数控铣床零件编程.docx
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数控铣床零件编程
数控铣床零件编程
【摘要】：
数控机床是一种高科技的机电一体化设备，目前装备FANUC数控系统的数控机床在国内应用广泛。
数控铣床加工中心是多功能、高精度的数控机床，它们的应用，使机械制造过程妻生了巨大的变化。
随着数控铣床、加工中心的日趋普及，急需培养一大批能够熟练掌握数控铣床及加工中心的编程、操作和维护的应用型技术人才，而我国仅数控机床的操作工就短缺约60万人。
针对数控铣床、加工中心的特点，以目前新型的FANUCoi-MA数控系统的编程和操作为核心内容，并以CAXA制造工程师及MASTERCAM软件对自动编程作以介绍。
力求用实例说明问题，许多典型例子都来源于企业当前加工的零件，增强了全书的系统性、实用性与需求性。
数控铣床是一种加工功能很能的数控机床，在数控加工中占据了重要地位。
世界上首台数控机床就是一部三坐标铣床，这主要是由于铣床具有X、Y、Z三轴向可移动的特性，更加灵活，且可完成较多的加工工序。
现在数控铣床已全面向多轴化发展。
目前迅速发展的加工中心和柔性制造单元也是在数控铣床和数控镗床的基础上产生的。
关键词：
数控铣床编程指令程序
4影响-----------------------------------------------------------12
4.1、国内数控机床行业近年取得的成绩-------------------------12
4.2我国数控机床市场巨大--------------------------------------14
1数控铣床编程基础
1.1数控铣床的主要功能
各种类型数控铣床所配置的数控系统虽然各有不同，但各种数控系统的功能，除一些特殊功能不尽相同外，其主要功能基本相同。
1、点位控制功能
此功能可以实现对相互位置精度要求很高的孔系加工。
2、连续轮廓控制功能
此功能可以实现直线、圆弧的插补功能及非圆曲线的加工。
3、刀具半径补偿功能
此功能可以根据零件图样的标注尺寸来编程，而不必考虑所用刀具的实际半径尺寸，从而减少编程时的复杂数值计算。
4、刀具长度补偿功能
此功能可以自动补偿刀具的长短，以适应加工中对刀具长度尺寸调整的要求。
5、比例及镜像加工功能
比例功能可将编好的加工程序按指定比例改变坐标值来执行。
镜像加工又称轴对称加工，如果一个零件的形状关于坐标轴对称，那么只要编出一个或两个象限的程序，而其余象限的轮廓就可以通过镜像加工来实现。
6、旋转功能
该功能可将编好的加工程序在加工平面内旋转任意角度来执行。
7、子程序调用功能
有些零件需要在不同的位置上重复加工同样的轮廓形状，将这一轮廓形状的加工程序作为子程序，在需要的位置上重复调用，就可以完成对该零件的加工。
8、宏程序功能
该功能可用一个总指令代表实现某一功能的一系列指令，并能对变量进行运算，使程序更具灵活性和方便性。
1.2数控铣床加工的特点
数控铣削加工除了具有普通铣床加工的特点外，还有如下特点：
1、零件加工的适应性强、灵活性好，能加工轮廓形状特别复杂或难以控制尺寸的零件，如模具类零件、壳体类零件等。
2、能加工普通机床无法加工或很难加工的零件，如用数学模型描述的复杂曲线零件以及三维空间曲面类零件。
3、能加工一次装夹定位后，需进行多道工序加工的零件。
4、加工精度高、加工质量稳定可靠。
5、生产自动化程序高，可以减轻操作者的劳动强度。
有利于生产管理自动化。
6、生产效率高。
7、从切削原理上讲，无论是端铣或是周铣都属于断续切削方式，而不像车削那样连续切削，因此对刀具的要求较高，具有良好的抗冲击性、韧性和耐磨性。
在干式切削状况下，还要求有良好的红硬性。
