圆锥塞帽的优化加工方案

一、任务引入

制订如图4-2-48 所示圆锥塞帽的加工工艺方案，应用G71、G70 指令编写程序并加工，毛坯选用φ40 mm×80 mm 的钢料。

图4-2-48　圆锥塞帽加工

二、相关知识

1.分层切削加工工艺

在数控车床加工过程中，考虑毛坯的形状、工件的刚性和结构工艺性、刀具形状、生产效率和数控系统具有的循环切削功能等因素，大余量毛坯分层切削循环加工路线主要有“矩形”分层切削进给路线和“型车”分层切削进给路线两种形式。

“矩形”分层切削进给路线如图4-2-49 所示，为切除图示的画双斜线部分加工余量，粗加工走的是一条类似于矩形的轨迹。“矩形”分层切削进给路线较短，加工效率较高，编程方便。

“型车”分层切削进给路线如图4-2-50 所示，为切除图示的画双斜线部分加工余量，粗加工和半精加工走的是一条与工件轮廓相平行的轨迹，虽然加工路线较长，但避免了加工过程中的空行程。这种轨迹主要适用于铸造成形、锻造成形或已粗车成形工件的粗加工和半精加工。

图4-2-49　“矩形”分层切削进给路线

图4-2-50　“型车”分层切削进给路线

2.复合型车削固定循环指令概述

数控车床使用G90、G94 指令使程序简化了一些，但还有一类被称为复合型车削固定循环指令能使程序进一步得到简化，使用这些复合型车削固定循环指令能大大提高加工效率。粗车循环G71、G72，封闭切削循环G73，精车循环G70 加工外轮廓应用得最多，在编程加工过程中应该正确选择相关指令。复合型车削固定循环指令具有以下优势。

（1）提高了编程加工效率

复合型车削固定循环指令只要编入简短的几段程序，机床就可以实现固定顺序动作自动循环和多次重复循环切削，从而完成对工件的加工，复合型车削固定循环指令是工件加工手工编程自动化程度最高的一类指令。

（2）提高了产品加工的安全性

采用单一编程指令如G00、G01、G02/03 进行编程加工时程序量大，在加工过程中，易出现类似程序中正负号输错、数值输入出错等由于操作者的失误所引起的错误，很容易引起安全事故及产品报废。复合型车削固定循环指令规定了机床每次循环切削的进刀量和退刀量，程序量小且简洁，程序不容易出错，在加工过程中只要观察工件加工的第一次循环就能大概判断出程序有无出错以及对刀是否正确，在程序第一个循环正常加工完成之后就可以放心地进行自动加工，加工的安全性很高。

3.内外径粗车循环（G71）

（1）指令格式

G71 UR；

G71 PQUWF；

其中：Δd——X 轴方向背吃刀量（半径量指定），不带符号，且为模态值；

e——退刀量，其值为模态值；

ns——精车程序第一个程序段的段号；

nf——精车程序最后一个程序段的段号；

Δu——X 轴方向精车余量的大小和方向，用直径量指定（另有规定则除外）；

Δw——Z 轴方向精车余量的大小和方向；

m——粗加工循环中的进给量、切削速度与刀具功能。

精车余量的确定方法见后面精车循环（G70）的工艺说明。

例：G71 U1.5 R0.5；

G71 P100 Q200 U0.3 W0.05 F0.2；

（2）指令的运动轨迹及工艺说明

G71 粗车循环的运动轨迹如图4-2-51 所示。CNC 装置首先根据用户编写的精加工轮廓，在预留出X 和Z 轴方向精加工余量Δu 和Δw 后，计算出粗加工实际轮廓的各个坐标值。刀具按层切法将余量去除（刀具向X 轴方向进刀d，切削外圆后按e 值45°退刀，循环切削直至粗加工余量被切除）。此时工件锥面和圆弧部分形成台阶状表面，然后再按精加工轮廓光整表面，最终形成在工件X 轴方向与Z 轴方向分别留有Δu 与Δw 大小余量的轴。

图4-2-51　G71 粗车循环轨迹

刀具从循环起点（点C）开始，快速退刀至点D，退刀量由Δw 和Δu/2 值确定；再快速沿X 轴方向进刀Δd （半径值）至点E；然后按G01 进给至点G 后，沿45°方向快速退刀至点H （X 轴方向退刀量由e 值确定）；Z 轴方向快速退刀至循环起始的坐标处（点I）；再X 轴方向进刀至点J （进刀量为e ＋Δd）进行第二次切削；在该循环的粗车完成后，再进行平行于精加工表面的半精车（这时，刀具沿精加工表面分别留出Δw 和Δu 的加工余量）；半精车完成后，快速退回循环起点，结束粗车循环所有动作。

