数控铣床编程入门知识.docx
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数控铣床编程入门知识
模块二数控铳床编程入门知识
本课题可以引领你进入数控铣床编程的大门，本课题学习数控铣床编程基础，其目的是在学习数控编程前对数控编程有一个总体的了解和把握，对数控程序的结构建立起基本的印象。
通过本课题的学习，你可以轻松的掌握数控铣床加工工艺的分析方法，数控铣削加工工艺的实质，就是在分析零件精度和表面粗糙度的基础上，对数控铣削的加工方法、装夹方式、切削加工进给路线、刀具选择以及切削用量等工艺容进行正确而合理的选择。
学习目标►
j知识目标：
•了解数控编程的内容、结构和基础知识。
I•掌握数控铣床坐标系与运动方向的规定与建立。
T能力目标：
•数控铣床加工工艺知识的综合应用。
一、数控铣床加工工艺入门知识
数控铣削加工工艺性分析是编程前的重要工艺准备工作之一，根据加工实践，数控铣削加工工艺分析所要解决的主要问题大致可归纳为以下几个方面。
（一）选择并确定数控铣削加工部位及工序容
在选择数控铣削加工容时，应充分发挥数控铣床的优势和关键作用。
主要选择的加工容有：
1.
如图
工件上的曲线轮廓，特别是由数学表达式给出的非圆曲线与列表曲线等曲线轮廓，2-50所示的正弦曲线。
2.
Y
Y=SIN（X）
已给出数学模型的空间曲面,如图2-51所示的球面
°\%
3.形状复杂、尺寸繁多、划线与检测困难的部位;
3.用通用铣床加工时难以观察、测量和控制进给的外凹槽；
4.以尺寸协调的高精度孔和面；
5.能在一次安装中顺带铣出来的简单表面或形状；
6.用数控铣削方式加工后，能成倍提高生产率，大大减轻劳动强度的一般加工容。
（二）零件图样的工艺性分析
根据数控铣削加工的特点，对零件图样进行工艺性分析时，应主要分析与考虑以下一些问题。
1.零件图样尺寸的正确标注
由于加工程序是以准确的坐标点来编制的，因此，各图形几何元素间的相互关系（如相切、相交、垂直和平行等）应明确，各种几何元素的条件要充分，应无引起矛盾的多余尺寸或者影响工序安排的封闭尺寸等。
例如，零件在用同一把铣刀、同一个刀具半径补偿值编程加工时，由于零件轮廓各处尺寸公差带不同，如在图2-52中，就很难同时保证各处尺寸
在尺寸公差围。
这时一般采取的方法是：
兼顾各处尺寸公差，在编程计算时，改变轮廓尺寸并移动公差带，改为对称公差，采用同一把铣刀和同一个刀具半径补偿值加工，对图2-52
中括号的尺寸，其公差带均作了相应改变，计算与编程时用括号尺寸来进行。
图2-52零件尺寸公差带的调整
2.统一壁圆弧的尺寸
加工轮廓上壁圆弧的尺寸往往限制刀具的尺寸
（1）壁转接圆弧半径R
如图2-53所示，当工件的被加工轮廓高度H较小，壁转接圆弧半径R较大时，则可采用刀具切削刃长度L较小，直径D较大的铣刀加工。
这样，底面A的走刀次数较少，表面质量较好，因此，工艺性较好。
反之如图2-54，铣削工艺性则较差。
通常，当RV0.2H时，则属工艺性较差。
图2-53R较大时2-54R较小时
（2）壁与底面转接圆弧半径r
如图2-55，铣刀直径D一定时，工件的壁与底面转接圆弧半径r越小，铣刀与铣削平面接触的最大直径d=D-2r也越大，铣刀端刃铣削平面的面积越大，则加工平面的能力越强,因而，铣削工艺性越好。
反之，工艺性越差，如图2-56所示。
当底面铣削面积大，转接圆弧半径r也较大时，只能先用一把r较小的铣刀加工，再用符合要求r的刀具加工，分两次完成切削。
总之，一个零件上壁转接圆弧半径尺寸的大小和一致性，影响着加工能力、加工质量和
