情景二任务一简单阶梯轴加工.docx

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情景二任务一简单阶梯轴加工

任务一简单阶梯轴加工

【知识目标】

1.掌握数控机床的编程规则。

2.掌握数控加工程序开始与结束一般指令。

3.掌握用G00和G01指令加工阶梯轴的编程方法。

【能力目标】

1.掌握外圆加工刀具的选用、安装方法。

2.阶梯轴的加工方法。

3.数控机床的自动运行方法。

一、学习任务

如图2.1.1所示的阶梯轴零件，已知材料为45钢，毛坯尺寸为φ28×100。

要求分析零件的加工工艺，编写零件的数控加工程序，并通过仿真调试优化程序，最后进行零件的加工检验。

a）零件图b）实体图

图2.1.1阶梯轴类零件

二、任务相关知识

（一）轴类零件的装夹要求

车削加工前，必须将零件放在机床夹具中定位和夹紧，使零件在整个切削过程中始终保持正确的位置。

根据轴类零件的形状、大小、精度、数量的不同，可采用不同的装夹方法。

1、在三爪自定心卡盘上装夹

三爪自定心卡盘（如图2.1.2所示）的三个卡爪是同步运动的，能自动定心，装夹—般不需找正，故装夹零件方便、省时，但夹紧力较小，常用于装夹外形规则的中、小型零件。

三爪自定心卡盘有正爪、反爪两种形式，反爪用于装夹直径较大的零件。

2、在四爪单动卡盘上装夹

四爪单动卡盘（如图2.1.3所示）的卡爪是各自独立运动的，因此在装夹零件时必须找正后才可车削，但找正比较费时。

其夹紧力较大，常用于装夹大型或形状不规则的零件。

四爪单动卡盘的卡爪可装成正爪或反爪，反爪用于装夹较大的零件。

图2.1.2三爪单动卡盘图2.1.3四爪单动卡盘

3、用双顶尖装夹

对于较长的或工序较多的零件，为保证多次装夹的精度，采用双顶尖装夹的方法，如图2.1.4所示。

用双顶尖装夹零件方便，无需找正，重复定位精度高，但装夹前需保证零件总长并在两端钻出中心孔。

图2.1.4双顶尖装夹零件图2.1.5一夹—顶装夹零件

4、用一夹—顶装夹

用双顶尖装夹零件精度高，但刚性较差，故在车削一般轴类零件时采用一端用卡盘夹住，另—端用顶尖顶住的装夹方法，如图2.1.5所示。

为防止切削时产生轴向位移，可采用限位支承或台阶限位。

其中台阶限位安全，刚性好，能承受较大切削力，故应用广泛。

5、工件装夹的原则

（1）用三爪自定心卡盘装夹工件时，若工件直径<=30mm，其悬伸长度应不大于直径5倍，若工件直径>30mm，其悬伸长度应不大于直径的3倍。

（2）当工件长度较长或很长，为增加工件的刚性，防止在车削过程中产生振动、崩刀等，需采用一夹一顶或使用跟刀架。

（3）当加工轴类零件时，各个表面的同轴度要求很高。

可采用双顶尖装夹。

（4）加工一些特殊的零件，如薄壁套，要使用辅助夹具。

车内孔时使用开口套筒，以减少工件的变形。

车外圆时使用小锥度心轴，以内孔定位。

（5）被加工表面的回转轴线与基准面相互垂直的外形较复杂的工件（如壳体）可采用花盘。

（二）加工顺序的确定

数控车削加工顺序一般按照下列两个原则来确定。

1、先粗后精原则

所谓先粗后精，就是按照粗车→半精车→精车的顺序，逐步提高加工精度。

粗车可在较短时间内将工件表面上的大部分加工余量切掉。

一方面提高加工效率，另一方面使精车的加工余量均匀。

如粗车后所留余量的均匀性满足不了精车加工的要求，则应安排半精车。

为保证加工精度，精车时，要按照图样尺寸一刀出零件轮廓。

2、先近后远原则

这里所指的远与近，是按加工部位相对于对刀点的距离而言的。

离对刀点远的部位后加工，可以缩短刀具的移动距离，减少空行程时间。

对于车削而言，先近后远还有利于保持零件的刚性，改善切削条件。

