项目五 平面凸轮廓零件的工艺及程序编制.docx
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项目五平面凸轮廓零件的工艺及程序编制
项目五平面凸轮廓零件的工艺及程序编制
一、项目导入
二、相关知识
（一）平面铣削工艺设计
（二）数控系统的相关功能指令
三、项目实施
（一）加工工艺分析
（二）编制加工程序
四、拓展知识—西门子系统编程简介
（一）NC编程基本结构
（二）西门子系统G功能代码
（三）西门子系统支持的M代码
项目五平面凸轮廓零件的工艺及程序编制
【能力目标】
1、针对加工零件，能分析平面凸轮廓类零件的结构特点、特殊加工要求，理解加工技术要求
2、会分析平面凸轮廓零件的工艺性能，能正确选择设备、刀具、夹具与切削用量，能编制数控加工工艺卡
3、能使用数控系统的基本指令，正确编制平面凸轮廓零件的数控加工程序
【知识目标】
1、掌握数控系统的G00/G01/G02/G03/G41/G42/G40/G54/G90/G17/G18/G19等指令的编程格式及应用
2、掌握平面图凸轮廓类零件的结构特点和加工工艺特点，正确分析平面凸轮廓零件的加工工艺
3、掌握平面图凸轮廓类零件的工艺编制方法
4、掌握平面图凸轮廓类零件的手工编程方法
一、项目导入
二、相关知识
（一）平面铣削工艺设计
1、刀具选择
铣削平面类零件周边轮廓一般采用立铣刀。
刀具的尺寸一般应满足：
①刀具半径R小于朝轮廓内侧弯曲的最小曲率半径ρmin，一般可取R=（0.8～0.9）ρmin；
②刀具与零件的接触长度H≤（1/4～1/6）R，以保证刀具有足够的刚度。
如果ρmin过小，为提高加工效率，可先采用大直径刀具进行粗加工，然后按上述要求选择刀具对轮廓上残留余量过大的局部区域处理后再对整个轮廓进行精加工。
2、走刀路线设计
走刀路线的合理选择是非常重要的，因为它与零件的加工效率和表面质量密切相关。
确定走刀路线的一般原则是：
①保证零件的加工精度和表面粗糙度要求。
②缩短走刀路线，减少进退刀时间和其他辅助时间。
③方便数值计算，减少编程工作量。
④尽量减少程序段数。
对于二维轮廓的铣削，无论是外轮廓或内轮廓，要安排刀具从切向进入轮廓进行加工，当轮廓加工完毕之后，要安排一段沿切线方向继续运动的距离退刀，这样可以避免刀具在工件上的切入点和退出点处留下接刀痕。
例如，铣削外圆可采取的走刀路线，其进、退刀采取的是沿切向的直线段。
而对于内轮廓的加工，其切向进、退刀可采用圆弧段。
此外，在铣削加工零件轮廓时，要考虑尽量采用顺铣加工方式，这样可以提高零件表面质量和加工精度，减少机床的“颤振”。
要选择合理的进、退刀位置，尽可能选在不太重要的位置。
（二）数控系统的相关功能指令
1、准备功能（G功能）
代码
功能
组别
代码
功能
组别
★G00
快速定位
01
G52
局部坐标系统
00
G01
直线插补
★G54
选择第1工件坐标系
12
G02
顺时针圆弧插补
G55
选择第2工件坐标系
G03
逆时针圆弧插补
G56
选择第3工件坐标系
G04
暂停
00
G57
选择第4工件坐标系
G09
准确停止检验
G58
选择第5工件坐标系
G10
自动程序原点补正，刀具补正设置
G59
选择第6工件坐标系
★G17
XY平面选择
02
G73
高速深孔啄钻循环
09
G18
ZX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
06
★G80
取消固定循环
G21
公制单位输入选择
G81
钻孔循环
★G27
参考点返回检查
00
G82
沉头钻孔循环
G28
返回参考点
G83
深孔啄钻循环
G29
由参考点返回