1.3数控铣床对刀具的要求及铣刀的种类
1.对刀具的要求
铣刀刚性要好一是为提高生产效率而采用大切削用量的需要；二是为适应数控铣床加工过程中难以调整切削用量的特点。
当工件各处的加工余量相差悬殊时，通用铣床遇到这种情况很容易采取分层铣削方法加以解决，而数控铣削就必须按程序规定的走刀路线前进，遇到余量大时无法象通用铣床那样“随机应变”，除非在编程时能够预先考虑到，否则铣刀必须返回原点，用改变切削面高度或加大刀具半径补偿值的方法从头开始加工，多走几刀。
但这样势必造成余量少的地方经常走空刀，降低了生产效率，如刀具刚性较好就不必这么办。
2.铣刀的耐用度要高尤其是当一把铣刀加工的内容很多时，如刀具不耐用而磨损较快，就会影响工件的表面质量与加工精度，而且会增加换刀引起的调刀与
对刀次数，也会使工作表面留下因对刀误差而形成的接刀台阶，降低了工件的表面质量。
除上述两点之外，铣刀切削刃的几何角度参数的选择及排屑性能等也非常重要，切屑粘刀形成积屑瘤在数控铣削中是十分忌讳的。
总之，根据被加工工件材料的热处理状态、切削性能及加工余量，选择刚性好，耐用度高的铣刀，是充分发挥数控铣床的生产效率和获得满意的加工质量的前提。
（2）常用铣刀种类
1盘铣刀一般采用在盘状刀体上机夹刀片或刀头组成，常用于端铣较大的平面。
2端铣刀端铣刀是数控铣加工中最常用的一种铣刀，广泛用于加工平面类零件，图1-1是两种最常见的端铣刀。
端铣刀除用其端刃铣削外，也常用其侧刃铣削，有时端刃、侧刃同时进行铣削，端铣刀也可称为圆柱铣刀。
图1-1端铣刀
3成型铣刀成型铣刀一般都是为特定的工件或加工内容专门设计制造的，适用于加工平面类零件的特定形状（如角度面、凹槽面等），也适用于特形孔或台。
图1-2示出的是几种常用的成型铣刀。
图1-2成型铣刀
4球头铣刀。
适用于加工空间曲面零件，有时也用于平面类零件较大的转接凹圆弧的补加工。
图1-3是一种常见的球头铣刀。
图1-3球头铣刀
图1-4鼓形铣刀
5）鼓形铣刀。
图1-4是一种典型的鼓形铣刀，主要用于对变斜角类零件的变斜角面的近似加工。
除上述几种类型的铣刀外，数控铣床也可使用各种通用铣刀。
但因不少数控铣床的主轴内有特殊的拉刀装置，或因主轴内孔锥度有别，须配制过渡套和拉杆。
1.4数控铣床的加工工艺范围
铣削加工是机械加工中最常用的加工方法之一，它主要包括平面铣削和轮廓铣削，也可以对零件进行钻、扩、铰、镗、锪加工及螺纹加工等。
数控铣削主要适合于下列几类零件的加工。
1、平面类零件
平面类零件是指加工面平行或垂直于水平面，以及加工面与水平面的夹角为一定值的零件，这类加工面可展开为平面。
图1-5所示的三个零件均为平面类零件。
其中，曲线轮廓面a垂直于水平面，可采用圆柱立铣刀加工。
凸台侧面b与水平面成一定角度，这类加工面可以采用专用的角度成型铣刀来加工。
对于斜面c，当工件尺寸不大时，可用斜板垫平后加工；当工件尺寸很大，斜面坡度又较小时，也常用行切加工法加工，这时会在加工面上留下进刀时的刀锋残留痕迹，要用钳修方法加以清除。
a）轮廓面Ab）轮廓面B
c）轮廓面C
图1-5 平面类零件
2、直纹曲面类零件
直纹曲面类零件是指由直线依某种规律移动所产生的曲面类零件。
如图1-6所示零件的加工面就是一种直纹曲面，当直纹曲面从截面
（1）至截面
（2）变化时，其与水平面间的夹角从3°10'均匀变化为2°32'，从截面
（2）到截面（3）时，又均匀变化为1°20'，最后到截面（4），斜角均匀变化为0°。
直纹曲面类零件的加工面不能展开为平面。
当采用四坐标或五坐标数控铣床加工直纹曲面类零件时，加工面与铣刀圆周接触的瞬间为一条直线。
这类零件也可在三坐标数控铣床上采用行切加工法实现近似加
图1-6 直纹曲面
3、立体曲面类零件
加工面为空间曲面的零件称为立体曲面类零件。