（三）走刀路线的确定

精加的走刀路线基本上是沿其零件轮廓顺序进行的。

因此重点在于确定粗加工及空行程的走刀路线。

1、最短空行程路线

图2.1.6（a）所示为采用矩形循环方式进行粗车的一般情况，其对刀点A设置在较远的位置，是考虑到加工过程中需方便换刀，同时，将起刀点与对刀点重合在一起。

按三刀粗车的走刀路线安排：

第1刀为A→B→C→D→A：

第2刀为A→E→F→G→A：

第3刀为A→H→I→J→A。

a）起刀点与对刀点重合时b）起刀点与对刀点分离时

图2.1.6最短行程路线示意图

图2.1.6（b）所示则是将起刀点与对刀点分离，并设于B点位置，仍按相同的切削有量进行三刀粗车，其走刀路线安排：

对刀点A到起刀点B的空行程为A→B；

第1刀为B→C→D→E→B；

第2刀为B→F→G→H→B；

第3刀为B→I→J→K→B；

起刀点B到对刀点A的空行程B→A。

显然，图2.1.6（b）所示的走刀路线短。

2、大余量毛坯的切削路线

图2.1.7（a）所示为车削大余量工件走刀路线。

在同样的背吃刀量情况下，按图2.1.7（a）所示的1—5顺序切削，使每次所留余量相等。

按照数控车床加工的特点，还可以放弃常用的阶梯车削法，改用顺毛坯轮廓进给的走刀路线，如图2.1.7（b）所示。

a）阶梯车削法b）顺毛坯轮廓车削法

图2.1.7大余量毛坯的切削路线

（四）数控车床编程基础

数控车床的主要编程特点如下：

（1）在一个程序段中，可以采用绝对值编程（用X、Z表示）、增量值编程（用U、W表示）或者二者混合编程。

（2）直径方向（X方向）用绝对值编程时，X以直径值表示；用增量值编程时，以径向实际位移量的二倍值表示，并附方向符号（正向可以省略）。

（3）车削加工毛坯余量较大时，为简化编程，数控装置常备有不同形式的固定循环，可以进行多次重复循环切削。

（4）编程时，常认为车刀刀尖是一个点，而实际上为了提高刀具寿命和工件表面质量，车刀刀尖常被磨成一个圆弧，因此，当编制加工程序时，需要考虑对刀具进行半径补偿。

（五）程序的结构

数控程序是若干个程序段的集合。

每个程序段独占一行。

每个程序段由若干个字组成，每个字由地址和跟随其后的数字组成。

地址是一个英文字母。

一个程序段中各个字的位置没有限制，但是，长期以来如表2.1.1的排列方式已经成为大家都认可的方式：

表2.1.1排列方式

N-

G-

X-Y-Z-

····

F-

S-

T-

M-

LF

行号

准备功能

位置代码

进给速度

主轴转速

刀具号

辅助功能

行结束

在一个程序段中间如果有多个相同地址的字出现，或者同组的G功能，取最后一个有效。

（1）行号

Nxxxx程序的行号，可以不要，但是有行号，在编辑时会方便些。

行号可以不连续。

行号最大为9999，超过后从再从1开始。

选择跳过符号“/”，只能置于一程序的起始位置，如果有这个符号，并且机床操作面板上“选择跳过”打开，本条程序不执行。

这个符号多用在调试程序，如在开冷却液的程序前加上这个符号，在调试程序时可以使这条程序无效，而正式加工时使其有效。

（2）准备功能

地址“G”和数字组成的字表示准备功能，也称之为G功能，见表2.1.2。

G功能根据其功能分为若干个组，在同一条程序段中，如果出现多个同组的G功能，那么取最后一个有效。

G功能分为模态与非模态两类。

一个模态G功能被指令后，直到同组的另一个G功能被指令才无效。

而非模态的G功能仅在其被指令的程序段中有效。

例：

……

N10G01X250.Y320.

N11G04X100

N12G01Z-120.

N13X380.Y400.

