《數(shù)控加工技術(shù)》第四章_數(shù)控銑床的程序編制[1]

1、數(shù)控銑床的程序編制數(shù)控銑床是一種加工功能很強的數(shù)控機床，目前迅速發(fā)展起來的加工中心、柔性加工單元等都是在數(shù)控銑床、數(shù)控鏜床的基礎(chǔ)上產(chǎn)生的，兩者都離不開銑削方式。由于數(shù)控銑削工藝最復(fù)雜，需要解決的技術(shù)問題也最多，因此，目前人們在研究和開發(fā)數(shù)控系統(tǒng)及自動編程語言的軟件系統(tǒng)時，也一直把銑削加工作為重點。第一節(jié) 數(shù)控銑床程序編制的基礎(chǔ)一、數(shù)控銑床的主要功能及加工對象1數(shù)控銑床的主要功能數(shù)控銑床也像通用銑床那樣可以分為立式、臥式和立臥兩用式數(shù)控銑床，各類銑床配置的數(shù)控系統(tǒng)不同，其功能也不盡相同。除各有其特點之外，常具有下列主要功能：(1) 點位控制功能 利用這一功能，數(shù)控銑床可以進行只需要作點位控制的鉆

2、孔、擴孔、锪孔、鉸孔和鏜孔等加工。(2) 連續(xù)輪廓控制功能 數(shù)控銑床通過直線與圓弧插補，可以實現(xiàn)對刀具運動軌跡的連 續(xù)輪廓控制，加工出由直線和圓弧兩種幾何要素構(gòu)成的平面輪廓工件。對非圓曲線(橢圓、拋物線、雙曲線等二次曲線及對數(shù)螺旋線、阿基米德螺旋線和列表曲線等等)構(gòu)成的平面輪廓,在經(jīng)過直線或圓弧逼近后也可以加工。除此之外，還可以加工一些空間曲面。(3) 刀具半徑自動補償功能 使用這一功能，在編程時可以很方便地按工件實際輪廓形狀和尺寸進行編程計算，而加工中可以使刀具中心自動偏離工件輪廓一個刀具半徑，加工出符合要求的輪廓表面。也可以利用該功能，通過改變刀具半徑補償量的方法來彌補銑刀制造的尺寸精度誤

3、差，擴大刀具直徑選用范圍及刀具返修刃磨的允許誤差。還可以利用改變刀具半徑補償值的方法，以同一加工程序?qū)崿F(xiàn)分層銑削和粗、精加工或用于提高加工精度。此外,通過改變刀具半徑補償值的正負(fù)號，還可以用同一加工程序加工某些需要相互配合的工件(如相互配合的凹凸模等)。(4) 刀具長度補償功能 利用該功能可以自動改變切削平面高度，同時可以降低在制造與返修時對刀具長度尺寸的精度要求，還可以彌補軸向?qū)Φ墩`差。(5) 鏡象加工功能 鏡象加工也稱為軸對稱加工。對于一個軸對稱形狀的工件來說，利用這一功能，只要編出一半形狀的加工程序就可完成全部加工了。(6) 固定循環(huán)功能 利用數(shù)控銑床對孔進行鉆、擴、鉸、锪和鏜加工時，加

4、工的基本動作是：刀具無切削快速到達孔位一慢速切削進給一快速退回。對于這種典型化動作，可以專門設(shè)計一段程序(子程序)，在需要的時候進行調(diào)用來實現(xiàn)上述加工循環(huán)。特別是在加工許多相同的孔時，應(yīng)用固定循環(huán)功能可以大大簡化程序。利用數(shù)控銑床的連續(xù)輪廓控制功能時，也常常遇到一些典型化的動作，如銑整圓、方槽等，也可以實現(xiàn)循環(huán)加工。對于大小不等的同類幾何形狀(圓、矩形、三角形、平行四邊形等)，也可以用參數(shù)方式編制出加工各種幾何形狀的子程序，在加工中按需要調(diào)用，并對于程序中設(shè)定的參數(shù)隨時賦值，就可以加工出大小不同或形狀不同的工件輪廓及孔徑、孔深不同的孔。目前，已有不少數(shù)控銑床的數(shù)控系統(tǒng)附帶有各種已編好的子程序庫

