简介

《数控编程与加工技术》以数控编程与技能操作为主导，从实际应用出发，详细地介绍了采用FANUC数控系统的数控机床编程方法与加工技术。全书主要内容包括数控编程与加工技术基础、数控车床编程与加工、数控铣床编程与加工、加工中心编程与加工。 《数控编程与加工技术》可作为高职高专机械类和近机械类专业数控加工编程与操作课程的教材，也可供高等工科院校、成人教育、电大等的同类专业选用。

版权信息页

版权信息页

书封页

书名页

数控编程与加工技术

吕宜忠 主编

前言

前言

“数控编程与加工技术”是一门集理论性、实践性、灵活性、综合性于一体的专业课程。通过本课程的学习，能使学生掌握典型零件的数控加工工艺、编程方法，熟悉数控车床、数控铣床、加工中心等数控机床的操作，理解典型零件的一般加工工艺、加工方法与过程，增强学生的动手操作能力，提高学生对典型零件的工艺分析能力；结合实训培养学生的创新意识和吃苦耐劳精神，培养和锻炼学生的工程师素质，为培养高素质技能型专门人才打下良好的理论与实践基础。

本书是本着“突出技能、重在实用、淡化理论、够用为度”的指导思想，结合本课程的具体情况和教学实践来编写的。本书将传统的“数控加工工艺与编程”和“数控加工实训”等课程的主要内容进行有机整合，形成新的课程体系。在编写本书过程中，注重理论与实践相结合，突出能力培养，强化实践教学。

本书注重培养学生理论联系实际的意识，发挥学生的潜力，提高学生的创新意识。本书贯彻工学结合的原则，以FANUC数控系统为基础，结合实际产品加工的典型实例，较全面地论述了数控加工工艺与编程基础，数控车床、数控铣床、加工中心的程序编制、机床操作与零件加工。所有实例的数控加工程序都附有详细、清晰的注释说明。每节后都设有习题，便于学生更好地掌握所学内容。

本书的主要特点：一是根据高等职业教育的培养目标和教育特点，将数控加工必需的数控加工工艺规程的制订、数控编程、数控机床操作、典型零件加工有机地联系在一起，培养学生合理而规范地编制零件数控加工程序的能力、典型零件的加工能力；二是选材注意实用性和代表性，尤其是典型零件的编程实例，部分是从相应工种的中级操作工和高级操作工试题库中选材，部分是从生产实践中选材，全面介绍典型零件从分析零件图到编制数控加工程序、机床操作、零件加工的全部过程，更突出了对数控加工工艺的分析。

全书以工艺、编程、操作、加工为主线，分别介绍数控车床、数控铣床、加工中心等数控机床的数控加工工艺、数控加工程序编制、数控机床操作和典型零件加工方法，所有零件加工程序都附有简洁、准确的注释说明。

本书在体系上力求新颖，文字力求准确，选图力求简练；在内容的取舍与深度的把握上，注重重点突出、理论联系实际，以及学生在程序编制与零件加工两方面能力的培养。

本书是机械工业出版社组织出版的“高等职业教育规划教材”之一，由潍坊工商职业学院吕宜忠任主编，由潍坊工商职业学院宋英超、德州科技职业学院周伟任副主编。周伟编写模块1，宋英超编写模块2，吕宜忠编写模块3，杨强编写模块4的第1、2节，闫世晓编写模块4的第3节。全书由吕宜忠统稿。

在本书的编写过程中得到了潍坊工商职业学院实训中心张彦江、池瑞亮两位教师和数控加工技能小组同学的大力帮助，他们验证了全部数控加工程序；同时，本书在编写过程中也得到了诸城威士达机械有限公司、北汽福田诸城车辆厂的大力支持。在此，对所有帮助过本书编写的人及本书参考文献的作者表示衷心的感谢。

由于编者的水平有限，书中难免有不足之处，恳请广大读者提出宝贵意见与建议。

编者

模块1 数控编程与加工技术基础

模块1 数控编程与加工技术基础

1.1 概述

【学习目标】

1）了解数控技术、数控加工、数控机床等概念。

2）掌握数控机床的工作原理。

3）熟悉数控机床的组成、分类、特点及应用。

【知识学习】

1.1.1 数控加工基本概念

1．数字控制及数控技术

一般意义上的数字控制是指用数字化信息对过程进行的控制，是相对模拟控制而言的。机床中的数字控制（Numberical Control）专指用数字化信号对机床运动及其加工过程进行控制的自动化方法，简称数控（NC），是由机床数控装置或系统实现的。

数控技术（Numberical Control Technology）是指用数字化信息进行自动控制的技术，是制造业实现自动化、柔性化、集成化生产的基础。将计算机通过特定处理方式下的数字信息（不连续变化的数字量），用于机床自动控制的技术通称为计算机数控（Computer Numberical Control，CNC）技术。

2．数控系统

数控系统（Numerical Control System）即程序控制系统，是指采用数字控制技术的控制系统。数控系统一般控制位移、角度、速度等机械量，也可控制温度、压力、流量、颜色等物理量。早期的数控系统主要由数控装置、主轴驱动及进给驱动装置等部分组成，数字信息由数字逻辑电路来处理，数控系统的所有功能都由硬件实现，故又称为硬件数控系统（NC系统）。计算机数控系统是以计算机为核心的数控系统，由装有数控系统程序的专用计算机、输入输出设备、可编程序逻辑控制器（PLC）、存储器、主轴驱动及进给驱动装置等部分组成，简称CNC系统。由于计算机可完全由软件来确定数字信息的处理过程，从而具有真正的“柔性”，并可处理各种复杂信息，所以CNC系统已基本取代硬件数控系统（NC系统）。

3．数控机床

数控机床是指应用数控技术对其加工过程进行自动控制的机床，它是数控技术与机床相结合的产物，是一种通过数字信息控制机床按给定的运动规律进行自动加工的机电一体化新型加工装备。国际信息处理联盟（IFIP）第五技术委员会对数控机床定义如下：数控机床是一种装有程序控制系统的机床，该系统能够逻辑地处理具有特定代码或其他符号编码指令规定的程序。该定义中所说的程序控制系统即数控系统。目前人们提及数控机床一般指CNC机床。

4．数控加工

数控加工是指在数控机床上进行零件加工的一种工艺方法，其实质就是根据零件图样及工艺要求等原始条件，编制零件数控加工程序，并输入到数控机床的数控系统，以控制数控机床中刀具与工件的相对运动，从而完成零件的加工。

1.1.2 数控机床的工作原理

数控机床的工作原理如图1-1所示。首先根据被加工零件的图样，将工件的形状、尺寸及技术要求等，按运动顺序、所用数控机床规定的指令代码及程序格式编写成加工程序。加工程序经输入装置读出信息并送入数控装置。数控装置按照数码指令进行一系列处理和运算，变成脉冲信号。有的脉冲信号被送到机床的伺服系统，经传动机构驱动机床本体，从而完成零件的加工；有的脉冲信号被送到可编程序控制器中，按顺序控制机床的其他辅助动作，如工件夹紧与松开、刀具的自动更换、各轴的进给等，加工出图样要求的零件。

图1-1 数控机床的工作原理

1.1.3 数控机床的组成

数控机床一般由输入输出装置、计算机数控装置、伺服驱动装置、检测反馈装置、辅助控制装置和机床本体组成，其中除机床本体之外的部分称为计算机数控（CNC）系统，如图1-2所示。

（1）输入输出装置输入输出装置是操作人员与机床数控系统进行信息交流的载体，其主要功能有编制程序、存储程序、输入程序和数据、打印和显示等。零件加工程序、机床参数及刀具补偿等数据可以直接由操作人员手动输入到数控装置，即通过机床上的CRT显示器及键盘手动输入；也可以利用CAD/CAM软件在计算机上编程，然后通过计算机用通信方式将程序传送到数控装置。后者还是实现CAD/CAM集成、FMS和CIMS的基本技术。目前数控机床常采用的通信方式有：串行通信（RS232、RS422、RS485等）；自动控制专用接口和规范，如DNC（Direct Numerical Control）方式，MAP（Manufacturing Automation Protocol）协议等；网络通信（Internet、Intranet、LAN）等。数控装置通过CRT、LED、LCD、TFT显示器以及各种信号灯、报警器等将信息输出。

图1-2 数控机床的组成框图

（2）计算机数控装置 计算机数控装置是计算机数控系统的核心，其组成框图如图1-3所示。数控装置通常由专用（或通用）计算机、输入输出接口板及机床控制器等组成。输入设备传送的数控加工程序和操作指令，经计算机数控装置系统进行相应的处理（如运动轨迹处理、机床输入输出处理等），然后输出控制命令到相应的执行部件（伺服单元、驱动装置和PLC等），控制其动作，加工出需要的零件。所有这些工作都是由CNC装置内的系统程序进行合理的组织，在CNC装置硬件的协调配合下，有条不紊地进行的。

图1-3 数控装置组成框图

（3）伺服驱动装置 伺服系统是数控设备的重要组成部分，是数控装置和受控设备的联系环节，其结构框图如图1-4所示。伺服驱动装置包括主轴伺服驱动装置和进给伺服驱动装置两部分。伺服驱动装置将位置指令和速度指令转化为机床运动部件的运动。数控装置发出的控制信息，经伺服系统中的控制电路、功率放大电路和伺服电动机驱动受控设备工作，并可对其位置、速度等进行控制。

图1-4 伺服系统结构框图

（4）检测反馈装置 检测反馈装置是闭环和半闭环控制系统中的重要环节，其作用是通过传感器将伺服电动机角位移和数控机床执行机构的直线位移，转换成电信号输送给数控装置，与脉冲信号进行比较，由数控装置纠正误差，控制驱动执行元件准确运转。位置检测装置与伺服驱动装置配套组成半闭环和闭环伺服驱动系统。

常用的位置检测元件有：光栅传感器、脉冲发生器、感应同步器、旋转变压器和磁栅。

1）光栅传感器是数控机床和数字显示系统常用的检测元件。

2）脉冲发生器又称角度数字编码器，具有精度高、结构紧凑、工作可靠等优点，是精密数字控制和伺服系统常用的角位移数字式检测器件。

3）感应同步器可测量直线位移和角位移，并能转换成数字显示。

4）旋转变压器常用于角位移的检测。

5）磁栅是测量直线位移的一种数字式传感器。

常见检测元件的分类见表1-1。

表1-1 常见检测元件

（5）辅助控制装置 辅助控制装置是介于数控装置和机床机械、液压部件之间的控制装置，通过可编程序控制器（Programmable Logic Control，PLC）来实现。PLC和数控装置配合共同完成数控机床的控制。

（6）机床本体 机床本体是数控机床的主体，是用于完成各种切削加工的机械部分。数控机床的机械部件包括：主运动部件、进给运动部件（机床工作台、滑板以及相应的传动机构）、支承件（立柱、床身等）、特殊装置（刀具自动交换装置、工件自动交换装置）和辅助装置（如冷却、润滑、排屑、转位和夹紧装置等）。数控机床机械部件的组成与普通机床相似，但传动结构要求更为简单，在精度、刚度、摩擦特性、抗振性等方面要求更高，而且传动和变速系统要便于实现自动化控制。

1.1.4 数控机床的分类

数控设备五花八门，品种繁多，已多达500多种，通常从以下不同角度进行分类。

1．按工艺用途分类

（1）切削加工类数控机床 此类数控机床是指具有切削加工功能的数控机床，如数控车床、数控铣床、数控钻床、数控镗床、数控磨床、加工中心等。

（2）成形加工类数控机床 此类数控机床是指具有通过物理方法改变工件形状功能的数控机床，如数控折弯机、数控弯管机、数控组合冲床、数控回转头压力机等。

（3）特种加工类数控机床 此类数控机床是指具有特种加工功能的数控机床，如数控电火花加工机床、数控线切割机床、数控激光切割机等。

（4）其他类型的数控机床 此类数控机床是指一些广义上的数控机床，如火焰切割机、数控三坐标测量机、工业机器人等。

2．按运动轨迹的控制方式分类

（1）点位控制数控机床 这类数控机床的数控装置仅能控制两个坐标轴带动刀具或工作台，从一个点（坐标位置）准确快速地移动到下一个点（坐标位置），然后控制第三个坐标轴进行钻、镗等切削加工。它具有较高的位置定位精度，在移动过程中不进行切削加工，因此对其运动轨迹没有要求，如图1-5a所示。这类数控机床主要用于加工平面内的孔系，主要有数控钻床、数控镗床、数控冲床、三坐标测量机等。

（2）直线控制数控机床 这类数控机床可控制刀具或工作台以适当的进给速度，从一个点以一条直线准确地移动到下一个点，移动过程中进行切削加工，进给速度根据切削条件可在一定范围内调节，如图1-5b所示。这类机床常见的有数控车床、数控磨床、数控镗铣床等。

（3）轮廓控制数控机床 这类数控机床具有控制几个坐标轴同时协调运动，即多坐标联动的能力，使刀具相对于工件按程序规定的轨迹和速度运动，能在运动过程中进行连续切削加工，如图1-5c所示。这类数控机床有用于加工曲线和曲面形状零件的数控车床、数控铣床、加工中心等。现代的数控机床基本上都是这种类型。

图1-5 控制运动的方式

a）点位控制 b）直线控制 c）轮廓控制

3．按伺服驱动系统的类型分类

（1）开环控制数控机床 这类数控机床采用开环进给伺服系统，如图1-6a所示。开环进给伺服系统没有位置检测反馈装置，信号流是单向的（数控装置→进给系统），故系统稳定性较好，但由于没有位置反馈，精度（相对于闭环控制）不高，其精度主要取决于伺服驱动系统和机械传动机构的性能和精度。该系统一般以步进电动机作为伺服驱动元件，采用脉冲增量插补法进行轨迹控制。这类数控系统具有结构简单、工作稳定、调试方便、维修容易、价格低廉等优点，在精度和速度要求不高、驱动力矩不大的场合得到广泛应用。

（2）闭环控制数控机床 这类数控机床采用闭环进给伺服系统，如图1-6b所示，它直接对工作台的实际位置进行检测。理论上讲，闭环进给伺服系统可以消除整个驱动和传动环节的误差、间隙和失动量，具有很高的位置控制度。但由于位置环内的许多机械传动环节的摩擦特性、刚性和间隙都是非线性的，很容易造成系统不稳定。因此闭环控制系统的设计、安装和调试都有相当的难度，对其组成环节的精度、刚性和动态特性等都有较高的要求，价格昂贵。这类系统主要用于精度要求很高的镗铣床、超精车床、超精磨床以及较大型的数控机床等。

（3）半闭环控制数控机床 这类数控机床采用半闭环数控系统，如图1-6c所示。半闭环控制系统的位置检测点是从驱动电动机（常用交、直流伺服电动机）或丝杠端引出，通过检测电动机或丝杠旋转角度来间接检测工作台的位移量，而不是直接检测工作台的实际位置。由于在半闭环环路内不包括或只包括少量机械传动环节，可获得较稳定的控制性能，其系统稳定性虽不如开环系统，但比闭环系统要好。另外，在位置环内各组成环节的误差可得到某种程度的纠正，位置环外不能直接消除的如丝杠螺距误差、齿轮间隙引起的运动误差等，可通过软件补偿这类误差来提高运动精度，因此在现代CNC机床中得到了广泛应用。

图1-6 伺服系统类型

a）开环控制系统框图 b）闭环控制系统框图 c）半闭环控制系统框图

4．按可控制联动的坐标轴分类

所谓数控机床可控制联动的坐标轴，是指数控装置控制几个伺服电动机，同时驱动机床移动部件运动的坐标轴数目。

（1）两坐标轴联动数控机床 这类数控机床是指能同时控制两个坐标轴联动（X、Z轴联动或X、Y轴联动）的数控机床，可用于数控车床加工各种曲线轮廓的回转体类零件，或用于数控铣床加工曲线柱面，如图1-7所示。

