复杂单调轮廓的数控车削编程与加工技巧

如图2－14所示零件，材料为45钢，未注长度尺寸允许偏差±0.1 mm，未注倒角为C1，未注粗糙度值为Ra3.2μm，毛坯为φ50 mm×100 mm。分析零件的加工工艺，完成零件的粗、精加工程序编制，并在数控车床上加工。

图2－14　复杂单调轮廓的轴类零件

二维码立体图视图

1.技术要求分析

该零件图有哪些技术要求？

2.加工方案

1）装夹方案

加工该零件应采用何种装夹方案？

2）位置点选择

（1）工件零点设置在什么位置最好？

（2）换刀点应该设置在什么位置？说出理由。

（3）循环起刀点应该设置在什么位置？

3.确定工艺路线

该零件的加工工艺路线应怎样安排？

1.圆弧插补指令（G02／G03）

（1）指令功能：该指令用于控制刀架沿圆弧方向切削出圆弧轮廓（只适合于圆的加工，抛物线曲线、椭圆弧并不适合此种方法。其中，G02为顺时针圆弧插补，G03为逆时针圆弧插补）。

（2）指令格式：

①用I，K指定圆弧圆心的圆弧编程方法：

视频2－2－1：G02／G03圆弧插补指令

其中：G02／G03——所要加工圆弧的顺逆；

X，Z——圆弧终点的绝对坐标；

U，W——圆弧终点相对于起点的增量坐标；

I，K——圆弧圆心相对于圆弧起点的增量，I＝圆心坐标X－圆弧起始点的X坐标，K＝圆心坐标Z－圆弧起始点的Z坐标；

F——进给速度。

②用R指定圆弧圆心的圆弧编程方法：

其中：G02／G03——所要加工圆弧的顺逆；

X，Z——圆弧终点的绝对坐标；

U，W——圆弧终点相对于起点的增量坐标；

R——圆弧半径（若圆心角大于180°，则R后面的数字取负，反之取正）；

F——进给速度。

注意：此种编程方法不能对整圆进行编程。

③圆弧顺逆的判断：逆着圆弧所在坐标系的第三条坐标轴的正方向看，看到的是圆弧实际的方向。对于车床来讲，外圆可以简单归结为凹顺凸逆，如图2－15所示。

图2－15　刀架位置与圆弧顺逆方向的关系

练一练

【例2－3】　如图2－16所示，毛坯材料为铝合金，已完成零件的粗加工，编写精加工程序。

图2－16　零件图

零件的精加工程序如表2－16所示。

表2－16　圆弧切削参考程序

续表

2.刀尖半径补偿

在加工锥形和圆弧形工件时，由于刀尖的圆度只用刀具偏置很难对精密零件进行所必需的补偿。刀尖半径补偿功能自动补偿这种误差。

1）假想刀尖

在图2－17（b）中，在位置A的刀尖实际上并不存在。把实际的刀尖半径中心设在起始位置要比把假想刀尖设在起始位置困难得多，因而需要假想刀尖。

当使用假想刀尖时，编程中不需要考虑刀尖半径。当刀具设定在起始位置时，位置关系如图2－17（b）所示。

视频2－2－2：刀尖半径补偿（G41／G42／G40）

图2－17　刀尖半径中心和假想刀尖

如图2－18及图2－19所示，车外圆、端面时，刀具实际切削刃的轨迹与零件轮廓一致，并无误差产生。车锥面时，零件轮廓为实线，实际车出形状为虚线，产生欠切误差δ。若零件精度要求不高或留有精加工余量，可忽略此误差，否则应考虑刀尖圆弧半径对零件形状的影响。

具有刀具半径补偿功能的数控系统可防止这种现象的产生，在编制零件加工程序时，以假想刀尖位置按零件轮廓编程，使用刀具半径补偿指令G41、G42，由系统自动计算补偿值，生成刀具路径，完成对零件的合理加工。

