数控铣床程序编制.docx

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数控铣床程序编制

第5章数控铣床程序编制

5.1加工工艺基础

通常数控铣床和加工中心在结构、工艺和编程等方面有许多相似之处。

特别是全功能性数控铣床与加工中心相比，区别主要在于数控铣床没有自动刀具交换装置（ACT,AutomaticToosChanger）及刀具库，只能用手动方式换刀，而加工中心因具备ACT及刀具库，故可将使用的刀具预先安排存放于刀具库内，需要时再通过换刀指令,有ACT自动换刀。

5.1.1数控铣床与加工中心工艺特点

铣削加工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、镗、锪加工及螺纹加工等。

数控铣削主要适合于下列几类零件的加工。

1、平面类零件

　　平面类零件是指加工面平行或垂直于水平面，以及加工面与水平面的夹角为一定值的零件，这类加工面可展开为平面。

　　图5.1所示的三个零件均为平面类零件。

其中，曲线轮廓面a垂直于水平面，可采用圆柱立铣刀加工。

凸台侧面b与水平面成一定角度，这类加工面可以采用专用的角度成型铣刀来加工。

对于斜面c，当工件尺寸不大时，可用斜板垫平后加工；当工件尺寸很大，斜面坡度又较小时，也常用行切加工法加工，这时会在加工面上留下进刀时的刀锋残留痕迹，要用钳修方法加以清除。

a）轮廓面Ab）轮廓面Bc）轮廓面C

图5.1　平面类零件

2、直纹曲面类零件

　　直纹曲面类零件是指由直线依某种规律移动所产生的曲面类零件。

如图5.2所示零件的加工面就是一种直纹曲面，当直纹曲面从截面

（1）至截面

（2）变化时，其与水平面间的夹角从3°10'均匀变化为2°32'，从截面

（2）到截面（3）时，又均匀变化为1°20'，最后到截面（4），斜角均匀变化为0°。

直纹曲面类零件的加工面不能展开为平面。

　　当采用四坐标或五坐标数控铣床加工直纹曲面类零件时，加工面与铣刀圆周接触的瞬间为一条直线。

这类零件也可在三坐标数控铣床上采用行切加工法实现近似加工。

图5.2　直纹曲面

3、立体曲面类零件

加工面为空间曲面的零件称为立体曲面类零件。

这类零件的加工面不能展成平面，一般使用球头铣刀切削，加工面与铣刀始终为点接触，若采用其它刀具加工，易于产生干涉而铣伤邻近表面。

加工立体曲面类零件一般使用三坐标数控铣床，采用以下两种加工方法。

（1）行切加工法

采用三坐标数控铣床进行二轴半坐标控制加工，即行切加工法。

如图5.3所示，球头铣刀沿XY平面的曲线进行直线插补加工，当一段曲线加工完后，沿X方向进给ΔX再加工相邻的另一曲线，如此依次用平面曲线来逼近整个曲面。

相邻两曲线间的距离ΔX应根据表面粗糙度的要求及球头铣刀的半径选取。

球头铣刀的球半径应尽可能选得大一些，以增加刀具刚度，提高散热性，降低表面粗糙度值。

加工凹圆弧时的铣刀球头半径必须小于被加工曲面的最小曲率半径。

图5.3　行切加工法

（2）三坐标联动加工

采用三坐标数控铣床三轴联动加工，即进行空间直线插补。

如半球形，可用行切加工法加工，也可用三坐标联动的方法加工。

这时，数控铣床用X、Y、Z三坐标联动的空间直线插补，实现球面加工，如图5.4所示。

图5.4　三坐标联动加工

5.1.2刀具及其工艺特点

数控铣床上所采用的刀具要根据被加工零件的材料、几何形状、表面质量要求、热处理状态、切削性能及加工余量等，选择刚性好、耐用度高的刀具。

常见刀具见图5.5。

图5.5常见刀具

（1）铣刀类型选择

　　被加工零件的几何形状是选择刀具类型的主要依据.