图1-7 两坐标轴联动轮廓加工

（2）三坐标轴联动数控机床 这类数控机床可同时控制三个坐标轴联动。一般分为两类，一类是X、Y、Z三个直线坐标轴联动，可用于数控铣床、加工中心等加工曲面零件，如图1-8所示。另一类是除了同时控制X、Y、Z其中两个直线坐标轴联动外，还同时控制围绕其中某一直线坐标轴旋转的旋转坐标轴。

（3）两坐标轴半联动数控机床 这类数控机床本身有三个坐标轴，能做三个方向的运动，但其数控装置只能控制两个坐标轴联动，而第三坐标轴只能做周期进给，如在数控铣床上用球头铣刀采用行切法加工三维空间曲面，如图1-9所示。

图1-8 三坐标轴联动加工曲面

图1-9 两坐标轴半联动轮廓加工

（4）多坐标轴联动数控机床 这类数控机床能同时控制四个以上坐标轴联动。四坐标轴联动即同时控制X、Y、Z三个直线坐标轴与某一旋转坐标轴（A轴或B轴）联动（回转工作台），如图1-10所示。五坐标轴联动即除了同时控制X、Y、Z三个直线坐标轴联动外，还同时控制围绕这些直线坐标轴旋转的A、B、C坐标轴中的两个坐标轴，即形成同时控制五个轴联动，如图1-11所示。多坐标轴联动数控机床的结构复杂、精度要求高、程序编制复杂，主要用于加工形状复杂的零件。联动坐标轴数越多，加工程序的编制越难，通常三坐标轴联动以上的零件加工程序只能采用自动编程技术编制。

图1-10 四轴联动数控机床

图1-11 五轴联动数控机床

5．按数控装置的功能水平分类

我国常按照数控设备的性能，如CPU性能、分辨率、进给速度、伺服性能、通信功能、控制轴数与联动轴数、数控系统软硬件功能等将数控机床分为高（高级型数控系统）、中（普及型数控系统）、低档（经济型数控系统）机床，见表1-2。

表1-2 各档数控机床性能比较

6．按制造方式分类

（1）通用型数控系统 以PC作为CNC装置的支撑平台，各数控机床制造厂家根据用户需求，有针对性地研制开发数控软件和控制卡等，构成相应的CNC装置。

（2）专用型数控系统 各制造厂家专门研制、开发制造的，专用性强、结构合理、硬件通用性差，但其控制功能齐全、稳定性好，如德国SIEMENS（西门子）系统、日本FANUC（发那科）系统等。

7．按数控系统分类

数控机床可分为FANUC数控系统、SIEMENS数控系统、华中数控系统、广州数控系统、三菱数控系统等的数控机床。

1.1.5 数控加工的特点

数控机床是实现柔性自动化的重要设备，与其他加工设备相比，数控机床具有以下特点。

1．数控加工的优点

（1）加工精度高，质量稳定 数控机床由精密机床和计算机控制系统组成，其传动系统与机床结构都具有较高的刚性和热稳定性，具有很高的控制精度和制造精度，很容易保证零件尺寸的一致性，大大减少了通用机床加工中人为造成的失误，所以数控加工不但可以保证零件获得较高的加工精度，而且质量稳定。

（2）生产效率高 数控机床自动化程度高，具有良好的刚性，允许采用大切削用量的强力切削，提高了数控机床的生产效率。数控机床的空行程速度快，工件装夹时间短，且采用自动换刀，节省了辅助时间。数控机床能在一次装夹中实现多工序的连续加工，大大缩短了生产准备时间。

（3）生产柔性大 数控加工一般不需要复杂的工艺装备，就可以通过编程把形状复杂和精度要求较高的零件加工出来。在更改设计时，只需改变加工程序，一般不需要重新设计制造工装，满足了当前产品更新快的市场竞争需要，特别适合于工件频繁更换或单件、中小批量的生产。

（4）能实现复杂的运动 数控机床可以完成复杂曲线和曲面的自动加工，如螺旋桨、汽轮机叶片等空间曲面，也可以完成普通机床上很难甚至无法完成的加工。

（5）自动化程度高，可减轻劳动负担、改善劳动条件 数控加工是按照事先编制好的程序自动完成的，操作者只需要操作键盘、装卸工件、进行关键工序的中间检测及观察，一般不需要进行繁重的手工操作，劳动强度大大减小，趋于智力型工作。

（6）便于实现计算机辅助制造 将用计算机辅助设计出来的产品图样及数据，变为实际产品的最有效途径，就是采取计算机辅助制造技术直接制造出零部件。数控机床及其加工技术正是计算机辅助制造系统的基础。

2．数控加工的缺点

（1）加工成本一般较高 数控加工设备费用高，首次加工准备周期较长，其零配件价格较高，维修成本也高。

（2）适宜于多品种中、小批量生产 由于数控加工对象一般为较复杂零件，又往往采用工序相对集中的工艺方法，在一次装夹中加工出较多待加工面，势必将工序时间拉长。与专用多工位组合机床形成生产线相比，在生产规模与生产效率方面仍有很大差距。

（3）加工中难以调整 由于数控机床是按程序运行自动加工的，一般很难在加工过程中进行实时的人工调整，即使可以作局部调整，其可调范围也不大。

1.1.6 数控加工的应用范围

数控机床是一种高度自动化的机床，有一般机床所不具备的许多优点，所以数控机床的应用范围在不断扩大，但数控机床的技术含量高，成本高，使用和维修都有一定困难。若从经济方面考虑，数控加工的应用范围包括最适应类、较适应类和不适应类。

1．最适应类

1）形状复杂、加工精度高的零件。

2）用数学模型描述的复杂曲线或曲面轮廓零件。

3）具有难测量、难控制进给、难控制尺寸的壳体或盒形零件。

4）必须在一次装夹中合并完成铣、镗、锪、铰或攻螺纹的零件。

2．较适应类

1）一旦质量失控会造成重大经济损失的零件。

2）在通用机床上加工复杂的专用工装的零件。

3）需要多次更改设计后才能定型的零件。

4）在通用机床上加工需要做长时间调整的零件。

3．不适应类

1）生产批量大的零件（不排除其中个别工序用数控机床加工）。

2）装夹困难或完全靠找正来保证加工精度的零件。

3）加工余量很不稳定的零件。

4）必须用特定的工艺装备协调加工的零件。

【思考与练习】

1．什么是数控技术、数控加工和数控机床？

2．简述数控机床的工作原理。

3．数控机床由哪几部分组成？各组成部分的主要功能分别是什么？

4．数控机床有哪些分类方法？按照各种分类方法，可将机床分为哪些类型？

5．简述数控机床的特点与应用范围。

1.2 数控加工编程基础

【学习目标】

1）熟练判断数控机床坐标系的坐标轴位置和方向。

2）熟悉机床坐标系、机床原点、机床参考点、工件坐标系、工件坐标系原点的含义。

3）掌握数控加工的工艺过程、工艺特点和内容。

4）掌握数控编程的步骤与内容。

5）熟悉数控加工程序的结构与格式。

【知识学习】

1.2.1 数控机床坐标系

1．机床坐标系与机床原点

（1）机床坐标系 在数控机床上，机床的动作是由数控装置来控制的，为了确定机床上的成形运动和辅助运动，必须先确定机床上运动的方向和移动的距离，这就需要在机床上建立一个坐标系，这个坐标系称为机床坐标系，也叫标准坐标系。机床坐标系是机床固有的坐标系，是用来确定工件坐标系的基本坐标系，是确定刀具（刀架）或工件（工作台）位置的参考系，并建立在机床原点上。

（2）机床原点 机床原点（或称机床零点）即机床坐标系的原点，是机床制造商设置在机床上的一个物理位置，又是数控机床进行加工或位移的基准点。在数控机床经过设计、制造和调整后，这个原点便被确定下来，一般情况下不允许用户更改。机床原点的作用是使机床与控制系统同步，建立测量机床坐标系运动坐标（X、Y、Z轴）的起始点。

（3）坐标轴及其运动方向 对于数控机床坐标轴名称及其正负方向，我国已制定了《数控机床坐标和运动方向的命名》，与ISO标准相同。标准坐标系采用右手笛卡儿定则，如图1-12所示。在图中，直线进给运动用直角坐标轴X、Y、Z表示，称为基本坐标轴。基本坐标轴平行于机床的主要导轨，它与安装在机床上，并按机床的主要直线导轨找正的工件有关；根据右手螺旋定则，围绕X、Y、Z轴旋转的转动轴分别用A、B、C坐标表示。

X、Y、Z坐标的相互关系用右手定则确定。伸出右手的拇指、食指和中指，并互为90°，则拇指代表X坐标，食指代表Y坐标，中指代表Z坐标。拇指的指向为X坐标的正方向，食指的指向为Y坐标的正方向，中指的指向为Z坐标的正方向，分别用+X、+Y、+Z表示。A、B、C正向根据右手螺旋定则确定，拇指指向X、Y、Z轴的正方向，四指弯曲的方向为各旋转轴的正方向，并分别用+A、+B、+C来表示。与+X、+Y、+Z、+A、+B、+C相反的方向用带“′”的+X′、+Y′、+Z′、+A′、+B′、+C′表示。

图1-12 右手笛卡儿坐标系

数控机床的进给运动是相对运动，有的是刀具相对于工件运动，有的是工件相对于刀具运动，为了使编程人员能在不知道刀具相对于工件运动还是工件相对于刀具运动的情况下，按零件图要求编写出加工程序，统一规定永远假定刀具相对于静止的工件而运动，机床的某一运动部件的运动正方向，为增大工件与刀具间距离的方向。规定数控机床坐标轴及运动方向，是为了准确地描述机床运动，简化程序的编制，并使所编程序具有互换性。

（4）确定机床坐标轴 确定机床各坐标轴的方法和步骤如下。

1）Z轴。Z坐标的运动由主要传递切削动力的主轴决定，即平行于主轴轴线的坐标轴即为Z坐标，Z坐标的正向为刀具离开工件的方向。对于具有旋转主轴的机床，如图1-13所示的卧式车床和如图1-14所示的立式升降台铣床，与主轴轴线平行的标准坐标轴即为Z坐标轴；对于没有主轴的机床，如图1-15所示的牛头刨床等，以垂直于装夹面的坐标轴为Z轴。若机床有几个主轴，可选择一个垂直于工件装夹面的主要轴作为主轴，并以它确定Z坐标。

2）X轴。X坐标运动是水平的，它平行于工件装夹面，是刀具或工件定位平面内运动的主要坐标。对于机床主轴带动工件旋转的机床，如数控车床等，X坐标方向规定在工件的径向上且平行于机床的横导轨，刀具离开工件旋转中心的方向是X轴的正方向，如图1-13所示。对于机床主轴带动刀具旋转的机床，如数控铣床、钻床、刨床等，如果Z轴是竖直的，则从刀具（主轴）向立柱看，X轴的正方向指向右边，如图1-14所示；如果Z轴是水平的，则从刀具（主轴）向工件看，X轴的正方向指向左边，如图1-16所示；对于无主轴的机床，如刨床等，则选定主要切削方向为X轴正方向，如图1-15所示。

3）Y轴。Y坐标垂直于X、Z坐标轴，并按照右手笛卡尔坐标系来确定。

4）旋转运动A、B、C轴。在确定了X、Y、Z坐标的正方向后，可按右手螺旋定则确定A、B、C坐标的正方向。

图1-13 卧式车床

图1-14 立式升降台铣床

图1-15 牛头刨床

图1-16 卧式升降台铣床

2．工件坐标系与工件坐标系原点

工件坐标系是编程人员在编程时使用的坐标系，也称编程坐标系或加工坐标系，它是编程人员根据零件图样及加工工艺等建立的坐标系。为了方便编程，首先在零件图上适当选定一个编程原点，该点应尽量设置在零件的工艺基准与设计基准上，并以该点作为坐标系的原点，再建立一个新的坐标系，称为工件坐标系，该编程原点称为工件坐标系原点。数控车床的机床坐标系、工件坐标系关系如图1-17所示，数控铣床的机床坐标系、工件坐标系关系如图1-18所示。

图1-17 数控车床的坐标系

图1-18 数控铣床的坐标系

工件坐标系用来确定编程与刀具的起点，确定时不必考虑工件毛坯在机床上的实际装夹位置。设定工件坐标系时应遵循的原则如下。

1）工件原点应尽量选在零件图的尺寸基准上，这样可以直接用图样标注的尺寸作为编程点的坐标值，减少数据换算的工作量。

2）工件原点应尽量选在尺寸精度高、粗糙度值低的工件表面上，以提高工件的加工精度。

3）对于对称的工件，最好将工件原点设在工件的对称中心上。

4）工件原点的选择要便于装夹、测量和检验工件。

3．机床参考点

机床数控装置通电后不知道机床零点的位置，为了正确地在机床工作时建立机床坐标系，通常在每个坐标轴的移动范围内（一般在X轴和Z轴的正方向最大行程处）设置一个机床参考点（测量起点）。机床启动时，通常要运行机动或手动返回参考点，以建立机床参考点到机床零点的距离。机床回了参考点，也就知道了该坐标轴的零点位置，找到所有坐标轴的参考点。CNC就建立了机床坐标系。

机床参考点是数控机床上一个特殊位置的点，它的位置由设置在机床X轴方向、Z轴方向滑板的机械挡块的位置确定。当刀架返回到机床参考点时，装在X轴方向和Z轴方向的滑板上的两挡块分别压下对应的开关，向数控系统发了信号，停止刀架滑板运动，即完成了回参考点的操作。

机床参考点距机床的原点在其进给轴方向上的距离在出厂时已确定，利用系统指定的自动返回参考点G28指令，可以使指令的轴自动返回到机床上的参考点。在机床通电后，刀架返回参考点之前，无论刀架处于什么位置，此时屏幕上显示的X、Z轴坐标值均为0。当完成了返回机床参考点的操作后，屏幕上立即显示刀架中心点（对刀参考点）在机床坐标系中的坐标值，即建立了机床坐标系。数控车床的参考点如图1-19所示；数控铣床的参考点如图1-20所示。

4．数控车床工件坐标系的确定

在数控车床上，工件坐标系原点一般设在右端面与主轴回转中心线交点O上。坐标系以机床主轴线方向为Z轴方向，刀具远离零件的方向为Z轴的正方向，接近零件的方向为负方向。X轴位于水平面且垂直于零件旋转轴线的方向，刀具远离主轴轴线的方向为X轴正方向。前置刀架卧式数控车床的坐标系与方向如图1-21a所示。

图1-19 数控车床的参考点

a）刀架前置的机床参考点 b）刀架后置的机床参考点

图1-20 数控铣床的参考点

5．数控铣床工件坐标系的确定

数控铣床与数控车床相比坐标轴增多了，其坐标系规定如下：不论机床的具体结构是工件静止、刀具运动，还是工件运动、刀具静止，确定坐标系时，一律看作工件静止，刀具产生运动。立式数控铣床的坐标系与方向如图1-21b所示。

Z轴的确定：一般取产生切削力的轴线（即主轴轴线）为Z轴，取刀具远离工件的方向为Z轴正方向。

X轴的确定：立式数控铣床，面对立柱，取右手方向为+X方向；卧式数控铣床，从主轴后端往前看，取右手方向为+X方向。

Y轴的确定：+Y的运动方向，根据X、Z坐标的运动方向，按照右手笛卡尔坐标系来确定。

图1-21 数控机床坐标轴及其运动方向示意图

a）卧式数控车床 b）立式数控铣床

1.2.2 数控加工工艺

1．数控加工工艺过程

（1）分析图样，确定加工方案 根据零件加工图样进行工艺分析，确定加工方案、工艺参数和位移数据，再选择合适的数控加工机床。

（2）定位与装夹工件 根据零件的加工要求，选择合理的定位基准；根据零件批量、精度和加工成本选择合适的夹具，完成工件的装夹与找正。

（3）选择与安装刀具 根据零件的加工工艺性和结构工艺性，选择合适的刀具材料与刀具种类，完成刀具的安装与对刀，并将对刀所得参数正确设定在数控系统中。

（4）编制数控加工程序 按照加工工艺要求，根据所用数控机床规定的指令代码及程序格式，将刀具的运动轨迹、位移量、切削参数（主轴转速、进给量、背吃刀量等），以及辅助功能（换刀、主轴正转/反转、切削液开/关等）编写成加工程序单，通过数控机床的操作面板输入程序；或用自动编程软件进行CAD/CAM工作，直接生成零件的加工程序文件，通过计算机的串行通信接口直接传输到数控机床的数控单元（MCU）。