换刀次数等。
因此，转接圆弧半径尺寸大小要力求合理，半径尺寸尽可能一致，至少要力求半径尺寸分组靠拢，以改善铣削工艺性。
（三）保证基准统一的原则
有些工件需要在铣削完一面后，再重新安装铣削另一面，由于数控铣削时，不能使用通用铣床加工时常用的试切方法来接刀，因此，最好采用统一基准定位，即力求设计基准、工艺基准和编程基准统一。
这样做可以减少基准不重合产生的
误差和数控编程中的计算量，并且能
有效的减少装夹次数。
（四）分析零件的变形情况
铣削工件在加工时的变形，将影响加工质量。
这时，可采用常规方法如粗、精加工分开及对称去余量法等，也可采用热处理的方法，如对钢件进行调质处理，对铸铝件进行退火处理等。
加工薄板时，切削力及薄板的弹性退让极易产生切削面的振动，使薄板厚度尺寸公差和表面粗糙度难以保证，这时，应考虑合适的工件装夹方式。
动脑筋：
能否提出合适的工件装夹方式呢？
总之，加工工艺取决于产品零件的结构形状，尺寸和技术要求等。
在表2-1中给出了改进零件结构提高工艺性的一些实例
表2-1改进零件结构提高工艺性
提咼工艺
性方法
结构
结果
改进前I
改进后
铳加工
改进壁形
状
可米用较高
刚性刀具
统一圆弧
尺寸
减少刀具数
和更换刀具次数，减少辅助时间
选择合适的圆弧半
径R和r
提咼生产效
率
用两面对
称结构
减少编程时间，简化编程
表2-1改进零件结构提高工艺性（续表）
合理改进
凸台分布
减少加工劳
动量
改进结构
形状
减少加工劳
动量
减少加工劳
动量
改进尺寸
比例
可用较咼刚
度刀具加工，
提咼生产率
表2-1改进零件结构提高工艺性（续表）
（五）零件的加工路线
在数控加工中，刀具（严格说是刀位点）相对于工件的运动轨迹和方向称为加工路线。
即刀具从对刀点开始运动起，直至结束加工所经过的路径，包括切削加工的路径及刀具引入、返回等非切削空行程。
加工路线的确定首先必须保证被加工零件的尺寸精度和表面质量，其次考虑数值计算简单，走刀路线尽量短，效率较高等。
下面举例分析数控机床加工零件时常用的加工路线。
1.铣削轮廓表面
在图2-57铣削轮廓表面时一般采用立铣刀侧面刃口进行切削。
对于二维轮廓加工通常采用的加工路线为：
（1）从起刀点下刀到下刀点；
（2）沿切向切入工件；
（3）轮廓切削；
（4）刀具向上抬刀，退离工件;
（5）返回起刀点。
图2-57轮廓铳削
2.寻求最短走刀路线
走刀路线就是刀具在整个加工工序中的运动轨迹，它不但包括了工步的容，也反映出工步顺序，走刀路线是编写程序的依据之一0
如加工图2-58（a）所示的孔系。
图2-58（b）的走刀路线为先加工完外圈孔后，再加工圈孔，若改用图2-58（c）图的走刀路线，可减少空刀时间，则可节省定位时间近一倍，提高了加工效率。
（a）钻削示例件（b）常规进给路线（c）最短进给路线
图2-58最短走刀路线的设计
3.顺铣和逆铣对加工影响
在铣削加工中，采用顺铣还是逆铣方式是影响加工表面粗糙度的重要因素之一。
逆铣时切削力F的水平分力Fx的方向与进给运动Vf方向相反，顺铣时切削力F的水平分力Fx的方向与进给运动Vf的方向相同。
铣削方式的选择应视零件图样的加工要求，工件材料的性质、特点以及机床、刀具等条件综合考虑。
通常，由于数控机床传动采用滚珠丝杠结构，其进给传动间隙很小，顺铣的工艺性就优于逆铣。
如图2-59（a）所示为采用顺铣切削方式精铣外轮廓，图2-59（b）所示为采用逆铣切
削方式精铣型腔轮廓,图2-59（c）所示为顺、逆铣时的切削区域
（a）顺铳（b）逆铳（c）切入和退刀区
图2-59顺铳和逆铳切削方式