……

在这个例子的N12这条程序中出现了“G01”功能，由于这个功能是模态的，所以尽管在N13这条程序中没有“G01”，但是其作用还是存在的。

表2.1.2准备功能指令

（3）辅助功能

地址“M”和两位数字组成的字表示辅助功能，也称之为M功能。

见表2.1.3。

表2.1.3辅助功能指令

代码

意义

M00

停止程序运行

M01

选择性停止

M02

结束程序运行

M03

主轴正向转动开始

M04

主轴反向转动开始

M05

主轴停止转动

M06

换刀指令

M08

冷却液开启

M09

冷却液关闭

M32

结束程序运行且返回程序开头

M98

子程序调用

M99

子程序结束

（4）主轴转速

地址S后跟四位数字，格式：

Sxxxx

G96是接通恒线速度控制的指令，当G96执行后，S后面的数值为切削速度。

例如：

G96S100表示切削速度100m/min。

G97是取消G96的指令。

执行G97后，S后面的数值表示主轴每分钟转数。

例如：

G97S800表示主轴转速为800r/min，系统开机状态为G97指令。

（5）进给功能

地址F后跟四位数字，格式：

Fxxxx

在含有G99程序段后面，再遇到F指令时，则认为F所指定的进给速度单位为mm/r。

系统开机状态为G99，只有输入G98指令后，G99才被取消。

而G98为每分钟进给，单位为mm/min。

（6）T功能

该指令用来控制数控系统进行选刀和换刀。

用地址T和其后的数字来指定刀具号和刀具补偿号，例如T0202表示采用2号刀具和2号刀补。

（六）基本指令G00、G01

在数控车床的程序中，X、Z后面跟的是绝对尺寸，U、W后面跟的是增量尺寸。

X、Z后所有编入的坐标值全部以编程原点为基准，U、W后所有编入的坐标值全部以刀具前一个坐标位置作为起始点来计算。

1、快速点位移动G00

格式：

G00X（U）_Z（W）_；

其中，X（U）_、Z（W）_为目标点坐标值。

说明：

（1）执行该指令时，刀具以机床规定的进给速度从所在点以点位控制方式移动到目标点。

移动速度不能由程序指令设定，它的速度已由生产厂家预先调定。

若编程时设定了进给速度F，则对G00程序段无效。

（2） G00为模态指令，只有遇到同组指令时才会被取替。

（3） X、Z后面跟的是绝对坐标值，U、W后面跟的是增量坐标值。

（4） X、U后面的数值应乘以2，即以直径方式输入，且有正、负号之分。

如图2.1.8所示，要实现从起点A快速移动到目标点C。

其绝对值编程方式为：

G00X141.2Z98.1；

其增量值编程方式为：

G00U91.8W73.4；

图2.1.8快速点定位

执行上述程序段时，刀具实际的运动路线不是一条直线，而是一条折线，首先刀具从点A以快速进给速度运动到点B，然后再运动到点C。

因此，在使用G00指令时要注意刀具是否和工件及夹具发生干涉，对不适合联动的场合，两轴可单动。

如果忽略这一点，就容易发生碰撞，而在快速状态下的碰撞就更加危险。

2．直线插补G01

直线插补也称直线切削，该指令使刀具以直线插补运算联动方式由某坐标点移动到另一坐标点，移动速度由进给功能指令F来设定。

机床执行G01指令时，如果之前的程序段中无F指令，在该程序段中必须含有F指令。

G01和F都是模态指令。

格式：

G01X（U）_Z（W）_F_；

其中，X（U）、Z（W）为目标点坐标，F为进给速度。

说明

（1） G01指令是模态指令，可加工任意斜率的直线。

（2） G01指令后面的坐标值取绝对尺寸还是取增量尺寸，由尺寸地址决定。

（3） G01指令进给速度由模态指令F决定。

如果在G01程序段之前的程序段中没有F指令，而当前的G01程序段中也没有F指令，则机床不运动，机床倍率开关在0%位置时机床也不运动。

因此，为保险期间G01程序段中必须含有F指令