（5）试切削、试运行并校验数控加工程序 将输入/传输到数控单元的加工程序，进行试运行、刀具路径模拟等，并进行首件的试切削。

（6）数控加工 通过对机床的正确操作，运行程序，完成零件的加工。

（7）工件的验收与质量误差分析 加工完毕，在工件入库前，应先进行工件的检验，并通过质量分析，找出误差产生的原因和纠正方法。

2．数控加工工艺过程的特点

（1）数控加工工艺内容具体、详细 数控加工的所有工艺问题，包括切削加工步骤、工夹具型号和规格、切削用量以及其他特殊要求等，都必须事先设计和安排好，并编入加工程序中。特别在自动编程时，更需要事先确定各种详细的工艺参数。

（2）数控加工工艺严密、精确 数控机床自动化程度高，自适应能力差。设计数控加工工艺时，必须精心考虑到加工过程中的所有问题，力求准确无误。

（3）零件图形的数学处理和编程尺寸设定值的计算 制订数控加工工艺要进行零件图形的数学处理和编程尺寸设定值的计算。编程尺寸并不是零件图上的设计尺寸，编程尺寸的合理确定必须根据零件尺寸公差要求和零件的形状几何关系重新调整计算。

（4）考虑进给速度对零件形状精度的影响 在一定数控系统下，进给速度越快，插补精度越低，导致工件的轮廓形状精度越差。

（5）强调刀具选择的重要性 由于数控机床比普通机床的刚度高，所配刀具质量好，因而在同等条件下，所采用的切削用量通常要比普通机床大，加工效率也较高。

（6）数控加工采用工序集中，其工序内容比普通机床加工的工序内容复杂 由于数控机床功能复合化程度越来越高，因此，工序集中是现代数控加工工艺的特点，明显表现为工序数量少，工序内容多而复杂。

（7）注意干涉问题 由于数控机床加工的零件比较复杂，因此在确定装夹方式和夹具设计时，要特别注意刀具与夹具、工件的干涉问题。

（8）程序的编写、校验与修改 数控加工程序的编写、校验与修改是数控加工工艺的一项特殊内容。

3．零件图样的工艺分析

（1）分析零件的几何要素 首先从零件图的分析中，了解工件的外形、结构，工件上须加工的部位及其形状、尺寸精度和表面粗糙度；了解各加工部位之间的相对位置和尺寸精度；了解工件材料及其他技术要求。从中找出工件经加工后，必须达到的主要加工尺寸和重要位置尺寸精度。

（2）分析了解工件的工艺基准 包括其外形尺寸、在工件上的位置、结构及其他部位的相对关系等。对于复杂工件或较难辨工艺基准的零件图，尚需详细分析有关装配图，了解该零件的装配使用要求，找准工件的工艺基准。

（3）了解工件的加工数量 不同的加工数量所采用的工艺方案也不同。

4．数控加工工序划分的原则

工序的划分可以采用两种不同的原则，即工序集中和工序分散的原则。

（1）工序集中的原则 将工件的加工集中在少数几道工序内完成，每道工序的加工内容较多。工序集中有利于采用数控机床、高效专用设备及工装。采用工序集中原则有利于保证加工精度（特别是位置精度）、提高生产率、缩短生产周期和减少机床数量，但专用设备和工艺装备投资大，调整维修比较麻烦，生产准备周期较长，不利于转产。

（2）工序分散原则 将工件的加工分散在较多的工序内进行，每道工序的加工内容很少。工序分散使用的设备及工艺装备比较简单，调整和维修方便，操作简单，转产容易；但工艺路线较长，所需设备及工人数量多，占地面积大。

1.2.3 数控编程方法

依据零件图及加工要求，将零件全部加工工艺过程及其他辅助动作，按动作顺序，用规定的标准指令、格式，编写成数控机床的加工程序，并进行检验和修改，该过程称为数控加工的程序编制，简称数控编程。数控编程分为手工编程和自动编程两种。

1．手工编程

手工编程是指主要由人工来完成数控编程中各个阶段的工作，包括分析零件图、确定工艺过程、数值计算、编写加工程序单、程序输入、程序校验等。对于加工形状简单的零件，手工编程比较简单，程序不复杂，而且经济、及时。因此，在点定位加工及由直线与圆弧组成的轮廓加工中，手工编程仍广泛应用。手工编程的方法与步骤如图1-22所示。

图1-22 手工编程的方法与步骤

2．自动编程

自动编程就是用计算机及相应编程软件编制数控加工程序的过程，也称为计算机辅助编程。常见软件有MasterCAM、UG、Pro/E、CAXA制造工程师等。自动编程的优点是效率高，程序正确性好，可以解决许多手工编程无法完成的复杂零件的编程难题；缺点是必须具备自动编程系统或编程软件。自动编程较适合于编制形状复杂零件的加工程序，如模具加工、多轴联动加工等场合。

根据输入方式的不同，自动编程可分为图形数控自动编程、语言数控自动编程和语音数控自动编程等。图形数控自动编程是指将零件的图形信息直接输入计算机，通过自动编程软件的处理，得到数控加工程序，其方法与步骤如图1-23所示。目前，图形数控自动编程是使用最为广泛的自动编程方式。语言数控自动编程指将加工零件的几何尺寸、工艺要求、切削参数及辅助信息等用数控语言编写成源程序后，输入到计算机中，再由计算机进一步处理得到零件加工程序。语音数控自动编程是采用语音识别器，将编程人员发出的加工指令声音转变为加工程序。

图1-23 自动编程的方法与步骤

1.2.4 数控编程步骤及主要内容

数控编程是指从零件图纸到获得数控加工程序的全部工作过程。数控编程的步骤一般如图1-24所示，其内容和说明见表1-3。

图1-24 数控编程的步骤

表1-3 数控编程的内容和说明

1.2.5 数控编程方式

1．数控车床的编程方式

（1）绝对坐标编程方式与增量（相对）坐标编程方式在数控车削程序编制过程中，有两种编程方式控制刀具的移动：一种是绝对坐标编程方式，另一种是增量（相对）坐标编程方式。在绝对坐标编程方式中，编程终点的坐标值和运动位置的坐标值是相对于固定坐标原点给出的；在增量（相对）坐标编程方式中，编程移动距离和运动位置的坐标值是相对于前一位置计算的。所有坐标点的坐标值均从编程原点计算的坐标系，称为绝对坐标系。绝对坐标常用X、Z表示，如图1-25a所示。坐标系中的坐标值是相对刀具前一位置（或起点）来计算的，称为增量（相对）坐标系。增量坐标常用U、W表示，与X、Z轴平行且同向，如图1-25b所示。

图1-25 绝对坐标与相对（增量）坐标

a）绝对坐标 b）相对（增量）坐标

编程中可根据图样尺寸的标注方式及加工精度要求选用，在一个程序段中可采用绝对坐标方式或增量坐标方式编程，也可采用两者混合编程。

在FANUC 0i数控系统中，当系统参数No.3402#3的值设为0时，开机默认绝对坐标编程，值设为1时，开机默认增量坐标编程。

（2）直径编程与半径编程 在数控车削编程中，X坐标值有两种表示方法，即直径编程和半径编程。由于零件在图样上的标注及测量多为直径表示，所以大多数数控车削系统采用直径编程。采用直径编程，在绝对坐标方式编程中，X值为零件的直径值；在增量坐标方式编程中，X为刀具径向实际位移量的两倍，如图1-26所示。采用半径编程，即X值为零件半径值或刀具实际位移量。

图1-26 直径编程

（3）小数点编程 数字单位以公制为例分两种，一种是以mm为单位，另一种是以脉冲当量即机床的最小输入单元为单位，现在大多数机床常用的脉冲当量为0.001mm，坐标值的默认为μm，所以在编程时坐标值的整数值后面需要加“.”或“.0”。如：

X40.0；（40mm）

X40；（40μm）

在FANUC 0i系统中，坐标值是否需要使用小数点编程由系统参数No.3401#0来决定，当值设为0时，设为最小单位，需要使用小数点来编程；当值设为1时，设为mm、inch、sec，整数值可以省略小数点。

2．数控铣床的编程方式

数控铣床上可以采用增量编程和绝对编程，但没有直径编程和半径编程之分。在采用不同的系统软件进行编程时，相同的加工零件所用到的指令不尽相同，但分析的方法一样。

1.2.6 数控加工程序的结构与格式

1．程序的结构

数控加工中，为使机床运行而送到CNC的一组指令称为程序。每一个程序都是由程序名（程序号）、程序主体（程序内容）和程序结束三部分组成。

（1）程序名（程序号）每一个独立的程序都应有程序名。程序名位于程序的开始部分，为程序的开始标记，供其在数控装置存储器中的程序目录中查找、调用。程序名由地址符和1～9999范围内的任意数字（最多4位，数字没有具体含义）组成，在FANUC系统中一般地址符为英文字母“O”，其他系统用“P”或“%”等。

（2）程序主体（程序内容）程序主体是整个程序的核心，由若干程序段组成，表示数控机床要完成的全部动作。每个程序段由若干个字组成，字即指令字，也称为功能字，由地址符和数字组成，是组成数控程序的最基本单元。不同的地址符及其后续数字组成了不同的指令字及含义。常用程序段号表示程序段的顺序，程序段号也叫程序段序号或顺序号，位于程序段之首，它的地址符是N，后续数字一般2～4位。可以在程序段前任意设置程序段号，也可以不写或不按顺序编号，或只在重要程序段前按顺序编号，以便检索。程序段号可以用在主程序、子程序和宏程序中。

（3）程序结束 程序结束一般用辅助功能代码M02（程序结束）或M30（程序结束，返回起点）等来表示，作为整个程序结束的标志，一般要求单列一段。

2．程序段的组成与格式

程序段格式是指一个程序段中的字、字符和数据的书写规则。程序段的格式可分为地址格式、分割顺序格式、固定程序段格式和可变程序段格式等。最常用的是可变程序段格式。

所谓可变程序段格式，就是程序段的长短、字数和字长都是可变的。它由程序段号字、数据字、程序段结束符组成。该格式的特点是对一个程序段中字的排列顺序要求不严格，数据的位数可多可少。

字地址可变程序段格式如下：

在程序段中表示地址的英文字母可分为尺寸字地址和非尺寸字地址两种。表示尺寸字地址的英文字母有X、Y、Z、U、V、W、P、Q、I、J、K、A、B、C、D、E、R、H共18个字母；表示非尺寸字地址有N、G、F、S、T、M、L、O等8个字母，其字母的含义见表1-4。

表1-4 程序段中各字母的含义

1.2.7 典型数控系统

当今世界上数控系统的种类规格极其繁多，目前在我国使用比较广泛的数控系统有日本富士通公司研制开发的FANUC数控系统、德国西门子公司研制开发的SIEMENS数控系统；国产系统的代表产品有广州数控、华中数控系统等。

在我国，应用于车床的FANUC数控系统主要有FANUC 18i-TA/TB、FANUC 0i-TA/TB/TC、FANUC 0 TD等。常用的SIEMENS数控系统除SIMEMENS 840D/C、SIMEMENS 810T/M等型号外，还有专门针对我国市场开发的SINUMERIK 802S/C base line、802D等型号的车床数控系统，其中802S系统采用步进电动机驱动、802C/D系统则采用伺服驱动，802系列数控系统的各种型号均有分别适用于车削加工和铣削加工的产品。

国内使用较多的数控系统还有日本的三菱数控系统和大森数控系统、法国的施耐德数控系统、西班牙的法格数控系统和美国的A-B数控系统等。各种数控系统指令各不相同，同一系统不同型号，其数控指令也略有差别，使用时应以数控系统说明书为准。

【思考与练习】

1．数控机床坐标系中，坐标轴位置和方向的判定方法分别是什么？

2．机床坐标系和工件坐标系的区别是什么？

3．什么是机床原点、机床参考点、工件坐标系原点？

4．简述数控加工的工艺过程。

5．数控编程的步骤与内容分别是什么？

6．简述数控加工程序的结构与格式。

模块2 数控车床编程与加工

模块2 数控车床编程与加工

2.1 数控车削基础知识

【学习目标】

1）了解数控车床的分类及应用范围。

2）掌握数控车削加工路线和顺序的确定原则。

3）熟悉数控车床常用车刀的种类、特点和装夹。

4）熟悉数控车削工件的装夹与找正方法。

5）掌握对刀点、换刀点和刀位点的确定。

6）熟练掌握切削用量的选择原则和方法。

【知识学习】

数控车床是集机械、电气、液压、气动、微电子和信息等多项技术为一体的机电一体化产品，是机械制造设备中具有高精度、高效率、高自动化和高柔性化等优点的工作母机。数控车床主要用于加工轴类、盘类等回转体零件。一般是将事先编好的数控加工程序输入到数控系统中，通过程序的运行，可自动完成内外圆柱面、圆锥面、成形表面、螺纹和端面等工序的切削加工，并能进行车槽、钻孔、扩孔、铰孔等工作。

2.1.1 数控车床的分类

数控车床品种、规格繁多，按照不同的分类标准，有不同的分类方法。

1．按车床主轴位置分类

（1）卧式数控车床 主轴轴线处于水平位置的数控车床。卧式数控车床又分为数控水平导轨卧式车床和数控倾斜导轨卧式车床，其中倾斜导轨结构可以使车床具有更大的刚性，并易于排除切屑。

（2）立式数控车床 主轴垂直于水平面的数控车床。立式数控车床有一个直径很大的圆形工作台，用来装夹工件。这类机床主要用于加工径向尺寸大、轴向尺寸相对较小的大型复杂零件。

2．按刀架数量分类

（1）单刀架数控车床 一般都配置有各种形式的单刀架，如四工位自动转位刀架或多工位转塔式自动转位刀架。

（2）双刀架数控车床 双刀架配置平行分布，也可以是相互垂直分布。

3．按功能分类

（1）经济型数控车床 它一般采用步进电动机驱动的开环控制系统，其控制部分通常采用单片机来实现，具有CRT显示、程序储存、程序编辑等功能，加工精度不高，主要用于精度要求不高，有一定复杂性的零件。

（2）普通数控车床 它是根据车削加工要求在结构上进行专门设计并配备通用数控系统而形成的数控车床，数控系统功能强，自动化程度和加工精度也比较高，适用于一般回转类零件的车削加工。这种数控车床可同时控制两个坐标轴，即X轴和Z轴。

（3）车削加工中心 它在普通数控车床的基础上，增加了C轴和动力头，更高级的数控车床带有刀库，可控制X、Z和C三个坐标轴，联动控制轴可以是（X、Z）、（X、C）或（Z、C）。由于增加了C轴和铣削动力头，这种数控车床的加工功能大大增强，除可以进行一般车削外，还可以进行径向和轴向铣削、曲面铣削、中心线不在零件回转中心的孔和径向孔的钻削等加工。

2.1.2 数控车床的组成

数控车床由数控装置、床身、主轴箱、刀架进给系统、尾座、液压系统、冷却系统、润滑系统、排屑器等部分组成。CK6136数控车床的组成如图2-1所示。

图2-1 CK6136数控车床

1—控制面板 2—自定心卡盘 3—刀架 4—主轴箱 5—照明灯 6—防护门 7—尾座 8—床身

2.1.3 数控车床的主要应用

数控车床主要用于轴类或盘类零件的内、外圆柱面，任意角度的内外圆锥面，复杂回转内外曲面和圆柱、圆锥螺纹等的切削加工，并能进行切槽、钻孔、扩孔、铰孔及镗孔等，特别适合加工形状复杂的零件。与传统车床相比，数控车床比较适合于车削具有以下要求和特点的回转体零件。