指令中的F 和S 值（S 指令有的在该指令之前已给出）是指粗加工循环中的F 和S 值，该值一经指定，则在程序段段号ns和nf之间所有的F 和S 值均无效。另外，该值也可以不加指定而沿用前面程序段中的F 值，并可沿用至粗、精加工结束后的程序中去。

在FANUC 0i 中，粗加工循环有两种类型，即类型Ⅰ和类型Ⅱ。通常情况下，在所用类型Ⅰ的粗加工循环中，轮廓外形必须采用单调递增或单调递减的形式，否则会产生凹形轮廓不是分层切削而是在半精加工时一次性切削的情况，如图4-2-52 所示。当加工图示凹形圆弧AB 段时，阴影部分的加工余量在粗车循环时，因其X 轴方向的递增与递减形式并存，故无法进行分层切削而在半精车时一次性进行切削。

图4-2-52　粗车时产生的凹形轮廓

在FANUC 系列的G71 循环中，ns程序段必须沿X 轴方向进刀，且不能出现Z 轴的运动指令，否则会出现程序报警。

例：N100 G01 X30；　（正确的ns程序段）

N100 G01 X30 Z2；　（错误的ns程序段，程序段中出现了Z 轴的运动指令）

4.精车循环（G70）

（1）指令格式

G70 PQ；

其中：ns——精车程序第一个程序段的段号；

nf——精车程序最后一个程序段的段号。

例：G70 P100 Q200；

（2）指令的运动轨迹及工艺说明

执行G70 循环时，刀具沿工件的实际轨迹进行切削，如图4-2-52 中轨迹AB 所示。循环结束后刀具返回循环起点。

G70 指令用在G71、G72、G73 指令的程序内容之后，不能单独使用。

精车之前如需进行转刀，则应注意转刀点的选择。对于倾斜床身后置式刀架，一般先回机床参考点，再进行转刀；选择水平床身前置式刀架的转刀点时，通常应选择在转刀过程中刀具不与工件、夹具、顶尖相互干扰的位置。

5.精加工余量的确定

（1）精加工余量的概念

精加工余量是指精加工过程中所切去的材料层厚度。通常情况下，精加工余量由精加工一次切削完成。

（2）精加工余量的影响因素

精加工余量的大小对工件的加工最终质量有直接影响。选取的精加工余量不能过大，也不能过小，余量过大会增加切削力、切削热的产生，进而影响加工精度和加工表面质量；余量过小则不能消除上道工序（或工步）留下的各种误差、表面缺陷和本工序的装夹误差，容易造成废品。因此，应根据影响余量大小的因素合理地确定精加工余量。

影响精加工余量大小的因素主要有两个：上道工序（或工步）的各种表面缺陷、误差和本工序的装夹误差。(www.xing528.com)

（3）精加工余量的确定方法

确定精加工余量的方法主要有以下三种。

①经验估算法。此种方法是凭工艺人员的实践经验估计精加工余量。为避免因余量不足而产生废品，所估余量一般偏大，所以经验估算法仅用于单件小批生产。

②查表修正法。将工厂生产实践和试验研究积累的有关精加工余量的资料制成表格，并汇编成手册。确定精加工余量时，可先从手册中查得所需数据，然后再结合工厂的实际情况进行适当修正。这种方法目前应用最广。

③分析计算法。采用此种方法确定精加工余量时，需运用计算公式和一定的试验资料，对影响精加工余量的各项因素进行综合分析和计算来确定其精加工余量。用这种方法确定的精加工余量比较经济合理，但必须有比较全面和可靠的试验资料。目前，只在材料十分贵重，以及军工生产或少数大批量生产的工厂中采用。

（4）精加工余量的确定

精加工余量的大小受机床、刀具、工件材料、加工方案等因素影响，故应根据前、后工序的表面质量，尺寸、位置及安装精度进行确定，其值不能过大也不宜过小。车削内、外圆时的加工余量采用经验估算法，一般取0.2～0.5 mm。另外，在FANUC 系统中，还要注意加工余量的方向性，即外圆的加工余量为正，内孔加工余量为负。

