机械零件数控车削加工

0课程认知０.１数控技术基础０.２数控工艺基础０.３数控编程基础拓展知识训练0课程认知【知识目标】◆熟知数控技术的概念，数控机床产生和发展。◆熟知数控机床的组成、工作原理与特点、分类与应用。◆掌握数控机床坐标系的确定方法，数控加工程序的结构。◆掌握数控车床的组成及工作原理，数控车床的结构特点。◆掌握数控车削工艺知识及编程基础知识。【能力目标】◆具备确定数控机床坐标系的能力。◆能理解数控系统的编程指令体系。下一页返回0课程认知◆能使用有关单位设定和坐标设定的Ｇ功能指令及Ｆ、Ｓ、Ｔ功能代码进行相应的设置。◆会运用辅助功能代码进行辅助功能设置。【素质目标】◆具有爱岗敬业、团队协作的精神。◆具有良好的职业道德意识。◆具有严、慎、细、实的工作作风。◆将航天职业素质培养融入学习的全过程。上一页返回０.１数控技术基础一、数控机床概述１.数控技术概述数控（NumericalControl,NC）技术是近代发展起来的一种自动控制技术，是利用数字化信号对机床运动及其加工过程进行控制的一种方法。数控系统———就是采用数控技术实现数字控制的一整套装置和设备。数控机床———就是装备有数控系统，采用数控技术控制的机床。常见的数控机床有：数控车床、数控铣床、数控加工中心等。２.数控机床的产生和发展（１）数控机床的产生下一页返回０.１数控技术基础1948年，美国帕森斯公司接受美国空军委托，研制飞机螺旋桨叶片轮廓样板的加工设备。由于样板形状复杂多样，精度要求高，一般加工设备难以适应，于是提出计算机控制机床的设想。1949年，该公司在美国麻省理工学院伺服机构研究室的协助下，开始数控机床研究，并于1952年试制成功第一台由大型立式仿形铣床改装而成的三坐标数控铣床，不久即开始正式生产。（２）数控机床的发展1952年，第一台三坐标数控铣床标志着第一代数控机床产生。当时的数控装置采用电子管元件，体积庞大，价格昂贵，只在航空工业等少数有特殊需要的部门用来加工复杂型面零件。上一页下一页返回０.１数控技术基础1959年，美国克耐·杜列克公司开发了带有自动换刀装置的数控机床，称为“加工中心”，制成了晶体管元件和印刷电路板，使数控装置进入了第二代，体积缩小，成本有所下降;1960年以后，较为简单和经济的点位控制数控钻床和直线控制数控铣床得到较快发展，使数控机床在机械制造业各部门逐步获得推广。1965年，出现了第三代的集成电路数控装置，不仅体积小，功率消耗少，且可靠性提高，价格进一步下降，促进了数控机床品种和产量的发展。20世纪60年代末，先后出现了由一台计算机直接控制多台机床的直接数控系统(简称DNC)，又称群控系统;采用小型计算机控制的计算机数控系统(简称CNC)，使数控装置进入了以小型计算机化为特征的第四代。上一页下一页返回０.１数控技术基础1974年，研制成功使用微处理器和半导体存储器的微型计算机数控装置(简称MNC),这是第五代数控系统。第五代与第三代相比，数控装置的功能扩大了一倍，而体积则缩小为原来的1/20，价格降低了3/4，可靠性也得到极大的提高。20世纪80年代初，随着计算机软、硬件技术的发展，出现了能进行人机对话式自动编制程序的数控装置;数控装置愈趋小型化，可以直接安装在机床上;数控机床的自动化程度进一步提高，具有自动监控刀具破损和自动检测工件等功能。国际上又出现了柔性制造单元(简称FMC)和柔性制造系统(简称FMS);FMC和FMS被认为是实现计算机集成制造系统(简称CIMS)的必经阶段和基础。上一页下一页返回０.１数控技术基础(3)我国数控机床的发展状况1958年我国开始研制第一台数控铣床(清华大学)。1966年我国成功研制晶体管NC系统，并生产出了数控线切割机床、数控铣床等。20世纪80年代，主要靠引进。20世纪90年代，主要靠摸索前进。2000年后，发展较快，目前已有FMS和CIMS。3.数控机床的组成、工作原理与特点(1)数控机床的组成现代计算机数控机床由控制介质、输入输出设备、计算机数控装置、伺服系统及机床本体组成，如图0.1所示。上一页下一页返回０.１数控技术基础1)控制介质。控制介质又称信息载体，是人与数控机床之间联系的中间媒介物质，反映了数控加工中的全部信息。目前常用的有优盘、CF卡、移动硬盘、磁带或磁盘等。2)输入、输出装置。输入、输出装置是CNC系统与外部设备进行交互的装置。交互的信息通常是零件加工程序，即将编制好的记录在控制介质上的零件加工程序输入CNC系统或将调试好了的零件加工程序通过输出设备存放或记录在相应的控制介质上。3)数控装置。CNC装置是数控机床实现自动加工的核心，主要由计算机系统、位置控制板、PLC接口板，通讯接口板、特殊功能模块以及相应的控制软件等组成。上一页下一页返回０.１数控技术基础作用:根据输入的零件加工程序进行相应的处理(如运动轨迹处理、机床输入输出处理等)，然后输出控制命令到相应的执行部件(伺服单元、驱动装置和PLC等)，所有这些工作是由CNC装置内硬件和软件协调配合，合理组织，使整个系统有条不紊地进行工作。4)伺服系统。它是数控系统与机床本体之间的电传动联系环节，主要由伺服电动机、驱动控制系统以及位置检测反馈装置组成。伺服电机是系统的执行元件，驱动控制系统则是伺服电机的动力源。数控系统发出的指令信号与位置反馈信号比较后作为位移指令，再经过驱动系统的功率放大后，带动机床移动部件作精确定位或按照规定的轨迹和进给速度运动，使机床加工出符合图样要求的零件。上一页下一页返回０.１数控技术基础5)检测反馈系统。测量反馈系统由检测元件和相应的电路组成，其作用是检测机床的实际位置、速度等信息，并将其反馈给数控装置与指令信息进行比较和校正，构成系统的闭环控制。6)机床本体。机床本体指的是数控机床机械结构实体，包括床身、主轴、进给机构等机械部件。由于数控机床是高精度和高生产率的自动化机床，它与传统的普通机床相比，应具有更好的刚性和抗振性，相对运动摩擦系数要小，传动部件之间的间隙要小，而且传动和变速系统要便于实现自动化控制。(2)数控机床的工作原理数控机床的控制框图如图0.2所示。上一页下一页返回０.１数控技术基础1)根据被加工零件的图样与工艺规程，用规定的代码和程序格式编写加工程序。2)将所编程序指令输入机床数控装置。3)数控装置将程序(代码)进行译码、运算之后，向机床各个坐标的伺服机构和辅助控制发出信号，以驱动机床的各运动部件，并控制所需要的辅助动作，最后加工出合格的零件。数控机床的工作原理如图0.3所示。上一页下一页返回０.１数控技术基础(3)数控机床的特点1)具有高度柔性。在数控机床上加工零件，主要取决于加工程序，它与普通机床不同，不必制造、更换许多工具、夹具，不需要经常调整机床。因此，数控机床适用于零件频繁更换的场合，也就是适合单件、小批生产及新产品的开发，缩短了生产准备周期，节省了大量工艺设备的费用。2)加工精度高。数控机床的加工精度，一般可达到0.005～0.1mm，数控机床是按数字信号形式控制的，数控装置每输出一个脉冲信号，则机床移动部件移动一个脉冲当量(一般为0.001mm，而且机床进给传动链的反向间隙与丝杠螺距平均误差可由数控装置进行补偿，因此，数控机床定位精度比较高。上一页下一页返回０.１数控技术基础3)加工质量稳定、可靠。加工同一批零件，在同一机床，在相同加工条件下，使用相同刀具和加工程序，刀具的走刀轨迹完全相同，零件的一致性好，质量稳定。4)生产率高。数控机床可有效地减少零件的加工时间和辅助时间，它的主轴转速和进给量的范围大，允许机床进行大切削量的强力切削，数控机床目前正进入高速加工时代，数控机床移动部件的快速移动和定位及高速切削加工，减少了半成品的工序间周转时间，提高了生产效率。