数控铣床编程入门知识.docx
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数控铣床编程入门知识
数控铣床编程入门知识
本课题能够引领你进入数控铣床编程的大门，本课题学习数控铣床编程基础，其目的是在学习数控编程前对数控编程有一个总体的了解和把握，对数控程序的结构建立起差不多的印象。
通过本课题的学习，你能够轻松的把握数控铣床加工工艺的分析方法，数控铣削加工工艺的实质，确实是在分析零件精度和表面粗糙度的基础上，对数控铣削的加工方法、装夹方式、切削加工进给路线、刀具选择以及切削用量等工艺内容进行正确而合理的选择。
一、数控铣床加工工艺入门知识
数控铣削加工工艺性分析是编程前的重要工艺预备工作之一，依照加工实践，数控铣削加工工艺分析所要解决的要紧问题大致可归纳为以下几个方面。
（一）选择并确定数控铣削加工部位及工序内容
在选择数控铣削加工内容时，应充分发挥数控铣床的优势和关键作用。
要紧选择的加工内容有：
1.工件上的曲线轮廓，专门是由数学表达式给出的非圆曲线与列表曲线等曲线轮廓，如图2-50所示的正弦曲线。
2.已给出数学模型的空间曲面,如图2-51所示的球面。
3.形状复杂、尺寸繁多、划线与检测困难的部位；
3.用通用铣床加工时难以观看、测量和操纵进给的内外凹槽；
4.以尺寸和谐的高精度孔和面；
5.能在一次安装中顺带铣出来的简单表面或形状；
6.用数控铣削方式加工后，能成倍提高生产率，大大减轻劳动强度的一样加工内容。
（二）零件图样的工艺性分析
依照数控铣削加工的特点，对零件图样进行工艺性分析时，应要紧分析与考虑以下一些问题。
1.零件图样尺寸的正确标注
由于加工程序是以准确的坐标点来编制的，因此，各图形几何元素间的相互关系（如相切、相交、垂直和平行等）应明确，各种几何元素的条件要充分，应无引起矛盾的余外尺寸或者阻碍工序安排的封闭尺寸等。
例如，零件在用同一把铣刀、同一个刀具半径补偿值编程加工时，由于零件轮廓各处尺寸公差带不同，如在图2-52中，就专门难同时保证各处尺寸在尺寸公差范畴内。
这时一样采取的方法是：
兼顾各处尺寸公差，在编程运算时，改变轮廓尺寸并移动公差带，改为对称公差，采纳同一把铣刀和同一个刀具半径补偿值加工，对图2-52中括号内的尺寸，其公差带均作了相应改变，运算与编程时用括号内尺寸来进行。
图2-52零件尺寸公差带的调整
2.统一内壁圆弧的尺寸
加工轮廓上内壁圆弧的尺寸往往限制刀具的尺寸。
（1）内壁转接圆弧半径R
如图2-53所示，当工件的被加工轮廓高度H较小，内壁转接圆弧半径R较大时，则可采纳刀具切削刃长度L较小，直径D较大的铣刀加工。
如此，底面A的走刀次数较少，表面质量较好，因此，工艺性较好。
反之如图2-54，铣削工艺性则较差。
通常，当R<0.2H时，则属工艺性较差。
（2）内壁与底面转接圆弧半径r
如图2-55，铣刀直径D一定时，工件的内壁与底面转接圆弧半径r越小，铣刀与铣削平面接触的最大直径d=D-2r也越大，铣刀端刃铣削平面的面积越大，则加工平面的能力越强，因而，铣削工艺性越好。
反之，工艺性越差,如图2-56所示。
当底面铣削面积大，转接圆弧半径r也较大时，只能先用一把r较小的铣刀加工，再用符合要求r的刀具加工，分两次完成切削。
总之，一个零件上内壁转接圆弧半径尺寸的大小和一致性，阻碍着加工能力、加工质量和换刀次数等。
因此，转接圆弧半径尺寸大小要力求合理，半径尺寸尽可能一致，至少要力求半径尺寸分组靠拢，以改善铣削工艺性。
（三）保证基准统一的原则
