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1数控加工工艺设计
第3章模具数控加工
3.1模具数控加工的基础知识
3.1.1数控加工的基本概念
1.数控与数控机床
数字控制（NumericalControl，NC）是用数字化信号对机床的运动及其加工过程进行控制的一种方法。
是一种自动控制技术。
数控机床就是采用了数控技术的机床，或者说是装备了数控系统的机床。
只需编写好数控程序，机床就能够把零件加工出来。
2.数控加工
数控加工是指在数控机床上进行零件加工的一种工艺方法。
数控加工与普通加工方法的区别在于控制方式。
在普通机床上进行加工时，机床动作的先后顺序和各运动部件的位移都是由人工直接控制。
在数控机床上加工时，所有这些都由预先按规定形式编排井输人到数控机床控制系统的数控程序来控制。
因此，实现数控加工的关键是数控编程。
编制的程序不同就能加工出不同的产品，因此它非常适合于多品种，小批量生产方式。
3.数控加工研究的主要内容
（1）数控加工工艺设计
工艺设计是对工件进行数控加工的前期工艺准备工作，它必须在程序编制工作以前完成，因为只有工艺设计方案确定以后，程序编制工作才有依据。
工艺设计是否优化，往往是造成数控加工成本多少和数控加工差错的主要原因之一，所以编程人员一定要先做好工艺设计，再考虑编程。
工艺设计主要有以下内容：
1）选择并决定零件的数控加工内容；
2）零件图纸的数控加工艺性分析；
3）数控加工的工艺路线设计；
4）数控加工的工序设计；
5）数控加工专用技术文件的编写。
（2）对零件图形的数学处理。
（3）编写数控加工程序单。
（4）按程序单制作控制介质。
（5）程序的校验与修改。
（6）首件试切加工与现场问题处理。
（7）数控加工工艺技术文件的定型与归档。
3.1.2数控机床的工作原理与分类
1.数控机床的工作原理
数控机床加工零件时，首先要根据加工零件的图样与工艺方案，按规定的代码和程序格式编写零件的加工程序单，这是数控机床的工作指令。
通过控制介质将加工程序输入到数控装置，由数控装置将其译码、寄存和运算之后，向机床各个被控量发出信号，控制机床主运动的变速、起停、进给运动及方向、速度和位移量，以及刀具选择交换，工件夹紧松开和冷却润滑液的开、关等动作，使刀具与工件及其他辅助装置严格地按照加工程序规定的顺序、轨迹和参数进行工作，从而加工出符合要求的零件。
2.数控机床的组成
数控机床主要由控制介质、数控装置、伺服系统和机床本体等四部分组成，如图3.1.1所示。
图3.1.1数控机床的组成
（1）控制介质控制介质是用于记载各种加工信息（如零件加工工艺过程、工艺参数和位移数据等）的媒体，经输入装置将加工信息送给数控装置。
常用的控制介质有标准的纸带、磁带和磁盘，还可以用手动方式（MDI方式）或者用与上一级计算机通信方式将加工程序输入CNC装置。
（2）数控装置数控装置是数控机床的核心，它的功能是接受输入装置输入的加工信息，经过数控装置的系统软件或逻辑电路进行译码、运算和逻辑处理之后，发出相应的脉冲送给伺服系统，通过伺服系统控制机床的各个运动部件按规定要求动作。
（3）伺服系统伺服系统由伺服驱动电动机和伺服驱动装置组成，它是数控系统的执行部分。
机床上的执行部件和机械传动部件组成数控机床的进给伺服系统和主轴伺服系统，根据数控装置的指令，前者控制机床各轴的切削进给运动，后者控制机床主轴的旋转运动。
伺服系统有开环、闭环和半闭环之分，图3.1.2。
在闭环和半闭环伺服系统中，还需配有检测装置，用于进行位置检测和速度检测。
图3.1.2开环、闭环和半闭环