上一页下一页返回０.１数控技术基础5)改善劳动条件。数控机床加工前经调整好后，输入程序并启动，机床就能自动连续的进行加工，直至加工结束。操作者主要是程序的输入、编辑、装卸零件、刀具准备、加工状态的观测、零件的检验等工作，劳动强度极大降低，机床操作者的劳动趋于智力型工作。另外，机床一般是封闭式加工，既清洁，又安全。6)有利于生产管理现代化。数控机床的加工，可预先精确估计加工时间，所使用的刀具、夹具可进行规范化、现代化管理。数控机床使用数字信号与标准代码为控制信息，易于实现加工信息的标准化，目前已与计算机辅助设计与制造(CAD/CAM)有机地结合起来，是现代集成制造技术的基础。上一页下一页返回０.１数控技术基础4.数控机床的分类(1)按加工工艺方法分类1)普通数控机床。为了不同的工艺需要，普通数控机床有数控车床、铣床、钻床、撞床及磨床等，而且每一类又有很多品种。2)数控加工中心。数控加工中心是带有刀库和自动换刀装置的数控机床。典型的数控加工中心有撞铣加工中心和车削加工中心。3)多坐标数控机床。多坐标联动的数控机床，其特点是数控装置能同时控制的轴数较多，机床结构也较复杂。坐标轴数的多少取决于加工零件的复杂程度和工艺要求，现在常用的有四、五、六坐标联动的数控机床。上一页下一页返回０.１数控技术基础4)数控特种加工机床。数控特种加工机床包括电火花加工机床、数控线割机床、数控激光切割机床等。(2)按控制运动的方式分类1)点位控制数控机床。如图0.4所示，点位控制是指数控系统只控制刀具或工作台从一点移至另一点的准确定位，然后进行定点加工，而点与点之间的路径不需控制。采用这类控制的有数控钻床、数控撞床、数控坐标撞床、数控冲床和数控测量机等。这类数控机床的特点是在刀具相对于工件的移动过程中不进行切削加工，只要求刀具从一点移动到另一点并准确定位，而对运动的速度和轨迹没有严格的要求。如图0.4所示，刀具从A点到B点可以走①、②或③中的任意一条路经。上一页下一页返回０.１数控技术基础2)直线控制数控机床。如图0.5所示，直线控制是指数控系统除控制直线轨迹的起点和终点的准确定位外，还要控制在这两点之间以指定的进给速度进行直线切削。采用这类控制的有数控铣床、数控车床和数控磨床等。这类数控机床不仅要控制刀具从一点移动到另一点，而且要沿直线轨迹(一般与某一坐标轴平行或成45°角)以一定速度移动，移动过程中可进行切削加工。3)轮廓控制数控机床。亦称连续轨迹控制，如图0.6所示，能够连续控制两个或两个以上坐标方向的联合运动。为了使刀具按规定的轨迹加工工件的曲线轮廓，数控装置具有插补运算的功能，使刀具的运动轨迹以最小的误差逼近规定的轮廓曲线，并协调各坐标方向的运动速度，以便在切削过程中始终保持规定的进给速度。采用这类控制的有数控铣床、数控车床、数控磨床和加工中心等。上一页下一页返回０.１数控技术基础轮廓控制数控机床能够控制机床刀具或工件沿直线、圆弧或抛物线等曲线轨迹移动，移动过程中可进行切削加工，移动速度根据工艺要求由编程确定，可实现曲线或者曲面轮廓加工，加工示例如图0.6所示。(3)按控制系统类型分类1)开环控制系统。开环控制系统是指不带反馈装置的控制系统，由步进电机驱动线路和步进电机组成，如图0.7所示。数控装置经过控制运算发出脉冲信号，每一脉冲信号使步进电机转动一定的角度，通过滚珠丝杠推动工作台移动一定的距离。这种伺服机构比较简单，工作稳定，容易掌握使用，但精度和速度的提高受到限制。上一页下一页返回０.１数控技术基础2)半闭环控制系统。如图0.8所示，半闭环控制系统是在开环控制系统的伺服机构中装有角位移检测装置，通过检测伺服机构的滚珠丝杠转角间接检测移动部件的位移，然后反馈到数控装置的比较器中，与原输入指令位移值进行比较，用比较后的差值进行控制，使移动部件补充位移，直到差值消除为止的控制系统。这种伺服机构所能达到的精度、速度和动态特性优于开环伺服机构，为大多数中小型数控机床所采用。3)闭环控制系统。如图0.9所示，闭环控制系统是在机床移动部件位置上直接装有直线位置检测装置，将检测到的实际位移反馈到数控装置的比较器中，与输入的原指令位移值进行比较，用比较后的差值控制移动部件作补充位移，直到差值消除时才停止移动，达到精确定位的控制系统。上一页下一页返回０.１数控技术基础闭环控制系统的定位精度高于半闭环控制，但结构比较复杂，调试维修的难度较大，常用于高精度和大型数控机床。(4)按联动轴数分类数控系统控制几个坐标轴按需要的函数关系同时协调运动，称为坐标联动，按照联动轴数可以分为二轴联动、二轴半联动、三轴联动和多轴联动数控机床，如图0.10所示。1)两轴联动。数控机床能同时控制两个坐标轴联动，适于数控车床加工旋转曲面或数控铣床铣削平面轮廓。2)两轴半联动。在两轴的基础上增加了Z轴的移动，当机床坐标系的X,Y轴固定时，Z轴可以作周期性进给。两轴半联动加工可以实现分层加工。上一页下一页返回０.１数控技术基础3)三轴联动。数控机床能同时控制三个坐标轴的联动，用于一般曲面的加工，一般的型腔模具均可以用三轴加工完成。4)多坐标联动。数控机床能同时控制四个以上坐标轴的联动。多坐标数控机床的结构复杂，精度要求高、程序编制复杂，适于加工形状复杂的零件，如叶轮叶片类零件。通常三轴机床可以实现二轴、二轴半、三轴加工;五轴机床也可以只用到三轴联动加工，而其他两轴不联动，如图0.11和图0.12所示。5.数控机床坐标系的确定在数控编程时为了描述机床的运动，简化程序编制的方法及保证记录数据的互换性，数控机床的坐标系和运动方向均已标准化，ISO和我国都拟定了命名的标准。上一页下一页返回０.１数控技术基础(1)机床坐标系的确定1)机床相对运动的规定。工件相对静止，而刀具运动。在机床上始终认为工件静止，而刀具是运动的。这样编程人员在不考虑机床上工件与刀具具体运动的情况下，就可以依据零件图样，确定机床的加工过程。2)机床坐标系的规定。标准机床坐标系是一个标准的右手直角笛卡尔坐标系，在数控机床上，机床的动作是由数控装置来控制的，为了确定数控机床上的成形运动和辅助运动，必须先确定机床上运动的位移和运动的方向，这就需要通过坐标系来实现，这个坐标系被称之为机床坐标系。例如铣床上，有机床的纵向运动、横向运动以及垂向运动。如图0.13所示。上一页下一页返回０.１数控技术基础标准机床坐标系中X、Y、Z坐标轴的相互关系用右手笛卡尔直角坐标系决定，如图0.14所示。①伸出右手的大拇指、食指和中指，并互为90°。则大拇指代表X坐标，食指代表Y坐标，中指代表Z坐标。②大拇指的指向为X坐标的正方向，食指的指向为Y坐标的正方向，中指的指向为Z坐标的正方向。③围绕X、Y、Z坐标轴旋转的旋转坐标分别用A、B、C表示，根据右手螺旋定则，大拇指的指向为X、Y、Z坐标中任意一轴的正向，则其余四指的旋转方向即为旋转坐标A、B、C的正向。3)运动方向的规定。增大刀具与工件间距离的方向即为各坐标轴的正方向，图0.15所示为数控车床上两个运动的正方向。上一页下一页返回０.１数控技术基础(2)坐标轴方向的确定1)Z坐标。Z坐标的运动方向是由传递切削动力的主轴所决定的，即平行于主轴轴线的坐标轴即为Z坐标，Z坐标的正向为刀具离开工件的方向。如果机床上有几个主轴，则选一个垂直于工件装夹平面的主轴方向为z坐标方向;如果主轴能够摆动，则选垂直于工件装夹平面的方向为Z坐标方向;如果机床无主轴，则选垂直于工件装夹平面的方向为z坐标方向。2)X坐标。x坐标平行于工件的装夹平面，一般在水平面内。如果工件做旋转运动，则刀具离开工件的方向为x坐标的正方向;如果刀具做旋转运动，则分为两种情况。上一页下一页返回０.１数控技术基础①Z坐标水平时，观察者沿刀具主轴向工件看时，+X运动方向指向右方。