这类零件的加工面不能展成平面，一般使用球头铣刀切削，加工面与铣刀始终为点接触，若采用其它刀具加工，易于产生干涉而铣伤邻近表面。
加工立体曲面类零件一般使用三坐标数控铣床，采用以下两种加工方法。
（1）行切加工法
采用三坐标数控铣床进行二轴半坐标控制加工，即行切加工法。
如图1-7所示，球头铣刀沿XY平面的曲线进行直线插补加工，当一段曲线加工完后，沿X方向进给ΔX再加工相邻的另一曲线，如此依次用平面曲线来逼近整个曲面。
相邻两曲线间的距离ΔX应根据表面粗糙度的要求及球头铣刀的半径选取。
球头铣刀的球半径应尽可能选得大一些，以增加刀具刚度，提高散热性，降低表面粗糙度值。
加工凹圆弧时的铣刀球头半径必须小于被加工曲面的最小曲率半径。
图1-7行切加工法
（2）三坐标联动加工
采用三坐标数控铣床三轴联动加工，即进行空间直线插补。
如半球形，可用行切加工法加工，也可用三坐标联动的方法加工。
这时，数控铣床用X、Y、Z三坐标联动的空间直线插补，实现球面加工，如图1-8所示。
图1-8三坐标联动加工
2数控铣床编程指令
2.1数控铣床刀具半径补偿指令G40、G41、G42
G41刀具半径左补偿、G42刀具半径右补偿、G40取消刀具半径补偿。
G41是相对于刀具前进方向左侧进行补偿，称为左刀补。
如图a所示。
这时相当于顺铣。
G42是相对于刀具前进方向右侧进行补偿，称为右刀补。
如图b所示。
这时相当于逆铣。
图a 图b
图2-1左右补
从刀具寿命、加工精度、表面粗糙度而言，顺铣效果较好，因此G41使用较多。
D是刀补号地址，是系统中记录刀具半径的存储器地址，后面跟的数值是刀具号，用来调用内存中刀具半径补偿的数值。
刀补号地址可以有D01-D99共100个地址。
其中的值可以用MDI方式预先输入在内存刀具表中相应的刀具号位置上。
进行刀具补偿时，要用G17/G18/G19选择刀补平面，缺省状态是XY平面。
G40是取消刀具半径补偿功能，所有平面上取消刀具半径补偿的指令均为G40。
G40，G41，G42是模态代码，它们可以互相注销。
使用刀具补偿功能的优越性在于：
在编程时可以不考虑刀具的半径，直接按图样所给尺寸进行编程，只要在实际加工时输入刀具的半径值即可。
可以使粗加工的程序简化。
利用有意识的改变刀具半径补偿量，则可用同一刀具、同一程序、不同的切削余量完成加工。
2.2高速深孔加工循环G73
该固定循环用于Z轴的间歇进给，使深孔加工时容易排屑，减少退刀量，提高加工效率。
Q值为每次的进给深度，退刀用快速，其值K为每次的退刀量。
G73指令动作循环如图2-2所示。
图2-2G73指令动作
%0073
N10G92X0Y0Z80
N20G00
N30G98G73G90X100G90R40P2Q-10K5G90Z0L2F200
N40G00X0Y0Z80
N50M02
注意：
如果Z、K、Q移动量为零时，该指令不执行。
2.3数控铣床子程序的概念及应用介绍
在一个加工程序中，如果其中有些加工内容完全相同或相似，为了简化程序，可以把这些重复的程序段单独列出，并按一定的格式编写成子程序。
主程序在执行过程中如果需要某一子程序，通过调用指令来调用该子程序，子程序执行完后又返回到主程序，继续执行后面的程序段。
（1）子程序的嵌套 为了进一步简化程序，可以让子程序调用另一个子程序，这种程序的结构称为子程序嵌套。
在编程中使用较多的是二重嵌套，其程序的执行情况如图2-3所示。
图2-3子程序的嵌套
（2）子程序的应用
1）零件上若干处具有相同的轮廓形状,在这种情况下，只要编写一个加工该轮廓形状的子程序，然后用主程序多次调用该子程序的方法完成对工件的加工。
2）加工中反复出现具有相同轨迹的走刀路线,如果相同轨迹的走刀路线出现在某个加工区域或在这个区域的各个层面上，采用子程序编写加工程序比较方便，在程序中常用增量值确定切入深度。
