【任务分解】

任务一　数控编程步骤和程序格式

一、数控编程的步骤

数控编程是数控加工的重要步骤。用数控机床对零件进行加工时,先对零件进行加工工艺分析,以确定加工方法、加工工艺路线;正确地选择数控机床刀具和装夹方法;然后,按照加工工艺要求,根据所用数控系统规定的指令代码及程序格式,将刀具的运动轨迹、位移量、切削参数及辅助功能编写成加工程序单,传送或输入数控装置中,由数控系统控制数控机床自动进行加工。从分析零件图样开始到获得正确的程序载体为止的全过程,称为零件加工程序的编制,简称为编程。

数控编程的步骤如下。

(1)分析工件图样

通过对工件的材料、形状、尺寸、精度及毛坯形状和热处理进行分析,确定该工件是否适宜在数控机床上加工,或适宜在哪台数控机床上加工,由于数控机床具有加工精度高、适应性强的特点,一些批量较小、形状较复杂,精度要求高的工件,特别适合在数控机床上加工。

(2)确定工艺过程

在确定加工工艺过程时,编程人员要根据图样对工件的形状、尺寸、技术要求、毛坯等进行详细分析,从而选择加工方案,确定加工顺序、加工路线、定位夹紧方式,并合理选用刀具和切削用量等。制定数控加工工艺除考虑一般工艺原则外,还应考虑充分利用数控机床的指令功能,充分发挥机床的效能;加工路线要短,要正确地选择对刀点、换刀点,减少换刀次数。

(3)数值计算

根据零件的几何尺寸、进给路线及设定的工件坐标系,计算工件粗、精加工刀具各运动轨迹关键点的坐标值。对于形状简单的零件的轮廓加工,需要计算出几何元素的起点、终点、圆弧的圆心、两几何元素的交点或切点的坐标值。对于形状比较复杂的零件(如非圆曲线、曲面组成的零件),需用直线段或圆弧段逼近,计算出逼近线段的交点坐标值。由于计算复杂,一般借助计算机和一些绘图软件来完成数值的计算工作。

(4)编写程序单

根据计算出的运动轨迹坐标值和已确定的进给路线、刀具参数、切削参数、辅助动作等,按照数控系统规定的功能指令代码及程序段格式,逐段编写加工程序单。在程序段之前加上程序的顺序号,在其后加上程序段结束标志符号,并附上必要的加工示意图、刀具布置图、零件装夹图和有关的工艺文件。

(5)制备控制介质

将程序单的内容记录在控制介质上,作为数控装置的输入信息。若程序简单,也可直接通过键盘输入。

(6)程序检验与试切削

程序单和制备好的控制介质必须经过校验和零件试切削后才能正式使用。通常的方法是将控制介质上的内容,直接输入数控装置进行机床空运转检查或图形模拟检查,以检查机床运动轨迹的正确性。在运动轨迹检查无误后,还必须进行工件的首件试切。当发现错误时,应进一步分析找到错误的原因,修改程序单或调整刀具补偿尺寸,直到符合图纸规定的精度要求为止。

二、数控编程的方法

目前零件加工程序编制主要采用以下两种方法:手工编程和自动编程

手工编程是指从分析零件图样、确定加工工艺过程、数值计算、编写零件加工程序单、制备控制介质到程序校验,都是由人工完成。这种方式比较简单,容易掌握,适用于零件形状较简单或中等复杂程度、计算量不大的零件的编程。对数控操作人员来说手工编程是必须掌握的。

自动编程就是利用计算机专用软件编制数控加工程序,适用于曲线轮廓、三维曲面等复杂型面,用手工编程无法完成或很难完成的零件的编程。

自动编程又分为ATP语言自动编程和CAD/CAM自动编程。

ATP语言自动编程是指把用ATP语言书写的零件加工程序输入计算机,经计算机的ATP语言编程系统编译产生刀位文件,然后,进行数控后置处理,形成数控系统能够接受的零件数控加工程序。

CAD/CAM自动编程是指利用CAD/CAM技术进行零件设计、分析和造型

,并通过后置处理,自动生成加工程序,经过程序校验和修改后,形成加工程序。该方法适应面广、效率高、程序质量好,适用于各类柔性制造系统(FMS)和集成制造系统(CIMS)。

程序编制的一般过程如图2⁃2所示。

三、加工程序的结构和格式

数控加工中,为使机床运行而送到CNC的一组指令称为程序。每一个程序都是由程序号、程序内容和程序结束三部分组成:

O0001;　　　　　　　　　　　　　　　　程序号

G90 G54 G00 X10.0 Y10.0 Z100.0;　　程序段

M03 S800;　　程序段

Z3.0;　　程序段

G01 Z⁃5.0 F80;　　程序段

…　　…

M30;　　程序结束

① 程序号。程序号为程序的开始部分,为了区别存储器中的程序,每个程序都要有程序号。在FANUC系统中,采用英文字母“O”作为程序编码地址。

② 程序内容。程序内容是整个程序的核心,由许多程序段组成。程序段又由若干字组成,每一个字由字母(地址符)和数字组成。也就是说,字母和数字组成字,字组成程序段,程序段组成程序。

③ 程序结束。以程序结束指令M02或M30作为整个程序结束的符号,来结束整个程序。

程序段格式,即一个程序段中字的排列书写方式和顺序,以及每个字和整个程序段的长度限制和规定。不同的数控系统往往有不同的程序段格式,程序段格式不符合规定,则数控系统不能接受。程序段格式主要有三种,即固定顺序程序段格式、使用分隔符的程序段格式和字地址程序段可变格式。现代数控机床系统广泛采用的程序段格式是字地址程序段可变格式。

字地址程序段可变格式由程序段号字、数据字和程序段结束符组成。每个字的字首是一个英文字母,称为字地址码。常用地址码字符的含义如表2⁃1所示。

字地址程序段可变格式:

N　 G　 X　 Y　 Z　 F　 S　 T　 M　 LF 

它的特点是:程序段中各字的先后顺序并不严格(但为了编程方便,常按一定的顺序排列),不需要的字以及与上一程序段相同的字可以省略,数据的位数可多可少,程序简短、直观、不易出错,因而得到广泛应用。

程序段内各字的说明如下。

① 程序段号。用以识别程序段的编号,由地址码N和后面的若干位数字组成。例如N20表示该程序段的段号为20。

② 准备功能字G。G功能是使数控机床做好某种操作准备的指令,用地址G和两位数字表示,从G00~G99共100种。

③ 坐标字。由坐标地址符及数字组成,且按一定的顺序排列。坐标轴地址符的顺序为:X,Y,Z,U,V,W,P,Q,R,A,B,C。

④ 进给功能字F。表示刀具中心运动时的进给速度,由地址码F和后面若干位数字构成。

⑤ 主轴转速功能字S。由地址码S和其后若干位数字组成。

⑥ 刀具功能字T。由地址码T和后面若干位数字组成。刀具功能的数字是指定的刀具号,数字的位数由所用的系统决定。

⑦ 辅助功能字。辅助功能也称M功能或M代码,它是控制机床或系统的开关功能的一种命令。由地址码M和后面的两位数字组成,从M00~M99共100种。

⑧ 程序段结束。写在每一程序段最后,表示程序结束。根据控制系统而不同,有的用“LF”,有的用“;”或者“*”表示,在FANUC系统中,多数用分号“;”表示结束。

FANU 0i⁃MC系统中常用的G代码和M代码及其功能如表2⁃2、表2⁃3所示。

从表2⁃2中我们可以看到,G代码被分成了不同的组,这是由于大多数的G代码是模态的。模态G代码,是指这些G代码不只在当前的程序段中起作用,而且在以后的程序段中一直起作用,直到程序中出现另一个同组的G代码为止。同一组的模态G代码控制同一个目标,起不同的作用,它们之间是不相容的。00组的G代码是非模态的,这些G代码只在它们所在的程序段中起作用。标有“*”的G代码是通电时的初始状态,即默认状态。对于G01和G00、G90和G91通电时的初始状态由参数决定。

同一程序段中可以有几个G代码出现,但当两个或两个以上的同组G代码出现时,最后出现的一个(同组的)G代码有效。

在固定循环模态下,任何一个01组的G代码都将使固定循环模态自动取消,成为G80模态。

任务二　常用辅助功能指令和F、S、T指令

一、常用辅助功能M代码

辅助功能由地址字M和其后的一位或两位数字组成,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功能有模态和非模态功能两种形式。

FANUC数控系统的数控铣床上常用的M功能代码如表2⁃4所示。

1.程序暂停(M00)

当CNC执行到M00指令时将暂停执行当前程序,以方便操作者进行尺寸测量、零件调头、手动变速等操作。暂停时,机床的主轴进给及冷却液停止,而全部现存的模态信息保持不变,要继续执行后续程序只需按操作面板上的循环启动键即可。

2.程序选择停止(M01)

与M00类似,在执行含有M01的程序段后,机床停止运行,但需将机床操作面板上的任选停机的开关置为有效。

3.程序结束(M02)

该指令用在主程序的最后一个程序段中。当该指令执行后,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,不能自动返回到程序头。若要重新执行该程序需要重新调用该程序。

