外轮廓铣削加工技巧与注意事项

任务概述

学习本部分内容应掌握工件轮廓的加工技术，会填写加工刀具卡和工艺卡，能够完成内、外轮廓零件的编程与加工。此工件为二阶外轮廓矩形槽板零件，底面已精铣完毕，分析该零件的加工工艺，并编制其轮廓的加工程序。

任务目标

1.具备对外轮廓零件进行数控铣削的工艺分析能力。

2.能够独立完成刀具的选择、使用与对刀的方法。

3.掌握外轮廓工件的加工程序编制方法，能够完成外轮廓类零件的加工。

图2-2-12

知识链接

【任务分析】

如图所示的零件，加工内容为矩形轮廓及槽板轮廓，深度尺寸的测量基准取零件上表面，采用平口钳及V形块进行一次装夹即可完成加工。已知，槽板的最小凹圆弧半径为6.5mm，因此只能采用直径小于12 mm的立铣刀加工，本题采用φ12mm的立铣刀进行加工，该零件安排的加工工艺过程如下：

1.手动方式或MDI方式铣削零件上表面，确定轮廓深度测量基准。

2.粗、半精铣矩形轮廓及槽板轮廓，留单边余量0.1 mm。

3.精铣矩形轮廓及槽板轮廓。

【项目知识与技能】

一、轮廓零件的装夹方案

根据该工件的外形尺寸和加工特点，圆形板类轮廓件一般采用平口钳及平行垫铁进行一次装夹即可完成加工。在装夹中要注重工件的形位公差要求，确保加工质量。

二、轮廓加工刀具的选择

立铣刀是数控铣削轮廓件中最常用的一种铣刀。立铣刀的圆柱表面和端面上都有切削刃，圆柱表面的切削刃为主切削刃，端面上的切削刃为副切削刃。主切削刃一般为螺旋齿，这样可以增加切削平稳性，提高加工精度。由于普通立铣刀端面中心处无切削刃，所以立铣刀不能作轴向进给，端面刃主要用来加工与侧面相垂直的底平面。

为了改善切屑卷曲的情况，增大容屑空间，防止切屑堵塞，立铣刀的刀齿数比较少，容屑槽圆弧半径则较大。一般粗齿立铣刀齿数Z=3～4，细齿立铣刀齿数Z=5～8，套式结构Z=10～20，容屑槽圆弧半径r=2～5mm。当立铣刀直径较大时，还可制成不等齿距结构，以增强抗振作用，使切削过程平稳。

直径较小的立铣刀，一般制成带柄形式。φ2～φ71 mm的立铣刀为直柄；φ6～φ63 mm的立铣刀为莫氏锥柄；φ25～φ 80 mm的立铣刀为带有螺孔的7∶24锥柄，螺孔用来拉紧刀具。直径大于φ40～φ 160 mm的立铣刀可做成套式结构。

三、圆弧插补程序

圆弧插补（G02、G03）

格式：G17 G02（G03）X_Y_R_（I_J_）F_；

G18 G02（G03）X_Z_R_（I_K_）F_；

G19 G02（G03）Y_Z_R_（J_K_）F_；

功能：刀具进行圆弧插补时，必须规定所在的平面，然后再确定回转方向。顺时针为G02、逆时针为G03。

说明：圆弧插补指令可以自动加工圆弧曲线，G02为顺时针圆弧插补，G03为逆时针圆弧插补，圆弧顺逆方向的判断方法以及用矢量I、J、K表示圆心的编程方法与数控铣床圆弧插补的判断方法相同。还可以采用另外一种圆弧插补方法——半径法。

半径法是用圆弧半径R代替矢量法的圆心I、J、K。

1.G17、G18、G19表示选择圆弧插补平面，分别表示选择在XY、ZX、YZ平面进行圆弧插补。

2.X、Y、Z表示圆弧的终点坐标，其坐标值采用绝对坐标还是增量坐标，取决于G90或G91的状态，G91状态下终点坐标为相对圆弧起点的增量值。

3.R为圆弧半径值。

用半径法编写圆弧加工程序时应注意，在使用同一半径R的情况下，从起点A到终点B的圆弧可能有两个（图2-2-13），即圆弧a与圆弧b，编程时它们的起始点及半径都一样。为区分二者，规定圆弧所对应的圆心角小于180°时（圆弧段a）用“+R”表示半径，圆心角大于180°时（圆弧段b）用“-R”表示半径。圆心角等于180°时用“+R”或“-R”均可。

