数控铣床编程入门知识

模块二数控铣床编程入门知识本课题可以引领你进入数控铣床编程的大门，本课题学习数控铣床编程基础，其目的是在学习数控编程前对数控编程有一个总体的了解和把握，对数控程序的结构建立起基本的印象。通过本课题的学习，你可以轻松的掌握数控铣床加工工艺的分析方法，数控铣削加工工艺的实质，就是在分析零件精度和表面粗糙度的基础上，对数控铣削的加工方法、装夹方式、切削加工进给路线、刀具选择以及切削用量等工艺内容进行正确而合理的选择。一、数控铣床加工工艺入门知识数控铣削加工工艺性分析是编程前的重要工艺准备工作之一，根据加工实践，数控铣削加工工艺分析所要解决的主要问题大致可归纳为以下几个方面。（一）选择并确定数控铣削加工部位及工序内容在选择数控铣削加工内容时，应充分发挥数控铣床的优势和关键作用。主要选择的加工内容有：1.工件上的曲线轮廓，特别是由数学表达式给出的非圆曲线与列表曲线等曲线轮廓，如图2-50所示的正弦曲线。2.已给出数学模型的空间曲面,如图2-51所示的球面。3.形状复杂、尺寸繁多、划线与检测困难的部位；3.用通用铣床加工时难以观察、测量和控制进给的内外凹槽；4.以尺寸协调的高精度孔和面；学习目标知识目标：●了解数控编程的内容、结构和基础知识。●掌握数控铣床坐标系与运动方向的规定与建立。能力目标：●数控铣床加工工艺知识的综合应用。图2-50Y=SIN(X)曲线图2-51球面5.能在一次安装中顺带铣出来的简单表面或形状；6.用数控铣削方式加工后，能成倍提高生产率，大大减轻劳动强度的一般加工内容。（二）零件图样的工艺性分析根据数控铣削加工的特点，对零件图样进行工艺性分析时，应主要分析与考虑以下一些问题。1.零件图样尺寸的正确标注由于加工程序是以准确的坐标点来编制的，因此，各图形几何元素间的相互关系（如相切、相交、垂直和平行等）应明确，各种几何元素的条件要充分，应无引起矛盾的多余尺寸或者影响工序安排的封闭尺寸等。例如，零件在用同一把铣刀、同一个刀具半径补偿值编程加工时，由于零件轮廓各处尺寸公差带不同，如在图2-52中，就很难同时保证各处尺寸在尺寸公差范围内。这时一般采取的方法是：兼顾各处尺寸公差，在编程计算时，改变轮廓尺寸并移动公差带，改为对称公差，采用同一把铣刀和同一个刀具半径补偿值加工，对图2-52中括号内的尺寸，其公差带均作了相应改变，计算与编程时用括号内尺寸来进行。图2-52零件尺寸公差带的调整2.统一内壁圆弧的尺寸加工轮廓上内壁圆弧的尺寸往往限制刀具的尺寸。（1）内壁转接圆弧半径R如图2-53所示，当工件的被加工轮廓高度H较小，内壁转接圆弧半径R较大时，则可采用刀具切削刃长度L较小，直径D较大的铣刀加工。这样，底面A的走刀次数较少，表面质量较好，因此，工艺性较好。反之如图2-54，铣削工艺性则较差。通常，当R0.2H时，则属工艺性较差。（2）内壁与底面转接圆弧半径r如图2-55，铣刀直径D一定时，工件的内壁与底面转接圆弧半径r越小，铣刀与铣削平面接触的最大直径d=D-2r也越大，铣刀端刃铣削平面的面积越大，则加工平面的能力越强，因而，铣削工艺性越好。反之，工艺性越差,如图2-56所示。当底面铣削面积大，转接圆弧半径r也较大时，只能先用一把r较小的铣刀加工，再用符合要求r的刀具加工，分两次完成切削。总之，一个零件上内壁转接圆弧半径尺寸的大小和一致性，影响着加工能力、加工质量和换刀次数等。因此，转接圆弧半径尺寸大小要力求合理，半径尺寸尽可能一致，至少要力求半径尺寸分组靠拢，以改善铣削工艺性。（三）保证基准统一的原则图2-55r较小图2-56r较大有些工件需要在铣削完一面后，再重新安装铣削另一面，由于数控铣削时，不能使用通用铣床加工时常用的试切方法来接刀，因此，最好采用统一基准定位，即力求设计基准、工艺基准和编程基准统一。（四）分析零件的变形情况铣削工件在加工时的变形，将影响加工质量。这时，可采用常规方法如粗、精加工分开及对称去余量法等，也可采用热处理的方法，如对钢件进行调质处理，对铸铝件进行退火处理等。