《数控加工技术》第四章 数控铣床的程序编制.docx

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《数控加工技术》第四章数控铣床的程序编制

数控铣床的程序编制

数控铣床是一种加工功能很强的数控机床,目前迅速发展起来的加工中心、柔性加工单元等都是在数控铣床、数控镗床的基础上产生的,两者都离不开铣削方式。

由于数控铣削工艺最复杂，需要解决的技术问题也最多，因此,目前人们在研究和开发数控系统及自动编程语言的软件系统时，也一直把铣削加工作为重点。

第一节　数控铣床程序编制的基础

一、数控铣床的主要功能及加工对象

1.数控铣床的主要功能

数控铣床也像通用铣床那样可以分为立式、卧式和立卧两用式数控铣床,各类铣床配置的数控系统不同,其功能也不尽相同。

除各有其特点之外，常具有下列主要功能:

（1）点位控制功能利用这一功能,数控铣床可以进行只需要作点位控制的钻孔、扩孔、锪孔、铰孔和镗孔等加工。

（2）连续轮廓控制功能数控铣床通过直线与圆弧插补,可以实现对刀具运动轨迹的连续轮廓控制，加工出由直线和圆弧两种几何要素构成的平面轮廓工件。

对非圆曲线（椭圆、抛物线、双曲线等二次曲线及对数螺旋线、阿基米德螺旋线和列表曲线等等）构成的平面轮廓,在经过直线或圆弧逼近后也可以加工。

除此之外，还可以加工一些空间曲面。

（3）刀具半径自动补偿功能　使用这一功能，在编程时可以很方便地按工件实际轮廓形状和尺寸进行编程计算，而加工中可以使刀具中心自动偏离工件轮廓一个刀具半径，加工出符合要求的轮廓表面。

也可以利用该功能,通过改变刀具半径补偿量的方法来弥补铣刀制造的尺寸精度误差,扩大刀具直径选用范围及刀具返修刃磨的允许误差。

还可以利用改变刀具半径补偿值的方法,以同一加工程序实现分层铣削和粗、精加工或用于提高加工精度。

此外,通过改变刀具半径补偿值的正负号,还可以用同一加工程序加工某些需要相互配合的工件（如相互配合的凹凸模等）。

（4）刀具长度补偿功能利用该功能可以自动改变切削平面高度，同时可以降低在制造与返修时对刀具长度尺寸的精度要求，还可以弥补轴向对刀误差。

（５）　镜象加工功能　镜象加工也称为轴对称加工。

对于一个轴对称形状的工件来说,利用这一功能，只要编出一半形状的加工程序就可完成全部加工了。

（6）固定循环功能　

利用数控铣床对孔进行钻、扩、铰、锪和镗加工时,加工的基本动作是:

刀具无切削快速到达孔位一慢速切削进给一快速退回。

对于这种典型化动作，可以专门设计一段程序（子程序）,在需要的时候进行调用来实现上述加工循环。

特别是在加工许多相同的孔时，应用固定循环功能可以大大简化程序。

利用数控铣床的连续轮廓控制功能时，也常常遇到一些典型化的动作，如铣整圆、方槽等,也可以实现循环加工。

对于大小不等的同类几何形状（圆、矩形、三角形、平行四边形等），也可以用参数方式编制出加工各种几何形状的子程序,在加工中按需要调用，并对于程序中设定的参数随时赋值，就可以加工出大小不同或形状不同的工件轮廓及孔径、孔深不同的孔。

目前,已有不少数控铣床的数控系统附带有各种已编好的子程序库，并可以进行多重嵌套,用户可以直接加以调用，编程就更加方便。

（7）特殊功能　有些数控铣床在增加了计算机仿形加工装置后,可以在数控和靠模两种控制方式中任选一种来进行加工，从而扩大了机床使用范围。

具备自适应功能的数控铣床可以在加工过程中把感受到的切削状况（如切削力、温度等）的变化，通过适应性控制系统及时控制机床改变切削用量，使铣床及刀具始终保持最佳状态，从而可获得较高的切削效率和加工质量，延长刀具使用寿命。