（4）机床本体数控机床的本体包括：
主运动部件，进给运动部件如工作台，刀架及传动部件和床身立柱等支撑部件，此外还有冷却、润滑、转位、夹紧等辅助装置。
对加工中心类的数控机床，还有存放刀具的刀库，交换刀具的机械手等部件。
3.数控机床的分类
国内外数控机床的种类有数千种，如何分类尚无统一规定。
常见的分类方法有：
按机械运动的轨迹可分为点位控制系统、直线控制系统和轮廓控制系统。
按伺服系统的类型可分为开环控制系统、闭环控制系统和半闭环控制系统。
按控制坐标轴数可分为两坐标数控机床、三坐标数控机床和多坐标数控机床。
按数控功能水平可分为高档数控机床、中档数控机床和低档数控机床。
但从用户角度考虑，按机床加工方式或能完成的主要加工工序来分类更为合适。
按照数控机床的加工方式，可以分成以下几类：
（1）金属切削类数控机床有数控车床、数控铣床、数控钻床、数控镗床、数控磨床、数控齿轮加工机床和加工中心等。
（2）金属成形类数控机床有数控折弯机、数控弯管机、数控冲床、数控旋压机等。
（3）特种加工类数控机床有数控电火花线切割机床、数控电火花成形机床及数控激光切割焊接机等。
3.1.3数控加工的特点与应用
1.数控加工的特点
（1）加工精度高数控机床是精密机械和自动化技术的综合，所以机床的传动精度与机床的结构设计都考虑到要有很高的刚度和热稳定性，它的传动机构采用了减小误差的措施，并由数控装置补偿，所以数控机床有较高的加工精度。
数控机床的定位精度可达±0.005mm，重复定位精度为±0.002mm。
而且数控机床的自动加工方式还可以避免人为的操作误差，使零件尺寸一致，质量稳定，加工零件形状愈复杂，这种特点就愈显著。
（2）自动化程度高和生产率高数控加工是按事先编好的程序自动完成零件加工任务的，操作者除了安放控制介质及操作键盘、装卸零件、关键工序的中间测量以及观察机床的运动情况外，不需要进行繁重的重复性手工操作，因此自动化程度很高，管理方便。
同时,由于数控加工能有效减少加工零件所需的机动时间和辅助时间，因而加工生产率比普通机床高很多。
（3）适应性强当改变加工零件时，只需更换加工程序，就可改变加工工件的品种，这就为复杂结构的单件，小批量生产以及试制新产品提供了极大的便利，特别是普通机床很难加工或无法加工的精密复杂型面。
（4）有利于生产管理现代化用数控机床加工零件，能准确地计算零件的加工工时，并有效地简化了检验和工夹具、半成品的管理工作，这些都有利于使生产管理现代化。
（5）减轻劳动强度,改善劳动条件操作者不需繁重而又重复的手工操作，劳动强度和紧张程度大大改善，另外工作环境整洁，劳动条件也相应改善。
（6）成本高数控加工不仅初始投入资金大（数控设备及计算机系统），而且复杂零件的编程工作量也大，从而增加了它的生产成本。
2.数控加工的应用
从数控加工的一系列特点可以看出，数控加工有一般机械加工所不具备的许多优点，所以其应用范围也在不断地扩大。
他特别适合加工多品种、中小批量以及结构形状复杂、加工精度要求高的零件；特别是加工需频繁变化的模具零件，越来越多地倚重于数控加工技术。
数控加工目前它并不能完全代替普通机床，也还不能以最经济的方式解决机械加工中的所有问题。
3.数控加工技术的发展
数控加工技术是综合运用了微电子、计算机、自动控制、自动检测和精密机械等多学科的最新技术成果而发展起来的，它的诞生和发展标志着机械制造业进人了一个数字化的新时代，为了满足社会经济发展和科技发展的需要，它正朝着高精度、高速度、高可靠性、多功能、智能化及开放性等方向发展。
3.2数控机床加工的编程基础
3.2.1程序编制的基本方法
1.程序编制的基本步骤与方法
程序编制是指从零件图样到制成控制介质的过程。
