多台阶零件加工的解决方案

一、任务引入

制订数控车削外圆柱面和圆锥面零件的加工工艺方案，应用G90 指令编写程序并加工如图4-2-24 所示零件，毛坯选用φ40 mm×60 mm 的钢料。

图4-2-24　多台阶零件加工

二、相关知识

实际加工中，常会遇到简单的阶梯轴套类零件，若采用单一编程指令如G00、G01、G02/03 进行编程加工，则程序量大，在加工过程中由于操作者的失误所引起的错误（如程序正负号输错、数值输入出错等）很容易引起安全事故及产品报废。为简化程序、提高安全性，可使用数控系统提供的单一循环G90、G92、G94 等指令。

单一循环指令G90、G94 集成了G00、G01 的动作，程序量小且简洁，程序不容易出错。G90、G94 指令可加工简单形体，且背吃刀量可以不均，适用于车削毛坯余量较大的场合，编程时需人为分层车削。

1.圆柱面切削循环G90

（1）指令格式

G90 X（U）_Z（W）_F_；

X（U）_Z（W）_为循环切削终点［图4-3-25 （a）中C 点］处的坐标，X 和Z 后面数值的符号取决于轨迹AB 和BC 的方向。

F_为循环切削过程中的进给速度，该值可沿用到后续程序中去，也可沿用循环程序前已经指令的F 值。

例：G90 X30 Z-30 F0.1；

（2）指令的运动轨迹及工艺说明

内圆柱面切削循环（即矩形循环）的执行过程如图4-3-25 （b）所示。刀具从程序起点A 开始以G00 方式径向移动至指令中的坐标处（图中B 点），再以G01 的方式沿轴向切削进给至终点坐标处（图中C 点），然后退至循环开始的坐标处（图中D 点），最后以G00方式返回循环起始点A 处，准备下个动作。

图4-2-25　圆柱面切削循环

（a）外圆柱面切削循环；（b）内圆柱面切削循环

该指令与简单的编程指令（如G00、G01 等）相比，即将AB、BC、CD、DA 四条直线指令组合成一条指令进行编程，从而达到了简化编程的目的。

（3）循环起点的确定

循环起点是机床执行循环指令之前刀位点所在的位置，该点既是程序循环的起点，又是程序循环的终点。对于该点，考虑快速进刀的安全性，Z 轴方向离开加工部位1～2 mm，在加工外圆柱面时，X 轴方向可略大于或等于毛坯外圆直径；加工内圆柱面时，X 轴方向可略小于或等于底孔直径。

（4）分层加工终点坐标的确定

根据硬质合金或涂镀硬质合金刀具车削碳钢时切削用量的推荐值，粗加工背吃刀量2～3 mm （单边量），精加工背吃刀量根据刀具刀尖圆弧半径的不同，取值0.2～0.6 mm。分层加工终点坐标见表4-2-6。

表4-2-6　分层加工终点坐标的确定

（5）编程实例

例：试用G90 指令编写图4-2-25 （a）所示工件的加工程序。

O0201；

G99；　（程序初始化）

T0101；　（转1 号刀并调用1 号刀补）

M03 S600；　（主轴正转，转速600 r·min-1）

G00 X52 Z2；　（固定循环起点）

G90 X46 Z-29.9 F0.2；　（调用固定循环加工外圆柱表面）

X42；　（固定循环模态调用，以下同）

X38；

X34；

X30.5；　（精加工余量为0.5 mm）

X30 Z-30 F0.1 S1200；　（精加工进给速度、转速）

G00 X100 Z100；

M30；　（主轴停转，程序结束，并返回程序开头）

2.圆锥面切削循环G90 （R）

（1）指令格式

G90 X（U）_Z（W）_R_F_；

其中，X（U）_Z（W）_为循环切削终点处的坐标；F_为循环切削过程中进给速度的大小；R_为圆锥面切削起点（图4-2-26 中的B 点）处的坐标值减终点（图4-2-26 中的C 点）处坐标值的1/2。

