第3章数控车床的程序编制

1第3章数控车床的程序编制数控车床是目前使用最广泛的数控机床之一。数控车床主要用于加工轴类、盘类等回转体零件。通过数控加工程序的运行，可自动完成内外圆柱面、圆锥面、成形表面、螺纹和端面等工序的切削加工，并能进行车槽、钻孔、扩孔、铰孔等工作。车削中心可在一次装夹中完成更多的加工工序，提高加工精度和生产效率，特别适合于复杂形状回转类零件的加工。3.1数控车床程序编制的基础针对回转体零件加工的数控车床，在车削加工工艺、车削工艺装备、编程指令应用等方面都有鲜明的特色。为充分发挥数控车床的效益，下面将结合HM－077数控车床的使用，分析数控车床加工程序编制的基础，首先讨论以下三个问题：数控车床的工艺装备；对刀方法；数控车床的编程特点。3.1.1数控车床的工艺装备由于数控车床的加工对象多为回转体，一般使用通用三爪卡盘夹具，因而在工艺装备中，我们将以WALTER系列车削刀具为例，重点讨论车削刀具的选用及使用问题。1、数控车床可转位刀具特点数控车床所采用的可转位车刀，与通用车床相比一般无本质的区别，其基本结构、功能特点是相同的。但数控车床的加工工序是自动完成的，因此对可转位车刀的要求又有别于通用车床所使用的刀具，具体要求和特点如表3.1所示。2表3.1可转位车刀特点要求特点目的精度高采用M级或更高精度等级的刀片；多采用精密级的刀杆；用带微调装置的刀杆在机外预调好。保证刀片重复定位精度，方便坐标设定，保证刀尖位置精度。可靠性高采用断屑可靠性高的断屑槽型或有断屑台和断屑器的车刀；采用结构可靠的车刀，采用复合式夹紧结构和夹紧可靠的其他结构。断屑稳定，不能有紊乱和带状切屑；适应刀架快速移动和换位以及整个自动切削过程中夹紧不得有松动的要求。换刀迅速采用车削工具系统；采用快换小刀夹。迅速更换不同形式的切削部件，完成多种切削加工，提高生产效率。刀片材料刀片较多采用涂层刀片。满足生产节拍要求，提高加工效率。刀杆截形刀杆较多采用正方形刀杆，但因刀架系统结构差异大，有的需采用专用刀杆。刀杆与刀架系统匹配。2、数控车床刀具的选刀过程数控车床刀具的选刀过程，如图3.1所示。从对被加工零件图样的分析开始，到选定刀具，共需经过十个基本步骤，以图3.1中的10个图标来表示。选刀工作过程从第1图标“零件图样”开始，经箭头所示的两条路径，共同到达最后一个图标“选定刀具”，以完成选刀工作。其中，第一条路线为：零件图样、机床影响因素、选择刀杆、刀片夹紧系统、选择刀片形状，主要考虑机床和刀具的情况；第二条路线为：工件影响因素、选择工件材料代码、确定刀片的断屑槽型代码或ISO断屑范围代码、选择加工条件脸谱，这条路线主要考虑工件的情况。综合这两条路线的结果，才能确定所选用的刀具。下面将讨论每一图标的内容及选择办法。3图3.1数控车床刀具的选刀过程(1)机床影响因素“机床影响因素”图标如图3.2所示。为保证加工方案的可行性、经济性，获得最佳加工方案，在刀具选择前必须确定与机床有关的如下因素：1）机床类型：数控车床、车削中心；2）刀具附件：刀柄的形状和直径，左切和右切刀柄；3）主轴功率；4）工件夹持方式。图3.2机床影响因素4(2)选择刀杆“选择刀杆”图标如图3.3所示。其中，刀杆类型尺寸见表3.2。表3.2刀杆类型尺寸刀杆类型外圆加工刀杆内孔加工刀杆柄部截面形状刀杆尺寸柄部直径D柄部长度l1主偏角选用刀杆时，首先应选用尺寸尽可能大的刀杆，同时要考虑以下几个因素：1）夹持方式；2）切削层截面形状，即切削深度和进给量；3）刀柄的悬伸。(3)刀片夹紧系统刀片夹紧系统常用杠杆式夹紧系统，“杠杆式夹紧系统”图标如图3.4所示。图3.3选择刀杆5图3.4杠杆式夹紧系统1）杠杆式夹紧系统杠杆式夹紧系统是最常用的刀片夹紧方式。其特点为：定位精度高,切屑流畅,操作简便,可与其它系列刀具产品通用。2）螺钉夹紧系统特点：适用于小孔径内孔以及长悬伸加工(4)选择刀片形状图3.5选择刀片形状“选择刀片形状”图标如图3.5所示。