平面外轮廓数控铣削的编程和加工技巧

如图7－20所示平面外轮廓零件的零件图，毛坯为80 mm×80 mm×20 mm的方形毛坯，材料为45钢。分析零件的加工工艺，编制外轮廓凸台的加工程序，并在数控机床上加工。

图7－20　平面外轮廓零件图

二维码　立体图视频

1.技术要求分析

如图7－20所示工件为一平面凸台轮廓，该零件有哪些技术要求？

2.编制加工程序

依据上个任务，能否编写该平面轮廓零件的加工程序？

3.加工方案

1）装夹方案

加工该零件应该如何进行装夹？

2）位置点选择

工件坐标系零点设置在什么位置最好？

4.确定工艺路线

该零件的加工工艺路线应怎样安排？

在前面的任务中，我们学会了利用数控铣削加工中的基本编程指令进行图形加工。编程的基本原则是：刀位点轨迹与编程轨迹是重合的。但是对于如图7－21所示的这种零件的加工，如果刀位点轨迹与编程轨迹重合，就会出现实际加工轮廓与编程轮廓不符的结果。如何在不改变编程轮廓的前提下，加工出正确的工件，是我们本任务所要解决的问题。

图7－21　轮廓零件比较图

视频7－2－1：外轮廓铣削加工工艺

（一）工艺知识

1.外轮廓走刀路线的安排

轮廓铣削时可以安排延长线切入和延长线切出的进退刀方式，避免刀具沿法向切入工件而在工件上留下刀痕。用圆弧插补方式铣削整圆时，安排刀具从切向进入圆周铣削加工。当整圆加工完毕后，不要在切点处直接退刀，而让刀具多移动一段距离，最好沿切线方向退出，以免取消刀具半径补偿时刀具与工件表面相碰撞，造成工件报废。

2.顺铣和逆铣

1）定义

如图7－22所示，顺铣是指刀具的切削速度方向与工件的移动方向相同；逆铣是指刀具的切削速度方向与工件的移动方向相反。

2）判别方法

当铣削工件外轮廓时，沿工件外轮廓顺时针方向进给、编程即为顺铣，沿工件外轮廓逆时针方向编程、进给即为逆铣，如图7－23所示；当铣削工件内轮廓时，沿工件内轮廓逆时针方向进给、编程即为顺铣，沿工件内轮廓顺时针方向编程、进给即为逆铣，如图7－24所示。

图7－22　顺铣与逆铣

图7－23　铣削工件外轮廓示意图

图7－24　铣削工件内轮廓示意图

3）选择技巧

（1）尽可能多使用顺铣。因为数控铣床的结构特点，丝杠和螺母的间隙很小，若采用滚珠丝杠副，基本可消除间隙，因而不存在间隙引起工作台窜动问题。同时，数控铣削加工应尽可能采用顺铣，以便提高铣刀寿命和加工表面的质量。

（2）当工件表面有硬皮，应采用逆铣。因为逆铣时，刀齿是从已加工表面切入，不会崩刀。若工件表面没有硬皮，采用顺铣加工。

（3）粗加工多用逆铣，而精加工采用顺铣。

视频7－2－2：刀具半径补偿

（二）编程指令

1.刀具半径补偿指令（G41／G42／G40）

1）刀补的提出

只是按零件的轮廓来编制加工程序，加工程序只给出刀位点轨迹；轮廓加工时刀具刀位点的轨迹和实际切削刃切削出的形状并不重合；在轮廓尺寸大小上存在一个刀具半径的差别。如果把工件轮廓换算成刀具中心的运动轨迹进行编程，就需要进行大量的数值计算，因此数控系统大多具有刀具半径补偿功能。

2）刀具半径补偿的含义

利用数控系统的刀具半径补偿功能，编程者可以按照工件的实际轮廓进行编程。加工时，数控系统能够根据编制的程序和预先设定的偏置参数实时自动计算出刀具中心的运动轨迹，使刀具偏离工件轮廓一个半径值，实现刀具的半径补偿，以便加工出符合图样要求的工件。