同时，为了降低表面粗糙度值，提高刀具耐用度，对于铝镁合金、钛合金和耐热合金等材料，尽量采用顺铣加工。
但如果零件毛坯为黑色金属锻件或铸件，表皮硬而且余量一般较大，这时采用逆铣较为合理。
（六）数控铣削加工顺序的安排
加工顺序通常包括切削加工工序、热处理工序和辅助工序等，工序安排的科学与否将直接影响到零件的加工质量、生产率和加工成本。
切削加工工序通常按以下原则安排：
1.先粗后精当加工零件精度要求较高时都要经过粗加工、半精加工、精加工阶段，如果精度要求更高，还包括光整加工等几个阶段。
2.基准面先行原则用作精基准的表面应先加工。
任何零件的加工过程总是先对定位基准进行粗加工和精加工，例如轴类零件总是先加工中心孔，再以中心孔为精基准加工外圆和端面；箱体类零件总是先加工定位用的平面及两个定位孔，再以平面和定位孔为精基准加工孔
系和其他平面。
3.先面后孔对于箱体、支架等零件，平面尺寸轮廓较大，用平面定位比较稳定，而且孔的深度尺寸又是以平面为基准的，故应先加工平面，然后加工孔。
4.先主后次即先加工主要表面，然后加工次要表面。
（七）常用铣削用量的选择
在数控机床上加工零件时，切削用量都预先编入程序中，在正常加工情况下，人工不予改变。
只有在试加工或出现异常情况时，才通过速率调节旋钮或电手轮调整切
削用量。
因此程序中选用的切削用量应是最佳的、合理的切削用量。
只有这样才能提高数控机床的加工精度、刀具寿命和生产率，降低加工成本。
影响切削用量的因素有：
机床切削用量的选择必须在机床主传动功率、进给传动功率以及主轴转速围、进给速度围之。
机床一刀具一工件系统的刚性是限制切削用量的重要因素。
切削用量的选择应使机床一刀具一工件系统不发生较大的“振颤”。
如果机床的热稳定性好，热变形小，可适当加大切削用量。
刀具刀具材料是影响切削用量的重要因素。
表2-2是常用刀具材料的性能比较。
表2-2常用刀具材料的性能比较
刀具材料
切削速度
耐磨性
硬度
硬度随温度变化
高速钢
最低
最差
最低
最大
硬质合金
低
差
低
大
瓷刀片
中
中
中
中
金刚石
高
好
高
小
数控机床所用的刀具多采用可转位刀片（机夹刀片）并具有一定的寿命。
机夹刀片的材料和形状尺寸必须与程序中的切削速度和进给量相适应并存入刀具参数中去。
标准刀片的参数请参阅有关手册及产品样本。
工件不同的工件材料要采用与之适应的刀具材料、刀片类型，要注意到可切削性。
可切削性良好的标志是，在高速切削下有效地形成切屑，同时具有较小的刀具磨损和较好的表面加工质量。
较高的切削速度、较小的背吃刀量和进给量，可以获得较好的表面粗糙度。
合理的恒切削速度、较小的背吃刀量和进给量可以得到较高的加工精度。
冷却液冷却液同时具有冷却和润滑作用。
带走切削过程产生的切削热，降低工件、刀具、夹具和机床的温升，减少刀具与工件的摩擦和磨损，提高刀具寿命和工件表面加工质量。
使用冷却液后，通常可以提高切削用量。
冷却液必须定期更换，以防因其老化而腐蚀机床导轨或其他零件，特别是水溶性冷却液。
铣削加工的切削用量包括：
切削速度、进给速度、背吃刀量和侧吃刀量。
从刀具耐用度出发，切削用量的选择方法是：
先选择背吃刀量或侧吃刀量，其次选择进给速度，最后确定切削速度。
1.背吃刀量ap或侧吃刀量ae
背吃刀量ap为平行于铣刀轴线测量的切削层尺寸，单位为伽。
端铣时，ap为切削
层深度；而圆周铣削时，为被加工表面的宽度。
侧吃刀量ae为垂直于铣刀轴线测量的
切削层尺寸，单位为伽。
端铣时，ae为被加工表面宽度；而圆周铣削时，ae为切削层
深度，见图2-60