3）在加工较复杂的零件时，往往包含许多独立的工序，有时工序之间需要适当的调整，为了优化加工程序，把每一个独立的工序编成一个子程序，这样形成了模块式的程序结构，便于对加工顺序的调整，主程序中只有换刀和调用子程序等指令。
3数控铣床编程实例
3.1轮廓铣削数控编程
用直径为20mm的立铣刀，加工如下图所示零件。
要求每次最大切削深度不超过20mm。
（1）工艺分析
零件厚度为40mm，根据加工要求，每次切削深度为20mm，分2次切削加工，在这两次切深过程中，刀具在XOY平面上的运动轨迹完全一致，故把其切削过程编写成子程序，通过主程序两次调用该子程序完成零件的切削加工，中间两孔为已加工的工艺孔，设图示零件上表面的左下角为工件坐标系的原点。
（2）加工程序
图3-1轮廓铣削
O1000程序号
N010G90G92X0Y0Z300 使用绝对坐标方式编程,建立工件坐标系
N020G00X-50Y-50S800M03 快速进给至X=-50,Y=-50，主轴正转，转速800r/min
N030G01Z-20F150 Z轴工进至Z=-20，进给速度150mm/min
N040M98P1010 调用子程序O1010
N050Z-45F300 Z轴工进至Z=-45，进给速度300mm/min
N060M98P1010 调用子程序O1010
N070G00X0Y0Z300 快速进给至X=0，Y=0，Z=300
N100M30 主程序结束
O1010子程序号
N010G42G01X-30Y0F300H02M08切削液开，直线插补至X=-30，Y=0，刀具半径右补偿H02=10mm
N020X100直线插补至X=100，Y=0
N030G02X300R100顺圆插补至X=300，Y=0
N040G01X400直线插补至X=400，Y=0
N050Y300直线插补至X=400，Y=300
N060G03X0R200逆圆插补至X=0，Y=300
N070G01Y-30直线插补至X=0，Y=-30
N080G40G01X-50Y-50直线插补至X=-50，Y=-50，取消刀具半径补偿
N090M09切削液关
N100M99子程序结束并返回主程序
3.2曲线槽铣削数控编程
用直径为8mm的立铣刀，加工如下图所示零件的槽，要求每次切深不超过4mm。
图3-2曲线槽铣削
上图中A（-33，-9）、B（-33，16）、C（-21，28）、D（12，28）、E（37，3）、F（37，-30）、G（25，-42）、H（15.68，-42）、I（4.404，-34.104）、J（2.872，-29.896）、K（-8.405，-22）、L（-20，-22）
（1）工艺分析
将刀心运动轨迹A→B→C→D→E→F→G→H→I→J→K→L→A编写成子程序，设每次切削深度4mm，主程序两次调用该子程序完成槽的切削加工，槽的切削深度用相对坐标表示其增量，设零件上表面的对称中心为工件坐标系的原点。
（2）加工程序
O1000 程序号
N01G90G92X0Y0Z100 使用绝对坐标方式编程，建立工件坐标系
N02G00X-33Y-9Z2S800M03 快速进给至X=-33，Y=-9，Z=2，主轴正转，转速800r/min
N03G01Z0F100 Z轴工进至工件表面，进给速度100mm/min
N04M98P10102 重复调用子程序O1010两次
N05G90G00Z100 Z轴快移至Z=100
N06X0Y0M05 快速进给至X=0，Y=0，主轴停
N07M30 主程序结束
O1010 子程序号
N10G91G01Z-4 增量值输入，Z向切深4mm
N20G90X-33Y16 绝对值输入，直线插补至B点
N30G02X-21Y28R12 圆弧插补至C点
N40G01X12 直线插补至D点
