CH08 数控铣加工与编程

第8章数控铣加工与编程教学提示：●数控铣加工基本知识。●当拿到一个工件和图纸后，要根据零件的形状特点和软件提供的加工功能来制定加工方案。CAXA制造工程师2006提供了多种加工方法，如平面区域加工、等高线加工、扫描线粗加工、摆线式粗加工、插铣式粗加工、导动线粗加工、限制线精加工、三维偏置精加工、深腔侧壁加工、槽加工、孔加工等18种加工方式，每一种加工方式，针对不同工件的情况，又可以有不同的特色，基本上满足了数控铣床、加工中心的编程和加工需求。在进行以上加工方式操作时，正确地填写各种加工参数，如刀次、铣刀每层下降高度、行距、拔模基准、切削量、截距、补偿等，是非常重要的。●正确进行以自动加工为目的的CAD设计。●实现数控加工的过程：配置机床→看懂图样，用曲线、曲面和实体表达工件→根据工件形状，选择合适的加工方式，生成刀位轨迹→生成加工程序G代码，传给机床。教学要求：通过学习，掌握数控铣加工的编程及工艺基本知识、粗加工、精加工、补加工、槽加工、孔加工、知识加工等加工方法。在设计、自动编程和自动加工过程中，应熟练、正确地选择这些加工方式，才能快速、高效地完成生产任务，满足用户需求。通过前面CAD造型知识的学习及教材相关内容的讲解，已为CAM作了相当充分的准备，但要熟练运用CAXA制造工程师软件提供的自动编程功能，仍有必要学习和掌握本章内容。注意与技巧：(1)三维空间曲线、曲面和实体可以用来生成刀具轨迹；(2)CAXA制造工程师软件生成的刀具轨迹均是按刀尖位置来计算和显示的；(3)本章操作实例中设置的“行距”、“每层下降高度”参数值较大，与实际加工并不相符，其目的只是为了更清楚地显示出刀具的轨迹，方便学习。8.1数控加工概述8.1.1什么是数控加工数控加工，即NC加工，是以数值与符号构成的信息，来控制机床实现自动运转。被加工零件采用线架、曲面和实体等几何体来表示，CAM系统在零件几何体基础上生成刀具轨迹，经过后置处理生成加工代码，将加工代码通过传输介质传给数控机床，使数第8章数控铣加工与编程·157··157·控机床按数字量控制刀具运动，完成零件加工。所以，数控加工的关键是加工数据和工艺参数的获取，即数控编程。数控加工一般包括以下几个内容：(1)对图纸进行分析，确定粗加工、半精加工和精加工方案；(2)利用CAM软件对需要数控加工的部分造型；(3)根据加工条件，选择合适加工参数，生成加工轨迹，(包括粗加工、半精加工、精加工轨迹)；(4)刀具轨迹的仿真检验；(5)后置输出加工代码；(6)输出数控加工工艺技术文件；(7)传给机床实现加工。8.1.2数控机床的基本生产过程数控机床的基本生产过程如图8.1所示。图8.18.1.3CAXA制造工程师可实现的铣加工CAXA制造工程师2006将CAD模型与CAM加工技术无缝集成，可直接对曲面、实体模型进行一致的加工操作。它支持先进实用的轨迹参数化和批处理功能，明显提高了工作效率；支持高速切削，大幅度提高了加工效率和加工质量；通用的后置处理可向任何数控系统输出加工代码。CAXA制造工程师提供了粗加工、精加工、补加工、槽加工和孔加工5种加工方式。用CAXA制造工程师实现加工的过程是：(1)配置好机床，确定加工工艺，这是正确输出代码的关键；(2)看懂图纸，用曲线、曲面和实体表达工件；(3)根据工件形状，选择合适的加工方式，生成刀位轨迹；(4)加工仿真；(5)生成G代码，传给数控机床。注意与技巧：如果要生成加工真实零件的刀具轨迹，一般是先用“粗加工”去除大量余料后才能使用精加工，否则会出现打刀等不良后果。CAD/CAM数控编程与实训(CAXA版)·158··158·8.2数控加工编程基础知识8.2.1数控机床的坐标系统在编写数控加工程序过程中，为了确定刀具与工件的相对位置，必须通过机床参考点和坐标系描述刀具的运动轨迹。1.坐标系的确定原则(1)刀具相对于静止而工件运动的原则这个原则规定不论数控机床是刀具运动还是工件运动，编程时均以刀具的运动轨迹来编写程序，这样可按零件图的加工轮廓直接确定数控机床的加工过程。