图2-2-13　用圆弧半径编程

下面以图2-2-14中的各圆弧线段为例，说明圆弧编程的方法。

1.用圆弧半径R的编程

绝对值编程方式：

N01 G90 G03 X15.0 Y0 R15.0 F100；（由A移至B）

N02 G02 X55.0 Y0 R20.0；（由B移至C）

N03 G03 X80.0 Y-25.0 R-25.0；（由C移至D）

增量值编程方式：

N01 G91 G03 X15.0 Y15.0 R15.0 F100；

N02 G02 X40.0 Y0 R20.0；

N03 G03 X25.0 Y-25.0 R-25.0；

2.用分矢量I、J、K编程（I、J、K为圆心相对于圆弧起点在X、Y、Z轴上的坐标增量）

绝对值编程方式：

N0 1 G90 G03 X15.0 Y0 I0 J15.0 F 100；

N02 G02 X55.0 Y0 I20.0 J0；

N03 G03 X80.0 Y-25.0 I0 J-25.0；

图2-2-14　整圆编程

注意：整圆编程时不能用R，否则机床不动作，只能用I、J、K圆心矢量编写程序。

图2-2-6所示是一封闭整圆，要求由A点逆时针插补并返回到A点。

其编程格式为：

G90 G03 X20.0 Y0 I-20.0 J0 F100或G91 G03 XO Y0 I-20.0 J0 F100

四、刀具半径补偿的应用

刀具半径补偿（G40、G41、G42）。刀具补偿功能使数控编程大为简便，要编程时可不考虑刀具中心轨迹，直接按零件轮廓编程，减轻了编程人员的劳动强度。

1.刀具半径补偿的过程分为三步：

（1）刀具补偿的建立。

（2）刀具补偿的进行。

（3）刀具补偿的取消。

2.刀具半径补偿G41、G42指令

格式：

功能：数控系统根据工件轮廓和刀具半径自动计算刀具中心轨迹，控制刀具沿刀具中心轨迹移动，加工出所需要的工件轮廓，编程时避免计算复杂的刀心轨迹。

说明：

（1）X_Y_表示刀具移动至工件轮廓上点的坐标值。

（2）D_为刀具半径补偿寄存器地址符，寄存器存储刀具半径补偿值。

（3）如图2-2-15左图所示，沿刀具进刀方向看，刀具中心在零件轮廓左侧，则为刀具半径左补偿，用G41指令。

（4）如图2-2-15右图所示，沿刀具进刀方向看，刀具中心在零件轮廓右侧，则为刀具半径右补偿，用G42指令。

（5）通过G00或G01运动指令建立刀具半径补偿。

执行刀具半径补偿后，刀具自动偏离工件轮廓一个刀具半径值，从而加工出所需要的工件轮廓。

3.刀具半径补偿的条件：

（1）在补偿平面内才能补偿。

（2）要有补偿代码。

（3）在补偿平面内要有轴的移动，否则补偿在下一条执行。

（4）要有偏置D的地址。

（5）G41、G42、G40只能在GOO、G01方式下使用。

图2-2-15　刀具半径补偿位置判断

4.取消刀具半径补偿G40指令

功能：取消刀具半径补偿

说明：（1）指令中的X_Y_表示刀具轨迹中取消刀具半径补偿点的坐标值。

（2）通过G00或G01运动指令取消刀具半径补偿。

（3）G40必须和G41或G42成对使用。

在编制轮廓切削加工的场合，一般以工件的轮廓尺寸为编程轨迹，这样编制加工程序比较简单，即假设刀具中心运动轨迹是沿工件轮廓运动的，而实际的刀具运动轨迹要与工件轮廓有一个偏移量（刀具半径），如图2-2-16所示。利用刀具半径补偿功能可以方便地实现这一转变，简化程序的编制可以自动判别补偿的方向和补偿值的大小，自动计算出实际刀具中心轨迹，并按刀心轨迹运动。建立和取消半径补偿需与G01或G00指令配合使用。

图2-2-16　偏移量

举例：加工图2-2-16工件的程序如下：(https://www.xing528.com)

五、刀具长度补偿的应用

1.刀具长度补偿（G43、G44、G49）

当使用不同长度的刀具或刀具的长度磨损时，可用刀具长度补偿功能重新调整刀具。刀具长度补偿使刀具垂直于走刀平面（比如XY平面，由G17指定），偏移一个刀具长度修正值，刀具长度补偿要视情况而定。一般而言，刀具长度补偿对于二坐标和三坐标联动数控加工是有效的，但对于刀具摆动的四、五坐标联动数控加工，刀具长度补偿则无效。在进行刀位计算时可以不考虑刀具长度，但后置处理计算过程中必须考虑刀具长度。

格式：

功能：对刀具的长度进行补偿。

说明：（1）G43指令为刀具长度正补偿。

（2）G44指令为刀具长度负补偿。

（3）G49指令为取消刀具长度补偿。

（4）刀具长度补偿指刀具在Z方向的实际位移比程序给定值增加或减少一个偏置值。

（5）格式中的Z值是指程序中的指令值。

（6）H为刀具长度补偿代码，后面两位数字是刀具长度补偿寄存器的地址符。

H01指01号寄存器，在该寄存器中存放对应刀具长度的补偿值。H00寄存器必须设置刀具长度补偿值为0，调用时起取消刀具长度补偿的作用，其余寄存器存放刀具长度补偿值。