N50G02X37Y3R25 圆弧插补至E点
N60G01Y-30 直线插补至F点
N70G02X25Y-42R12 圆弧插补至G点
N80G01X15.68 直线插补至H点
N90G02X4.404Y-34.104R12 圆弧插补至I点
N100G01X2.872Y-29.896 直线插补至J点
N110G03X-8.405Y-22R8 圆弧插补至K点
N120G01X-20 直线插补至L点
N130G02X-33Y-9R13 圆弧插补至A点
N140M99 子程序结束并返回主程序
4影响
4.1国内数控机床行业近年取得的成绩
我国的数控机床无论从产品种类、技术水平、质量和产量上都取得了很大的发展，在一些关键技术方面也取得了重大突破。
据统计，目前我国可供市场的数控机床有1500种，几乎覆盖了整个金属切削机床的品种类别和主要的锻压机械。
领域之广，可与日本、德国、美国并驾齐驱。
这标志着国内数控机床已进入快速发展的时期。
近年来我国机床行业不断承担为国家重点工程和国防军工建设提供高水平数控设备的任务。
如国产XNZD2415型数控龙门混联机床充分吸取并联机床的配置灵活与多样性和传统机床加工范围大的优点，通过两自由度平行四边形并联机构形成基础龙门，在并联平台上附加两自由度串联结构的A、C轴摆角铣头，配以工作台的纵向移动，可完成五自由度的运动。
该构型为国际首创。
基于RT一Linux开发的数控系统具有的实时性和可靠性，能在同一网络中与多台PLC相连接，可控制机床的五轴联动，实现人机对话。
该机床的作业空间4.5mx1.6mx1.2m，A轴转角±1050,C轴连续转角0一4000，主轴转速（无级）最高10000r/min，重复定位精度±0.01mm，可实现三维立体曲面如水轮机叶片，导叶的五轴联动高速切削加工。
超精密球面车床为陀螺仪的加工提供了基础设备，这类车床也可用于透镜模具、照相机塑料镜片、条型码阅读设备、激光加工机光路系统用聚焦反射镜等产品的加工。
高速五轴龙门铣床采用铣头内油雾润滑冷却、横梁预应力反变形控制等技术。
这类铣床可用于航空、航天、造船、水泵叶片、高档模具等的加工。
SSCKZ80一5型五轴车铣复合加工中心可满足航天、航空、船舶及铁路运输业对高精度、高刚度、形状复杂的大型回转体零件加工的要求，如飞机发动机主轴、起落架的加工，船舶发动机活塞、增压器蜗杆差速换向器及螺旋叶片的加工等。
TW250型高速、高效车削中心采取双主轴对置结构，两个刀架分别位于主轴轴线上下方，控制轴数8个，可实现4轴联动。
装有12位伺服驱动双向动力刀台的上下刀架可对任一主轴进行2轴或4轴加工。
该机床采用模块化设计技术，可根据用户的不同要求派生为双刀架双主轴、单刀架双主轴、双刀架单主轴、等车削中心或数控车床。
XKAE2720型桥式定梁龙门加工中心可满足航空、航天、军工、机车车辆、模具、印刷机械等行业的需求。
MJ一860DT型双刀架四轴对置式数控车床是一种大规格、重载荷、高刚度、多轴控制的数控车床，适合兵器、航天航空制造业对大型工件（如高强度耐热钛镍合金钢类零件）进行中低转速下的强力切削，也适宜冶金、机车、造纸机械等行业对大型工件特别是长轴类零件进行高效、强力车削时采用。
TK68125A型落地式数控镗铣床可广泛适用于大中型柴油机、工程机械、汽车、船舶、航天航空工业的大中型复杂结构件加工，特别适用于对具有空间曲面的复杂零件高速、高效加工。
TK6913B型落地式数控镗铣床在高刚度方滑枕、数控可移动主轴组件、数控回转工作台、数控平旋盘、大型链式刀库、模块化开发等方面形成了自己的核心技术。
目前我国已经可以供应网络化、集成化、柔性化的数控机床。
同时，我国也已进入世界高速数控机床和高精度精密数控机床生产国的行列。
目前我国已经研制成功一批主轴转速在8000—10000r/min以上的数控机床。
