数控机床编程与操作第八章加工中心的编程.docx
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数控机床编程与操作第八章加工中心的编程
第八章加工中心的编程
§8-1加工中心简介
一、概述
本书所涉及的加工中心是指镗铣类加工中心，它把铣削、镗削、钻削、攻螺纹和切削螺纹等功能集中在一台设备上，使其具有多种工艺手段，又由于工件经一次装夹后，能对两个以上的表面自动完成加工，并且有多种换刀或选刀功能及自动工作台交换装置（APC），从而使生产效率和自动化程度大大提高。
加工中心为了加工出零件所须形状至少要有三个坐标运动，即由三个直线运动坐标X、Y、Z和三个转动坐标A、B、C适当组合而成，多者能达到十几个运动坐标。
其控制功能应最少两轴半联动，多的可实现五轴联动，六轴联动，现在又出现了并联数控机床，从而保证刀具按复杂的轨迹运动。
加工中心应具有各种辅助功能，如：
各种加工固定循环，刀具半径自动补偿，刀具长度自动补偿，刀具破损报警，刀具寿命管理，过载自动保护，丝杆螺距误差补偿，丝杠间隙补偿，故障自动诊断，工件与加工过程显示，工件在线检测和加工自动补偿乃至切削力控制或切削功率控制，提供DNC接口等，这些辅助功能使加工中心更加自动化、高效、高精度。
同样，生产的柔性促进了产品试制、实验效率的提高，使产品改型换代成为易事，从而适应于灵活多变的市场竞争战略。
二、工艺特点
加工中心作为一种高效多功能机床，在现代化生产中扮演着重要角色，它的制造工艺与传统工艺及普通数控加工有很大不同。
加工中心自动化程度的不断提高和工具系统的发展使其工艺范围不断扩展。
现代加工中心更大程度的使工件一次装夹后实现多表面、多特征、多工位的连续、高效、高精度加工，即工序集中。
但一台加工中心只有在合适的条件下才能发挥出最佳效益。
（一）适合于加工中心加工的零件
1．周期性重复投产的零件有些产品的市场需求具有周期性和季节性，如果采用专门生产线则得不偿失，用普通设备加工效率又太低，质量不稳定，数量也难以保证，以上两种方式在市场中必然淘汰。
而采用加工中心首件（批）试切完后，程序和相关生产信息可保留下来，下次产品再生产时，只要很少的准备时间就可开始生产。
进一步说，加工中心工时包括准备工时和加工工时，加工中心把很长的单件准备工时平均分配到每一个零件上，使每次生产的平均实际工时减少，生产周期大大缩短。
2．高效、高精度工件有些零件需求甚少，但属关键部件，要求精度高且工期短，用传统工艺需用多台机床协调工作，周期长、效率低，在长工序流程中，受人为影响容易出废品从而造成重大经济损失。
而采用加工中心进行加工，生产完全由程序自动控制，避免了长工艺流程，减少了硬件投资及人为干扰，具有生产效益高及质量稳定的特点。
3．具有合适批量的工件加工中心生产的柔性不仅体现在对特殊要求的快速反应上，而且可以快速实现批量生产，拥有并提高市场竞争能力。
加工中心适合于中小批量生产，特别是小批量生产，在应用加工中心时，尽量使批量大于经济批量，以达到良好的经济效果。
随着加工中心及辅具的不断发展，经济批量越来越小，对一些复杂零件5～10件就可生产甚至单件生产时也可考虑用加工中心。
4．多工位和工序可集中工件。
5．形状复杂的零件四轴联动、五轴联动加工中心的应用以及CAD/CAM技术的成熟、发展使加工零件的复杂程度大幅提高。
DNC的使用使同一程序的加工内容足以满足各种加工需要，使复杂零件的自动加工成为易事。
6．难测量零件。
7．装夹困难或完全由找正定位来保证加工精度的零件不适合在加工中心上生产。
（二）工序集中带来的问题
加工中心的工序集中加工方式固然有其独特的优点，但也带来一些问题，如：
1．粗加工后直接进入精加工阶段，工件的温升来不及回复，冷却后尺寸变动。