例：G90 X30 Z-30 R-5 F0.2；

（2）指令的运动轨迹与工艺分析

指令的循环加工轨迹如图4-2-26 所示，相似于圆柱面切削循环。

（3）R 值的确定

G90 循环指令中的R 值有正负之分，当切削起点处的半径小于终点处的半径时，R为负值，如图4-2-26 中R 值即为负值，反之则为正值。

为了保证锥面加工时锥度的正确性，该循环的循环起点一般应在离工件X 轴方向1～2 mm和Z 轴方向为Z0 的位置处，如图4-2-26 所示。当加工直线段CD 时，如果Z 轴方向起刀点处在Z3.0 位置时，其实际的加工路线为ED，从而会产生锥度误差。解决其锥度误差的另一种办法是在直线CD 的延长线上起刀（图4-2-27 中的G 点），但这时要重新计算R 值（可按相似三角形的性质计算）。

圆锥面的锥度C为圆锥大、小端直径之差与长度之比，即

即R=-［（D-d）＋1］/2 =-5.5（mm）

图4-2-26　圆锥面切削循环的轨迹

图4-2-27　圆锥面切削循环的工艺分析

（4）分层加工终点坐标的确定

圆锥车削应按照最大切除余量确定走刀次数，避免第一刀的切深过大。即以图4-3-27 中CF 段的长度进行平均分配。如果按图4-2-27 中的BD 段长度来分配背吃刀量的大小，则在加工过程中会使第一次执行循环时的开始处背吃刀量过大，如图中ABF 区域所示，即在切削开始处的背吃刀量为5 mm。

本例中，粗加工背吃刀量取单边3 mm，精加工余量为0.6 mm，根据圆锥小端加工总余量20.0 mm 确定分层切削粗加工次数为4 次。分层切削加工的坐标值如表4-2-7 所示，表中终点的坐标值为起点的坐标值加大小端直径差。

表4-2-7　圆锥面分层切削加工坐标的确定

（5）编程实例

例：试用G90 指令编写图4-2-26 所示工件的加工程序。

O0202；

G99；　（程序初始化）

T0101；　（转1 号刀并调用1 号刀补）

M03 S600；　（主轴正转，转速600 r·min-1）

G00 X52 Z3；　（固定循环起点，Z 向为Z0）

G90 X54 Z-30 R-5.5 F0.2；　（在X46.0 Z0 处开始切削，平均分配背吃刀量）

X48；　（固定循环模态调用，下同）

X42；

X40.5；　（精加工余量为0.5 mm）

X40 F0.1 S1200；　（精加工进给速度、转速）

G00 X100 Z100；

M30；

3.圆锥车削加工路线

圆锥的加工路线通常有两种，当按照图4-2-28（a）所示的加工路线加工时，刀具每次切削的背吃刀量相等，但编程时需计算刀具的起点和终点坐标。采用这种加工路线时，加工效率高，但计算麻烦。

当按照图4-2-28（b）所示的加工路线加工时，则无须计算终点坐标，但用单一固定循环编程时需要计算每一刀进给的R 值，且每次切削过程中，背吃刀量是变化的，不然会引起工件表面粗糙度不一致。

图4-2-28　圆锥车削加工路径

（a）需要计算刀具起点和终点坐标；（b）无须计算刀具起点和终点坐标

4.外圆车削相关工艺知识

（1）常用数控车刀的刀具参数

对于使用了机夹可转位刀片的刀具，其刀具参数已设置成标准化参数。而对于需要刃磨的刀具，在刃磨过程中要注意保证这些刀具参数的正确性。

以硬质合金外圆精车刀为例，数控车刀的刀具角度参数如图4-2-29 所示，具体角度的定义方法请参阅有关切削手册。硬质合金刀具切削碳素钢时的角度参数参考取值见表4-2-8。在确定角度参数值的过程中，应考虑工件材料、硬度、切削性能、具体轮廓形状和刀具材料等诸多因素。

图4-2-29　数控车刀刀具角度参数

表4-2-8　常用硬质合金数控车刀切削碳素钢时的角度参数推荐值

注：P为螺距。

（2）数控车刀的刀具材料

常用的数控刀具材料有高速钢、硬质合金、涂镀硬质合金、陶瓷、立方氮化硼、金刚石等。其中，高速钢、硬质合金和涂镀硬质合金在数控车削刀具中应用较广。

高速钢是指加了较多的钨、钼、铬、钒等合金元素的高合金工具钢，其常用的牌号有W18Cr4V、W14Cr4VCo5 和W6Mo5Cr4V2 等。高速钢车刀具有较高的强度和韧性，主要用于复杂零件加工和精加工，但刀具耐热性差。该刀具材料的适用性较广，能适用各种金属的加工，由于其耐热性差，因此不适用于高速切削。