有些工件需要在铣削完一面后，再重新安装铣削另一面，由于数控铣削时，不能使用通用铣床加工经常用的试切方法来接刀，因此，最好采纳统一基准定位，即力求设计基准、工艺基准和编程基准统一。
（四）分析零件的变形情形
铣削工件在加工时的变形，将阻碍加工质量。
这时，可采纳常规方法如粗、精加工分开及对称去余量法等，也可采纳热处理的方法，如对钢件进行调质处理，对铸铝件进行退火处理等。
加工薄板时，切削力及薄板的弹性退让极易产生切削面的振动，使薄板厚度尺寸公差和表面粗糙度难以保证，这时，应考虑合适的工件装夹方式。
总之，加工工艺取决于产品零件的结构形状，尺寸和技术要求等。
在表2-1中给出了改进零件结构提高工艺性的一些实例。
表2-1 改进零件结构提高工艺性
提高工艺性方法
结构
结果
改进前
改进后
铣 加 工
改进内壁形状
可采纳较高刚性刀具
统一圆弧尺寸
减少刀具数和更换刀具次数，减少辅助时刻
选择合适的圆弧半径R和r
提高生产效率
用两面对称结构
减少编程时刻，简化编程
表2-1 改进零件结构提高工艺性（续表）
合理改进凸台分布
减少加工劳动量
改进结构形状
减少加工劳动量
减少加工劳动量
改进尺寸比例
可用较高刚度刀具加工，提高生产率
表2-1 改进零件结构提高工艺性（续表）
在加工和不加工表面间加入过渡
减少加工劳动量
改进零件几何形状
斜面筋代替阶梯筋，节约材料
（五）零件的加工路线
在数控加工中，刀具（严格说是刀位点）相关于工件的运动轨迹和方向称为加工路线。
即刀具从对刀点开始运动起，直至终止加工所通过的路径，包括切削加工的路径及刀具引入、返回等非切削空行程。
加工路线的确定第一必须保证被加工零件的尺寸精度和表面质量，其次考虑数值运算简单，走刀路线尽量短，效率较高等。
下面举例分析数控机床加工零件经常用的加工路线。
1.铣削轮廓表面
在图2-57铣削轮廓表面时一样采纳立铣刀侧面刃口进行切削。
关于二维轮
廓加工通常采纳的加工路线为：
（1）从起刀点下刀到下刀点；
（2）沿切向切入工件；
（3）轮廓切削；
（4）刀具向上抬刀，退离工件；
（5）返回起刀点。
2.寻求最短走刀路线
走刀路线确实是刀具在整个加工工序中的运动轨迹，它不但包括了工步的内容，也反映出工步顺序，走刀路线是编写程序的依据之一。
如加工图2-58（a）所示的孔系。
图2-58（b）的走刀路线为先加工完外圈孔后，再加工内圈孔，若改用图2-58（c）图的走刀路线，可减少空刀时刻，则可节约定位时刻近一倍，提高了加工效率。
（a）钻削示例件（b）常规进给路线（c）最短进给路线
图2-58最短走刀路线的设计
3.顺铣和逆铣对加工阻碍
在铣削加工中，采纳顺铣依旧逆铣方式是阻碍加工表面粗糙度的重要因素之一。
逆铣时切削力F的水平分力FX的方向与进给运动Vf方向相反，顺铣时切削力F的水平分力FX的方向与进给运动Vf的方向相同。
铣削方式的选择应视零件图样的加工要求，工件材料的性质、特点以及机床、刀具等条件综合考虑。
通常，由于数控机床传动采纳滚珠丝杠结构，其进给传动间隙专门小，顺铣的工艺性就优于逆铣。
如图2-59（a）所示为采纳顺铣切削方式精铣外轮廓,图2-59（b）所示为采纳逆铣切削方式精铣型腔轮廓,图2-59（c）所示为顺、逆铣时的切削区域。
（a）顺铣（b）逆铣（c）切入和退刀区
图2-59顺铣和逆铣切削方式
同时，为了降低表面粗糙度值，提高刀具耐用度，关于铝镁合金、钛合金和耐热合金等材料，尽量采纳顺铣加工。
但假如零件毛坯为黑色金属锻件或铸件，表皮硬而且余量一样较大，这时采纳逆铣较为合理。
（六）数控铣削加工顺序的安排
加工顺序通常包括切削加工工序、热处理工序和辅助工序等，工序安排的科学与否将直截了当阻碍到零件的加工质量、生产率和加工成本。
切削加工工序通常按以下原则安排：