②Z坐标垂直时，观察者面对刀具主轴向立柱看时，+X运动方向指向右方。3)Y坐标。在确定X、Z坐标的正方向后，根据X和Z坐标的方向，按照右手直角坐标系来确定Y坐标的方向。坐标轴方向的确定如图0.16、图0.17所示。(3)附加坐标系为了编程和加工的方便，有时还要设置附加坐标系。对于直线运动，通常建立的附加坐标系有:上一页下一页返回０.１数控技术基础1)指定平行于X、Y、Z坐标轴，可以采用的附加坐标系，第二组U、V、W坐标，第三组P、Q、R坐标。2)指定不平行于X、Y、Z坐标轴，也可以采用的附加坐标系，第二组U、V、W坐标，第三组P、Q、R坐标。(4)机床原点、机床参考点、浮动原点、刀架相关点的设置1)机床原点。机床原点是指在机床上设置的一个固定点，即机床坐标系的原点。也称机床零点或机床零位。机床原点是机床制造厂家设置在机床上的一个物理位置，其作用是使机床与系统同步，建立测量机床运动坐标的起始点。该点是确定机床参考点的基准。它在机床装配、调试时就已确定下来，是数控机床进行加工运动的基准参考点。上一页下一页返回０.１数控技术基础在数控车床上，机床原点一般取在卡盘端面与主轴中心线的交点处。同时，通过设置参数的方法，也可将机床原点设定在X,Z坐标的正方向极限位置上。2)机床参考点。机床参考点是用于对机床运动进行检测和控制的固定位置点。机床参考点的位置是由机床制造厂家在每个进给轴上用限位开关精确调整好的，坐标值已输入数控系统中。因此参考点对机床原点的坐标是一个已知数。通常在数控车床上机床参考点是离机床原点最远的极限点;而在数控铣床上机床原点和机床参考点是重合的。图0.18所示为数控车床的参考点与机床原点。上一页下一页返回０.１数控技术基础数控机床开机时，必须先确定机床原点，即刀架返回参考点的操作。只有机床参考点被确认后，刀具(或工作台)移动才有基准。3)浮动原点。当机床参考点不能或不便满足编程要求时，可根据工件位置而自行设定一个相对固定的而又不需永久存储其位置的原点即浮动原点。具有浮动原点指令功能的机床，允许将其测量系统的基准点或程序原点设在相对于机床参考点的任何位置上。4)刀架相关点。从机械意义上说，所谓寻找机床参考点，就是刀架相关点与机床参考点重合，从而使数控系统得知刀架相关点在机床坐标系中的坐标位置。所谓刀具的长度补偿即刀尖相对于该点的长度尺寸即刀长。实际上数控机床往往使用刀库中的某把刀作为基准刀具，其他刀具的长度补偿均是刀尖相对该刀具刀尖的长度尺寸，对刀则由基准刀具完成。上一页下一页返回０.１数控技术基础二、数控车床概述1.数控车床的组成虽然数控车床种类较多，但一般均由车床主体、数控装置和伺服系统三大部分组成。(1)车床主体除了基本保持普通车床传统布局形式的部分经济型数控车床外，目前大部分数控车床均已通过专门设计并定型生产。1)主轴与主轴箱。①主轴。数控车床主轴的回转精度直接影响到零件的加工精度;其功率大小、回转速度影响到加工的效率;其同步运行、自动变速及定向准停等要求，影响到车床的自动化程度。上一页下一页返回０.１数控技术基础②主轴箱。具有有级自动调速功能的数控车床，其主轴箱内的传动机构已经大大简化;具有无级自动调速(包括定向准停)的数控车床，其机械传动变速和变向作用的机构已经不复存在了，其主轴箱也成了“轴承座”及“润滑箱”的代名词;对于改造式(具有手动操作和自动控制加工双重功能)数控车床，则基本上保留其原有的主轴箱。2)导轨。数控车床的导轨是保证进给运动准确性的重要部件。它在很大程度上影响车床的刚度、精度及低速进给时的平稳性，是影响零件加工质量的重要因素之一。除部分数控车床仍沿用传统的滑动导轨(金属型)外，定型生产的数控车床已较多地采用贴塑导轨。这种新型滑动导轨的摩擦系数小，其耐磨性、耐腐蚀性及吸震性好，润滑条件也比较优越。上一页下一页返回０.１数控技术基础3)机械传动机构。除了部分主轴箱内的齿轮传动等机构外，数控车床已在原普通车床传动链的基础上，作了大幅度的简化。如取消了挂轮箱、进给箱、溜板箱及其绝大部分传动机构，而仅保留了纵、横进给的螺旋传动机构，并在驱动电动机至丝杠间增设了(少数车床未增设)可消除其侧隙的齿轮副。①螺旋传动机构。数控车床中的螺旋副，是将驱动电动机所输出的旋转运动转换成刀架在纵、横方向上直线运动的运动副。构成螺旋传动机构的部件，一般为滚珠丝杠副，如图0.19所示。滚珠丝杠副的摩擦阻力小，可消除轴向间隙及预紧，故传动效率及精度高，运动稳定，动作灵敏。但结构较复杂，制造技术要求较高，所以成本也较高。另外，自行调整其间隙大小时，难度亦较大。上一页下一页返回０.１数控技术基础②齿轮副。在较多数控车床的驱动机构中，其驱动电动机与进给丝杠间设置有一个简单的齿轮箱(架)。齿轮副的主要作用是，保证车床进给运动的脉冲当量符合要求，避免丝杠可能产生的轴向窜动对驱动电动机的不利影响。4)自动转位刀架。除了车削中心采用随机换刀(带刀库)的自动换刀装置外，数控车床一般带有固定刀位的自动转位刀架，有的车床还带有各种形式的双刀架。5)检测反馈装置。检测反馈装置是数控车床的重要组成部分，对加工精度、生产效率和自动化程度有很大影响。检测装置包括位移检测装置和工件尺寸检测装置两大类，其中工件尺寸检测装置又分为机内尺寸检测装置和机外尺寸检测装置两种。工件尺寸检测装置仅在少量的高档数控车床上配用。上一页下一页返回０.１数控技术基础6)对刀装置。除了极少数专用性质的数控车床外，普通数控车床几乎都采用了各种形式的自动转位刀架，以进行多刀车削。这样，每把刀的刀位点在刀架上安装的位置，或相对于车床固定原点的位置，都需要对刀、调整和测量，并以确认，以保证零件的加工质量。(2)数控装置和伺服系统数控车床与普通车床的主要区别就在于是否具有数控装置和伺服系统这两大部分。如果说，数控车床的检测装置相当于人的眼睛，那么，数控装置相当于人的大脑，伺服系统则相当于人的双手。这样，就不难看出这两大部分在数控车床中所处的重要位置了。上一页下一页返回０.１数控技术基础1)数控装置。数控装置的核心是计算机及其软件，它在数控车床中起“指挥”作用，数控装置接收由加工程序送来的各种信息，并经处理和调配后，向驱动机构发出执行命令;在执行过程中，其驱动、检测等机构同时将有关信息反馈给数控装置，以便经处理后发出新的执行命令。2)伺服系统。伺服系统准确地执行数控装置发出的命令，通过驱动电路和执行元件(如步进电机等)，完成数控装置所要求的各种位移。2.数控车床的工作过程数控车床的工作过程如图0.20所示。1)首先根据零件加工图样进行工艺分析，确定加工方案、工艺参数和位移数据。上一页下一页返回０.１数控技术基础2)用规定的程序代码和格式规则编写零件加工程序单;或用自动编程软件进行CAD/CAM软件，直接生成零件的加工程序文件。3)将加工程序的内容以代码形式完整记录在信息介质(如U盘或磁带)上。4)由手工编写的程序，可以通过数控机床的操作面板输入程序;由编程软件生成的程序，通过计算机的串行通信接口直接传输到数控机床的数控单元(MCU)。5)数控装置将所接收的信号进行一系列处理后，再将处理结果以脉冲信号形式向伺服系统发出执行的命令。6)伺服系统接到执行的信息指令后，立即驱动车床进给机构严格按照指令的要求进行位移，使车床自动完成相应零件的加工。上一页下一页返回０.１数控技术基础3.数控车床的结构特点与传统车床相比，数控车床的结构有以下特点:1)由于数控车床刀架的两个方向运动分别由两台伺服电动机驱动，所以它的传动链短，不必使用挂轮、光杠等传动部件，用伺服电动机直接与丝杠连接带动刀架运动。伺服电动机与丝杠间也可以用同步皮带副或齿轮副连接。2)多功能数控车床是采用直流或交流主轴控制单元来驱动主轴，按控制指令作无级变速，主轴之间不必用多级齿轮副来进行变速。