2．工件由毛坯直接加工为成品，一次装夹中金属切除量大、几何形状变化大，没有释放应力的过程，加工完了一段时间后内应力释放，使工件变形。
3．切削不断屑，切屑的堆积、缠绕等会影响加工的顺利进行及零件表面质量，甚至使刀具损坏、工件报废。
4．装夹零件的夹具必须满足即能克服粗加工大的切削力又能在精加工中准确定位的要求，而且零件夹紧变形要小。
5．由于ATC的应用，使工件尺寸、大小、高度都受到一定的限制，钻孔深度、刀具长度、刀具直径、重量等也要予以考虑。
（三）各种加工中心的功能特点
1．立式加工中心立式加工中心装夹工件方便，便于操作，找正容易，宜于观察切削情况，调试程序容易，占地面积小，应用广泛。
但它受立柱高度及ATC的限制，不能加工太高的零件，也不适于加工箱体。
2．卧式加工中心一般情况下卧式加工中心比立式加工中心复杂、占地面积大，有能精确分度的数控回转工作台，可实现对零件的一次装夹多工位加工，适合于加工箱体类零件及小型模具型腔。
但调试程序及试切时不宜观察，生产时不宜监视，装夹不便，测量不便，加工深孔时切削液不易到位（若没有用内冷却钻孔装置）。
由于许多不便使卧式加工中心准备时间比立式更长，但加工件数越多，其多工位加工、主轴转数高、机床精度高的优势就表现得越明显，所以卧式加工中心适合于批量加工。
图8-2刀柄与拉钉
3．带APC的加工中心立式加工中心、卧式加工中心都可带有APC装置，交换工作台可有两个或多个。
在有的制造系统中，工作台在各机床上通用，通过自动运送装置工作台带着装夹好的工件在车间内形成物流，因此这种工作台也叫托盘。
因为装卸工件不占机时，因此其自动化程度更高，效率也更高。
4．复合加工中心复合加工中心兼有立式和卧式加工中心的功能，工艺范围更广，使本来要两台机床完成的任务在一台上完成，工序更加集中。
由于没有二次定位，精度也更高，但价格昂贵。
1-拉钉2-刀柄3-联接器4-刀具
图8-1刀具的组成
§8-2加工中心的辅具及辅助设备
一、刀柄及刀具系统
在传统制造系统中刀具方面投资有限，但在MAS中以每台加工中心配备60把刀具计算，每把刀具平均有三把姊妹刀，那么一台加工中心就可能要有180把刀具和相应数量的刀柄，再加上刀具准备和交换等费用，刀具系统方面的投资往往接近加工中心的费用。
加工中心工具繁多，其利用率与加工中心利用率被放在同等地位看待。
在自动化生产系统中如何管理工具系统不但是全局性的工作，而且对于单台加工中心来说，只有使用好这些工具才能充分发挥加工中心的效能，降低加工成本，提高加工精度，创造一个良好的局部。
加工中心所用的切削工具由两部分组成，即刀具和供自动换刀装置夹持的通用刀柄及拉钉。
如图8-1。
（一）刀柄
在MC上一般采用7:
24锥柄，这是因为这种锥柄不自锁，换刀比较方便，并且与直柄相比有高的定心精度和刚性，刀柄和拉钉已经标准化，各部分尺寸见图8-2和表8-1（JISB6339）。
表8-1刀柄及拉钉尺寸
刀柄
D1
D2
（H8）
L1
L2
（±0.4）
L3
（±0.2）
L4
D3
（H8）
G1
B1
（H12）
40T
φ44.45
φ63.0
25.0
2.0
65.4
30.0
φ17.0
M16
16.1
50T
φ69.85
φ100.0
35.0
3.0
101.8
45.0
φ25.0
M24
25.7
拉钉
L1
g1
d3
（h7）
R1
θ
形式1
形式2
40P
60.0
M16
17.0
3.0
45°
30°
50P
85.0
M24
25.0
5.0
45°
30°
在加工中心上加工的部位繁多使刀具种类很多，造成与锥柄相连的装夹刀具的工具多种多样，把通用性较强的装夹工具标准化、系列化就成为工具系统，如图8-3。
