台阶轴加工程序设计与对刀技巧

【任务描述】

通过数控车床MDI面板建立一个新程序，输入给定的程序，并对该程序进行调用、检验和修改操作；结合程序结构、组成和编程指令等相关知识的学习，解读给定的程序。

本任务包含三个活动，要求学生会使用基本指令（G00/G01）与复合循环指令（G71/G70）进行台阶轴零件的加工，学会外圆车刀对刀操作和控制尺寸精度的方法。

【任务目标】

知识目标：掌握G00、G01、G71和G90编程指令的特点并能运用相关编程指令编制台阶轴零件的加工程序。

技能目标：熟练掌握外圆车刀的对刀方法及台阶轴零件的加工方法，掌握使用游标卡尺和外径千分尺测量外圆尺寸的方法，控制台阶轴精度。

情感目标：培养相互协助的能力。

活动一 加工低台阶轴（单台阶轴）

加工如图1-24所示单台阶轴零件。

图1-24 单台阶轴零件图

【相关知识】

1.对刀操作

所谓对刀，实质就是测量工件编程原点与车床原点之间的偏移距离，并设置工件编程原点在以刀尖为参照的车床坐标系中的坐标。

（1）对刀点和换刀点 对刀点是程序执行时刀具相对于工件运动的起点，是加工程序的起点。通过“试切”加工等方法可以确定刀具对刀点在工件坐标系中确定位置的点，从而确定工件坐标系原点在机床坐标系中的位置。对刀点位置一般按以下原则确定。

1）选择的对刀点尽量与工件尺寸的设计基准或工艺基准相一致。

2）选择的对刀点尽量使加工程序编制工作简单方便。

3）选择的对刀点尽量便于常规量具和量仪在车床上的找正，加工过程中便于检查。

4）选择的对刀点尽量便于确定工件坐标系和车床坐标系的相互位置。

5）选择的对刀点使引起的加工误差尽量小。

对刀点可选在工件上，也可选在夹具上或车床上，但必须与工件的定位基准（即相对于工件坐标系）有已知的准确尺寸关系，这样才能确定工件坐标系与车床坐标系的关系。当对刀精度要求较高时，对刀点应尽量选择在零件的设计基准或工艺基准上，如以孔定位的工件，可选孔的中心作为对刀点。刀具的位置则以此孔来找正，使刀位点和对刀点一致，且一致性越好，对刀精度越高。

对数控车床和加工中心等数控机床，加工过程中需要换刀，在编程时应考虑选择合适的换刀点。所谓换刀点是指刀架转位换刀时的位置。该点可以是某一固定点（如加工中心上换刀手的位置），也可以是任意的一点（如数控车床）。换刀点的位置应根据换刀时刀具不碰到工件、夹具和机床的原则而定，应设在工件或夹具的外部或设在距离工件较远的地方，以刀架转位时不碰到工件及其他部位为准。

（2）常用的对刀方法 数控车床常用的对刀方法有三种，即刀具试切法对刀、机外对刀仪对刀（接触式）和光学自动对刀仪对刀（非接触式）。

1）刀具试切法对刀。以加工低台阶轴零件时外圆车刀的对刀（1号刀）为例。

①机床回零。

②将[工作方式]选择开关旋到[MDI]位置。

③在程序编辑栏的左下角内输入：

T0101；

M03 S600；

④按[循环启动]键，换上1号刀，并使主轴正转。

⑤将[工作方式]选择开关旋到[手动]位置，利用方向键结合快速移动键及进给倍率移动1号刀，车端面。车削端面后，不要移动Z轴，按[+X]键退出，再按[主轴停止]按钮，使主轴停止，如图1-25所示。

⑥按[OFS/SET]功能键，再按补正栏下方的[形状]软键进入如图1-26a所示的页面。

按方向键使光标移动到“G001”，输入“Z0”后，按显示器下面的[测量]软键，完成1号刀的Z向对刀，如图1-26b、c所示。

图1-25 试切法对刀

图1-26 工件坐标系Z原点设定画面

⑦重新使主轴转动，移动1号刀，车削外圆。车削一段后，不要移动X轴，按[+Z]键退出，再按[主轴停止]按钮，使主轴停止。用外径千分尺测量试切部分的外圆直径，如图1-27所示，假设测量所得的尺寸为ϕ39.48mm。

⑧在图1-26所示画面的[G001]处输入“X39.48”后，按[测量]软键，完成1号刀X向的对刀，如图1-28a、b所示。

图1-27 测量外圆尺寸

图1-28 试切外圆X轴刀具补偿数据输入

若刀架上有多把刀，其他刀具的对刀依次按上述操作步骤进行。

2）机外对刀仪对刀。机外对刀仪的本质是将刀具的刀尖与对刀仪的百分表测头接触，测量出刀具假想刀尖点到刀具台基准之间X及Z方向的距离（刀偏量）。利用机外对刀仪可将刀具预先在车床外校对好，刀具装上车床后将对刀长度输入相应刀具补偿号即可使用。