3）指令代码及格式（G17平面）

G41，建立刀具半径左补偿：G00／G01 G41 X__Y__D__；

G42，建立刀具半径右补偿：G00／G01 G42 X__Y__D__；

G40，取消刀具半径补偿：G00／G01 G40 X__Y__；

其中：X，Y——建立刀具半径补偿（或取消刀具半径补偿）时目标点坐标；

D——刀具半径补偿号。

4）判断左、右刀补的方法

如图7－25和图7－26所示：G41，即沿刀具进刀方向看去，刀具中心在零件轮廓左侧进行补偿。G42，即沿刀具进刀方向看去，刀具中心在零件轮廓右侧进行补偿。

图7－25　左刀补

图7－26　右刀补

5）指令说明

（1）在进行刀具半径补偿前，必须用G17或G18、G19指定刀具半径补偿是在哪个平面上进行。平面选择的切换必须在补偿取消的方式下进行，否则将产生报警。

（2）刀具半径补偿的引入和取消要求应在G00或G01程序段，不要在G02或G03程序段上进行。

（3）当刀具半径补偿数据为负值时，G41、G42功效互换。

（4）G41、G42指令不要重复规定，否则会产生一种特殊的补偿。

（5）G40、G41、G42都是模态代码，可相互注销，在没有取消前一直有效。

2.刀具半径补偿编程的实现

1）刀具半径补偿的引入

当电源接通时，数控系统处于刀偏取消方式，刀具中心轨迹和编程轨迹一致。当程序执行到G41（或G42）和D00以外的D代码时，刀具从起点接近工件，在编程轨迹的基础上，刀具中心向左或向右偏离一个偏置量的距离，令数控系统进入偏置状态。引入刀具半径补偿时，刀具必须通过G00或G01在所补偿的平面内移动完成，且移动的距离应大于刀具半径的补偿值。为避免引入半径补偿的过程中出现过切，需要在铣削工件之前引入半径补偿，在该程序段中使刀具从要补偿的方向侧切入要铣削的工件，切入角度不能小于90°，如图7－27所示。

图7－27　刀具半径补偿的过程

2）刀具半径补偿的进行

当建立起正确的刀具半径补偿量后，数控系统就将按程序的要求控制刀具中心的运动，使刀具中心的轨迹与编程轨迹始终偏置一个偏置量的距离，实现对工件的铣削加工。

3）刀具半径补偿的取消

加工结束时，使刀具返回到开始位置须取消刀具半径补偿。在该过程中，刀具撤离工件，使刀具中心的轨迹终点与编程的轨迹终点（如起刀点）重合。半径补偿取消时移动的距离应大于刀具半径补偿值，还要注意刀具半径的终点应安排在刀具切出工件后，以免发生碰撞或过切。

3.刀具半径补偿的应用(www.xing528.com)

（1）根据刀具补偿的方向可以选择采用顺铣或逆铣的加工方式。在刀具正转的情况下，采用左补偿铣削为顺铣，采用右补偿铣削为逆铣。顺铣切削力小，切屑变形小，通常用于精加工，但容易崩刃；采用逆铣时切削力大，切削变形大，刀具磨损加大，常用于粗加工。

（2）由于同一把刀可以有多个刀具半径补偿，因此刀具半径补偿功能的另一个很重要的用途是可以使用同一个程序和同一尺寸的刀具实现工件的粗加工和精加工。

（3）由于刀具的磨损、重磨或因换刀引起刀具半径变化时，只需修改相应的偏置参数，不必重新编程。

（4）刀具补偿功能还可用于配合件的加工。对于配合件的内外轮廓，在编程时编写成同一程序。

4.刀具长度补偿（G43／G44／G49）

通常在数控铣床加工中心上加工一个工件时要使用多把刀具，由于每把刀具长度不同，所以每次换刀后，刀具Z方向移动时，需要对刀具进行长度补偿，让不同长度的刀具在编程时Z方向坐标统一。

刀具长度补偿编程格式：

（1）G00或G01 G43 Z__H（刀具正向补偿，补偿轴终点加上偏置值）。

（2）G00或G01 G44 Z__H（刀具负向补偿，补偿轴终点减去偏置值）。

视频7－2－3：刀具长度补偿

其中：Z——补偿轴的终点值；

H——刀具长度偏移量的存储器地址。

把编程时假定的理想刀具长度与实际使用的刀具长度之差作为偏置设定在偏置存储器中，该指令不改变程序就可以实现对Z轴（或X、Y轴）运动指令的终点位置进行正向或负向补偿。

