数控车削编程与加工：简单轮廓的操作技巧

如图2－1所示的零件，材料为45钢，未注长度尺寸允许偏差±0.1 mm，未注倒角为C0.5，表面粗糙度值全部为Ra1.6μm，毛坯为φ45 mm×110 mm。分析零件的加工工艺，编制程序，并在数控车床上加工。

图2－1　简单轮廓的轴类零件

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1.技术要求分析

该零件图有哪些技术要求？

2.加工方案

1）装夹方案

加工该零件应采用何种装夹方案？

2）位置点选择

（1）工件零点设置在什么位置最好？

（2）换刀点应设置在什么位置？说出理由。

（3）循环起刀点应设置在什么位置？

3.确定工艺路线

该零件的加工工艺路线应怎样安排？

（一）简单轮廓的加工工艺

1.圆锥的各部分名称及尺寸计算

（1）圆锥表面：与轴线成一定角度，且一端相交于轴线的一条线段（母线），围绕着该轴线旋转形成的表面，如图2－2所示。

（2）圆锥：由圆锥表面与一定尺寸所限定的几何体。

（3）圆锥最大直径D：简称大端直径，如图2－3所示。

图2－2　圆锥表面

图2－3　圆锥尺寸

（4）圆锥最小直径d：简称小端直径，如图2－3所示。

（5）圆锥长度L：最大圆锥直径截面与最小圆锥直径截面之间的轴向距离，如图2－3所示。

（6）锥度C：圆锥大、小端直径之差与长度之比，即C＝。

（7）圆锥角（锥角）α：在通过圆锥轴线的截面内，两条素线间的夹角。

圆锥素线角α／2：圆锥素线与轴线间的夹角，等于圆锥角的一半，如图2－2所示。

2.加工阶段的划分

当数控加工零件的加工质量要求较高时，往往不可能用一道工序来满足其要求，而要用几道工序逐步达到所要求的加工质量。一般可分为粗加工、半精加工、精加工和光整加工4个阶段。

（1）粗加工阶段。粗加工阶段主要任务是切除毛坯上各表面的大部分多余金属，使毛坯在形状和尺寸上接近零件成品，其目的是提高生产率。

（2）半精加工阶段。半精加工阶段任务是使主要表面达到一定的精度，留有一定的精加工余量，为主要表面的精加工（精铣或精磨）做好准备，并可完成一些次要表面加工，如扩孔、攻螺纹、铣键槽等。

（3）精加工阶段。精加工阶段任务是保证各主要表面达到图样规定的尺寸精度和表面粗糙度要求，其主要目标是保证加工质量。

视频2－1－1：加工阶段的划分

（4）光整加工阶段。光整加工阶段任务是对零件上精度和表面粗糙度要求很高（IT6级以上，表面粗糙度为Ra0.2μm以下）的表面，进行光整加工。其目的是提高尺寸精度、减小表面粗糙度。

3.零件的定位与夹具的选择

数控车床常用装夹方法。数控车床多采用三爪自定心卡盘夹持工件；轴类工件还可采用尾座顶尖支撑工件。数控车床常用装夹方法如表2－1所示。

视频2－1－2：零件的定位夹具的选择

表2－1　数控车床常用装夹方法

此外，数控车床加工中还有其他相应的夹具，如自动夹紧拨动卡盘、拨齿顶尖、三爪拨动卡盘、快速可调万能卡盘等。

4.数控车削加工刀具及其选择

数控车削用的车刀一般分为3类：即尖形车刀、圆弧形车刀和成形车刀。

（1）尖形车刀。以直线形切削刃为特征的车刀一般称为尖形车刀。这类车刀的刀尖（同时也为其刀位点）由直线形的主、副切削刃构成，如90°内、外圆车刀，左、右端面车刀，切槽（断）车刀及刀尖倒棱很小的各种外圆和内孔车刀。用这类车刀加工零件时，其零件的轮廓形状主要由一个独立的刀尖或一条直线形主切削刃位移后得到。

视频2－1－3：数控车削刀具的分类及其选择

（2）圆弧形车刀。圆弧形车刀的特征是：构成主切削刃的刀刃形状为一圆度误差或线轮廓度误差很小的圆弧，如图2－4所示。该圆弧刃上每一点都是圆弧形车刀的刀尖，因此，刀位点不在圆弧上，而在该圆弧的圆心上，编程时要进行刀具半径补偿。圆弧形车刀可用于车削内、外圆表面，特别适宜于车削精度要求较高的凹曲面或半径较大的凸圆弧面。

图2－4　圆弧形车刀

（3）成形车刀。成形车刀俗称样板车刀，其加工零件的轮廓形状完全由车刀刀刃的形状和尺寸决定。数控车削加工中，常见的成形车刀有小半径圆弧车刀、非矩形车槽刀、螺纹车刀等。在数控加工中，应尽量少用或不用成形车刀，当确有必要选用时，则应在工艺准备的文件或加工程序单上进行详细说明。