4.程序结束并返回程序头(M30)

M30与M02功能相似,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即可。

5.主轴控制指令(M03、M04、M05)

M03指令主轴顺时针方向(从Z轴正向向Z轴负向看)旋转;

M04指令主轴逆时针方向旋转;

M05指令主轴停止旋转,是机床的默认功能。

M03、M04、M05可相互注销。

6.冷却液的开关指令(M07、M08、M09)

M07指令打开2号冷却液;M08指令打开1号冷却液;M09关闭冷却液,M09为默认功能。

二、主轴转速功能指令(S)

主轴转速功能指令S控制主轴转速,其后的数值表示主轴转速,单位为r/min。

S是模态指令,S功能只有在主轴转速可调时有效。

三、进给速度(F)

F指令表示加工时刀具相对于零件的合成进给速度(图2⁃3)。F的单位取决于G94或G95指令,具体说明如下。

G94 F_;　　　　　每分钟进给量,单位为mm/min(公制)或in/min(英制)

G95 F_;　　每转进给量,单位为mm/r(公制)或in/r(英制)。

例如:

N10 G94 F100;　　　　　　　　进给速度为100mm/min

…

N100 S400 M3;　　主轴正转,主轴转速为400r/min

N110 G95 F0.5;　　进给速度为0.5mm/r

每分钟进给量与每转进给量的关系:

v_f=nf

式中　v_f——每分钟进给量,mm/min;

n——主轴转速,r/min;

f——每转进给量,mm/r。

例如,每转进给量为0.15mm/r,主轴转速为1000r/min,则进给速度(每分钟进给量)为:

v_f=0.15mm/r×1000r/min=150mm/min

指令使用说明如下。

① 数控铣床中常默认G94有效。

② G95指令中只有主轴为旋转轴时才有意义。

③ G94、G95更换时要求写入一个新的地址F。

④ G94、G95均为模态有效指令。

当工作在G01、G02、G03方式时,编程中F一直有效,直到被新的F值所取代。而工作在G00、G60方式时,快速定位的速度是各轴的最高速度,与F无关。操作面板上有进给速度F的倍率修调开关,F可在一定范围内进行倍率修调。

当执行攻螺纹循环G84、螺纹切削G33时,倍率开关无效,进给倍率固定在100。

四、刀具功能(T)

T是刀具功能字,后跟两位数字指示更换刀具的编号。在加工中心上执行T指令,则刀库转动来选择所需的刀具,然后等待,直到M06指令作用时自动完成换刀。T指令同时可调入刀补寄存器中的刀补值(刀补长度和刀补半径)。虽然T指令为非模态指令,但被调用的刀补值会一直有效,直到再次换刀调入新的刀补值。如T0101,前一个01指的是选用01号刀,第二个01指的是调入01号刀补值。当刀补号为00时,实际上是取消刀补,如T0100,则是用01号刀,且取消刀补。

任务三　平面铣削常用准备功能指令(G代码)

一、坐标系指令

1.绝对坐标(G90)和相对坐标指令(G91)

表示运动轴的移动方式。使用绝对坐标指令(G90),程序中的位移量用刀具的终点坐标表示。相对坐标指令(G91)又称增量坐标指令,用刀具运动的增量值来表示。如图2⁃4所示,表示刀具从A点到B点的移动,用以上两种方式编程指令格式分别如下。

G90　X80.0Y150.0;

G91　X⁃40.0　Y90.0;

2.坐标系设定指令(G92)

在使用绝对坐标指令编程时,预先要确定工件坐标系。通过G92可以确定当前工作坐标系,该坐标系在机床重新开机时消失,如图2⁃5所示。

指令格式:G92 X　 Y　 Z　 ; 

3.工件坐标系的选取指令(G54~G59)

在机床中,可以预置六个工件坐标。通过在CRT⁃MDI面板上的操作,设置每一个工件坐标系原点相对于机床坐标系原点的偏移量,然后使用G54~G59指令来调用它们。G54~G59都是模态指令,并且存储在机床存储器内,在机床重开机时仍然存在,并与刀具的当前位置无关。

一旦指定了G54~G59之一,则该工件坐标系原点即为当前程序点,后续程序段中的工件绝对坐标均为相对于此程序原点的值。

二、尺寸单位设定指令G21、G20

G21为公制尺寸单位设定指令;G20为英制尺寸单位设定指令。

G20、G21指令说明如下。

① G20、G21必须在设定坐标系之前,在程序的开头以单独程序段指定;

② 在程序段执行期间,均不能切换公制、英制尺寸输入指令;