1.先粗后精 当加工零件精度要求较高时都要通过粗加工、半精加工、精加工时期，假如精度要求更高，还包括光整加工等几个时期。
2.基准面先行原则 用作精基准的表面应先加工。
任何零件的加工过程总是先对定位基准进行粗加工和精加工，例如轴类零件总是先加工中心孔，再以中心孔为精基准加工外圆和端面；箱体类零件总是先加工定位用的平面及两个定位孔，再以平面和定位孔为精基准加工孔系和其他平面。
3.先面后孔 关于箱体、支架等零件，平面尺寸轮廓较大，用平面定位比较稳固，而且孔的深度尺寸又是以平面为基准的，故应先加工平面，然后加工孔。
4.先主后次 即先加工要紧表面，然后加工次要表面。
（七）常用铣削用量的选择
在数控机床上加工零件时，切削用量都预先编入程序中，在正常加工情形下，人工不予改变。
只有在试加工或显现专门情形时，才通过速率调剂旋钮或电手轮调整切削用量。
因此程序中选用的切削用量应是最佳的、合理的切削用量。
只有如此才能提高数控机床的加工精度、刀具寿命和生产率，降低加工成本。
阻碍切削用量的因素有：
机床切削用量的选择必须在机床主传动功率、进给传动功率以及主轴转速范畴、进给速度范畴之内。
机床—刀具—工件系统的刚性是限制切削用量的重要因素。
切削用量的选择应使机床—刀具—工件系统不发生较大的“振颤”。
假如机床的热稳固性好，热变形小，可适当加大切削用量。
刀具 刀具材料是阻碍切削用量的重要因素。
表2-2是常用刀具材料的性能比较。
表2-2 常用刀具材料的性能比较
刀具材料
切削速度
耐磨性
硬度
硬度随温度变化
高速钢
最低
最差
最低
最大
硬质合金
低
差
低
大
陶瓷刀片
中
中
中
中
金刚石
高
好
高
小
数控机床所用的刀具多采纳可转位刀片（机夹刀片）并具有一定的寿命。
机夹刀片的材料和形状尺寸必须与程序中的切削速度和进给量相适应并存入刀具参数中去。
标准刀片的参数请参阅有关手册及产品样本。
工件 不同的工件材料要采纳与之适应的刀具材料、刀片类型，要注意到可切削性。
可切削性良好的标志是，在高速切削下有效地势成切屑，同时具有较小的刀具磨损和较好的表面加工质量。
较高的切削速度、较小的背吃刀量和进给量，能够获得较好的表面粗糙度。
合理的恒切削速度、较小的背吃刀量和进给量能够得到较高的加工精度。
冷却液 冷却液同时具有冷却和润滑作用。
带走切削过程产生的切削热，降低工件、刀具、夹具和机床的温升，减少刀具与工件的摩擦和磨损，提高刀具寿命和工件表面加工质量。
使用冷却液后，通常能够提高切削用量。
冷却液必须定期更换，以防因其老化而腐蚀机床导轨或其他零件，专门是水溶性冷却液。
铣削加工的切削用量包括：
切削速度、进给速度、背吃刀量和侧吃刀量。
从刀具耐用度动身，切削用量的选择方法是：
先选择背吃刀量或侧吃刀量，其次选择进给速度，最后确定切削速度。
1.背吃刀量ap或侧吃刀量ae
背吃刀量ap为平行于铣刀轴线测量的切削层尺寸，单位为㎜。
端铣时，ap为切削层深度；而圆周铣削时，为被加工表面的宽度。
侧吃刀量ae为垂直于铣刀轴线测量的切削层尺寸，单位为㎜。
端铣时，ae为被加工表面宽度；而圆周铣削时，ae为切削层深度，见图2-60
（a）周铣（b）端铣
图2-60 铣削加工的切削用量
背吃刀量或侧吃刀量的选取要紧由加工余量和对表面质量的要求决定：
（1）当工件表面粗糙度值要求为Ra=12.5～25μm时，假如圆周铣削加工余量小于5㎜，端面铣削加工余量小于6㎜，粗铣一次进给就能够达到要求。
然而在余量较大，工艺系统刚性较差或机床动力不足时，可分为两次进给完成。
（2）当工件表面粗糙度值要求为Ra=3.2～12.5μm时，应分为粗铣和半精铣两步进行。
