孔特征对固定循环加工指令的影响

（1）各类孔特征与加工特点分析 孔是实际加工中常见的几何特征之一，如图3-73所示。孔按特征不同分为光圆孔、螺纹孔、阶梯孔、沉孔、不通孔、通孔等；按长度不同分为定位孔窝、浅孔、深孔等。孔的加工方式有钻孔、扩孔、铰孔、锪孔、镗孔等。孔加工用到的刀具包括钻头（常见的是麻花钻）、扩孔钻、铰刀（机用）、中心钻、锪钻（平底和锥面等）、镗刀等。

图3-73 各种几何特征的孔

各种几何特征与加工精度等要求不同，导致其加工工艺存在差异。以一般形式的光孔加工为例，其典型工艺方案见表3-2。

表3-2 H13～H7孔加工方案（长径比小于5）

就光孔特征而言，孔窝常用于后续孔的定位孔，其加工要求定位精度高；深孔加工主要的技术问题是如何有效地排屑、断屑与冷却；不通孔加工可能有深度尺寸以及孔底平面要求，而通孔加工必须考虑钻头超出材料距离；阶梯孔的特点是阶梯面往往是一个平面，与其类似的沉孔加工也是要求底面或锥面是一个回转体表面；钻孔加工精度不高，扩孔、铰孔虽然能提高尺寸精度，但其垂直度无法纠正，镗孔不仅可保证加工精度，还能纠正孔的垂直度误差，但其要求必须有预孔；钻孔加工可适应不通孔加工，而铰孔必须有预制孔，包括铸、锻件预制孔的粗镗，以及扩孔、粗镗孔后的精镗；机床上铰孔常常是在孔中轴向往复移动加工；螺纹加工一般用丝锥加工，其要求轴向进给量等与螺纹导程有关，攻螺纹至孔底后必须停钻后反转退出。另外，利用数控铣削加工轨迹可编程控制的特点，还可见铣削圆孔与螺纹的方式，当然这超出了孔加工固定循环指令讨论的范畴。

以上分析想说明的是，各种特征的孔，加工工艺是不同的。学习孔加工固定循环指令不能简单停留在分析孔加工动作上，而应将孔的动作与相应孔加工特征联系起来学习。这种学习思路使“数控编程”上升为“数控加工编程”，这是学习数控加工的最终目的。

虽然孔加工形式、长度、刀具多样，各种孔加工有一定的要求，但其也有许多固定的特点。孔加工应用的广泛性、加工动作的典型化与趋同性等，为简化编程指令提出了需求和可能，铣削加工编程中的孔加工固定循环指令便是一个典型案例。

（2）孔加工固定循环基本知识 在讨论孔加工固定循环指令之前，需要了解以下基本概念：

1）一个钻孔平面及钻孔轴。钻孔平面又称定位平面或加工平面，立式数控铣床默认的钻孔平面是XY平面（G17指定）。与钻孔平面垂直的坐标轴称为钻孔轴，显然立式铣床的钻孔轴是Z轴。

2）两个定位轴。定位轴是确定钻孔平面上孔位置的坐标轴，立式铣床为X轴与Y轴。

3）三个Z轴方向上的工艺点/平面。孔加工固定循环中，在Z轴方向上有三个必须引起重视的工艺点或平面，参见图3-75，具体叙述如下。

①初始平面：初始平面是Z轴方向上的一个安全平面，刀具首次的定位动作在这个平面中移动，其高度必须确保刀具横向移动定位过程中不与工件或夹具等相碰撞。刀具移动至初始平面高度的动作必须在固定循环指令之前通过其他移动指令实现。

②R点或R平面：又称参考点或参考平面，是钻孔快速下刀与进给钻孔进刀的转换点。对于多个钻孔而言，当工件表面为平面且表面平整度较好时，孔与孔之见的移动定位可以在R点所在平面中进行，这时可称为R平面。R点与工件表面之间的距离一般取2～5mm，粗糙毛坯表面可取5～10mm，攻螺纹时该距离还可适当增大。R点高度的选择必须确保刀具不与工件出现刚性碰撞。

③工件表面：对应工件物理表面的平面，它常常是高度方向的基准，如作为初始平面与参考平面的参照基准，并且还是孔深度的基准。实际中，工件坐标系原点也常常取在此平面。

4）四个基本移动，指固定循环过程中用到的四个基本移动，包括：快速移动（相当于G00）、切削加工移动（相当于G01）、刀具暂停（相当于G04）和横向偏移退刀（移动距离、方向与速度由系统参数设置）。

5）五个图解符号，描述孔加工固定循环指令图解的五个基本图形符号，如图3-74所示。

6）六个基本顺序动作。参见下文分析，这六个动作不一定每个指令都有。

（3）孔加工固定循环六个基本顺序动作 孔加工固定循环主要由六个基本的顺序动作组成，如图3-75所示。

图3-74 五个图解符号

图3-75 固定循环的基本动作

动作1：钻孔轴在初始平面中的孔中心定位动作，如立式铣床在X轴和Y轴的定位。

动作2：快速下刀至R点/平面，即参考平面。

动作3：孔的切削加工，一直切削加工至孔底。该动作可能是一次加工至孔底，也可能是分段加工至孔底。孔底的Z坐标要根据具体情况而定，对于通孔要考虑切出距离，一般可取0.3d+（1～2）mm（d为钻头直径），如图3-76所示。

动作4：孔底位置的动作（如主轴暂停、主轴停转、主轴定向停止并刀尖反方向偏移、反方向旋转等）。

图3-76 钻通孔的切出量

动作5：返回到R点/平面，返回速度根据具体指令有所不同，包括手动返回方式。

动作6：快速提刀至初始平面，一个动作循环结束。

注意：以上六个基本顺序动作依照指令不同而略有不同。如有的指令没有孔底动作。有的指令动作5与动作6连续进行，一气呵成，给人感觉是仅有动作5。另外，初始平面高度位置是固定循环指令之前的程序段完成。

