【任務分解】

任務一　數控編程步驟和程序格式

一、數控編程的步驟

數控編程是數控加工的重要步驟。用數控機床對零件進行加工時,先對零件進行加工工藝分析,以確定加工方法、加工工藝路線;正確地選擇數控機床刀具和裝夾方法;然后,按照加工工藝要求,根據所用數控系統規定的指令代碼及程序格式,將刀具的運動軌跡、位移量、切削參數及輔助功能編寫成加工程序單,傳送或輸入數控裝置中,由數控系統控制數控機床自動進行加工。從分析零件圖樣開始到獲得正確的程序載體為止的全過程,稱為零件加工程序的編制,簡稱為編程。

數控編程的步驟如下。

(1)分析工件圖樣

通過對工件的材料、形狀、尺寸、精度及毛坯形狀和熱處理進行分析,確定該工件是否適宜在數控機床上加工,或適宜在哪臺數控機床上加工,由于數控機床具有加工精度高、適應性強的特點,一些批量較小、形狀較復雜,精度要求高的工件,特別適合在數控機床上加工。

(2)確定工藝過程

在確定加工工藝過程時,編程人員要根據圖樣對工件的形狀、尺寸、技術要求、毛坯等進行詳細分析,從而選擇加工方案,確定加工順序、加工路線、定位夾緊方式,并合理選用刀具和切削用量等。制定數控加工工藝除考慮一般工藝原則外,還應考慮充分利用數控機床的指令功能,充分發揮機床的效能;加工路線要短,要正確地選擇對刀點、換刀點,減少換刀次數。

(3)數值計算

根據零件的幾何尺寸、進給路線及設定的工件坐標系,計算工件粗、精加工刀具各運動軌跡關鍵點的坐標值。對于形狀簡單的零件的輪廓加工,需要計算出幾何元素的起點、終點、圓弧的圓心、兩幾何元素的交點或切點的坐標值。對于形狀比較復雜的零件(如非圓曲線、曲面組成的零件),需用直線段或圓弧段逼近,計算出逼近線段的交點坐標值。由于計算復雜,一般借助計算機和一些繪圖軟件來完成數值的計算工作。

(4)編寫程序單

根據計算出的運動軌跡坐標值和已確定的進給路線、刀具參數、切削參數、輔助動作等,按照數控系統規定的功能指令代碼及程序段格式,逐段編寫加工程序單。在程序段之前加上程序的順序號,在其后加上程序段結束標志符號,并附上必要的加工示意圖、刀具布置圖、零件裝夾圖和有關的工藝文件。

(5)制備控制介質

將程序單的內容記錄在控制介質上,作為數控裝置的輸入信息。若程序簡單,也可直接通過鍵盤輸入。

(6)程序檢驗與試切削

程序單和制備好的控制介質必須經過校驗和零件試切削后才能正式使用。通常的方法是將控制介質上的內容,直接輸入數控裝置進行機床空運轉檢查或圖形模擬檢查,以檢查機床運動軌跡的正確性。在運動軌跡檢查無誤后,還必須進行工件的首件試切。當發現錯誤時,應進一步分析找到錯誤的原因,修改程序單或調整刀具補償尺寸,直到符合圖紙規定的精度要求為止。

二、數控編程的方法

目前零件加工程序編制主要采用以下兩種方法:手工編程和自動編程

手工編程是指從分析零件圖樣、確定加工工藝過程、數值計算、編寫零件加工程序單、制備控制介質到程序校驗,都是由人工完成。這種方式比較簡單,容易掌握,適用于零件形狀較簡單或中等復雜程度、計算量不大的零件的編程。對數控操作人員來說手工編程是必須掌握的。

自動編程就是利用計算機專用軟件編制數控加工程序,適用于曲線輪廓、三維曲面等復雜型面,用手工編程無法完成或很難完成的零件的編程。

自動編程又分為ATP語言自動編程和CAD/CAM自動編程。

ATP語言自動編程是指把用ATP語言書寫的零件加工程序輸入計算機,經計算機的ATP語言編程系統編譯產生刀位文件,然后,進行數控后置處理,形成數控系統能夠接受的零件數控加工程序。

CAD/CAM自動編程是指利用CAD/CAM技術進行零件設計、分析和造型

,并通過后置處理,自動生成加工程序,經過程序校驗和修改后,形成加工程序。該方法適應面廣、效率高、程序質量好,適用于各類柔性制造系統(FMS)和集成制造系統(CIMS)。

程序編制的一般過程如圖2?2所示。

三、加工程序的結構和格式

數控加工中,為使機床運行而送到CNC的一組指令稱為程序。每一個程序都是由程序號、程序內容和程序結束三部分組成:

O0001;　　　　　　　　　　　　　　　　程序號

G90?G54?G00?X10.0?Y10.0?Z100.0;　　程序段

M03?S800;　　程序段

Z3.0;　　程序段

G01?Z?5.0?F80;　　程序段

…　　…

M30;　　程序結束

① 程序號。程序號為程序的開始部分,為了區別存儲器中的程序,每個程序都要有程序號。在FANUC系統中,采用英文字母“O”作為程序編碼地址。

② 程序內容。程序內容是整個程序的核心,由許多程序段組成。程序段又由若干字組成,每一個字由字母(地址符)和數字組成。也就是說,字母和數字組成字,字組成程序段,程序段組成程序。

③ 程序結束。以程序結束指令M02或M30作為整個程序結束的符號,來結束整個程序。

程序段格式,即一個程序段中字的排列書寫方式和順序,以及每個字和整個程序段的長度限制和規定。不同的數控系統往往有不同的程序段格式,程序段格式不符合規定,則數控系統不能接受。程序段格式主要有三種,即固定順序程序段格式、使用分隔符的程序段格式和字地址程序段可變格式。現代數控機床系統廣泛采用的程序段格式是字地址程序段可變格式。

字地址程序段可變格式由程序段號字、數據字和程序段結束符組成。每個字的字首是一個英文字母,稱為字地址碼。常用地址碼字符的含義如表2?1所示。

字地址程序段可變格式:

N　?G　?X　?Y　?Z　?F　?S　?T　?M　?LF 

它的特點是:程序段中各字的先后順序并不嚴格(但為了編程方便,常按一定的順序排列),不需要的字以及與上一程序段相同的字可以省略,數據的位數可多可少,程序簡短、直觀、不易出錯,因而得到廣泛應用。

程序段內各字的說明如下。

① 程序段號。用以識別程序段的編號,由地址碼N和后面的若干位數字組成。例如N20表示該程序段的段號為20。

② 準備功能字G。G功能是使數控機床做好某種操作準備的指令,用地址G和兩位數字表示,從G00~G99共100種。

③ 坐標字。由坐標地址符及數字組成,且按一定的順序排列。坐標軸地址符的順序為:X,Y,Z,U,V,W,P,Q,R,A,B,C。

④ 進給功能字F。表示刀具中心運動時的進給速度,由地址碼F和后面若干位數字構成。

⑤ 主軸轉速功能字S。由地址碼S和其后若干位數字組成。

⑥ 刀具功能字T。由地址碼T和后面若干位數字組成。刀具功能的數字是指定的刀具號,數字的位數由所用的系統決定。

⑦ 輔助功能字。輔助功能也稱M功能或M代碼,它是控制機床或系統的開關功能的一種命令。由地址碼M和后面的兩位數字組成,從M00~M99共100種。

⑧ 程序段結束。寫在每一程序段最后,表示程序結束。根據控制系統而不同,有的用“LF”,有的用“;”或者“*”表示,在FANUC系統中,多數用分號“;”表示結束。

FANU 0i?MC系統中常用的G代碼和M代碼及其功能如表2?2、表2?3所示。

從表2?2中我們可以看到,G代碼被分成了不同的組,這是由于大多數的G代碼是模態的。模態G代碼,是指這些G代碼不只在當前的程序段中起作用,而且在以后的程序段中一直起作用,直到程序中出現另一個同組的G代碼為止。同一組的模態G代碼控制同一個目標,起不同的作用,它們之間是不相容的。00組的G代碼是非模態的,這些G代碼只在它們所在的程序段中起作用。標有“*”的G代碼是通電時的初始狀態,即默認狀態。對于G01和G00、G90和G91通電時的初始狀態由參數決定。

同一程序段中可以有幾個G代碼出現,但當兩個或兩個以上的同組G代碼出現時,最后出現的一個(同組的)G代碼有效。

在固定循環模態下,任何一個01組的G代碼都將使固定循環模態自動取消,成為G80模態。

任務二　常用輔助功能指令和F、S、T指令

一、常用輔助功能M代碼

輔助功能由地址字M和其后的一位或兩位數字組成,主要用于控制零件程序的走向以及機床各種輔助功能的開關動作。M功能有模態和非模態功能兩種形式。

FANUC數控系統的數控銑床上常用的M功能代碼如表2?4所示。

1.程序暫停(M00)

當CNC執行到M00指令時將暫停執行當前程序,以方便操作者進行尺寸測量、零件調頭、手動變速等操作。暫停時,機床的主軸進給及冷卻液停止,而全部現存的模態信息保持不變,要繼續執行后續程序只需按操作面板上的循環啟動鍵即可。

2.程序選擇停止(M01)

與M00類似,在執行含有M01的程序段后,機床停止運行,但需將機床操作面板上的任選停機的開關置為有效。

3.程序結束(M02)