3）光学自动对刀仪对刀。自动对刀是通过刀尖检测系统实现的，刀尖以设定的速度向接触式传感器接近，当刀尖与传感器接触并发出信号时，数控系统立即记下该瞬间的坐标值，并自动修正刀具补偿值。

现在很多车床上都装备了对刀仪，使用对刀仪对刀可避免测量时产生的误差，大大提高对刀精度。由于使用对刀仪可以自动计算各把刀具的刀长与刀宽的差值，并将其存入系统，在加工另一个零件时只需对标准刀，这样就大大节省了时间。但需要注意的是，使用对刀仪对刀一般都设有标准刀具，在对刀时先对标准刀。

2.外圆车刀的正确安装方法

车刀的安装正确与否，直接影响车削的顺利进行和工件的加工质量。在装夹车刀时，必须注意以下事项。

1）安装前保证刀杆及刀片定位面清洁无损伤。

2）将刀杆安装在刀架上时，应保证刀杆方向的正确性（刀杆内侧与刀架靠紧）。

3）车刀装夹在刀架上的伸出部分尽量短，以增加其刚性，伸出长度为刀柄厚度的1～1.5倍。车刀下面的垫刀片数量要尽量少（一般为1～2片），并与刀架边缘对齐，且用螺钉平整压紧，以防产生振动，如图1-29所示。

4）安装刀具时需注意使车刀刀尖等高于主轴的回转中心。刀尖高于工件轴线时，会使车刀的实际后角减小，车刀的后刀面与工件之间的摩擦增大；刀尖低于工件轴线时，会使车刀的实际前角减小，切削阻力增大。刀尖不对中心，在车至端面中心时会留有凸头。使用硬质合金车刀时，若忽视这一点，车到中心会造成刀尖碎裂。为使刀尖对准工件中心，通常采用下列几种方法。

图1-29 外圆车刀的安装

①根据车床的主轴中心高度，用金属直尺测量装刀。

②根据车床尾座顶尖的高低装刀。

③将车刀靠近工件端面，用目测估计车刀的高低，然后夹紧车刀，试车端面，再根据端面的中心来调整车刀。

3.程序的组成

（1）程序构成 加工程序由程序名、程序内容和程序结束三部分组成。FANUC 0i系统数控车床的加工程序及说明见表1-7。

1）程序名。为了区分程序，都要对程序进行命名。数控系统通过程序名查找和调用程序。程序名在程序的最前端，由地址码和1～9999范围内的任意4位数字组成。编程时一定要参考车床的使用说明书，否则程序无法执行。如FANUC系统用字母“O”作为程序名的地址码（也可以称为程序的起始码）。

表1-7 FANUC 0i系统数控车床的加工程序及说明

2）程序内容。程序内容主要用以控制数控机床自动完成零件的加工，是整个程序的主要部分，由若干程序段组成；每个程序段由若干指令字组成；每个指令字又由地址码和若干数字组成。程序内容一般有以下三类。

①程序开始（加工前的准备工作）。程序开始一般应确定刀具号及刀补、主轴转向及转速和起刀点坐标等。

②程序主体（加工过程）。程序主体是由若干个程序段组成的，每个程序段一般占一行。不同程序的主体内容不同。

③程序结束（加工完成后续工作） 加工完成后续工作包含刀具返回起刀点、刀补取消和主轴停转等内容。

3）程序结束。程序结束一般用辅助功能代码M02（程序结束）或M30（程序结束，返回程序起点）。

（2）程序段的格式 一个数控加工程序是由若干个程序段组成的。程序段是可作为一个单元来处理的、连续的字组，是数控加工程序中的一条语句，是程序执行的最小单元。

程序段格式是指程序段中指令字的安排形式，见表1-8。在程序段中，必须明确组成程序段的各要素。

表1-8 程序段格式

其中，移动目标：终点坐标值X、Z；切削速度：主轴功能字S；移动轨迹：准备功能字G；使用刀具：刀具功能字T；进给速度：进给功能字F；车床辅助动作：辅助功能字M。

（3）指令字格式 在数控加工程序中，指令字是指一系列按规定排列的字符，作为一个信息单元存储、传递和操作。指令字由一个英文字母与随后的若干十进制数字组成，这个英文字母称为地址符。如“X100.”是一个字，表示X向尺寸为100mm；“F0.1”是一个字，表示进给速度为0.1mm/r。

程序编辑是以指令字为最小处理单元的。常用指令字的含义见表1-9。

表1-9 指令字含义

（续）

4.编程指令介绍

数控程序是由程序段组成的，而程序段又由指令字组成，指令又可分为五大功能：准备功能（G）、辅助功能（M）、进给功能（F）、主轴功能（S）及刀具功能（T）。

（1）顺序号（N） 在程序段前加入顺序号，有助于程序的校对和检索修改。顺序号的一般使用方法是：编程时将第一程序段冠以N10，以后以间隔10递增的方法设置顺序号。在调试程序时，如需要在N10和N20之间插入程序段时，就可以使用N11、N12等。