硬质合金分成钨钴（K）类、钨钛钴（P）类、钨钛钽钴（M）类等，常用刀具牌号有YG3、YG6、YG8、YT5、YT15、YT30、YW1、YW2 等。硬质合金具有高硬度、高耐磨性、高耐热性的特点，但其抗弯强度和冲击韧性较差，因此，该材料适用于精加工或加工钢及韧性较大的塑性金属。

涂镀硬质合金是在普通硬质合金的基体上通过“涂镀”新工艺而得到的，这使得其耐磨、耐热和耐腐蚀性能得到大大提高，因此，其使用寿命比普通硬质合金至少可提高1～3 倍。

陶瓷材料是含有金属氧化物或氮化物的无机非金属材料，该材料具有很高的硬度、耐磨性，以及很强的耐高温性和较低的摩擦系数。因此，陶瓷刀片是加工淬硬（65 HRC 左右）钢及其他难加工材料的首选刀具。

立方氮化硼（CBN）和金刚石（PCD）材料具有极高的硬度和耐磨性，分别适用于精加工各种淬硬钢及高速精加工钛或铝合金工件，但不宜承受冲击和低速切削，也不宜加工软金属，且价格较高。

以上各刀具材料的硬度和韧性对比如图4-2-30 所示。(www.xing528.com)

图4-2-30　不同刀具材料的硬度与韧性对比

5.机械夹固式车刀简介

（1）机械夹固式车刀

根据压紧方式的不同，机械夹固式车刀分为复合压紧式（图4-2-31）和螺钉压紧式（图4-2-32）。

图4-2-31　复合压紧式

图4-2-32　螺钉压紧式

机械夹固式车刀的刀片为多边形，有多条切削刃，当某条切削刃磨损钝化后，只需松开夹固元件将刀片转一个位置便可继续使用。其最大优点是车刀几何角度完全由刀片保证，切削性能稳定，刀杆和刀片已标准化，加工质量好。

在数控车床的加工过程中，为了减少转刀时间和方便对刀，便于实现加工自动化，应尽量选用机夹可转位刀具，目前，70%～80%的自动化加工刀具已使用了可转位刀具。另外，由于机夹可转位刀具的标号已使用了国家标准及ISO 标准代码，因此，本节将主要介绍机夹可转位刀具。

（2）机夹可转位刀具的代码

硬质合金可转位刀具的国家标准与ISO 国际标准相同，共用10 个号位的内容来表示品种规格、尺寸系列、制造公差以及测量方法等主要参数的特征。按照规定，任何一个型号的刀具都必须用前7 个号位，后3 个号位在必要时才使用。其中第10 号位前要加一短横线“-”与前面号位隔开，第8、9 两个号位若只使用其中一位，则写在第8 号位上，中间不需要空格。

可转位刀具型号表示方法可用图4-2-33 表达，刀具型号的具体含义请查阅相关数控刀具手册。

图4-2-33　机夹可转位刀具型号表示方法

例：TBHG120408EL-CF

例中，T 表示三角形刀片；B 表示刀具法向主后角为5°；H 表示刀具厚度公差为±0.013 mm；G 表示圆柱孔夹紧；12 表示切削刃长12 mm；04 表示刀具厚度为4.76 mm；08表示刀尖圆弧半径为0.8 mm；E 表示刀刃倒圆；L 表示切削方向向左；CF为制造商代号。

（3）数控车刀在数控机床刀架上的安装要求

车刀安装得正确与否，将直接影响切削能否顺利进行和工件的加工质量。安装车刀时应注意下列几个问题。

①车刀安装在刀架上，伸出部分不宜太长，伸出量一般为刀杆高度的1.0～1.5 倍。伸出过长会使刀杆刚性变差，切削时易产生振动，影响工件的表面粗糙度。

②车刀垫铁要平整，数量要少，垫铁应与刀架对齐。车刀至少要用两个螺钉压紧在刀架上，并逐个轮流拧紧。

③车刀刀尖应与工件轴线等高［图4-2-34 （a）］，否则会因基面和切削平面的位置发生变化而改变车刀工作时前角和后角的数值。当车刀刀尖高于工件轴线［图4-2-34（b）］时，使后角减小，增大了车刀后刀面与工件间的摩擦；当车刀刀尖低于工件轴线［图4-2-34 （c）］时，使前角减小，切削力增加，切削不顺利。

