轮廓型腔的铣削加工.docx
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轮廓型腔的铣削加工
课题一轮廓的铣削加工
模块一不带半径补偿的轮廓加工
一、编程实例
编写如图4-1所示零件加工程序，毛坯尺寸120×800×20，工件材料45号钢。
图4-1不带半径补偿的轮廓加工
二、相关知识点
（一）工艺部分
1.夹具及刀具选用
本例夹具可选规格136mm的机用平口虎钳。
加工外轮廓刀具可选用
16mm的立铣刀；为提高内壁加工质量，不直接用
12的键槽铣刀，而是采用
10mm的键槽铣刀加工腰圆型槽。
刀具切削参数如表4-1所示。
表4–1刀具与切削用量
参数
刀号
型号
刀具材料
刀具补偿号
刀具转速
进给速度
1
16立铣刀
高速钢
1
600
100
2
10键铣刀
高速钢
2
800
30
2.轮廓铣削加工路线确定
（1）加工路线的确定原则
在数控加工中，刀具刀位点相对于零件运动的轨迹称为加工路线。
加工路线的确定与工件的加工精度和表面粗糙度直接相关,其确定原则如下：
①加工路线应保证被加工零件的精度和表面粗糙度，且效率较高。
②使数值计算简便，以减少编程工作量。
③应使加工路线最短，这样既可减少程序段，又可减少空刀时间。
④加工路线还应根据工件的加工余量和机床、刀具的刚度等具体情况确定。
（2）切入、切出方法选择
采用立铣刀铣削外轮廓侧面时，铣刀在切入和切出零件时，应沿与零件轮廓曲线相切的切线或切弧上切向切入、切向切出（图4-2中A-B-C-B-D）零件表面，而不应沿法向直接切入零件，以避免加工表面产生刀痕，保证零件轮廓光滑。
铣削内轮廓侧面时，一般较难从轮廓曲线的切线方向切入、切出，这样应在区域相对较大的地方，用切弧切向切入和切向切出（图4-3中A-B-C-B-D）的方法进行。
图4-2外轮廓切线（弧）切入切出图4-3内轮廓切弧切入切出
（3）凹槽切削方法选择
加工凹槽切削方法有三种，即行切法（图4-4a）、环切法（图4-4b）和先行切最后环切法（图4-4c）。
三种方案中，a图方案最差（左、右侧面留有残料）；c图方案最好。
a）b）c）
图4-4凹槽切削方法
在轮廓加工过程中，工件、刀具、夹具、机床系统等处在弹性变形平衡的状态下，在进给停顿时，切削力减小，会改变系统的平衡状态，刀具会在进给停顿处的零件表面留下刀痕，因此在轮廓加工中应避免进给停顿。
3.数控编程介绍
（1）编程的定义
为了使数控机床能根据零件加工的要求进行动作，必须将这些要求以机床数控系统能识别的指令形式告知数控系统，这种数控系统可以识别的指令称为程序，制作程序的过程称为数控编程。
数控编程的过程不仅仅单一指编写数控加工指令的过程，它还包括从零件分析到编写加工指令再到制成控制介质以及程序校核的全过程。
在编程前首先要进行零件的加工工艺分析，确定加工工艺路线、工艺参数、刀具的运动轨迹、位移量、切削参数（切削速度、进给量、背吃刀量）以及各项辅助功能（换刀、主轴正反转、切削液开关等）；接着根据数控机床规定的指令及程序格式编写加工程序单；再把这一程序单中的内容记录在控制介质上（如软磁盘、移动存储器、硬盘），检查正确无误后采用手工输入方式或计算机传输方式输入数控机床的数控装置中，从而指挥机床加工零件。
（2）数控编程的步骤
编程步骤如图4-5所示，主要有以下几个方面的内容：
图4-5数控编程的步骤
①分析零件图样零件轮廓分析，零件尺寸精度、形位精度、表面粗糙度、技术要求的分析，零件材料、热处理等要求的分析。
②确定加工工艺选择加工方案，确定加工路线，选择定位与夹紧方式，选择刀具，选择各项切削参数，选择对刀点、换刀点。
③数值计算选择编程原点，对零件图形各基点进行正确的数学计算，为编写程序单作好准备。
④编写程序单根据数控机床规定的指令及程序格式编写加工程序单。
