读两段程序,找出当前程序段所示刀具轨迹与 下一程序段偏置后的刀具轨迹交点，以确保机床把下一段工件轮廓向外补偿一个 偏置量，如图4-6中的C点、D点等。 3)刀补取消 刀具离开工件，车刀圆弧刃的圆心轨迹过渡到与编程轨迹重合的 过程称为刀补取消，如图4-6中的EF段，通过指令G40来执行。 第20页 2.刀具切削沿位置及刀具参数的设置 (1)常用车刀的切削沿位置号如图4-7所示 图4-7 常用车刀的切削沿位置号 a）后置刀架，

15、+Y轴垂直向纸面外时的切削沿位置号 b）前置刀架，+Y轴垂直向纸面内时的切削沿位置号 第21页 这里输入标题 (2)刀具参数的设置 在FANUC车削系统中，刀具半径补偿号由T指令指定，本例中为T0101。其刀尖 圆弧补偿号与刀具偏置补偿号对应，图4-8所示显示画面“001”中相对应的 “TIP3”即是指该刀具的切削沿位置号是3号，对应的“0.400”即是指该 刀具的半径补偿值（刀尖圆弧半径为0.4mm）。 图4-8 FANUC系统刀具补偿参数设定 第22页 (3) 刀具切削沿位置的确定 由于刀具刀尖圆弧的影响，在车锥度和圆弧时就有1个刀尖圆弧半径误差，为了 使数控系统对刀尖圆弧半径的误差进行自

16、动补偿，就要进行刀具切削沿位置的 确定。 1）根据各种刀尖形状及刀尖位置的不同，数控车刀的刀具切削沿位置共有9种， 如图4-9所示。不管前置刀架还是后置刀架，外圆右偏车刀的刀具切削沿位置 都是3。 图4-9数控车床的刀具切削沿位置 a)刀架前置 b)刀架后置 第23页 3）参数的设置 在FANUC车削系统中，刀尖圆弧半径补偿号由T指令指定，如 T0202，后一个02既是刀具补偿号，也是刀尖圆弧补偿号，如图4-8显示画面G001 中的TIP下面的“ 3”即是指该刀具的切削沿位置号是3号，对应的“R0.4”即是 指刀具的半径补偿值为0.4mm。 2）刀尖圆弧半径补偿值的确定 刀具的半径补偿值看车刀

17、的刀片标注，一般常用的有 0.2mm、0.4mm、0.8mm等。 第24页 知识知识G71G71加工带圆弧低台阶轴加工带圆弧低台阶轴 1.圆弧面的编程及加工操作方法 在数控车床上完成图4-10所示圆弧轴零件，毛坯尺寸为32mm100mm，材料 为45钢。 图4-10 圆弧轴零件 第25页 (1)分析零件图 该零件为一个比较简单的圆弧轴，尺寸精度和表面粗糙度要求不高，右 端有2个外圆2个圆弧，由于工件结构简单，采用手动切断和倒角。 (2)工艺分析 1)该零件右端单调增大，可在一次装夹中完成零件车削。 2)零件右端轮廓可采用分层粗、精车的加工方法。 3)装夹加工时，将工件坐标系原点设定在工件右端面

18、中心上。程序换刀点 都设在(X100.0，Z100.0)的位置上。 第26页 (3)刀具的选择 ： 刀具及切削用量的选择如表4-3所示。 表4-3刀具卡 刀具名称 刀具号刀尖半径加工内容主轴转速进给量 /(mm/min) 备注 95外圆车 刀 T01010.4mm车端面800150 95外圆车 刀 T02020.2mm车外轮廓1000100 切断刀T03030.1mm手动车断30015 第27页 (4)量具选择 加工中使用的量具如表4-4所示 表4-4 量具清单 序号 名称规格分度值数量备注 1游标卡尺0150mmO.02mm1 2游标深度卡尺0200mm0.02mm1 3半径样板R1R6.5

19、mm R7R14.5mm 各1 第28页 (5)数值计算 零件轮廓连接处各基点坐标值：换刀点（100.0,100.0）、切入点(0,2.0)、A点 (0,0)、B点(15.0,-7.5)、C点(15.0,-15.5)、D点(16.0,-15.5)、E点(20.0,- 17.5)、F点(20.0,-37.5)、M点(30.0,-42.5)、N点(30.0,-57.5)。 (6)工件参考程序见表4-5 工件加工的参考程序如表4-5所示 表4-5 程序卡（供参考） 主程序 用自定心卡盘夹持毛坯外圆并夹牢，车右端外圆 程 序简要说明 04003;程序名 G21 G97 G98 G40;程序初始化 第2