粗铣时背吃刀量或侧吃刀量选取同前。
粗铣后留0.5～1.0㎜余量，在半精铣时切除。
（3）当工件表面粗糙度值要求为Ra=0.8～3.2μm时，应分为粗铣、半精铣、精铣三步进行。
半精铣时背吃刀量或侧吃刀量取1.5～2㎜；精铣时，圆周铣侧吃刀量取0.3～0.5㎜，面铣刀背吃刀量取0.5～1㎜。
2.进给量f与进给速度Vf的选择
铣削加工的进给量f（㎜/r）是指刀具转一周，工件与刀具沿进给运动方向的相对位移量；进给速度Vf（㎜/min）是单位时刻内工件与铣刀沿进给方向的相对位移量。
进给速度与进给量的关系为Vf =nf（n为铣刀转速，单位r/min）。
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，依照零件的表面粗糙度、加工精度要求、刀具及工件材料等因素，参考切削用量手册选取或通过选取每齿进给量fz，再依照公式f=Zfz（Z为铣刀齿数）运算。
每齿进给量fz的选取要紧依据工件材料的力学性能、刀具材料、工件表面粗糙度等因素。
工件材料强度和硬度越高，fz越小；反之则越大。
硬质合金铣刀的每齿进给量高于同类高速钢铣刀。
工件表面粗糙度要求越高，fz就越小。
每齿进给量的确定可参考表2-3选取。
工件刚性差或刀具强度低时，应取较小值。
表2-3 铣刀每齿进给量参考值
工件材料
fz/㎜
粗铣
精铣
高速钢铣刀
硬质合金铣刀
高速钢铣刀
硬质合金铣刀
钢
0.10～0.15
0.10～0.25
0.02～0.05
0.10～0.15
铸铁
0.12～0.20
0.15～0.30
3.切削速度Vc
铣削的切削速度Vc与刀具的耐用度、每齿进给量、背吃刀量、侧吃刀量以及铣刀齿数成反比，而与铣刀直径成正比。
其缘故是当fz、ap、ae和Z增大时，刀刃负荷增加，而且同时工作的齿数也增多，使切削热增加，刀具磨损加快，从而限制了切削速度的提高。
为提高刀具耐用度承诺使用较低的切削速度。
然而加大铣刀直径则可改善散热条件，能够提高切削速度。
铣削加工的切削速度Vc可参考表2-4选取，也可参考有关怀削用量手册中的体会公式通过运算选取。
表2-4铣削加工的切削速度参考值
工件材料
硬度（HBS）
Vc/（m/min）
高速钢铣刀
硬质合金铣刀
钢
＜225
18～42
66～150
225～325
12～36
54～120
325～425
6～21
36～75
铸铁
＜190
21～36
66～150
190～260
9～18
45～90
260～320
4.5～10
21～30
（八）模具数控加工工艺分析举例
图2-61为盒型模具的凹模零件图，该盒型模具为单件生产，零件材料为T8A，分析其数控加工工艺。
1.零件图工艺性分析
该盒型模具为单件生产，零件材料为T8A，外形为一个六面体，内腔型面复杂。
要紧结构是由多个曲面组成的凹型型腔，型腔四周的斜平面之间采纳半径为7.6㎜的圆弧面过渡，斜平面与底平面之间采纳半径为5㎜的圆弧面过渡，在模具的底平面上有一个四周也为斜平面的锥台。
模具的外部结构较为简单，是一个标准的长方体。
因此零件的加工以凹型型腔为重点。
2.选择设备
依照被加工零件的外形和材料等条件，选用VP1050立式镗铣床加工中心。
图2-61盒型模具
3.确定零件的定位基准和装夹方式
零件直截了当安装在机床工作台面上，用两块压板压紧。
4.确定加工顺序及进给路线
（1）粗加工整个型腔，去除大部分加工余量。
（2）半精加工和精加工上型腔。
（3）半精加工和精加工下型腔。
（4）对底平面上的锥台四周表面进行精加工。
5.刀具选择（见表2-5）
表2-5数控加工刀具卡片
产品名称或代号
×××