③ G20、G21均为模态有效指令;

④ 在公制/英制转换之后,将改变程序中数值的单位制。

三、进给速度单位设定指令G94、G95

格式如下,

G94 F　;　　　每分钟进给(mm/min) 

G95 F　;　　　每转进给(mm/r) 

说明:G94、G95为模态指令,可相互注销,系统默认为G94。

四、快速点定位指令(G00)

该指令命令刀具以点位控制方式从刀具所在点快速移动到目标位置,无运动轨迹要求,G00移动速度是机床设定的空运行速度,与程序段中的进给速度无关。

指令格式:G00 X　 Y　 Z　; 

式中,X、Y、Z为目标点的坐标。

由于数控系统内部设置的参数不同,快速点定位G00的刀具运动轨迹可分为两种形式。

(1)非直线插补定位

刀具分别以每轴的快速移动速度定位,刀具轨迹一般不是直线。

(2)直线插补定位

刀具轨迹与直线插补(G01)相同。刀具以不超过最快移动速度的速度移动,以在最短的时间内定位。

【例题2⁃1】:如图2⁃6所示,从O点快速移动到(42,20)点。

其程序为:G90 G00 X40.0 Y20.0;

五、直线插补指令(G01)

刀具作两点间的直线运动加工时用该指令。G01指令表示刀具从当前位置开始以给定的速度(切削进给速度F),沿直线移动到规定的位置。

指令格式:

G01 X　 Y　 Z　 F　; 

如图2⁃7所示,刀具由原点直线插补至(40,20)点,其程序为:

G01 X40.0 Y20.0 F100;

【例题2⁃2】已知待加工轮廓如图2⁃8所示,起刀点为O(-15,-15),加工程序为:

G90 G01 X10.0 Y10.0 F50;

X50.0;

Y50.0;

X10.0;

Y10.0;

X⁃15.0 Y⁃15.0;

…

任务四　常用铣削刀具和选择技巧

一、常见的刀具类型

1.平面加工铣刀

铣平面显然离不开平面加工铣刀(图2⁃9)。端面铣刀、圆柱铣刀和立铣刀是常用的平面加工铣刀。

2.沟槽加工铣刀

直槽有通槽和不通槽之分。较宽的通槽可用三面刃铣刀加工,窄的通槽可用锯片铣刀或小尺寸立铣刀加工,不通槽则宜用立铣刀加工。横槽的加工离不开T形槽铣刀。如图2⁃10所示。

3.成形面加工铣刀

在普通铣床上加工成形面往往离不开成形铣刀,如半圆形铣刀和专门加工叶片成形面及特殊形状的根部槽的专用铣刀。铣削齿轮用的齿轮铣刀,也是成形铣刀。图2⁃11为常见的成形铣刀。

成形铣刀的缺点是制造费用较大,切削性能差。

二、铣刀结构及其选用

铣刀一般由刀片、定位元件、夹紧元件和刀体组成。由于刀片在刀体上有多种定位与夹紧方式,刀片定位元件的结构又有不同类型,因此铣刀的结构形式有多种,分类方法也较多。选用时,主要可根据刀片排列方式。刀片排列方式可分为平装结构和立装结构两大类。

(1)平装结构(刀片径向排列)

平装结构铣刀(图2⁃12)的刀体结构工艺性好,容易加工,并可采用无孔刀片(刀片价格较低,可重磨)。由于需要夹紧元件,刀片的一部分被覆盖,容屑空间较小,且在切削力方向上的硬质合金截面较小,故平装结构的铣刀一般用于轻型和中量型的铣削加工。

(2)立装结构(刀片切向排列)

立装结构铣刀(图2⁃13)的刀片只用一个螺钉固定在刀槽上,结构简单,转位方便。虽然刀具零件较少,但刀体的加工难度较大,一般需用五坐标加工中心进行加工。由于刀片采用切削力夹紧,夹紧力随切削力的增大而增大,因此可省去夹紧元件,增大了容屑空间。由于刀片切向安装,在切削力方向的硬质合金截面较大,因而可进行大切深、大走刀量切削。这种铣刀适用于重型和中量型的铣削加工。

三、铣刀角度的选择

铣刀的角度有前角、后角、主偏角、副偏角、刃倾角等。为满足不同的加工需要,有多种角度组合方式。各种角度中最主要的是主偏角和前角。制造厂的产品样本中对刀具的主偏角和前角一般都有明确说明。