20、9页 T0101 M03 S800 ;主轴正转，选择1号95外圆粗车刀 G00 X32.0 Z2.0 M08; 快速定位至切入点（循环起点），切削 液开 G71 U2.0 R1.0； G71粗车循环 G71 P1 Q2 U0.5 F150; N1G00 G42 X0;右刀偏至至切入点 G01 Z0 F100;到A点 G03 X15.0 Z-7.5 R7.5;到B点，切圆弧R7.5 G01 Z-15.5;到C点 X16.0;到D点 X20.0 Z-17.5;到E点 Z-37.5;到F点 第30页 G02 X30.0 Z-42.5 R5.0;到M点,切圆弧R5 N2G40 G01 Z-57.5到N

21、点 G00 X100.0 Z100.0 M09;返回刀具换刀点,切削液关 M05;停主轴 M00;程序暂停 M03 S1000 T0202;主轴正转，选择2号95外圆精车刀 G00 X32.0 Z2.0 M08;快速定位至切入点（循环起点），切削液开 G70 P1 Q2;G70精车 G00 X100.0 Z100.0 M05;返回刀具换刀点，停主轴 M30;程序结束 第31页 注意事项 1)编程时注意正确判断圆弧的顺逆，确定使用插补指令G02或G03。 2)在刀具补偿模式下，一般不允许存在连续两段以上的补偿平面内非移动指 令，否则刀具也会出现过切等危险动作。补偿平面非移动指令通常指：仅有G、

22、M、S、F、T指令的程序段（如G90、M05）及程序暂停程序段(G04 X10.0)。 3)程序中如果有刀具半径补偿( G41、G42)，刀尖起点必须离工件端面距离大 于刀尖半径，不然会撞刀。 4)程序结束时，必须用G40清除刀补。 第32页 任务封闭轮廓复合循环任务封闭轮廓复合循环G73G73加工圆弧加工圆弧 学习目标 1)能合理确定复杂外形零件的加工方案，合理选择加工工艺路线。 2)掌握封闭轮廓复合循环G73的指令格式、功能及使用方法。 3)正确理解G73指令参数的含义和循环加工轨迹的特点，并合理确定循环参数。 4)掌握车削复杂外形零件车刀的相关知识及使用。 5)能够根据加工要求完成复杂外

23、形零件的编程与加工。 第33页 这里输入标题 知识知识G73G73指令指令 1.封闭轮廓复合循环G73 (1)封闭轮廓复合循环G73 1)指令格式 G73 U(i）W（k）R(d)； G73 P(ns) Q(nf) U(u) W(w) F_ S_ T_； N (ns)； ； （A至B间的移动指令用从顺序号ns到 nf的程序段来指定） F_ S_ T_ N (nf) ； 第34页 其中： i：X向毛坯切除余量（半径值指定），不指定正负符号,且为模态值; k：Z向毛坯切除余量，不指定正负符号,且为模态值; d：粗切循环次数，其值为模态值; ns：精加工形状程序的第一个段号; nf:精加工形状程序的

24、最后一个段号; u:X方向精加工余量的距离及方向（直径值指定），该加工余量具有方向性， 即外圆的加工余量为正，内孔加工余量为负; w:Z方向精加工余量的距离及方向; F、S、T：粗加工循环中的进给速度、主轴转速与刀具功能。 2)功能。该指令是按照一定的切削形状，逐渐地接近最终形状的循环 切削方式。一般用于车削已用锻造或铸造方法成形的零件的粗车，加 工效率很高。 3)指令的运动轨迹及工艺说明。 第35页 G73复合循环的轨迹如图4-11所示。刀具从循环起点（C点）开始，快速 退刀至D点（在X向的退刀量为u/2+ i在Z向的退刀量为w+k）；快速进 给至E点（E点坐标值由A点坐标、精加工余量、X向

25、毛坯切除余量i和Z向毛 坯切除余量k及粗切次数确定）；沿轮廓形状偏移一定值后进行切削至F点； 快速返回G点，准备第二层循环切削；如此分层（分层次数由循环程序中的 参数d确定）切削至循环结束后，快速退回循环起点（C点）。 图4-11 G73粗车循环轨迹 第36页 G73程序段中，ns所指程序段可以向X轴或Z轴的任意方向进给。 G73循环加工的轮廓形状没有单调递增或单调递减形式的限制。 G73循环粗车后仍采用G70循环进行工件的精车。执行G70循环时，刀 具沿工件的实际轮廓进行切削，如图4-11所示轨迹A-B，循环结束后刀具 返回循环起点。 在粗车削循环过程中，刀尖半径补偿功能无效。 第37页 4

26、) G73循环参数的设定G73指令中参数i的取值非常关键，一般为毛坯与最 小直径之差的一半。 X方向毛坯切除余量i按如下式计算 i=（毛坯尺寸一工件最小直径）/2 Z方向毛坯切除余量k。 根据零件形状特点选择，如果零件没有凹面形状，Z方向毛坯切除余量k 按实际余最取值，如果零件有凹面形状，为防止过切，Z方向毛坯切除余 量k取值为0即仅X向递进切入。 粗切循环次数d可由下式估算 d=（X方向毛坯切除余量i -精加工余量u）单边背吃刀量ap 5)循环起点的确定 循环起点对加工轨迹没有一点影响，但注意循环起点 的位置不能与工件发生碰撞。一般起点Z值为工件凸起部分最高点，X值大 于最大直径加上2倍的i