1）加工曲面类零件时，为了保证刀具切削刃与加工轮廓在切削点相切，而避免刀刃与工件轮廓发生干涉，一般采用球头刀，粗加工用两刃铣刀，半精加工和精加工用四刃铣刀,如图5.6所示。

图5.6加工曲面类铣刀

2）铣较大平面时，为了提高生产效率和提高加工表面粗糙度，一般采用刀片镶嵌式盘形铣刀，如图5.7所示。

图5.7加工大平面铣刀

3）铣小平面或台阶面时一般采用通用铣刀，如图5.8所示。

图5.8加工台阶面铣刀

4）铣键槽时，为了保证槽的尺寸精度、一般用两刃键槽铣刀，如图5.9所示。

图5.9加工槽类铣刀

5）孔加工时，可采用钻头、镗刀等孔加工类刀具，如图5.10所示。

钻头

镗刀

图5.10孔加工刀具

（2）铣刀结构选择

　　铣刀一般由刀片、定位元件、夹紧元件和刀体组成。

选用时，主要可根据刀片排列方式。

刀片排列方式可分为平装结构和立装结构两大类。

1）平装结构（刀片径向排列）

图5.11平装结构铣刀

平装结构铣刀（如图5.11所示）的刀体结构工艺性好，容易加工，并可采用无孔刀片（刀片价格较低，可重磨）。

由于需要夹紧元件，刀片的一部分被覆盖，容屑空间较小，且在切削力方向上的硬质合金截面较小，故平装结构的铣刀一般用于轻型和中量型的铣削加工。

2）立装结构（刀片切向排列）

图5.12立装结构铣刀

立装结构铣刀（如图5.12所示）的刀片只用一个螺钉固定在刀槽上，结构简单，转位方便。

虽然刀具零件较少，但刀体的加工难度较大，一般需用五坐标加工中心进行加工。

由于刀片采用切削力夹紧，夹紧力随切削力的增大而增大，因此可省去夹紧元件，增大了容屑空间。

由于刀片切向安装，在切削力方向的硬质合金截面较大，因而可进行大切深、大走刀量切削，这种铣刀适用于重型和中量型的铣削加工。

（3）铣刀角度的选择

　　铣刀的角度有前角、后角、主偏角、副偏角、刃倾角等。

为满足不同的加工需要，有多种角度组合型式。

各种角度中最主要的是主偏角和

前角（制造厂的产品样本中对刀具的主偏角和前角一般都有明确说明）。

图5.13主偏角

1）主偏角Kr

　　主偏角为切削刃与切削平面的夹角，如图5.13所示。

铣刀的主偏角有90°、88°、75°、70°、60°、45°等几种。

a）径向前角

图5.16前角

a）径向前角b）轴向前角

图5.14前角

主偏角对径向切削力和切削深度影响很大。

径向切削力的大小直接影响切削功率和刀具的抗振性能。

铣刀的主偏角越小，其径向切削力越小，抗振性也越好，但切削深度也随之减小。

　　90°主偏角，在铣削带凸肩的平面时选用，一般不用于单纯的平面加工。

该类刀具通用性好（即可加工台阶面，又可加工平面），在单件、小批量加工中选用。

由于该类刀具的径向切削力等于切削力，进给抗力大，易振动，因而要求机床具有较大功率和足够的刚性。

在加工带凸肩的平面时，也可选用88°主偏角的铣刀，较之90°主偏角铣刀，其切削性能有一定改善。

　　60°～75°主偏角，适用于平面铣削的粗加工。

由于径向切削力明显减小（特别是60°时），其抗振性有较大改善，切削平稳、轻快，在平面加工中应优先选用。

75°主偏角铣刀为通用型刀具，适用范围较广；60°主偏角铣刀主要用于镗铣床、加工中心上的粗铣和半精铣加工。

　　45°主偏角，此类铣刀的径向切削力大幅度减小，约等于轴向切削力，切削载荷分布在较长的切削刃上，具有很好的抗振性，适用于镗铣床主轴悬伸较长的加工场合。

用该类刀具加工平面时，刀片破损率低，耐用度高；在加工铸铁件时，工件边缘不易产生崩刃。

2）前角γ

　　铣刀的前角可分解为径向前角γf（图5.14a）和轴向前角γp（图5.14b），径向前角γf主要影响切削功率；轴向前角γp则影响切屑的形成和轴向力的方向，当γp为正值时切屑即飞离加工面。