⑤制作控制介质简单的数控程序直接采用手工输入机床；当程序需自动输入机床时，必须制作控制介质。
现在大多数程序采用软盘、移动存储器（FC卡）、硬盘作为存储介质，采用计算机传输或直接在CF卡槽内插卡把程序输入到数控机床。
目前老式的穿孔纸带已基本停止使用了。
⑥程序校验程序必须经过校验正确后才能使用。
一般采用机床空运行的方式进行校验，有图形显示功能的数控机床可直接在CRT显示屏上进行校验。
程序校验只能对数控程序、动作的校验，如果要校验加工精度，则要进行首件试切校验。
（3）数控程序的结构与组成
每一种数控系统，根据系统本身的特点与编程的需要，都有一定的程序格式。
对于不同的数控系统，其程序格式也不尽相同。
因此，编程人员在按数控程序的常规格式进行编程的同时，还必须严格按照系统说明书的格式进行编程。
1）程序的组成
一个完整的程序由程序名、程序内容和程序结束三部分组成，如下所示：
O0001；
程序名
N10G90G94G17G40G80G54；
程序内容
N20G91G28Z0；
N30M06T01；
N40G90G00X0Y30.0；
N50M03S800；
______
N200G91G28Z0；
N210M30；
程序结束
①程序名
每一个存储在数控系统存储器中的程序都需要指定一个代号来加以区别，这种用于区别零件加工程序的代号称为程序名。
程序名是加工程序的识别标记，因此同一机床中的程序名不能重复。
程序名写在程序的最前面，必须单独占有一行。
FANUC系统程序名（图1-22）由大写英文字母O及后为四位数字，数值从O0000到O9999，在书写时其数字前的零可以省略不写，如O0020可写成O20。
另外，需要注意的是，O9000以后的程序名，有时在数控系统中有特殊的用途，因此在一些数控系统中是无法输入的，应尽量避免使用。
存储在华中系统中的程序，与一般在电脑中的存储方式相同，是以文件名的形式出现（图1-53）。
文件名由大写英文字母O加7位以内的数字、字母所组成；文件下有程序名（图1-56），由“％”加数字“1”、“2”等组成。
SINUMERIK系统程序名一般由16位以内的字符（开始的两个必须是字母。
L开头的可以用一个字母），其后的字符可以是字母、数字或下划线所组成（图1-79），如CZQYOAD1、AA123等，数字前的零不能省略。
②程序内容
程序内容是整个程序的核心，它由许多程序段组成，每个程序段由一个或多个指令构成，它表示数控机床的全部动作。
在数控铣床与加工中心的程序中，子程序的调用也作为主程序内容的一部分，主程序有时只完成换刀、启动主轴、工件定位等动作，其余加工动作都由子程序来完成。
③程序结束
程序结束通过M指令来实现，它必须写在程序的最后。
可以作为程序结束标记的M指令有M02（程序结束）和M30（程序结束并返回到程序开头）。
为了保证最后程序段的正常执行，通常要求M02或M30也必须单独占一行。
此外，子程序结束有专用的结束标记，FANUC和华中系统用M99来表示子程序结束后返回主程序；而在SINUMERIK系统中则通常用M17或字符“RET”作为子程序的结束标记。
2）程序段的组成
程序段是程序的基本组成部分，每个程序段由若干个数据字构成，而数据字又由表示地址的英文字母、特殊文字和数字构成。
如X30、G90等。
一般格式如下：
N___
G___
X___Y___Z___
F___
S___
T___
M___
；或LF
程序段号
准备功能
尺寸字
进给功能
主轴功能
刀具功能
辅助功能
结束标记
例N50G01X30.0Y30.0Z30.0F100S800T01M03；
①程序段号程序段号由地址符“N”开头，其后为若干位数字。
在大部分系统中，程序段号仅作为“跳转”或“程序检索”的目标位置指示。
因此，它的大小及次序可以颠倒，也可以省略。