該指令用在主程序的最后一個程序段中。當該指令執行后,機床的主軸進給、冷卻液全部停止,加工結束。

使用M02的程序結束后,不能自動返回到程序頭。若要重新執行該程序需要重新調用該程序。

4.程序結束并返回程序頭(M30)

M30與M02功能相似,只是M30指令還兼有控制返回到零件程序頭的作用。使用M30的程序結束后,若要重新執行該程序只需再次按操作面板上的循環啟動鍵即可。

5.主軸控制指令(M03、M04、M05)

M03指令主軸順時針方向(從Z軸正向向Z軸負向看)旋轉;

M04指令主軸逆時針方向旋轉;

M05指令主軸停止旋轉,是機床的默認功能。

M03、M04、M05可相互注銷。

6.冷卻液的開關指令(M07、M08、M09)

M07指令打開2號冷卻液;M08指令打開1號冷卻液;M09關閉冷卻液,M09為默認功能。

二、主軸轉速功能指令(S)

主軸轉速功能指令S控制主軸轉速,其后的數值表示主軸轉速,單位為r/min。

S是模態指令,S功能只有在主軸轉速可調時有效。

三、進給速度(F)

F指令表示加工時刀具相對于零件的合成進給速度(圖2?3)。F的單位取決于G94或G95指令,具體說明如下。

G94?F_;　　　　　每分鐘進給量,單位為mm/min(公制)或in/min(英制)

G95?F_;　　每轉進給量,單位為mm/r(公制)或in/r(英制)。

例如:

N10?G94?F100;　　　　　　　　進給速度為100mm/min

…

N100?S400?M3;　　主軸正轉,主軸轉速為400r/min

N110?G95?F0.5;　　進給速度為0.5mm/r

每分鐘進給量與每轉進給量的關系:

v_f=nf

式中　v_f——每分鐘進給量,mm/min;

n——主軸轉速,r/min;

f——每轉進給量,mm/r。

例如,每轉進給量為0.15mm/r,主軸轉速為1000r/min,則進給速度(每分鐘進給量)為:

v_f=0.15mm/r×1000r/min=150mm/min

指令使用說明如下。

① 數控銑床中常默認G94有效。

② G95指令中只有主軸為旋轉軸時才有意義。

③ G94、G95更換時要求寫入一個新的地址F。

④ G94、G95均為模態有效指令。

當工作在G01、G02、G03方式時,編程中F一直有效,直到被新的F值所取代。而工作在G00、G60方式時,快速定位的速度是各軸的最高速度,與F無關。操作面板上有進給速度F的倍率修調開關,F可在一定范圍內進行倍率修調。

當執行攻螺紋循環G84、螺紋切削G33時,倍率開關無效,進給倍率固定在100。

四、刀具功能(T)

T是刀具功能字,后跟兩位數字指示更換刀具的編號。在加工中心上執行T指令,則刀庫轉動來選擇所需的刀具,然后等待,直到M06指令作用時自動完成換刀。T指令同時可調入刀補寄存器中的刀補值(刀補長度和刀補半徑)。雖然T指令為非模態指令,但被調用的刀補值會一直有效,直到再次換刀調入新的刀補值。如T0101,前一個01指的是選用01號刀,第二個01指的是調入01號刀補值。當刀補號為00時,實際上是取消刀補,如T0100,則是用01號刀,且取消刀補。

任務三　平面銑削常用準備功能指令(G代碼)

一、坐標系指令

1.絕對坐標(G90)和相對坐標指令(G91)

表示運動軸的移動方式。使用絕對坐標指令(G90),程序中的位移量用刀具的終點坐標表示。相對坐標指令(G91)又稱增量坐標指令,用刀具運動的增量值來表示。如圖2?4所示,表示刀具從A點到B點的移動,用以上兩種方式編程指令格式分別如下。

G90　X80.0Y150.0;

G91　X?40.0　Y90.0;

2.坐標系設定指令(G92)

在使用絕對坐標指令編程時,預先要確定工件坐標系。通過G92可以確定當前工作坐標系,該坐標系在機床重新開機時消失,如圖2?5所示。

指令格式:G92?X　?Y　?Z　?; 

3.工件坐標系的選取指令(G54~G59)

在機床中,可以預置六個工件坐標。通過在CRT?MDI面板上的操作,設置每一個工件坐標系原點相對于機床坐標系原點的偏移量,然后使用G54~G59指令來調用它們。G54~G59都是模態指令,并且存儲在機床存儲器內,在機床重開機時仍然存在,并與刀具的當前位置無關。

一旦指定了G54~G59之一,則該工件坐標系原點即為當前程序點,后續程序段中的工件絕對坐標均為相對于此程序原點的值。

二、尺寸單位設定指令G21、G20

G21為公制尺寸單位設定指令;G20為英制尺寸單位設定指令。

G20、G21指令說明如下。

① G20、G21必須在設定坐標系之前,在程序的開頭以單獨程序段指定;