数控铣床在配置了数据采集系统后，就具备了数据采集功能。

数据采集系统可以通过传感器（通常为电磁感应式、红外线或激光扫瞄式）对工件或实物依据（样板、模型等）进行测量和采集所需要的数据。

而且，目前已出现既能对实物扫瞄采集数据,又能对采集到的数据进行自动处理并生成数控加工程序的系统（简称录返系统）。

这种功能为那些必须按实物依据生产的工件实现数控加工带来了很大的方便,大大减少了对实样的依赖，为仿制与逆向进行设计一制造一体化工作提供了有效手段。

2.数控铣床的加工工艺范围

铣削是机械加工中最常用的加工方法之一,它主要包括平面铣削和轮廓铣削,也可以对零件进行钻、扩、铰、锪和镗孔加工与攻螺纹等。

在铣削加工中,它特别适用于加工下列几类零件：

（1）　平面类零件

平面类零件是指加工面平行、垂直于水平面或其加工面与水平面的夹角为定角的零件。

目前在数控铣床上加工的绝大多数零件属于平面类零件。

这类零件的特点是,各个加工表面是平面，或可以展开为平面，图4—1所示的三个零件都属于平面类零件。

其中的曲线轮廓面M和正圆台面Ｎ,展开后均为平面。

　　　　　图4—1平面类零件

平面类零件是数控铣削加工对象中最简单的一类,一般只须用三坐标数控铣床的两坐标联动（即两轴半坐标加工）就可以把它们加工出来。

有些平面类零件的某些加工表面（或加工表面的母线）与水平面既不垂直也不平行，而是存在一个定角，这些斜面的加工常用以下几种方法:

１）对图4—１ｂ）所示的斜面P,当工件尺寸不大时,可用斜板垫平后加工，如机床主轴可以摆角,则可以摆成适当的定角来加工。

当工件尺寸很大,斜面坡度又较小时,也常用行切法加工，但会在加工面上留下迭刀时的刀峰残留痕迹，要用钳修方法加以清除。

当然,加工斜面的最佳方法是用五坐标铣床主轴摆角后加工,可以不留残痕。

2）图４—1c）所示的正圆台和斜筋表面,一般可用专用的角度成型铣刀来加工,此时若采用五坐标铣床摆角加工反而不经济。

（２）变斜角类零件

加工面与水平面的夹角呈连续变化的零件称为变斜角类零件。

图4—2是飞机上的一种变斜角梁缘条,该零件在第2肋至第5肋的斜角a从3°10′,均匀变化为２°３2′,从第5肋至第9肋再均匀变化为l°2０′,从第9肋到第1２肋又均匀变化至０°。