5、，并可以進行多重嵌套，用戶可以直接加以調(diào)用，編程就更加方便。(7) 特殊功能 有些數(shù)控銑床在增加了計算機仿形加工裝置后，可以在數(shù)控和靠模兩種控制方式中任選一種來進行加工，從而擴大了機床使用范圍。具備自適應(yīng)功能的數(shù)控銑床可以在加工過程中把感受到的切削狀況(如切削力、溫度等)的變化，通過適應(yīng)性控制系統(tǒng)及時控制機床改變切削用量，使銑床及刀具始終保持最佳狀態(tài)，從而可獲得較高的切削效率和加工質(zhì)量，延長刀具使用壽命。 數(shù)控銑床在配置了數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)后，就具備了數(shù)據(jù)采集功能。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)可以通過傳感器(通常為電磁感應(yīng)式、紅外線或激光掃瞄式)對工件或?qū)嵨镆罁?jù)(樣板、模型等)進行測量和采集所需要的數(shù)據(jù)。而且，目前

6、已出現(xiàn)既能對實物掃瞄采集數(shù)據(jù)，又能對采集到的數(shù)據(jù)進行自動處理并生成數(shù)控加工程序的系統(tǒng)(簡稱錄返系統(tǒng))。這種功能為那些必須按實物依據(jù)生產(chǎn)的工件實現(xiàn)數(shù)控加工帶來了很大的方便，大大減少了對實樣的依賴，為仿制與逆向進行設(shè)計一制造一體化工作提供了有效手段。2數(shù)控銑床的加工工藝范圍銑削是機械加工中最常用的加工方法之一，它主要包括平面銑削和輪廓銑削，也可以對零件進行鉆、擴、鉸、锪和鏜孔加工與攻螺紋等。在銑削加工中，它特別適用于加工下列幾類零件： (1) 平面類零件 平面類零件是指加工面平行、垂直于水平面或其加工面與水平面的夾角為定角的零件。目前在數(shù)控銑床上加工的絕大多數(shù)零件屬于平面類零件。這類零件的特點是，

7、各個加工表面是平面，或可以展開為平面，圖41所示的三個零件都屬于平面類零件。其中的曲線輪廓面M和正圓臺面N，展開后均為平面。 圖41 平面類零件 平面類零件是數(shù)控銑削加工對象中最簡單的一類，一般只須用三坐標(biāo)數(shù)控銑床的兩坐標(biāo)聯(lián)動(即兩軸半坐標(biāo)加工)就可以把它們加工出來。有些平面類零件的某些加工表面(或加工表面的母線)與水平面既不垂直也不平行，而是存在一個定角，這些斜面的加工常用以下幾種方法： 1) 對圖41b）所示的斜面P，當(dāng)工件尺寸不大時，可用斜板墊平后加工，如機床主軸可以擺角，則可以擺成適當(dāng)?shù)亩ń莵砑庸?。?dāng)工件尺寸很大，斜面坡度又較小時，也常用行切法加工，但會在加工面上留下迭刀時的刀峰殘留痕

8、跡，要用鉗修方法加以清除。當(dāng)然，加工斜面的最佳方法是用五坐標(biāo)銑床主軸擺角后加工，可以不留殘痕。2) 圖41c）所示的正圓臺和斜筋表面，一般可用專用的角度成型銑刀來加工，此時若采用五坐標(biāo)銑床擺角加工反而不經(jīng)濟。 (2) 變斜角類零件 加工面與水平面的夾角呈連續(xù)變化的零件稱為變斜角類零件。圖42是飛機上的一種變斜角梁緣條，該零件在第2肋至第5肋的斜角從3°10，均勻變化為2°32，從第5肋至第9肋再均勻變化為l°20，從第9肋到第12肋又均勻變化至0°。變斜角類零件的變斜角加工面不能展開為平面，但在加工中，加工面與銑刀圓周接觸的瞬間為一條直線。加工變斜角類零

9、件最好采用四坐標(biāo)和五坐標(biāo)數(shù)控銑床擺角加工，在沒有上述機床時，也可在三坐標(biāo)數(shù)控銑床上進行二軸半控制的近似加工。(3) 曲面類(立體類)零件加工面為空間曲面的零件稱為曲面類零件。曲面類零件的加工面不僅不能展開為平面，而且它的加工面與銑刀始終為點接觸。加工曲面類零件一般采用三坐標(biāo)數(shù)控銑床。常用的加工方法主要有下列兩種： 1) 采用三坐標(biāo)數(shù)控銑床進行二軸半坐標(biāo)控制加工，加工時只有兩個坐標(biāo)聯(lián)動，另一個坐標(biāo)按一定行距周期性進給。這種方法常用于不太復(fù)雜的空間曲面的加工，圖43是對曲面進行二軸半坐標(biāo)行切加工的示意圖。 2) 采用三坐標(biāo)數(shù)控銑床三坐標(biāo)聯(lián)動加工空間曲面。所用銑床必須能進行X、y、Z三坐標(biāo)聯(lián)動加工，