② 在程序段執行期間,均不能切換公制、英制尺寸輸入指令;

③ G20、G21均為模態有效指令;

④ 在公制/英制轉換之后,將改變程序中數值的單位制。

三、進給速度單位設定指令G94、G95

格式如下,

G94?F　;　　　每分鐘進給(mm/min) 

G95?F　;　　　每轉進給(mm/r) 

說明:G94、G95為模態指令,可相互注銷,系統默認為G94。

四、快速點定位指令(G00)

該指令命令刀具以點位控制方式從刀具所在點快速移動到目標位置,無運動軌跡要求,G00移動速度是機床設定的空運行速度,與程序段中的進給速度無關。

指令格式:G00?X　?Y　?Z　; 

式中,X、Y、Z為目標點的坐標。

由于數控系統內部設置的參數不同,快速點定位G00的刀具運動軌跡可分為兩種形式。

(1)非直線插補定位

刀具分別以每軸的快速移動速度定位,刀具軌跡一般不是直線。

(2)直線插補定位

刀具軌跡與直線插補(G01)相同。刀具以不超過最快移動速度的速度移動,以在最短的時間內定位。

【例題2?1】:如圖2?6所示,從O點快速移動到(42,20)點。

其程序為:G90?G00?X40.0?Y20.0;

五、直線插補指令(G01)

刀具作兩點間的直線運動加工時用該指令。G01指令表示刀具從當前位置開始以給定的速度(切削進給速度F),沿直線移動到規定的位置。

指令格式:

G01?X　?Y　?Z　?F　; 

如圖2?7所示,刀具由原點直線插補至(40,20)點,其程序為:

G01?X40.0?Y20.0?F100;

【例題2?2】已知待加工輪廓如圖2?8所示,起刀點為O(-15,-15),加工程序為:

G90?G01?X10.0?Y10.0?F50;

X50.0;

Y50.0;

X10.0;

Y10.0;

X?15.0?Y?15.0;

…

任務四　常用銑削刀具和選擇技巧

一、常見的刀具類型

1.平面加工銑刀

銑平面顯然離不開平面加工銑刀(圖2?9)。端面銑刀、圓柱銑刀和立銑刀是常用的平面加工銑刀。

2.溝槽加工銑刀

直槽有通槽和不通槽之分。較寬的通槽可用三面刃銑刀加工,窄的通槽可用鋸片銑刀或小尺寸立銑刀加工,不通槽則宜用立銑刀加工。橫槽的加工離不開T形槽銑刀。如圖2?10所示。

3.成形面加工銑刀

在普通銑床上加工成形面往往離不開成形銑刀,如半圓形銑刀和專門加工葉片成形面及特殊形狀的根部槽的專用銑刀。銑削齒輪用的齒輪銑刀,也是成形銑刀。圖2?11為常見的成形銑刀。

成形銑刀的缺點是制造費用較大,切削性能差。

二、銑刀結構及其選用

銑刀一般由刀片、定位元件、夾緊元件和刀體組成。由于刀片在刀體上有多種定位與夾緊方式,刀片定位元件的結構又有不同類型,因此銑刀的結構形式有多種,分類方法也較多。選用時,主要可根據刀片排列方式。刀片排列方式可分為平裝結構和立裝結構兩大類。

(1)平裝結構(刀片徑向排列)

平裝結構銑刀(圖2?12)的刀體結構工藝性好,容易加工,并可采用無孔刀片(刀片價格較低,可重磨)。由于需要夾緊元件,刀片的一部分被覆蓋,容屑空間較小,且在切削力方向上的硬質合金截面較小,故平裝結構的銑刀一般用于輕型和中量型的銑削加工。

(2)立裝結構(刀片切向排列)

立裝結構銑刀(圖2?13)的刀片只用一個螺釘固定在刀槽上,結構簡單,轉位方便。雖然刀具零件較少,但刀體的加工難度較大,一般需用五坐標加工中心進行加工。由于刀片采用切削力夾緊,夾緊力隨切削力的增大而增大,因此可省去夾緊元件,增大了容屑空間。由于刀片切向安裝,在切削力方向的硬質合金截面較大,因而可進行大切深、大走刀量切削。這種銑刀適用于重型和中量型的銑削加工。

三、銑刀角度的選擇

銑刀的角度有前角、后角、主偏角、副偏角、刃傾角等。為滿足不同的加工需要,有多種角度組合方式。各種角度中最主要的是主偏角和前角。制造廠的產品樣本中對刀具的主偏角和前角一般都有明確說明。