（4） G01指令前若出现G00指令，而该句程序段中未出现F指令，则G01指令的移动速度按照G00指令的速度执行。

3、倒角和倒圆（G01指令的特殊用法）

G01指令在编程还有一种特殊用法，即倒角和倒圆。

倒角（见图2.1.9），倒圆（见图2.1.10）。

图2-1-9用G01指令倒角图2-1-10用G01指令倒圆

三、任务实施

（一）任务工艺分析

1、零件图分析

图3.7所示零件由阶梯状的圆柱面组成，零件的尺寸精度要求一般。

从右至左，零件的外径尺寸依次增大。

2、确定装夹方案

该零件为轴类零件，轴心线为工艺基准，加工外表面用三爪自定心卡盘夹持φ28mm外圆一次装夹完成加工。

3、加工工艺路线设计

①车端面；

②粗车Φ25、Φ20、Φ15外圆，留余量0.5mm；

③从右至左精加工各面；

④切断。

4、刀具选择

①90º外圆车刀T0101：

用于车端面和粗、精车外圆；

②切槽刀（宽为3mm）T0202：

用于切断。

（二）程序编制

工件原点设在零件的右端面，程序如下：

程序程序说明

O0001；程序号

N10M03S600T0101；换1号刀

N20G00X30.0Z2.0；

N30G00X0Z0F100；

N40G01X25.5Z0F150；车端面

N50G01Z-62.0；X28.0；粗车外圆

N60G00Z2.0；X20.5；

N70G01Z-35.0；X28.0；

N80G00Z2.0；X15.5；

N90G01Z-15.0；X21.0；

N100G00Z2.0；

N110G00X15.0Z2.0S800；

N120G01X15.0Z-15.0F80；精车Φ15外圆

N130X20.0；Z-35.0；精车Φ20外圆

N140X25.0；Z-62.0；精车Φ25外圆

N150G00X50.0；Z50.0

N160G00X32.0Z-63.0T0202；换2号切断刀，使用2号刀补

N170G01X1.0F40；切断

N180G00X50.0Z50.0T0200M05；

N190M02；

（三）仿真加工

使用数控加工仿真软件对加工程序进行检验，正确进行数控加工仿真的操作，完成零件的仿真加工。

（四）车间实际加工

通过仿真加工后，确定零件程序的正确性后，在实训车间对该零件进行实际操作加工。

1、零件的夹紧

零件的夹紧操作要注意夹紧力与装夹部位，是毛坯时夹紧力可大些；是已加工表面，夹紧力就不可过大，以防止夹伤零件表面，还可用铜皮包住表面进行装夹；有台阶的零件尽量让台阶靠着卡爪端面装夹；带孔的薄壁件需用专用夹具装夹，以防止变形。

2、刀具的装夹

刀尖高度与工件的回转中心线等高，刀尖伸出长度约为刀具厚度的1.5倍。

（五）零件检测及评价

利用游标卡尺、外径千分尺、内径千分尺、表面粗糙度工艺样板等量具测量工件，学生对自己加工的零件进行检测，包括尺寸精度的检测和零件加工质量的检测。

四、拓展知识

（一）外圆切削循环（G90）

功能：

当零件的内、外圆柱面上毛坯余量较大时，用G90可以去除大部分毛坯余量。

切削圆柱面时，格式为：

G90X（U）Z（W）F；

如图2.1.11所示，刀具从循环起点开始按矩形循环，最后又回到循环起点。

图中虚线表示按R快速移动，实线表示按F指定的工件进给速度移动。

X、Z为圆柱面切削终点坐标值；U、W为圆柱面切削终点相对循环起点的坐标分量。

图2-1-11圆柱面切削循环图2-1-12端平面切削循环

（二）端面切削循环（G94）

功能：

当零件的端面上毛坯余量较大时，用G94可以去除大部分毛坯余量。

切削端平面时，格式为：

G94X（U）____Z（W）____F____

如图2.1.12所示，X、Z为端平面切削终点坐标值，U、W为端面切削终点相对循环起点的坐标分量。

五、技能练习

1、毛坯为φ47mm的棒料，材料为45钢，要求完成零件的数控加工，车削尺寸至图中要求。

2、毛坯为φ90mm的棒料，材料为45钢，要求完成零件的数控加工，车削尺寸至图中要求。