平面图形数控铣削编程与加工优化技巧

如图7－1所示，分析该零件的加工工艺，编制加工程序并在数控铣床上加工。

图7－1　BOS零件图

二维码　立体图视频

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？以什么位置为定位基准？

2）位置点选择

（1）工件零点设置在什么位置最好？

（2）下刀点应设置在什么位置？说出理由。

3.确定工艺路线

铣削该零件的走刀路线应怎样安排？

（一）数控铣削加工工艺

1.数控铣削夹具

数控铣床上常用的通用夹具有：螺钉压板、平口钳、分度头和三爪自定心卡盘等。

视频7－1－1：数控铣床夹具

（1）螺钉压板。利用T形槽螺栓和压板将工件固定在机床工作台上即可。装夹工件时，需根据工件装夹精度要求，用百分表等找正工件。

（2）机械式平口钳（又称虎钳）。形状比较规则的零件铣削时常用平口钳装夹，方便灵活，适应性广。当加工一般精度要求和夹紧力要求的零件时常用机械式平口钳，如图7－2所示，靠丝杠／螺母相对运动来夹紧工件；当加工精度要求较高，需要较大的夹紧力时，可采用较高精度的液压式平口钳。

平口钳在数控铣床工作台上的安装要根据加工精度要求控制钳口与X轴或Y轴的平等度，零件夹紧时要注意控制工件变形和一端钳口上翘。

（3）铣床用卡盘。当需要在数控铣床上加工回转体零件时，可以采用三爪自定心卡盘装夹（图7－3），对于非回转零件可采用四爪单动卡盘装夹。

图7－2　机械式平口钳

1—钳体；2—固定钳口；3—活动钳口；4—活动钳身；5—丝杠方头；6—底座；7—定位键；8—钳体零线

图7－3　铣床用卡盘

铣床用卡盘的使用方法与车床卡盘相似，使用T形槽螺栓将卡盘固定在机床工作台上即可。

2.数控铣床刀具

数控铣床上常用的刀具有面铣刀、立铣刀、模具铣刀、键槽铣刀、鼓形铣刀、成形铣刀等。

1）面铣刀及其特点

如图7－4所示，面铣刀的圆周表面和端面上都有切削刃，端部切削刃为主切削刃，主要用来铣削大平面，以提高加工效率。

面铣刀按刀片和刀齿的安装方式不同，可分为整体焊接式、机夹焊接式和可转位式3种。加工平面时面铣刀直径可按D＝1.5d（D为面铣刀直径，d为主轴直径）选取，一般来说，面铣刀的直径应比切宽大20%～50%。

视频7－1－2：数控铣床刀具

图7－4　常用面铣刀

2）立铣刀及其特点

如图7－5所示，立铣刀的特点如下：

（1）端面中心处无切削刃，不能进行轴向进给。

（2）主要用来加工凹槽、台阶面及成形表面等。

（3）侧面的螺旋齿起主要的切削作用。

3）键槽铣刀及其特点

如图7－6所示，键槽铣刀的特点如下：

（1）外形类似立铣刀，圆柱面和端面有切削刃，端面切削刃延伸至中心。

（2）用于加工封闭键槽图形。

（3）键槽铣刀为两刃，主要是端面刃参与切削，能直接垂直下刀。

图7－5　立铣刀

图7－6　键槽铣刀

4）键槽铣刀与立铣刀的安装

如图7－7所示，安装立铣刀时，要选择合适的卡簧，将直柄铣刀装入卡簧，然后将卡簧安装到弹簧夹头中，再将夹头装入刀柄，将刀柄装入卸刀座并夹紧，然后清洁主轴锥孔，将刀柄装入主轴。

图7－7　安装立铣刀

5）使用对刀仪对刀

（1）装夹工件并找正。

（2）安装机械式寻边器。

（3）对刀，设定工件坐标系G54。

（4）在MDI方式下，输入“S300 M03”，按下“循环启动”按钮开启主轴。

（5）X方向对刀方法如下：

如图7－8（a）所示，快速移动各轴，使寻边器靠近工件的左侧，逐渐缩小进给倍率，使寻边器与工件接触，当工件与寻边器位置关系合适时，使当前X1点的相对坐标值清零。这时抬升Z轴，Y轴保持不动，快速移动X、Z轴，使寻边器到达工件的右侧，逐渐缩小进给倍率，使寻边器与工件接触，当工件与寻边器位置关系合适时，记录当前X2点的相对坐标值。这时将X2除以2，抬升Z轴，将寻边器移动到X1与X2的中间值处，把X的机床坐标值输入到G54坐标系的X位置，这时X轴对刀完成。