程序编制的步骤如图3.2.1所示。
图3.2.1程序编制的一般过程
（1）确定工艺过程
选择适合数控加工的工件和合理的加工工艺是提高数控加工技术经济效果的首要因素。
在制订零件加工工艺时，应根据图样对工件的形状、技术条件、毛坯及工艺方案等进行详细分析，从而确定加工方法、定位夹紧方法及工步顺序，并合理选用机床设备、刀具及切削条件等。
（2）运动轨迹的坐标值计算
根据零件图样的几何尺寸、进给路径以及坐标系计算粗加工和精加工时的各个运动轨迹坐标值。
如运动轨迹的起点和终点、圆弧的圆心等坐标尺寸；对圆形刀具，还要注意计算刀心运动轨迹的坐标，对非圆曲线，必须计算逼近线段的交点坐标值，并限制在允许误差范围以内。
（3）编写加工程序单
根据计算出的运动轨迹坐标值和已确定的加工顺序、刀号、切割参数以及辅助动作，按照数控装置规定使用的功能指令代码及程序格式，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符号。
此外，还应附上必要的加工示意图、刀具布置图、机床调整卡、工序卡以及必要说明（如零件名称与图号、零件程序号、机床型号以及日期等等）。
（4）制备控制介质
程序单只是程序设计完成后的文字记录，还必须将程序单的内容制成穿孔纸带或磁盘等，作为数控装置的输入信息。
（5）程序校验和首件试切
程序单和所制备的控制介质必须经过校验和试切削才能正式使用。
一般的方法是将控制介质上的内容输入到CNC装置进行机床的空转检查，在有CRT屏幕图形显示的数控机床上用图形模拟刀具相对工件的运动则更为方便。
为了确保加工零件的质量，必要时要用首件试切的方法进行实际切削检查。
根据零件几何形状的复杂程度、程序的长短以及编程精度要求的不同，可采用不同的编程方法，主要有手工编程和计算机零件编程。
手工编程是指整个编程过程均由人工完成，而计算机零件编程是利用计算机来编制数控加工程序，自动地输出零件加工程序单及自动地制作控制介质，所以也称自动编程。
2.数控机床的坐标系
统一规定数控机床坐标轴名称及其运动的正负方向，是为了使所编程序对同类型机床有互换性，同时也使程序编制简便。
目前，国际标准化组织已经统一了标准的坐标系。
我国也已颁布了JB3051～1999《数控机床坐标和运动方向的命名》标准。
（1）坐标轴的命名
标准的坐标系（又称基本坐标系）采用右手直角笛卡尔坐标系，如图3.3.2所示。
图3.2.2右手直角笛卡儿坐标系
这个坐标系的各个坐标轴与机床的主要导轨相平行。
直角坐标x、y、z三者的关系及其正方向用右手定则判定，围绕x、y、z各轴（或与x、y、z各轴相平行的直线）回转的运动及其正方向+A,+B.+C分别用右手螺旋定则确定。
通常在坐标命名或编程时，不论机床在加工中是刀具移动还是被加工工件移动，都一律假定被加工工件相对静止不动，而刀具在移动，并同时规定刀具远离工件的方向为坐标的正方向。
在坐标轴命名时，如果把刀具看作相对静止不动，工件运动，那么在坐标轴的符号上应加注标记“′”，如x′、y′、z′、A′、B′、C′等。
其运动方向与不带“′”的方向正好相反。
（2）机床坐标轴的确定
确定机床坐标轴时，一般是先确定z轴，再确定x轴和y轴。
①z轴对于有主轴的机床，如卧式车床、立式升降台铣床等，则以主轴轴线方向作为z轴方向。
对于没有主轴的机床，如龙门铣床等，则以与装夹工件的工作台面相垂直的直线作为z轴方向。
如果机床有几根主轴，则选择其中一个与工作台面相垂直的主轴为主要主轴，并以它来确定z轴方向（如龙门铣床）。
同时标准规定，刀具远离工件的方向为z轴的正方向。
②x轴x轴一般位于与工件安装面相平行的水平面内。