零件名称
盒型
零件图号
×××
序号
刀具号
刀具规格名称/㎜
数量
加工表面
刀长/mm
备注
1
T01
φ20平底立铣刀
1
粗铣整个型腔
实测
2
T02
φ12球头铣刀
1
半精铣上、下型腔
实测
3
T03
φ6平底立铣刀
1
精铣上型腔、精铣底平面上锥台四周表面
实测
4
T04
φ6球头铣刀
1
精铣下型腔
实测
建议以球心对刀
编制
×××
审核
×××
批准
×××
共 页
第 页
6.确定切削用量（略）
7.数控加工工艺卡片拟订（见表2-6）
表2-6 盒型零件数控加工工艺卡片
单位名称
×××
产品名称或代号
零件名称
零件图号
×××
盒型
×××
工序号
程序编号
夹具名称
使用设备
车间
×××
×××
压板
VP1050立式镗铣床加工中心
数控中心
工步号
工步内容
刀具号
刀具规格
mm
主轴转速
r/min
进给速度
Mm/min
背吃刀量
mm
备注
1
粗铣整个型腔
T01
φ20平底立铣刀
600
60
2
半精铣上型腔
T02
φ12球头铣刀
700
40
3
精铣上型腔
T03
φ6平底立铣刀
1000
30
4
半精铣下型腔
T02
φ12球头铣刀
700
40
5
精铣下型腔
T04
φ6球头铣刀
1000
30
6
精铣底平面上锥台四周表面
T03
φ6平底立铣刀
1000
30
编制
×××
审核
×××
批准
×××
年 月 日
共 页
第 页
二、数控铣床坐标系与运动方向的规定
任何一个零件的数控铣削编程均是在工件坐标系中完成的，而工件坐标系的确立又离不开机床坐标系作为参考，因此，建立数控铣床机床坐标系、工件坐标系的空间概念，明确两者的关系关于数控铣床编程十分必要。
图2-62展现了数控铣床工件坐标系与机床坐标系的关系，其中，O1为机床坐标原点、O为工件坐标原点。
数控机床上的坐标系采纳右手直角笛卡儿直角坐标系，如图2-63所示，在图中，大拇指指的方向为X轴的正反向，食指为Y轴的正方向，中指为Z轴的正方向。
图2-64、图2-65分别为立式数控铣床坐标系、卧式数控铣床坐标系。
三、数控铣床加工程序结构与格式
（一）程序的结构
一个完整的零件程序由若干程序段组成，每个程序段由若干个指令字组成。
指令字表示一个信息单元，每个指令字又由字母（地址符）、数字、符号组成。
例如：
某一零件的加工程序
（二）程序段格式
N-G-X-Y-Z-……F-S-T-M-；
各个功能字的意义如下：
1.程序段号N
用来表示程序从起动开始操作的顺序，即程序段执行的顺序号。
它用地址码“N”和后面的1～9999中任意数字来表示。
2.预备功能字G
也称为G代码。
预备功能是使数控装置作某种操作的功能，它一样紧跟在程序段序号后面，用地址码“G”和两位数字来表示。
3.尺寸字
尺寸字是给定机床各坐标轴位移的方向和数据的，它由各坐标轴的地址代码、数字构成。
尺寸字一样安排在G功能字的后面。
尺寸字的地址代码，关于进给运动为：
X、Y、Z、U、V、W、P、Q、R；关于回转运动的地址代码为：
A、B、C、D、E。
此外，还有插补参数字：
I、J、K等。
4.进给功能字F
它给定刀具关于工件的相对速度，由地址码“F”和其后面的若干位数字构成。
那个数字取决于每个数控装置所采纳的进给速度指定方法。
进给功能字应写在相应轴尺寸字之后，关于几个轴合成运动的进给功能字，应写在最后一个尺寸字之后。
一样单位为：
mm/min，切削螺纹时用mm/r表示，在英制单位中用英寸表示。
5.主轴转速功能字S
主轴转速功能也称为S功能，该功能字用来选择主轴转速，它由地址码“S”和在其后面的若干位数字构成。
主轴速度单位用r/min表示。