我国数控机床行业近年来大力推广应用CAD等技术，很多企业已开始和计划实施应用ERP、MRPII和电子商务。
4．2我国数控机床市场巨大
目前我国正处于工业化中期，即从解决短缺为主的开放逐步向建设经济强国转变，从脱贫向致富转变，煤炭、汽车、钢铁、房地产、建材、机械、电子、化工等一批以重工业为基础的高增长行业发展势头强劲，构成了对机床市场尤其是数控机床的巨大需求。
据毕马威会计事务所分析，中国已经超过德国，成为世界第一大机床市场，数控机床已成为机床消费的主流。
我国未来数控机床市场巨大，预计2010年数控机床消费仍将超过60亿美元，台数将超过10万台。
专家指出，中高档数控机床的比例会大幅增加，经济型数控机床的比例不会有太大变化，而非数控的普通机床的需求将会大幅度减少。
国家计委投资研究所预测:
“十五”期间，我国固定资产总投资额将达到22万亿元，年平均增长幅度为37%。
按以往固定资产投资与机械市场消费之间的互动关系推断，“十五”期间，我国机械市场所孕育的商机高达320—400亿元。
交通方面，“十五”期间仅西部铁路开发就将投入1000亿元，未来10年西部交通则将投资7000一8000亿元，车轮车床、2m大型锯床、螺旋焊管扩径机械等专用设备大有用武之地;水利工程未来5年将投资5300亿元，环保一期投资1888亿元，二期投资2600亿元，相应机械设备需求巨大；300家机械厂商将进行技改，求购数控机床数量十分可观。
2004年，国内有模具厂约1.7万家，年产值约530亿元，所需的机械偏向于高精度、高效率、高速化铣削设备、虚拟轴机床、复合加工机及慢走丝线切割机等。
据报道，国家对装备制造业的投资将主要集中在航天、航空、船舶、汽车、兵器、机械和电子信息等行业。
航空工业的民用航空客机的转包和生产进一步扩大。
与美国波音和欧洲空中客车公司转包生产客机零件量将大幅度增加；与国外合作生产和自行开发的军用飞机和军用直升机将进入批产。
飞机机翼、机身、尾翼等和发动机零件的制造需要大批高速五轴加工中心、龙门移动式高速加工中心、精密数控车床、精密卧式加工中心、多坐标镗铣中心、精密齿轮和螺纹加工数控机床等。
汽车制造业是机床的需求大户，约占机床总消费的40%左右。
我国汽车年产量的增加同时带动汽车零配件产量的大幅度增加。
汽车制造业需要大批高效、高性能、专用数控机床和柔性生产线，如用于发动机加工的以高速卧式加工中心为主的柔性生产线、曲轴加工专用数控机床等。
汽车零配件生产需求大批数控车床、立卧式加工中心、数控高效磨床和数控齿轮加工机床等。
兵器制造业需求数控机床更是量大面广，要求数控机床可靠、稳定。
国产数控机床有很大的市场空间兵器制造业需求大批数控车床、立卧加工中心、五轴加工中心、龙门镗铣床、镗铣加工中心、齿轮加工机床等。
发电设备制造行业需要重型数控龙门镗铣床、大型落地镗铣床、大型数控车床、叶根槽专用铣床和叶片数控加工机床等，输变电设备制造行业需要数控车床、加工中心、数控镗床等。
冶金设备制造业重点解决连铸连轧成套设备的制造，需求大型龙门铣床、大型数控车床等设备。
我国铁路、公路、能源、水利、机场、城镇建设需求大量工程机械。
工程机械制造业需求大批中小型数控机床如数控车床、中型加工中心、数控铣床和齿轮加工机床等。
近年，全国模具产值也有大幅增长。
我国目前大型、精密、复杂、长寿命模具依然大量进口，模具市场主要集中在华东、华南，大约占全国销售额的75%。
最近，江苏苏州地区已在规划筹建亚洲最大的模具制造基地。
模具制造业需求高速数控铣床、三坐标测量机、精密电加工机床、高精度加工中心、精密磨床等。
电子信息设备制造行业的装备99．5%
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