主要参数选择方法如下：1）刀尖角刀尖角的大小决定了刀片的强度。在工件结构形状和系统刚性允许的前提下，应选择尽可能大的刀尖角。通常这个角度在35o到90O之间。图3.5中R型圆刀片，在重切削时具有较好的稳定性，但易产生较大的径向力。6表3.3刀片形状适用场合----首选----次选2）刀片基本类型刀片可分为正型和负型两种基本类型。正型刀片：对于内轮廓加工，小型机床加工，工艺系统刚性较差和工件结构形状较复杂应优先选择正型刀片。负型刀片：对于外圆加工，金属切除率高和加工条件较差时应优先选择负型刀片。选择方法见表3.3。(5)工件影响因素7“工件影响因素”图标如图3.6所示。选择刀具时，必需考虑以下与工件有关的因素：1）工件形状：稳定性；2）工件材质：硬度、塑性、韧性、可能形成的切屑类型；3）毛坯类型：锻件、铸件等；4）工艺系统刚性：机床夹具、工件、刀具等；5）表面质量；6）加工精度；7）切削深度；8）进给量；9）刀具耐用度。(6)选择工件材料代码“选择工件材料代码”图标如图3.7所示。图3.7选择工件材料代码图3.6工件影响因素8表3.4选择工件材料代码按照不同的机加工性能，加工材料分成6个工件材料组，他们分别和一个字母和一种颜色对应，以确定被加工工件的材料组符号代码，见表3.4。(7)确定刀片的断屑槽型代码或ISO断屑范围代码负型刀片的断屑范围正型刀片的断屑范围图3.8确定刀片断屑槽代码“确定刀片的断屑槽型代码或ISO断屑范围代码”图标如图3.8所示。ISO标准按切削深度aP和进给量的大小将断屑范围分为A、B、C、D、E、F六个区，其中A、B、C、D为常用区域，WALTER标准将断加工材料组代码钢：非合金和合金钢高合金钢不锈钢，铁素体，马氏体P（蓝）不锈钢和铸钢：奥氏体铁素体——奥氏体M（黄）铸铁：可锻铸铁，灰口铸铁，球墨铸铁K（红）NF金属：有色金属和非金属材料N（绿）难切削材料：以镍或钴为基体的热固性材料钛，钛合金及难切削加工的高合金钢S（棕）硬材料：淬硬钢，淬硬铸件和冷硬模铸件，锰钢H（白）9屑范围分为图中各色块表示的区域，ISO标准和WALTER标准可结合使用，如图3.8所示。根据选用标准，按加工的切削深度和合适的进给量来确定刀片的WALTER断屑槽型代码或ISO分类范围。(8)选择加工条件脸谱“选择加工条件脸谱”图标如图3.9所示，三类脸谱代表了不同的加工条件:很好、好、不足。表3.5表示加工条件取决于机床的稳定性、刀具夹持方式和工件加工表面。图3.9加工条件脸谱表3.5选择加工条件机床，夹具和工件系统的稳定性加工方式很好好不足无断续切削加工表面已经过粗加工带铸件或锻件硬表层，不断变换切深轻微的断续切削中等断续切屑严重断续切削(9)选定刀具“选定刀具”图标如图3.10所示。选定工作分以下两方面：101）选定刀片材料根据被加工工件的材料组符号标记、WALTER槽型、加工条件脸谱，就可得出WALTER推荐刀片材料代号，见表3.6和表3.7。2）选定刀具根据工件加工表面轮廓，从刀杆订货页码中选择刀杆。根据选择好的刀杆，从刀片订货页码中选择刀片图3.10选定刀具表3.6选定刀片材料（选择负型刀片）工件材料组ISO分类范围WALTER槽代码P（蓝）AB...-NS4WAK10WAP20WAM20B...-NS8WAP10WAP20WAP30BC...-NM4WAP10WAP20WAP30C...-NM7WAP10WAP20WAP30CD...-NR7WAP10WAP20WAP30M（黄）AB...-NS4WAM20WAM20WAM20BC...-NM4WAP30WAM20WAM20CD...-NR7WAP30WAP30WAP30K（红）-...-NS4WAK10WAP20WAP20-...-NS8WAK10WAP20WAP30-...-NM4WAK10WAK10WAP30-.NMAWAK10WAK10-11表3.7选定刀片材料(选择正型刀片）工件材料组ISO分类范围WALTER槽代码P（蓝）AB...