径向前角γf和轴向前角γp正负的判别见图5.14。

常用的前角组合形式如下：

　　双负前角　双负前角的铣刀通常均采用方形（或长方形）无后角的刀片，刀具切削刃多（一般为8个），且强度高、抗冲击性好，适用于铸钢、铸铁的粗加工。

由于切屑收缩比大，需要较大的切削力，因此要求机床具有较大功率和较高刚性。

由于轴向前角为负值，切屑不能自动流出，当切削韧性材料时易出现积屑瘤和刀具振动。

　　凡能采用双负前角刀具加工时建议优先选用双负前角铣刀，以便充分利用和节省刀片。

当采用双正前角铣刀产生崩刃（即冲击载荷大）时，在机床允许的条件下亦应优先选用双负前角铣刀。

　　双正前角　双正前角铣刀采用带有后角的刀片，这种铣刀楔角小，具有锋利的切削刃。

由于切屑收缩比小，所耗切削功率较小，切屑成螺旋状排出，不易形成积屑瘤。

这种铣刀最宜用于软材料和不锈钢、耐热钢等材料的切削加工。

对于刚性差（如主轴悬伸较长的镗铣床）、功率小的机床和加工焊接结构件时，也应优先选用双正前角铣刀。

　　正负前角（轴向正前角、径向负前角）　这种铣刀综合了双正前角和双负前角铣刀的优点，轴向正前角有利于切屑的形成和排出；径向负前角可提高刀刃强度，改善抗冲击性能。

此种铣刀切削平稳，排屑顺利，金属切除率高，适用于大余量铣削加工。

WALTER公司的切向布齿重切削铣刀F2265就是采用轴向正前角、径向负前角结构的铣刀。

（4）铣刀的齿数（齿距）选择

　　铣刀齿数多，可提高生产效率，但受容屑空间、刀齿强度、机床功率及刚性等的限制，不同直径的铣刀的齿数均有相应规定。

为满足不同用户的需要，同一直径的铣刀一般有粗齿、中齿、密齿三种类型。

　　粗齿铣刀　适用于普通机床的大余量粗加工和软材料或切削宽度较大的铣削加工；当机床功率较小时，为使切削稳定，也常选用粗齿铣刀。

　　中齿铣刀　系通用系列，使用范围广泛，具有较高的金属切除率和切削稳定性。

　　密齿铣刀　主要用于铸铁、铝合金和有色金属的大进给速度切削加工。

在专业化生产（如流水线加工）中，为充分利用设备功率和满足生产节奏要求，也常选用密齿铣刀（此时多为专用非标铣刀）。

　　为防止工艺系统出现共振，使切削平稳，还有一种不等分齿距铣刀。

如WALTER公司的NOVEX系列铣刀均采用了不等分齿距技术。

在铸钢、铸铁件的大余量粗加工中建议优先选用不等分齿距的铣刀。

（5）铣刀直径的选择

　　铣刀直径的选用视产品及生产批量的不同差异较大，刀具直径的选用主要取决于设备的规格和工件的加工尺寸。

1）平面铣刀

　　选择平面铣刀直径时主要需考虑刀具所需功率应在机床功率范围之内，也可将机床主轴直径作为选取的依据。

平面铣刀直径可按D＝1.5d（d为主轴直径）选取。

在批量生产时，也可按工件切削宽度的1.6倍选择刀具直径。

2）立铣刀

　　立铣刀直径的选择主要应考虑工件加工尺寸的要求，并保证刀具所需功率在机床额定功率范围以内。

如系小直径立铣刀，则应主要考虑机床的最高转数能否达到刀具的最低切削速度（60m/min）。

3）槽铣刀

　　槽铣刀的直径和宽度应根据加工工件尺寸选择，并保证其切削功率在机床允许的功率范围之内。

（6）铣刀的最大切削深度

　　不同系列的可转位面铣刀有不同的最大切削深度。

最大切削深度越大的刀具所用刀片的尺寸越大，价格也越高，因此从节约费用、降低成本的角度考虑，选择刀具时一般应按加工的最大余量和刀具的最大切削深度选择合适的规格。

当然，还需要考虑机床的额定功率和刚性应能满足刀具使用最大切削深度时的需要。

（7）刀片牌号的选择

合理选择刀片硬质合金牌号的主要依据是被加工材料的性能和硬质合金的性能。

一般选用铣刀时，可按刀具制造厂提供加工的材料及加工条件，来配备相应牌号的硬质合金刀片。

　　由于各厂生产的同类用途硬质合金的成份及性能各不相同，硬质合金牌号的表示方法也不同，为方便用户，国际标准化组织规定，切削加工用硬质合金按其排屑类型和被加工材料分为三大类：