镗铣工具系统可分为整体式与模块式两类。
整体式工具系统针对不同刀具都要求配有一个刀柄，这样工具系统规格、品种繁多，给生产、管理带来不便，成本上升。
为了克服上述缺点，国内、外相继开发出多种多样的模块式工具系统，如图8-3。
有些场合，通用的刀柄和刃具系统不能满足加工要求，为进一步提高效率和满足特殊要求，近来已开发出多种特殊刀柄如：
a增速刀柄现在的增速头能够支持ATC，日本NIKKEN公司的NXSE型增速头，在主轴4000rpm时，刀具转数可在0.8秒内达到20000rpm。
其结构特点主要有：
行星齿轮增速机构，储油腔润滑方式，无接触密封方式，气体冷却方式。
气体可从出气口排出，同时从无接触密封处吹出，避免脏物进入增速头。
b内冷却刀柄加工深孔时最好的冷却办法是切削液直接浇在切削部位，但这是不易达到的，尤其在卧式加工中心上。
针对这种情况，国、内外研制了内部通切削液的麻花钻及扩孔钻。
其配以专用的冷却油供给系统，工作时，高压切削液通过刀具芯部从钻头两个后面浇注至切削部位，起到冷却润滑的作用，并把切屑排出。
c转角刀柄前面介绍了五面加工中心价格昂贵，而配备转角刀柄则以最少的花费达到相近的效果。
如NIKKEN公司的高刚性五面加工转角刀柄，其型号有30°、45°、60°、90°转角，非常适合于多品种少量生产，除使立式加工中心具有卧式的功能外，使用转角刀柄的原因还有对深型腔的底部清角工作。
d多轴刀柄能同时加工多个孔，多轴及增速刀柄的混合应用就成为多轴增速刀柄。
e双面接触刀柄双面接触式刀柄是一种新型的大振动衰减比的工具系统，其代表性特征有：
1）1：
10锥度的短刀柄2）端面与锥部同时严密配合3）在端面配合处，刀柄与主轴除刚性接触外还有蝶簧接触，增大振动减衰比，增强工具系统的安定性。
使用此种刀柄后，硬质合金刀具生产能力提高至110%，刀具寿命提高250%，高速钢刀具生产能力提高35%，刀具寿命提高80%。
a.直柄夹头b.钻削、攻丝刀柄c.端铣刀刀柄d.锯片铣刀刀柄e.拉钉f.镗削刀柄g.模块式刀柄
h.内冷却刀柄i.转角刀柄j.背孔刀柄k.多轴刀柄l.自动测头m.CNC镗削刀柄（U轴）n.找正器
图8-3加工中心用刀柄
f接触式测头刀柄此刀柄使接触式测头固定在主轴上，实现传感器与机床的无接触信号联系，并支持ATC。
（二）刀具系统
加工中心多工序集中，尤其在自动线上，连续工作时间更长。
刀具只有具有高的切削性能才能充分发挥加工中心的优势。
现代数控机床不停顿地向高速、高刚性和大功率方向发展。
如：
A55加工中心，最高主轴转数为12000rpm。
高速高精度加工正成为主流，而刀具必须适应这种需要。
有人预计不久硬质合金刀具车削和铣削低碳钢的最高线速度将由现在的300~400m/min，提高到500~800m/min，陶瓷刀具切削灰铸铁的切削速度将由现在的600~800m/min提高到1000~1500m/min。
当前在加工中心上越来越多的使用涂层硬质合金、涂层高速钢和陶瓷刀具。
加工中心上的刀具系统一般由钻削系统、端面铣刀系统、立铣刀系统、螺纹、槽加工刀具组成。
1．钻削系统
这里叙述一些钻头在加工中心上的应用，表8-2以三菱工具为例介绍了几种钻头。
表8-2加工中心钻头
型号
直径
示意图
用途
特点
MZE
Ф2.8～20
·钢、铸铁
·自动机、加工中心、各种机床
直线切削刃，刀尖强度高，重磨容易，通用性好，排屑性能好
MZS
Ф5—16
·钢、铸铁、不锈钢、难加工材料
·自动机、加工中心、各种机床
直线型切削刃，刀尖强度高，重磨容易，排屑槽采用宽深槽，内部冷却式，寿命长、效率高
新尖点钻
Ф8～40
·钢、铸铁、难加工材料
·加工中心、NC车床、通用铣床等
无横刃,加工精度是高速钢钻头的5倍以上可以高效率加工，重磨容易