（a）周铳（b）端铳
图2-60铳削加工的切削用量
背吃刀量或侧吃刀量的选取主要由加工余量和对表面质量的要求决定：
（1）当工件表面粗糙度值要求为Ra=12.5〜25口时，如果圆周铣削加工余量小
于5伽，端面铣削加工余量小于6伽，粗铣一次进给就可以达到要求。
但是在余量较
大，工艺系统刚性较差或机床动力不足时，可分为两次进给完成。
（2）当工件表面粗糙度值要求为Ra=3.2〜12.5pm时，应分为粗铣和半精铣两步
进行。
粗铣时背吃刀量或侧吃刀量选取同前。
粗铣后留0.5〜1.0伽余量，在半精铣时
切除。
（3）当工件表面粗糙度值要求为Ra=0.8〜3.2pm时，应分为粗铣、半精铣、精
铣三步进行。
半精铣时背吃刀量或侧吃刀量取1.5〜2伽；精铣时，圆周铣侧吃刀量取
0.3〜0.5伽，面铣刀背吃刀量取0.5〜1伽。
2.进给量f与进给速度Vf的选择
铣削加工的进给量f（伽/r）是指刀具转一周，工件与刀具沿进给运动方向的相对位移量；进给速度Vf（mm/min）是单位时间工件与铣刀沿进给方向的相对位移量。
进给速度与进给量的关系为Vf=nf（n为铣刀转速，单位r/min）。
进给量与进给速度
是数控铣床加工切削用量中的重要参数，根据零件的表面粗糙度、加工精度要求、刀具及工件材料等因素，参考切削用量手册选取或通过选取每齿进给量fz,再根据公式f
=Zfz（Z为铣刀齿数）计算。
每齿进给量fz的选取主要依据工件材料的力学性能、刀具材料、工件表面粗糙度等
因素。
工件材料强度和硬度越高，fz越小；反之则越大。
硬质合金铣刀的每齿进给量高
于同类高速钢铣刀。
工件表面粗糙度要求越高，fz就越小。
每齿进给量的确定可参考表
2-3选取。
工件刚性差或刀具强度低时，应取较小值。
表2-3铳刀每齿进给量参考值
工件材料
fz/
mm
粗铳
精铳
高速钢铳刀
硬质合金铳刀
高速钢铳刀
硬质合金铳刀
钢
0.10〜0.15
0.10〜0.25
0.02〜0.05
0.10〜0.15
铸铁
0.12〜0.20
0.15〜0.30
3.切削速度Vc
铣削的切削速度Vc与刀具的耐用度、每齿进给量、背吃刀量、侧吃刀量以及铣刀齿数成反比，而与铣刀直径成正比。
其原因是当fz、ap、ae和Z增大时，刀刃负荷增加,
而且同时工作的齿数也增多，使切削热增加，刀具磨损加快，从而限制了切削速度的提高。
为提高刀具耐用度允许使用较低的切削速度。
但是加大铣刀直径则可改善散热条件，可以提高切削速度。
铣削加工的切削速度Vc可参考表2-4选取，也可参考有关切削用量手册中的经验公式通过计算选取。
表2-4铳削加工的切削速度参考值
工件材料
硬度（HBS）
Vc/（m/min）
高速钢铳刀
硬质合金铳刀
V225
18
»42
66〜
-150
钢
225/
-325
12
736
54〜
-120
325/
-425
6
21
36
775
V190
21
736
66〜
-150
铸铁
190/
-260
9-
-18
45
790
260/
-320
4.5
〜10
21
70
（八）模具数控加工工艺分析举例
图2-61为盒型模具的凹模零件图，该盒型模具为单件生产，零件材料为T8A，分析其
数控加工工艺。
1.零件图工艺性分析
该盒型模具为单件生产，零件材料为T8A，外形为一个六面体，腔型面复杂。
主要结构
是由多个曲面组成的凹型型腔，型腔四周的斜平面之间采用半径为7.6伽的圆弧面过渡，斜
平面与底平面之间采用半径为5伽的圆弧面过渡，在模具的底平面上有一个四周也为斜平面的锥台。
模具的外部结构较为简单，是一个标准的长方体。
