第八章 数控冲床编程

数控冲床概述8.1数控冲压编程8.3数控冲压加工工艺8.2编程实例8.4第8章数控冲床编程8.1数控冲床概述近年来，随着数控技术的发展，数控技术在冲床上的应用日趋成熟，数控冲床在我国逐渐普及，大大地提高了冲压加工的生产效率，降低了生产成本。数控冲床也是数控机床的一种，其组成和工作原理与一般数控机床相类似。冲床属于压力加工机床，主要应用于钣金加工，如冲孔、裁剪和拉伸。数控冲床又称为“钣金加工中心”，即任何复杂形状的平面钣金零件都可在数控冲床上完成其所有孔和外形轮廓的冲裁等加工。8.1.1数控冲床主要技术参数参数SpecificationSKYY31225C公称压力PunchingforceKN300最大加工板材厚度Max.punchingsheetthickness（Mildsteel）mm6最大加工板材尺寸（一次重定位）Max.sheetsize（Onereposition）mm1250×2500冲孔精度Punchingaccuracymm±0.10最高行程次数Max.hitspeedh.p.m400模位数Numberofstations个20分度工位数Numberofindex个2数控轴数Controllingaxes个3或4机床重量MachineweightT12外形尺寸Outlinedimensionsmm4840×2800×21108.1.2数控冲床的特点数控冲床也是数控机床的一种类型，具有数控机床的一般特点，在此不再赘述。此外，现代数控冲床的冲压运动有机械式和液压式两种。由于液压式具有纯机械式冲床无法比拟的优点，被工业界公认为钣金柔性加工系统的发展方向。液压数控冲床具有以下特点。（1）“恒冲力”加工一般机械式冲床的冲压力是由小到大，到达顶点时只是一瞬间，无法实现在全冲程的任何位置都具有足够的冲压力。而液压式冲床完全克服了机械式冲床的缺点，建立了液压冲床“恒冲力”的全新概念。（2）智能化冲头液压冲床的冲头具有软冲功能（即冲头速度可实现快进、缓冲），既能提高劳动生产率，又能改善冲压件质量所以液压冲床加工时振动小、噪声低、模具寿命长。数控液压冲床的冲压行程长度的调节可由软件编程控制，从而可完成步冲、百页窗、打泡、攻螺纹等多种成形工序。液压系统中采用了安全阀和减压阀元件，一旦冲压发生超负荷时，能提供瞬间减压及停机保护，避免机床、模具损坏，而且复机简易、快速。（3）冲裁精度与寿命由于液压冲头的滑块与衬套之间存在一层不可压缩的静压油膜，其间隙几乎为零，且不会产生磨损，这就是液压冲床精度高、寿命长的原因所在。数控液压冲床的机身有桥形框架、O形框架、C形框架等结构。数控液压冲床的冲模一般采用转塔式的安装方式，并具有特定的自动分度装置，每个自动分度模位中的模具均能自行转位，给冲剪加工工艺带来了极大的柔性。8.1.3数控冲床的组成数控冲床的加工对象为板材，在机床结构上只有板材的移动为数控驱动，数控冲床的数控伺服系统多为半闭环控制或闭环控制。冲削运动有机械式和液压式两种。目前常见的数控冲床是冲模（刀具）装在可以旋转的转塔上，称转塔数控冲床。转塔上可以容纳的刀具数量由转盘的大小决定，一般从16把～58把不等。还有链式刀库的形式。刀具也可装在机床外，经机械手把所用的刀具换到冲压位置进行冲削加工。图8-2数控冲床的组成8.1.4数控冲床的坐标系1．数控冲床坐标系的规定对于数控冲床，由于冲削运动为机械和液压控制，因此没有Z轴，只有X轴和Y轴，坐标系比较简单。为了便于理解，我们可以认为数控冲床的Z轴是垂直向上的，那么面朝刀具主轴再向立柱看时，X轴的正方向是朝右的。这样利用右手直角笛卡儿坐标系就可以判断出Y轴的方向。此外一般把绕X、Y、Z三轴的回转运动叫做A、B、C回转运动。图8-4数控冲床坐标轴及方向2．电气坐标系电气坐标系是与标准坐标系平行的坐标系，是数控系统在处理编程数据时的坐标系。在数控系统中坐标轴所用的位置检测元件确定之后，检测元件的零点即是电气坐标系的原点。3．