程序段在存储器内以输入的先后顺序排列，而程序的执行是严格按信息在存储器内的先后顺序一段一段地执行，也就是说执行的先后次序与程序段号无关。
但是，当程序段号省略时，该程序段将不能作为“跳转”或“程序检索”的目标程序段。
程序段号也可以由数控系统自动生成，程序段号的递增量可以通过“机床参数”进行设置，一般可设定增量值为10。
②程序段内容程序段的中间部分是程序段的内容，程序内容应具备六个基本要素，即准备功能字、尺寸功能字、进给功能字、主轴功能字、刀具功能字、辅助功能字等，但并不是所有程序段都必须包含所有功能字，有时一个程序段内可仅包含其中一个或几个功能字也是允许的。
（4）数控编程的分类
数控编程可分为手工编程和自动化编程两种。
①手工编程
手工编程是指所有编制加工程序的全过程，即图样分析、工艺处理、数值计算、编写程序单、制作控制介质、程序校验都是由手工来完成。
手工编程无需计算机、编程器、编程软件等辅助设备，只需要有合格的编程人员即可完成。
手工编程具有编程快速及时的优点，但其缺点是不能进行复杂曲面的编程。
手工编程比较适合批量较大、形状简单、计算方便、轮廓由直线或圆弧组成的零件的加工。
对于形状复杂的零件，特别是具有非圆曲线、列表曲线、及曲面的零件，采用手工编程则比较困难，最好采用自动编程的方法进行编程。
②自动编程
自动编程是指用计算机编制数控加工程序的过程。
自动编程的优点是效率高，程序正确性好。
自动编程由计算机代替人完成复杂的坐标计算和书写程序单的工作，它可以解决许多手工编制无法完成的复杂零件编程难题，但其缺点是必须具备自动编程系统或编程软件。
自动编程较适合于形状复杂零件的加工程序编制，如：
模具加工、多轴联动加工等场合。
实现自动编程的方法主要有语言式自动编程和图形交互式自动编程两种。
前者是通过高级语言的形式，表示出全部加工内容，计算机采用批处理方式，一次性处理、输出加工程序。
后者是采用人机对话的处理方式，利用CAD/CAM功能生成加工程序。
（二）本例所需数控指令或代码
1.准备功能
准备功能也叫G功能或G指令，是用于数控机床做好某些准备动作的指令。
它由地址G和后面的两位数字组成，从G00～G99共100种，如G01、G41等。
目前，随着数控系统功能的不断提高，有的系统已采用三位数的功能指令，如SINUMERIK系统中的G450、G451等。
2.辅助功能
辅助功能也叫M功能或M指令。
它由地址M和后面的两位数字组成，从M00～M99共100种。
辅助功能主要控制机床或系统的开、关等辅助动作的功能指令，如开、停冷却泵，主轴正反转，程序的结束等。
同样，由于数控系统以及机床生产厂家的不同，其M指令的功能也不尽相同，甚至有些M指令与ISO标准指令的含义也不相同。
因此我们在进行数控编程时，一定要按照机床说明书的规定进行。
在同一程序段中，既有M指令又有其它指令时，M指令与其它指令执行的先后次序由机床系统参数设定。
因此，为保证程序以正确的次序执行，有很多M指令如M30、M02、M98等最好以单独的程序段进行编程。
3.其它功能
①坐标功能
坐标功能字（又称尺寸功能字）用来设定机床各坐标的位移量。
它一般使用X、Y、Z、U、V、W、P、Q、R、（用于指定直线坐标尺寸）和A、B、C、D、E、（用于指定角度坐标）及I、J、K（用于指定圆心坐标点位置尺寸）等地址为首，在地址符后紧跟“＋”或“－”号及一串数字。
如X100.0、Y60、I-10等。
对于输入的整数坐标值，如输入X正方向移动五十毫米时，是输入“X50”还是“X50.0”，则由系统中的参数所设定。
②刀具功能
刀具功能是指系统进行选刀或换刀的功能指令，亦称为T机能。
刀具功能用地址T及后缀的数字来表示，常用刀具功能指定方法有T4位数法和T2位数法。
③进给功能