取消长度补偿指令格式：

G00或G01 G49 Z__（X__或Y__）（取消刀具偏置值）。

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。

练一练

【例7－2】　如图7－28所示外轮廓零件，毛坯材料为硬铝，试编写零件外轮廓部分的加工程序。

（1）建立工件坐标系的原点：设在工件上表面的左下角顶点上。

（2）确定起刀点：设在工件上表面对称中心的上方100 mm处。

（3）确定下刀点：设在a点上方100 mm处（X－20 Y－20 Z100）。

（4）确定走刀路线，如图7－29所示，立铣刀铣削时走刀路线为a→b→c→d→e→f→g→h→i→a，清除残留余料的路线为a→j→k。走刀路线采用延长线切入和延长线切出的方式。铣削时在ab段引入刀具半径补偿，ia段取消刀具半径补偿。

（5）计算基点坐标，如表7－7所示。

图7－28　外轮廓零件

图7－29　外轮廓零件走刀路线示意图

表7－7　外轮廓基点坐标

本例中零件的外轮廓加工程序如表7－8所示。

表7－8　例7－2外轮廓参考程序

1.图样分析

如图7－20所示，工件轮廓由直线和4个R10 mm的圆弧构成，轮廓高2 mm；该工件轮廓表面粗糙度为Ra3.2μm，加工中需安排粗铣加工和精铣加工。

视频7－2－4：平面外轮廓加工案例

2.加工方案

（1）装夹方式：平口钳装夹在工作台上，用百分表校正其位置；工件装夹在平口钳上，底部用垫块垫起，使加工表面高于钳口5～10 mm。

（2）工件坐标系建立：根据工件坐标系的建立原则，该零件工件坐标系建立在工件几何中心上较为合适，如图7－30所示。

（3）基点坐标计算加工中采用刀具半径补偿功能，故只需计算工件轮廓上基点坐标即可，不需计算刀心轨迹及坐标。基点如图7－30所示。基点坐标如表7－9所示。

图7－30　走刀路线图

表7－9　基点坐标计算

3.工艺路线确定

四个圆弧轮廓直径为φ20 mm，所选铣刀直径不得大于φ20 mm，加工该零件选用直径为φ16 mm铣刀。粗加工选用键槽铣刀铣削，精加工用立铣刀侧面下刀铣平面，最后清除边角残留。铣削时，刀具由1点运行至2点（轨迹延长线上）建立刀具半径补偿，然后按3→4→5→6→7→8→9→10→11→12→13→14→15→16→17的顺序铣削加工。切除时由17点插补到18点取消刀具半径补偿，如图7－30所示。

4.制定工艺卡片

刀具的选择见表7－10刀具卡。

切削用量的选择见表7－11工序卡。

表7－10　刀具卡

表7－11　工序卡

5.编制程序

任务二外轮廓零件加工参考主程序如表7－12所示，子程序如表7－13所示。

表7－12　加工参考主程序

续表

表7－13　加工参考子程序

续表

6.零件加工

按表7－12、表7－13所示程序加工零件。

7.操作注意事项

（1）编程时采用刀具半径补偿指令。加工前应设置好机床中半径补偿值，否则刀具将不按半径补偿加工。

（2）首件加工采用“试测法”控制轮廓及深度尺寸，故加工时应及时测量工件尺寸和修改数控机床中刀具半径等参数。首件加工合格后，就不要调整机床中半径等参数，除非刀具在加工过程中磨损。

（3）为保证工件轮廓表面质量，最终轮廓应安排在最后一次进给中连续加工完成。

（4）尽量避免切削过程中途停顿，减少因切削力突然变化造成弹性变形而留下的刀痕。

（5）铣削平面外轮廓时尽量采用顺铣方式，以提高表面质量。

（6）工件装夹在平口钳上应校平上表面，否则深度尺寸不易控制；也可在对刀前用面铣刀铣平上表面。

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7－14所示为本工件的质量评分表。

表7－14　工件质量评分表