常用车刀的种类、形状和用途如图2－5所示。

图2－5　常用车刀的种类、形状和用途

1—切断刀；2—90°左偏刀；3—90°右偏刀；4—弯头车刀；5—直头车刀；6—成形车刀；7—宽刃精车刀；8—外螺纹车刀；9—端面车刀；10—内螺纹车刀；11—内槽车刀；12—通孔车刀；13—盲孔车刀

视频2－1－4：数控车削用量的选择

5.切削用量的选择

数控编程时，编程人员必须确定每道工序的切削用量，并以指令的形式写入程序中，所以编程前必须确定合适的切削用量。

1）背吃刀量ap

在工艺系统刚性和机床功率允许的条件下，尽可能选取较大的背吃刀量，以减少进给次数，当零件的精度要求较高时，应考虑适当留出精车余量，其所留精车余量一般为0.1～0.5 mm。

2）主轴转速n

在实际生产中，主轴转速可用下式计算：

其中：vc——切削速度，由刀具的耐用度决定，单位为m／min；

d——工件待加工表面的直径，单位为mm。

主轴转速要根据计算值在机床说明书中选取标准值，并填入程序单中。

在确定主轴转速时，还应考虑以下几点：

①应尽量避开积屑瘤产生的区域。

②断续切削时，为减小冲击和热应力，要适当降低切削速度。

③在易发生振动的情况下，切削速度应避开自激振动的临界速度。

④加工大件、细长件和薄壁工件时，应选用较低的切削速度。

⑤加工带外皮的工件时，应适当降低切削速度。

表2－2为硬质合金外圆车刀切削速度的参考值，选用时可参考选择。

表2－2　硬质合金外圆车刀切削速度的参考值

3）进给量（或进给速度）f

粗车时一般取0.3～0.8 mm／r，精车时常取0.1～0.3 mm／r，切断时常取0.05～0.2 mm／r。表2－3是硬质合金外圆车刀粗车外圆及端面的进给量参考值，表2－4是按表面粗糙度选择进给量的参考值，供参考选用。

4）选择切削用量应注意的问题

以上切削用量选择是否合理，对于实现优质、高产、低成本和安全操作具有很重要的作用。切削用量选择的一般原则如下：

（1）粗车时，一般以提高生产率为主，但也应考虑经济性和加工成本，首先选择大的背吃刀量；其次选择较大的进给量，增大进给量有利于断屑；最后根据已选定的吃刀量和进给量，并在工艺系统刚性、刀具寿命和机床功率许可的条件下选择一个合理的切削速度，减少刀具消耗，降低加工成本。

（2）半精车或精车时，加工精度和表面粗糙度要求较高，加工余量不大且均匀，应在保证加工质量的前提下，兼顾切削效率、经济性和加工成本，通常选择较小的背吃刀量和进给量，并选用切削性能高的刀具材料和合理的几何参数，以尽可能提高切削速度，保证零件加工精度和表面粗糙度。

表2－3　硬质合金外圆车刀粗车外圆及端面的进给量

总之，切削用量的具体数值应根据机床说明书、切削用量手册的说明并结合实际经验确定。同时，使主轴转速、背吃刀量及进给速度三者能相互适应，以确定合适的切削用量。

表2－4　按表面粗糙度选择进给量的参考值

6.数控加工的工艺文件编制

编制数控加工专用技术文件是数控加工工艺设计的内容之一。技术文件是对数控加工的具体说明，目的是让操作者更明确加工程序的内容、装夹方式、各个加工部位所选用的刀具及其他技术问题。数控加工技术文件主要有：数控编程任务书、数控加工工序卡、数控加工走刀路线图、数控刀具卡、数控加工程序单等。在工作中，可根据具体情况设计文件格式。以下提供了常用文件的格式，文件格式可根据企业实际情况自行设计。

1）数控编程任务书

数控编程任务书是编程人员与工艺人员协调工作和编制数控程序的重要依据之一，如表2－5所示。

2）数控加工工序卡

数控加工工序卡与普通加工工序卡有许多相似之处，不同的是工序简图中应注明编程原点与对刀点，要进行简要编程说明及切削参数选择，如表2－6所示。

3）数控加工走刀路线图

在数控加工中，要注意防止刀具在运动过程中与夹具或工件发生意外碰撞，因此必须设法告诉操作者关于编程中的刀具运动路线（如从哪里下刀、在哪里抬刀、在哪里斜下刀等）。为简化走刀路线图，一般可采用统一约定的符号来表示，如表2－7所示。

视频2－1－5：数控加工的工艺文件

表2－5　数控编程任务书

表2－6　数控加工工序卡

表2－7　数控加工走刀路线图

4）数控刀具卡

刀具卡主要记录刀具编号、刀具名称及规格、刀片型号和材料等。它是组装刀具和调整刀具的依据，如表2－8所示。

表2－8　数控刀具卡(www.xing528.com)