（6）Y方向对刀方法如下：

如图7－8（b）所示，X轴保持不动，快速移动Y、Z轴，使寻边器到达工件的前侧，逐渐缩小进给倍率，使寻边器与工件接触，当工件与寻边器位置关系合适时，将当前Y1点的相对坐标值清零。抬升Z轴，移动寻边器到工件的后侧，记录Y2点的相对坐标，这时将Y2除以2，抬升Z轴，将寻边器移动到Y1与Y2的中间值处，把Y的机床坐标值输入到G54坐标系的Y位置，这时Y轴对刀完成。

图7－8　寻边器和Z轴设定器对刀

（7）Z方向对刀方法如下：

如图7－8所示，对Z轴时，换上当前刀具使用塞尺，以工件顶面为零点对Z轴。这时快速地移动各轴，使刀具底面到达工件正上方，逐渐缩小倍率，使其慢慢接近工件，当快要接近工件的时候，用塞尺来测量刀具底面与工件顶面的位置关系，当塞尺感觉为似夹紧非夹紧时，关系为合适，这里的塞尺厚度先不考虑。这时，在G54坐标系中Z值的位置输入Z0按测量键，系统将自动把当前的机械坐标系的值输入到G54坐标系Z值的位置，到这里对刀操作就完成了。

3.切削用量的选择

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mm。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mm。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，如图7－9所示。

视频7－1－3：数控铣削用量

图7－9　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Ra12.5～25μm时，如果圆周铣削加工余量小于5 mm，端面铣削加工余量小于6 mm，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Ra3.2～12.5μm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 mm余量，在半精铣时切除。

（3）当工件表面粗糙度值要求为Ra0.8～3.2μm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 mm；精铣时，圆周铣侧吃刀量取0.3～0.5 mm，面铣刀背吃刀量取0.5～1 mm。

2）进给量f与进给速度vf的选择

切削进给速度vf是切削时单位时间内工件与铣刀沿进给方向的相对位移，单位为mm／min。它与铣刀转速n、铣刀齿数z及每齿进给量fz（单位为mm／z）的关系为

每齿进给量fz的选取主要取决于工件材料的力学性能、刀具材料、工件表面粗糙度等因素。工件材料的强度和硬度越高，fz越小；反之则越大。硬质合金铣刀的每齿进给量高于同类高速钢铣刀。工件表面粗糙度值越小，fz就越小。工件刚性差或刀具强度低时，应取小值。转速n则与切削速度和机床的性能有关。所以，切削进给速度应根据所采用机床的性能、刀具材料和尺寸、被加工零件材料的切削加工性能和加工余量的大小来综合确定。一般原则是：工件表面的加工余量大，切削进给速度低；反之相反。切削进给速度可由机床操作者根据被加工零件表面的具体情况进行手动调整，以获得最佳切削状态。

3）切削速度vc

铣削的切削速度vc与刀具的耐用度、每齿进给量、背吃刀量、侧吃刀量以及铣刀齿数成反比，而与铣刀直径成正比。其原因是当fz、ap、ae和z增大时，刀刃负荷增加，而且同时工作的齿数也增多，使切削热增加，刀具磨损加快，从而限制了切削速度的提高。为提高刀具耐用度允许使用较低的切削速度。但是加大铣刀直径则可改善散热条件，可以提高切削速度。

4.平面铣削加工工艺

如图7－10所示，平面铣削的加工方法主要有周铣和端铣两种。

图7－10　平面铣削方法

1）端面铣削方式

在数控铣床上加工平面主要采用面铣刀和立铣刀。零件表面质量要求较高时，应尽量采用顺铣切削方式。端面铣削时根据铣刀相对于工件安装位置不同可分为对称铣削和不对称铣削两种，如图7－11所示。

图7－11　端面铣削方式

端面对称铣削：面铣刀轴线位于铣削弧长的中心位置；铣刀切入点与铣刀轴线位置为切入部分（切入角为δ）；切削厚度由小变大，相当于逆铣；铣刀轴线与铣刀切出点为切出部分（切出角为－δ1），切削厚度由大变小，相当于顺铣。