G84
攻右螺纹循环
G30
返回第2、3、4参考点
G85
铰孔循环
G33
螺纹切削
01
G86
背镗循环
★G40
取消刀具半径补偿
07
★G90
绝对坐标编程
03
G41
刀具半径左补偿
G91
增量坐标编程
G42
刀具半径右补偿
G92
定义编程原点
00
G43
刀具长度正补偿
08
★G94
每分钟进给量
05
G44
刀具长度负补偿
★G98
在固定循环中使Z轴返回起始点
10
★G49
取消刀具长度补偿
G99
在固定循环中使Z轴返回参考点
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段中，则最后一个G代码有效。
4．在固定循环中（09组），如果遇到01组的G代码时，固定循环被自动取消。
2、辅助功能（M功能）
代码
功能
代码
功能
M00
程序停止
A
M07
切削液开（雾状）
W
M01
选择性停止
A
M08
切削液开
W
M02
程序结束
A
M09
切削液关
A
M03
主轴正转
W
M19
主轴准停
A
M04
主轴反转
W
M30
程序结束并返回
A
M05
主轴停止
A
M98
调用子程序
A
M06
自动换刀
W
M99
子程序结束，并返回主程序
A
注意：
M代码分为前指令码（表中标W）和后指令码（表中标A），前指令码和同一程序段中的移动指令同时执行，后指令码在同段的移动指令执行完后才执行。
例如，如果程序结构如下，注意M代码执行的时间：
（G00移动指令）M03；（在快速定位的同时主轴正转）
（G01移动指令）M08；（切削液开，刀具靠近工件准备加工）
（M98P；）（调用“P”指定的子程序执行）
（G01移动指令）M09；（刀具离开工件，切削液关）
（G00移动指令）M05；（刀具快速移动后主轴停）
M06；（换刀，此处为单独M指令直接执行）
M30（M02）；（程序结束，此处为单独M指令直接执行）
3、进给功能F、主轴功能S、刀具功能T
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-1），它为续效代码。
F代码指令值如超过制造厂商所设定的范围时，则以厂商所设定的最高或最低进给速度为实际进速度。
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）
z：
铣刀的刀刃数
n：
刀具的转速（r·min-1）
【例】使用φ75mm，6齿的面铣刀，铣削碳钢表面，已知切削速度vc=100m·min-1。
fz=0.08mm／齿，求主轴转速n及vF。
n=1000vc/πD=1000×100／（3.14×75）m·min-1=425m·min-1
vz=fz×z×n=0.08×6×425mm·min-1=204mm.·min-1
2．S功能
S功能用于指令主轴转速（m·min-1）。
S代码以地址S后面接l～4位数字组成。
如其指令的数字大于或小于制造厂商所设定之最高或最低转速时，将以厂商所设定的最高或最低转速为实际转速。
一般数控铣床的主轴转速为0～6000r·min-1。
3．T功能
数控铣床因无自动换刀系统ATC，必须用人工换刀，所以自动换刀T功能只用于加工中心。
T代码以地址T后面接两位数字组成。
4、坐标系有关指令
（1）绝对尺寸与增量尺寸G90、G91
G90——绝对坐标编程指令
格式：
G90
说明：
该指令表示程序段中的运动坐标数字为绝对坐标值，即从编程原点开始的坐标值。
G91——增量坐标编程指令
格式：
G91
说明：
该指令表示程序段中的运动坐标数字为增量坐标值，即刀具运动的终点相对于起点坐标值的增量。
（2）工件坐标系设定指令G92