10、進行空間直線插補。這種方法常用于發(fā)動機及模具等較復(fù)雜空間曲面的加工。 加工曲面類零件的刀具一般使用球頭刀具，因為其它刀具加工曲面時更容易產(chǎn)生干涉而銑傷鄰近表面。二、數(shù)控銑床工藝裝備的特點數(shù)控銑床的工藝裝備主要是指夾具和刀具兩類。1夾具 數(shù)控銑床可以加工形狀復(fù)雜的零件，但數(shù)控銑床所使用的夾具往往并不很復(fù)雜，只要求有簡單的定位、夾緊機構(gòu)就可以了。在選用銑削夾具時，通常需要考慮產(chǎn)品的生產(chǎn)批量、生產(chǎn)效率、質(zhì)量保證及經(jīng)濟性等，在生產(chǎn)量小或研制時，應(yīng)盡量采用組合夾具。小批或成批生產(chǎn)時可考慮采用專用夾具。在生產(chǎn)批量較大時，可考慮采用多工位夾具和氣動、液壓夾具。但此類夾具結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，造價往往較高，而且制造周期

11、較長。2刀具根據(jù)被加工零件材料、熱處理狀態(tài)、切削性能及加工余量，選擇剛性好、耐用度高的銑刀，是充分發(fā)揮數(shù)控銑床的生產(chǎn)效率和獲得滿意加工質(zhì)量的前提。數(shù)控銑床除可以使用各種通用銑刀、成型銑刀外、還常使用適于加工空間曲面零件的球頭銑刀(圖44)。另外還有鼓形銑刀(圖45)，它主要用于加工變斜角面。端銑刀是數(shù)控銑床最常用的刀具，編程前經(jīng)常要對端銑刀的幾何尺寸進行選擇。圖46是一把典型的端銑刀加工簡圖，其中：D為銑刀直徑，L為銑刀總長，l為銑刀刃長，r為銑刀端刃圓角半徑，H為所要銑削的工件側(cè)壁最大高度(或最大槽深)，R為工件壁板之間的轉(zhuǎn)接圓弧半徑。在選擇銑刀直徑時，首先要認(rèn)真考慮工件加工部位的幾何尺寸，

12、一般來說，為減少走刀次數(shù)和提高生產(chǎn)率及保證銑刀有足夠的剛性，應(yīng)盡量選擇直徑較大的銑刀。但選擇銑刀直徑時常常受到某些因素的制約，例如：加工區(qū)域的開敞性，內(nèi)腔尺寸的大小，工件材料及工件的剛性等。特別是當(dāng)工件內(nèi)輪廓轉(zhuǎn)接圓弧(凹圓弧)R較小，而槽深或壁板高度H較大時，會將刀具限制為細(xì)長形，其剛性就很差。銑刀直徑D與刃長l的比值大小能客觀地反映出銑刀剛性特征，這里推薦將Dl0405作為檢驗銑刀剛性的條件。為了解決當(dāng)工件內(nèi)轉(zhuǎn)接半徑R較小，而槽深或壁板高度H較大時，銑刀剛性差、加工困難的問題，通常要采取大小不同的兩把銑刀進行粗、精加工來處理。在使用中要防止因盲目選用了過大直徑的粗加工銑刀而產(chǎn)生在精加工后留下

13、未能銑去的“死角”，或因留給精加工的余量過大而造成精加工困難等問題。銑刀刃長以避免刀具細(xì)長提高剛性為好，故其刃長只要能保證將工件銑出即可。1) 當(dāng)加工深槽或盲孔時，選l=H+2mm2)當(dāng)加工外形或通孔、通槽時，選lH+r+2mm 銑刀端刃圓角半徑r的大小一般應(yīng)與零件圖樣要求一致，但粗加工銑刀因尚未切削到工件的最終輪廓尺寸，也可以適當(dāng)選得小些，有時甚至可選為“清根”(ro-o5)，但在編程時需要認(rèn)真考慮粗加工以后留下多少余量，以保證精加工銑刀可以把圖樣要求的r加工出來,不要造成其根部缺損。 三、數(shù)控銑削工藝性分析 機械加工的工藝性分析關(guān)系到機械加工的效果和成敗，對于數(shù)控銑削加工也是如此，因此數(shù)控