高速钻
Ф16～70
钢、铸铁
加工中心、NC车床、通用铣床等
使用范围广，从一般进给到大进给，碳钢、合金钢能大进给加工
加工中心用枪钻
Ф6～20
铸铁、轻合金专用
用加工中心进行深孔加工
可以无导套加工深孔，最大长径比L/D=20
为适应自动化生产，加工中心用钻头有其特殊处理。
（1）钻头的表面处理
表8-3钻头的表面处理
种类
特点
目的
用途
氧化处理（高压蒸气处理）
Fe3O4氧化被1～3m
防粘结，对加工非金属不适用
抗粘结
用于加工普通不锈钢、软钢，不适合加工铝等
氮化处理
处理层30～50m，表面硬度1000～1300HV
耐磨损
用于加工对刀具磨损性大的切削材料、铸铁、热硬化性树脂等
TiN涂层
处理层2～3m，表面硬度2000以上，磨擦系数小，防粘结
耐磨损
用于加工难切削材料、硬度高的合金钢、不锈钢、耐热钢等
TiCN涂层
处理层5～6m表面硬度2700HV以上耐磨性好，磨擦系数小
抗粘结
耐磨损
用于干式切削、高速切削及对刀具使用寿命要求高的切削
注：
这些方法也适用于其它刀具。
（2）钻头横刃的处理为了减小轴向切削力，除了修磨横刃外，使用新尖点钻是比较理想的选择，其无横刃结构使轴向切削力大幅降低。
图8-4高速钻孔
（3）切屑处理钻头工作时切屑的形状对钻头的切削性能非常重要，形状不合适时，将引起细微的切屑阻塞刃沟（粉状屑、扇形屑）、长的切屑缠绕钻头（螺旋屑、带状屑）、长切屑阻碍切削液进入（螺旋屑、带状屑）等现象。
为此可采用增大进给、断续进给、装断屑器等断屑方法，但都有其缺点。
而R形横刃修磨很好地达到了断屑要求。
图8-4为双面接触刀柄、R形横刃内冷涂层钻头的切削效果。
2．铣削系统
图8-6复合镗刀的应用
加工中心上常用的铣刀有端铣刀、立铣刀两种，特殊情况下也可安装锯片铣刀等。
端铣刀主要用来加工平面，而立铣刀则使用灵活，具有多种加工方式，图8-5为立铣刀系统及针对不同加工方式的选用办法。
3．镗削系统
见图７-３，加工中心的镗削系统普遍采用模块式刀柄及复合刀具。
图７-6为复合镗刀的应用，图ａ用于粗、精加工及倒角一次完成，图ｂ用于阶台孔同轴度要求高的场合，减少了ＡＴＣ动作次数。
另外，镗刀刀杆内部可通切削液，使切削油直接冲入切削区，带走切屑及温度。
4．攻丝系统
丝锥装在丝锥夹头上进行攻丝，为了避免丝锥折断，丝锥夹头有３～５ｍｍ浮动距离，有的攻丝夹头能在攻到盲孔底时保护丝锥不会折断。
在螺纹加工刀具中，内冷丝锥、加工中心丝锥、螺旋铣刀是专门为加工中心设计的。
图8-5立铣刀选用办法
螺纹铣刀利用加工中心的３轴联动功能，使螺纹铣刀做行星运动，切削加工出内螺纹,只要一把螺纹铣刀就可加工出同螺距的各种直径的内螺纹。
二、自动化机能
图8-7刀具长度自动测量
1．刀具长度自动测量装置在单台立式、卧式加工中心上，一般配备刀具长度自动测量装置，如图8-7。
其工作过程是把刀库中刀具依次调出，测出刀长，并按刀具号存入系统的记忆装置中。
此种功能特别适合于无刀具中心仓库的FMC及单台加工中心使用，其价格便宜、使用方便灵活。
因为他是在机床内部直接对刀具进行测量，所以能补偿机床的热变形和刀具的磨损，从而实现高精度加工。
另外利用适当的程序还可以测出刀具是否破损、掉落。
图8-8工件在线检测
2．工件自动测量机能能测出工件的对称中心、基准孔中心、基准角、基准边的坐标值，自动补偿工件坐标系的坐标值，去除安装误差。
在加工过程中，能测量孔径、阶台高度差、孔距、面距等，如图8-8。
测量结果可以通过打印机打印出来。
根据测定结果，用适当的程序可自动补偿刀具的补偿量，然后进行再加工。
以上两种功能都是用宏程序来实现，宏程序是具有变量的程序，可对变量进行读取和赋值，在编程中将以FNC系统为例有所介绍。