（3）加工坐标系选择指令G54~G59
（4）局部坐标系指令G52
（5）选择机床坐标系指令G53
5、公制/英制变换（G21、G20）
6、快速点定位指令G00
G00或G0——快速定位
该指令控制刀具从当前所在位置快速移动到指令给出的目标点位置，只能用于快速定位，不能用于切削加工。
格式：
G00XYZ；
说明：
X、Y、Z表示目标点坐标。
G00可以同时指令一轴、两轴或三轴移动，如图所示。
（a）同时1轴移动（b）同时2轴移动（c）同时3轴移动
G00指令
7、直线插补指令G01
G01或G1——直线插补
该指令控制刀具以给定的进给速度从当前位置沿直线移动到指令给出的目标位置。
格式：
G01XYZF；
说明：
X、Y、Z表示目标点坐标；F表示进给量（mm·min-1）。
8、暂停指令G04
G04——程序暂停
该指令控制系统按指定时间暂时停止执行后续程序段。
暂停时间结束则继续执行。
该指令为非模态指令，只在本程序段有效。
格式：
G04X（P）
说明：
均为暂停时间，单位分别为秒和毫秒。
暂停指令应用于下列情况：
（1）用于主轴有高速、低速挡切换时，于M05指令后，用G04指令暂停几秒，使主轴停稳后，再行换挡，以避免损伤主轴电动机。
（2）用于孔底加工时暂停几秒，使孔的深度正确及减小孔底面的粗糙度。
（3）用于铣削大直径螺纹时，用M03指定主轴正转后，暂停几秒使转速稳定，再加工螺纹，使螺距正确。
9、平面选择指令G17、G18、G19
G17/G18/G19——加工平面选择指令
格式：
G17/G18/G19
说明：
G17指定刀具在XY平面上运动；G18指定刀具在ZX平面上运动；G19指定刀具在YZ平面上运动。
由于数控铣床大都在XY平面内加工，故G17为机床的默认状态，可省略。
10、圆弧插补指令G02、G03
G02，G03或G2，G3——圆弧插补
该指令控制刀具在指定坐标平面内以给定的进给速度从当前位置（圆弧起点）沿圆弧移动到指令给出的目标位置（圆弧终点）。
G02为顺时针圆弧插补指令，G03为逆时针圆弧插补指令。
因加工零件均为立体的，在不同平面上其圆弧切削方向（G02或G03）如图所示。
其判断方法为：
在笛卡尔右手直角坐标系中，从垂直于圆弧所在平面轴的正方向往负方向看，顺时针为G02，逆时针为G03。
指令格式有三种情况：
圆弧切削方向与平面的关系
（1）X-Y平面上的圆弧：
G17G02/G03XYIJF；
或G17G02/G03XYRF；
（2）Z-X平面上的圆弧：
G18G02/G03XZIKF；
或G18G02/G03XZRF；
（3）Y-Z平面上的圆弧：
G19G02/G03YZJKF；
或G19G02/G03YZRF；
说明：
X、Y、Z为圆弧终点坐标；I、J、K为圆心分别在X、Y、Z轴相对圆弧起点的增量坐标（以后简称IJK编程），如图4-16a所示；R为圆弧半径（以后简称R编程）。
注意：
G02和G03与坐标平面的选择有关。
圆弧终点坐标可分别用增量方式（G91）或绝对值方式（G90）指令，用G91方式指令时表示圆弧终点相对于圆弧起点的增量坐标。
用R编程时，如果圆弧圆心角a≤180°，R取正值，a＞180°，R取负值。
如果加工的是整圆，则不能直接用R编程，而应用IJK编程。
11、刀具半径补偿指令G41、G42、G40
（1）刀具半径补偿的方法
铣削加工刀具半径补偿分为刀具半径左补偿（G41）和刀具半径右补偿（G42）。
编程时，使用非零的D##代码（D01～D32）选择正确的刀具偏置寄存器号，其偏置量（即补偿值）的大小通过CRT/MDI操作面板在对应的偏置寄存器号中设定，可设定值范围为0～±999.999mm。