图2－18　刀具半径补偿的刀具轨迹

图2－19　误差及过切削和欠切削

2）刀具半径补偿参数及设置

（1）刀尖半径。补偿刀尖圆弧半径大小后，刀具自动偏离零件半径距离，因此，必须将刀尖圆弧半径尺寸值输入系统的存储器中。一般粗加工取0.8 mm，半精加工取0.4 mm，精加工取0.2 mm。若粗、精加工采用同一把刀，一般刀尖半径取0.4 mm。

（2）车刀形状和位置。车刀形状不同，决定刀尖圆弧所处的位置不同，执行刀具补偿时，刀具自动偏离零件轮廓的方向也就不同。因此，也要把代表刀尖形状和位置的参数输入到存储器中，车刀形状和位置参数称为刀尖方位T，如图2－20所示，共有9种，分别用参数0～9表示，P为理论刀尖点。

3）指令详解

（1）刀具半径补偿指令：G41、G42、G40。

如图2－21所示，逆着Y轴正向看，顺着刀具运动方向，刀具在零件的左边称为左补偿，使用G41指令；刀具在零件的右边称为右补偿，使用G42指令；G40为取消刀具半径补偿指令，使用该指令后，G41、G42指令失效，即假想刀尖轨迹与编程轨迹重合。

（2）指令说明：

①G41、G42、G40指令应与G01、G00指令在同程序段出现，通过直线运动建立或取消刀补。

图2－20　刀尖方位

图2－21　刀具半径补偿

②G41、G42、G40为模态指令。

③G41、G42不能同时使用，即在程序中，前面程序段有了G41后，就不能接着使用G42，应先用G40指令解除G41刀补状态后，才可使用G42刀补指令。

4）刀具半径补偿的其他应用

（1）当刀具磨损或刀具重磨后，刀尖圆弧半径变大，这时只需重新设置刀尖圆弧半径的补偿量，而不必修改程序。

（2）应用刀具半径补偿，可使用同一加工程序，对零件轮廓分别进行粗、精加工，若精加工余量为a，则粗加工时设置补偿量为a＋r，精加工时设置补偿量为r即可。

5）注意事项

（1）在录入方式（MDI）下不能执行刀补C建立，也不能执行刀补C撤销。

（2）刀尖半径R值不能输入负值，否则运行轨迹出错。

（3）刀尖半径补偿的建立与撤销只能用G00或G01指令，不能用圆弧指令（G02或G03）；否则会产生报警。

（4）在程序结束前必须指定G40取消偏置模式；否则，再次执行时刀具轨迹偏离一个刀尖半径值。

（5）在主程序和子程序中使用刀尖半径补偿，在调用子程序（即执行M98）前，数控机床必须在主程序中取消补偿，在子程序中再次建立刀补。(www.xing528.com)