(1)主偏角κ_r

主偏角為切削刃與切削平面的夾角,如圖2?14所示。銑刀的主偏角有90°、88°、75°、70°、60°、45°等幾種。

主偏角對徑向切削力和切削深度影響很大。徑向切削力的大小直接影響切削功率和刀具的抗振性能。主偏角越小,其徑向切削力越小,抗振性也越好,但切削深度也隨之減小。

(2)前角γ

銑刀的前角可分解為徑向前角γ_f和軸向前角γ_p(圖2?15),徑向前角γ_f主要影響切削功率;軸向前角γ_p則影響切屑的形成和軸向力的方向,當γ_p為正值時切屑即飛離加工面。徑向前角γ_f和軸向前角γ_p正負的判別見圖2?15。常用的前角組合形式有:雙負前角;雙正前角;正負前角(軸向正前角、徑向負前角)。

四、銑刀的齒數(齒距)選擇

銑刀齒數多,可提高生產效率,但受容屑空間、刀齒強度、機床功率及剛性等的限制,不同直徑的銑刀的齒數均有相應規定。為滿足不同用戶的需要,同一直徑的銑刀一般有粗齒、中齒、密齒三種類型。

五、銑刀直徑的選用

銑刀直徑的選用視產品及生產批量的不同差異較大,主要取決于設備的規格和工件的加工尺寸。

(1)平面銑刀

選擇平面銑刀直徑時主要需考慮刀具所需功率應在機床功率范圍之內,也可將機床主軸直徑作為選取的依據。平面銑刀直徑可按D=1.5d(d為主軸直徑)選取。在批量生產時,也可按工件切削寬度的1.6倍選擇刀具直徑。

(2)立銑刀

立銑刀直徑的選擇主要應考慮工件加工尺寸的要求,并保證刀具所需功率在機床額定功率范圍以內。如系小直徑立銑刀,則應主要考慮機床的最高轉速能否達到刀具的最低切削速度。

(3)槽銑刀

槽銑刀的直徑和寬度應根據加工工件尺寸選擇,并保證其切削功率在機床允許的功率范圍之內。

六、銑刀的最大切削深度

不同系列的可轉位面銑刀有不同的最大切削深度。最大切削深度越大的刀具所用刀片的尺寸越大,價格也越高,因此從節約費用、降低成本的角度考慮,一般應按加工的最大余量和刀具的最大切削深度選擇合適規格的刀具。當然,還需要考慮機床的額定功率和剛性應能滿足刀具使用最大切削深度時的需要。

七、刀片牌號的選擇

合理選擇刀片硬質合金牌號的主要依據是被加工材料的性能和硬質合金的性能。一般選用銑刀時,可按刀具制造廠提供加工的材料及加工條件,來配備相應牌號的硬質合金刀片。

由于各廠生產的同類用途硬質合金的成分及性能各不相同,硬質合金牌號的表示方法也不同。國際標準化組織規定,切削加工用硬質合金按其排屑類型和被加工材料分為三大類:P類、M類和K類。根據被加工材料及適用的加工條件,每大類中又分為若干組,用兩位阿拉伯數字表示,數字越大,其耐磨性越低、韌性越高。

P類合金(包括金屬陶瓷)用于加工產生長切屑的金屬材料,如鋼、鑄鋼、可鍛鑄鐵、不銹鋼、耐熱鋼等。其中,組號越大,可選用越大的進給量和切削深度,而切削速度則應越小。

M類合金用于加工產生長切屑和短切屑的黑色金屬或有色金屬,如鋼、鑄鋼、奧氏體不銹鋼、耐熱鋼、可鍛鑄鐵、合金鑄鐵等。其中,組號越大,可選用越大的進給量和切削深度,而切削速度則應越小。

K類合金用于加工產生短切屑的黑色金屬、有色金屬及非金屬材料,如鑄鐵、鋁合金、銅合金、塑料、硬膠木等。其中,組號越大,可選用越大的進給量和切削深度,而切削速度則應越小。