根据ISO标准，当刀具中心轨迹沿前进方向位于零件轮廓右边时称为刀具半径右补偿，反之称为刀具半径左补偿，如图4-22所示。
当不需要进行刀具半径补偿时，则用G40取消刀具半径补偿。
刀具半径补偿的建立有以下三种方式（图4-23），a方式先下刀后，再在X、Y轴移动中建立半径补偿；b方式是先建立半径补偿后，再下刀到加工深度位置；c方式是X、Y、Z三轴同时移动建立半径补偿后再下刀。
一般取消半径补偿的过程与建立过程正好相反。
建立刀具半径补偿指令格式为：
G17/G18/G19G00/G01G41/G42α β D□□；
取消刀具半径补偿指令格式为：
G00/G01G40α β ；
说明：
α、β为X、Y、Z三轴中配合平面选择（G17、G18、G19）的任意两轴；D为刀具半径补偿号码，以1-2位数字表示。
例如D11，表示刀具半径补偿号码为11号，执行G41或G42指令时，控制器会到D所指定的刀具补偿号内选取刀具半径补偿值，以作为半径补偿的依据。
（2）使用刀具半径补偿注意事项
1）机床通电后，为取消半径补偿状态。
2）G41、G42、G40不能和G02、G03一起使用，只能与G00或G01一起使用，且刀具必须要移动。
3）在程序中用G42指令建立右刀补，铣削时对于工件将产生逆铣效果，故常用于粗铣；用G41指令建立左刀补，铣削时对于工件将产生顺铣效果，故常用于精铣。
4）一般情况下，刀具半径补偿量应为正值，如果补偿值为负，则G41和G42正好相互替换。
通常在模具加工中利用这一特点，可用同一程序加工同一公称尺寸的内外两个型面。
如图4-25所示用同一加工程序加工阳模和阴模的情况。
5）在建立刀具半径补偿以后，不能出现连续两个程序段无选择补偿坐标平面的移动指令，否则数控系统因无法正确计算程序中刀具轨迹交点坐标，可能产生过切现象。
图4-26所示铣外轮廓时，在G17坐标平面建立半径补偿后因连续出现三个程序段没有产生X、Y坐标平面移动指令，加工中出现过切现象；图4-27表示在铣内轮廓建立半径补偿后，在程序中出现连续两个程序段没有Z、Y平面移动指令，加工中将出现过切现象。
6）在补偿状态下，铣刀的直线移动量及铣削内侧圆弧的半径值要大于或等于刀具半径，否则补偿时会产生干涉，系统在执行相应程序段时将会产生报警，停止执行。
图4-28a表示直线移动量小于铣刀半径发生过切的情况，图b表示刀具半径大于加工沟槽宽度，图c所示为刀具半径值大于加工内圆弧半径的情况。
7）半径补偿功能为续效代码，在补偿状态时，若加入G28、G29、G92指令，当这些指令被执行时，补偿状态将暂时被取消，但是控制系统仍记忆着此补偿状态，因此于执行下一程序段时，又自动恢复补偿状态。
8）若程序中建立了半径补偿，在加工完成后必须用G40指令将补偿状态取消，使铣刀的中心点回复到实际的坐标点上。
亦即执行G40指令时，系统会将向左或向右的补偿值，往相反的方向释放，这时铣刀会移动一铣刀半径值。
所以使用G40指令时最好是铣刀已远离工件。
（3）刀具半径补偿的应用
1）编程时直接按工件轮廓尺寸编程。
刀具在因磨损、重磨或更换后直径会发生改变，但不必修改程序，只需改变半径补偿参数。
2）刀具半径补偿值不一定等于刀具半径值，同一加工程序，采用同一刀具可通过修改刀补的办法实现对工件轮廓的粗、精加工；同时也可通过修改半径补偿值获得所需要的尺寸精度。
12刀具长度补偿指令G43、G44、G49
数控铣床所使用的刀具，每把刀具的长度都不相同，同时，由于刀具的磨损或其他原因引起刀具长度发生变化，使用刀具长度补偿指令，可使每一把刀具加工出来的深度尺寸都正确。
（1）刀具长度补偿的方法
格式：
G43/G44ZH；
或G43/G44H；
说明：