(2)标准坐标系的规定标准坐标系是一个直角坐标系，如图8.2(a)所示，按右手直角坐标系规定，右手的拇指、食指和中指分别代表X、Y、Z三根直角坐标轴的方向；如图8.2(b)所示，旋转方向按右手螺旋法则规定，四指顺着轴的旋转方向，拇指与坐标轴同方向为轴的正旋转，反之为轴的反旋转，图中A、B、C分别代表围绕X、Y、Z三根坐标轴的旋转方向。(3)坐标轴正负的规定使刀具与工件之间距离增大的方向为坐标轴的正方向，反之为坐标轴的负方向。2.数控铣床坐标轴方向的确定如图8.3所示，Z坐标轴与立式铣床的直立主轴同轴线，面对主轴，向右为X坐标轴的正方向，根据右手笛卡尔坐标系的规定确定Y坐标轴的方向朝前。根据图8.3所示的数控立式铣床结构图，试确定X、Y、Z直线坐标。Z坐标：平行于主轴，刀具离开工件的方向为正，即向上为Z轴的正方向。X坐标：Z坐标垂直，且刀具旋转，所以面对刀具主轴向立柱方向看，向右为X轴的正方向。Y坐标：在Z、X坐标确定后，用右手直角坐标系来确定。图8.2图8.33.数控机床的两种坐标系数控机床坐标系有机床坐标系和工件坐标系，其中工件坐标系又称为编程坐标系。1)机床坐标系机床坐标系X、Y、Z轴是生产厂家在机床上设定的坐标系，其原点是机床上的一个固第8章数控铣加工与编程·159··159·定点，作为数控机床运动部件的运动参考点，在一般数控立铣床中，原点为运动部件在X、Y、Z三根坐标轴反方向运动的极限位置的交点，即在此状态下的工作台左前角上。2)工件坐标系设定工件坐标系XpYpZp目的是为了编程方便。设置工件坐标系原点的原则尽可能选择在工件的设计基准和工艺基准上，工件坐标系的坐标轴方向与机床坐标系的坐标轴方向保持一致。在数控铣床中，如图8.4所示，Z轴的原点一般设定在工件的上表面，对于非对称工件，X、Y轴的原点一般设定在工件的左前角上；对于对称工件，X、Y轴的原点一般设定在工件对称轴的交点上。图8.4数控铣床工件坐标系的原点8.2.2数控加工编程的一般步骤1.确定工艺过程数控机床与普通机床的加工工艺有许多相似之处，如通过对工件进行工艺分析，拟定加工工艺路线，划分加工工序；选择机床、夹具和刀具；确定定位基准和切削用量。不同之处主要体现在控制方式上，前者技术人员把加工工艺过程、工艺参数等操作步骤编成程序，记录在控制介质上，通过数控系统控制数控机床对工件切削加工，后者则由操作工人根据加工工艺操作机床对工件进行切削加工。2.计算刀具轨迹坐标值为方便编程和计算刀具轨迹坐标值，需先设定工件坐标系，随后根据零件的形状和尺寸计算零件待加工轮廓上各几何元素的起点、终点坐标及圆和圆弧的起点、终点和圆心坐标，从而确定刀具的加工轨迹。3.编写加工程序对于形状简单的工件采用手工编程，对于形状复杂的工件(如空间曲线和曲面)则需要采用CAD/CAM软件进行自动编程。4.程序输入数控系统将程序输入到数控系统的方法有两种：一种是通过操作面板上的按钮直接把程序输入数控系统，另一种是通过计算机RS232接口与数控机床连接传送程序。CAD/CAM数控编程与实训(CAXA版)·160··160·5.程序检验通过图形模拟显示刀具轨迹或用机床空运行来检验机床运动轨迹，检查刀具运动轨迹是否符合加工要求。可采用单步执行程序的方法试切削工件，即按一次按钮执行一个程序段，发现问题及时处理。8.2.3数控程序编制的方法编程方法有手工编程与自动编程两种方法。(1)手工编程直接在数控机床上进行编程的方法为手工编程，一般加工简单零件用这种方法编程。(2)自动编程对于复杂的零件，其轮廓线不是在简单的平面上，而是由复杂的空间曲线和空间曲面组成，用手工编程方法编程很困难，则需要使用自动编程方法编程。即使用专用软件进行编程，过去用APT软件描述加工过程，称为自动编程，现代自动编程是指通过CAD/CAM软件处理后自动生成NC程序的编程方法。8.3数控加工工艺简介在进行加工前，工艺分析十分重要，它决定着加工的成败。