对于由主轴带动工件旋转的机床，如车床、磨床等，则在水平面选定垂直于工件旋转轴线的方向为x轴，且刀具远离主轴轴线的方向为x轴正方向。
对于由主轴带动刀具旋转的机床，若主轴是水平的，如卧式升降台铣床等，由主要刀具主轴向工件看，选定主轴右侧方向为x正方向；若主轴是竖直的，如立式铣床、立式钻床等,由主要刀具主轴向立柱看，选定主轴右侧方向为x轴正方向；对于无主轴的机床，则选定主要切削方向为x轴正方向。
③y轴y轴方向可根据已选定的z、x轴按右手直角笛卡尔坐标系来确定。
④附加坐标轴如果机床除有x、y、z主要坐标轴以外，还有平行于它们的坐标轴，可分别指定为U、V、W。
如果还有第三组运动，则分别指定为P、Q、R。
⑤旋转运动A、B、C相应表示围绕x、y、z三轴轴线的旋转运动，其正方向分别按x、y、z轴右螺旋法则判定。
⑥主轴回转运动方向主轴顺时针回转运动的方向是按右螺旋进入工件的方向。
（3）机床原点与机床坐标系
机床原点（M）又称机床零点，是机床上的一个固定点，由机床生产厂在设计机床时确定，原则上是不可改变的。
以机床原点为坐标原点的坐标系就称为机床坐标系（图2.3.3～图2.3.4）。
机床原点是工件坐标系、编程坐标系、机床参考点的基准点。
也就是说只有确定了机床坐标系，才能建立工件坐标系，才能进行其他操作。
（4）机床参考点
机床参考点（R）是机床坐标系中一个固定不变的位置点,是由机床制造厂人为定义的点，是用于对机床工作台、滑板与刀具之间相对运动的测量系统进行标定和控制的点。
机床参考点相对于机床原点的坐标是一个已知定值。
数控机床通电后，在准备进行加工之前，要进行返回参考点的操作，使刀具或工作台退回到机床参考点，此时，机床显示器上将显示出机床参考点在机床坐标系中的坐标值，就相当于在数控系统内部建立了一个以机床原点为坐标原点的机床坐标系。
图2.3.3数控车床坐标系图2.3.4卧式加工中心坐标系
（5）工件原点与工件坐标系
数控编程时，首先应该确定工件坐标系和工件原点。
编程人员以工件图样上的某一点为原点建立工件坐标系，编程尺寸就按工件坐标系中的尺寸来确定。
工件随夹具安装在机床上后，这时测得的工件原点与机床原点间的距离称为工件原点偏置，操作者要把测得的工件原点偏置量存储到数控系统中。
加工时，工件原点偏置量自动加到工件坐标系上。
因此，编程人员可以不考虑工件在机床上的安装位置，直接按图样尺寸进行编程。
（6）编程原点
编程原点是程序中人为采用的原点。
一般取工件坐标系原点为编程原点。
对于形状复杂的零件，有时需要编制几个程序或子程序，为了编程方便，编程原点就不一定设在工件原点上了。
如图2.3.5所示，M为机床原点，W为工件原点，P为编程原点。
（7）刀位点、对刀点和换刀点
数控机床中使用的刀具类型很多，为了更准确地描述刀具运动，需要引入刀位点的概念。
对于立铣刀来说，刀位点是刀具的轴线与刀具底平面的交点；对球头铣刀来说是球头部分的球心；对车刀来说是刀尖；对钻头来说是钻尖。
对刀点是数控加工时刀具（刀位点）运动的起点。
对刀点确定后，刀具相对编程原点的位置就确定了。
为了提高工件的加工精度，对刀点应尽量选在工件的设计基准或工艺基准上。
同时，对刀点找正的准确度直接影响到工件的加工精度。
当用夹具时常用与工件零点有固定联系尺寸的圆柱销等进行对刀，则用对刀点作为起刀点。
如图3.2.6所示，对刀元件在夹具上，X1、Y1为固定尺寸，X0、Y0为零点偏置，可用MDI方式以对刀点相对于机床零点间的显示值确定偏置值并予以记忆，由补偿号调用。
换刀点是在为数控车床、数控钻镗床、加工中心等多刀加工的机床编制程序时设定的，用以实现在加工中途换刀。