在不同的数控系统中，对顺序号的规定有所不同。有的数控系统可以省略顺序号，如FANUC系统；有的数控系统会自动给程序段加上顺序号。但请注意，顺序号不表示程序段执行的先后顺序。

（2）准备功能（G） 准备功能（又称G功能、G指令、G代码）是用来建立车床或数控系统工作方式的一种命令，使数控车床做好某种操作准备，用地址码G和两位或三位数字表示。需要指出的是，不同生产厂家数控系统的G指令功能相差较大，编程时必须遵照车床的使用说明书。数控车床的准备功能G代码见表1-10。

表1-10 准备功能G代码

（续）

G指令分为模态指令（续效指令）和非模态指令。非模态指令只在本程序段中有效；模态指令一经指定，可在连续的几个程序段中有效，直到被相同组别的指令取代。若同一程序段中出现若干同组的模态指令，那么只有最后一个指令有效。表1-10中00组为非模态指令，其余组均为模态指令，其中“∗”表示各组默认开机初始指令。

（3）辅助功能（M） 辅助功能（又称M功能、M指令、M代码）用来控制车床辅助动作或系统的开关功能，由地址码M和后面的两位数字组成。数控车床常见的辅助功能M代码见表1-11。

表1-11 辅助功能M代码

（4）进给功能（F） 进给功能的地址符是F，用于指定切削的进给速度。F可分为每分钟进给（由指令G98指定，单位为mm/min）和主轴每转进给（由指令G99指定，单位为mm/r）两种。对于数控车床，一般默认为G99即每转进给。F指令在螺纹切削程序段如G92中常用来指令螺纹的导程。

（5）主轴功能（S） 主轴功能的地址符是S，又称为S功能或S指令，其指令格式为S××××，用于指定主轴转速。它有两种形式，一种为恒转速功能，用指令G97指定，单位为r/min，例如“G97 M03 S1000”意思是主轴正转、转速为1000r/min；另一种为恒线速度功能，用指令G96指定，程序中的S指令指定车削加工的线速度，单位为m/min，例如“G96 M03 S100”意思是主轴正转、转速为100m/min。当采用恒线速度功能G96时，需要用G50功能限制机床的最高转速。对于数控车床，开机默认的是G97恒转速功能，即程序中的S指令单位为r/min。

（6）刀具功能（T） 刀具功能的地址符是T，又称为T功能或T指令，主要用来选取所要的刀具，达到自动换刀的目的。其指令格式为T××××，前两位××表示刀具号，后两位××表示刀具补偿地址号。刀具补偿包括刀具位置补偿和刀尖半径补偿。如T0101表示1号刀1号刀补，T0100表示1号刀取消刀补。

（7）尺寸字 尺寸字由地址码、符号（+、-）和绝对（或相对）数值组成。尺寸字的地址码有X、Y、Z、U、V、W、P、Q、R、A、B、C、I、J、K、D和H等。例如，X15. Z+20.，其中“+”可省略。普通数控车床常用的尺寸字地址码有X、Z、U、W、P、Q、R、I和K等。

5.低台阶编程基本G指令介绍

（1）快速定位指令G00

1）指令格式：G00 X（U） _Z（W）；_

2）指令说明：

①G00指令的作用是指定刀具以机床内部参数设定的速度快速移动到程序段指令的终点位置。G00刀具轨迹不是标准的直线插补，大多为两段折线，各轴按同一速度进给，距离短的轴先到尺寸，然后另一轴到尺寸。G00的移动速度由系统设定，如FANUC0iMateTD系统的X轴移动速度为8000mm/min，Z轴移动速度为12000mm/min。

②配置FANUC系统的数控车床一般用地址符区分尺寸字是绝对值还是增量值。绝对值编程时，用X、Z表示刀位点的X轴与Z轴的坐标值；增量值编程时，用U、W表示刀具沿X轴与Z轴的移动量。数车编程时，也可以用绝对值编程和增量值编程混合起来进行编程的方法，称为混合编程，如G01 X50.0 W-100.0。G00指令编程时常用绝对值编程。

③G00为模态指令。

3）指令练习：分别使用绝对值、增量值以及混合编程方式完成刀具快速从点（X120，Z90.）移动至点（X42，Z2.）的程序，如图1-30所示。

①绝对值编程，其程序如下：

G00 X42. Z2.；

②增量值编程，其程序如下：

G00 U-78. Z-88.；

③混合编程，其程序如下：

G00 X42. Z-88.；

注意：数控车床一般采用直径编程，X表示轴直径，Z表示轴长度。

（2）直线插补指令G01

1）指令格式：G01 X（U） _Z（W） _ F；

图1-30 G00编程练习

2）指令说明：

①G01指令刀具以程序F指令字指定的速度移动到程序段指令的终点位置，F的单位为mm/min（G98指令设定）或mm/r（G99指令设定），一般车削时默认设置为mm/r。