机床坐标系机床坐标系也是与标准坐标系平行的坐标系。它是在电气坐标原点的基础上，沿电气坐标轴偏移一个距离。这个偏移距离，由机床制造者调试后将其设置在参数中，此点即参考点。参考点即是机床原点。如果数控系统采用相对位置检测元件时，在机床通电后，需做手动返回参考点操作，以建立机床坐标系。机床参考点是电气坐标系上的一个固定点，它是机床补偿功能和行程软限位的基准点，机床使用者不要随意更动。在机床坐标轴返回到参考点时，机床在机床零点上，刀具基准点与机床零点重合，此时机床坐标系坐标轴的显示值为0。冲削加工的机床，X、Y轴的基准点在主轴中心上。4．工件坐标系工件坐标系是以机床坐标系为基准平移而成的。这个偏移量由机床操作者设置在工件坐标系设定指令中或坐标偏移存储器中。程序设计人员在工件坐标系内编程，编程时，不必考虑工件在机床中的实际位置。图8-5机床与工件坐标系工件坐标系的建立，是设定工件坐标系原点与机床坐标原点的距离关系。实际上，就是设定工件坐标系原点与机床在参考点上时的基准点之间的距离，如图8-5所示。当机床在参考点上时，由原点定位块和工件夹钳定位面决定工件的坐标原点，实际上就是机床的左下行程极限。加工程序指令的坐标值是刀位点在工件坐标系中的坐标值。冲削加工的机床，X、Y轴的刀位点亦在主轴中心上。程序设计人员在编程时，可以用绝对坐标值，也可以用相对坐标值。用绝对坐标值指令时，刀具（或机床）运动轨迹是根据工件坐标原点给出的。用相对坐标值指令时，刀具（或机床）运动轨迹是相对于前一个位置计算的，又称增量坐标值。8.2数控冲压加工工艺8.2.1确定机床和数控系统根据被加工零件的尺寸和技术要求，考虑各项技术经济指标，合理地选择机床。当有多台机床可选择时，要根据被加工零件的形状，编程的方便性，选择具有相应功能的数控系统机床。当然，在满足要求的情况下，可尽量选用成本低的数控机床，以降低加工成本。8.2.2工件的安装在数控冲床上安装工件相对比较简单。为了安装方便，机床应在参考点上进行工件安装。首先根据板料的尺寸，选择和调整夹钳的位置；松开夹钳并抬起原点定位块，将板料与之靠实；夹钳夹紧，放下原点定位块，工件装夹完成，8.2.3编程原点的设定编程原点是编程员在编制加工程序时设置的基准。编程原点应力求与设计基准和工艺基准相一致，使编程中的数值计算简单。8.2.4模具（刀具）的确定①根据被加工面的形状，尽量选用通用模具（刀具），以降低成本，但有时为简化编程和提高加工质量，也选用专用模具（刀具）。数控冲床可以根据模具（刀具）形状形成工件形状，因此，模具（刀具）规格形状较多。通用模具（刀具）使用得较多的有圆形、方（矩）形，还有跑道形、十字形、（等腰）三角形、直角三角形、单D形、双D形等。成形模具有双挡板形、浅凸形、单圆弧开口形、双圆弧开孔形、桥形、凸缘形、凸起形、沉孔形、翻边孔形、百叶窗孔、盖形气孔、凸台孔等。②模具结构。冲床用模具分上模具和下模具两部分。对转塔数控冲床，上模具安装在转塔上转盘上，下模具安装在转塔下转盘上。工作时，上、下转盘同时转到冲压位置。冲锤打击上模具，实现冲压加工。模具根据机床结构确定，有直联式和分离式两种，如图8-7所示。一般上模具由打击头、弹簧、键销、冲模架、冲头、塑料脱模等组成，下模具由下模、下模座、下模固定块等组成。直联式由于当撞杆回到上止点时，冲模也肯定回到上止点，因此不会发生冲模尚未从板料中退出而工作台已经移动的现象。分离式弹簧力必须足够大。图8-7模具结构表8-2模具间隙板厚/mm材料低碳钢铝不锈钢0.8～1.60.2～0.30.2～0.30.2～0.351.6～2.30.3～0.40.3～0.40.4～0.52.3～3.20.4～0.60.4～0.50.5～0.73.2～4.50.6～0.90.5～0.70.7～1.20.6～60.9～1.20.7～0.9冲头和下模之间的间隙根据板厚和材料性质，按表8-2所示选用，也可以根据机床情况，按0.1mm的间隙制作模具最小冲孔直径：对低碳钢和铝料可等于板厚，对不锈钢可等于2倍板厚。