（1）精度要求高的回转体零件 由于数控车床的刚性好，制造和对刀精度高，以及能方便和精确地进行人工补偿甚至自动补偿，所以它能够加工尺寸精度要求高的零件。在有些场合可以以车代磨。此外，由于数控车削时刀具运动是通过高精度插补运算和伺服驱动来实现的，再加上机床的刚性好和制造精度高，所以它能加工对母线直线度、圆度、圆柱度要求高的零件。

（2）表面粗糙度要求高的回转体零件 数控车床能加工出表面粗糙度小的零件，不但是因为机床的刚性好和制造精度高，还由于它具有恒线速度切削功能。在材质、精车余量和刀具已定的情况下，表面粗糙度取决于进给速度和切削速度。使用数控车床的恒线速度切削功能，就可选用最佳线速度来切削，这样切出的粗糙度既小又一致。数控车床还适合于车削各部位表面粗糙度要求不同的零件。粗糙度小的部位可以用减小进给速度的方法来达到，而这在传统车床上是做不到的。

（3）轮廓形状复杂的回转体零件 数控车床具有圆弧插补功能，所以可直接使用圆弧插补指令来加工圆弧轮廓。数控车床也可加工由任意平面曲线所组成的轮廓回转零件，既能加工可用方程描述的曲线，也能加工列表曲线。如果说车削圆柱零件和圆锥零件既可选用传统车床也可选用数控车床，那么车削复杂转体零件就只能使用数控车床了。

（4）具有特殊类型螺纹的零件 传统车床所能切削的螺纹相当有限，它只能加工等节距的直、锥面公、英制螺纹，而且一台车床只限定加工若干种节距。数控车床不但能加工任何等节距直、锥面公、英制端面螺纹，而且能加工增节距、减节距，以及要求等节距、变节距之间平滑过渡的螺纹。数控车床加工螺纹时主轴转向不必像传统车床那样交替变换，它可以一刀又一刀不停顿地循环，直至完成，所以它车削螺纹的效率很高。数控车床还配有精密螺纹切削功能，再加上一般采用硬质合金成形刀片，以及可以使用较高的转速，所以车削出来的螺纹精度高、表面粗糙度值小。可以说，包括丝杠在内的螺纹零件很适合于在数控车床上加工。

（5）超精密、超低表面粗糙度值的零件 磁盘、录像机磁头、激光打印机的多面反射体、复印机的回转鼓、照相机等光学设备的透镜及其模具，以及隐形眼镜等要求超高的轮廓精度和超低的表面粗糙度值，它们适合于在高精度、高功能的数控车床上加工。以往很难加工的塑料散光用的透镜，现在也可以用数控车床来加工。超精加工的轮廓精度可达到0.1μm，表面粗糙度值可达Ra0.02μm。超精车削零件的材质以前主要是金属，现已扩大到塑料和陶瓷。

2.1.4 数控车削加工路线的确定

1．数控车削加工路线确定原则

加工路线是刀具在整个加工工序中相对于零件的运动轨迹，它是编写程序的主要依据。数控车削加工路线的确定应符合以下原则：

1）加工路线应能保证零件的加工精度和表面粗糙度要求，效率较高；

2）缩短走刀路线，减少进退刀时间和其他辅助时间；

3）方便数值计算，减少编程工作量；

4）尽量减少程序段数；

5）加工路线还应根据工件的加工余量和机床、刀具的刚度等具体情况确定。

2．走刀路线的确定

（1）循环切除余量 数控车削加工过程一般要经过循环切除余量、粗加工和精加工三道工序。

1）轴套类零件安排走刀路线的原则是轴向走刀、径向进刀，循环切除余量的循环终点在粗加工起点附近。

2）轮盘类零件安排走刀路线的原则是径向走刀、轴向进刀，循环切除余量的循环终点在粗加工起点附近。

3）铸锻件毛坯形状与加工后零件形状相似，为加工留有一定的余量。

（2）确定退刀路线 考虑退刀路线的原则，一是确保安全性，即在退刀过程中不与工件发生碰撞；二是考虑走刀路线最短，缩短空行程，提高生产效率。

数控车床常用以下三种退刀路线：

1）斜向退刀路线，如图2-2所示；

2）径、轴向退刀路线，如图2-3所示；

3）轴、径向退刀路线，如图2-4所示。

图2-2 斜向退刀路线

图2-3 径、轴向退刀路线

图2-4 轴、径向退刀路线

2.1.5 数控车削加工顺序的确定

加工顺序一般按基准面先行、先粗后精、先主后次、先近后远、内外交叉的原则确定。基准面先行就是用作精基准的表面应优先加工出来，因为定位基准的表面越精确，装夹误差就越小。如图2-5所示的工件，由于ϕ40mm外圆是同轴度的基准，所以应首先加工该表面，再加工其他表面。

先粗后精就是按照粗加工→半精加工→精加工的顺序，逐步提高加工精度。在粗加工中先切除较多毛坯余量，如图2-6所示切除双点画线部分，为精加工留下较少且均匀的加工余量；当粗加工后所留余量的均匀性不满足精加工的要求时，则需安排半精加工。一般精加工要按图样尺寸一次切出零件轮廓，并保证精度要求。

图2-5 基准面先行加工实例

先主后次就是先加工零件的主要工作表面、装配基面，从而能及早发现毛坯中主要表面可能出现的缺陷。次要表面可穿插进行，放在主要加工表面加工到一定程度后，最终精加工之前进行。

先近后远就是先加工距离对刀点近的部位，后加工距离对刀点远的部位，以便缩短刀具移动距离，减少空行程时间。如图2-7所示零件内孔精加工顺序依次是，先加工内圆锥孔，再加工ϕ30mm内孔，最后加工ϕ20mm内孔，这种加工方法便于缩短刀具的移动距离，减少空行程。

图2-6 先粗后精加工实例

图2-7 先近后远加工实例

内外交叉就是加工既有内表面（内型腔）又有外表面的零件时，应先进行内外表面粗加工，后进行内外表面精加工。

2.1.6 数控车床刀具的类型及其选用

车削加工有粗、精加工之分，应分别选择不同的刀具，每把刀都有特定的刀具号，以便数控系统识别。

刀具的选择是数控车削加工工艺设计的重要内容之一。为了适应数控车床加工精度高、加工效率高、加工工序集中及零件装夹次数少等要求，数控车床所用刀具不仅要求其刚性好、切削性能好、耐用度高，而且要求安装调整方便。

1．车刀的类型

（1）按车刀结构分类 车刀可分为整体式、焊接式及机械夹紧（机夹）式三大类。整体式车刀主要是整体式高速钢车刀，如图2-8a所示；焊接式车刀是将硬质合金刀片用焊接的方法固定在刀体上，经刃磨而成，如图2-8b所示；机夹式车刀是数控车床上用得比较多的一种车刀，它分为机夹式可重磨车刀（图2-8c）和机夹式可转位车刀（图2-8d）。在数控车床的加工过程中，通常根据被加工零件的结构来选择车刀的类型及角度。为了减少车刀的修磨时间和换刀时间，方便对刀，便于实现机械加工的标准化与自动化，在条件允许的情况下，应尽量使用标准化的机夹式可转位刀具。

图2-8 按刀具结构分类的数控车刀

a）整体式车刀 b）焊接式车刀 c）机夹式可重磨车刀 d）机夹式可转位车刀

（2）按加工部位和用途分类 数控车床用刀具可分为外圆车刀、内孔车刀、螺纹车刀、切断（槽）车刀等，常用车刀种类如图2-9所示。

图2-9 常用车刀的种类、形状和用途

1—切断（槽）车刀 2—90°反（左）偏刀 3—90°正（右）偏刀 4—弯头车刀 5—直头车刀

6—成形车刀 7—宽刃精车刀 8—外螺纹车刀 9—端面车刀 10—内螺纹车刀

11—内切槽车刀 12—通孔车刀 13—不通孔车刀

（3）按刀尖形状分类 数控车床上使用的刀具可分为尖形车刀、圆弧形车刀、成形车刀等，如图2-10所示。

尖形车刀是以直线形切削刃为特征的车刀。这种车刀的刀尖（同时也是其刀位点）由直线形的主、副切削刃构成，如90°内外圆车刀、左右端面车刀、切断（槽）车刀、其他刀尖倒棱很小的各种外圆和内孔车刀。

图2-10 按刀尖形状分类的数控车刀

圆弧形车刀的特征是，构成主切削刃的刀刃形状为圆度误差或线轮廓误差很小的圆弧，该圆弧状刃每一点都是圆弧形车刀的刀尖，因此，刀位点不在圆弧上，而在该圆弧的圆心上。圆弧形车刀可以用于车削内、外表面，特别适合于车削各种光滑连接（凹形）的成形面。

成形车刀俗称样板车刀，其加工零件的轮廓形状完全由车刀刀刃的形状和尺寸决定。常见的成形车刀有小半径圆弧车刀、非矩形车槽刀和螺纹车刀等。

2．机夹式可转位车刀刀片形状的选择

在数控车床的加工过程中，为了减少换刀时间和方便对刀，便于实现加工自动化，应尽量选用机夹式可转位刀片。常见的几种刀片形状如图2-11所示，主要根据被加工零件的表面形状、切削方法、刀具寿命和刀片的转位次数等因素选取。

图2-11 部分数控刀具的形状和名称

a）T形 b）F形 c）W形 d）S形 e）P形 f）D形 g）R形 h）C形

在选择刀片形状时要注意：虽然有些刀片的形状和刀尖角度相等，但由于同时参加切削的切削刃数不同，其型号也不相同；虽然有些刀片的形状相似，但其刀尖角度不同，其型号也不相同。

3．机夹式可转位车刀的选择

通常根据被加工零件的结构来选择车刀的类型和角度。数控车削加工时，为了减少车刀的修磨和换刀时间，便于实现机械加工的标准化，在条件允许的情况下，应尽量选用标准化的机夹式可转位车刀。在实际生产中，数控车刀主要根据数控车床回转刀架的刀具安装尺寸、工件材料、加工类型、加工要求及加工条件从刀具样本中查表确定，其步骤大致如下：

1）确定工件材料和加工类型（外圆、孔或螺纹）；

2）根据粗、精加工要求和加工条件确定刀片的牌号和几何槽形；

3）根据刀架尺寸、刀片类型和尺寸选择刀杆。

4．刀具的安装

在选择好合适的刀片和刀杆后，首先将刀片安装在刀杆上，再将刀杆依次安装到回转刀架上，之后通过刀具干涉图和加工行程图检查刀具安装尺寸。在刀具安装过程中应注意以下问题：

1）安装前保证刀杆及刀片定位面清洁，无损伤。

2）将刀杆安装在刀架上时，应保证刀杆方向正确。车刀刀杆中心线应与进给方向垂直，如图2-12所示，否则会使主偏角和副偏角的数值发生变化，如螺纹车刀安装歪斜会使螺纹牙型半角产生误差。车刀垫铁要平整，数量要少，垫铁应与刀架对齐。车刀至少要用两个螺钉压紧在刀架上，并逐个轮流拧紧。

图2-12 车刀装偏对主副偏角的影响

a）主偏角增大 b）装夹正确 c）主偏角减小

3）车刀刀尖应与车床主轴轴线等高。当车刀刀尖高于工件轴线时，后角减小，增大了车刀后刀面与工件间的摩擦；当车刀刀尖低于工件轴线时，前角减小，切削力增大，切削不顺利，如图2-13所示。

图2-13 装刀高低对前后角的影响

a）正确 b）太高 c）太低

4）车刀刀头伸出长度一般以刀杆厚度的1.5～2倍为宜。车刀安装在刀架上，伸出部分不宜太长，伸出过长会使刀杆刚度变差，切削时易产生振动，影响工件的表面质量。

2.1.7 工件的装夹与找正

在数控车床上加工零件，应按工序集中的原则划分工序，在一次装夹下尽可能完成大部分甚至全部表面的加工。数控车削加工时零件定位安装的基本原则与普通车床加工相同，常用装夹方式有：在自定心卡盘（即三爪自定心卡盘）上安装工件、在四爪单动卡盘上安装工件、在两顶尖间装夹工件和用一夹一顶的方法装夹工件。

1．在自定心卡盘上安装工件

自定心卡盘如图2-14所示，其特点是装夹简单、夹持范围大和自动定心，主要用于在数控车床装夹加工圆柱形轴类零件和套类零件，适用于装夹外形规则的中、小型工件，装夹大直径工件时经常用反爪装夹。自定心卡盘一般不需要找正，但装夹稍长些轴时，要用划线盘或凭眼力找正，以防工件右端不正。当需要二次装夹加工同轴度要求较高的工件时，必须对装夹好的工件进行同轴度的找正。

找正方法：将百分表固定在工作台面上，触头触压在圆柱侧母线的上方，然后轻轻手动转动卡盘，根据百分表的读数用铜棒轻敲工件进行调整，当再次旋转主轴百分表读数不变时，表示工件装夹表面的轴心线与主轴轴心线重合。

注意：应用自定心卡盘装夹已精加工过的表面时，被夹住的工件表面应包一层铜皮，以免夹伤工件表面。

2．在四爪单动卡盘上安装工件

四爪单动卡盘如图2-15所示，其特点是夹紧力较大，适用于装夹大型或形状不规则的工件。装夹直径较大的工件时，可采用反爪装夹或正爪反撑。由于四爪单动卡盘的四个卡爪各自独立运动，因此装夹工件时必须将加工部分的旋转中心找正到车床主轴旋转中心重合后才可车削，找正包括外圆找正和端面找正。找正的方法是用手转动卡盘，用划针或百分表测出工件的外圆与端面的间隙并进行调整。

图2-14 自定心卡盘

图2-15 四爪单动卡盘

3．在两顶尖间装夹

对于较长或必须经过多次装夹加工的轴类零件，或工序较多、车削后还要铣削和磨削的轴类零件，应采用两顶尖装夹，以保证每次装夹时的装夹精度。工件安装时用对分夹头或鸡心夹头夹紧工件一端，拨杆伸向端面。两顶尖只对工件有定心和支承作用，必须通过对分夹头或鸡心夹头的拨杆带动工件旋转，如图2-16所示，利用两顶尖定位还可加工偏心工件，如图2-17所示。

图2-16 两顶尖装夹工件

图2-17 两顶尖车削偏心轴

4．用一夹一顶的方法装夹工件

在车削较重的长轴时，常采用一夹一顶的装夹方法，即卡盘夹持一端，另一端用尾座上顶尖定位。该装夹方法刚性好，轴间定位准确，比较安全，能承受较大的轴向切削力。采用这种装夹方法时，为了防止工件轴向位移，必须在卡盘内装一限位支承。

2.1.8 对刀点、换刀点及刀位点的确定

1．对刀点

对刀点是指在数控车床上加工零件时，刀具相对于零件运动的起点。由于程序从该点开始执行，所以对刀点又称为“程序起点”或“起刀点”。对刀点可选在零件上，也可选在零件外面（如选在夹具上或机床上），但必须与零件的定位基准有一定的尺寸关系。

确定对刀点时应注意以下原则：

1）尽量与零件的设计基准或工艺基准一致；

2）便于用常规量具的车床上进行找正；

3）该点的对刀误差应较小，或可能引起的加工误差为最小；

4）尽量使加工程序中的引入或返回路线短，并便于换刀。

加工轴类零件时，为了提高加工精度，对刀点应尽量选在零件的设计基准或工艺基准上，坐标原点O（0，0），对刀点X向取毛坯直径，Z向一般在距离零件2mm处，如图2-18所示。加工套类零件和螺纹类零件时对刀点的确定如图2-19所示。

图2-18 轴类零件对刀点

图2-19 套类零件与螺纹类零件对刀点

2．换刀点

换刀点是零件程序开始加工或是加工过程中更换刀具的相关点，如图2-20所示。它是刀架转位换刀的位置。换刀点应设在零件或夹具的外部，以刀架转位时不碰工件、夹具和机床为准。