变斜角类零件的变斜角加工面不能展开为平面,但在加工中,加工面与铣刀圆周接触的瞬间为一条直线。

加工变斜角类零件最好采用四坐标和五坐标数控铣床摆角加工，在没有上述机床时，也可在三坐标数控铣床上进行二轴半控制的近似加工。

（３）　曲面类（立体类）零件

加工面为空间曲面的零件称为曲面类零件。

曲面类零件的加工面不仅不能展开为平面，而且它的加工面与铣刀始终为点接触。

加工曲面类零件一般采用三坐标数控铣床。

常用的加工方法主要有下列两种：

1）采用三坐标数控铣床进行二轴半坐标控制加工，加工时只有两个坐标联动,另一个坐标按一定行距周期性进给。

这种方法常用于不太复杂的空间曲面的加工,图4—3是对曲面进行二轴半坐标行切加工的示意图。

2）采用三坐标数控铣床三坐标联动加工空间曲面。

所用铣床必须能进行Ｘ、y、Ｚ三坐标联动加工，进行空间直线插补。

这种方法常用于发动机及模具等较复杂空间曲面的加工。

加工曲面类零件的刀具一般使用球头刀具,因为其它刀具加工曲面时更容易产生干涉而铣伤邻近表面。

二、数控铣床工艺装备的特点

数控铣床的工艺装备主要是指夹具和刀具两类。

1．夹具

数控铣床可以加工形状复杂的零件，但数控铣床所使用的夹具往往并不很复杂,只要求有简单的定位、夹紧机构就可以了。

在选用铣削夹具时,通常需要考虑产品的生产批量、生产效率、质量保证及经济性等，在生产量小或研制时,应尽量采用组合夹具。

小批或成批生产时可考虑采用专用夹具。

在生产批量较大时，可考虑采用多工位夹具和气动、液压夹具。

但此类夹具结构较复杂,造价往往较高,而且制造周期较长。

2．刀具

根据被加工零件材料、热处理状态、切削性能及加工余量,选择刚性好、耐用度高的铣刀，是充分发挥数控铣床的生产效率和获得满意加工质量的前提。

数控铣床除可以使用各种通用铣刀、成型铣刀外、还常使用适于加工空间曲面零件的球头铣刀（图４—4）。

另外还有鼓形铣刀（图4—５），它主要用于加工变斜角面。

端铣刀是数控铣床最常用的刀具，编程前经常要对端铣刀的几何尺寸进行选择。

图4—6是一把典型的端铣刀加工简图，其中:

D为铣刀直径，L为铣刀总长，ｌ为铣刀刃长，r为铣刀端刃圆角半径,H为所要铣削的工件侧壁最大高度（或最大槽深）,R为工件壁板之间的转接圆弧半径。

在选择铣刀直径时，首先要认真考虑工件加工部位的几何尺寸,一般来说，为减少走刀次数和提高生产率及保证铣刀有足够的刚性，应尽量选择直径较大的铣刀。

但选择铣刀直径时常常受到某些因素的制约，例如:

加工区域的开敞性,内腔尺寸的大小，工件材料及工件的刚性等。

特别是当工件内轮廓转接圆弧（凹圆弧）Ｒ较小，而槽深或壁板高度Ｈ较大时,会将刀具限制为细长形，其刚性就很差。

铣刀直径Ｄ与刃长l的比值大小能客观地反映出铣刀刚性特征,这里推荐将Ｄ／ｌ≥0．4～0.５作为检验铣刀刚性的条件。

为了解决当工件内转接半径Ｒ较小，而槽深或壁板高度H较大时,铣刀刚性差、加工困难的问题，通常要采取大小不同的两把铣刀进行粗、精加工来处理。

在使用中要防止因盲目选用了过大直径的粗加工铣刀而产生在精加工后留下未能铣去的“死角”,或因留给精加工的余量过大而造成精加工困难等问题。

铣刀刃长以避免刀具细长提高刚性为好,故其刃长只要能保证将工件铣出即可。

1）当加工深槽或盲孔时,选ｌ=H+2mｍ

2）当加工外形或通孔、通槽时,选l=H+r+2ｍm

　铣刀端刃圆角半径r的大小一般应与零件图样要求一致，但粗加工铣刀因尚未切削到工件的最终轮廓尺寸,也可以适当选得小些，有时甚至可选为“清根”（ｒ=o-o.５），但在编程时需要认真考虑粗加工以后留下多少余量,以保证精加工铣刀可以把图样要求的r加工出来,不要造成其根部缺损。

三、数控铣削工艺性分析

　机械加工的工艺性分析关系到机械加工的效果和成败,对于数控铣削加工也是如此,因此数控铣削加工的工艺性分析是编程前的重要工艺准备工作之一,不可忽视。

根据加工实践,数控铣削加工工艺分析所要解决的主要问题大致可归纳为以下几个方面。

　　1.选择并确定数控铣削加工部位及工序内容

由于国内大多数用户目前所拥有的数控铣床数量有限,因此在选择加工对象及加工内容时—般还是以解决生产与科研中的加工难题为主，充分发挥数控铣床的优势和关键作用。

为此，推荐下列加工内容作为采用数控加工的主要选择对象:

1）　工件上的曲线轮廓，特别是由数学表达式给出的非圆曲线与列表曲线等曲线轮廓；

2）　已给出数学模型的空间曲面;

3）形状复杂、尺寸繁多、划线与检测困难的部位；

4）　用通用铣床加工时难以观察、测量和控制进给的内外凹槽；

5）以尺寸协调的高精度孔或面；

6）　能在一次安装中顺带铣出来的简单表面或形状；

７）采用数控铣削后能成倍提高生产率,大大减轻体力劳动强度的一般加工内容。

不适于数控铣削加工的内容主要有以下几种：

1）　简单的粗加工面;

２）需要进行长时间占机人工调整（如以毛坯粗基准定位按划线找正）的粗加工内容；

3）　必须按专用工装协调的加工内容（如标准样件等）;

4）毛坯上的加工余量不太充分或不太稳定的部位；

5）如图4—７所示的工件,一面加工,另一面不加工,其非加工面又不能作为定位面的部位;

6）必须用细长铣刀加工的部位（一般指狭窄深槽或高肋板小转接圆弧部位）。

2.零件图样的工艺性分析

根据数控铣削加工的特点，下面列举出一些经常遇到的工艺性问题,作为对零件图样进行工艺性分析的要点来加以分析与考虑。

（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,各图形几何要素间的相互关系（如相切、相交、垂直和平行等）应明确,各种几何要素的条件要充分，应无引起矛盾的多余尺寸或影响工序安排的封闭尺寸等。

（2）保证获得要求的加工精度

虽然数控机床精度很高,但对一些特殊情况，例如过薄的底板与肋板,因为加工时产生的切削拉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难以保证,其表面粗糙度也将提高。

根据实践经验,当面积较大的薄板厚度小于3mm时就应充分重视这一问题。

（3）尽量统一零件轮廓内圆弧的有关尺寸

轮廓内圆弧半径Ｒ常常限制刀具的直径。

如图4—８所示,如工件的被加工轮廓高度低,转接圆弧半径也大，可以采用较大直径的铣刀来加工，加工其底板面时,走刀次数也相应减少，表面加工质量也会好一些,因此工艺性较好，反之,数控铣削工艺性较差。

一般来说,当R＜０．2H（被加工轮廓面的最大高度）时，可以判定为零件该部位的工艺性不好。

铣削面的槽底面圆角或底板与肋板相交处的圆角半径r（如图４—９所示）越大,铣刀端刃铣削平面的能力越差,效率也越低，当ｒ大到一定程度时甚至必须用球头铣刀加工,这是应当避免的。

因为铣刀与铣削平面接触的最大直径ｄ＝Ｄ—2r（D为铣刀直径）,当Ｄ越大而r越小时，铣刀端刃铣削平面的面积越大，加工平面的能力越强，铣削工艺性当然也越好。

有时候，当铣削的底面面积较大,底部圆弧r也较大时，我们只能用两把ｒ不同的铣刀（一把刀的r小些,另一把刀的ｒ符合零件图样的要求）进行两次切削。

在一个零件上的这种凹圆弧半径在数值上的一致性问题对数控铣削的工艺性显得相当重要。

一般来说,即使不能寻求完全统一,也要力求将数值相近的圆弧半径分组靠拢,达到局部统一，以尽量减少铣刀规格与换刀次数，并避免因频繁换刀增加了工件加工面上的接刀阶差而降低了表面质量。

（４）　保证基准统一的原则

有些工件需要在铣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时常用的试切方法来接刀，往往会因为工件的重新安装而接不好刀。