(1)主偏角κ_r

主偏角为切削刃与切削平面的夹角,如图2⁃14所示。铣刀的主偏角有90°、88°、75°、70°、60°、45°等几种。

主偏角对径向切削力和切削深度影响很大。径向切削力的大小直接影响切削功率和刀具的抗振性能。主偏角越小,其径向切削力越小,抗振性也越好,但切削深度也随之减小。

(2)前角γ

铣刀的前角可分解为径向前角γ_f和轴向前角γ_p(图2⁃15),径向前角γ_f主要影响切削功率;轴向前角γ_p则影响切屑的形成和轴向力的方向,当γ_p为正值时切屑即飞离加工面。径向前角γ_f和轴向前角γ_p正负的判别见图2⁃15。常用的前角组合形式有:双负前角;双正前角;正负前角(轴向正前角、径向负前角)。

四、铣刀的齿数(齿距)选择

铣刀齿数多,可提高生产效率,但受容屑空间、刀齿强度、机床功率及刚性等的限制,不同直径的铣刀的齿数均有相应规定。为满足不同用户的需要,同一直径的铣刀一般有粗齿、中齿、密齿三种类型。

五、铣刀直径的选用

铣刀直径的选用视产品及生产批量的不同差异较大,主要取决于设备的规格和工件的加工尺寸。

(1)平面铣刀

选择平面铣刀直径时主要需考虑刀具所需功率应在机床功率范围之内,也可将机床主轴直径作为选取的依据。平面铣刀直径可按D=1.5d(d为主轴直径)选取。在批量生产时,也可按工件切削宽度的1.6倍选择刀具直径。

(2)立铣刀

立铣刀直径的选择主要应考虑工件加工尺寸的要求,并保证刀具所需功率在机床额定功率范围以内。如系小直径立铣刀,则应主要考虑机床的最高转速能否达到刀具的最低切削速度。

(3)槽铣刀

槽铣刀的直径和宽度应根据加工工件尺寸选择,并保证其切削功率在机床允许的功率范围之内。

六、铣刀的最大切削深度

不同系列的可转位面铣刀有不同的最大切削深度。最大切削深度越大的刀具所用刀片的尺寸越大,价格也越高,因此从节约费用、降低成本的角度考虑,一般应按加工的最大余量和刀具的最大切削深度选择合适规格的刀具。当然,还需要考虑机床的额定功率和刚性应能满足刀具使用最大切削深度时的需要。

七、刀片牌号的选择

合理选择刀片硬质合金牌号的主要依据是被加工材料的性能和硬质合金的性能。一般选用铣刀时,可按刀具制造厂提供加工的材料及加工条件,来配备相应牌号的硬质合金刀片。

由于各厂生产的同类用途硬质合金的成分及性能各不相同,硬质合金牌号的表示方法也不同。国际标准化组织规定,切削加工用硬质合金按其排屑类型和被加工材料分为三大类:P类、M类和K类。根据被加工材料及适用的加工条件,每大类中又分为若干组,用两位阿拉伯数字表示,数字越大,其耐磨性越低、韧性越高。

P类合金(包括金属陶瓷)用于加工产生长切屑的金属材料,如钢、铸钢、可锻铸铁、不锈钢、耐热钢等。其中,组号越大,可选用越大的进给量和切削深度,而切削速度则应越小。

M类合金用于加工产生长切屑和短切屑的黑色金属或有色金属,如钢、铸钢、奥氏体不锈钢、耐热钢、可锻铸铁、合金铸铁等。其中,组号越大,可选用越大的进给量和切削深度,而切削速度则应越小。

K类合金用于加工产生短切屑的黑色金属、有色金属及非金属材料,如铸铁、铝合金、铜合金、塑料、硬胶木等。其中,组号越大,可选用越大的进给量和切削深度,而切削速度则应越小。

上述三类合金切削用量的选择原则如表2⁃5所示。

各厂生产的硬质合金虽然有各自编制的牌号,但都有对应国际标准的分类号,选用也十分方便。

任务五　数控铣削加工工艺

一、数控铣削加工工艺的主要内容

① 分析零件图样,选择确定数控加工的内容。

② 结合零件加工表面的特点和数控设备的功能,对零件进行工艺分析。

③ 进行数控铣削加工工艺设计,确定零件总体加工方案,包括选取零件的定位基准、装夹方案,安排加工路线,确定工步内容、每一工步所用刀具、切削用量等。

④ 确定数控加工前的调整方案,如对刀方案、换刀点、刀具预调和刀具补偿方案。

二、数控铣削加工工序划分

(1)工序划分的原则

工序划分的原则有工序集中原则和工序分散原则两种。

工序集中原则指每道工序包括尽可能多的加工内容,从而使工序的总数减少,这一原则有利于减少工序数目,缩短工艺路线,简化生产计划和生产组织工作,有利于减少机床数量、操作工人数和占地面积等,有利于减少工件装夹次数等。但专用设备和工艺装备投资大、调整维修比较麻烦,生产准备周期较长,不利于转产。工序分散原则是指将工件的加工分散在较多的工序内进行,每道工序的加工内容很少。这一原则加工设备和工艺装备结构简单,调整和维修方便,操作简单,转产容易;有利于选择合理的切削用量,减少机动时间。但工艺路线较长,所需设备及工人人数多,占地面积大。