端面不对称铣削：端面不对称铣削又分为不对称顺铣和不对称逆铣两种：当切入部分多于切出部分（或切入角δ大于切出角－δ1）为不对称逆铣，如图7－11（b）所示；当切出部分多于切入部分（或切入角δ小于切出角－δ1）为不对称顺铣，如图7－11（c）所示。其中不对称逆铣对刀具损坏影响最大，不对称顺铣对刀具损坏影响最小。

2）平面铣削工艺路径

单向平行切削路径：刀具以单一的顺铣或逆铣方式切削平面，如图7－12（a）所示。

往复平行切削路径：刀具以顺铣或逆铣方式切削平面，如图7－12（b）所示。

环切切削路径：刀具以环状走刀方式铣削平面，可以从里向外或从外向里的方式，如图7－12（c）所示。

通常粗铣平面采用往复平行铣削，切削效果好，空刀时间少。精铣平面采用单向平行切削路径，表面质量易于保证。

图7－12　平面铣削工艺路径

视频7－1－4：铣削加工准备指令

（二）编程指令

不同机床的编程功能指令基本相同，但也有个别指令有所不同，下面主要以FANUC－0i系统介绍数控铣床的基本编程指令。

1.绝对（相对）值编程（G90／G91）

G90为绝对值编程，每个轴上的编程值是相对于程序原点的。

G91为相对值编程，每个轴上的编程值是相对于前一位置而言的，该值等于沿轴移动的距离。(www.xing528.com)

G90、G91均为模态功能指令，G90为默认值。

例如，图7－13为一点坐标图，使用G90、G91编程，控制刀具由1点移动到2点。

绝对值编程：G90 X40 Y50；

增量值编程：G91 X20 Y30；

2.工件坐标系选择指令（G54～G59）

格式：

图7－13　点坐标图

G54～G59说明：

（1）G54～G59是系统预置的6个坐标系，可根据需要选用。

（2）G54～G59建立的工件坐标原点是相对于机床原点而言的，在程序运行前已设定好，在程序运行中是无法重置的。

（3）G54～G59预置建立的工件坐标原点在机床坐标系中的坐标值可用MDI方式输入，系统自动记忆。

（4）使用该组指令前，必须先回参考点。

（5）G54～G59为模态指令，可相互注销。

3.加工平面选择指令（G17／G18／G19）

右手笛卡儿直角坐标系的3个互相垂直的轴X、Y和Z分别构成三个平面，在数控铣削加工中，通常需要指定机床在哪个平面内进行插补运动。G17、G18、G19指令可以选择要加工的平面。各坐标平面如图7－14所示。一般地，数控车床默认在ZX平面内加工，数控铣床默认在XY平面内加工。在立式数控铣床中，G17为开机模态有效指令，可省略不写。

指令格式：G17（表示选择XY平面，Z轴为第三坐标轴）；

G18（表示选择ZX平面，Y轴为第三坐标轴）；

G19（表示选择YZ平面，X轴为第三坐标轴）。

说明：

（1）该组指令用于选择进行圆弧插补和刀具半径补偿时的平面。

（2）该组指令在G00和G01指令中无效。

（3）G17、G18、G19为模态功能，可相互注销，G17为默认值。

4.米、英制尺寸设定指令（G20／G21）

尺寸单位设定指令有G20、G21。其中G20表示英制尺寸，G21表示公制尺寸。G21为默认值。公制与英制单位的换算关系为：1 mm≈0.394in，1in≈25.4 mm。