为扩大变速范围，现在一般还要通过一级齿轮副，以实现分段无级调速，即使这样，床头箱内的结构已比传统车床简单得多。数控车床的另一个结构特点是刚度大，这是为了与控制系统的高精度控制相匹配，以便适应高精度的加工。上一页下一页返回０.１数控技术基础3)数控车床的第三个结构特点是轻拖动。刀架移动一般采用滚珠丝杠副。滚珠丝杠副是数控车床的关键机械部件之一，滚珠丝杠两端安装的滚动轴承是专用轴承，它的压力角比常用的向心推力球轴承要大得多。这种专用轴承配对安装，是选配的，最好在轴承出厂时就是成对的。4)为了拖动轻便，数控车床的润滑都比较充分，大部分采用油雾自动润滑。5)由于数控机床的价格较高、控制系统的寿命较长，所以数控车床的滑动导轨也要求耐磨性好。数控车床一般采用镶钢导轨，这样机床精度保持的时间就比较长，其使用寿命也可延长许多。上一页下一页返回０.１数控技术基础6)数控车床还具有加工冷却充分、防护较严密等特点，自动运转时一般都处于全封闭或半封闭状态。7)数控车床一般还配有自动排屑装置。4.数控车床的分类数控车床的外形与普通车床相似，即由床身、主轴箱、刀架、进给系统、冷却和润滑系统等部分组成。数控车床的进给系统与普通车床有质的区别，普通车床有进给箱和交换齿轮架，而数控车床是直接用伺服电机通过滚珠丝杠驱动溜板和刀架实现进给运动，因而进给系统的结构大为简化。数控车床品种繁多，规格不一，可按如下方法进行分类。上一页下一页返回０.１数控技术基础(1)按车床主轴位置分类1)卧式数控车床。卧式数控车床又分为数控水平导轨卧式车床和数控倾斜导轨卧式车床。其倾斜导轨结构可以使车床具有更大的刚性，并易于排除切屑。2)立式数控车床。立式数控车床简称为数控立车，其车床主轴垂直于水平面，一个直径很大的圆形工作台，用来装夹工件。这类机床主要用于加工径向尺寸大、轴向尺寸相对较小的大型复杂零件。(2)按刀架数量分类1)单刀架数控车床。数控车床一般都配置有各种形式的单刀架，如四工位转位刀架或多工位转塔式自动转位刀架。2)双刀架数控车床。这类车床的双刀架配置平行分布，也可以是相互垂直分布。上一页下一页返回０.１数控技术基础(3)按功能分类1)经济型数控车床。采用步进电动机和单片机对普通车床的进给系统进行改造后形成的简易型数控车床，成本较低，但自动化程度和功能都比较差，车削加工精度也不高，适用于要求不高的回转类零件的车削加工。2)普通数控车床。根据车削加工要求在结构上进行专门设计并配备通用数控系统而形成的数控车床，数控系统功能强，自动化程度和加工精度也比较高，适用于一般回转类零件的车削加工。这种数控车床可同时控制两个坐标轴，即X轴和Z轴。上一页下一页返回０.１数控技术基础3)车削加工中心。在普通数控车床的基础上，增加了C轴和动力头，更高级的数控车床带有刀库，可控制X,Z和C三个坐标轴，联动控制轴可以是(X,Z)、(X,C)或(Z,C)。由于增加了C轴和铣削动力头，这种数控车床的加工功能大大增强，除可以进行一般车削外可以进行径向和轴向铣削、曲面铣削、中心线不在零件回转中心的孔和径向孔的钻削等加工。上一页返回０.２数控工艺基础一、数控车削加工对象数控车床是目前使用比较广泛的数控机床，主要用于轴类和盘类回转体工件的加工，能自动完成内外圆柱面、锥面、圆弧、螺纹等工序的切削加工，并能进行切槽、钻、扩、铰孔等加工，适合复杂形状工件的加工。与常规车床相比，数控车床还适合加工如下工件。1.轮廓形状特别复杂或难于控制尺寸的回转体零件因车床数控装置都具有直线和圆弧插补功能，还有部分车床数控装置具有某些非圆曲线插补功能，故能车削由任意直线和平面曲线轮廓组成的形状复杂的回转体零件如图0.21所示。下一页返回０.２数控工艺基础2.精度要求高的零件零件的精度要求主要指尺寸、形状、位置和表面等精度要求，其中的表面精度主要指表面粗糙度。例如:如高精度的机床主轴、高速电机主轴、尺寸精度高达0.001mm或更小的零件;圆柱度要求高的圆柱体零件;直线度、圆度和倾斜度均要求高的圆锥体零件;以及通过恒线速度切削功能，加工表面精度要求高的各种变径表面类零件等。如图0.22的高精度的机床主轴和高速电机主轴。3.带特殊螺纹的回转体零件带特殊螺纹的回转体零件是指特大螺距、等螺距与变螺距或圆柱与圆锥螺纹面之间作平滑过渡的螺纹零件等。上一页下一页返回０.２数控工艺基础4.淬硬工件在大型模具加工中，有不少尺寸大而形状复杂的零件。这些零件热处理后的变形量较大，磨削加工有困难，因此可以用陶瓷车刀在数控机床上对淬硬后的零件进行车削加工，以车代磨，提高加工效率。二、数控车削加工工艺分析在数控车床或车削中心上加工零件，首先要根据零件图制定合理的工艺方案，然后才能进行编程和加工。工艺方案的好坏不仅会影响数控车床效率的发挥，而且将直接影响到零件的加工质量。1.零件图工艺分析分析零件图是工艺制订中的首要工作，它主要包括以下内容:(1)分析几何元素的给定条件是否充分上一页下一页返回０.２数控工艺基础在车削加工中手工编程时，要计算每个节点坐标;在自动编程时，要对构成零件轮廓所有几何元素进行定义。因此在分析零件图时应注意:①零件图上是否漏掉某尺寸，使其几何条件不充分，影响到零件轮廓的构成;如图0.23所示圆弧与直线要求为相切，但经计算后却为相交关系，并非相切;②零件图上的图线位置是否模糊或尺寸标注不清，使编程无法下手;③零件图上给定的几何条件是否不合理，造成数学处理困难。如图0.24所示，图样上给定几何条件自相矛盾，各段长度之和不等于其总长;④零件图上尺寸标注方法应适应数控车床加工的特点，应以同一基准标注尺寸或直接给出坐标尺寸。上一页下一页返回０.２数控工艺基础因此，当审查与分析图样时，发现构成零件轮廓的几何元素的条件不充分时，应及时与零件设计者协商解决。(2)精度及技术要求分析精度及技术要求分析包括尺寸精度分析、形状精度分析、位置精度分析、表面粗糙度分析、热处理方法分析等。分析零件图样尺寸精度的要求，以判断能否利用车削工艺达到，并确定控制尺寸精度的工艺方法。在该项分析过程中，还可以同时进行一些尺寸的换算，如增量尺寸与绝对尺寸及尺寸链计算等。在利用数控车床车削零件时，常常对零件要求的尺寸取最大和最小极限尺寸的平均值作为编程的尺寸依据。上一页下一页返回０.２数控工艺基础分析形状和位置精度的要求。零件图样上给定的形状和位置公差是保证零件精度的重要依据。加工时，要按照其要求确定零件的定位基准和测量基准，还可以根据数控车床的特殊需要进行一些技术性处理，以便有效的控制零件的形状和位置精度。分析表面粗糙度要求。表面粗糙度是保证零件表面微观精度的重要要求，也是合理选择数控车床、刀具及确定切削用量的依据。分析材料与热处理要求。零件图样上给定的材料与热处理要求，是选择刀具、数控车床型号、确定切削用量的依据。上一页下一页返回０.２数控工艺基础(3)零件的结构工艺性分析零件的结构工艺性是指零件对加工方法的适应性，即所设计的零件结构应便于加工成型。在数控车床上加工零件时，应根据数控车削的特点，认真审视零件结构的合理性。如图0.25(a)所示零件，需用两把不同宽度的切槽刀切槽，如无特殊需要，显然是不合理的，若改成图0.25(b)所示结构，只需一把刀即可切出三个槽。即减少了刀具数量，少占了刀架刀位，又节省了换刀时间。2.加工方案的确定一般根据零件的加工精度、表面粗糙度、材料、结构形状、尺寸及生产类型确定零件表面的数控车削加工方法及加工方案。上一页下一页返回０.