(2)工序划分的方法

在数控铣床上加工零件一般按工序集中原则划分工序。具体划分方法有以下几种。

① 按零件装夹定位方式划分。以一次安装完成的那一部分工艺过程为一道工序。这种方法适合于加工内容较少的零件,加工完成后零件就能达到待检状态。

② 按所用刀具划分。以同一把刀具加工的那一部分工艺过程为一道工序,这样可以减少换刀时间,节省辅助时间。

③ 按粗、精加工划分工序。对于加工后容易变形的零件,由于粗加工后可能发生较大的变形而需要校形,所以一般要进行粗加工、精加工的都要将工序分开。

④ 按加工部位划分工序。对于加工内容很多的零件,可按其结构特点将加工部位分成几个部分,如内形、外形、曲面或平面等。

(3)加工顺序的安排

铣削加工零件划分工序后,各工序的先后顺序排定通常考虑以下原则。

① 基准先行原则。用作基准的表面应优先加工。

② 先粗后精原则。各个表面的加工顺序按照粗加工、半精加工、精加工、光整加工的顺序依次进行,逐步提高表面的加工精度和表面质量。

③ 先主后次原则。零件的主要工作表面、装配基面应先加工,从而及早发现毛坯的内在缺陷。次要表面可穿插进行,一般在主要表面半精加工之后精加工之前进行。

④ 先面后孔原则。对于箱体、底座、支架等零件,应先加工用作定位的平面和孔的端面,再加工孔,这样可使工件定位夹紧可靠,有利于保证孔与平面的位置精度,减少刀具的磨损,特别是钻孔的,孔的轴线不易偏斜。

三、数控铣削加工工艺设计

(1)加工方案的确定

数控铣削的零件加工面无非是一些平面、曲面、型腔和孔等,按照反推法原则。首先按照各表面的加工精度和表面粗糙度要求确定最终的加工方法,再确定前面一系列的粗加工方法,即获得各表面的加工方案。

(2)确定装夹方案

在确定零件的装夹方式时,应力求使设计基准、工艺基准和编程计算基准统一,同时还应力求装夹次数最少。在选择夹具时,一般应注意以下几点。

① 尽量采用通用夹具、组合夹具,必要时才设计专用夹具。

② 工件的定位基准应与设计基准保持一致,注意防止过定位干涉现象,且便于工件的安装,不允许出现欠定位的现象。

③ 由于在数控机床上通常一次装夹完成工件的多道工序,因此应防止工件夹紧引起的变形造成对工件加工的不良影响。

④ 夹具在夹紧工件时,应使工件上的加工部位开放,即夹具上的各部件不得妨碍走刀。

⑤ 尽量使夹具的定位、夹紧装置部位无切屑积留,清理方便。

(3)确定加工工艺

确定工序的先后次序,填写工艺卡。

(4)确定进给路线

编程时确定进给路线的原则主要有以下几点。

① 保证被加工工件的加工精度和表面质量。

② 数值计算简单,程序段数量少,简化程序,减少编程工作量。

③ 尽量缩短加工路线,减少空行程时间,提高加工效率。

(5)确定刀具

选择刀具通常要考虑机床的加工能力、工序内容和工件材料等因素,要求尺寸稳定、安装调整方便。

四、铣削加工切削用量

如图2⁃16所示,铣削加工切削用量包括主轴转速(切削速度)、进给速度、背吃刀量和侧吃刀量。切削用量的大小对切削力、切削速度、刀具磨损、加工质量和加工成本均有显著影响。选择切削用量时,要在保证加工质量和刀具耐用度的前提下,充分发挥机床性能和刀具切削性能,使切削效率最高,加工成本最低。