14、銑削加工的工藝性分析是編程前的重要工藝準(zhǔn)備工作之一，不可忽視。根據(jù)加工實踐，數(shù)控銑削加工工藝分析所要解決的主要問題大致可歸納為以下幾個方面。 1選擇并確定數(shù)控銑削加工部位及工序內(nèi)容 由于國內(nèi)大多數(shù)用戶目前所擁有的數(shù)控銑床數(shù)量有限，因此在選擇加工對象及加工內(nèi)容時般還是以解決生產(chǎn)與科研中的加工難題為主，充分發(fā)揮數(shù)控銑床的優(yōu)勢和關(guān)鍵作用。為此，推薦下列加工內(nèi)容作為采用數(shù)控加工的主要選擇對象：1) 工件上的曲線輪廓，特別是由數(shù)學(xué)表達式給出的非圓曲線與列表曲線等曲線輪廓；2) 已給出數(shù)學(xué)模型的空間曲面；3) 形狀復(fù)雜、尺寸繁多、劃線與檢測困難的部位；4) 用通用銑床加工時難以觀察、測量和控制進給的內(nèi)外凹

15、槽；5) 以尺寸協(xié)調(diào)的高精度孔或面；6) 能在一次安裝中順帶銑出來的簡單表面或形狀；7) 采用數(shù)控銑削后能成倍提高生產(chǎn)率，大大減輕體力勞動強度的一般加工內(nèi)容。不適于數(shù)控銑削加工的內(nèi)容主要有以下幾種：1) 簡單的粗加工面；2) 需要進行長時間占機人工調(diào)整(如以毛坯粗基準(zhǔn)定位按劃線找正)的粗加工內(nèi)容；3) 必須按專用工裝協(xié)調(diào)的加工內(nèi)容(如標(biāo)準(zhǔn)樣件等)；4) 毛坯上的加工余量不太充分或不太穩(wěn)定的部位；5) 如圖47所示的工件，一面加工，另一面不加工，其非加工面又不能作為定位面的部位；6) 必須用細(xì)長銑刀加工的部位(一般指狹窄深槽或高肋板小轉(zhuǎn)接圓弧部位)。2零件圖樣的工藝性分析根據(jù)數(shù)控銑削加工的特點，

16、下面列舉出一些經(jīng)常遇到的工藝性問題，作為對零件圖樣進行工藝性分析的要點來加以分析與考慮。(1) 零件圖樣尺寸的正確標(biāo)注由于加工程序是以準(zhǔn)確的坐標(biāo)點來編制的，因此，各圖形幾何要素間的相互關(guān)系(如相切、相交、垂直和平行等)應(yīng)明確，各種幾何要素的條件要充分，應(yīng)無引起矛盾的多余尺寸或影響工序安排的封閉尺寸等。(2) 保證獲得要求的加工精度雖然數(shù)控機床精度很高，但對一些特殊情況，例如過薄的底板與肋板，因為加工時產(chǎn)生的切削拉力及薄板的彈性退讓極易產(chǎn)生切削面的振動，使薄板厚度尺寸公差難以保證，其表面粗糙度也將提高。根據(jù)實踐經(jīng)驗，當(dāng)面積較大的薄板厚度小于3mm時就應(yīng)充分重視這一問題。 (3) 盡量統(tǒng)一零件輪廓

17、內(nèi)圓弧的有關(guān)尺寸輪廓內(nèi)圓弧半徑R常常限制刀具的直徑。如圖48所示，如工件的被加工輪廓高度低，轉(zhuǎn)接圓弧半徑也大，可以采用較大直徑的銑刀來加工，加工其底板面時，走刀次數(shù)也相應(yīng)減少，表面加工質(zhì)量也會好一些，因此工藝性較好，反之，數(shù)控銑削工藝性較差。一般來說，當(dāng)R<02H(被加工輪廓面的最大高度)時，可以判定為零件該部位的工藝性不好。 銑削面的槽底面圓角或底板與肋板相交處的圓角半徑r(如圖49所示)越大，銑刀端刃銑削平面的能力越差，效率也越低，當(dāng)r大到一定程度時甚至必須用球頭銑刀加工，這是應(yīng)當(dāng)避免的。因為銑刀與銑削平面接觸的最大直徑dD2r(D為銑刀直徑)，當(dāng)D越大而r越小時，銑刀端刃銑削平面的