3．自适应控制功能在粗加工时，机床可根据主轴负荷电流来控制进给速度，当切削负荷大时进给慢，反之进给快，当主轴负荷超过允许值时机床停止运转并报警。
国内的蓝天等数控系统已能完成此工作，效果颇佳。
4．工具寿命监视及刀具破损检验功能刀具寿命以分钟来衡量，通过工具寿命管理机能机床可以在某刀具达到寿命极限时报警。
在某工序或某工件加工前，可对刀具进行破损检验，若刀具破损或掉落则要进行替换。
在加工中若刀具折断，机床刀可以根据切削力突变或超声波或光电方法测出事故。
5．预备刀具交换功能当刀具达到寿命极限或破损时，机床可自动用预备好的姊妹刀替换并自动测长度，达到不间断作业的目的。
另外有些加工中心配备工作台交换功能，当刀具在加工中突然断裂时机床并不停止，而是把工件吐出工作机，吞入下一工件进行加工，达到不间断物流的目的。
图8-9对刀器
三、常用工具
1．对刀器对刀器的功能是测定刀具与工件的相对位置。
其形式多样，如：
对刀量块，电子式对刀器（图8-9）。
对刀块又有淬火钢、硬质合金及陶瓷材料的。
图8-10电子式找正器
2．找正器找正器的作用是确定工件在机床上的位置，即确定工作坐标系，它有机械式及电子式两种。
电子式找正器需要内置电池，当其找正球接触工件时，发光二极管亮，其重复找正精度在2mm以内。
图8-10为其应用（测量孔径、阶台高、槽宽、直径及4轴加工时坐标系设定）。
3．刀具预调仪此设备在机床外部对刀具的长度、直径进行测量和调整，还能测出刀具的几何角度，测量时不占机动工时。
四、辅助轴
上图四轴下图五轴
图8-11辅助回转轴
在三坐标加工中心上加工表面的繁杂程度是有限制的，而且有些表面即使能加工，精度也不高。
如果刀轴矢量与曲面法向不重合，刀具长度和半径不准确时将造成加工误差。
而对于回转体零件、螺旋曲面、多倾斜孔箱体、浆叶等复杂零件，即使是五面加工中心也没办法。
这时只能使用四坐标或五坐标加工中心利用四轴或五轴联动实现加工目的。
但从另一方面，不能因为某类零件或某个零件而购置价格昂贵的五轴加工中心，这时可以考虑选用辅助回转轴。
如图8-11所示。
四轴加工中心与五轴加工中心常见的加工零件如图8-12。
图8-12四轴与五轴加工中心常见的加工零件
另外，在大型零件或箱体零件、模具型腔的加工中，常遇到局部的不规则回转体加工。
针对这种情况，最好采用U轴控制。
CNC镗头可从刀库调出，并完成刀柄与机床控制系统的联接。
加工时，主轴带动镗刀旋转，同时镗头U轴按NC程序横向移动实现加工功能，实际上它是在加工中心上进行车削。
五、夹具系统
（一）夹具种类
制造自动化系统的夹具系统主要由机床夹具、托盘、自动上下料装置三部分组成，本书涉及到的是机床夹具。
根据加工中心机床特点和加工需要，其夹具类型主要有专用夹具、组合夹具、通用夹具和成组夹具。
（二）夹具选择
在加工中心上，要想合理应用夹具必须对加工中心的加工方式有深刻了解（图8-5，图8-12），同时还要考虑加工零件的精度，批量大小，制造周期，制造成本。
一般的选择顺序是单件生产中尽量用虎钳、压板螺钉等通用夹具，批量生产时优先考虑组合夹具其次考虑用可调整夹具，最后选用专用夹具和成组夹具。
设计和选用夹具时，不能和各工序刀具轨迹发生干涉。
如：
有时在加工箱体时刀具轨迹几乎包容了整个零件外形，为了避免干涉现象发生，可把夹具安置在箱体内部。
在现代生产中，还广泛采用液压、气动夹具、电动夹具、磁力夹具等，可根据不同情况做出选择。
卧式加工中心广泛采用刚性夹具体，其与组合夹具的夹具体基本相同，只是刚性更好，装夹在回转工作台上。
使用时配上通用夹具元件，如：
压板、垫铁、螺钉等，也可装夹组合夹具的标准元件。
采用两个以上刚性夹具体，配上APC系统，就可以实现不占用机动时间装夹工件的功能从而提高效率，若安装在托盘上，就可以形成物流，兼具单件生产及批量生产的特点。