这时，最好采用统一基准定位,因此零件上应有合适的孔作为定位基准孔。

如果零件上没有基准孔，也可以专门设置工艺孔作为定位基准（如在毛坯上增加工艺凸台或在后继工序要铣去的余量上设基准孔）。

（5）　分析零件的变形情况

数控铣削工件在加工时的变形，不仅影响加工质量，而且当变形较大时,将使加工不能继续进行下去。

这时就应当考虑采取一些必要的工艺措施进行预防，如对钢件进行调质处理，对铸铝件进行退火处理,对不能用热处理方法解决的,也可考虑粗、精加工及对称去余量等常规方法。

此外，还要分析加工后的变形问题，采取什么工艺措施来解决。

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。

在表４—1中给出了改进零件结构提高工艺性的一些实例。

３.零件毛坯的工艺性分析

进行零件铣削加工时,由于加工过程的自动化，使余量的大小、如何定位装夹等问题在设计毛坯时就要仔细考虑好。

否则,如果毛坯不适合数控铣削，加工将很难进行下去。

根据经验，下列几方面应作为毛坯工艺性分析的要点：

（1）　毛坯应有充分、稳定的加工余量毛坯主要指锻、铸件，因模锻时的欠压量与允许的错模量会造成余量的多少不等,铸造时也会因砂型误差、收缩量及金属液体的流动性差不能充满型腔等造成余量的不等。

此外，锻、铸后，毛坯的挠曲与扭曲变形量的不同也会造成加工余量不充分、不稳定。

因此，除板料外，不管是锻件、铸件还是型材，只要准备采用数控铣削加工，其加工面均应有较充分的余量。

经验表明，数控铣削中最难保证的是加工面与非加工面之间的尺寸,这—点应该引起特别重视。

在这种情况下，如果已确定或准备采用数控铣削,就应事先对毛坯的设计进行必要更改或在设计时就加以充分考虑,即在零件图样注明的非加工面处也增加适当的余量。

（2）分析毛坯在装夹定位方面的适应性应考虑毛坯在加工时的装夹定位方面的可靠性与方便性，以便使数控铣床在一次安装中加工出更多的待加工面。

主要是考虑要不要另外增加装夹余量或工艺凸台来定位与夹紧,什么地方可以制出工艺孔或要不要另外准备工艺凸耳来特制工艺孔。

如图４—１０所示,该工件缺少定位用的基准孔,用其它方法很难保证工件的定位精度，如果在图示位置增加四个工艺凸耳，在凸耳上制出定位基准孔,这一问题就能得到圆满解决。

对于增加的工艺凸耳或凸台，可以在它们完成作用后通过补加工去掉。

（3）分析毛坯的余量大小及均匀性　主要考虑在加工时是否要分层切削，分几层切削,也要分析加工中与加工后的变形程度，考虑是否应采取预防性措施与补救措施。

如对于热轧的中、厚铝板,经淬火时效后很容易在加工中与加工后变形,最好采用经预拉伸处理后的淬火板坯。

４．零件的加工路线

在数控铣削加工中,刀具相对于零件运动的每一细节都应该在编程时确定。

这时，除考虑零件轮廓、对刀点、换刀点及装夹方便外,还应注意到，在铣削轮廓表面时一般采用立铣刀侧面刃口进行切削。

由于主轴系统和刀具的刚度变化，当沿法向切入工件时，会在切入处产生刀痕,所以应避免，而应像图4—11那样，由零件轮廓曲线的延长线上切入零件的轮廓,以避免在加工表面产生痕迹。

在切出时,也是如此。

而且在刀具切入切出时，均应考虑有一定的外延,以保证零件轮廓光滑过渡。

在铣削内表面轮廓形状时，切入切出无法外延，这时铣刀只有沿法线方向切入和切出，这种情况下，切入切出点应选在零件轮廓两几何要素的交点上，而且进给过程中要避免停顿。

为了消除由于系统刚度变化引起进退刀时的痕迹，可采用多次走刀的方法，减小最后精铣时的余量,以减小切削力。