图2-20 换刀点的位置

3．刀位点

刀位点是指在加工程序编制中，用以表示刀具位置的点，各类车刀的刀位点如图2-21所示。每把刀的刀位点在整个加工中只能有一个位置。

图2-21 刀位点的位置

2.1.9 数控车床切削用量的确定

切削用量的大小对切削力、切削功率、刀具寿命、加工质量和加工成本均有显著影响。数控车削加工中的切削用量包括背吃刀量ap、进给量f和主轴转速n（切削速度vC）。合理选择切削用量，对加工质量、生产效率、生产成本等均有重要作用。

1．切削用量的选择原则

合理选择切削用量，就是在保证加工质量和刀具寿命的前提下，充分发挥机床性能和刀具切削性能，使切削效率最高，加工成本最低。粗、精加工时切削用量的选择原则如下。

（1）粗加工切削用量 粗加工以高效切除工件余量为主要目的，因此，在确定粗加工切削用量时，首先应选取尽可能大的背吃刀量ap；然后根据机床动力和刚性等限制条件，选取尽可能大的进给量f；最后根据刀具寿命要求，确定最佳主轴转速n。

（2）精加工切削用量 精加工时以保证零件加工质量（加工精度和表面粗糙度）为主要目的，因此，在确定精加工切削用量时，首先根据粗加工后的余量确定背吃刀量ap；然后根据已加工表面的粗糙度要求，选取较小的进给量f；最后在保证刀具寿命的前提下，选取尽可能高的主轴转速n。

2．切削用量的选择方法

合理地确定切削用量，包括合理地确定吃刀量ap、进给量f和主轴转速n。

（1）背吃刀量ap的确定 粗加工时，在工艺系统刚度和机床功率允许的情况下，尽可能选取较大的背吃刀量ap，除留下精加工余量外，一次走刀尽可能切除全部余量，也可分多次走刀，但尽量减少走刀次数，提高生产率。当零件精度要求较高时，通常留有0.2～0.5mm的精加工余量，可一次切除，以保证加工精度及表面质量。

对于中等功率机床，粗加工时背吃刀量ap可达8～10mm，半精加工时背吃刀量ap可取0.5～5mm，精加工时背吃刀量ap可取0.2～0.5mm。在工艺系统刚性不足、毛坯余量较大或余量不均匀时，粗加工要分几次进给，并将第一、二次进给的背吃刀量ap取大一些。精加工时，应一次切除，以保证加工精度及表面粗糙度。

（2）进给量f的确定 粗加工时，对工件表面质量没有太高要求，主要考虑机床进给机构、刀具的强度和刚性限制，这时可根据工件材料、刀杆尺寸、工件直径及已确定的背吃刀量ap大小来选择进给量f。精加工或半精加工时，应按表面粗糙度要求，根据工件及刀具材料、刀尖圆弧半径等来选择进给量f。硬质合金车刀粗车外圆及端面的进给量见表2-1；按表面粗超度选择进给量见表2-2。一般粗加工时，f=0.3～0.8mm/r；精加工时，f=0.1～0.3mm/r；切断时，f=0.05～0.2mm/r。

表2-1 硬质合金车刀粗车外圆及端面的进给量

表2-2 按表面粗糙度选择进给量

（3）主轴转速n的确定 主轴转速n应根据已选定的背吃刀量ap、进给量f及刀具耐用度来确定。可参考常用的切削用量手册或根据生产实践经验在机床说明书允许的切削速度范围内查表选取。粗加工或工件材料的加工性能较差时，宜选用较低的主轴转速n；精加工或刀具材料、工件材料的切削性能较好时，宜选用较高的主轴转速n。硬质合金外圆车刀切削速度参考值见表2-3。

表2-3 硬质合金外圆车刀切削速度参考值

切削用量的具体数值可参阅机床说明书、切削用量手册，并结合实际经验而确定，表2-4是参考了切削用量手册并结合学生实习的特点而确定的切削用量选择参考表。

表2-4 切削用量选择参考表

【思考与练习】

1．数控车床有哪些分类方法？按照各种分类方法，可将机床分为哪些类型？

2．简述数控车床的应用范围。

3．数控车削加工路线的确定原则是什么？

4．数控车削加工顺序的确定原则是什么？

5．数控车床常用车刀的种类及其特点分别是什么？

6．安装刀具时应注意哪些事项？

7．简述数控车削工件的装夹与找正方法。

8．数控车削加工中对刀点、换刀点及刀位点的确定方法分别是什么？

9．数控车床切削用量的选择原则和方法分别是什么？

2.2 数控车床基本操作

【学习目标】

1）熟悉数控车床的操作步骤。

2）掌握数控车床的手动操作、程序输入与编辑、MDI操作、自动加工方式。

3）熟练掌握数控车床常用对刀方法。

【知识学习】

2.2.1 面板功能

1．FANUC-0i数控系统操作面板

操作者对机床操作通过人机对话界面实现，数控机床的人机对话界面由CRT/MDI数控操作面板（数控系统操作面板）和机床操作面板（机床控制面板）两部分组成。只要采用相同的系统，CRT/MDI操作面板都是相同的。图2-22所示为FANUC-0i数控系统操作面板，该面板中各键的名称及用途见表2-5。

图2-22 FANUC-0i数控系统操作面板

表2-5 各功能键说明

（续）

2．FANUC-0i系统机床操作面板

对于机床操作面板，由于生产厂家的不同而有所不同，主要是在按钮或旋钮的设置方面有所不同。FANUC-0i系统的机床操作面板中各键的名称及用途见表2-6。

表2-6 FANUC-0i系统操作面板各键的名称及用途

（续）

（续）

2.2.2 手动操作

（1）开机前机床检查 首先进行开机前各项检查，确定没有问题后，打开机床的总电源及系统电源；然后检查控制面板上的各指示灯是否正常，屏幕显示是否正常，各按钮开关是否处在正常位置，是否有报警显示。如有报警，说明系统可能发生故障，需立即检查。

（2）激活机床 检查急停按钮是否松开，若未松开，则按急停按钮，将其松开。

（3）回零 机床零点（机床参考点）是生产厂家在设计机床时确定的。一般设定在各个坐标轴的正向极限位置。回零（回机床参考点）的操作，是使刀具或工作台回到机床零点，即建立起机床坐标系。开机后、机床断电后再次接通数控系统电源时、超过行程报警解除以后、紧急停止按钮按下后均须先操作机床回零点。机床只有在回原点之后，自动方式和MDI方式才有效，回零还可以消除由于工作台漂移、变形所造成的误差。回零操作步骤如下。

1）按机械回零按钮回零，使机械回零指示灯亮。

2）先将X轴方向回零：在回零模式下，按下按钮+X，此时X轴将回零，相应操作面板上X轴的指示灯亮，同时CRT上的X坐标值变为“0.000”；再将Z轴方向回零：按下按钮+Z，可以将Z轴回零，操作面板上Z轴的指示灯亮，同时CRT上的Z坐标值变为“0.000”，机械回零结束。

（4）手动/连续方式 首先在操作面板中按下按钮JOG切换到手动模式JOG上；然后使用按钮+X、+Z和可以快速准确地移动机床；最后按下正转和停止按钮，控制主轴的转动、停止。在使用该方式切削零件时，应注意首先使主轴转动。

（5）手动/手轮方式 在手动/连续加工或在对刀过程中，需精确调节机床时，可用手轮方式调节机床。

1）调节控制面板上按钮×1、×10或×100档。其中×1为0.001mm，×10为0.01mm，×100为0.1mm。

2）配合移动方向开关，进行手轮精确调节机床。

3）按下正转和停止按钮，来控制主轴的转动、停止。

2.2.3 程序输入与编辑

经过导入数控程序操作后，按下操作面板中按钮编辑切换到编辑方式，在系统操作面板上按PROG键，进入编辑页面，然后进行如下输入与编辑。

（1）显示数控程序目录 按软键“Lib”，数控程序名显示在CRT界面上。

（2）选择一个数控程序 键入程序名“Oxxxx”，然后按“↓”开始搜索。找到后，“Oxxxx”显示在屏幕右上角程序号位置，数控程序显示在屏幕上。该操作除了在编辑方式下进行外，还可在自动方式下进行。

（3）删除一个数控程序 键入程序名“Oxxxx”，然后按DELETE键，程序即被删除。

（4）新建一个数控程序 键入新建程序名“Oxxxx”（注意新建程序名不能与已有程序号重复），然后按INSERT键，开始输入程序。每输入一个代码，按INSERT键，输入域中的内容显示在CRT界面上，用回车换行键EOBE结束一行的输入后换行。

系统操作面板上的数字/字母键，第一次按下时输入的是字母，以后再按下时均为数字。若要再次输入字母，须先将输入域中已有的内容显示在CRT界面上（按INSERT键，可将输入域中的内容显示在CRT界面上）。

（5）删除全部数控程序 键入“O-9999”，然后按DELETE键，即删除全部数控程序。

（6）编辑程序 选定了一个数控程序后，此程序显示在CRT界面上，可对数控程序进行编辑操作。

1）按翻页键或翻页，按→、←、↑、↓键移动光标。

2）先将光标移到所需位置，单击系统操作面板上的数字/字母键，将代码输入到输入域中，按INSERT键，把输入域的内容插入到光标所在代码后面。

3）按CAN键用于删除输入域中的数据。

4）先将光标移到所需删除字符的位置，按DELETE键，删除光标所在的代码。

5）输入需要搜索的字母或代码，然后按↓键，开始在当前数控程序中光标所在位置后搜索。如果此数控程序中有所搜索的代码，则光标停留在找到的代码处；如果此数控程序中光标所在位置后没有所搜索的代码，则光标停留在原处。代码可以是一个字母或一个完整的代码，如“N0010”“M”等。

6）先将光标移到所需替换字符的位置，然后将替换成的字符通过系统操作面板输入到输入域中，最后按ALTER键，把输入域的内容替代光标所在的代码。

（7）保存程序 编辑好的程序需要进行保存操作。

按下操作面板中的编辑按键，选择编辑方式，在系统操作面板上按PROG键，进入编辑页面。按软键“操作”，在出现的下级子菜单中按软键►，然后按软键“穿孔”，在弹出的对话框中输入文件名，选择文件类型和保存路径，最后按保存按钮确定或按CAN按钮取消保存操作。

2.2.4 MDI（MDA）操作

1）按下操作面板上的MDI按键，选择MDI方式，进行MDI操作。

2）在MDI键盘上按PROG键，进入编辑页面。

3）输写数据指令：在输入键盘上单击数字/字母键，第一次单击为字母输出，其后均为数字输出。字符显示在输入域中，可以作取消、插入、删除等修改操作。

4）按CAN键，删除输入域中的数据。

5）按MDI键盘上的INPUT键，将输入域中的内容输入到指定位置。

6）按RESET键，已输入的MDI程序被清空。

7）输入完整数据指令后，按运行控制按钮启动运行程序。运行结束后CRT界面上的数据被清空。

使用该方式时，可重复输入多个指令字，若重复输入同一指令字，后输入的数据将覆盖前输入的数据，重复输入M指令也会使后输入的M指令覆盖前输入的M指令。

2.2.5 对刀

对刀的目的是通过刀具或对刀工具确定工件坐标系与机床坐标系之间的空间位置关系，并将对刀数据输入到相应的存储位置。它是数控加工中最重要的操作内容，其准确性将直接影响零件的加工精度。对刀常用的方法有试切对刀、机外对刀仪对刀和自动对刀三种。

1．试切对刀

如图2-23所示，试切对刀的方法如下。

图2-23 试切对刀

（1）设置主轴转动指令，使主轴转动 按下MDI键，按PROG键，输入“M03”，按INSERT；输入“S600”，按INSERT，再按启动。

（2）X方向对刀在手动JOG方式下移动刀架使其靠近零件，车削外圆，车削长度至能用测量工具测量外圆直径即可。车削后不移动X轴，仅+Z方向退刀。退出足够距离后按下停止键。待主轴停止转动后，测量已切削外圆的直径，例如28.86mm。按OFFSET/SETTING键，然后按[形状]下的软功能键，用↓键或↑键移动光标到相应刀号的位置，如1号刀在G01，输入X直径28.68mm，按INPUT键，完成X方向对刀，如图2-24所示。

（3）Z方向对刀在手动JOG方式下按主轴正转键使主轴转动，移动刀架使其靠近零件，车削端面。不移动Z轴，仅+X方向退刀，退出足够距离后按下主轴停止键，按OFFSET/SETTING键，然后按[形状]下的软功能键，用↓键或↑键移动光标到相应刀号的位置，如1号刀在G01，输入“Z0”，按INPUT键，完成Z方向对刀，如图2-25所示。

图2-24 X轴对刀示意图

图2-25 Z轴对刀示意图

（4）刀尖R补偿量的设定 按“磨耗”下的软键，调光标至相应的刀号处，输入补偿值。

2．机外对刀仪对刀

机外对刀的本质是测量出刀具假想刀尖点到刀具台基准之间X及Z方向的距离。利用机外对刀仪可将刀具预先在机床外校对好，以便装上机床后，在对刀长度中输入相应刀具补偿号即可以使用，如图2-26所示。

3．自动对刀

自动对刀是通过刀尖检测系统实现的，刀尖以设定的速度向接触式传感器接近，当刀尖与传感器接触并发出信号，数控系统立即记下该瞬间的坐标值，并自动修正刀具补偿值。自动对刀过程如图2-27所示。

图2-26 机外对刀仪对刀

a）光学对刀仪 b）HPA刀具测量系统

图2-27 自动对刀

2.2.6 自动加工方式

1．自动/连续方式

在自动/连续方式下的自动加工流程如下。

1）检查机床是否机床回零。若未回零，先将机床回零。

2）导入数控程序或自行编写一段程序。

3）按下操作面板中的自动按键，选择自动运行方式，在系统操作面板上按PROG键，进入自动加工模式。

4）按下按钮启动，数控程序开始运行。

数控程序在运行过程中可根据需要暂停、停止、急停和重新运行。数控程序在运行时，如果按下按钮停止，程序暂停运行，再次按下该按钮，程序从暂停行开始继续运行；如果按下急停按钮，数控程序中断运行，继续运行时，先将急停按钮松开，再按按钮启动，余下的数控程序从中断行开始作为一个独立的程序执行。

2．自动/单段方式

在自动/单段方式下的自动加工流程如下。

1）检查机床是否机床回零。若未回零，先将机床回零。

2）导入数控程序或自行编写一段程序。

3）按下操作面板中的自动按键，选择自动运行方式，在系统操作面板上按PROG键，进入自动加工模式。

4）按下单步开关按钮单段，使按钮灯变亮。

5）按下按钮启动，数控程序开始运行。

自动/单段方式执行每一行程序，均需按下一次按钮启动。根据需要调节进给速度（F）调节旋钮，来控制数控程序运行的进给速度，调节范围从0～120%。按RESET键，可使程序重置。

3．检查运行轨迹

NC程序导入后，可检查运行轨迹。

按下操作面板中的自动按键，选择自动运行方式，按下控制面板中的命令，转入检查运行轨迹模式；再按下操作面板上的按钮启动，即可观察数控程序的运行轨迹。检查运行轨迹时，暂停运行、停止运行、单段执行等同样有效。