加工薄板时，切削力及薄板的弹性退让极易产生切削面的振动，使薄板厚度尺寸公差和表面粗糙度难以保证，这时，应考虑合适的工件装夹方式。总之，加工工艺取决于产品零件的结构形状，尺寸和技术要求等。在表2-1中给出了改进零件结构提高工艺性的一些实例。表2-1改进零件结构提高工艺性提高工艺性方法结构结果改进前改进后铣加工改进内壁形状可采用较高刚性刀具统一圆弧尺寸减少刀具数和更换刀具次数，减少辅助时间这样做可以减少基准不重合产生的误差和数控编程中的计算量，并且能有效的减少装夹次数。动脑筋：能否提出合适的工件装夹方式呢？选择合适的圆弧半径R和r提高生产效率用两面对称结构减少编程时间，简化编程表2-1改进零件结构提高工艺性（续表）合理改进凸台分布减少加工劳动量改进结构形状减少加工劳动量减少加工劳动量改进尺寸比例可用较高刚度刀具加工，提高生产率表2-1改进零件结构提高工艺性（续表）在加工和不加工表面间加入过渡减少加工劳动量改进零件几何形状斜面筋代替阶梯筋，节约材料（五）零件的加工路线在数控加工中，刀具(严格说是刀位点)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。加工路线的确定首先必须保证被加工零件的尺寸精度和表面质量，其次考虑数值计算简单，走刀路线尽量短，效率较高等。下面举例分析数控机床加工零件时常用的加工路线。1.铣削轮廓表面在图2-57铣削轮廓表面时一般采用立铣刀侧面刃口进行切削。对于二维轮廓加工通常采用的加工路线为：（1)从起刀点下刀到下刀点；（2)沿切向切入工件；（3)轮廓切削；（4)刀具向上抬刀，退离工件；（5)返回起刀点。2.寻求最短走刀路线走刀路线就是刀具在整个加工工序中的运动轨迹，它不但包括了工步的内容，也反映出工步顺序，走刀路线是编写程序的依据之一。如加工图2-58（a）所示的孔系。图2-58（b）的走刀路线为先加工完外圈孔后，再加工内圈孔，若改用图2-58（c）图的走刀路线，可减少空刀时间，则可节省定位时间近一倍，提高了加工效率。（a）钻削示例件（b）常规进给路线（c）最短进给路线图2-58最短走刀路线的设计3.顺铣和逆铣对加工影响在铣削加工中，采用顺铣还是逆铣方式是影响加工表面粗糙度的重要因素之一。逆铣时切削力F的水平分力FX的方向与进给运动Vf方向相反，顺铣时切削力F的水平分力FX的方向与进给运动Vf的方向相同。铣削方式的选择应视零件图样的加工要求，工件材料的性质、特切入点切出点轮廓切削图2-57轮廓铣削点以及机床、刀具等条件综合考虑。通常，由于数控机床传动采用滚珠丝杠结构，其进给传动间隙很小，顺铣的工艺性就优于逆铣。如图2-59（a）所示为采用顺铣切削方式精铣外轮廓,图2-59（b）所示为采用逆铣切削方式精铣型腔轮廓,图2-59（c）所示为顺、逆铣时的切削区域。（a)顺铣（b)逆铣（c)切入和退刀区图2-59顺铣和逆铣切削方式同时，为了降低表面粗糙度值，提高刀具耐用度，对于铝镁合金、钛合金和耐热合金等材料，尽量采用顺铣加工。但如果零件毛坯为黑色金属锻件或铸件，表皮硬而且余量一般较大，这时采用逆铣较为合理。（六）数控铣削加工顺序的安排加工顺序通常包括切削加工工序、热处理工序和辅助工序等，工序安排的科学与否将直接影响到零件的加工质量、生产率和加工成本。切削加工工序通常按以下原则安排：1.先粗后精当加工零件精度要求较高时都要经过粗加工、半精加工、精加工阶段，如果精度要求更高，还包括光整加工等几个阶段。2.基准面先行原则用作精基准的表面应先加工。任何零件的加工过程总是先对定位基准进行粗加工和精加工，例如轴类零件总是先加工中心孔，再以中心孔为精基准加工外圆和端面；箱体类零件总是先加工定位用的平面及两个定位孔，再以平面和定位孔为精基准加工孔系和其他平面。3.先面后孔对于箱体、支架等零件，平面尺寸轮廓较大，用平面定位比较稳定，而且孔的深度尺寸又是以平面为基准的，故应先加工平面，然后加工孔。