5.进给速度单位的设定（G94／G95）

格式：G94 F__或G95 F__

图7－14　坐标平面选择

G94为每分钟进给；G95为每转进给。G94、G95为模态功能，可相互注销，G94为默认值。

6.圆弧插补指令（G02／G03）

圆弧插补指令是使刀具在指定平面内按指定的进给速度F做圆弧运动并铣削出圆弧形状的指令。根据铣削方向的不同，分为顺时针圆弧插补指令和逆时针圆弧插补指令。

（1）指令格式：

终点坐标＋圆弧半径：G02／G03 X__Y__R__F__；

终点坐标＋圆心坐标：G02／G03 X__Y__I__J__F__；

其中：X__Y__——圆弧终点坐标；

视频7－1－5：铣削加工G02／G03指令

R——圆弧半径值；

I，J——矢量值，表示圆弧圆心相对于圆弧起点的增量值；

F——合成进给速度；

XY平面圆弧如图7－15所示。

注意：

①“终点坐标＋圆弧半径”格式中，当圆弧圆心角小于180°时，半径为正；当圆弧圆心角大于180°时，半径为负。

②“终点坐标＋圆弧半径”格式不能编制整圆加工零件。

③“终点坐标＋圆心坐标”格式中，I、J表示圆弧圆心相对于圆弧起点的增量值。

（2）圆弧顺逆方向的判别。

沿着不在圆弧平面内的坐标轴，由正方向向负方向看，顺时针方向为G02，逆时针方向为G03，如图7－16所示。

图7－15　XY平面圆弧

图7－16　XY平面内G02和G03的确定

练一练

视频7－1－6：铣削加工G00／G01指令

【例7－1】　如图7－17所示菱形图形零件，毛坯材料为铝合金，六面已经加工过，尺寸为100 mm×100 mm×20 mm，编写菱形图形加工程序。

本例中零件的走刀路线示意图如图7－18所示，根据此走刀路线所编制的菱形沟槽零件的数控铣削参考程序如表7－1所示。

图7－17　菱形沟槽零件

图7－18　走刀路线示意图

表7－1　铣削参考程序

视频7－1－7：平面图形的加工案例

1.图样分析

如图7－1所示，该BOS零件图形要素包括直线和圆弧，圆弧有R7.5 mm和R15 mm两种，其中R15 mm的是整圆。三个字母图形不是相互连接的，故在加工完一个字母时需要设置抬刀工艺，加工另外一个字母需要重新设置下刀点。图形沟槽深度为1 mm，没有公差要求，故加工时不分粗精加工。

2.加工方案

1）装夹方案

先把平口钳装夹在铣床工作台上，用百分表校正平口钳，使钳口与铣床X方向平行。工件装夹在平口钳上，下面用垫铁支撑，使工件放平并伸出钳口5～10 mm，夹紧工件。

2）工件坐标系建立

根据工件坐标系的建立原则，X轴、Y轴零点取在零件的设计基准或工艺基准上，Z轴零点取在零件上表面对称中心处，故工件坐标系设置在O点，如图7－19所示。

图7－19　BOS零件走刀路线图

3）基点坐标计算

基点坐标计算结果如表7－2所示。

3.工艺路线确定

本零件加工参考路线图如图7－19所示。

加工B字母：刀具移动到P2点上方→下刀→直线加工至P3点→直线加工至P4点→顺时针圆弧加工至P5点→直线加工至P2点→直线加工至P1点→直线加工至P6点→逆时针圆弧加工至P5点→抬刀；

加工O字母：刀具空间移至P7点上方→下刀→圆弧加工至P7点→抬刀；

表7－2　基点坐标

加工S字母：刀具空间移至P8点上方→下刀→逆时针圆弧加工至P9点→直线加工至P10点→逆时针圆弧加工至P11点→直线加工至P12点→顺时针圆弧加工至P13点→直线加工至P14点→顺时针圆弧加工至P15点→抬刀结束。

4.制定工艺卡片

刀具的选择见表7－3刀具卡。

表7－3　刀具卡

切削用量的选择见表7－4工序卡。

表7－4　工序卡

5.编制程序

BOS零件加工参考程序如表7－5所示。

表7－5　BOS零件参考程序

续表

6.零件加工

按表7－5所示程序加工零件。

7.加工操作注意事项

（1）加工时垂直进给，刀具只能选用二齿键槽铣刀，不能使用立铣刀加工。

（2）刀具、工件应按要求夹紧。

（3）对刀操作应准确熟练，时刻注意手动移动方向及调整进给倍率的大小，避免因移动方向错误和进给倍率过大而发生撞刀现象。

（4）加工前应仔细检查程序，尤其是检查垂直下刀是否用G00指令（一个轮廓加工完毕设置抬刀以避免撞刀现象的关键程序）。

（5）铣刀直径较小，垂直下刀应调小进给倍率。

（6）加工时应关好防护门。

（7）首次切削禁止采用自动方式加工，以避免意外事故发生。

（8）如有意外事故发生，按复位键或紧急停止按钮。

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7－6所示为本工件的质量评分表。

表7－6　工件质量评分表