P类、M类和K类。

根据被加工材料及适用的加工条件，每大类中又分为若干组，用两位阿拉伯数字表示，每类中数字越大，其耐磨性越低、韧性越高。

　　P类合金（包括金属陶瓷）用于加工产生长切屑的金属材料，如钢、铸钢、可锻铸铁、不锈钢、耐热钢等。

其中，组号越大，则可选用越大的进给量和切削深度，而切削速度则应越小。

　　M类合金用于加工产生长切屑和短切屑的黑色金属或有色金属，如钢、铸钢、奥氏体不锈钢、耐热钢、可锻铸铁、合金铸铁等。

其中，组号越大，则可选用越大的进给量和切削深度，而切削速度则应越小。

　　K类合金用于加工产生短切屑的黑色金属、有色金属及非金属材料，如铸铁、铝合金、铜合金、塑料、硬胶木等。

其中，组号越大，则可选用越大的进给量和切削深度，而切削速度则应越小。

　　上述三类牌号的选择原则表5.1所示：

P01

P05

P10

P15

P20

P25

P30

P40

P50

M10

M20

M30

M40

K01

K10

K20

K30

K40

进给量

背吃刀量

切削速度

表5.1P、M、K类合金切削用量的选择

各厂生产的硬质合金虽然有各自编制的牌号，但都有对应国际标准的分类号，选用十分方便。

5.1.3数控铣削的工艺性分析

　　数控铣削加工工艺性分析是编程前的重要工艺准备工作之一，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

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。

主要选择的加工内容有：

（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，如图5.15所示的正弦曲线。

（2）已给出数学模型的空间曲面,如图5.16所示的球面。

图5.15Y=SIN（X）曲线

图5.16　球面

（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和面；

（6）能在一次安装中顺带铣出来的简单表面或形状；

（7）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般加工内容。

2、零件图样的工艺性分析

根据数控铣削加工的特点，对零件图样进行工艺性分析时，应主要分析与考虑以下一些问题。

（1）零件图样尺寸的正确标注

图5.17零件尺寸公差带的调整

　　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，应无引起矛盾的多余尺寸或者影响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5.17中，就很难同时保证各处尺寸在尺寸公差范围内。

这时一般采取的方法是：

兼顾各处尺寸公差，在编程计算时，改变轮廓尺寸并移动公差带，改为对称公差，采用同一把铣刀和同一个刀具半径补偿值加工，对图5.19中括号内的尺寸，其公差带均作了相应改变，计算与编程时用括号内尺寸来进行。

（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5.18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，则可采用刀具切削刃长度L较小，直径D较大的铣刀加工。

这样，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5.19，铣削工艺性则较差。

　　通常，当R<0.2H时，则属工艺性较差。

图5.18　R较大时

图5.19　R较小时

2）内壁与底面转接圆弧半径r

　　如图5.20，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5.21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，影响着加工能力、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。

图5.20　r较小

图5.21r较大

3、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时常用的试切方法来接刀，因此，最好采用统一基准定位。

4、分析零件的变形情况

　　铣削工件在加工时的变形，将影响加工质量。

这时，可采用常规方法如粗、精加工分开及对称去余量法等，也可采用热处理的方法，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5.2中给出了改进零件结构提高工艺性的一些实例。

表5.2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

可采用较高刚性刀具

统一圆弧尺寸

减少刀具数和更换刀具次数，减少辅助时间

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

减少编程时间，简化编程

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

改进尺寸比例

可用较高刚度刀具加工，提高生产率

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

5、零件的加工路线

（1）铣削轮廓表面

在铣削轮廓表面时一般采用立铣刀侧面刃口进行切削。

对于二维轮廓加工，通常采用的加工路线为：

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）顺铣和逆铣对加工影响

　　在铣削加工中，采用顺铣还是逆铣方式是影响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用滚珠丝杠结构，其进给传动间隙很小，顺铣的工艺性就优于逆铣。

　　如图5.22a所示为采用顺铣切削方式精铣外轮廓,图5.22b所示为采用逆铣切削方式精铣型腔轮廓,图5.22c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5.22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，对于铝镁合金、钛合金和耐热合金等材料，尽量采用顺铣加工。