（5）刀尖半径、进给量与表面粗糙度的关系

表面粗糙度不仅受工件装夹、夹具的稳定性和机床的整体条件影响，而且与刀尖半径和进给量有一定的关系，如图4-2-53 所示。有振动时，应选择较小的刀尖半径。

图4-2-53　刀尖半径、进给量与表面粗糙度的关系

三、任务实施

1.编程准备

（1）分析零件图样

该零件的加工为外表面加工，包括φ30 mm、φ26 mm 和φ16 mm 的圆柱面、1∶5 的圆锥面，45°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，表面粗糙度要求为Ra1.6 μm。零件材料为45 钢，调质处理，加工后去毛刺。

工件的轮廓形状加工采用外轮廓循环指令G71、G70 即可完成编程。

（2）方案分析

工件轮廓简单，按轮廓粗、精加工。在数控加工中一般要体现工序集中原则，以提高生产率。

（3）夹具分析

工件为一般轴套类零件，采用三爪自定心卡盘装夹，装夹方便、快捷，定位精度高。

（4）刀具、切削用量选择

粗、精加工都选用93°外圆车刀。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。在加工时，切削速度和进给量可以通过操作面板上的“倍率”修调按键随时调整。

2.编写数控加工工艺

填写数据加工工序卡如表4-2-19 所示。

表4-2-19　圆锥塞帽数控加工工序卡

3.编写加工程序

①选择编程原点。如图4-2-54 所示，选择工件右端面的中心作为工件编程原点。精车轨迹包括四个步骤，第一步骤（X 轴方向进刀S-N），第二步骤（沿轮廓切削N-A-B-C-D-E-F-G-H），第三步骤（X 轴方向退刀H-M），第四步骤（Z 轴方向退刀M-S，精车轨迹为S-N-A-B-C-D-E-F-G-H-M-S）。

图4-2-54　圆锥塞帽精车轨迹

②X 轴方向精车余量留0.5 mm，Z 轴方向精车余量0.1 mm，循环起点定在（42，2）。

③编制加工程序。用G71、G70 编程指令编写的数控车床加工程序见表4-2-20。

表4-2-20　圆锥塞帽数控加工程序

4.工件测量

（1）常用量具的分类

根据量具的种类和特点，量具可分为三种类型。

①万能量具。这类量具一般都有刻度，在测量范围内可以测量工件的形状和尺寸的具体数值，如游标卡尺、千分尺、百分表和万能量角器（又称万能角度尺）等。

②专用量具。这类量具不能测出实际尺寸，只能测定工件形状和尺寸是否合格，如卡规、塞规、塞尺等。

③标准量具。这类量具只能制成某一固定尺寸，通常用来校对和调整其他量具，也可作为标准与被测工件进行比较，如量块。

（2）外形轮廓尺寸精度的测量

数控车床外形轮廓常用的测量量具主要有游标卡尺［图4-2-55 （a）］、千分尺［图4-2-55 （b）］、万能角度尺［图4-2-55 （c）］、R 规［图4-2-55 （d）］和百分表［图4-2-55 （e）］等。

图4-2-55　外形轮廓测量常用量具

（a）游标卡尺；（b）千分尺；（c）万能角度尺；（d）R 规；（e）百分表

游标卡尺测量工件时，对工人的手感要求较高，测量时卡尺夹持工件的松紧程度对测量结果影响较大。因此，其实际测量时的测量精度不是很高。

千分尺的测量精度通常为0.01 mm，测量灵敏度要比游标卡尺高，而且测量时也易控制其夹持工件的松紧程度。因此，千分尺主要用于较高精度的轮廓尺寸测量。本例中直径方向的尺寸采用千分尺进行测量。

万能角度尺主要用于各种角度和垂直度的测量，测量是采用透光检查法进行的。

R 规主要用于各种圆弧的测量，测量是采用透光检查法进行。

百分表则借助于磁性表座进行同轴度、跳动度、平行度等形位公差的测量。

5.数控车床加工尺寸精度及误差分析

数控车床加工过程中产生尺寸精度降低的原因是多方面的，在实际加工过程中，造成尺寸精度降低的原因见表4-2-21。

表4-2-21　数控车削尺寸精度降低的原因分析

续表

注意：表中工艺系统所产生的尺寸精度降低可通过对机床和夹具的调整来解决，而前面三项对尺寸精度的影响因素则可以通过操作者正确、细致的操作来解决。

四、加工练习

试用G71 与G70 指令编写图4-2-56 所示工件内轮廓（坯孔直径为18 mm）粗、精车的加工程序。

图4-2-56　精加工循环示例工件