所以，其有高的使用价值和低的价格，应用广泛。
（三）装夹工件
前边提到加工中心上夹具必须有大的夹紧力和高的精度，不仅如此，对于某些零件还要考虑到要产生小的夹紧变形，否则工件被松开后恢复变形就不合格了，因此夹具的夹紧点的确定是十分重要的。
有些情况下零件的应力变形和夹紧变形情况是十分严重的，甚至不得不采用粗、精加工分开，二次装夹的方法，减小工件变形。
如：
低刚性的零件，高精度零件等。
此外，是否采用二次装夹的方法还取决于零件加工前后的热处理安排。
如：
需淬火的模具型腔，可采用粗加工，淬火，高速精加工的方法。
§8-3加工中心程序的编制
约定：
在示意图中，“┄┄┄”表示快速点定位，“───”表示切削进给
、简单程序编制
（一）基本代码的使用
1．G00G01
例8-1如图8-13，进给速度设为F=100mm/min，主轴转数S=800r/min，其程序如下：
※※※G90方式※※※
图8-13直线插补
O1；
N1G90G54G00X20.0Y20.0S800M03;
N2G01Y50.0F100;
N3X50.0;
N4Y20.0;
N5X20.0;
N6G00X0Y0M05;
N7M30;
图8-14圆弧插补
※※※G91方式※※※
O1;
N1G91G00X20.0Y20.0S800M03；
N2G01Y30.0F100；
N3X30.0；
N4Y-30.0；
N5X-30.0；
N6G00X-20.0Y-20.0M05；
N7M30；
2．G02G03
例8-2图8-14所示，设主轴转数1000，进给速度100，A为起点B为终点，程序如下：
O1；
N1G90G54S1000M03G02I20.0F100；
N2G03X-20.0Y20.0I-20.0；或者（R20.0）
N3G03X-10.0Y-10.0J-10.0；或者（R-10.0）
N4M30；
3．Z轴移动
在实际工作中刀具不能只在一个平面内移动，否则刀具平行移动时将会与工件、夹具发生干涉，切削型腔时刀具也不能直接快速运动到所需切深，所以必须对Z轴移动有所控制。
如图8-15，刀具从Z100.0高度快速移动至工件上方5mm处后以进给速度切至所需深度，避免了工件毛坯尺寸不同和残留切屑带来的危险。
但由于切削进给的速度慢，此接近高度不能大到影响加工效率。
例8-3如图8-16，程序从原点上方100mm开始，快速运动到A点，Z轴降至2mm高处开始切削进给至－10mm深（B点），沿顺时针方向切削，在B点快速运动到A点，最后返回原点。
※
※※G90方式※※※
图8-15绝对方式与增量方式
O0001；
G90G54G00X30.0Y10.0S1000M03；
Z2.0；
G01Z－10.0F100；
Y30.0；
X20.0；
X30.0Y60.0；
X70.0；
X80.0Y30.0；
X70.0；
Y10.0；
X30.0；
图8-16加工中Z轴移动轨迹
G00Z100.0M05；
X0Y0；
M30；
※※※G91方式※※※
O0001；
G91G00X30.0Y10.0S1000M03；
Z－98.0；
G01Z－12.0F100；
Y20.0；
X－10.0；
X10.0Y30.0；
图8-17半径补偿
X40.0；
X10.0Y－30.0；
X－10.0；
Y－20.0；
X－40.0；
G00Z110.0M05；
X－30.0Y－10.0；
M30；
以上编程方法适合于成形铣削槽类零件，一次走刀完成加工，工件加工部位尺寸取决于刀具尺寸，见图8-5。
二、刀具半径补偿
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