加工工艺的合理确定对实现优质、高效及经济的数控加工具有极为重要的作用，只有选择合适的工艺参数与切削策略才能获得较理想的加工效果。从加工的角度来看，数控加工技术就是加工方法和工艺参数的合理确定及有关实现的理论和技术。对于复杂形状零件的加工，加工方案和加工参数的合理选择是一个很复杂的问题。任何加工都需要根据具体加工情况进行具体的分析，不仅要考虑可加工性，也要考虑经济性。8.3.1切削用量的选择原则数控机床加工的切削用量包括切削速度Vc(或主轴转速n)、切削深度ap和进给量f，其选用原则与普通机床基本相似，合理选择切削用量的原则是：粗加工时，以提高劳动生产率为主，选用较大的切削量；半精加工和精加工时，选用较小的切削量，保证工件的加工质量。8.3.2数控加工工艺过程1.数控机床加工工艺分析数控机床加工工艺涉及面广，而且影响因素多，对工件进行加工工艺分析时，更应考虑数控机床的加工特点。1)分析零件图中的尺寸标注方法以同一基准引注尺寸或直接标注坐标尺寸的方法为统一基准标注方法，这种标注方法(如图8.5所示)最符合数控机床的加工特点，既方便编程，又保持了设计基准、工艺基准、测量基准与工件原点设置的一致性。而设计人员在标注尺寸时较多考虑装配与使用特性方面的因素，常采用局部分散的标注方法(如图8.6所示)，这种标注方式给工序安排与数控第8章数控铣加工与编程·161··161·编程带来许多不便，宜将局部分散的标注方法改为统一基准标注方法，由于数控加工精度及重复定位精度很高，统一基准标注方法不会产生较大的累积误差。图8.5统一基准标注方法图8.6分散基准标注方法2)分析工件结构的工艺性(1)工件的内腔与外形应尽量采用统一的几何类型和尺寸。比如同一轴上直径差不多的轴肩退刀槽的宽度应尽量统一尺寸，这样可以减少刀具的规格和换刀的次数，方便编程，可以提高数控机床加工效率。(2)工件内槽及缘板间的过渡圆角半径不应过小。过渡圆角半径反映了刀具直径的大小，刀具直径和被加工工件轮廓的深度之比与刀具的刚度有关，如图8.7(a)所示，当R0.2H时(H为被加工工件轮廓面的深度)，则判定该工件该部位的加工工艺性较差；如图8.7(b)所示，当R0.2H时，则刀具的当量刚度较好，工件的加工质量能得到保证。(3)工件槽底圆角半径不宜过大。如图8.8所示，铣削工件底平面时，槽底的圆角半径r越大，铣刀端刃铣削平面的能力就越差，铣刀与铣削平面接触的最大直径d=D-2r(D为铣刀直径)，当D一定时，r越大，铣刀端刃铣削平面的面积越小，加工表面的能力相应减小。(a)(b)图8.7内槽过渡半径图8.8槽底的圆角半径(4)分析零件定位基准的可靠性。数控加工应尽量采用统一的基准定位，否则会因工件的安装定位误差而导致工件加工的位置误差和形状误差增大。如果在数控机床上需要对工件调头加工，最好选用已加工的外圆或已加工的内孔作为定位基准。如果没有则应设置CAD/CAM数控编程与实训(CAXA版)·162··162·辅助基准，必要时在毛坯上增加工艺凸台或制作工艺孔，加工结束后再处理所设的辅助基准。2.数控加工工艺路线设计在数控加工中，刀具(严格地说是刀位点)相对于工件的运动轨迹和方向称为加工路线，即刀具从对刀点开始运动起，直至结束加工所经过的路径，包括切削加工的路径及刀具引入、返回等非切削空行程。合理选择加工路线是非常重要的，因为它与零件的加工效率和表面质量密切相关。所以数控加工的工艺路线设计必须全面考虑，注意考虑工序的正确划分、顺序的合理安排和数控加工工序与普通工序的衔接。1)工序的划分数控机床与普通机床加工相比较，加工工序更加集中，根据数控机床的加工特点，加工工序的划分有以下几种方式：(1)根据装夹定位划分工序。这种方法一般适应于加工内容不多的工件，主要是将加工部位分为几个部分，每道工序加工其中一部分。如加工外形时，以内腔夹紧；加工内腔时，以外形夹紧。(2)按所用刀具划分工序。为了减少换刀次数和空行程时间，可以采用刀具集中的原则