②使用G01指令可以实现纵向切削、横向切削和锥度切削等形式的直线插补运动，如图1-31所示。

图1-31 G01编程指令的直线插补运动

③G01为模态指令。终点坐标X（U） Z（W）也为模态，可以是绝对值、增量值或混合坐标。

④G01指令在数车编程中还可以直接用来进行倒角（C指令）和倒圆角（R指令），应注意判定C指令和R指令的正负值。如图1-32所示为倒角加工，图1-33所示为倒圆角加工，其加工程序如下：

图1-32 倒角加工

图1-33 倒圆角加工

倒角的程序：

…

G01 X30. Z5. F0.1；

Z-35.， C4.；

X80.， C3.；

Z-60.；

…

倒圆角的程序：

…

G01 X30. Z5. F0.1；

Z-35.， R5.；

X80.， R4.；

Z-60.；

…

6.利用磨耗控制外径尺寸精度

在普通车床上控制外圆的尺寸精度主要通过操作者的操作经验，而在数控车床上外圆的尺寸精度主要通过修改程序或修改系统里的磨耗值来控制，这就显示出了数控车床在控制尺寸精度上的优势。

（1）粗加工 工件粗加工前，按[OFS/SET]功能键，再按补正栏下方的[磨耗]软键进入如图1-34a所示的页面，按方向键使光标移动到“W001X轴”处，输入“1.”后，按[INPUT]功能键，为精车留出1mm的直径余量，即理论上粗加工后外圆尺寸为ϕ38mm。将[进给倍率]旋钮调至100%，执行“O1001”程序进行粗加工。

（2）精加工 粗加工零件后，操作者用外径千分尺测量外圆，并将测量值与精车余量进行比较得出差值。例如，粗加工后测得加工外圆直径为ϕ38.02mm，考虑工件公差，图1-24所示工件精加工前理论尺寸是ϕ37.975mm，两者的差值为37.975mm-38.02mm=-0.045mm，把此差值输入到“W001X轴”处，如图1-34b所示。将[进给倍率]旋钮调至50%后再运行“O1001”程序进行精加工，以保证外圆尺寸在公差范围内。

图1-34 修改磨耗值控制外径尺寸精度

7.外径千分尺的读数示例

根据图1-35所示的外径千分尺读数示例，熟悉外径千分尺的读数方法。

图1-35 外径千分尺读数示例

【引导操作】

1.活动要求

1）知道低台阶轴加工的相关工艺知识。

2）会用G00和G01指令编制台阶轴的加工程序。

3）能进行低台阶轴工件程序的调试与加工操作。

4）能独立完成图1-24所示零件的加工。

2.活动分析

（1）零件图分析 图1-24所示零件属于典型的轴类零件，材料为铝，选用ϕ40mm×60mm的圆棒料作为零件毛坯。零件表面只有一处外圆ϕ37⁰_-0.05mm需要加工，实际加工长度为15mm，不需要车断，所有加工表面的表面粗糙度值均为Ra3.2μm。

因工件只需单头加工，所以只需一次装夹即可完成加工。选用自定心卡盘装夹，装夹面选择工件左端的毛坯外圆，伸出长度＞25mm（应考虑机床的Z向限位，刀架侧面与卡爪端面需保持一定的安全距离），完成工件所有部分的加工。

注意：数控车床的加工对象一般为回转类零件，其结构特征有内、外圆柱面，圆锥面，成形面，沟槽和螺纹等。

（2）工件原点 选用数控车床加工，以工件右端面与轴线交点作为工件原点，建立工件坐标系（采用试切法对刀建立坐标系）。

3.活动准备

1）量具选用见表1-12。

表1-12 量具的选用

2）刀具选用见表1-13。

表1-13 刀具的选用

3）数控加工工艺卡见表1-14。

表1-14 数控加工工艺卡

4）数控加工程序单见表1-15。

表1-15 数控加工程序单

4.活动步骤

1）启动车床前检查车床的外观和润滑油箱的油位，清除车床上的灰尘和切屑。

2）启动车床后在手动模式下检查主轴箱和进给轴的传动是否顺畅，是否有异响情况。

3）回车床参考点。

4）装夹工件并找正（注意工件的装夹应牢固可靠）。

5）装夹刀具并找正（注意刀具的装夹应牢固可靠）。

注意：安装外圆车刀时，其刀杆侧面与刀架应靠紧，且刀尖与工件轴线应在同一高度，刀体不宜伸出过长，不能使用加力棒夹紧刀具。

6）对刀建立坐标系（采用试切法对刀）。注意：分别试切端面和外圆，测量并输入刀补。刀补的正确性可通过MDI方式执行，检查刀尖位置与坐标显示是否一致。

7）将图1-24所示零件的加工程序（程序名为O1001）输入车床，具体程序见表1-15。

注意：程序的代码和指令格式输好后对照原程序检查一遍。

8）校验运行程序（校验程序时，锁紧车床），检查刀具轨迹与编程轮廓是否一致，若有误应编辑修订程序并再校验运行，直到正确无误为止。注意：结束空运行后，松开车床，进行回零操作，回到机床初始坐标状态。