车端面时，车刀刀尖高于或低于工件中心，车削后工件端面中心处会留有凸头（图4-2-35）。使用硬质合金车刀时，如不注意这一点，车削到中心处会使刀尖崩碎。

6.外圆尺寸的修调方法

图4-2-34　装刀高低对前后角的影响

（a）车刀刀尖与轴线等高；（b）车刀刀尖高于轴线；（c）车刀刀尖低于轴线

图4-2-35　车刀刀尖不对准工件中心的后果

刀具补偿参数界面中的磨耗值通常用于补偿刀具的磨损量，也常用于补偿加工误差值。在工件完成粗加工后，虽然进行检测并按照实测值误差进行了补偿，但完成精加工后往往仍然会出现尺寸超差的现象。究其原因，主要是因为：①对刀误差；②粗加工后的表面较粗糙造成检测误差，测量值大于实际值，按此测量值进行精加工往往会造成工件外圆尺寸偏小，且无法弥补；③粗、精加工中切削力的变化造成实际切削深度与理论切削深度的偏差；④机床精度的影响。

为避免粗加工误差对精加工的影响，实际加工中通常采用粗-半精加工-精加工的加工方案。为减少编程工作量，可采用在磨耗或刀尖圆弧半径补偿界面中预留精加工余量的编程方法，在粗-半精加工后检测工件尺寸，并根据实测值修调磨耗值或刀尖圆弧半径补偿值，由于精加工与半精加工加工条件基本一致，从而有效地保证了加工精度。具体数值见表4-2-9。

表4-2-9　圆锥面分层切削加工直径的确定　（单位：mm）

注意：精加工中，尺寸按中间公差值修调。

实操中运用磨耗值或刀尖圆弧半径补偿值修调尺寸时，先按程序完成工件的粗、精加工，由于通过磨耗值或刀具圆弧半径补偿值预留了精加工余量，此时精加工作为半精加工进行。根据实测值修调了磨耗值或刀尖圆弧半径补偿值后，只需在编辑模式中将光标移至调用精加工刀号和刀补号（或重新调用刀号和刀补号）程序段，切换至自动加工模式循环启动再执行一次精加工即可，程序调整说明见表4-2-10。

表4-2-10　程序调整说明

7.零件表面质量问题分析

导致表面粗糙度质量下降的因素大多可通过操作者来避免或减小。因此，数控操作者的水平将对表面粗糙度质量产生直接的影响，部分影响零件表面质量因素见表4-2-11。

表4-2-11　表面粗糙度影响因素分析

8.切削液的选用

（1）切削液的作用

①润滑作用。切削液能渗入刀具、切屑、加工表面之间而形成薄薄的一层润滑膜或化学吸附膜，因此，可以减小它们之间的摩擦。切削液的润滑效果与切削条件有关，切削速度越高，切削厚度越大，工件材料强度越高，则切削液润滑效果越差。

②冷却作用。切削液能从切削区域带走大量的切削热，使切削温度降低。一般来说，水溶液的冷却性能最好，乳化液次之，油类最差。

③清洗作用。切削液的流动可冲走切削区域和机床导轨上的细小切屑及脱落的磨粒，从而达到清洗的目的。

④防锈作用。在切削液中加入防锈添加剂后，切削液可在金属材料表面上形成附着力很强的一层保护膜，从而对工件、机床、刀具起到很好的防锈、防腐作用。

（2）切削液的种类

切削液主要分为水基切削液和油基切削液两类。水基切削液主要成分是水、化学合成水和乳化液，冷却能力强。油基切削液主要成分是各种矿物油、动物油、植物油或由它们组成的复合油，并可添加各种添加剂，因此，其润滑性能突出。

（3）切削液的选择

粗加工或半精加工时，切削热量大。因此，切削液的作用应以冷却散热为主。精加工时，为了获得良好的已加工表面质量，切削液应以润滑为主。注意硬质合金刀具使用冷却液时，应采用连续冷却的办法进行，切忌暴冷暴热。