因此零件的加工以凹型型腔为重点。
2.选择设备
根据被加工零件的外形和材料等条件，选用VP1050立式镗铣床加工中心。
P"illllllllllllllllllllllillhHI
Ui
零件直接安装在机床工作台面上，用两块压板压紧
4.确定加工顺序及进给路线
（1）粗加工整个型腔，去除大部分加工余量。
（2）半精加工和精加工上型腔。
（3）半精加工和精加工下型腔。
（4）对底平面上的锥台四周表面进行精加工。
5.刀具选择（见表2-5）
表2-5数控加工刀具卡片
产品名称或
XXX
零件名称
盒型
零件图号
XXX
代号
序号
刀具号
刀具规格名称/伽
数量
加工表面
刀长
/mm
备注
1
T01
$20平底立铳刀
1
粗铳整个型腔
实测
2
T02
『2球头铳刀
1
半精铳上、下型腔
实测
3
T03
$6平底立铳刀
1
精铳上型腔、精铳底平面
上锥台四周表面
实测
4
T04
$6球头铳刀
1
精铳下型腔
实测
建议以球心
对刀
编制
XXX审核XXX
批准XXX
共页
第页
6.确定切削用量（略）
7.数控加工工艺卡片拟订（见表2-6）
表2-6盒型零件数控加工工艺卡片
单位
XX
产品名称或代号
零件名称
零件图号
名称
X
XXX
盒型
XX
X
工序
号
程序
编号
夹具名称
使用设备
车间
XX
X
XX
X
压板
VP1050立式镗铳床加
工中心
数控中心
工步号
工步容
刀具号
刀具规格
mm
主轴转速
r/min
进给速度
Mm/min
背吃刀量
mm
备注
1
粗铳整个型
腔
T01
$20平底立
铳刀
600
60
2
半精铳上型
腔
T02
$12球头铳
刀
700
40
3
精铳上型腔
T03
$6平底立铳
刀
1000
30
4
半精铳下型
腔
T02
$12球头铳
刀
700
40
5
精铳下型腔
T04
$6球头铳刀
1000
30
6
精铳底平面
上锥台四周
表面
T03
$6平底立铳
刀
1000
30
审核
X
批准
编制
XXX
X
XXX
年月曰
共页
第页
X
、数控铣床坐标系与运动方向的规定
任何一个零件的数控铣削编程均是在工件坐标系中完成的，而工件坐标系的确立又离不
开机床坐标系作为参考，因此，建立数控铣床机床坐标系、工件坐标系的空间概念，明确两者的关系对于数控铣床编程十分必要。
图2-62展示了数控铣床工件坐标系与机床坐标系的
关系，其中，01为机床坐标原点、0为工件坐标原点。
数控机床上的坐标系采用右手直角笛卡儿直角坐标系，如图2-63所示，在图中，大拇指指的方向为X轴的正反向，食指为丫轴的正方向，中指为Z轴的正方向。
图2-64、图2-65分别为立式数控铣床坐标系、卧式数控铣床坐标系。
图2-62工件原点与机床原点的关系
图2-63笛卡儿右手直角坐标系
Z轴为与主轴轴线重合的坐标轴，且取刀具远离工件的方向为正；
X轴为水平方向，主轴为立式时，从主轴向立柱看，其正方向指向右；
Y轴垂直于X、Z坐标轴，其正方向根据X、Z的正方向,按照笛卡儿右手直角坐标系来判定。
图2-64立式数控铣床坐标系
Z轴为与主轴轴线重合的坐标轴，且取刀具远离工件的方向为正；
X轴为水平方向，主轴为卧式时，从主轴向工件看，其正方向指向右；
Y轴垂直于X、Z坐标轴，其正方向根据X、Z的正方向,按照笛卡儿右手直角坐标系来判定。
、、，、一资料卡
1图刀具相对卧式数控铣床坐。
标系于机床的结构不同，有的是刀具运动，工件固定，有的是刀具固定，工件运动等等。
为编程方便，一律规定为：
工件固定、刀具运动。
2.旋转运动A、B、C。
若机床有旋转轴，则规定绕X、Y、Z轴的旋转轴为A、B、C轴，其方向为右旋螺纹方向。