上述三類合金切削用量的選擇原則如表2?5所示。

各廠生產的硬質合金雖然有各自編制的牌號,但都有對應國際標準的分類號,選用也十分方便。

任務五　數控銑削加工工藝

一、數控銑削加工工藝的主要內容

① 分析零件圖樣,選擇確定數控加工的內容。

② 結合零件加工表面的特點和數控設備的功能,對零件進行工藝分析。

③ 進行數控銑削加工工藝設計,確定零件總體加工方案,包括選取零件的定位基準、裝夾方案,安排加工路線,確定工步內容、每一工步所用刀具、切削用量等。

④ 確定數控加工前的調整方案,如對刀方案、換刀點、刀具預調和刀具補償方案。

二、數控銑削加工工序劃分

(1)工序劃分的原則

工序劃分的原則有工序集中原則和工序分散原則兩種。

工序集中原則指每道工序包括盡可能多的加工內容,從而使工序的總數減少,這一原則有利于減少工序數目,縮短工藝路線,簡化生產計劃和生產組織工作,有利于減少機床數量、操作工人數和占地面積等,有利于減少工件裝夾次數等。但專用設備和工藝裝備投資大、調整維修比較麻煩,生產準備周期較長,不利于轉產。工序分散原則是指將工件的加工分散在較多的工序內進行,每道工序的加工內容很少。這一原則加工設備和工藝裝備結構簡單,調整和維修方便,操作簡單,轉產容易;有利于選擇合理的切削用量,減少機動時間。但工藝路線較長,所需設備及工人人數多,占地面積大。

(2)工序劃分的方法

在數控銑床上加工零件一般按工序集中原則劃分工序。具體劃分方法有以下幾種。

① 按零件裝夾定位方式劃分。以一次安裝完成的那一部分工藝過程為一道工序。這種方法適合于加工內容較少的零件,加工完成后零件就能達到待檢狀態。

② 按所用刀具劃分。以同一把刀具加工的那一部分工藝過程為一道工序,這樣可以減少換刀時間,節省輔助時間。

③ 按粗、精加工劃分工序。對于加工后容易變形的零件,由于粗加工后可能發生較大的變形而需要校形,所以一般要進行粗加工、精加工的都要將工序分開。

④ 按加工部位劃分工序。對于加工內容很多的零件,可按其結構特點將加工部位分成幾個部分,如內形、外形、曲面或平面等。

(3)加工順序的安排

銑削加工零件劃分工序后,各工序的先后順序排定通常考慮以下原則。

① 基準先行原則。用作基準的表面應優先加工。

② 先粗后精原則。各個表面的加工順序按照粗加工、半精加工、精加工、光整加工的順序依次進行,逐步提高表面的加工精度和表面質量。

③ 先主后次原則。零件的主要工作表面、裝配基面應先加工,從而及早發現毛坯的內在缺陷。次要表面可穿插進行,一般在主要表面半精加工之后精加工之前進行。

④ 先面后孔原則。對于箱體、底座、支架等零件,應先加工用作定位的平面和孔的端面,再加工孔,這樣可使工件定位夾緊可靠,有利于保證孔與平面的位置精度,減少刀具的磨損,特別是鉆孔的,孔的軸線不易偏斜。

三、數控銑削加工工藝設計

(1)加工方案的確定

數控銑削的零件加工面無非是一些平面、曲面、型腔和孔等,按照反推法原則。首先按照各表面的加工精度和表面粗糙度要求確定最終的加工方法,再確定前面一系列的粗加工方法,即獲得各表面的加工方案。

(2)確定裝夾方案

在確定零件的裝夾方式時,應力求使設計基準、工藝基準和編程計算基準統一,同時還應力求裝夾次數最少。在選擇夾具時,一般應注意以下幾點。

① 盡量采用通用夾具、組合夾具,必要時才設計專用夾具。

② 工件的定位基準應與設計基準保持一致,注意防止過定位干涉現象,且便于工件的安裝,不允許出現欠定位的現象。

③ 由于在數控機床上通常一次裝夾完成工件的多道工序,因此應防止工件夾緊引起的變形造成對工件加工的不良影響。

④ 夾具在夾緊工件時,應使工件上的加工部位開放,即夾具上的各部件不得妨礙走刀。

⑤ 盡量使夾具的定位、夾緊裝置部位無切屑積留,清理方便。

(3)確定加工工藝

確定工序的先后次序,填寫工藝卡。

(4)確定進給路線

編程時確定進給路線的原則主要有以下幾點。

① 保證被加工工件的加工精度和表面質量。

② 數值計算簡單,程序段數量少,簡化程序,減少編程工作量。

③ 盡量縮短加工路線,減少空行程時間,提高加工效率。

(5)確定刀具

選擇刀具通常要考慮機床的加工能力、工序內容和工件材料等因素,要求尺寸穩定、安裝調整方便。

四、銑削加工切削用量

如圖2?16所示,銑削加工切削用量包括主軸轉速(切削速度)、進給速度、背吃刀量和側吃刀量。切削用量的大小對切削力、切削速度、刀具磨損、加工質量和加工成本均有顯著影響。選擇切削用量時,要在保證加工質量和刀具耐用度的前提下,充分發揮機床性能和刀具切削性能,使切削效率最高,加工成本最低。