２数控工艺基础数控车削内回转表面的加工方案的确定:1)加工精度为IT8～IT9级、Ra1.6～3.2μm的除淬火钢以外的常用金属，可采用普通型数控车床，按粗车、半精车、精车的方案加工;2)加工精度为IT6～IT7级、Ra0.20～0.63μm的除淬火钢以外的常用金属，可采用精密型数控车床，按粗车、半精车、精车、精细车的方案加工;3)加工精度为IT5级、Ra<0.2μm的除淬火钢以外的常用金属，可采用高档精密型数控车床，按粗车、半精车、精车、精密车的方案加工。上一页下一页返回０.２数控工艺基础3.工序的划分在数控车床上加工零件，应按工序集中原则划分工序，在一次装夹下尽可能完成大部分甚至全部表面的加工。根据零件的结构形状不同，通常选择外圆、端面或内孔装夹，并力求设计基准、工艺基准和编程原点的统一。对于需要多台不同的数控机床、多道工序才能完成加工的零件，工序划分自然以机床为单位来进行。而对于需要很少的数控机床就能加工完零件全部内容的情况，数控加工工序的划分一般可按下列方法进行。上一页下一页返回０.２数控工艺基础1)以一次安装所进行的加工作为一道工序。将位置精度要求较高的表面安排在一次安装下完成，以免多次安装所产生的安装误差影响位置精度。如图0.26所示的轴承内圈，其内孔对小端面的垂直度、滚道和大挡边对内孔回转中心的角度差以及滚道与内孔间的壁厚差均有严格的要求。精加工时划分成两道工序，用两台数控车床完成。第一道工序采用图(a)所示的以大端面和大外径装夹的方案，将滚道、小端面及内孔等安排在一次安装下车出，很容易保证上述的位置精度。第二道工序采用图(b)所示的以内孔和小端面装夹方案，车削大外圆和大端面。上一页下一页返回０.２数控工艺基础2)以一个完整数控程序连续加工的内容为一道工序。有些零件虽然能在一次安装中加工出很多待加工面，但考虑到程序太长，会受到某些限制。3)以工件上的结构内容组合用一把刀具加工为一道工序。有些零件结构较复杂，既有回转表面也有非回转表面，既有外圆、平面也有内腔、曲面。对于加工内容较多的零件，按零件结构特点将加工内容组合分成若干部分，每一部分用一把典型刀具加工。这时可以将组合在一起的所有部位作为一道工序。4)以粗、精加工划分工序。对于容易发生加工变形的零件，通常粗加工后需要进行矫形，这时粗加工和精加工作为两道工序，可以采用不同的刀具或不同的数控车床加工。对毛坯余量较大和加工精度要求较高的零件，应将粗车和精车分开，划分成两道或更多的工序。上一页下一页返回０.２数控工艺基础下面以车削图0.27(a)所示手柄零件为例，说明工序的划分。该零件加工所用坯料为φ32mm棒料，批量生产，加工时用一台数控车床。工序划分如下:第一道工序(按图示将一批工件全部车出，包括切断)见(b)，夹棒料外圆柱面，工序内容有:先车出φ12mm和φ20mm两圆柱面及圆锥面(粗车掉R42mm圆弧的部分余量)，转刀后按总长要求留下加工余量切断。第二道工序(见(c)，用φ12mm外圆及φ20mm端面装夹，工序内容有:先车削包络SR7mm球面的30°圆锥面，然后对全部圆弧表面半精车(留少量的精车余量)，最后换精车刀将全部圆弧表面一刀精车成形。上一页下一页返回０.２数控工艺基础综上所述，在数控加工划分工序时，一定要视零件的结构与工艺性，零件的批量，机床的功能，零件数控加工内容的多少，程序的大小，安装次数及本单位生产组织状况灵活掌握。4.加工顺序的确定在分析零件图样和确定工序之后，接下来就要确定零件的加工顺序。制定零件车削加工顺序一般遵循下列原则:上一页下一页返回０.２数控工艺基础1)先粗后精。对粗精加工在一道工序内进行的，先对各表面进行粗加工，全部粗加工结束后再进行半精加工和精加工，逐步提高加工精度。此工步顺序安排的原则要求:粗车在较短的时间内将工件各表面上的大部分加工余量(如图0.28中的双点画线内所示部分)切掉，一方面提高金属切除率，另一方面满足精车的余量均匀性要求。若粗车后所留余量的均匀性满足不了精加工的要求时，则要安排半精车，以此为精车做准备。为保证加工精度，精车要一刀切出图样要求的零件轮廓。此原则实质是在一个工序内分阶段加工，这样有利于保证零件的加工精度，适用于精度要求高的场合，但可能增加换刀的次数和加工路线的长度。上一页下一页返回０.２数控工艺基础2)先近后远。这里所说的远与近，是按加工部位相对于对刀点(起刀点)的距离远近而言的。在一般情况下，离对刀点远的部位后加工，以便缩短刀具移动距离，减少空行程时间如图0.29。3)内外交叉。对既有内表面(内型、腔)，又有外表面需加工的零件，安排加工顺序时，通常应先进行内外表面粗加工，后进行内外表面精加工。切不可将零件上一部分表面(外表面或内表面)加工完毕后，再加工其他表面(内表面或外表面)。5.加工路线的确定加工路线泛指刀具从对刀点(或机床固定原点)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切入、切出等非切削空行程。上一页下一页返回０.２数控工艺基础加工路线的确定首先必须保持被加工零件的尺寸精度和表面质量，其次考虑数值计算简单、走刀路线尽量短、效率较高等。因精加工的进给路线基本上都是沿其零件轮廓顺序进行的，因此确定进给路线的工作重点是确定粗加工及空行程的进给路线。下面将具体分析:(1)加工路线与加工余量的关系在数控车床还未达到普及使用的条件下，一般应把毛坯件上过多的余量，特别是含有锻、铸硬皮层的余量安排在普通车床上加工。如必须用数控车床加工时，则要注意程序的灵活安排。安排一些子程序对余量过多的部位先作一定的切削加工。上一页下一页返回０.２数控工艺基础1)对大余量毛坯进行阶梯切削。图0.30所示为车削大余量工件的两种加工路线，图(a)是错误的阶梯切削路线，图(b)的顺序切削，每次切削所留余量相等，是正确的阶梯切削路线。因为在同样背吃刀量的条件下，按图(a)方式加工所剩的余量过多。根据数控加工的特点，还可以放弃常用的阶梯车削法，改用依次从轴向和径向进刀、顺工件毛坯轮廓走刀的路线(如图0.31所示)。上一页下一页返回０.２数控工艺基础2)分层切削时刀具的终止位置。当某表面的余量较多需分层多次走刀切削时，从第二刀开始就要注意防止走刀到终点时切削深度的猛增。如图0.32所示，设以90°主偏角刀分层车削外圆，合理的安排应是每一刀的切削终点依次提前一小段距离。(例如可取e=0.05mm)。如果e=0，则每一刀都终止在同一轴向位置上，主切削刃就可能受到瞬时的重负荷冲击。当刀具的主偏角大于90°，但仍然接近90°时，也宜作出层层递退的安排，经验表明，这对延长粗加工刀具的寿命是有利的。(2)刀具的切入、切出在数控机床上进行加工时，要安排好刀具的切入、切出路线，尽量使刀具沿轮廓的切线方向切入、切出。上一页下一页返回０.２数控工艺基础尤其是车螺纹时，必须设置升速段δ1和降速段δ2(如图0.33，这样可避免因车刀升降而影响螺距的稳定。(3)确定最短的空行程路线确定最短的走刀路线，除了依靠大量的实践经验外，还应善于分析，必要时辅以一些简单计算。现将实践中的部分设计方法或思路介绍如下。①巧用对刀点。图0.34(a)为采用矩形循环方式进行粗车的一般情况示例。其起刀点A的设定是考虑到精车等加工过程中需方便地换刀，故设置在离坯料较远的位置处，同时将起刀点与其对刀点重合在一起，按三刀粗车的走刀路线安排如下:上一页下一页返回０.２数控工艺基础第一刀为A->B->C->D->A;第二刀为A->E->F->G->A;第三刀为A->H->I->J->A;图0.34(b)则是巧将起刀点与对刀点分离，并设于图示B点位置，仍按相同的切削用量进行三刀粗车，其走刀路线安排如下:起刀点与对刀点分离的空行程为A->B。第一刀为B->C->D->E->B;第二刀为B->F->G->H->B;第三刀为B->I->J->K->B;显然，图0.34(b)所示的走刀路线短。上一页下一页返回０.２数控工艺基础②巧设换刀点。