用来指定刀具相对于工件运动的速度功能称为进给功能，由地址F和其后缀的数字组成。
根据加工的需要，进给功能分为每分钟进给（G94状态）和每转进给（G95状态）两种。
④主轴功能
用来控制主轴转速的功能称为主轴功能，亦称为S功能，由地址S和其后缀数字组成。
在程序中，主轴的正转、反转、停转由辅助功能M03/M04/M05进行控制。
其中，M03表示主轴正转，M04表示主轴反转，M05表示主轴停转。
例M03S300；表示主轴正转，转速为300r/min。
M05；表示主轴停转。
4.模态指令与开机开机默认指令
①模态指令与非模态指令
模态指令（又称为续效指令）表示该指令一经在一个程序段中指定，在接下来的程序段中一直持续有效，直到出现同组的另一个指令时，该指令才失效。
如常用的F、S、T指令。
非模态指令（或称为非续效指令）表示仅在编入的程序段内有效的指令。
如G指令中的G04指令、M指令中的M00、M06等指令。
模态指令的出现，避免了在程序中出现大量的重复指令，使程序变得清晰明了。
同样地，尺寸功能字如出现前后程序段的重复，则该尺寸功能字也可以省略。
如下例程序段中有下划线的指令均可以省略。
例G01X20.0Y20.0F150；
G01X30.0Y20.0F150；
G02X30.0Y-20.0R20.0F100；
上例中有有下划线的指令可以省略。
因此，以上程序可写成如下形式：
G01X20.0Y20.0F150.0；
X30.0；
G02Y-20.0R20.0F100.0；
2.开机默认指令
为了避免编程人员出现指令遗漏，数控系统中对每一组的指令，都选取其中的一个作为开机默认指令，该指令在开机或系统复位时可以自动生效，因而在程序中允许不再编写。
常见的开机默认指令有G00、G17、G40、G49、G54、G80、G90、G95、G97等。
（三）常用G指令（代码）介绍
1.工件坐标系设定（G54~G59）
对已通过夹具安装定位在数控机床工作台上的工件，加工前需要在工件上确定一个坐标原点，以便刀具在切削加工过程中以此点为基准，完成坐标移动的加工指令，我们把以此点所建立的坐标系，称为工件坐标系。
对工件上的这一点，其位置实际在对工件进行编程时就已经规定好了，工件装夹到工作台之后，我们通过“对刀”把规定的工件坐标系原点所在的机床坐标值确定下来，然后用G54等设置，在加工时通过G54等指令进行工件坐标系的调用。
在FANUC、华中和SINUMERIK系统中一般可设定G54~G59六个工件坐标系统。
当前很多系统在此六个基本工件坐标系的基础上，增加了一系列扩展工件坐标系。
如FANUC系统中的G54.1P1～G54.1P48。
工件坐标系指令一般在刀具移动前的程序段与其它指令同行指定，也可独立指定。
指令格式如下：
G54/G55/G56/G57/___；调用第一/二/三/四工件系/___。
2.绝对坐标与增量（相对）坐标指令（G90、G91）
（1）指令说明
绝对坐标是根据预先设定的编程原点作为参考点进行编程。
即在采用绝对值编程时，首先要指出编程原点的位置。
这种编程方法一般不考虑刀具的当前位置，程序中的终点坐标是相对于原点坐标而言的（图4-6）。
在编程时，绝大多数采用G90来指定绝对坐标编程。
从A→B→C
绝对值编程：
G90G0X10Y15（A→B）
X40Y25（B→C）
增量值编程：
G90G0X5Y10（A→B）
X30Y10（B→C）
图4-6绝对值编程与相对值编程
增量（相对）值编程是根据程序的前一个位置的坐标值作为参考点进行编程方法。
即程序中的终点坐标是相对于起点坐标而言的（图4-6）。
（2）指令格式
FANUC系统、华中系统及SINUMERIK系统均可用：
G90/G91；来指定绝对/增量方式。