27、。 第38页 （2）编程实例 例：试用G73、G70指令编写图4-12所示工件的加工程序。 加工程序如表4-6所示。 图4-12 G73封闭复合循环编程实例图 第39页 表4-6程序卡（供参考） 主程序 用自定心卡盘夹持毛坯外圆并夹牢，车左端外圆 程 序简要说明 04004;程序名 G21 G97 G98 G40;程序初始化 T0101 M03 S800 ; 选择l号刀并调用l号刀补，主轴正 转，转速800r/min G00 X40.0 Z2.0 ;快速定位至粗车循环起点 G73 U6.0 W0 R6; 用G73粗加工，外圆留余量0.5mm G73 P1 Q2 U0.5 W0 F120; N1

28、G01 G42 X0 F80.0 S1000;右偏至X0 第40页 Z0;至端面 G03 X24.0 Z-24.0 R15.0;车S30球头 G01 X30.0 Z-43.0;车圆锥 G03 X38.0 Z-55.0 R19.0;车R19圆弧 N2G40 G1 X40.0;取消刀偏 G70 P1 Q2; 精加工，转速1000，进给速度 80mm/min G00 X100.0 Z100.0 M05;返回刀具换刀点，停主轴 M30;程序结束 第41页 知识知识G73加工带圆弧高台阶轴加工带圆弧高台阶轴 .车削内凹零件的刀具 在加工内凹零件时，为了保证刀具后刀面在加工过程中不与工件表面发生摩 擦，往

29、往要求刀具的副偏角K，较大，由于刀具的主偏角Kr一般取值在90- 93范围内，所以应选择刀尖角r较小的刀具，俗称“菱形刀”或“尖刀”。 可以选择机械夹固式不重磨外圆车刀作为切削刀具，常用的数控机夹外圆车 刀刀片的刀尖角有80 菱形（c型）、55 菱形（D型）、35 菱形（V型）三种。 如图4-13所示为刀尖角为35 的成形车刀，加工时其副偏角为55 。 图4-13 35成形车刀 第42页 这里输入标题 2.成形零件的编程及加工操作方法 在数拉车床上完成图4-14所示成形零件的加工，毛坯尺寸为 60mm102mm，材料为45钢。 图4-14 成形零件的加工实例 第43页 (1)分析零件图 该零件

30、是一个有2个圆弧连接的成形轴，表面圆弧要求光滑过渡，有严格的 尺寸精度要求和表面粗糙度要求，右端应一次加工出来。 (2)工艺分析 1)先粗加工左端，再精加工达到图样要求。 2）加工右端控制总长。 3）右端零件轮廓有凹圆弧面，对于这类零件不能用G71指令进行编程加工，应 采用G73、G70复合循环指令进行粗、精加工。 4）切槽刀加工右端8mm宽槽。 第44页 (3)刀具选择 刀具及切削用量的选择见表4-7 刀具名称 刀具号刀尖半径加工内容主轴 转速 进给量 /(mm/min) 备注 35菱形刀T01010.4mm粗车外轮廓800150 35菱形刀T02020.2mm精车外轮廓1000100 切断

31、刀T03030.1mm切8mm宽槽300153mm 表4-7 刀具卡 第45页 序号名称规格分度值数量备注 1游标卡尺0150mmO.02mm1 2游标深度卡尺0200mm0.02mm1 3外径千分尺025mm0.01mm1 4外径千分尺2550mm0.01mm1 5外径千分尺5075 mm0.01mm1 6半径样板R7R251套 表4-8 量具清单 加工中使用的量具见表4-8 4.量具选择 第46页 (5)工件参考程序 车工件左端外圆的参考程序如表4-9所示 主程序 工序1：用自定心卡盘夹持毛坯外圆并夹牢，车左端外圆 程 序简要说明 04005;程序名 G21 G97 G98 G40;程序初

32、始化 T0101 M03 S800 ;主轴正转，选择1号35菱形刀 G00 X60.0 Z2.0 ;快速定位到循环起点 G71 U2.0 R1.0 粗车左端外圆 G71 P1 Q2 U0.5 F150.0; 表4-9程序卡（供参考） 第47页 N1G0 G42 X20.0; 左端外轮廓 G01 Z0 F100; X24.0 Z-2.0; Z-42.5; G02 X27.0 Z-44.0 R1.5; G01 X54.0; X56.0 Z-45.0; Z-56.0; N2G40 X60.0 第48页 G00 X100.0 Z100.0 M09;返回刀具换刀点 M05;停主轴 M00;程序暂停 M03 S1000 T0202;主轴正转，选择2号35菱形刀 G00 X60.0 Z2.0 M08;快速定位到60