5）数控加工程序单

数控加工程序单是记录加工工艺过程、工艺参数、位移数据的清单，如表2－9所示。

表2－9　数控加工程序单

（二）编程指令

1.轴向单一固定循环指令（G90）

对于切削过程相似的粗加工来说，为简化编程，可进行多次重复循环切削。

（1）指令功能：轴类零件的外圆、锥面的加工。

（2）指令格式：G90 X（U）__Z（W）__R__F__；

视频2－1－6：轴向单一固定循环指令G90（圆柱面）

视频2－1－7：轴向单一固定循环指令G90（圆锥面）

其中：X，Z——圆柱面切削终点的绝对坐标值；

U，W——圆柱面切削终点相对于循环起点的相对坐标值；

F——切削进给率或进给速度，单位为mm／r或mm／min，取决于该指令前面程序段的设置；

R——取值为圆锥面切削始点与圆锥面切削终点的半径差，有正、负号，当R值为0或取消时，主要用于加工圆柱面。

R正负的判断如图2－6所示。

如果切削起点的X向坐标小于终点的X向坐标，R值为负，反之为正。

（3）指令轨迹（G90）。1R快速进刀（相当于G00指令）；2F切削进给（相当于G01指令）；3F退刀（相当于G01指令）；4R快速返回（相当于G00指令）。

图2－6　R正负的判断

具体过程如图2－7和图2－8所示，刀具从循环起点开始按1R→2F→3F→4R路线循环，最后又回到循环起点。

图2－7　外圆切削循环

图2－8　锥面切削循环

（4）主要应用：

①外圆柱面和外圆锥面。外圆柱面和外圆锥面如图2－9所示。

图2－9　外圆柱面和外圆锥面

②内孔面和内锥面。内孔面和内锥面如图2－10所示。

图2－10　内孔面和内锥面

练一练

【例2－1】　如图2－11所示零件，毛坯为φ40 mm×50 mm的铝合金，若加工φ25 mm外圆至要求尺寸，试用G90编写加工程序。

图2－11　外圆切削循环加工示例

视频2－1－8：端面单一固定循环指令G94（直端面）

视频2－1－9：端面单一固定循环指令G94（锥端面）

外圆加工参考程序如表2－10所示。

2.端面单一固定循环指令（G94）

（1）指令功能：直端面、锥端面的加工。

（2）指令格式：G94 X（U）__Z（W）__R__F__；

表2－10　外圆加工参考程序（G90）

续表

其中：X，Z——端面切削终点的绝对坐标值；

U，W——端面切削循环终点相对于起点的坐标值；

F——切削进给率或进给速度，单位为mm／r或mm／min，取决于该指令前面程序段的设置；

R——端面切削的起点相对于终点在Z轴方向的坐标分量。当起点Z向坐标小于终点Z向坐标时R为负；反之为正。当R值为0或取消时，主要用于加工圆柱面。

（3）指令轨迹。1R快速进刀（相当于G00指令）；2F切削进给（相当于G01指令）；3F退刀（相当于G01指令）；4R快速返回（相当于G00指令）。

具体过程如图2－12和图2－13所示，刀具从循环起点开始按1R→2F→3F→4R路线循环，最后又回到循环起点。

图2－12　直端面切削循环

图2－13　锥端面切削循环

练一练

【例2－2】　用G94完成图2－11的编程。

图2－11直端面加工的参考程序（G94）如表2－11所示。

表2－11　直端面加工参考程序（G94）

1.图样分析

如图2－1所示，该零件为由外圆锥面和外圆柱面构成的轴类零件，外圆直径和长度均为自由公差，表面粗糙度为Ra1.6μm，要求较高，可以通过粗、精加工两工序保证尺寸及粗糙度要求。

2.加工方案

1）装夹方案

该零件采用三爪自定心卡盘夹持零件的毛坯外圆，确定伸出合适的长度（应将机床的限位距离考虑进去）。零件的加工长度为68 mm，则零件伸出约80 mm装夹后找正工件。

2）位置点

（1）工件零点。设置在工件右端面与轴线的交点上。

（2）换刀点。为防止刀具与工件或尾座碰撞，换刀点设置在（X100，Z100）的位置上。

（3）起刀点。零件毛坯尺寸为φ45 mm×110 mm，该零件外轮廓的加工采用循环指令，为了使走刀路线短，减少循环次数，循环起点可以设置在（X46，Z2）的位置上。

3.工艺路线的确定

（1）平端面。

（2）粗车各部分。

（3）沿零件轮廓连续精车。

（4）切断。

4.制定工艺卡片

刀具的选择见表2－12刀具卡。

表2－12　刀具卡

车削用量的选择见表2－13工序卡。

表2－13　工序卡

5.编制程序

零件的加工程序如表2－14所示。

表2－14　任务一零件加工程序

续表

6.零件加工

（1）机床开机、回参考点。

（2）装夹工件及刀具。

（3）对刀及设定工件坐标系。

（4）输入程序。

（5）图形模拟。

（6）自动加工。

（7）测量工件、修改刀补再加工。

（8）加工完卸下刀具、工件，关机，打扫机床。

（9）填写设备使用记录表。

（10）归还刀卡量具。

以后所有的零件加工均按照此步骤进行。

教师与学生评价表参见附表，包括程序与工艺评分表、安全文明生产评分表、工件质量评分表和教师与学生评价表。表2－15所示为本工件的质量评分表。

表2－15　工件质量评分表

续表