为了考虑换(转)刀的方便和安全，有时将换(转)刀点也设置在离坯件较远的位置处(如图0.34中A点)，那么，当换第二把刀后，进行精车时的空行程路线必然也较长;如果将第二把刀的换刀点也设置在图0.34(b)中的B点位置上，则可缩短空行程距离。③合理安排“回零”路线。在手工编制较复杂轮廓的加工程序时，为使其计算过程尽量简化，既不易出错，又便于校核，编程者(特别是初学者)有时将每一刀加工完后的刀具终点通过执行“回零”(即返回对刀点)指令，使其全都返回到对刀点位置，然后再进行后续程序。这样会增加走刀路线的距离，从而大大降低生产效率。因此，在合理安排“回零”路线时，应使其前一刀终点与后一刀起点间的距离尽量减短，或者为零，即可满足走刀路线为最短的要求。上一页下一页返回０.２数控工艺基础(4)确定最短的切削进给路线切削进给路线短，可有效地提高生产效率，降低刀具损耗等。在安排粗加工或半精加工的切削进给路线时，应同时兼顾到被加工零件的刚性及加工的工艺性等要求，不要顾此失彼。图0.35为粗车工件时几种不同切削进给路线的安排示例。其中，图0.35(a)表示利用数控系统具有的封闭式复合循环功能而控制车刀沿着工件轮廓进行走刀的路线;图0.35(b)为利用其程序循环功能安排的“三角形”走刀路线;图0.35(c)为利用其矩形循环功能而安排的“矩形”走刀路线。上一页下一页返回０.２数控工艺基础对以上三种切削进给路线，经分析和判断后可知矩形循环进给路线的走刀长度总和为最短。因此，在同等条件下，其切削所需时间(不含空行程)为最短，刀具的损耗小。另外，矩形循环加工的程序段格式较简单，所以这种进给路线的安排，在制定加工方案时应用较多。(5)完工轮廓的连续切削进给路线在安排可以一刀或多刀进行的精加工工序时，其零件的完工轮廓应由最后一刀连续加工而成，这时，加工刀具的进、退刀位置要考虑妥当，尽量不要在连续的轮廓中安排切入和切出或换刀及停顿，以免因切削力突然变化而造成弹性变形，致使光滑连接轮廓上产生表面划伤、形状突变或滞留刀痕等缺陷。上一页下一页返回０.２数控工艺基础6.夹具的选择数控车削加工中尽可能做到一次装夹后能加工出全部或大部分待加工表面，尽量减少装夹次数，以提高加工效率、保证加工精度。对于轴类零件，通常以零件自身的外圆柱面作定位基准;对于套类零件，则以内孔为定位基准。数控车床夹具除了使用通用的三爪自动定心卡盘、四爪卡盘、液压、电动及气动夹具外，还有多种通用性较好的专用夹具，实际操作时应合理选择。数控车床加工轴类工件时，坯件装卡在主轴顶尖和尾座顶尖之间，工件由主轴上的拔盘或拔齿顶尖带动旋转。这类夹具在粗车时可以传递足够大的转矩，以适应主轴高速旋转车削。用于轴类工件的夹具有自动夹紧拨动卡盘、拔齿顶尖、三爪拨动卡盘、可快速可调万能卡盘等。车削空心轴时常用圆柱心轴、圆锥心轴或各种锥套轴或堵头的定位装置。用于盘类工件的夹具主要有可调卡盘和快速可调卡盘。上一页下一页返回０.２数控工艺基础7.刀具的选择数控刀具的选择和切削用量的确定是数控加工工艺中的重要内容，它不仅影响数控机床的加工效率，而且直接影响加工质量。刀具的选择是在数控编程的人机交互状态下进行的。应根据机床的加工能力、工件材料的性能、加工工序、切削用量以及其他相关因素正确选用刀具及刀柄。刀具选择总的原则是:安装调整方便、刚性好、耐用度和精度高。在满足加工要求的前提下，尽量选择较短的刀柄，以提高刀具加工的刚性。数控机床与普通机床上所使用的刀具相比，主要有以下特点:1)刚性好(尤其是粗加工刀具)、精度高、抗振及热变形小;上一页下一页返回０.２数控工艺基础2)互换性好，便于快速换刀。3)寿命高，切削性能稳定、可靠。4)刀具的尺寸便于调整，以减少换刀调整时间。5)刀具应能可靠地断屑或卷屑，以利于切屑的排除。6)系列化、标准化，以利于编程和刀具管理。刀具的使用寿命除与刀具材料相关外，还与刀具的直径有很大的关系。刀具直径越大，能承受的切削用量也越大。所以在零件形状允许的情况下，采用尽可能大的刀具直径是延长刀具寿命，提高生产率的有效措施。数控车削常用的刀具一般分为3类。即尖形车刀、圆弧形车刀和成型车刀。上一页下一页返回０.２数控工艺基础①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。其刀尖由直线性的主、副切削刃构成，如外圆偏刀、端面车刀等。这类车刀加工零件时，零件的轮廓形状主要由一个独立的刀尖或一条直线形主切削刃位移后得到。②圆弧形车刀。除可车削内外圆表面外，特别适宜于车削各种光滑连接的成型面。其特征为:构成主切削刃的刀刃形状为一圆度误差或线轮廓误差很小的圆弧，该圆弧刃的每一点都是圆弧形车刀的刀尖，因此刀位点不在圆弧上，而在该圆弧的圆心上。③成型车刀。即所加工零件的轮廓形状完全由车刀刀刃的形状和尺寸决定。数控车削加工中，常用的成型车刀有小半径圆弧车刀、车槽刀和螺纹车刀等。为了减少换刀时间和方便对刀，便于实现机械加工的标准化，数控车削加工中，应尽量采用机夹可转位式车刀。上一页下一页返回０.２数控工艺基础8.切削用量的选择数控车削加工中的切削用量包括背吃刀量ap、主轴转速n或切削速度vc(用于恒线速度切削)、进给速度vf或进给量f。这些参数均应在机床给定的允许范围内选取。(1)切削用量的选用原则粗车时，应尽量保证较高的金属切除率和必要的刀具耐用度。选择一切削用量时应首先选取尽可能大的背吃刀量aP，其次根据机床动力和刚性的限制条件，选取尽可能大的进给量f，最后根据刀具耐用度要求，确定合适的切削速度vc。增大背吃刀量ap可使走刀次数减少，增大进给量f有利于断屑。上一页下一页返回０.２数控工艺基础选择一切削用量时应首先选取尽可能大的背吃刀量aP，其次根据机床动力和刚性的限制条件，选取尽可能大的进给量f，最后根据刀具耐用度要求，确定合适的切削速度vc。增大背吃刀量ap可使走刀次数减少，增大进给量f有利于断屑。精车时，对加工精度和表面粗糙度要求较高，加工余量不大且较均匀。选择精车的切削用量时，应着重考虑如何保证加工质量，并在此基础上尽量提高生产率。因此，精车时应选用较小(但不能太小)的背吃刀量和进给量，并选用性能高的刀具材料和合理的几何参数，以尽可能提高切削速度。上一页下一页返回０.２数控工艺基础(2)切削用量的选取方法①背吃刀量的选择。粗加工时，除留下精加工余量外，一次走刀尽可能切除全部余量。也可分多次走刀。精加工的加工余量一般较小，可一次切除。在中等功率机床上，粗加工的背吃刀量可达8～10mm;半精加工的背吃刀量取0.5～5mm;精加工的背吃刀量取0.2～1.5mm。②进给速度(进给量)的确定。粗加工时，由于对工件的表面质量没有太高的要求，这时主要根据机床进给机构的强度和刚性、刀杆的强度和刚性、刀具材料、刀杆和工件尺寸以及已选定的背吃刀量等因素来选取进给速度。精加工时，则按表面粗糙度要求、刀具及工件材料等因素来选取进给速度。进给速度vf可以按公式vf=f×n计算，式中f表示每转进给量，粗车时一般取0.3～0.8mm/r;精车时常取0.1～0.3mm/r;切断时常取0.05～0.2mm/r。上一页下一页返回０.２数控工艺基础③切削速度的确定。切削速度v可根据已经选定的背吃刀量、进给量及刀具耐用度进行选取。实际加工过程中，也可根据生产实践经验和查表的方法来选取。粗加工或工件材料的加工性能较差时，宜选用较低的切削速度。精加工或刀具材料、工件材料的切削性能较好时，宜选用较高的切削速度。切削速度vc确定后，可根据刀具或工件直径(D)按公式n=1000vc/πD来确定主轴转速n(r/min)。在工厂的实际生产过程中，切削用量一般根据经验并通过查表的方式进行选取。