6.刀具功能字T
该功能也称为T功能，它由地址码“T”和后面的若干位数字构成。
刀具功能字用于更换刀具时指定刀具或显示待换刀号，有时也能指定刀具位置补偿。
7.辅助功能字M
也称为M功能，该功能指定除G功能之外的种种“通断操纵”功能。
它一样用地址码“M”和后面的两数字表示。
8.程序段终止符
每一个程序段终止之后，都应加上程序段终止符。
当用EIA（美国电子工业协会）标准代码时，终止符为“CR”,用ISO（国际标准化组织）标准代码时为“NL”或“LF”。
书面和显示的表达有的用“；”，有的用“*”，也有的没有书面（显示）表示符号（空白）。
四、数控铣床编程指令体系
FANUC—0MC数控系统的特点是：
轴操纵功能强，其差不多可操纵轴数为X、Y、Z三轴，扩展后可联动操纵轴数为四轴；编程代码通用性强，编程方便，可靠性高。
下面以FANUC—0MC数控系统为例来讲解数控铣床编程指令体系。
（一）预备功能G
预备功能也叫G功能或G代码。
它是使数控机床建立起某种加工方式的指令，如插补、刀具补偿、固定循环等。
G功能字由地址符G和其后的两位数字组成，从G00—G99共100种功能。
见下表2-7。
表内标有字母a、c、d……字母的是表示所对应的第一列中的G代码为模态代码（功能保持到被取消或被同样字母表示的程序指令所代替），标有“*”的为非模态代码（功能仅在所显现的程序段内有效）。
字母相同的为一组，同组的任意两个G代码不能同时显现在一个程序段中。
表2-7预备功能G代码
代码
功能
作用
范畴
功能
代码
功能
作用
范畴
功能
G00
a
点定位
G50
#（d）
刀具偏置0/-
G01
a
直线插补
G51
#（d）
刀具偏置+/0
G02
a
顺时针圆弧插补
G52
#（d）
刀具偏置-/0
G03
a
逆时针圆弧插补
G53
f
直线偏移注销
G04
*
暂停
G54
f
直线偏移X
G05
#
不指定
G55
f
直线偏移Y
G06
a
抛物线插补
G56
f
直线偏移Z
G07
#
不指定
G57
f
直线偏移XY
G08
*
加速
G58
f
直线偏移XZ
G09
*
减速
G59
f
直线偏移YZ
G10-G16
#
不指定
G60
h
准确定位（精）
G17
c
XY平面选择
G61
h
准确定位（中）
G18
c
ZX平面选择
G62
h
准确定位（粗）
G19
c
YZ平面选择
G63
*
攻丝
G20-G32
#
不指定
G64-G67
#
不指定
G33
a
螺纹切削，等螺距
G68
#（d）
刀具偏置，内角
G34
a
螺纹切削，增螺距
G69
#（d）
刀具偏置，外角
G35
a
螺纹切削，减螺距
G70-G79
#
不指定
G36-G39
#
不指定
G80
e
固定循环注销
G40
d
刀具补偿/刀具偏置注销
G81-G89
e
固定循环
G41
d
刀具补偿--左
G90
j
绝对尺寸
G42
d
刀具补偿--右
G91
j
增量尺寸
G43
#（d）
刀具偏置—正
G92
*
预置寄存
G44
#（d）
刀具偏置—负
G93
k
进给率，时刻倒数
G45
#（d）
刀具偏置+/+
G94
k
每分钟进给
G46
#（d）
刀具偏置+/-
G95
k
主轴每转进给
G47
#（d）
刀具偏置-/-
G96
i
恒线速度
G48
#（d）
刀具偏置-/+
G97
i
每分钟转数（主轴）
G49
#（d）
刀具偏置0/+
G98-G99
#
不指定
（二）辅助功能M
辅助功能字是用于指定主轴的旋转方向、启动
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