【思考与练习】

1．简述数控车床的操作步骤。

2．简述数控车床的开机与回参考点、机床基本操作步骤。

3．简述数控程序的输入与编辑方法。

4．数控车床常用对刀方法的种类及其注意事项分别是什么？

5．简述自动加工方式的操作方法。

2.3 轴类零件编程与加工

【学习目标】

1）熟悉FANUC数控系统常用功能。

2）理解并掌握左倒角、宽槽、窄槽、外圆锥面的加工方法。

3）熟练掌握G00、G01、G04、G40、G41、G42、G90、G94、G71、G72、G73、G70等指令的指令格式，并能正确使用以上指令编写程序。

4）理解并掌握子程序的功能及应用。

5）熟练掌握M98、M99指令的指令格式，并能正确使用该指令编写程序。

【知识学习】

2.3.1 简单阶梯轴零件

1．阶梯轴的车削方法

阶梯轴的车削方法分为低台阶车削和高台阶车削。低台阶车削时，因相邻两圆柱体直径差较小，可用车刀一次切出；高台阶车削时，因相邻两圆柱体直径差较大，需采用分层切削。

2．编程尺寸计算

单件小批量生产时，精加工零件轮廓尺寸偏差相差较大时，编程应取极限尺寸的平均值，即：

3．FANUC数控系统常用功能

（1）准备功能 因其地址符规定为G，所以准备功能也称为G功能或G指令。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指令由地址符G和其后的两位（00～99）或三位数字（非标准化规定）组成。G指令分若干组，有模态和非模态指令之分。模态指令也称续效指令，按功能分为若干组。模态指令一经程序段中指定，便一直有效，直到出现同组另一指令或被其他指令取消时才失效，与上一段相同的模态指令可省略不写（如G00、G01指令）。非模态指令也称非续效指令，仅在出现的程序段中有效，下一段程序需要时必须重写（如G04指令）。

目前，G代码标准化程度不是很高，在具体编程时必须按照所用的数控系统说明书的具体规定使用，切不可盲目套用。FANUC系统常用准备功能见表2-7。

表2-7 FANUC系统常用准备功能

（续）

注意：

1）不同操作系统的指令格式可能不同，编程时要参照所使用机床的说明书。

2）“00”组的G代码为非模态指令，其余为模态指令。

3）如果同组的G代码出现在同一程序段中，则最后一个G代码有效。

4）在固定循环中，如果遇到01组的G代码，固定循环被取消。

5）在编程时，G指令前面的0可省略，例如G00、G01、G02、G03、G04可简写为G0、G1、G2、G3、G4。

（2）辅助功能 因其地址符规定为M，所以辅助功能也称为M功能或M指令。它是控制机床或系统辅助动作的指令，可用于指定主轴的旋转方向、启动、停止，冷却液的开关，工件或刀具的夹紧或松开，刀具的更换等功能。辅助功能指令由地址符M和后面的两位数字组成。FANUC系统常用辅助功能见表2-8。

表2-8 FANUC系统常用辅助功能

注意：

1）通常情况下，一个程序段一般只允许出现一个M指令，若同时出现两个以上，则最后面的M指令有效，前面的M指令将被忽略而不执行。一个程序段中是否只有一个M指令有效，取决于系统参数的设定。在FANUC系统中，当参数No.3404#7的值设为0时，一个程序段中只有一个M指令有效；值设为1时，一个程序段中最多允许3个M指令有效。

2）当一个程序段中指定了运动指令和辅助功能时，有两种执行顺序，一种是运动指令和辅助功能同时执行，另一种是运动指令执行完成后执行辅助功能，具体选择哪种顺序取决于机床制造商，应查询机床制造商发行的说明书。

3）不同操作系统指令格式可能有所不同，编程时要参照所使用机床的说明书。

（3）主轴转速功能（S功能）主轴转速功能又称为S功能，用于指定主轴转速，由地址符S和后面的若干位数字表示。主轴转速功能有恒线速度（单位为m/min）和恒转速（单位为r/min）两种指令方式，分别由指令G96、G97指定。用G96指令指定转速时，主轴的转速会随工件直径的变小而增大，为防止飞车，可利用G50指令来限制主轴的最高转速。例如：

G50 S2000；（指定主轴最高转速为2000r/min）

G96 S100；（指定主轴转速为恒线速度100m/min）

G97 S800；（指定主轴转速为800r/min）

一个程序段只可以使用一个S代码，不同程序段可根据需要改变主轴转速。

（4）进给功能（F功能）进给功能又称为F功能，用于指定刀具中心运动时的进给量，由地址符F和后面若干位数字构成。进给功能通常有三种形式：第一种是刀具每分钟的进给速度，单位是mm/min，用G98指令指定，该指令在F后面直接指定刀具每分钟的进给速度；第二种是主轴每转一转刀具的进给量，单位是mm/r，用G99指令指定，该指令在F后面直接指定主轴转一转时刀具的进给量；第三种是螺纹导程，单位是mm，用G32、G92或G76指令指定。G98为模态指令，在程序中指定后，直到G99被指定前一直有效。G99为模态指令，在程序中指定后，直到G98被指定前一直有效。在编程中一个程序段只可使用一个F代码，不同程序段可根据需要改变进给量。例如：

G98 F30；（指定进给速度为30mm/min，如图2-28a所示）

G99 F0.2；（指定进给量为0.2mm/r，如图2-28b所示）

G32（G92、G76）F2.0；（指定螺距为2.0mm，如图2-28c所示）

图2-28 切削进给功能

a）每分钟进给 b）每转进给 c）螺纹切削进给

（5）刀具功能（T功能）刀具功能又称为T功能，在自动换刀的数控机床中，该指令用于选择所需的刀具，同时还可用来指定刀具补偿号。T功能由地址符T和若干位数字组成，数字用来表示刀具号和刀具补偿号，数字的位数由系统决定。FANUC系统中的T功能由T和四位数字组成，前两位表示刀具号，后两位表示刀具补偿号。例如T0303，前03表示3号刀具，后03表示刀具补偿号。每把刀结束加工后要取消补偿，例如T0300，00表示取消3号刀具的补偿。

不同的数控系统，其指令不完全相同，使用者应根据使用说明书编写程序。

4．快速点定位指令G00

该指令命令刀具以点位控制方式从刀具所在点快速移动到目标位置，无运动轨迹要求，移动速度由机床参数和控制面板中的快速倍率控制。其指令格式：

说明：

1）“X（U）_Z（W）_”是目标点的坐标值。当采用绝对坐标编程时，数控系统在接受G00指令后，刀具将移至坐标值为X、Z的点上；当采用相对坐标编程时，刀具移至距当前点的距离为U、W值的点上。

2）G00指令主要用于使刀具快速接近或快速离开零件，旨在实现快速定位，移动速度一般较高，所以通常运用在刀具和工件没有接触的场合。

3）G00指令使刀具移动的速度是由机床系统设定的，用F指定的进给速度无效，无需在程序段中设定。坐标轴单独快移的移动速度由系统参数设定，在FANUC-0i系统中，G00的移动速度由参数No.1420设定。其实际执行速度由快速倍率控制，快速倍率为0时，是否移动由No.1401#4设定，当值设为0时，移动速度由参数No.1421设定；当值设为1时，不移动。空运行时G00是否有效由参数No.1401#6设定，当值设为0时，无效；当值设为1时，有效。

4）因为X轴和Z轴的进给速度不同，所以机床执行快速运动指令时两轴的合成运动轨迹不一定是直线，有如图2-29所示的两种情况，一种是同时到达终点，即A→B；另一种是两轴快移速度相同，即A→C→B。G00指令的运动轨迹由参数No.1401#1设定值来决定，当参数设为1时，两轴同时到达；当值设为0时，各轴以相同速度分别快移。因此在使用G00指令时，一定要注意避免刀具和工件及夹具发生碰撞。

图2-29 快速点定位

5）车削时，快速定位目标点不能选在零件上，一般要离开零件表面1～5mm。

如图2-29所示的定位指令如下：

5．直线插补指令G01

该指令命令机床刀具以一定的进给速度从当前所在位置沿直线移动到指令给出的目标位置，其应用举例如图2-30所示。其指令格式：

图2-30 G01指令的应用举例

a）车外圆 b）车槽 c）倒角

说明：

1）“X（U）_Z（W）_”是目标点的坐标值。当采用绝对坐标编程时，数控系统在接受G01指令后，刀具将移至坐标值为X、Z的点上；当采用相对坐标编程时，刀具移至距当前点的距离为U、W值的点上。

2）该指令用于直线或斜线运动，可使数控车床沿X轴、Z轴方向以F指定的进给速度执行单轴运动，也可以沿XZ平面内任意斜率的直线运动。F是切削进给量或进给速度，单位为mm/r或mm/min，在FANUC-0i系统中，当系统参数No.3402#4的值设为0时，开机默认mm/r；设为1时，开机默认mm/min。进给速度F指令后数值的单位也可以由程序指令来控制，当程序中使用G98指令时，进给速度的单位是mm/min；使用G99指令时，进给速度的单位为mm/r。

最大进给速度由参数No.1422设定，其实际执行速度可能受切削进给倍率控制（螺纹时无效）。在FANUC-0i系统中，当系统参数No.1401#1设定值为0时，切削进给倍率控制有效；设定值为1时，切削进给倍率控制无效。

3）用F指定的进给速度是刀具沿着直线运动的速度，当两个坐标轴同时移动时为两轴的合成速度。

4）G01指令用于完成端面、内圆、外圆、槽、倒角、圆锥面等表面的加工。

5）G00与G01指令均属同组的模态指令。

如图2-30a所示的直线运动指令如下：

如图2-30b所示的直线运动指令如下：

如图2-30c所示的斜线运动指令如下：

例2-1 使用CK6140A数控车床加工图2-31所示的零件，已知材料为45钢，毛坯尺寸为ϕ20mm×1000mm，设背吃刀量为2.5mm，所有加工面的表面粗糙度值为Ra3.2μm。试编写该零件的粗、精加工程序。

图2-31 阶梯轴

（1）工艺分析

该零件由三个外圆柱面组成，并有右倒角。零件材料为45钢，切削加工性能较好，有较高的表面粗糙度要求，无热处理和硬度要求。加工顺序按由粗到精、由右到左的原则，即从右向左先进行粗加工，后进行右倒角、精车，最后切断。

（2）确定加工路线

1）用自定心卡盘夹住毛坯，外伸40mm，找正。

2）对刀，设置编程原点O为零件右端面中心。

3）由右向左依次粗车外圆面。

4）由右向左依次精车端面、右倒角、精车外圆面；

5）切断。

（3）计算各点坐标

对具有公差的尺寸由公式编程尺寸=公称尺寸+计算如下：

ϕ11mm外圆的编程尺寸=11.025mm。

ϕ13．5mm外圆的编程尺寸=13.525mm。

20mm长度的编程尺寸=20mm。

各点坐标的计算结果见表2-9，示意图如图2-32所示。

图2-32 各点坐标

表2-9 各点坐标值

（4）选择刀具

1）选用硬质合金93°偏刀，用于粗、精加工零件各面、右倒角，刀尖半径R=0.4mm，刀尖方位T=3，置于T01刀位。

2）选硬质合金切刀（刀宽为4mm），以左刀尖为刀位点，用于切断，置于T03刀位。

（5）确定切削用量

工序的划分与切削用量的选择见表2-10。

表2-10 图2-31所示零件的切削用量

（6）参考程序

参考程序见表2-11。

表2-11 图2-31所示零件的参考程序

（续）

6．左倒角的加工方法

左倒角可采用切刀进行切削加工，一般安排在精加工外圆面之后，在切断工件之前完成。如图2-33所示，工件已经过粗加工和精加工，尺寸和表面粗糙度已经符合要求，接下来的任务就是进行左倒角和切断。

图2-33 左倒角示意图

加工程序如下所示：

例2-2 使用CK6140A数控车床加工图2-34所示的零件，已知材料为45钢，毛坯尺寸为ϕ45mm×1000mm，粗加工后留下0.25mm的精加工余量，要求所有加工面的表面粗糙度值为Ra1.6μm，试编制该零件的粗、精加工程序。

图2-34 左倒角阶梯轴

（1）工艺分析

该零件由两个外圆柱面组成，并有左、右倒角。零件材料为45钢，切削加工性能较好，有较高的表面粗糙度要求，无热处理和硬度要求。加工顺序按由粗到精、由右到左的原则，即从右向左先进行粗加工，然后进行右倒角、精车，最后进行左倒角、切断。

（2）确定加工路线

1）用自定心卡盘夹住毛坯，外伸75mm，找正。

2）对刀，设置编程原点O为零件右端面中心。

3）由右向左依次粗车外圆面。

4）由右向左依次精车端面、右倒角、精车外圆面。

5）进行左倒角、切断。

（3）计算各点坐标

各点坐标的计算结果见表2-12，示意图如图2-35所示。

表2-12 各点坐标值

图2-35 各点坐标

（4）选择刀具

1）选用硬质合金93°偏刀，用于粗、精加工零件各面、右倒角，刀尖半径R=0.4mm，刀尖方位T=3，置于T01刀位。

2）选硬质合金切刀（刀宽为4mm），以左刀尖为刀位点，用于左倒角、切断，置于T03刀位。

（5）确定切削用量

工序的划分与切削用量的选择见表2-13。

表2-13 图2-34所示零件的切削用量

（6）参考程序

参考程序见表2-14。

表2-14 图2-34所示零件的参考程序

（续）

2.3.2 外圆锥面

1．圆锥面的进给路线

在数控车床上车削外圆锥面可以分为车削正圆锥面和车削倒圆锥面两种情况，所使用的刀具一般与车削阶梯轴时的刀具相同，车削倒圆锥面时，要注意选用副偏角较大的刀具，使刀具副切削刃不与圆锥面相碰。车削正圆锥面常用图2-36所示的三种加工路线，车削倒圆锥面常用图2-37所示的两种加工路线。三种进给路线中，相似三角形进给路线加工质量较好，但计算较麻烦；终点相同三角形循环进给路线加工质量较差，但计算较简单；相等三角形循环进给路线空运行路程较长。

图2-36 正圆锥面的加工路线

a）相似三角形进给路线 b）终点相同三角形循环进给路线 c）相等三角形循环进给路线

图2-37 倒圆锥面的加工路线

a）相似三角形进给路线 b）终点相同三角形循环进给路线

2．刀具半径补偿指令

G41、G42、G40指令为刀具半径补偿指令。其指令格式：

编程时，通常都将车刀刀尖作为一点来考虑，但实际上为了延长车刀使用寿命，所选用刀具的刀尖不可能绝对尖锐，总有一个圆弧过渡刃，如图2-38所示。CNC车床使用粉末冶金制作的刀片，其刀尖半径R有0.2mm、0.4mm、0.6mm、0.8mm、1.0mm等多种。一般粗加工取0.8mm，半精加工取0.4mm，精加工取0.2mm。若粗、精加工采用同一把刀，一般刀尖半径取0.4mm。因此，刀具车削时，实际切削点是过渡刃圆弧与零件轮廓表面的切点。

图2-38 刀尖半径与理想刀尖

当用按理想刀尖点编出的程序进行端面、外圆、内圆等与轴线平行或垂直的表面加工时，刀具实际切削刃的轨迹与零件轮廓一致，是不会产生误差的。但在倒角、车削锥面时，则会产生欠切削误差；当切削圆弧时，则会产生过切削或欠切削现象，如图2-39所示。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。一般数控系统中均具有刀具补偿功能，可对刀尖圆弧半径引起的误差进行补偿，称为刀具半径补偿。具有刀尖圆弧自动补偿功能的数控系统能根据刀尖圆弧半径计算出补偿量，避免欠切削或过切削现象的产生。

刀具半径补偿的方法是在加工前，通过机床数控系统的操作面板向系统存储器中输入刀具半径补偿的相关参数：刀尖圆弧半径R和刀尖方位T。

编程时，按零件轮廓编程，并在程序中采用刀具半径补偿指令。当系统执行程序中的半径补偿指令时，数控装置读取存储器中相应刀具号的半径补偿参数，刀具自动沿刀尖方位T方向，偏离零件轮廓一个刀尖圆弧半径值R，如图2-40所示，刀具按刀尖圆弧圆心轨迹运动，加工出所要求的零件轮廓。

图2-39 车圆弧时产生的欠切削与过切削

图2-40 刀尖圆弧半径补偿

补偿方向：从刀具沿工件表面切削运动方向看，刀具在工件的左边还是在右边，因坐标系变化而不同，如图2-41所示。

补偿的原则取决于刀尖圆弧中心的动向，它总是与切削表面法向里的半径矢量不重合。因此，补偿的基准点是刀尖圆弧中心。通常，刀具长度和刀尖圆弧半径的补偿是按一个假想的切削刃为基准，因此为测量带来了一些困难。把这个原则用于刀具补偿，应当分别以X和Z的基准点来测量刀具长度和刀尖半径R。用于假想刀尖圆弧半径补偿所需的刀尖形式号0～9，如图2-42所示，其中“·”代表刀具刀位点A，“+”代表刀尖圆弧圆心O。