4.先主后次即先加工主要表面，然后加工次要表面。（七）常用铣削用量的选择在数控机床上加工零件时，切削用量都预先编入程序中，在正常加工情况下，人工不予改变。只有在试加工或出现异常情况时，才通过速率调节旋钮或电手轮调整切削用量。因此程序中选用的切削用量应是最佳的、合理的切削用量。只有这样才能提高数控机床的加工精度、刀具寿命和生产率，降低加工成本。影响切削用量的因素有：机床切削用量的选择必须在机床主传动功率、进给传动功率以及主轴转速范围、进给速度范围之内。机床—刀具—工件系统的刚性是限制切削用量的重要因素。切削用量的选择应使机床—刀具—工件系统不发生较大的“振颤”。如果机床的热稳定性好，热变形小，可适当加大切削用量。刀具刀具材料是影响切削用量的重要因素。表2-2是常用刀具材料的性能比较。表2-2常用刀具材料的性能比较刀具材料切削速度耐磨性硬度硬度随温度变化高速钢最低最差最低最大硬质合金低差低大陶瓷刀片中中中中金刚石高好高小数控机床所用的刀具多采用可转位刀片（机夹刀片）并具有一定的寿命。机夹刀片的材料和形状尺寸必须与程序中的切削速度和进给量相适应并存入刀具参数中去。标准刀片的参数请参阅有关手册及产品样本。工件不同的工件材料要采用与之适应的刀具材料、刀片类型，要注意到可切削性。可切削性良好的标志是，在高速切削下有效地形成切屑，同时具有较小的刀具磨损和较好的表面加工质量。较高的切削速度、较小的背吃刀量和进给量，可以获得较好的表面粗糙度。合理的恒切削速度、较小的背吃刀量和进给量可以得到较高的加工精度。冷却液冷却液同时具有冷却和润滑作用。带走切削过程产生的切削热，降低工件、刀具、夹具和机床的温升，减少刀具与工件的摩擦和磨损，提高刀具寿命和工件表面加工质量。使用冷却液后，通常可以提高切削用量。冷却液必须定期更换，以防因其老化而腐蚀机床导轨或其他零件，特别是水溶性冷却液。铣削加工的切削用量包括：切削速度、进给速度、背吃刀量和侧吃刀量。从刀具耐用度出发，切削用量的选择方法是：先选择背吃刀量或侧吃刀量，其次选择进给速度，最后确定切削速度。1.背吃刀量ap或侧吃刀量ae背吃刀量ap为平行于铣刀轴线测量的切削层尺寸，单位为㎜。端铣时，ap为切削层深度；而圆周铣削时，为被加工表面的宽度。侧吃刀量ae为垂直于铣刀轴线测量的切削层尺寸，单位为㎜。端铣时，ae为被加工表面宽度；而圆周铣削时，ae为切削层深度，见图2-60（a）周铣（b）端铣图2-60铣削加工的切削用量背吃刀量或侧吃刀量的选取主要由加工余量和对表面质量的要求决定：（1）当工件表面粗糙度值要求为Ra=12.5～25μm时，如果圆周铣削加工余量小于5㎜，端面铣削加工余量小于6㎜，粗铣一次进给就可以达到要求。但是在余量较大，工艺系统刚性较差或机床动力不足时，可分为两次进给完成。（2）当工件表面粗糙度值要求为Ra=3.2～12.5μm时，应分为粗铣和半精铣两步进行。粗铣时背吃刀量或侧吃刀量选取同前。粗铣后留0.5～1.0㎜余量，在半精铣时切除。（3）当工件表面粗糙度值要求为Ra=0.8～3.2μm时，应分为粗铣、半精铣、精铣三步进行。半精铣时背吃刀量或侧吃刀量取1.5～2㎜；精铣时，圆周铣侧吃刀量取0.3～0.5㎜，面铣刀背吃刀量取0.5～1㎜。2.进给量f与进给速度Vf的选择铣削加工的进给量f（㎜/r）是指刀具转一周，工件与刀具沿进给运动方向的相对位移量；进给速度Vf（㎜/min）是单位时间内工件与铣刀沿进给方向的相对位移量。进给速度与进给量的关系为Vf=nf（n为铣刀转速，单位r/min）。进给量与进给速度是数控铣床加工切削用量中的重要参数，根据零件的表面粗糙度、加工精度要求、刀具及工件材料等因素，参考切削用量手册选取或通过选取每齿进给量fz，再根据公式f=Zfz（Z为铣刀齿数）计算。每齿进给量fz的选取主要依据工件材料的力学性能、刀具材料、工件表面粗糙度等因素。工件材料强度和硬度越高，fz越小；反之则越大。硬质合金铣刀的每齿