但如果零件毛坯为黑色金属锻件或铸件，表皮硬而且余量一般较大，这时采用逆铣较为合理。

5.2数控铣床和加工中心编程

在这一部分中，将以FANUCOI立式数控铣床和加工中心为基础，介绍其常用编程指令和方法。

5.2.1G功能

G功能是命令机械准备以何种方式切削加工或移动。

以地址G后面接两位数字组成，其范围由G00—G99，不同的G代码代表不同的意义与不同的动作方式，

表5-3G代码

代码

功能

组别

代码

功能

组别

★G00

快速定位

G52

局部坐标系统

G01

直线插补

★G54

选择第1工件坐标系

G02

顺时针插补

G55

选择第2工件坐标系

G03

逆时针插补

G56

选择第3工件坐标系

G04

暂停

G57

选择第4工件坐标系

G09

确定停止检验

G58

选择第5工件坐标系

G10

自动原点补正，刀具补正设定

G59

选择第6工件坐标系

★G17

xy平面选择

G73

高速深孔啄钻循环

G18

Xz平面选择

G74

攻左螺纹循环

G19

Yz平面选择

G76

精镗孔循环

G20

英制单位输入选择

★G80

取消固定循环

G21

米制单位输入选择

G81

钻孔循环

★G27

参考点返回检查

G82

沉孔钻孔循环

G28

参考点返回

G83

深孔啄钻循环

G29

由参考点返回

G84

攻右螺纹循环

G30

第2、3、4参考点返回

G85

铰孔循环

G33

螺纹切削

G86

背镗循环

★G40

取消刀具半径补偿

★G90

绝对坐标编程

G41

左刀补

G91

增量坐标编程

G42

右刀补

G92

定义编程原点

G43

刀具长度正补偿

★G94

每分钟进给量

G44

刀具长度负补偿

★G98

Z轴返回起始点

★G49

取消刀具长度补偿

G99

Z轴返回R点

注：

1.标有★的G代码为电源接通时的状态。

2.“00”组的G代码为非续效指令，其余为续效代码。

3.如果同组的G代码出现在同一程序中，则最后一个G代码有效。

4.在固定循环中，如果遇到01组的G代码，固定循环被取消。

5.2.2M功能

数控铣床和加工中心的M功能与数控车床基本相同，详情请参考第四章内容。

5.2.3FST功能

1.F功能

F功能用于控制刀具移动时的进给速度，F后面所接数值代表每分钟刀具进给量（mm/min）,它为续效代码。

实际进给速度v的值可由下列公式计算而得：

vF=fz×z×n

其中，

fz：

铣刀每齿的进给量（mm/齿）

铣刀的刀刃数

刀具的转速（r/min）

2.S功能

S功能用于指令主轴转速（m/min）,S代码后面接1-4位数字组成。

3.T功能

铣床因无ATC，必须用人工换刀，所以T功能只能用于加工中心。

T代码后面接两位数字组成。

不同的数控机床，其换刀程序是不同的，通常选刀和换刀分开进行，换刀动作必须在主轴停转条件下进行。

换刀完毕启动主轴后，方可执行下面程序段的加工动作，选刀动作可与机床的加工动作重合起来，即利用切削时间进行选刀，因此，换刀M06指令必须安排在用新刀具进行加工的程序段之前，而下一个选刀指令TXX常紧接安排在这次换刀指令之后。

多数加工中心都规定了“换刀点”位置，即定距换刀，主轴只有走到这个位置，机械手才能执行换刀动作。

一般立式加工中心规定换刀点的位置在Z0处（即机床Z轴零点），当控制机接到选刀T指令后，自动选刀，被选中的刀具处于刀库最下方；接到换刀M06指令后，机械手执行换刀动作。

因此换刀程序可采用两种方法设计。

方法一：

N010G00Z0T02；

N011M06；

返回Z轴换刀点的同时，刀库将T02号刀具选出，然后进行刀具交换，换到主轴上的刀具为T02，若Z轴回零时间小于T功能执行时间（即选刀时间），则M06指令等刀库将T02号刀具转到最下方位置后才能执行。

因此这种方法占用机动时间较长。

方法二：

N010G01Z…T02

┆

N017G00Z0M06

N018G01Z…T03

┆

N017程序段换上N010程序段选出的T02号刀具；在换刀后，紧接着选出下次要用的T03号刀具，在N010程序段和N018程序段执行选刀时，不占用机动时间，所以这种方式较好。

5.2.4编程应注意的几个问题

1.数控装置初始状态设定

当机床的电源打开时，数控装置将处于初始状态，表5-2中标有“★”的G代码被激活。

由于开机后数控装置的状态可通过MDI方式更

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