说明：

1）G40、G41、G42只能同G00/G01结合编程，不允许同G02/G03等其他指令结合编程。因此，在编入G40、G41、G42的G00与G01前后两个程序段中，X、Z应至少有一个值变化。

图2-41 补偿指令的方向

a）车削工件外表面 b）车削工件内表面

图2-42 车刀的形状和位置

a）后置刀架 b）前置刀架

2）在调用新刀具前必须用G40取消补偿。在使用G40前，刀具必须已经离开工件加工表面。

3）G40、G41、G42为模态指令。

4）G41、G42不能同时使用，即在程序中，前面程序段用了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。

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

6）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Δ，则粗加工时设置补偿量为r+Δ；精加工时设置补偿量为r即可。

例2-3 使用CK6140A数控车床加工如图2-43所示零件，已知材料为45钢，毛坯尺寸为ϕ45mm×1000mm，粗加工后留下0.25mm的精加工余量，要求所有加工面的表面粗糙度值为Ra1.6μm，试编制该零件的粗、精加工程序。

（1）工艺分析

该零件由外圆柱面和外圆锥面组成，材料为45钢，切削加工性能较好，有较高的表面粗糙度要求，无热处理和硬度要求。加工顺序按由粗到精、由右到左的原则，即从右向左先进行粗车，然后进行精车，最后切断。

图2-43 外圆锥面加工编程实例

（2）确定加工路线

1）用自定心卡盘夹住毛坯，外伸60mm，找正。

2）对刀，设置编程原点O为零件右端面中心。

3）由右向左依次粗车圆锥面及外圆。

4）由右向左依次精车右端面、圆锥面及外圆。

5）切断。

（3）计算各点坐标

各点坐标的计算结果见表2-15，示意图如图2-44所示。

表2-15 各点坐标值

图2-44 各点坐标

（4）选择刀具

1）选用硬质合金93°偏刀，用于粗、精加工零件各面，刀尖半径R=0.4mm，刀尖方位T=3，置于T01刀位。

2）选用硬质合金切刀（刀宽为4mm），以左刀尖为刀位点，用于切断，置于T03刀位。

（5）确定切削用量

工序的划分与切削用量的选择见表2-16。

表2-16 图2-43所示零件的切削用量

（6）参考程序

参考程序见表2-17。

表2-17 图2-43所示零件的参考程序

（续）

3．简单固定循环指令G90

在车削加工中，当切削余量较大时，通常要重复多次相同的走刀轨迹，此时可以利用固定循环指令。一个固定循环程序段可以指令多个单个程序段指定的加工轨迹，因此使用固定循环指令可以大大简化编程。G90指令为外圆及内孔车削循环指令，其指令格式：

说明：

1）使用G90指令加工轮廓表面时，利用一个程序段完成以下四个加工动作（外圆切削循环如图2-45a所示，外圆锥面切削循环如图2-45b所示；内圆切削循环如图2-45c所示，内圆锥面切削循环如图2-45d所示），走刀路线分别为A→B→C→D→A，其中：

AB段：快速进刀（相当于G00指令）；

BC段：切削进给（相当于G01指令）；

CD段：退刀（相当于G01指令）；

DA段：快速返回（相当于G00指令）。

图2-45 G90指令的应用

a）外圆切削循环 b）外圆锥面切削循环 c）内圆切削循环 d）内圆锥面切削循环

2）“X（U）_ Z（W）_”是目标点的坐标值。当采用绝对坐标编程时，X、Z为切削终点（C点）的绝对坐标值；当采用相对坐标编程时，U、W为切削终点（C点）相对循环起点（A点）的增量值。

3）F是切削进给量或进给速度，单位为mm/r或mm/min，取决于该指令前面程序段的设置。

4）R为车圆锥面时切削起点B相对于终点C的半径差值。该值有正负号：若B点半径值小于C点半径值，则R取负值；反之，R取正值。R为0时表示车削圆柱面，可省略不写。轴向切削循环指令运行轨迹的四种形状如图2-46所示。

图2-46 轴向切削循环指令运行轨迹的四种形状

a）U＞0，W＜0 b）U＜0，W＜0 c）U＞0，W＞0 d）U＜0，W＞0

5）G90指令适用于外圆柱面和外圆锥面或内孔面和内圆锥面毛坯余量较大的零件加工，该指令为简化编程指令，其功能可以用其他指令代替。

6）G90指令及指令中的各参数均为模态值，一经指定就一直有效，在完成固定切削循环后，可用另外一个同组G代码（例如G00）取消其作用。

7）执行该循环前，需利用程序将刀具定位到循环起点，然后开始执行G90，刀具每执行完一次G90，又回到循环起点，所以循环起点应选在工件毛坯的外面，循环起点（A点）应距离零件端面1～2mm。

8）在数控车床上利用G90指令车削外圆锥面可以分为车削正圆锥面和车削倒圆锥面两种情况，而每一种情况又有两种加工路线。车削正圆锥面的两种加工路线如图2-47所示，车削倒圆锥面的原理与车削正圆锥面相同，但其两种加工路线正好相反。如图2-47a所示的方法加工质量较好，但计算较麻烦；如图2-47b所示的方法加工质量较差，但计算较简单。

图2-47 固定循环指令（G90）车正圆锥面加工路线图例

a）加工质量较好 b）加工质量较差

例2-4 使用CK6140A数控车床加工如图2-34所示的阶梯轴零件，已知材料为45钢，毛坯尺寸为ϕ45mm×1000mm，要求所有加工面的表面粗糙度值为Ra1.6μm，试编制该零件的粗、精加工程序。

参考程序见表2-18。

表2-18 图2-34所示零件的参考程序

（续）

例2-5 使用CK6140A数控车床加工如图2-43所示圆锥面零件，已知材料为45钢，毛坯尺寸为ϕ45mm×1000mm，要求所有加工面的表面粗糙度值为Ra1.6μm，试编制该零件的粗、精加工程序。

参考程序见表2-19。

表2-19 图2-43所示零件的参考程序

（续）

4．端面固定循环指令G94

G94指令为外圆及内孔车削循环指令。其指令格式：

说明：

1）“X（U）_ Z（W）_”是目标点的坐标值。当采用绝对坐标编程时，X、Z为切削终点的绝对坐标值；当采用相对坐标编程时，U、W为切削终点相对循环起点的增量值。

2）“R_”为端面切削起点相对于终点的Z向有向距离（即端面切削终点到始点位移在Z轴方向上的投影矢量），当“R_”值为0时表示加工平端面，可以省略不写。

3）使用G94指令车削平端面时的进给轨迹如图2-48a所示，走刀路线为A→B→C→D→A；使用G94指令车削圆锥端面时的进给轨迹如图2-48b所示，走刀路线为A→B→C→D→A。其中R为快速移动，F为进给切削加工，即AB（G00）→BC（G01）→CD（G01）→DA（G00）。

图2-48 端面车削循环

a）车削平端面时的进给轨迹 b）车削圆锥端面时的进给轨迹

4）执行该循环指令前，需利用程序将刀具定位到循环起点，然后开始执行G94，并且要注意刀具每执行完一次G94后又回到循环起点。

5）由于X（U）_、Z（W）_和R_的数值在固定循环期间是模态的，所以如果没有重新指令X（U）_、Z（W）_或R_，则原来指定的数据有效。因此，当X轴移动量没有变化时，只要对Z轴指定移动指令，就可以重复固定循环。

6）G90与G94的区别。

① G90与G94的走刀轨迹相反，其切削位置不同。

② G90主要用于轴向余量比径向余量大的情况，如轴类零件，进行轴向切削节省时间；G94主要用于径向余量比轴向余量大的情况，如盘类零件，进行径向切削节省时间。

③在生产中，G90和G94所用的刀具不同。在练习中如果没有专门刀具而采用普通的90°外圆车刀，要特别注意此时刀具是用副切削刃进行切削，背吃刀量要小，否则很容易损坏刀具。

例2-6 使用CK6140A数控车床加工如图2-49所示零件，已知材料为45钢，毛坯尺寸为ϕ55mm×1000mm，要求所有加工面的表面粗糙度值为Ra3.2μm，试利用G94指令编制该零件的粗、精加工程序。

图2-49 端面车削循环加工实例

参考程序见表2-20。

表2-20 图2-49所示零件的参考程序

2.3.3 复合固定循环指令

复合固定循环指令可将多次重复动作用一个程序段来表示，只要在程序中给出最终走刀轨迹及重复切削次数，系统便会自动重复切削，直到加工完成。

1．外圆粗车循环指令G71

G71指令适用于用圆柱棒料粗车阶梯轴的外圆或内孔且需切除较多余量的情况。其指令格式：

说明：

1）该指令只需指定粗加工背吃刀量、精加工余量和精加工路线，系统便可自动给出粗加工路线和加工次数，完成各外圆表面的粗加工。如图2-50所示，A为刀具循环起点，执行粗车循环时，刀具从A点移动到C点，粗车循环结束后，刀具返回A点。G71指令运行轨迹的四种形状如图2-51所示。

图2-50 外圆粗车循环

2）指令中各项的意义说明如下：

Δd为每次切削的背吃刀量，即X轴方向的进刀，为半径值。一般45钢件取1.5～2mm，铝件取1.5～3mm。

图2-51 G71指令运行轨迹的四种形状

a）Δu＜0，Δw＞0 b）Δu＜0，Δw＜0 c）Δu＞0，Δw＞0 d）Δu＞0，Δw＜0

e为每次切削结束时的退刀量，为半径值。一般取0.5～1mm。

ns为指定精加工路线的第一个程序段的段号。

nf为指定精加工路线的最后一个程序段的段号。

Δu为X轴方向精加工余量，以直径值表示，一般取0.5mm。加工内径轮廓时，为负值。

Δw为Z轴方向精加工余量，一般取0.05～0.1mm。

Δf为粗车时的进给量。

2．端面粗车循环指令G72

指令格式：

说明：

1）除了切削方向不同外，该循环指令和G71指令基本相同。

2）当采用恒切削速度控制时，在A点和B点间的运动指令指定的G96或G97无效，而在G71程序段或以前的程序段指定的G96或G97有效。

3）A和A′之间的刀具轨迹是在包含G00或G01程序号为ns的程序段中指定的，并且在这个程序段中，不能指定X轴的运动指令。

4）顺序号ns～nf之间的程序段不能调用子程序。

5）顺序号ns～nf之间的程序段不再被执行，如果要执行需用G70调用。

6）其循环终点和起点重合。

7）G72指令适用于盘类零件的加工。

8）G71指令是U_R _，G72指令是W_ R_。

9）指令中各项的意义说明如下：

Δd为背吃刀量，不带符号，切削方向取决于AA′方向。

e为退刀量（FANUC-0i系统中可由参数No.5133设定，参数由程序指令改变）。

ns为指定精加工路线的第一个程序段的段号。

nf为指定精加工路线的最后一个程序段的段号。

Δu为X轴方向精加工余量，以直径值表示。

Δw为Z轴方向精加工余量。

f、s、t分别是F、S、T代码所赋的值，包含在ns～nf程序段中的任何F、S、T功能在循环中无效，而在G72程序段中的F、S、T功能有效。

ns～nf范围内必须符合X轴、Z轴形状单调递增或单调递减的原则。循环中可以进行刀具补偿。粗车端面时，加工过程走刀路线及各参数数值如图2-52所示，U、W指定值的符号如图2-53所示。

图2-52 端面粗车循环

3．固定形状粗车循环指令G73

G73指令用于零件毛坯已基本成形的铸件或锻件的加工。铸件或锻件的形状与零件轮廓相接近，这时若仍使用G71指令，则会产生许多无效切削而浪费加工时间。其指令格式：

图2-53 粗车端面时U、W指定值的符号

说明：

1）该指令只需指定粗加工循环次数、精加工余量和精加工路线，系统会自动算出粗加工的背吃刀量，给出粗加工路线，完成各外圆表面的粗加工，如图2-54所示。

图2-54 固定形状粗车循环

2）指令中各项的意义说明如下：

Δi为X轴方向总退刀量和方向，以半径值表示，即（毛坯直径-加工尺寸最小值）/2。当向+X轴方向退刀时，该值为正，反之为负。

Δk为Z轴方向总退刀量和方向，一般设定为0，当向+Z轴方向退刀时，该值为正，反之为负。

n s为指定精加工路线的第一个程序段的段号。

n f为指定精加工路线的最后一个程序段的段号。

Δu为X轴方向精加工余量，以直径值表示，一般取0.5mm。加工内径轮廓时，为负值。

Δw为Z轴方向精加工余量，一般取0.05～0.1mm。

Δf为粗车时的进给量。

4．精加工循环指令G70

G70指令用于切除使用G71或G73指令粗加工后留下的加工余量。其指令格式：

说明：

1）ns为指定精加工路线的第一个程序段的段号；nf为指定精加工路线的最后一个程序段的段号。

2）必须先使用G71或G73指令后，才可使用G70指令。

3）G70指令指定的ns～nf间的精加工程序段中，不能调用子程序。

4）在精加工循环G70状态下，ns～nf程序中指定的F、S、T有效；当ns～nf程序中不指定F、S、T时，粗加工循环（G71、G73）中指定的F、S、T有效。

5）精加工时的S也可以在G70指令前，在换精车刀时同时指定。

6）使用G71、G73、G70指令的程序必须储存于CNC控制器的内存中，即有复合循环指令的程序不能通过计算机以边传边加工的方式控制CNC机床。

例2-7 使用CK6140A数控车床加工如图2-34所示零件，已知材料为45钢，毛坯尺寸为ϕ45mm×1000mm，所有加工面的表面粗糙度值为Ra1.6μm，试采用G71、G70指令编制该零件的粗、精加工程序。

参考程序见表2-21。

表2-21 图2-34所示零件的参考程序

（续）

例2-8 使用CK6140A数控车床加工如图2-43所示零件，已知材料为45钢，毛坯已基本锻造成形，加工余量为20mm（直径值），用G73、G70指令编写零件的粗、精加工程序。设粗车循环次数为4次，精加工余量在X方向为0.5mm（直径值），Z方向为0.05mm。

参考程序见表2-22。

表2-22 图2-43所示零件的参考程序

（续）

2.3.4 槽

1．刀具的选择和刀位点的确定

切槽及切断时选用切刀，切刀有左右两个刀尖和位于切削中心处的三个刀位点，在编写加工程序时要采用其中之一作为刀位点，一般常用左刀尖作为刀位点。在整个加工程序中应采用同一个刀位点。

2．窄槽的加工方法

沟槽的宽度不大，采用刀头宽度等于槽宽的车刀，一次车出的沟槽称为窄槽。加工窄槽时用G01指令直进切削，如图2-55所示。对窄槽进行加工且精度要求不高时，可以选择刀头宽度等于槽宽的刀具采用横向直进切削而成，如图2-56所示。槽宽精度要求较高时可采用粗车、精车二次进给完成，即第一次进给车沟槽时沟槽两壁留有余量；第二次用等宽刀修整，并采用G04指令使刀具在槽底暂停几秒钟进行无进给光整加工，以提高槽底的表面质量，如图2-57所示。

图2-55 窄槽加工方法示意图

图2-56 精度要求不高的窄槽加工

图2-57 精度要求较高的沟槽加工

a）沟槽的粗加工 b）沟槽的精加工

3．进给暂停指令G04

G04指令控制系统按指定时间暂时停止执行后续程序段，暂停时间结束则继续执行。该指令为非模态指令，只在本程序段有效。其指令格式：

说明：

1）X、U、P为暂停时间。X、U后面可用带小数点的数，单位为s；如采用P值表示，P后面不允许用带小数点的数，单位为ms。

例如，要暂停2秒钟，可写成如下几种格式：

2）在车削沟槽或钻孔时，为使槽底或孔底得到准确的尺寸精度和光滑的加工表面，在加工到槽底或孔底时，应该暂停一段适当时间，使工件回转一周以上。

3）使用G96（主轴以恒线速度回转）车削工件轮廓后，改用G97（主轴以恒转速回转）车削螺纹时，指令应暂停一段时间，使主轴转速稳定后再执行车削螺纹，以保证螺距加工精度要求。