依照切削用量的选择原则,为保证刀具的耐用度,铣削用量的选择方法是:先选择背吃刀量或侧吃刀量,其次确定进给速度,最后确定切削速度。

1.背吃刀量(端铣或圆周铣侧吃刀量)的选择

背吃刀量a_p(mm)为平行于铣刀轴线测量的铣切尺寸。端铣时,a_p为切削层深度;而圆周铣削时,a_p为被加工表面的宽度。

侧吃刀量a_e(mm)为垂直于铣刀轴线测量的切削层尺寸。端铣时,a_e为被加工表面宽度;而圆周铣削时,a_e为切削层的深度。

背吃刀量或侧吃刀量的选取主要由加工余量和被加工表面的质量要求决定。

① 在被加工表面的表面粗糙度要求为Ra1.5~Ra25时,如果圆周铣削的加工余量小于端铣的加工余量,则粗铣一次进给就可以达到要求。但在余量较大,工艺系统刚性较差或机床动力不足时,可分两次进给完成。

② 在零件表面粗糙度要求为Ra1.5~Ra3.2时,可分粗铣和半精铣两步进行。粗铣后留0.5~1mm余量,在半精铣时切除。

③ 在零件表面粗糙度要求为Ra0.8~Ra3.2时,可分粗铣、半精铣、精铣三步进行。半精铣时背吃刀量或侧吃刀量取1.5~2mm,精铣时圆周铣侧吃刀量取0.3~0.5mm,面铣刀背吃刀量取0.5~1mm。

2.进给量与进给速度的选择

进给量f(mm/r)与进给速度v_f(mm/min)的选择如下:

铣削加工的进给量是指刀具转一周,零件与刀具沿进给运动方向的相对位移量;进给速度是单位时间内零件与铣刀沿进给方向的相对位移量。进给量与进给速度是数控铣床加工切削用量中的重要参数,根据零件的表面粗糙度、加工精度要求、刀具及零件材料等因素,参考切削用量手册选取或参考表2⁃6选取。零件刚性差或刀具强度低时,应取小值。铣刀为多齿刀具,其进给速度v_f、刀具转速n、刀具齿数z及每齿进给量f_z的关系为:

v_f=nzf_z

3.切削速度的选择

切削速度v_c(m/min)的选择,根据已经选定的背吃刀量、进给量及刀具耐用度选择切削速度。可用经验公式计算,也可根据生产实践经验,在机床说明书允许的切削速度范围内查阅有关手册或参考表2⁃7选取。

实际编程中,切削速度v_c确定后,还要按式v_c=πdn/1000计算出铣床主轴转速n(r/min),对有级变速的铣床,须按铣床说明书选择与所计算转速n接近的转速,并填入程序单中。

对于高速铣削机床(主轴转速在10000r/min以上),为发挥其高速旋转的特性、减少主轴的重载磨损,其切削用量的选择顺序是v_c→v_f(进给速度)→a_p(a_e)。

五、合理选择顺铣与逆铣

在加工中,铣削分为逆铣和顺铣,当铣刀的旋转方向和工件的进给方向相同时称为顺铣,相反则称为逆铣,如图2⁃17所示。

逆铣时刀齿开始切削工件时的切削厚度比较小,导致刀具易磨损,并影响已加工表面。顺铣时刀具的耐用度比逆铣时提高2~3倍,刀齿的切削路径比较短,比逆铣时的平均切削厚度大,而且切削变形较小,但顺铣不宜加工带硬皮的工件。由于工件所受的切削力方向不同,粗加工时逆铣比顺铣要平稳。因此,为了降低表面粗糙度值、提高刀具耐用度,对于铝镁合金、钛合金和耐热合金等材料,尽量采用顺铣加工。但如果零件毛坯为黑色金属锻件或铸件,表皮硬而且余量比较大,这时采用逆铣较为合理。

对于立式数控铣床所采用的立铣刀,装在主轴上相当于悬臂梁结构,在切削加工时刀具会产生弹性弯曲变形,如图2⁃18所示。当用铣刀顺铣时,刀具在切削时会产生让刀现象,即切削时出现“欠切”,如图2⁃18(a)所示;而用铣刀逆铣时,刀具在切削时会产生啃刀现象,即切削时出现“过切”现象,如图2⁃18(b)所示。这种现象在刀具直径越小、刀杆伸出越长时越明显,所以在选择刀具时,从提高生产率、减少刀具弹性弯曲变形的影响这些方面考虑,应选大的直径,但不能大于零件凹圆弧的半径,且在装刀时尽量伸出短些。

六、数控刀具下刀过程

铣削刀具的下刀过程如图2⁃19所示。

在加工零件的过程中,刀具首先定位到起始平面,快速下刀至进刀平面,然后以进给速度下刀,进行零件的加工。在一个区域或工位加工完毕后,退至退刀平面,再抬刀至安全平面,然后高速运动到下一个区域或工位再下刀、加工。在零件完全加工完毕后,抬刀至返回平面,进行零件的测量等操作。