-PS4WAK10WAP20WAM20BC...-PM5WAP10WAP20WAP30M（黄）AB...-PS4WAM20WAM20WAM20BC...-PM5WAP30WAP30WAP30K（红）-...-PS4WAK10WAK20WAP20-...-PM5WAP10WAP20WAP30N（绿）-...-PM2WK1WK1WK13.1.2对刀数控车削加工中，应首先确定零件的加工原点，以建立准确的加工坐标系，同时考虑刀具的不同尺寸对加工的影响。这些都需要通过对刀来解决。1、一般对刀一般对刀是指在机床上使用相对位置检测手动对刀。下面以Z向对刀为例说明对刀方法，见图3.11。刀具安装后，先移动刀具手动切削工件右端面，再沿X向退刀，将右端面与加工原点距离N输入数控系统，即完成这把刀具Z向对刀过程。手动对刀是基本对刀方法，但它还是没跳出传统车床的“试切--测量--调整”的对刀模式，占用较多的在机床上时间。此方法较为落后。2、机外对刀仪对刀机外对刀的本质是测量出刀具假想刀尖点到刀具台基准之间X及Z方向的距离。利用机外对刀仪可将刀具预先在机床外校对好，以便装上机床后将对刀长度输入相应刀具补偿号即可以使用，如图3.12所示。3、自动对刀自动对刀是通过刀尖检测系统实现的，刀尖以设定的速度向接触式传感器接近，当刀尖与传感器接触并发出信号，数控系统立即记下该瞬间的坐标值，并自动修正刀具补偿值。自动对刀过程如图3.13所示.12图3.11相对位置检测对刀图3.12机外对刀仪对刀图3.13自动对刀3.1.3数控车床的编程特点1、加工坐标系加工坐标系应与机床坐标系的坐标方向一致，X轴对应径向，Z轴对应轴向，C轴（主轴）的运动方向则以从机床尾架向主轴看，逆时针为＋C向，顺时针为－C向，如图3.14所示：加工坐标系的原点选在便于测量或对刀的基准位置，一般在工件的右端面或左端面上。2、直径编程方式在车削加工的数控程序中，X轴的坐标值取为零件图样上的直径值，如图3.15所示：图中A点的坐标值为（30，80），B点的坐标值为（40，60）。采用直径尺寸编程与零件图样中的尺寸标注一致，这样可避免尺寸换算过程中可能造成的错误，给编程带来很大方便。3、进刀和退刀方式对于车削加工，进刀时采用快速走刀接近工件切削起点附近的某个点，再改用切削进给，以减少空走刀的时间，提高加工效率。切削起点的确定与工件毛坯余量大小有关，应以刀具快速走到该点时刀尖不与工件发生碰撞为原则。如图3.16所示。图3.14数控车床坐标系13图3.15直径编程图3.16切削起始点的确定3.2数控车床的基本编程方法数控车削加工包括内外圆柱面的车削加工、端面车削加工、钻孔加工、螺纹加工、复杂外形轮廓回转面的车削加工等，在分析了数控车床工艺装备和数控车床编程特点的基础上，下面将结合配置FANUC-0T数控系统的HM-077数控车床重点讨论数控车床基本编程方法。3.2.1F功能F功能指令用于控制切削进给量。在程序中，有两种使用方法。1、每转进给量编程格式G95F~F后面的数字表示的是主轴每转进给量，单位为mm/r。例：G95F0.2表示进给量为0.2mm/r。2、每分钟进给量编程格式G94F~F后面的数字表示的是每分钟进给量，单位为mm/min。例：G94F100表示进给量为100mm/min。143.2.2S功能S功能指令用于控制主轴转速。编程格式S～S后面的数字表示主轴转速，单位为r/min。在具有恒线速功能的机床上，S功能指令还有如下作用。1、最高转速限制编程格式G50S～S后面的数字表示的是最高转速：r/min。例：G50S3000表示最高转速限制为3000r/min。2、恒线速控制编程格式G96S～S后面的数字表示的是恒定的线速度：m/min。例：G96S150表示切削点线速度控制在150m/min。对图3.17中所示的零件，为保持A、B、C各点的线速度在150m/min，则各点在加工时的主轴转速分别为：A：n=1000×150÷(π×40)=1193r/