G43表示长度正补偿，其含义如图4-30所示；G44表示长度负补偿，其含义如图4-31所示；Z指令Z轴移动坐标值；H指令长度补偿号（H□□）。
例如H01，表示刀具半径补偿号码为l号，执行G43或G44指令时，控制器会到H所指定的刀具补偿号内撷取刀具长度补偿值，以作为长度补偿的依据，长度补偿值由CRT/MDI操作面板在对应的偏置寄存器中设定，可设定值范围为0～±999.999mm。
取消刀具长度补偿指令格式为：
G49（Z）；
使用刀具长度补偿功能功能应注意以下几点：
1）机床通电后，为取消长度补偿状态。
2）使用G43或G44指令刀长补偿时，只能有Z轴的移动量，若有其它轴向的移动，则会出现报警。
3）G43、G44为续效代码，如欲取消刀长补偿，除用G49外，也可以用H00的办法，这是因为H00的偏置量固定为0。
（2）长度补偿量的确定
刀具长度补偿值可通过如下三种方法设定：
第一种方法事先通过机外对刀法测量出刀具长度（图中H01和H02），作为刀具长度补偿值（该值应为正），输入到对应的刀具补偿参数中。
此时，工件坐标系（G54）中Z值的偏置值应设定为工件原点相对机床原点Z向坐标值（该值为负）。
刀具长度补偿设定方法一
第二种方法：
将工件坐标系（G54）中Z值的偏置值设定为零，即。
向的工件原点与机床原点重合，通过机内对刀测量出刀具Z轴返回机床原点时刀位点相对工件基准面的距离（图中H01、H02，均为负值）作为每把刀具长度补偿值。
第三种方法：
将其中一把刀具作为基准刀，其长度补偿值为零，其他刀具的长度补偿值为与基准刀的长度差值（可通过机外对刀测量）。
此时应先通过机内对刀法测量出基准刀在。
轴返回机床原点时刀位点相对工件基准面的距离，并输入到工件坐标系（G54）中Z值的偏置参数中。
13、极坐标指令G16、G15
格式：
G15或G16
说明：
（1）极坐标平面选择用G17、G18、G19指定。
（2）指定G17时，+X轴为极轴，程序中坐标字X指令极径，Y指令极角。
指定G18时，+Z轴为极轴，程序中坐标字Z指令极径，X指令极角。
指定G19时，+Y轴为极轴，程序中坐标字Y指令极径，Z指令极角。
如图4-60所示，钻孔循环，使用极坐标编程如下：
G17G90G16极坐标指令XY平面
G81X67.Y30.Z-20.R5.F200极径67mm，极角30°
X67.Y150.极径67mm，极角150°
X67.Y270.极径67mm，极角270°
三、项目实施
（一）加工工艺分析
在数控铣床上加工如图所示的凸轮，工件材料为45钢，试编写加工程序。
1．工艺分析
（1）凸轮曲线由八段圆弧组成，使用圆弧插补功能即可加工。
（2）取内孔φ30mm和一端面作为定位基准面，另外还应考虑凸轮外缘曲线的方位，用φ13mm的一个内孔作为另一个基准，限制工件旋转；内孔φ30mm采用圆柱销定位，孔φ13mm用削边销定位，以保证夹具的精度；工件用螺母垫圈压紧。
（3）因为孔φ30mm是设计和定位基准，所以起始点选在孔的中心线上，安全高度为100mm。
2．切削用量的选择
取主轴转速为950r/min，进给速度为80mm/min。
3．圆弧圆心和基点坐标计算
（1）八段圆弧中有四段圆弧圆心需要计算：
图4-80凸轮加工编程
O1：
X=－（OB＋O1B）sin8°59’=－（63.8＋175）sin8°59’=－37.288
Y=－（OB＋O1B）cos8°59’=－（63.8＋175）cos8°59’=－235.871
O2：
圆心在R69的圆和圆心为（64，0）的圆的交点处，故
X2＋Y2=692
（X－64）2＋Y2=212
解联立方程式得
X=65.750
Y=20.927
O4：
X=－（OH＋O4H）cos24°15’=－（61＋175）cos24°15’=－215.176