图2-66为带有旋转轴的五轴数控铳床。
3.附加坐标。
如果在X、Y、Z主要坐标以外，还有平行于它们的坐标，可分别指定为
U、V、W。
如果还有第三组运动，则分别指定为P、Q和R。
三、数控铣床加工程序结构与格式
（一）程序的结构
一个完整的零件程序由若干程序段组成，每个程序段由若干个指令字组成。
指令字表示一个信息单元，每个指令字又由字母（地址符）、数字、符号组成。
例如：
某一零件的加工程序
2.准备功能字G
也称为G代码。
准备功能是使数控装置作某种操作的功能，它一般紧跟在程序段序号后面，用地址码“G”和两位数字来表示
3.尺寸字
尺寸字是给定机床各坐标轴位移的方向和数据的，它由各坐标轴的地址代码、数字构成尺寸字一般安排在G功能字的后面。
尺寸字的地址代码，对于进给运动为：
X、Y、Z、U、
V、W、P、Q、R;对于回转运动的地址代码为：
A、B、C、D、E。
此外，还有插补参数字：
I、J、K等。
4.进给功能字F
它给定刀具对于工件的相对速度，由地址码“F”和其后面的若干位数字构成。
这个数字取决于每个数控装置所采用的进给速度指定方法。
进给功能字应写在相应轴尺寸字之后，对于几个轴合成运动的进给功能字，应写在最后一个尺寸字之后。
一般单位为：
mm/min，切削螺纹时用mm/r表示，在英制单位中用英寸表示。
5.主轴转速功能字S
主轴转速功能也称为S功能，该功能字用来选择主轴转速，它由地址码“S”和在其后面的若干位数字构成。
主轴速度单位用r/min表示。
6.刀具功能字T
该功能也称为T功能，它由地址码“T”和后面的若干位数字构成。
刀具功能字用于更换刀具时指定刀具或显示待换刀号，有时也能指定刀具位置补偿。
7.辅助功能字M
也称为M功能，该功能指定除G功能之外的种种“通断控制”功能。
它一般用地址码
“M”和后面的两数字表示。
8.程序段结束符
每一个程序段结束之后，都应加上程序段结束符。
当用EIA（美国电子工业协会）标准代码时，结束符为“CR”，用ISO（国际标准化组织）标准代码时为“NL”或“LF”。
书面和显示的表达有的用“;”，有的用“*”，也有的没有书面（显示）表示符号（空白）。
四、数控铣床编程指令体系
FANUC—0MC数控系统的特点是：
轴控制功能强，其基本可控制轴数为X、Y、Z三轴，扩展后可联动控制轴数为四轴;编程代码通用性强，编程方便，可靠性高。
下面以FANUC—0MC数控系统为例来讲解数控铣床编程指令体系。
（一）准备功能G
准备功能也叫G功能或G代码。
它是使数控机床建立起某种加工方式的指令，如插补、刀具补偿、固定循环等。
G功能字由地址符G和其后的两位数字组成，从G00—G99共100种功能。
见下表2-7。
表标有字母a、c、d字母的是表示所对应的第一列中的G代码为模态代码（功能保持到被取消或被同样字母表示的程序指令所代替），标有“*”的为非模态代码（功能仅在所出现的程序段有效）。
字母相同的为一组，同组的任意两个G代码不能同时出现在一个程序段中。
表2-7准备功能G代码
代码
功能
作用
围
功能
代码
功能
作用
围
功能
G00
a
点定位
G50
#（d）
刀具偏置0/-
G01
匚3
直线插补
G51
#（d）
刀具偏置+/0
G02
P
顺时针圆弧插补
G52
#（d）
刀具偏置-/0
G03
a
逆时针圆弧插补
G53
f
直线偏移注销
G04
*
暂停
G54
f
直线偏移X
G0
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