9）将系统中01号刀的X磨耗值设定为1mm，运行程序进行粗加工。

10）测量加工后的外圆直径，修改01号刀X磨耗值，再运行程序进行精加工，保证外圆的精度，完成工件加工并检测。

11）进行车床的维护和保养。

注意事项：

①自动加工开始前，先按下[单段循环]按钮，然后按下[循环启动]按钮（单段循环开始时进给及快速倍率由低到高，运行中主要检查刀尖位置和程序轨迹是否正确）。

②关闭[单段循环]，执行连续加工。注意监控程序的运行，如发现加工异常，按[进给保持]键，处理好后再恢复加工。

③粗车后，暂停加工，根据实测工件尺寸，采用磨耗进行修补。工件外径尺寸的检测应选用外径千分尺，长度方向可选取游标卡尺或游标深度尺测量。如果实测工件尺寸偏大，用负值修正刀偏，反之用正值修正刀偏。

活动二 加工低台阶轴（多台阶轴）

加工如图1-36所示多台阶轴零件。

图1-36 多台阶轴零件图(www.xing528.com)

【相关知识】

1.修改程序值控制外圆尺寸精度

在加工图1-24所示的零件时，是利用修改系统中的相应磨耗值来控制外圆的尺寸精度的，这种方法是将程序中的所有坐标值统一加上相应的磨耗值从而换算出程序刀位点的坐标的。在图1-36所示工件中，ϕ37mm圆柱面允许正偏差，而ϕ34mm圆柱面允许负偏差，若利用修改磨耗值的方法，是不能同时保证两圆柱面的允差要求的，此时可采用修改程序相应坐标值的方法来控制尺寸精度。

（1）粗加工 工件粗加工前，按[OFS/SET]功能键，再按补正栏下方的[磨耗]软键进入如图1-34a所示的页面，按方向键使光标移动到“W001X轴”处，输入“1.”后，按[INPUT]功能键，为精车留出1mm的直径余量，即理论上粗加工后外圆尺寸为ϕ38mm。将[进给倍率]旋钮调至100%，执行“O1002”程序，进行粗加工。

（2）精加工 粗加工零件后，把图1-34所示页面中“W001 X轴”处的“1”重新设为“0”。

操作者用外径千分尺测量外圆，将测量值与精车余量比较得出差值。例如，粗加工后测得加工一处外圆直径为ϕ38.02mm，另一处外圆直径为ϕ34.03mm，考虑工件公差，图1-36所示工件两处圆柱面粗加工后的理论尺寸分别为ϕ38.025mm和ϕ33.975mm，两处的差值分别为：

ϕ37⁺⁰₀^.05mm轴径的差值=38.025mm-38.02mm=0.005mm，故将程序段“G92 X37.Z-25. F0.2；”

改为“G92 X37.005 Z-25. F0.2；”；

ϕ34 _-⁰_0.05mm轴径的差值=33.975mm-34.03mm=-0.055mm，故将程序段“G92 X34. Z-15.；”

改为“G92 X33.945 Z-15.；”；

然后将[进给倍率]旋钮调至50%后再运行“O1002”程序进行精加工，以保证外圆尺寸在公差范围内。

2.单一固定循环——外径、内径切削循环指令G90

（1）指令格式

G90 X（U） _ Z（W） _ I _ F_；

其中，X（U）、Z（W）为切削终点坐标，I为圆锥面切削始点与切削终点的半径差，I=0时为圆柱面，可以省略。

G90切削循环指令用于外径、内径的粗加工。G90循环主要强调Z轴方向的切削，其一次圆柱面车削循环过程包括以下4个动作，如图1-37所示。

①径向进刀切深（G00方式）。

②轴向走刀进给（G01方式）。

③径向退刀（G01方式）。

图1-37 内、外径切削循环

④轴向返回（G00方式）。

每次循环结束，刀具刀位点返回到起刀点。

图1-37中，A点为起刀点。为避免发生干涉或碰撞，应合理确定循环加工的起刀点。

G90为模态指令，使用任何运动指令（G00、G01、G02和G03）都可以取消G90，最常用的是G00指令。

（2）指令练习 完成图1-38中ϕ35mm圆柱面的粗车，外圆留余量0.5mm，端面留余量0.1mm。此次加工需计算每次粗加工的直径，确定循环起点为X55. Z5.。其加工程序如下：

O0001；

T0101；

M03 S600；

G00 X55. Z5. M08；

G92 X45. Z-25. F0.2；

X40.；

X35.；

G00 X100. Z100. M09；

M05；

T0100；

M30；

图1-38 圆柱面切削练习

【引导操作】

1.活动要求

1）会用G90指令编制多台阶轴的加工程序。

2）能进行多台阶轴工件程序的调试与加工操作。

3）能独立完成图1-36所示零件的加工。

2.活动分析

（1）零件图分析 图1-36所示零件属于典型的轴类零件，材料为铝，选用ϕ40mm×60mm的圆棒料作为零件毛坯。零件表面有两处外圆ϕ37⁺₀^0.05 mm和ϕ34 _-⁰_0.05mm需要加工，实际加工长度分别为25mm和15±0.1mm，不需要车断，所有加工表面的表面粗糙度值均为Ra3.2μm。