依照切削用量的選擇原則,為保證刀具的耐用度,銑削用量的選擇方法是:先選擇背吃刀量或側吃刀量,其次確定進給速度,最后確定切削速度。

1.背吃刀量(端銑或圓周銑側吃刀量)的選擇

背吃刀量a_p(mm)為平行于銑刀軸線測量的銑切尺寸。端銑時,a_p為切削層深度;而圓周銑削時,a_p為被加工表面的寬度。

側吃刀量a_e(mm)為垂直于銑刀軸線測量的切削層尺寸。端銑時,a_e為被加工表面寬度;而圓周銑削時,a_e為切削層的深度。

背吃刀量或側吃刀量的選取主要由加工余量和被加工表面的質量要求決定。

① 在被加工表面的表面粗糙度要求為Ra1.5~Ra25時,如果圓周銑削的加工余量小于端銑的加工余量,則粗銑一次進給就可以達到要求。但在余量較大,工藝系統剛性較差或機床動力不足時,可分兩次進給完成。

② 在零件表面粗糙度要求為Ra1.5~Ra3.2時,可分粗銑和半精銑兩步進行。粗銑后留0.5~1mm余量,在半精銑時切除。

③ 在零件表面粗糙度要求為Ra0.8~Ra3.2時,可分粗銑、半精銑、精銑三步進行。半精銑時背吃刀量或側吃刀量取1.5~2mm,精銑時圓周銑側吃刀量取0.3~0.5mm,面銑刀背吃刀量取0.5~1mm。

2.進給量與進給速度的選擇

進給量f(mm/r)與進給速度v_f(mm/min)的選擇如下:

銑削加工的進給量是指刀具轉一周,零件與刀具沿進給運動方向的相對位移量;進給速度是單位時間內零件與銑刀沿進給方向的相對位移量。進給量與進給速度是數控銑床加工切削用量中的重要參數,根據零件的表面粗糙度、加工精度要求、刀具及零件材料等因素,參考切削用量手冊選取或參考表2?6選取。零件剛性差或刀具強度低時,應取小值。銑刀為多齒刀具,其進給速度v_f、刀具轉速n、刀具齒數z及每齒進給量f_z的關系為:

v_f=nzf_z

3.切削速度的選擇

切削速度v_c(m/min)的選擇,根據已經選定的背吃刀量、進給量及刀具耐用度選擇切削速度。可用經驗公式計算,也可根據生產實踐經驗,在機床說明書允許的切削速度范圍內查閱有關手冊或參考表2?7選取。

實際編程中,切削速度v_c確定后,還要按式v_c=πdn/1000計算出銑床主軸轉速n(r/min),對有級變速的銑床,須按銑床說明書選擇與所計算轉速n接近的轉速,并填入程序單中。

對于高速銑削機床(主軸轉速在10000r/min以上),為發揮其高速旋轉的特性、減少主軸的重載磨損,其切削用量的選擇順序是v_c→v_f(進給速度)→a_p(a_e)。

五、合理選擇順銑與逆銑

在加工中,銑削分為逆銑和順銑,當銑刀的旋轉方向和工件的進給方向相同時稱為順銑,相反則稱為逆銑,如圖2?17所示。

逆銑時刀齒開始切削工件時的切削厚度比較小,導致刀具易磨損,并影響已加工表面。順銑時刀具的耐用度比逆銑時提高2~3倍,刀齒的切削路徑比較短,比逆銑時的平均切削厚度大,而且切削變形較小,但順銑不宜加工帶硬皮的工件。由于工件所受的切削力方向不同,粗加工時逆銑比順銑要平穩。因此,為了降低表面粗糙度值、提高刀具耐用度,對于鋁鎂合金、鈦合金和耐熱合金等材料,盡量采用順銑加工。但如果零件毛坯為黑色金屬鍛件或鑄件,表皮硬而且余量比較大,這時采用逆銑較為合理。

對于立式數控銑床所采用的立銑刀,裝在主軸上相當于懸臂梁結構,在切削加工時刀具會產生彈性彎曲變形,如圖2?18所示。當用銑刀順銑時,刀具在切削時會產生讓刀現象,即切削時出現“欠切”,如圖2?18(a)所示;而用銑刀逆銑時,刀具在切削時會產生啃刀現象,即切削時出現“過切”現象,如圖2?18(b)所示。這種現象在刀具直徑越小、刀桿伸出越長時越明顯,所以在選擇刀具時,從提高生產率、減少刀具彈性彎曲變形的影響這些方面考慮,應選大的直徑,但不能大于零件凹圓弧的半徑,且在裝刀時盡量伸出短些。

六、數控刀具下刀過程

銑削刀具的下刀過程如圖2?19所示。

在加工零件的過程中,刀具首先定位到起始平面,快速下刀至進刀平面,然后以進給速度下刀,進行零件的加工。在一個區域或工位加工完畢后,退至退刀平面,再抬刀至安全平面,然后高速運動到下一個區域或工位再下刀、加工。在零件完全加工完畢后,抬刀至返回平面,進行零件的測量等操作。