Y=（OH＋O4H）sin24°15’=（61＋175）sin24°15’=96.930
O5：
X＋Y=（64－0.3）2
（X－65.750）2＋（Y－20.927）2=（21＋0.3）2
解联立方程式得
X=63.699
Y=－0.274
（2）共八个基点，各基点坐标值为
B点：
X=－63.8×sin8°59’=－9.962
Y=－63.8×cos8°59’=－63.017
C点：
X2＋Y2=642
（X＋37.288）2＋（Y＋235.871）2=1752
X=－5.527
Y=－63.76l
D点：
X2＋Y2=642
（X－63.699）2＋（Y＋0.274）2=0.32
X=63.999
Y=－0.30
E点：
（X－65.75）2＋（Y－20.927）2=212
（X－63.699）2＋（Y＋0.274）2=0.32
X=63.72
Y=0.026
F点：
（X＋1.07）2＋（Y－16）2=462
（X－65.75）2＋（Y－20.93）2=212
X=44.79
Y=19.60
G点：
X2＋Y2=612
（X＋1.07）2＋（Y－16）2=462
X=14.79
Y=59.18
H点：
X=－61×cos24°15’=－55.617
Y=61×sin24°15’=25.054
I点：
X2＋Y2=63.82
（X＋214.88）2＋（Y－96.93）2=1752
X=－63.016
Y=9.97
1、零件图工艺分析
2、选择加工方案
3、确定装夹方案
4、确定加工顺序及走刀路线
5、刀具及切削用量选择
6、填写工艺文件
（二）编织加工程序
O4022
G92X0Y0Z0
G90G00X-63.8Y-80.Z-120.
S950M03
G41Y-10.D01
G01Y0F80
G02X-63.016Y9.97R63.8
G03X-55.617Y25.054R175.
G02X14.79Y59.18R61.
X44.79Y19.6R46.
G03X63.72Y0.026R21.
G02X63.999Y-0.3R0.3
X-5.527Y-63.761R64.
G03X-9.962Y-63.017R175.
G02X-63.8Y0R63.8
G91G03X-5.Y5.R5.圆弧退刀
G90G00G40Y-80.Z0
X0Y0Z0M05
M02
四、拓展知识
（一）NC编程基本结构
1、程序名称
2、程序结构和内容
3、程序字及地址符
4、程序段结构
（二）西门子系统G功能代码
代码
组别
功能
格式
G00
01
快速点定位
G00XYZ
G01
直线插补
G01XYZF
G02
顺时针圆弧插补（CW）
G02XYZIJK（R）F
G03
逆时针圆弧插补（CCW）
G03XYZIJK（R）F
G02
顺时针螺旋插补指令
G02XYZIJK（R）FTURN=
G03
逆时针螺旋插补指令
G03XYZIJK（R）FTURN=
G04*
02
暂停
G04
G09*
11
准确停止
G09
G17
6
选择XY平面
G17
G18
选择ZX平面
G18
G19
选择YZ平面
G19
G25
3
工作区下限
G25S
G26
工作区上限
G26S
G33
1
恒螺距螺纹切削
G33ZKSF=
G40
7
取消刀具半径补偿
G40G00（G01）XY（F）
G41
刀具半径左补偿
G41G00（G01）XY（F）
G42
刀具半径右补偿
G42G00（G01）XY（F）
G53
09
选择机床坐标系
G53
G54
08
选择第一工件
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