也可按1.5倍板厚选取。8.2.5确定工步顺序工步的顺序安排应考虑以下几点。①应保证被加工零件的精度和质量。先内后外，最后将工件与板料分离或仅留连接筋；最小冲削量要大于或等于板料厚度，避免因冲头歪斜形成啃边并影响模具寿命；应使加工后工件变形最小。②在多件加工时，应使工步集中，以减少选（换）模具（刀具）时间。③尽量用模具成形或选用大尺寸模具步冲加工，以提高生产率。④内孔落料加工时，要使运行暂停，以便用取料器（磁铁等）将落料取出，切勿将料落在工作台上随意移动。⑤多件加工时，要从离工件夹钳远处开始加工，每件之间留有足够板料，以减小板料变形。⑥工件与工件夹钳之间要有足够空间，以保证冲头安全，一般Y轴有100mm的空边。⑦如果夹钳躲让不开，则应考虑改变夹钳在X轴向的卡压位置，避免冲压中间移动夹钳。8.2.6折弯件展开长度的计算1．展开长度计算公式展开长=直线部分长+圆弧部分展开长圆弧部分展开长=圆弧中性层弧长=(r+K·t)/180。式中，r为内圆弧半径；K为弯曲系数；T为板材厚度；为板材变曲所转过的角度。2．弯曲系数K弯曲系数K是展开计算中一个重要的参数。它的选定，直接影响计算结果的准确度。K值如表8-3所示。生产使用时，要根据实际情况确定。图8-8斜刃冲时凸凹模刃口部分的布置方式斜刃冲削力可用下列简化公式计算：P斜′=KLτt式中，K=0.4～0.6（当h=t时），当为平刃口冲削时，K取1.3；L——剪切周长/mm；τ——板料抗剪强度/MPa；t——材料厚度/mm；h——斜刃高度/mm。可以看出，斜刃口冲削力大约是平刃口冲削力的1/2～1/3。适当加大刃口转角处或曲率半径较小处的刃口间隙（加大量不超过直边部分的40%），可以有效改善这些部位的受力状况，减小局部冲削力，均化刃口磨损，延长模具使用寿命。8.2.7数控冲压加工工艺文件编写数控加工技术文件是数控加工工艺设计的内容之一。这些技术文件既是数控加工和产品验收的依据，也是需要操作者遵守和执行的规程。有的则是加工程序的具体说明或附加说明，使操作者更加明确程序的内容、工件的装夹方式、各加工部位所选用的刀具及其他需要说明的事项，以保证程序的正确运行。因目前尚无统一标准，这里仅介绍几种数控加工技术文件，供自行设计时参考。（1）工序简图包括工件的装夹方式，编程原点及坐标轴方向，加工原点编码，注明工序加工表面及应达到的尺寸和公差。（2）工序卡包括工步顺序及内容，加工表面及应达到的尺寸和公差，刀具编号及名称，刀具尺寸及半径补偿号，主轴转速及进给速度（步长）等。（3）刀具卡包括刀具编号及名称，尺寸及半径补偿号。（4）机床调整卡包括机床操作面板各按钮、开关的位置和状态。如选择跳段（/n）及选择停（M01）开关，在程序运行到哪里时需做何调整等。（5）加工程序说明实践证明，仅用加工程序单和工艺规程来进行实际加工还有许多不足之处。由于操作者对程序的内容不够清楚，对编程人员的意图不够理解，经常需要编程人员在现场解释与指导，不利于长期批量生产。8.3数控冲压编程目前，许多数控冲床系统，都配备了自动编程软件，自动将CAD程序、图形转化为冲床CNC加工指令，具有模具库管理，自动选模加工，专用模具优化，优化加工路径，后置处理，自动完成微连接，自动重复定位等功能。本节介绍的是手工编程。前面介绍过，数控冲床加工编程，Z轴运动由液压或机械系统控制，所以数控冲压编程没有Z轴，只是二维编程。有了数控车床和数控铣床的编程基础，数控冲压加工编程是比较简单的。下面以“GE—FANUC”数控系统为例，介绍数控冲床的加工编程。数控冲床编程是指将钣金零件展开成平面图，放入XOY坐标系的第一象限，对平面图中的各孔系等进行坐标计算的过程。数控冲压加工主要就是进行各种孔的冲压加工，当然也可以裁剪和拉伸，我们可以把后者看作特殊的冲孔加工。在数控冲床上进行冲孔加工的过程是：零件图→编程→程序制作→输入NC控制柜→按起动按钮→加工在数控冲压编程中要注意以下几点。①一般