选用自定心卡盘装夹，装夹面选择工件左端的毛坯外圆，伸出长度为加工长度25mm加上机床的Z向限位距离，完成工件所有部分的加工。

（2）工件原点 选用数控车床加工，以工件右端面与轴线的交点作为工件原点，建立工件坐标系。

3.活动准备

1）量具选用见表1-12。

2）刀具选用见表1-13。

3）数控加工工艺卡见表1-16。

表1-16 数控加工工艺卡

4）数控加工程序单见表1-17。

表1-17 数控加工程序单

4.活动步骤

1）启动车床前检查车床的外观和润滑油箱的油位，清除车床上的灰尘和切屑。

2）启动车床后在手动模式下检查主轴箱和进给轴的传动是否顺畅，是否有异响情况。

3）回车床参考点。

4）装夹工件并找正。

5）装夹刀具并找正。

6）用试切法对刀建立坐标系。

7）将图1-36所示工件的加工程序（程序名为O1002）输入车床，具体程序见表1-17。

8）校验运行程序。

9）运行程序进行粗、精加工，保证外圆的尺寸精度。

10）完成工件加工并检测。

11）进行车床的维护和保养。

活动三 加工高台阶轴

加工如图1-39所示高台阶轴。

图1-39 高台阶轴零件图

【相关知识】

1.多重复合固定循环指令

（1）精加工循环指令G70

1）指令格式： ；

2）指令说明。

①ns为精加工程序组的第一个程序段的顺序号；nf为精加工程序组的最后一个程序段的顺序号。

②Ff、Ss、Tt分别为精加工时采用的进给量、主轴转速和刀具。

3）应用技巧。

①在采用G71、G72和G73指令进行粗车后，用G70指令进行精车循环切削。

②精车过程中的F、S、T也可在程序段P_到Q_间指定。

③在精车削循环期间，刀具（尖）半径补偿功能有效。

④在P_到Q_之间的程序段不能调用子程序。

（2）外径、内径粗加工循环指令G71

1）指令格式：G71 UΔd RΔe；；

2）指令说明。

①Δd为粗加工每次背吃刀量（半径编程）；Δe为退刀量。

②ns为精加工程序组的第一个程序段的顺序号；nf为精加工程序组的最后一个程序段的顺序号。

③Δu为X轴方向的精加工余量（直径值）；Δw为Z轴方向的精加工余量。

④Ff、Ss、Tt分别为粗加工时采用的进给量、主轴转速和刀具，粗车过程中从程序号P到Q之间包括的任何F、S、T功能都被忽略，只有在G71指令中指定的F、S、T功能有效。

⑤G71指令刀具循环路径，如图1-40所示。

3）应用技巧。

①在包含G00或G01序号为“ns”的程序段中指定A—A′间的刀具路径，且在该段中不能指定沿Z方向移动，刀具移动指令必须垂直于Z方向，车削循环过程是平行于Z方向的。

②从A′到B的刀具轨迹在X轴及Z轴必须单调增加或单调减少（Ⅰ类循环）。

③粗车循环最后一刀按“ns”到“nf”间的精车程序段轨迹切削，留余量Δu、Δw。

④粗加工中将忽略“ns”到“nf”间指定精加工的F、S、T。

图1-40 G71指令刀具循环路径

2.切削用量

数控加工中的切削三要素包括背吃刀量a_p、主轴转速n或切削速度v_c（用于恒线速度切削）和进给速度v_f或进给量f。这些参数均应在机床给定的允许范围内选取。

对于不同的加工方法，需要选用不同的切削三要素。所谓合理的切削三要素是指在保证零件加工精度和表面粗糙度的前提下，充分发挥刀具的切削性能和机床性能，最大限度地提高生产率，降低成本。

（1）切削三要素的选用原则 粗车时，应尽量保证较高的金属切除率和必要的刀具寿命，选择切削三要素时应首先选取尽可能大的背吃刀量a_p；然后根据机床动力和刚性的限制条件，选取尽可能大的进给量f；最后根据刀具寿命的要求，确定合适的切削速度v_c。增大背吃刀量a_p可使走刀次数减少，增大进给量f有利于断屑。

精车时，对加工精度和表面质量要求较高，加工余量不大且较均匀，故一般选用较小的进给量f和背吃刀量a_p，而尽可能选用较高的切削速度v_c。

（2）切削三要素的选取方法

1）背吃刀量的确定。背吃刀量是指在通过切削刃基点并垂直于工作平面方向上测量的吃刀量，是垂直于进给运动方向上测量的主切削刃切入工件的深度。在车外圆时，即为工件上待加工表面和已加工表面的垂直距离。