(1)起始平面

起刀點是刀具相對于零件運動的起點,數控程序是從起刀點開始執行的。起刀點必須設置在零件的上面。起刀點所在的平面,稱為起始平面。起始平面距離零件上表面的高度就是起始高度。一般選距零件上表面50mm左右的位置處,太高使生產效率降低,太低又不便于操作人員觀察零件。另外,為了發生異?，F象時便于操作人員緊急處理,起始平面一般高于安全平面。在此平面上刀具以G00速度行進。

(2)進刀平面

刀具以高速(G00)下刀,待到要切到材料時變成以進刀速度下刀,以免撞刀,此速度轉折點的位置即為進刀平面,其高度為進刀高度,也稱作安全高度。一般取距離加工表面5mm左右。

(3)退刀平面

零件(或零件區域)加工結束后,刀具以切削進給速度離開零件表面一定距離后轉為以高速返回到返回平面,此轉折位置即為退刀平面,其高度為退刀高度。

(4)安全平面

安全平面是指刀具在完成零件的一個區域加工后,刀具沿刀具軸向返回運動一段距離后,刀尖所在的Z平面。一般高出被加工零件最高點10mm左右。刀具處于安全平面時是安全的,在此平面上以G00速度進行。這樣設置安全平面既能防止刀具碰傷零件,又能使非切削加工時間控制在一定范圍內。安全平面對應的高度稱為安全高度。

(5)返回平面

返回平面在零件表面的上方,一般與起始平面重合或者比起始平面更高,便于在零件加工完畢后,觀察和測量零件,同時保證后續移動機床時零件和刀具不發生碰撞。刀具在此平面可被設定為高速運動。

七、數控銑削加工工藝文件的編制

數控加工工藝文件既是數控加工的依據、產品驗收的依據,也是操作者應遵守、執行的規程。不同的數控機床和加工要求,工藝文件的內容和格式有所不同,目前尚無統一的國家標準。常用的工藝文件有以下幾種。

1.數控加工工序卡(數控加工工藝卡)

數控加工工序卡與普通機械加工工序卡有較大區別。數控加工一般采用工序集中,每一加工工序可劃分為多個工步,因此,數控加工工序卡不僅包含每一工步的內容,還應包含其程序號、所用刀具類型、刀具號和切削用量等內容。它不僅是編程人員編制程序時必須遵循的基本工藝文件,同時也是指導操作人員進行數控機床操作和加工的主要資料。數控加工工序卡示例見表2?8。

2.數控加工刀具卡

主要反映刀具的名稱、編號、規格、長度和半徑補償值等內容,它是調刀人員準備和調整刀具、機床操作人員輸入刀補參數的主要依據。數控加工刀具卡示例見表2?9。

3.數控加工程序單

由編程人員根據前面的工藝分析情況,經過數值計算,按照所用數控銑床的程序格式和指令代碼,編制出加工程序,并填寫加工程序單。數控銑削程序單示例見表2?10。

任務六　完成長方體表面編程和加工

一、加工工藝設計

1.加工圖樣分析

圖2?1所示零件需要加工六個平面,尺寸精度是未注公差,表面粗糙度為Ra6.3,沒有形位公差要求,加工精度要求較低。

2.加工方案確定

根據圖樣加工要求,六個表面可采用端銑刀粗銑→精銑完成。

3.裝夾方案確定

毛坯為長方體零件,可選平口虎鉗裝夾,工件加工表面高出鉗口10mm左右。

4.確定刀具

可選用面銑刀銑削,加工效率高。刀具及切削參數見表2?11。

5.確定加工工藝

該零件精度要求低,對每個表面只需用面銑刀粗銑一次,然后精銑一次即可保證精度。加工工藝見表2?12。

二、程序編制與加工

1.工件坐標系建立

根據工件特點,編程坐標系原點設置在加工面的左下角。以上表面為例,如圖2?20所示。

2.基點坐標計算

分別計算出A、B、C各點的坐標值,如圖2?20所示。

3.編制加工程序

根據前面的工藝分析和坐標計算,編制加工程序,并填寫加工程序單。表面粗銑程序單如表2?13所示。

4.程序調試與加工

① 將實訓學生分組,每組6人,每人負責一個面的加工。

② 將程序輸入數控系統,先進行圖形模擬,然后分別進行粗、精加工,保證最后尺寸和表面粗糙度。

③ 加工完成,卸下工件,清理機床。

三、考核評價

1.學生自檢

學生完成零件自檢,填寫“考核評分表”(表2?14)并同刀具卡、工序卡和程序單一起上交。

2.成績評定

教師協同組長,對零件進行檢測,對刀具卡、工序卡和程序單進行批改,對學生整個任務的實施過程進行分析,并填寫“考核評分表”對每個學生進行成績評定。