(1)起始平面

起刀点是刀具相对于零件运动的起点,数控程序是从起刀点开始执行的。起刀点必须设置在零件的上面。起刀点所在的平面,称为起始平面。起始平面距离零件上表面的高度就是起始高度。一般选距零件上表面50mm左右的位置处,太高使生产效率降低,太低又不便于操作人员观察零件。另外,为了发生异常现象时便于操作人员紧急处理,起始平面一般高于安全平面。在此平面上刀具以G00速度行进。

(2)进刀平面

刀具以高速(G00)下刀,待到要切到材料时变成以进刀速度下刀,以免撞刀,此速度转折点的位置即为进刀平面,其高度为进刀高度,也称作安全高度。一般取距离加工表面5mm左右。

(3)退刀平面

零件(或零件区域)加工结束后,刀具以切削进给速度离开零件表面一定距离后转为以高速返回到返回平面,此转折位置即为退刀平面,其高度为退刀高度。

(4)安全平面

安全平面是指刀具在完成零件的一个区域加工后,刀具沿刀具轴向返回运动一段距离后,刀尖所在的Z平面。一般高出被加工零件最高点10mm左右。刀具处于安全平面时是安全的,在此平面上以G00速度进行。这样设置安全平面既能防止刀具碰伤零件,又能使非切削加工时间控制在一定范围内。安全平面对应的高度称为安全高度。

(5)返回平面

返回平面在零件表面的上方,一般与起始平面重合或者比起始平面更高,便于在零件加工完毕后,观察和测量零件,同时保证后续移动机床时零件和刀具不发生碰撞。刀具在此平面可被设定为高速运动。

七、数控铣削加工工艺文件的编制

数控加工工艺文件既是数控加工的依据、产品验收的依据,也是操作者应遵守、执行的规程。不同的数控机床和加工要求,工艺文件的内容和格式有所不同,目前尚无统一的国家标准。常用的工艺文件有以下几种。

1.数控加工工序卡(数控加工工艺卡)

数控加工工序卡与普通机械加工工序卡有较大区别。数控加工一般采用工序集中,每一加工工序可划分为多个工步,因此,数控加工工序卡不仅包含每一工步的内容,还应包含其程序号、所用刀具类型、刀具号和切削用量等内容。它不仅是编程人员编制程序时必须遵循的基本工艺文件,同时也是指导操作人员进行数控机床操作和加工的主要资料。数控加工工序卡示例见表2⁃8。

2.数控加工刀具卡

主要反映刀具的名称、编号、规格、长度和半径补偿值等内容,它是调刀人员准备和调整刀具、机床操作人员输入刀补参数的主要依据。数控加工刀具卡示例见表2⁃9。

3.数控加工程序单

由编程人员根据前面的工艺分析情况,经过数值计算,按照所用数控铣床的程序格式和指令代码,编制出加工程序,并填写加工程序单。数控铣削程序单示例见表2⁃10。

任务六　完成长方体表面编程和加工

一、加工工艺设计

1.加工图样分析

图2⁃1所示零件需要加工六个平面,尺寸精度是未注公差,表面粗糙度为Ra6.3,没有形位公差要求,加工精度要求较低。

2.加工方案确定

根据图样加工要求,六个表面可采用端铣刀粗铣→精铣完成。

3.装夹方案确定

毛坯为长方体零件,可选平口虎钳装夹,工件加工表面高出钳口10mm左右。

4.确定刀具

可选用面铣刀铣削,加工效率高。刀具及切削参数见表2⁃11。

5.确定加工工艺

该零件精度要求低,对每个表面只需用面铣刀粗铣一次,然后精铣一次即可保证精度。加工工艺见表2⁃12。

二、程序编制与加工

1.工件坐标系建立

根据工件特点,编程坐标系原点设置在加工面的左下角。以上表面为例,如图2⁃20所示。

2.基点坐标计算

分别计算出A、B、C各点的坐标值,如图2⁃20所示。

3.编制加工程序

根据前面的工艺分析和坐标计算,编制加工程序,并填写加工程序单。表面粗铣程序单如表2⁃13所示。

4.程序调试与加工

① 将实训学生分组,每组6人,每人负责一个面的加工。

② 将程序输入数控系统,先进行图形模拟,然后分别进行粗、精加工,保证最后尺寸和表面粗糙度。

③ 加工完成,卸下工件,清理机床。

三、考核评价

1.学生自检

学生完成零件自检,填写“考核评分表”(表2⁃14)并同刀具卡、工序卡和程序单一起上交。

2.成绩评定

教师协同组长,对零件进行检测,对刀具卡、工序卡和程序单进行批改,对学生整个任务的实施过程进行分析,并填写“考核评分表”对每个学生进行成绩评定。