换刀点的位置应根据工序内容和数控机床的要求而定，为了防止换刀时刀具碰伤工件或夹具等，换刀点常常设在被加工工件的外面，并要远离工件。
图3.2.5数控机床的圆点偏置图3.2.6夹具上的对刀点
3.2.2数控程序的指令和代码
在数控编程中，是用G指令代码、M指令代码及F、S、T等指令来描述加工工艺过程、数控系统的运动特征、数控机床的起动与停止、冷却液的开关等辅助功能，以及给出进给速度、主轴转速等。
目前国际上几乎所有的数控机床都支持ISO标准。
我国根据ISO标准制定的JB3208—83标准的G代码和M代码与ISO标准完全等效。
但也有些国家或集团公司所制定的G代码和M代码的含义与此完全不同，操作时务必根据使用说明书进行编程。
1.准备功能“G”指令
它是由字母“G”和其后的二位数字组成，从G00至G99共有100条指令，见表3.2.1。
这些指令主要是命令数控机床进行何种运动，为控制系统的插补运算作好准备。
所以，一般它们都位于程序段中坐标数字指令的前面。
常用的G指令有：
G01——直线插补指令。
使机床进行二坐标（或三坐标）联动的运动，在各个平面内切削出任意斜率的直线；
G02、G03——圆弧插补指令。
G02为顺时针圆弧插补指令，G03为逆时针圆弧插补指令。
使用圆弧插补指令之前必须应用平面选择指令，指定圆弧插补的平面；
G00——快速点定位指令。
它命令刀具以定位控制方向从刀具所在点以最快速度移动到下一个目标位置。
它只是快速定位，而无运动轨迹要求；
Gl7、Gl8、Gl9——坐标平面选择指令。
Gl7指定零件进行xy平面上的加工，Gl8和Gl9分别为zx,yz平面上的加工。
这些指令在进行圆弧插补、刀具补偿时必须使用；
G40、G41、G42——刀具半径补偿指令。
利用该指令之后，可以按零件轮廓尺寸编程，由数控装置自动地计算出刀具中心轨迹。
其中G41为左偏刀具半径补偿指令，G42为右偏刀具半径补偿指令，G40为刀具半径补偿撤消指令；
G90、G91——绝对坐标尺寸及增量坐标尺寸编程指令。
其中G90表示程序输人的坐标值按绝对坐标值取，G91表示程序段的坐标值按增量坐标值取。
2.辅助功能“M”指令
辅助功能M指令是由字母“M”和其后的二位数字组成，从M00至M99共100条指令，见表3.2.2。
这些指令与数控系统的插补运算无关，主要是为了数控加工、机床操作而设定的工艺性指令及辅助功能。
常用的辅助功能指令有。
M00——程序停止。
完成该程序段的其他功能后，主轴、进给、冷却液送进都停止；
M01——计划停止。
该指令与M00类似。
所不同的是，必须在操作面板上预先按下“任选停止”按钮，才能使程序停止，否则M01不起作用。
当零件加工时间较长或在加工过程中需要停机检查、测量关键部位以及交接班等情况时使用该指令很方便；
M02——程序结束。
当全部程序结束时使用该指令，它使主轴、进给、冷却液送进停止，并使机床复位；
M03、M04、M05——分别命令主轴正转、反转和停转；
M06——换刀指令。
常用于加工中心机床刀具库换刀前的准备动作；
M07、M08——分别命令2号切削液和1号切削液开（冷却泵起动）；
M09——切削液停；
M10、M11——运动部件的夹紧及松开；
M30——程序结束并倒带。
该指令与M02类似。
所不同的是，可使程序返回到开始状态，即使纸带倒回起始位置；
M98——子程序调用指令；
M99——子程序返回到主程序指令。
表3.2.1准备功能G指令
代码
（1）
功能保持到被取消或被同样字母表示的程序指令所代替
（2）
功能仅在所出出现的程序段有作用
（3）
功能
（4）
代码
（1）