（4）孔加工固定循环指令的基本格式 孔加工固定循环指令能够在一个程序段中将孔加工的参数完全描述出来，其固定循环指令虽然复杂一点，但是整个程序看上去却是简化了许多。以立式铣床为例，其钻孔平面为XY平面，钻孔轴为Z轴，孔加工固定循环指令的基本格式为：

指令中各代码的含义如下：

1）G90/G91：数值X_Y_Z_R_的输入方式，G90为绝对坐标输入，G91为增量坐标输入，默认设置为G90。R和Z坐标值描述如图3-77所示。

2）G98/G99：孔加工完成后的返回控制指令，如图3-78所示。G98为返回至初始平面高度，G99为返回至R平面高度。G98为默认指令。

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图3-77 绝对坐标与增量坐标编程

a）绝对坐标（G90） b）增量坐标（G91）

图3-78 加工完成后自动退刀时的抬刀高度指令

a）G98返回至初始平面 b）G99返回至R平面

3）G：孔加工方式，表3-3中除G80之外的其他孔加工固定循环指令。

4）孔加工数据：随不同的加工指令而略有不同，主要包括以下数据：

①孔位数据X_Y_：确定孔加工的中心位置参数，可用绝对坐标或增量坐标指定，孔位之间的移动为快速移动。

②孔底数据Z_：指定钻孔轴孔底位置数据，即孔的深度，可用绝对坐标或增量坐标指定。

③R点/平面数据R：指定R点/平面高度坐标值，可用绝对坐标或增量坐标指定，从初始平面至R平面或从R平面至初始平面的刀具移动速度均同G00的快速移动速度。

④暂停时间P_：孔底暂停时间，指令格式同G04。单位为0.001s（ms），指令值范围为1～99999999，例如P1500表示1.5s。

⑤Q_：在不同的固定循环中有所差异，深孔加工（G73、G83）时为每次下钻的进给深度，镗孔加工（G76、G87）时为刀具在孔底的横向偏移量。

⑥F_：钻孔加工进给速度。对于攻螺纹加工，F=nP_h，其中，n为主轴转速（mm/r），P_h为螺纹导程（mm）。

5）K_：指令程序段重复执行次数，K的取值范围为0～9999，其中K1为默认值，可以不写。

（5）FANUC 0i MC系统孔加工固定循环指令组FANUC 0i MC系统在总结了各类孔加工的基础上开发出的一组专用的孔加工固定循环指令，见表3-3。

表3-3 FANUC 0i MC系统固定循环指令组

（6）取消孔加工固定循环 从表3-3中可以看到，系统专门设计了取消固定循环指令G80。当系统执行了G80指令后，取消所有固定循环，返回到正常的三坐标联动工作状态，此时，R点和Z点模态数据也被取消，在增量方式中，R=0和Z=0。其他孔加工固定循环指令所保持的模态数据也被取消（清除）。另外，在固定循环指令执行期间，若执行了01组中的G指令（G00、G01、G02、G03和G60），系统也将取消固定循环。注意，取消固定循环指令时，指令中的F值不取消。

（7）编程技巧与禁忌

1）固定循环指令之前的程序指定初始平面高度位置，且一般在固定循环指令之前用辅助指令M03指定主轴旋转。

2）G90/G91的编程技巧。绝对坐标（G90）输入时，R和Z坐标指工件坐标系中的绝对坐标；增量坐标（G91）输入时，R为初始平面至R平面的有向距离，Z为R平面至孔底的有向距离，显然均为负值。注意对图3-77的理解。

3）G98/G99的应用技巧。对于工件表面较为平整，孔之间R平面内移动无干涉现象时，用G99返回，但钻最后一个孔时，一般用G98返回至初始平面高度。

4）若指令中为未指定孔位数据X_Y_时，则系统默认为刀具当前位置。

5）需要指定暂停时间的指令中未指定暂停时间时，程序执行准确停止检查，即在接近孔底时进行减速，执行“到位”检查，然后转入下一个程序段。

6）参数Q为无符号增量值，即其始终为正值。若指定为负值，系统忽略。

7）表3-3所列的所有固定循环指令（含G80）是同组的模态指令，可以相互注销。

8）上述孔加工参数X_、Y_、Z_、R_、Q_、F_以及初始平面高度等均为模态参数，其中R、Q参数必须在钻孔的程序段中指定与修改，否则不能作为模态参数保存。

9）参数K的应用技巧。当指定K0时，仅保存固定循环指令中孔加工的模态数据，如Z_、R_、Q_等，但不执行孔加工循环；当采用增量坐标输入（G91）时，可对等间距孔进行逐孔加工。如采用绝对坐标输入（G90），则仅在同一位置执行重复钻孔动作。注意比较与体会以下两程序段的区别：

G91 G81 X_Y_Z_R_F_K5；指令的执行动作如图3-79a所示，连续加工5个等距孔。

G90 G81 X_Y_Z_R_F_K5；指令的执行动作如图3-79b所示，仅在原地加工5次。

图3-79 参数K与G90/G91的关系

a）G91指定加工5个等距孔 b）G90指定原地重复加工5次

参数K与增量坐标输入方式常用于等距整列多孔的加工，应用广泛。

10）固定循环中指定刀具长度偏置（G43或G44）时，在定位到R点的同时加偏置。

11）缺少参数X、Y、Z、R其中之一的程序段上不执行钻孔。

12）固定循环执行过程中，如果按下MDI面板上的复位键RESET，则孔加工方式、孔加工数据、孔位置数据、重复执行次数等模态参数均被取消。