背吃刀量应根据工件的加工余量来确定。粗加工时，除留下精加工余量外，一次走刀尽可能切除全部余量。当加工余量过大，工艺系统刚度较低，机床功率不足，刀具强度不够或断续切削的冲击振动较大时，可分多次走刀。切削表面层有硬皮的铸锻件时，应尽量使背吃刀量大于硬皮层的厚度，以保护刀尖。

半精加工和精加工的加工余量一般较小时，可一次切除，但有时为了保证工件的加工精度和表面质量，也可采用二次走刀。

多次走刀时，应尽量将第一次走刀的背吃刀量取大些，一般为总加工余量的2/3～3/4。

在中等功率的车床上，粗加工时的背吃刀量可达8～10mm；半精加工（表面粗糙度值为Ra6.3～3.2μm）时，背吃刀量取为0.5～2mm；精加工（表面粗糙度值为Ra1.6～0.8μm）时，背吃刀量取为0.1～0.4mm。

背吃刀量根据机床、工件和刀具的刚度来确定，在刚度允许的条件下，应尽可能使背吃刀量等于工件的加工余量，这样可以减少走刀次数，提高生产率。为了保证加工表面质量，可留少量精加工余量，一般为0.2～0.5mm。数控车床的精加工余量可略小于普通车床。

a_p=（d_w–d_m）/2

式中 d_m——已加工表面直径（mm）；

d_w——待加工表面直径（mm）。

2）进给量的确定。进给量是指刀具在进给运动方向上相对工件的位移量，用刀具或工件每转或每分钟的位移量来表述和度量，单位为mm/r或mm/min。进给速度是指切削刃上选定点相对于工件进给运动的瞬时速度，主要根据零件的加工精度和表面粗糙度要求以及刀具和工件的材料性质选取，最大进给速度受车床刚度和进给系统的性能限制。背吃刀量选定后，接着就应尽可能选用较大的进给量f，粗车时一般取0.3～0.8mm/r，精车时常取0.1～0.3mm/r；切断时常取0.05～0.2mm/r。

①当工件的质量要求能够得到保证时，为提高生产率，可选择较高的进给速度。

②在切断、加工深孔或用高速钢刀具加工时，宜选择较低的进给速度。

③当加工精度和表面质量要求高时，进给速度应选小些。

④刀具空行程时，可以设定该车床数控系统设定的最高进给速度。

对于车床：每分钟进给量=主轴每转进给量×主轴转速，即

F_f=fn

式中 F_f——每分钟进给量（mm/min）；

f——每转进给量（mm/r）；

n——主轴转速（r/min）。

3）切削速度v_c的确定。切削速度是指切削刃上选定点相对于工件的主运动的瞬时速度。提高v_c也是提高生产率的一种措施，但v_c与刀具寿命的关系比较密切。随着v_c的增大，刀具寿命急剧下降，故v_c的选择主要取决于刀具寿命。另外，切削速度与加工材料也有很大关系，例如用立铣刀铣削合金钢30CrNi2MoVA时，v_c可采用8m/min左右；而用同样的立铣刀铣削铝合金时，v_c可选200m/min以上。

在a_p和f选定以后，可在保证刀具寿命的条件下，用计算的方法或用查表法确定切削速度v_c的值。在具体确定v_c的值时，一般应遵循下述原则。

①粗车时，背吃刀量和进给量均较大，故选择较低的切削速度；精车时，背吃刀量和进给量均较小，则选择较高的切削速度。

②硬度和强度较高的工件材料可加工性较差时，应选较低的切削速度，故加工灰铸铁的切削速度应较加工中碳钢低，而加工铝合金和铜合金的切削速度则较加工钢高得多。工件材料的可加工性较好时，宜选用较高的切削速度。

③刀具材料的切削性能越好时，切削速度也可选得越高。因此，硬质合金刀具可采用较高的切削速度；高速钢刀具采用较低的切削速度；而涂层硬质合金、陶瓷、金刚石、立方氮化硼刀具的切削速度又可选得比硬质合金刀具高许多。硬质合金刀具切削用量推荐表见表1-18。

表1-18 硬质合金刀具切削用量推荐表

此外，在确定精加工、半精加工的切削速度时，应注意避开积屑瘤和鳞刺产生的区域；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，在加工带硬皮的铸锻件，加工大件、细长件和薄壁件以及断续切削时，应选用较低的切削速度。切削参数示意图如图1-41所示，常用切削用量推荐表见表1-19。