另外SINUMERIK系统中还可用X=AC（___）Y=AC（___）Z=AC（___）来表示绝对坐标方式，但只在当前的程序段中有效；用X=IC（___）Y=IC（___）Z=IC（___）表示增量坐标方式，同样也只在当前的程序段中有效。
3.公制尺寸与英制尺寸输入
（1）指令说明
大多数数控系统可通过G指令（代码）来完成公制尺寸与英制尺寸的切换。
英制尺寸的单位是英寸（inch），公制尺寸的单位是毫米（mm）。
FANUC系统与华中系统用G20/G21来指定英制/公制尺寸，SINUMERIK系统用G70/G71来指定英制/公制尺寸。
G20（G70）、G21（G71）是两个互相取代的G指令，一般机床出厂时，将毫米输入G21（G71）设定为参数缺省状态。
用毫米输入程序时，可不再指定G21（G71）；但用英吋输入程序时，在程序开始时必须指定G20（G70。
在坐标系统设定前）。
在一个程序中也可以毫米、英吋输入混合使用，在G20（G70）以下、G21（G71）未出现前的各程序段为英吋输入；在G21（G71）以下、G20（G70）未出现前的各程序段为毫米输入。
G21（G71）、G20（G70）具有停电后的续效性，为避免出现意外，在使用G20（G70）英制输入后，在程序结束前务必加一个G21（G71）的指令，以恢复机床的缺省状态。
（2）指令格式
G20/G21或G70/G71；可在指定程序段与其它指令同行，也可独立占用一个程序段。
4.坐标平面选择指令（G17、G18、G19）
（1）指令说明
右手笛卡儿坐标系的三个互相垂直的轴X、Y、Z，分别构成三个平面（如图4-7所示），即XY平面、ZX平面、YZ平面。
对于三坐标的铣床或加工中心，在加工过程中常要指定插补运动（主要是圆弧运动）在哪个平面中进行。
所有数控系统均用G17表示在XY平面内加工；G18表示在ZX平面内进行加工；G19表示在YZ平面内进行加工。
图4-7平面选择图4-8G00快速点定位移动轨迹
（2）指令格式
G17、G18、G19可在任一程序段与其它指令同行指定，也可独立指定。
5.快速点定位指令（G00）
（1）指令说明
G00指令使刀具以点位控制方式从刀具当前点以最快速度（由机床生产厂家在系统中设定）运动到另一点。
其运动轨迹是一条折线。
例如，在图4-8中从A（10，10，10）运动到D（65，30，45），其运动轨迹从点A→点B→点C→点D，即运动时首先是以立方体（由三轴移动量中最小的量为边长）的对角线三轴联动，然后以正方形（由剩余两轴中移动量最小的量为边长）的对角线二轴联动，最后一轴移动。
执行G00指令时不能对工件进行加工。
（2）指令格式
所有数控系统均用：
G00X___Y___Z___
参数说明：
X、Y、Z表示直角坐标中的终点位置。
在执行G00时，为避免刀具与工件或夹具相撞，一般采用三轴不联动的编程方法。
即
刀具从上往下移动时：
刀具从上往下移动时：
编程格式：
G00X___Y___
Z___
编程格式：
G00Z___
X___Y___
即刀具从上往下时，先在XY平面内定位，然后Z轴下降；刀具从下往上时，Z轴先上升，然后再在XY平面内定位。
（3）实际应用
从起点A（10，10，10）到终点B（65，30，45）的快速定位（图4-8）。
程序如下：
绝对方式：
G90G00X65.0Y30.0Z45.0
增量方式：
G91G00X55.0Y20.0Z35.0
6.直线插补指令（G01）
（1）指令说明
直线插补指令（G01）使刀具从当前位置起以直线进给方式，运行至坐标值指定的终点位置。
运行速度由进给速度指令F所指定；指定的速度通常是刀具中心的线速度。
（2）指令格式
所有数控系统均用：
G01X___Y___Z___F___
参数说明：
X、Y、Z为直角坐标中的终点坐标，F为进给速度。
（3）实际应用
以直线插补（G01）方式完成如图4-9所示的刀具轨迹（P1→P2→P3→P4）。