练一练

【例2－4】　考虑刀尖圆弧半径补偿，编制如图2－16所示零件的精加工程序。

图2－16所示零件的精加工程序如表2－17所示。

表2－17　圆弧切削参考程序

续表

3.毛坯内（外）径粗车复合循环指令（G71）

指令格式：

视频2－2－3：毛坯内外径粗车复合固定循环（G71）

G71 U（Δd）R（e）；

G71 P（ns）Q（nf）U（Δu）W（Δw）F（f）S（s）T（t）；

其中：Δd——每次X向循环的切削深度（半径值，无正负号）；

e——每次X向退刀量（半径值，无正负号）；

ns——精加工轮廓程序段中的开始程序段号；

nf——精加工轮廓程序段中的结束程序段号；

Δu——X方向精加工余量（直径值）；

Δw——Z方向精加工余量；

f，s，t——F，S，T指令。

如图2－22所示为G71指令循环轨迹。

注意：

（1）Δu、Δw精加工余量的正负判断。

（2）ns～nf程序段中的F、S或T功能在G71循环时无效；而在G70循环时，ns～nf程序段中的F、S或T功能有效。

（3）ns～nf程序段中恒线速功能无效，只能有G功能：G00、G01、G02、G03、G04、G96、G97、G98、G99、G40、G41、G42指令。

（4）G96、G97、G98、G99、G40、G41、G42指令在执行G71循环时无效，执行G70精加工循环时有效。

（5）ns～nf程序段中不能调用子程序。

图2－22　G71指令循环轨迹

（6）零件轮廓A～B间必须符合X轴、Z轴方向同时单向增大或单向递减。

（7）ns程序段中可含有G00、G01指令，不允许含有Z轴运动指令。

4.精加工指令（G70）

指令格式：G70 P（ns）Q（nf）；

指令功能：刀具从起点位置沿着ns～nf程序段给出的工件精加工轨迹进行精加工。

其中：ns——精车轨迹的第一个程序段的程序段号；

nf——精车轨迹的最后一个程序段的程序段号；

G70——指令轨迹由ns～nf之间程序段的编程轨迹决定。

注意：

（1）G70必须在ns～nf程序段后编写。

（2）执行G70精加工循环时，ns～nf程序段中的F、S、T指令有效。

（3）在G70指令执行过程中，可以停止自动运行并手动移动，但要再次执行G70循环时，必须返回到手动移动前的位置。如果不返回就继续执行，后面的运行轨迹将错位。

（4）执行进给保持、单程序段的操作，在运行完当前轨迹的终点后程序暂停。

（5）在录入方式中不能执行G70指令，否则产生报警。

（6）在同一程序中需要多次使用复合循环指令时，ns～nf不允许有相同程序段号。

（7）G70为精车循环，该指令不能单独使用，需跟在粗车复合循环指令G71、G72、G73之后。

练一练

【例2－5】　已知零件毛坯φ60 mm×100 mm，材料为铝合金。采用G71、G70指令编写如图2－23所示的零件尺寸粗、精加工程序。

图2－23　零件尺寸

图2－23所示的零件尺寸粗、精加工参考程序如表2－18所示。

表2－18　图2－23零件加工参考程序及说明

续表

1.图样分析

如图2－14所示，该零件为由外圆锥面、外圆柱面和圆弧面构成的轴类零件，φ42 mm、φ32 mm表面粗糙度为Ra1.6μm，要求较高，可以通过粗、精加工两工序保证尺寸及粗糙度要求。其余面的粗糙度为Ra3.2μm，外圆直径和长度均为自由公差，总长上、下公差为0.1 mm。

2.加工方案

1）装夹方案

该零件采用三爪自定心卡盘夹持零件的毛坯外圆，确定伸出合适的长度（应将机床的限位距离考虑进去）。零件的加工长度为50 mm，则零件伸出约70 mm装夹后找正工件。

2）位置点

（1）工件零点。设置在工件右端面上与轴线的交点上。

（2）换刀点。为防止刀具与工件或尾座碰撞，换刀点设置在（X100，Z100）的位置上。

（3）起刀点。零件毛坯尺寸为φ50 mm×100 mm，该零件外轮廓的加工采用循环指令，为了使走刀路线短，减少循环次数，循环起点可以设置在（X50，Z2）的位置上。

3.工艺路线的确定

（1）平端面。

（2）粗车各部分。

（3）沿零件轮廓连续精车。

（4）切断。

4.制定工艺卡片

刀具选择见表2－19刀具卡。

表2－19　刀具卡

车削用量的选择见表2－20工序卡。

表2－20　工序卡

5.编制程序

零件的程序如表2－21所示。

表2－21　任务二零件加工程序（G71、G70指令）

续表

6.零件加工

按表2－21所示程序加工零件。

教师与学生评价表参见附表，包括程序与工艺评分表、安全文明生产评分表、工件质量评分表和教师与学生评价表。表2－22所示为本工件的质量评分表。

表2－22　工件质量评分表