18、面積越大，加工平面的能力越強，銑削工藝性當(dāng)然也越好。有時候，當(dāng)銑削的底面面積較大，底部圓弧r也較大時，我們只能用兩把r不同的銑刀(一把刀的r小些，另一把刀的r符合零件圖樣的要求)進行兩次切削。在一個零件上的這種凹圓弧半徑在數(shù)值上的一致性問題對數(shù)控銑削的工藝性顯得相當(dāng)重要。一般來說，即使不能尋求完全統(tǒng)一，也要力求將數(shù)值相近的圓弧半徑分組靠攏，達到局部統(tǒng)一，以盡量減少銑刀規(guī)格與換刀次數(shù)，并避免因頻繁換刀增加了工件加工面上的接刀階差而降低了表面質(zhì)量。(4) 保證基準(zhǔn)統(tǒng)一的原則有些工件需要在銑完一面后再重新安裝銑削另一面，由于數(shù)控銑削時不能使用通用銑床加工時常用的試切方法來接刀，往往會因為工件的重新安

19、裝而接不好刀。這時，最好采用統(tǒng)一基準(zhǔn)定位，因此零件上應(yīng)有合適的孔作為定位基準(zhǔn)孔。如果零件上沒有基準(zhǔn)孔，也可以專門設(shè)置工藝孔作為定位基準(zhǔn)(如在毛坯上增加工藝凸臺或在后繼工序要銑去的余量上設(shè)基準(zhǔn)孔)。(5) 分析零件的變形情況數(shù)控銑削工件在加工時的變形，不僅影響加工質(zhì)量，而且當(dāng)變形較大時，將使加工不能繼續(xù)進行下去。這時就應(yīng)當(dāng)考慮采取一些必要的工藝措施進行預(yù)防，如對鋼件進行調(diào)質(zhì)處理，對鑄鋁件進行退火處理，對不能用熱處理方法解決的，也可考慮粗、精加工及對稱去余量等常規(guī)方法。此外，還要分析加工后的變形問題，采取什么工藝措施來解決。總之，加工工藝取決于產(chǎn)品零件的結(jié)構(gòu)形狀、尺寸和技術(shù)要求。在表41中給出了改

20、進零件結(jié)構(gòu)提高工藝性的一些實例。 3零件毛坯的工藝性分析進行零件銑削加工時，由于加工過程的自動化，使余量的大小、如何定位裝夾等問題在設(shè)計毛坯時就要仔細(xì)考慮好。否則，如果毛坯不適合數(shù)控銑削，加工將很難進行下去。根據(jù)經(jīng)驗，下列幾方面應(yīng)作為毛坯工藝性分析的要點：(1) 毛坯應(yīng)有充分、穩(wěn)定的加工余量 毛坯主要指鍛、鑄件，因模鍛時的欠壓量與允許的錯模量會造成余量的多少不等，鑄造時也會因砂型誤差、收縮量及金屬液體的流動性差不能充滿型腔等造成余量的不等。此外，鍛、鑄后，毛坯的撓曲與扭曲變形量的不同也會造成加工余量不充分、不穩(wěn)定。因此，除板料外，不管是鍛件、鑄件還是型材，只要準(zhǔn)備采用數(shù)控銑削加工，其加工面均應(yīng)有較充分的余量。經(jīng)驗表明，數(shù)控銑削中最難保證的是加工面與非加工面之間的尺寸，這點應(yīng)該引起特別重視。在這種情況下，如果已確定或準(zhǔn)備采用數(shù)控銑削，就應(yīng)事先對毛坯的設(shè)計進行必要更改或在設(shè)計時就加以充分考慮，即在零件圖樣注明的非加工面處也增加適當(dāng)?shù)挠嗔俊?(2)分析毛坯在裝夾定位方面的適應(yīng)性 應(yīng)考慮毛坯在加工時的裝夾定位方面的可靠性與方便性，以便使數(shù)控銑床在一次安裝中加工出更多的待加工面。主要是考慮要不要