常用硬质合金或涂层硬质合金切削不同材料时的切削用量推荐值见表0-1，表0-2为常用切削用量推荐表，供参考。上一页下一页返回０.２数控工艺基础(3)选择切削用量时应注意的几个问题①主轴转速。应根据零件上被加工部位的直径，并按零件和刀具的材料及加工性质等条件所允许的切削速度来确定。切削速度除了计算和查表选取外，还可根据实践经验确定，需要注意的是交流变频调速数控车床低速输出力矩小，因而切削速度不能太低。根据切削速度可以计算出主轴转速。②车螺纹时的主轴转速。数控车床加工螺纹时，因其传动链的改变，原则上其转速只要能保证主轴每转一周时，刀具沿主进给轴(多为Z轴)方向位移一个螺距即可。上一页下一页返回０.２数控工艺基础在车削螺纹时，车床的主轴转速将受到螺纹的螺距P(或导程)的大小、驱动电机的升降频特性，以及螺纹插补运算速度等多种因素影响，故对于不同的数控系统，推荐不同的主轴转速选择范围。大多数经济型数控车床推荐车螺纹时的主轴转速n(r/min)为:n≤(1200/P)-k式中:P—被加工螺纹螺距，单位mm;k—保险系数，一般取为80。数控车床车螺纹时，会受到以下几方面的影响:①螺纹加工程序段中指令的螺距值，相当于以进给量f(mm/r)表示的进给速度vf。如果将机床的主轴转速选择过高，其换算后的进给速度vf(mm/min)则必定大大超过正常值。上一页下一页返回０.２数控工艺基础②刀具在其位移过程的始终，都将受到伺服驱动系统升降频率和数控装置插补运算速度的约束，由于升降频率特性满足不了加工需要等原因，则可能因主进给运动产生出的“超前”和“滞后”而导致部分螺牙的螺距不符合要求。③车削螺纹必须通过主轴的同步运行功能而实现，即车削螺纹需要有主轴脉冲发生器(编码器)，当其主轴转速选择过高，通过编码器发出的定位脉冲(即主轴每转一周时所发出的一个基准脉冲信号)将可能因“过冲”(特别是当编码器的质量不稳定时)而导致工件螺纹产生乱纹(俗称“乱扣”)。上一页返回０.３数控编程基础数控机床的自动加工过程，就是按照事先编写好的零件程序自动运行的过程。所谓编程，就是根据加工零件的图纸和工艺要求，把它用数控语言描述出来，编制成零件的加工程序。数控加工就是数控系统按零件加工程序的要求，控制机床完成零件加工的过程。其工艺流程如图0.36。一、数控车床编程概要1.坐标轴及其运动方向的定义数控系统按照JB/T3051-1999《数字控制机床坐标和运动命名》中关于普通车床的坐标和命名定义了系统的控制轴及运动。本系统对可控制的两个坐标轴定义为X、Z轴，两个坐标轴相互垂直构成X-Z平面直角坐标系，如图0.37所示。下一页返回０.３数控编程基础X坐标:X坐标定义为与主轴旋转中心线相垂直，X正方向为离开主轴旋转中心方向。Z坐标:Z坐标定义为与主轴旋转中心线重合，Z正方向为远离主轴箱方向。如图0.38示，按刀座与机床主轴的相对位置划分，数控车床有前刀座和后刀座，相同的编程指令在前刀座和后刀座中运动轨迹是不同的，本系统是可用于前、后刀座数控车床。后刀座的坐标系，X方向正好相反，而Z方向是相同的。在以后的图示和例子中，用前刀座来说明。上一页下一页返回０.３数控编程基础2.机床坐标系和机械零点机床坐标系是CNC进行坐标计算的基准坐标系，是机床固有的坐标系，其原点为机械参考点或机械零点，机械零点由安装机床上的零点开关或回零开关决定，通常零点开关或回零开关安装在X轴和Z轴正方向的最大行程处。进行机械回零操作，回到零点后，系统将当前机床坐标设为零，建立了以当前位置为坐标原点的机床坐标系。上一页下一页返回０.３数控编程基础3.工件坐标系和程序零点工件坐标系是为了方便编程在零件图纸上设定的直角坐标系，又称为浮动坐标系。当零件装夹到机床上后，根据刀具与工件的相对位置用G50指令设置刀具当前位置的绝对坐标，就在系统中建立了工件坐标系。刀具当前位置称为程序零点，执行程序回零操作后就回到此位置。通常工件坐标系的Z轴与主轴轴线重合，X轴位于零件的首端或尾端。工件坐标系一旦建立便一直有效，直到被新的工件坐标系所代替。如图0.39，XOZ为机床坐标系，X1O1Z1为X坐标轴在工件首端的工件坐标系，X2O2Z2为X轴坐标轴在工件尾端的工件坐标系，O为机械零点，A为刀尖，A在上述三坐标系中的坐标如下:上一页下一页返回０.３数控编程基础A在机床坐标系中的坐标为(X，Z);A在X1O1Z1坐标系中的坐标为(X1，Z1);A在X2O2Z2坐标系中的坐标为(X2，Z2);二、零件程序的结构一个零件程序是一组被传送到数控装置中去的指令和数据。一个零件程序是由遵循一定结构、句法和格式规则的若干个程序段组成的，而每个程序段是由若干个指令字组成的。如图0.40所示。1.程序的一般结构一个零件程序必须包括起始符和结束符。一个零件程序是按程序段的输入顺序执行的，而不是按程序段号的顺序执行的，但书写程序时，建议按升序书写程序段号。上一页下一页返回０.３数控编程基础华中世纪星数控装置HNC-21T/22T的程序结构:程序起始符:%(或0)，%(或0)后跟程序号。程序结束:M02或M30。注释符:括号“()”内或分号“;”后的内容为注释文字。2.程序的文件名CNC装置可以装入许多程序文件，以磁盘文件的方式读写。文件名格式为(有别于DOS的其他文件名):0XXXX即地址0或%后面必须有四位数字或字母。本系统通过调用文件名来调用程序，进行加工或编辑。上一页下一页返回０.３数控编程基础3.指令字的格式一个指令字是由地址符(指令字符)和带符号(如定义尺寸的字)或不带符号(如准备功能字G代码)的数字数据组成的。字=地址+数据，地址是字母(A到Z)中的一个。地址决定其后数值的意义。相同的地址可表示不同的含义，这决定其前面的G代码。程序段中不同的指令字符及其后续数值确定了每个指令字的含义。在数控程序段中包含的主要指令字符如表0-3所示。4.程序段的格式一个程序段定义一个将由数控装置执行的指令行。程序段的格式定义了每个程序段中功能字的句法，一个程序段由一个或多个指令字构成，如图0.41所示。上一页下一页返回０.３数控编程基础5.程序段号N0000～N9999，前导零可省略。程序段号可以不输入，但程序调用、跳转的目标程序段必须要有程序号。程序段号的顺序可以是任意的，排在后面的程序段号不一定比前面的大。6.程序段选跳符如果希望在程序执行时不执行某一程序段(而不删除该程序段)，就在该程序段前插入“/”，并打开程序选跳开关，程序执行时此程序段被跳过、不执行。7.程序结束符程序从程序名开始，以“%”结束。“%”为程序文件的结束符，在通讯传送程序时，“%”为通讯结束标志。上一页下一页返回０.３数控编程基础三、数控系统的编程指令体系1.辅助功能(M代码)辅助功能由地址字M和其后的一或两位数字组成，主要用于控制零件程序的走向，以及机床各种辅助功能的开关动作。M功能有非模态M功能和模态M功能两种形式。①非模态M功能(当段有效代码):只在书写了该代码的程序段中有效。②模态M功能(续效代码):一组可相互注销的M功能，这些功能在被同一组的另一个功能注销前一直有效。模态M功能组中包含一个缺省功能(见表0-4)，系统上电时将被初始化为该功能。另外，M功能还可分为前作用M功能和后作用M功能两类。①前作用M功能:在程序段编制的轴运动之前执行。上一页下一页返回０.３数控编程基础②后作用M功能:在程序段编制的轴运动之后执行。华中世纪星HNC-21T/22T数控装置M指令功能如表0-4所示(标记▶者为缺省值)(1)程序暂停(M00)当CNC执行到M00指令时，将暂停执行当前程序，以方便操作者进行刀具和工件的尺寸测量、工件调头、手动变速等操作。暂停时，机床的进给停止，而全部现存的模态信息保持不变，欲继续执行后续程序，重按操作面板上的“循环启动”键。