图1-41 切削参数示意图

表1-19 常用切削用量推荐表

（续）

（3）选择主轴转速的注意事项

1）选择主轴转速的一般注意事项。主轴转速应根据零件上被加工部位的直径，并按零件和刀具的材料及加工性质等条件所允许的切削速度来确定。切削速度除了可通过计算和查表方法选取外，还可根据实践经验确定。需要注意的是，交流变频调速数控车床的低速输出转矩小，因而切削速度不能太低。根据切削速度可以计算出主轴转速，计算公式为

n=1000v_c/（πD）

式中 v_c——切削速度（m/min），由刀具寿命决定；

n——主轴转速（r/s或r/min）；

D——工件直径或刀具直径（mm）。

计算的主轴转速n还要根据机床说明书选取。

2）车螺纹时选择主轴转速的注意事项。用数控车床加工螺纹时，因其传动链的改变，原则上其转速只要能保证主轴每转一周时，刀具沿主进给轴（多为Z轴）方向位移一个导程（螺距）即可。

在车削螺纹时，车床的主轴转速将受到螺纹的螺距P（或导程）、驱动电动机的升降频特性以及螺纹插补运算速度等多种因素的影响，故对于不同的数控系统，推荐不同的主轴转速选择范围。大多数经济型数控车床推荐车螺纹时的主轴转速n（r/min）为

n≤1200/P-k

式中 P——被加工螺纹的螺距（mm）；

k——保险系数，一般为80。

用数控车床车螺纹时，会受到以下几方面的影响。

①螺纹加工程序段中指令的螺距值相当于以进给量f（mm/r）表示的进给速度v_f。如果机床的主轴转速选择过高，其换算后的进给速度v_f（mm/min）必定大大超过正常值。

②刀具在其位移过程的始终都将受到伺服驱动系统升降频率和数控装置插补运算速度的约束，由于升降频率特性满足不了加工需要等原因，可能因主进给运动产生出的“超前”和“滞后”而导致部分螺纹的螺距不符合要求。

③车螺纹必须通过主轴的同步运行功能实现，即车削螺纹需要主轴脉冲发生器（编码器）。当主轴转速选择过高时，通过编码器发出的定位脉冲（主轴每转一周时所发出的一个基准脉冲信号）将可能因“过冲”（特别是当编码器的质量不稳定时）而导致工件螺纹产生乱牙。

（4）表面粗糙度仪简介 表面粗糙度仪用于检测工件的表面粗糙度值，其实物如图1-42所示。表面质量要求较高的检测仪，一般都带有数显装置。检测时，将工件放在检测工作台上，测头接触工件表面，轻轻拖动工件，观察数显表上的数值，取最大值时为该工件的表面粗糙度值。一般检测时取多处测量的平均值。对于表面质量较低的检测，一般使用表面粗糙度对照板。检测时，用手指指甲轻划对照板及工件表面，根据纹路凭感觉考核工件表面是否有对照板表面光滑。如果有，则证明工件的表面质量合格。

【引导操作】

1.活动要求

1）知道高台阶轴加工的相关工艺知识。

2）会用G00、G01和G71指令编制台阶轴的加工程序。

3）能进行高台阶轴工件程序的调试与加工操作。

4）能独立完成图1-39所示零件的加工。

图1-42 表面粗糙度仪

2.活动分析

（1）零件图分析 图1-39所示零件属于典型的轴类零件，材料为铝，选用ϕ40mm×60mm的圆棒料作为零件毛坯。零件表面有两处外圆ϕ33⁺⁰₀^.05mm和ϕ25_-0⁰_.05mm需要加工，实际加工长度分别为25mm和15mm，不需要车断，所有加工表面的表面粗糙度值均为Ra3.2μm。

选用自定心卡盘装夹，装夹面选择工件左端的毛坯外圆，伸出长度为加工长度25mm加上机床的Z向限位距离，完成工件所有部分的加工。

（2）工件原点 选用数控车床加工，以工件右端面与轴线的交点作为工件原点，建立工件坐标系。

3.活动准备

1）量具选用见表1-12。

2）刀具选用见表1-13。

3）数控加工工艺卡见表1-20。

表1-20 数控加工工艺卡

4）数控加工程序单见表1-21。

表1-21 数控加工程序单

4.活动步骤

1）启动车床前检查车床的外观和润滑油箱的油位，清除车床上的灰尘和切屑。

2）启动车床后在手动模式下检查主轴箱和进给轴的传动是否顺畅，是否有异响情况。

3）回车床参考点。

4）装夹工件并找正。

5）装夹刀具并找正。

6）对刀建立坐标系。

7）将图1-39所示工件的加工程序（程序名为O1003）输入车床。

8）校验运行程序。

9）运行程序进行加工，完成工件加工并检测。

10）进行车床的维护和保养。

【应用训练】

1.假如主轴转速n为800r/min，进给速度f为180mm/min，那么，用mm/r作为f的计量单位，它的值应该是多少？反过来怎么换算？它们在编程中的指令字分别如何表示？

2.程序中给定的主轴转速n为500r/min，进给速度f为0.3mm/r，工件的直径为26mm，试计算加工时的切削速度v_c。

3.采用G71和G70切削方式编写图1-43所示零件的加工程序。毛坯为ϕ40mm×60mm的圆棒钢料，背吃刀量为2mm，精加工余量为1mm。

图1-43 编程练习