执行G43时：Z实际值=Z指令值+H_中的偏置值。

执行G44时：Z实际值=Z指令值-H_中的偏置值。

注意：

（1）当由于偏置号改变使刀具偏置值改变时，偏置值变为新的刀具长度偏置值，新的刀具长度偏置值不加到旧的刀具偏置值上。

G90 G43 Z 100.0 H1；Z将移到120（H1：刀具长度偏置值20）

G90 G43 Z100.0 H2；Z将移到130（H2：刀具长度偏置值30）

（2）当几个主轴有刀具长度偏置时，指定G53、G28和G30的所有轴都被取消。但是，只有最后进行刀具长度偏置的轴，偏置矢量才能恢复，任何其他轴不能恢复。

（3）包含G40、G41或G42的程序段，刀具长度偏置矢量不能恢复。

对应于偏置号H的偏置值（已设置在存储器中），将自动地与Z轴编程指令值相加（G43）或相减（G44），然后把运算结果作为终点坐标值进行加工。G43、G44均为模态代码，一旦被指定后，如无同组的G代码重新指令，则G43与G44一直有效，一直到遇到刀具长度补偿取消指令G49时才被取消。

应用刀具长度补偿指令，可以简化编程时的计算，编程时可以假定刀具长度为零，这样可以设置偏置值（补偿值）为刀具的实际长度。刀具更换或磨损后，只需要修改偏置值，而不需要改变程序，应用十分方便。

在同一程序段内，如果既有运动指令又有长度补偿指令时，机床首先执行的是长度补偿指令，然后再执行运动指令。

G49指令是刀具长度补偿取消指令。当程序段中调用G49时，则G43和G44均从该程序段起被取消。H00也可以作为G43和G44的取消指令。

刀具长度补偿应用实例如图2-2-17所示，在编程时，以工件上表面为编程参考点，刀具刀尖与对刀块对正后，将机械坐标显示的Z值-346.870作为长度偏置值存入H01地址单元中，再将对刀块的高度-50.0补偿到程序中所调用坐标（G54～G59）的Z值中。

图2-2-17　刀具长度补偿应用实例

设工件上表面为Z坐标0点，其加工程序为：

以上程序在执行N02程序段时，是将H01中的偏置值-346.870与工件坐标系中的-50.0加到目标点坐标Z100.0中去，结果是使机床参考点位置从Z0向下移动396.870 mm，而刀尖的实际位置移动到工件表面以上100.0的位置。因此，后面程序段的Z坐标值可根据零件图中标注的坐标来编程，而不需考虑刀具的位置。

任务实施

一、确定工件的装夹方案

根据该工件的形状及加工特点采用平口钳及V形块进行一次装夹即可完成加工。

二、确定加工路线

该零件安排的加工工艺过程如下：

1.手动方式或MDI方式铣削零件上表面，确定轮廓深度测量基准。

2.粗、半精铣矩形轮廓及槽板轮廓，留单边余量0.1 mm。

3.精铣矩形轮廓及槽板轮廓。

三、刀具及切削用量的选择

加工零件所需的刀具及其切削用量选择见表2-2-11。

表2-2-11　加工刀具及切削参数

四、编写加工程序

根据加工零件的特点，分析了工件的加工路线，并且确定了加工时的装夹方案，以及采用的刀具和切削用量，编写参考程序（矩形轮廓及槽板轮廓的铣削）。见表2-2-12。

表2-2-12　程序单

续表

续表

续表

五、加工过程

1.打开机床电源开关。

2.机床回参考点。

3.工件装夹。

选用平口虎钳正确装夹工件。

4.对刀。

（1）X轴采用分中法对刀。

（2）Y轴采用分中法对刀。

（3）Z轴采用试切对刀。

（4）将X、Y、Z数值输入到机床的自动坐标系G54中，并输入刀具补偿值。

5.程序输入

将已经编好的程序输入到机床中。

6.程序校验

（1）打开要加工的程序。

（2）按下机床控制面板上的“自动”键，进入程序运行方式。

（3）在程序运行菜单下，按“程序校验”F5按键，按“循环启动”按键，校验开始。

如果程序正确，显示窗口会显示出正确的轮廓轨迹及走刀线路，校验完成后，光标将返回到程序头。

7.自动加工

（1）选择并打开零件加工程序，设定刀补值。

（2）按下机床控制面板上的“自动”按键（指示灯亮），进入程序运行方式。

（3）按下机床控制面板上的“循环启动”按键（指示灯亮），机床开始自动运行当前的加工程序。

六、检测方法

根据工件的尺寸特点，采用游标卡尺及R规来进行测量。测量时，应先拧松紧固螺钉，移动游标不能用力过猛，两量爪与待测物的接触不宜过紧，不能使被夹紧的物体在量爪内挪动。读数时，视线应与尺面垂直。如需固定读数，可用紧固螺钉将游标固定在尺身上，防止滑动。实际测量时，对同一长度应多测几次，取其平均值。

七、操作注意事项

1.安装平口钳时要对平口钳固定钳口进行找正。

2.工件安装时要放在钳口的中间部位，以免钳口受力不均。

3.用对刀仪测量刀具长度时应手动旋转刀柄使刀尖最高点对准光屏的中心，然后锁紧刀柄，进行读数。

4.加工过程中应充分加注切削液。

任务评价

表2-2-13　外轮廓铣削加工评分表

学生任务实施过程的小结及反馈：

教师点评：