M00为非模态后作用M功能。上一页下一页返回０.３数控编程基础(2)选择停止(M01)如果用户按亮操作面板上的“选择停”键。当CNC执行到M01指令时，将暂停执行当前程序，以方便操作者进行刀具和工件的尺寸测量、工件调头、手动变速等操作。暂停时，机床的进给停止，而全部现存的模态信息保持不变，欲继续执行后续程序，重按操作面板上的“循环启动”键。如果用户没有按亮或按灭操作面板上的“选择停”键。当CNC执行到M01指令时，程序就不会暂停而继续往下执行。M01为非模态后作用M功能。上一页下一页返回０.３数控编程基础(3)程序结束(M02)M02一般放在主程序的最后一个程序段中。当CNC执行到M02指令时，机床的主轴、进给、冷却液全部停止，加工结束。使用M02的程序结束后，若要重新执行该程序，就得重新调用该程序，然后再按操作面板上的“循环启动”键。M02为非模态后作用M功能。(4)程序结束并返回到零件程序头(M30)M30和M02功能基本相同，只是M30指令还兼有控制返回到零件程序头(%)的作用。使用M30的程序结束后，若要重新执行该程序，只需再次按操作面板上的“循环启动”键。上一页下一页返回０.３数控编程基础(5)主轴控制指令(M03、M04、M05)M03启动主轴以程序中编制的主轴速度顺时针方向旋转。M04启动主轴以程序中编制的主轴速度逆时针方向旋转。M05使主轴停止旋转。M03、M04为模态前作用M功能;MOs为模态后作用M功能，M05为缺省功能。M03、M04、M05可相互注销。(6)冷却液打开、停止指令(M07、M08、M09)M07、M08指令将打开冷却液管道。M09指令将关闭冷却液管道。上一页下一页返回０.３数控编程基础M07、M08为模态前作用M功能;M09为模态后作用M功能，M09为缺省功能。(7)子程序调用(M98)及从程序返回(M99)M98用来调用子程序，M99表示程序返回。在子程序中调用M99使控制返回到主程序。在主程序中调用M99，则又返回程序的开头继续执行，且会一直反复执行下去，直到用户干预为止。2.准备功能(G代码)准备功能G指令由G后一或二位数值组成，它用来规定刀具和工件的相对运动轨迹、机床坐标系、坐标平面、刀具补偿、坐标偏置等多种加工操作。上一页下一页返回０.３数控编程基础G功能根据功能的不同分成若干组，其中00组的G功能称非模态G功能，其余组的称模态G功能。非模态G功能:只在所规定的程序段中有效，程序段结束时被注销;模态G功能:一组可相互注销的G功能，这些功能一旦被执行，则一直有效，直到被同一组的G功能注销为止。模态G功能组中包含一个缺省G功能，上电时将被初始化为该功能。没有共同地址符的不同组G代码可以放在同一程序段中，而且与顺序无关。例如，G90、G17可与G01放在同一程序段。华中世纪星HNC-21T/22T数控装置G功能指令见表0-5。3.有关单位设定和坐标设定的G功能(1)尺寸单位选择指令(G20,G21)上一页下一页返回０.３数控编程基础指令格式:G20G21指令说明:G20是英制输入制式，G21是公制输入制式，两种制式下线性轴、旋转轴的尺寸单位如表0-6所示。G20,G21为模态功能，可相互注销，G21为缺省值。(2)进给速度单位的设定指令(G94、G95)指令格式:G94F___;G95F___;上一页下一页返回０.３数控编程基础指令说明:华中世纪星HNC-21T/22T系统中，G94表T每分钟进给，对于线性轴，F的单位依G20/G21的设定而为mm/min或in/min，对于旋转轴，F的单位为度/min;G95表示每转进给，即主轴转一周时刀具的进给量，F的单位依G20/G21的设定而为mm/r或in/r。这个功能只在主轴装有编码器时才能使用。FANUCOIT系统中，G98表示每分钟进给，G99表示每转进给。G94、G95为模态功能，可相互注销，G94、G98为缺省值。(3)恒线速控制指令(G96)、恒转速控制指令(G97)指令格式:G96S__;(S0000～59999，前导零可省略。)指令功能:恒线速控制有效、给定切削线速度(m/min，取消恒转速控制。G96为模态G指令，如果当前为G96模态，可以不输入G96。上一页下一页返回０.３数控编程基础指令格式:G97S__;(50000～59999，前导零可省略。)指令功能:取消恒线速控制、恒转速控制有效，给定主轴转速(r/min)。G97为模态G指令，如果当前为G97模态，可以不输入G97。(4)绝对值编程指令(G90）、相对值编程指令(G91)指令格式:G90G91指令说明:①G90表示绝对值编程，每个编程坐标轴上的编程值是相对于程序原点的。G91表示相对值编程，每个编程坐标轴上的编程值是相对于前一位置而言的，该值等于沿轴移动的距离。上一页下一页返回０.３数控编程基础②绝对值编程时，用G90指令后面的X、Z表示X轴、Z轴的绝对坐标值;增量编程时，用U、W或G91指令后面的X、Z表示X轴、Z轴的增量值;其中表示增量的字符U、W不能用于循环指令G80、G81、G82、G71、G72、G73、G76程序段中，但可用于定义精加工轮廓的程序中。G90、G91为模态功能，可相互注销，G90为缺省值。③选择合适的编程方式可使编程简化。当图纸尺寸由一个固定基准给定时，采用绝对方式编程较为方便;而当图纸尺寸是以轮廓顶点之间的间距给出时，采用相对方式编程较为方便。④G90、G91可用于同一程序段中，但要注意其顺序所造成的差异。例0.1如图0.42所示，使用G90、G91编程，要求刀具由原点按顺序移动到1、2、3点，然后回到原点。上一页下一页返回０.３数控编程基础上一页下一页返回０.３数控编程基础(5)直径方式编程指令(G36)和半径方式编程指令(G37)指令格式:G36G37指令说明:数控车床的工件外形通常是旋转体，其X轴尺寸可以用两种方式加以指定:直径方式和半径方式。G36表示直径方式编程，G37表示半径方式编程。G36为缺省值，机床出厂一般设为直径编程。例0.2按同样的轨迹分别用直径、半径以及混合编程，加工图0.43所示工件。上一页下一页返回０.３数控编程基础直径编程:半径编程:混合编程:%0002%0003%0004N10G92X1802200;N10G92X1802200;N10TO101G37;N20M03S800;N20G37M03S5800;N20G00X902200M035800;N30G01X40W-44F200;N30G01X20W-44F200;N30G01X20W-44F200;N40U30W-100;N40U15W-100;N40G36U30W-100;N50G00X180Z200;N50G00X90Z200;N50G00X180Z200;N60M30;N60M30;N60M30;(6)坐标系设定指令(G92)指令格式:G92X_Z_上一页下一页返回０.３数控编程基础指令说明:X、Z是对刀点到工件坐标系原点的有向距离。当执行G92XαZβ指令后，系统内部即对(α，β)进行记忆，并建立一个使刀具当前点坐标值为(α，β)的坐标系，系统控制刀具在此坐标系中按程序进行加工。执行该指令只建立一个坐标系，刀具并不产生运动。G92指令为非模态指令，执行该指令时，若刀具当前点恰好在工件坐标系的α和β坐标值上，即刀具当前点在对刀点位置上，此时建立的坐标系即为工件坐标系，加工原点与程序原点重合。若刀具当前点不在工件坐标系的α和β坐标值上，则加工原点与程序原点不一致，加工出的产品就有误差或报废，甚至出现危险。因此执行该指令时，刀具当前点必须恰好在对刀点上，即工件坐标系的α和β坐标值上，由上可知要正确加工，加工原点与程序原点必须一致，故编程时加工原点与程序原