功能保持到被取消或被同样字母表示的程序指令所代替
（2）
功能仅在所出出现的程序段有作用
（3）
功能
（4）
G00
a
点定位
G51
#（d）
刀具偏置＋/0
G01
a
直线插补
G52
#（d）
刀具偏置－/0
G02
a
顺时针方向圆弧插补
G53
f
直线偏移，注销
G03
a
逆时针方向圆弧插补
G54
f
直线偏移X
G04
*
暂停
G55
f
直线偏移Y
G05
#
#
不指定
G56
f
直线偏移Z
G06
a
抛物线插补
G57
f
直线偏移XY
G07
#
#
不指定
G58
f
直线偏移XZ
G08
*
加速
G59
f
直线偏移YZ
G09
*
减速
G60
h
准确定位1（精）
G10～G16
#
#
不指定
G61
h
准确定位2（中）
G17
c
XY平面选择
G62
h
快速定位（粗）
G18
c
ZX平面选择
G63
*
攻螺纹
G19
c
YZ平面选择
G64～G67
#
#
不指定
G20～G32
#
#
不指定
G68
#（d）
#
刀具偏置，内角
G33
a
螺纹切削，等螺距
G69
#（d）
#
刀具偏置，外角
G34
a
螺纹切削，增螺距
G70～G79
#
#
不指定
G35
a
螺纹切削，减螺距
G80
e
固定循环注销
G36～G39
#
#
永不指定
G81～G89
e
固定循环
G40
d
刀具补偿/刀具偏置注销
G90
j
绝对尺寸
G41
d
刀具补偿－左
G91
j
增量尺寸
G42
d
刀具补偿－右
G92
*
预置寄存
G43
#（d）
刀具偏置－正
G93
k
时间倒数，进给率
G44
#（d）
刀具偏置－负
G94
k
每分钟进给
G45
#（d）
刀具偏置＋/＋
G95
k
主轴每转进给
G46
#（d）
刀具偏置＋/－
G96
I
恒线速度
G47
#（d）
刀具偏置－/－
G97
I
每分钟转数
G48
#（d）
刀具偏置－/＋
G98～G99
#
#
不指定
G49
#（d）
刀具偏置0/＋
G50
#（d）
刀具偏置0/－
注：
1.#号表示如选作特殊用途，必须在程序格式说明中说明。
2.如在直线切割控制中没有刀具补偿，则G43到G52可指定作其他用途。
3.在表中左栏括号中的字母（d）表示可以被同栏中没有括号的字母d所注销或代替，亦可被有括号的字母（d）所注销或代替。
4.G45～G52的功能可用于机床上任意两个预定的坐标。
5.控制机上没有G53到G59和G63功能时，可以指定作其他用途。
表3.2.2辅助功能M指令
代码
（1）
功能开始时间
功能保持到注销或被适当程序指令代替
（4）
功能仅在所出现的程序段内有作用
（5）
功能
（6）
与程序段指令运动同时开始
（2）
在程序段指令运动完成后开始
（3）
M00
*
*
程序停止
M01
*
*
计划停止
M02
*
*
程序结束
M03
*
*
主轴顺时针方向
M04
*
*
主轴逆时针方向
M05
*
*
主轴停止
M06
#
#
*
换刀
M07
*
*
2号切削液开
M08
*
*
1号切削液开
M09
*
*
切削液关
M10
#
#
*
夹紧
M11
#
#
*
松开
M12
#
#
#
#
不指定
M13
*
*
主轴顺时针方向，切削液开
M14
*
*
主轴逆时针方向，切削液开
M15
*
*
正运动
M16
*
*
负运动
M17～M18
#
#
#
#
不指定
M19
*
*
主轴定向停止
M20～M29
#
#
#
#
永不指定
M30
*
*
纸带结束
M31
#
#
互锁旁路
M32～M35
#
#
#
#
不指定
M36
*
#
进给范围1
M37
*
#
升级会员 