刀具速度为300mm/min，刀具从起始位置（坐标原点）到P1点可用G0快速定位方式。
图4-9直线插补举例
程序如下：
绝对值方式：
增量方式：
…
G90G94G0X20.0Y20.0
G1X40.0Y50.0F300
X70.0
X50.0Y20.0
X20.0
…
…
G90G94G0X20.0Y20.0
G91G1X20.0Y30.0F300
X30.0
X-20.Y-30.0
X-30.0
…
7.刀具长度补偿指令
对于装入主轴中的刀具，它们的伸出长度是各不相同（图4-10），在加工过程中为每把刀具设定一个工件坐标系也是可以的（如FANUC系统可以设置54个工件坐标系），但通过刀具的长度补偿指令在操作上更加方便。
刀具长度补偿指令是用来补偿假定的刀具长度与实际的刀具长度之间差值的指令。
系统规定所有轴都可采用刀具长度补偿，但对于立式数控铣削机床来说，一般用于刀具轴向（Z方向）的补偿，补偿量通过一定的方式得到后设置在刀具偏置存储器中（图1-29、图1-62、图1-87）。
（1）刀具长度补偿指令格式
编程格式：
Z___H___
…
G49Z___
以上长度补偿指令适用于FANUC、华中系统；H用于指令偏置存储器的偏置号（图1-29、图1-62）。
图4-10刀具长度补偿的应用
G43指令表示刀具长度沿正方向补偿，G44指令表示刀具长度沿负方向补偿，但刀具的实际移动方向必须与所设置偏置量的“＋”、“－”作相应的运算后才能确定（图4-11）；G49指令表示取消刀具长度补偿。
图4-11G43、G44与设置偏置量的运算结果
SINUMERIK系统中，刀具长度补偿用D代码调用。
如D1，即调用某刀具1号补偿中的长度补偿值。
对SINUMERIK系统而言，每把刀都对应从D0～D9共十个刀具补偿号，D0为取消刀具长度补偿，T1下的D1与T2下的D1（即这两个D1）是完全不同的量。
（2）指令说明
G43、G44为模态指令，可以在程序中保持连续有效。
G43、G44的撤消可以使用G49指令进行。
在实际编程中，为避免产生混淆，通常采用G43而非G44的指令格式进行刀具长度补偿的编程。
8.圆弧插补指令（G02/G03）
（1）指令格式
FANUC和华中系统为：
①在XY平面上的圆弧
（G17可省略）
②在ZX平面上的圆弧
③在YZ平面上的圆弧
图4-12平面指定指令与圆弧插补指令的关系
SINUMERIK系统中圆弧的格式与FANUC相似，只是要把“R”改为“CR＝”即可。
（2）参数说明
G02表示顺时针圆弧插补；G03表示逆时针圆弧插补。
X___Y___Z___为圆弧的终点坐标值，其值可以是绝对坐标，也可以是增量坐标。
在增量方式下，其值为圆弧终点坐标相对于圆弧起点的增量值。
R___为圆弧半径。
在SINUMERIK系统中，圆弧半径用符号“CR=”表示。
I___J___K___为圆弧的圆心相对其起点分别在X、Y和Z坐标轴上的矢量值。
（3）指令说明
如图4-12所示，圆弧插补的顺、逆方向的判断方法是：
沿圆弧所在平面（如XY平面）的另一根轴（Z轴）的正方向向负方向看，顺时针方向为顺时针圆弧，逆时针方向为逆时针圆弧。
在判断I、J、K值时，一定要注意该值为矢量值。
如图4–13所示圆弧在编程时的I、J值均为负值。
图4–13圆弧编程中的I、J值图4–14R及I、J、K编程举例
例图4–14所示圆弧轨迹AB，用圆弧指令编写的程序段如下所示：
FANUC与华中系统为：
AB1：
G03X2.679Y20.0R20.0；
用半径指令
G03X2.68Y20.0I-17.32J-10.0；
用圆心指令
AB2：
G02X2.68Y20.0R20.0；
用
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