（4）切削液的使用方法

切削液的使用普遍采用浇注法。对于深孔加工、难加工材料的加工以及高速或强力切削加工，应采用高压冷却法。切削时切削液工作压力为1～10 MPa，流量为50～150 L/min。

喷雾冷却法也是一种较好的使用切削液的方法，加工时，切削液被施加高压并通过喷雾装置雾化，然后被高速喷射到切削区。

三、任务实施

1.编程准备

（1）分析零件图样

该工件的加工为外表面加工，包括φ38 mm、φ32 mm 和φ26 mm 的圆柱面、C1 倒角等表面。图样中有三处直径尺寸为中等公差等级要求，加工时需要用粗、精加工，并在粗、精加工之间加入测量和误差调整补偿。长度尺寸用一般加工方法就可以保证，表面粗糙度要求Ra3.2 μm。工件材料为45 钢，调质处理，加工后去毛刺。

本例工件的编程较为简单，只需掌握数控编程规则、常用指令的指令格式等理论知识及简单的G90 指令即可完成编程。

（2）方案分析

夹持毛坯，伸出长度约50 mm 车端面，加工右侧轮廓。按直径从大到小依次粗车φ38 mm、φ32 mm、φ26 mm 外圆，各留1 mm 精加工余量进行轮廓精车。

（3）夹具分析

根据所给毛坯为棒料，该工件为规则轴类，长度较短，采用三爪自定心卡盘进行装夹，装夹方便、快捷，定位精度高。

（4）刀具、切削用量选择

被加工材料为45 钢，经调质处理后它的综合加工性能较好，故粗、精加工都选用YT15 车刀。由于该工件全部为表面加工，并且直径依次递减，所以选择两把93°外圆车刀进行加工，1 号刀用于粗加工，副偏角取5°；2 号刀用于精加工，取副偏角为47°，切削用量推荐值如下：粗加工切削速度n=600 r·min-1，进给量f=0.2 mm·r-1；精加工切削速度取n=1 000 r·min-1，进给量f=0.15 mm·r-1，刀具和切削用量表见表4-2-12。

表4-2-12　刀具和切削用量表

2.编写数控加工工艺

填写数控加工工序卡如表4-2-13 所示。

表4-2-13　多台阶零件数控加工工序卡

3.编写加工程序

（1）选择编程原点

如图4-2-36 所示，选择工件右端面的中心作为工件编程原点。

（2）设计加工路线

加工本例工件时，刀具的加工路线见图4-2-36：粗车第一刀（1-2-M-N-1）；粗车第二刀（1-3-I-P-1）；粗车第三刀（1-4-H-P-1）；粗车第四刀（1-5-E-Q-1）；粗车第五刀（1-6-D-Q-1）；粗车倒角（1-7-A-B-1）。

G90 粗车形成矩形，包括四个动作：G00 （X 轴方向进刀），G01 （Z 轴方向直线切削），G01 （X 轴方向退刀），G00 （Z 轴方向退刀）。精车点对点，沿着轮廓直线切削，（1-7-A-B-C-F-G-J-K-N-1），1为起刀点。

图4-2-36　多台阶零件加工路线

（3）编制数控加工程序

采用编程指令编写的数控车床加工程序见表4-2-14。

表4-2-14　多台阶零件加工程序

续表

四、加工练习

完成图4-2-37 所示零件的加工方案和工艺规程的编制，并进行程序编制和加工，φ15 mm 的孔已预先加工好。

图4-2-37　单向锥孔零件

内孔加工时，应选用恰当大小刀杆的车刀，并应遵循下面的基本原则。

①根据车刀能加工的最小孔径，选择尽可能大的刀杆。同等悬伸长度情况下，其长径比较小，刀杆越大，刚性及抗震性也就越好，有利于加工表面精度的提高。图4-2-38 所示为一般钢制内孔刀杆。

②在满足加工要求的前提下，尽可能地缩短悬伸长度。

③在深孔镗削或刀杆与孔尺寸相差不多的情况下，排屑往往是一大难题，这时可通过采用内冷却（或压缩空气）方式提高排屑效果，如图4-2-39 所示。

图4-2-38　钢制内孔刀杆

图4-2-39　采用内冷却的内孔车刀