例2-9 使用CK6140A数控车床加工如图2-58所示零件，已知材料为45钢，毛坯尺寸为ϕ45mm×1000mm，要求所有加工面的表面粗糙度值为Ra1.6μm，试编制该零件的加工程序。

图2-58 窄槽加工实例

（1）工艺分析

该零件由外圆柱面、左倒角、窄槽、右倒角组成，材料为45钢，切削加工性能较好，有较高的表面粗糙度要求，无热处理和硬度要求。加工顺序按由粗到精、由右到左的原则，即从右向左首先粗车外圆，然后精车右倒角、精车外圆，最后切槽、左倒角、切断。

（2）确定加工路线

1）用自定心卡盘夹住毛坯，外伸75mm，找正。

2）对刀，设置编程原点O为零件右端面中心。

3）由右向左粗车外圆。

4）由右向左依次精车右端面、右倒角、精车外圆。

5）切槽、左倒角、切断。

（3）计算各点坐标

各点坐标的计算结果见表2-23，示意图如图2-59所示。

表2-23 各点坐标值

图2-59 各点坐标

（4）选择刀具

1）选用硬质合金93°偏刀，用于车右倒角和粗、精加工零件各面，刀尖半径R=0.4mm，刀尖方位T=3，置于T01刀位。

2）选用硬质合金切刀（刀宽为4mm），以左刀尖为刀位点，用于切槽、左倒角、切断，置于T03刀位。

（5）确定切削用量

工序的划分与切削用量的选择见表2-24。

表2-24 图2-58所示零件的切削用量

（6）参考程序

参考程序见表2-25。

表2-25 图2-58所示零件的参考程序

（续）

例2-10 使用CK6140A数控车床加工图2-60所示零件，已知材料为45钢，毛坯尺寸为ϕ45mm×1000mm，所有加工面的表面粗糙度值如图2-60所示，试分析该零件加工工艺并编写加工程序。

图2-60 外槽加工零件图

（1）工艺分析

该零件由外圆柱面和窄槽组成，材料为45钢，切削加工性能较好，有较高的表面粗糙度要求，无热处理和硬度要求。加工顺序按由粗到精、由右到左的原则，即从右向左先粗、精车外圆，然后切槽、切断。

（2）确定加工路线

1）用自定心卡盘夹住毛坯，外伸70mm，找正。

2）对刀，设置编程原点O为零件右端面中心。

3）由右向左粗车外圆。

4）由右向左精车右端面、倒角、车外圆。

5）切槽、切断。

（3）数值计算

对具有公差的尺寸由公式编程尺寸=公称尺寸+计算如下：

ϕ40mm外圆柱面的编程尺寸=39.958mm。

ϕ36mm外圆柱面的编程尺寸=35.969mm。

ϕ30mm外圆柱面的编程尺寸=29.974mm。

50mm长度的编程尺寸=50mm。

（4）选择刀具

1）选用硬质合金93°偏刀，用于粗、精加工零件各面，刀尖半径R=0.4mm，刀尖方位T=3，置于T01刀位。

2）选用硬质合金切刀（刀宽为3mm），以左刀尖为刀位点，用于切槽、切断，置于T03刀位。

（5）确定切削用量

工序的划分与切削用量的选择见表2-26。

表2-26 图2-60所示零件的切削用量

（6）参考程序

参考程序见表2-27。

表2-27 图2-60所示零件的参考程序

（续）

4．宽槽的加工方法

精度要求较高的宽槽加工可分几次进给，要求每次切削时刀具轨迹要有重叠的部分，并在沟槽两侧和底面留一定的精车余量，宽槽加工工艺路线设计如图2-61所示。

在切槽时，应注意合理安排切槽后的退刀路线，避免刀具与零件碰撞，造成车刀及零件的损坏。另外，切削刃宽度、切削速度和进给量都不宜太大。

例2-11 使用CK6140A数控车床加工图2-62所示零件，已知材料为45钢，毛坯尺寸为ϕ60mm×1000mm，要求所有加工面的表面粗糙度值为Ra1.6μm，试编制该零件的加工程序。

（1）工艺分析

该零件由外圆柱面和宽槽组成，材料为45钢，切削加工性能较好，有较高的表面粗糙度要求，无热处理和硬度要求。加工顺序按由粗到精、由右到左的原则，即从右向左先粗、精车外圆，然后切槽、切断。

图2-61 宽槽加工工艺路线设计

a）宽槽的粗加工 b）宽槽的精加工

图2-62 宽槽加工实例

（2）确定加工路线

1）用自定心卡盘夹住毛坯，外伸80mm，找正。

2）对刀，设置编程原点O为零件右端面中心。

3）由右向左粗车外圆。

4）由右向左精车右端面、外圆。

5）切槽、切断。

（3）计算各点坐标

各点坐标的计算结果见表2-28，示意图如图2-63所示。

表2-28 各点坐标值

图2-63 各点坐标

（4）选择刀具

1）选用硬质合金93°偏刀，用于粗、精加工零件各面，刀尖半径R=0.4mm，刀尖方位T=3，置于T01刀位。

2）选用硬质合金切刀（刀宽为4mm），以左刀尖为刀位点，用于切槽、切断，置于T03刀位。

（5）确定切削用量

工序的划分与切削用量的选择见表2-29。

表2-29 图2-62所示零件的切削用量

（6）参考程序

参考程序见表2-30。

表2-30 图2-62所示零件的参考程序

（续）

2.3.5 子程序功能及应用

在加工零件过程中，常会出现几何形态完全相同的加工轨迹，在程序编制中，就会有固定顺序的重复程序段出现。为使程序简化，可将有固定顺序重复出现的程序段编辑为子程序存放，再通过主程序按格式调出加工。子程序的编号与一般程序基本相同，只是用程序结束字M99表示子程序结束，并返回到调用子程序的主程序中。调用子程序指令为M98，结束子程序指令为M99，其编程格式：

其中P表示子程序调用情况。P后跟八位数，前四位为调用次数，后四位为所调用的子程序号。如M98 P00221033表示1033号子程序被调用22次，调用次数为1时可以省略，一个子程序最多可以被调用999次。

为进一步简化程序，可执行子程序调用另一个子程序，称为子程序的嵌套。子程序可以嵌套四级，如图2-64所示。

图2-64 子程序的嵌套

例2-12 使用CK6140数控车床加工如图2-65所示零件，已知材料为45钢，毛坯尺寸为ϕ45mm×1000mm，所有加工面的表面粗糙度值为Ra1.6μm。试编制该零件的加工程序。

图2-65 子程序加工零件编程实例

（1）工艺分析

该零件由凸圆弧面、外圆、圆锥面、宽槽等组成，有较高的表面粗糙度要求。零件材料为45钢，切削加工性能较好，无热处理和硬度要求。加工顺序按由粗到精、由右到左的原则，即先从右向左进行粗车，然后从右向左进行精车，最后切槽、切断。

（2）确定加工路线

1）用自定心卡盘夹住毛坯，外伸120mm，找正。

2）对刀，设置编程原点O为零件右端面中心。

3）由右向左依次粗、精车凸圆弧、外圆。

4）切槽、切断。

（3）选择刀具

1）选用硬质合金93°偏刀，用于粗、精加工凸圆弧、外圆，刀尖圆弧半径R=0.4mm，刀尖方位T=3，置于T01刀位。

2）选用硬质合金切刀（刀宽为4mm），以左刀尖为刀位点，用于切槽、切断，置于T03刀位。

（4）确定切削用量

工序的划分与切削用量的选择见表2-31。

表2-31 图2-65所示零件的切削用量

（5）参考程序

主程序见表2-32，子程序见表2-33。

表2-32 图2-65所示零件的参考程序（主程序）

表2-33 图2-65所示零件的参考程序（子程序）

2.3.6 典型零件编程与加工实例

例2-13 使用CK6140A数控车床加工如图2-66所示零件，已知材料为45钢，毛坯尺寸为ϕ45mm×1000mm，所有加工面的表面粗糙度值为Ra1.6μm。试用外圆粗车循环指令编写零件的加工程序，并在数控车床上将零件加工出来。

图2-66 轴类零件

1．编写程序

（1）工艺分析

该零件由多个圆柱面、圆锥面组成，有较高的表面粗糙度要求。零件材料为45钢，切削加工性能较好，无热处理和硬度要求。精加工时，提高主轴转速，减小进给量，以保证表面质量的要求。

（2）确定加工路线

1）用自定心卡盘夹住毛坯，外伸100mm，找正。

2）对刀，设置编程原点O为零件右端面中心。

3）由右向左依次粗、精车端面、外圆。

4）换刀，切宽槽、切断。

（3）计算各点坐标

各点坐标的计算结果见表2-34，示意图如图2-67所示。

表2-34 各点坐标值

（4）选择刀具

1）选硬质合金93°偏刀，用于粗、精加工端面、外圆，刀尖圆弧半径R=0.4mm，刀尖方位T=3，置于T01刀位。

图2-67 各点坐标

2）选硬质合金60°尖刀，用于粗、精加工外圆，刀尖圆弧半径R=0.4mm，刀尖方位T=8，置于T02刀位。

3）选硬质合金切刀（刀宽为4mm），以左刀尖为刀位点，用于切断，置于T03刀位。

数控加工刀具卡见表2-35。

表2-35 数控加工刀具卡

（5）确定切削用量

工序的划分与切削用量的选择见表2-36。

表2-36 图2-66所示零件的切削用量

（6）参考程序

参考程序见表2-37。

表2-37 图2-66所示零件的参考程序

（续）

（续）

（续）

2．加工零件

1）开机，各坐标轴手动回机床原点。

2）将刀具依次装上刀架。根据加工要求选择93°偏刀（刀尖半径R=0.4mm，刀尖方位T=3）、60°尖刀（刀尖半径R=0.4mm，刀尖方位T=8）、切刀（刀宽为4mm）各一把，其编号分别为T01、T02、T03，刀具材料采用硬质合金。

3）用自定心卡盘装夹工件。

4）用试切法对刀，并设置好刀具参数。

5）手动输入加工程序。

6）调试加工程序。手动把刀具从工件处移开，选择自动模式，调出加工程序，按下辅助键中的机械锁定、程序空运行两键，再按下启动键预演程序，检查刀具动作和加工路径是否正确。

7）确认程序无误后，即可进行自动加工。

8）取下工件，进行检测。选择游标卡尺和千分尺检测尺寸。

9）清理加工现场。

10）关机。

3．评分标准

评分标准见表2-38。

表2-38 评分表

【思考与练习】

1．FANUC数控系统常用功能有哪些？它们的作用分别是什么？

2．左倒角时，刀具的切削路线是什么？

3．简述窄槽与宽槽的加工步骤。

4．正圆锥面与倒圆锥面的进给路线分别有哪些？其特点分别是什么？

5．如图2-68所示，已知毛坯尺寸为ϕ65mm×1000mm，材料为45钢，设背吃刀量不大于2.5mm，所有加工面的表面粗糙度值为Ra1.6μm。试编写该零件的粗、精加工程序。

图2-68 习题5图

6．如图2-69所示，已知毛坯尺寸为ϕ20mm×1000mm，材料为45钢，设背吃刀量不大于2.5mm，所有加工面的表面粗糙度值为Ra3.2μm。试编写该零件的粗、精加工程序。

7．如图2-70所示，已知毛坯尺寸为ϕ60mm×1000mm，材料为45钢，设背吃刀量不大于2.5mm，所有加工面的表面粗糙度值为Ra1.6μm。试编写该零件的粗、精加工程序。

图2-69 习题6图

图2-70 习题7图

8．如图2-71所示，已知毛坯尺寸为ϕ85mm×1000mm，材料为45钢，设背吃刀量不大于2.5mm，所有加工面的表面粗糙度值为Ra1.6μm，试编写该零件的粗、精加工程序。

9．使用CK6140A数控车床加工如图2-72所示零件，已知毛坯尺寸为ϕ20mm×1000mm，材料为45钢，要求所有加工面的表面粗糙度值为Ra3.2μm，试编制该零件的加工程序。

图2-71 习题8图

图2-72 习题9图

2.4 套类零件编程与加工

【学习目标】

1）掌握套类零件的加工方法。

2）能熟练应用相关指令编写套类零件的加工程序。

【知识学习】

2.4.1 基础知识

1．孔的加工方法

孔加工在金属切削中占有很大的比重，应用广泛。孔加工的方法比较多，在数控车床上常用的方法有钻孔、扩孔、铰孔、镗孔等。

2．孔加工时切削用量的选择

孔加工时切削用量的选择见表2-39。

表2-39 孔加工时切削用量的选择

3．钻孔时的切削用量

高速钢钻头加工钢件时的切削用量见表2-40。

表2-40 高速钢钻头加工钢件的切削用量

例2-14 使用CK6140A数控车床加工如图2-73所示零件，材料为45钢，毛坯尺寸为ϕ45mm×1000mm，要求所有加工面的表面粗糙度值为Ra3.2μm，试分析零件加工工艺并编写加工程序。

图2-73 内圆加工零件

（1）工艺分析

该零件有端面、倒角、内圆，表面的粗糙度要求较高，应分粗、精加工，无热处理和硬度要求。因内圆尺寸为ϕ22mm，可用钻孔、粗镗孔、精镗孔的加工方式加工，加工顺序按由粗到精、由右到左的原则，即从右向左先钻底孔，然后粗镗孔，最后精镗孔。内圆ϕ22mm有尺寸精度要求，取极限尺寸的平均值进行加工。由于棒料较长，可采用一次装夹零件完成各表面的加工。

（2）确定加工路线

1）用自定心卡盘夹住毛坯，外伸60mm，找正。

2）对刀，设置编程原点O为零件右端面中心。

3）钻中心孔。

4）用ϕ20mm钻头手动钻内孔。

5）粗、精车外圆。

6）换镗刀，粗、精镗内圆。

7）换切刀，左倒角、切断。

（3）数值计算

对具有公差的尺寸由公式编程尺寸=公称尺寸+计算如下：

ϕ22mm孔的编程尺寸=22.011mm。

（4）选择刀具

1）中心钻，选ϕ20mm钻头置于尾座。

2）选用硬质合金93°偏刀，用于粗、精加工零件外圆，刀尖半径R=0.4mm，刀尖方位T=3，置于T01刀位。

3）选用硬质合金不通孔镗刀加工内圆，刀尖半径R=0.4mm，刀尖方位T=2，置于T02刀位。

4）选用硬质合金切刀（刀宽为4mm），以左刀尖为刀位点，用于左倒角、切断，置于T03刀位。

（5）确定切削用量

工序的划分与切削用量的选择见表2-41。

表2-41 图2-73所示零件的切削用量

（6）参考程序

参考程序见表2-42。

表2-42 图2-73所示零件的参考程序

（续）

例2-15 使用CK6140A数控车床加工如图2-74所示零件，材料为45钢，毛坯尺寸为ϕ45mm×1000mm，要求所有加工面的表面粗糙度值为Ra3.2μm，试分析零件加工工艺并编写加工程序。

图2-74 内圆锥面加工零件

（1）工艺分析

该零件有外圆、内圆锥面等加工表面，表面的粗糙度要求较高，应分粗、精加工，无热处理和硬度要求。因内圆锥面的尺寸为ϕ32mm→ϕ27mm，可用钻孔、粗镗孔、精镗孔的加工方式加工，加工顺序按由粗到精、由右到左的原则，即从右向左先钻底孔，然后粗镗孔，最后精镗孔。其中ϕ36mm、ϕ42mm、25mm有尺寸精度要求，取极限尺寸的平均值进行加工。由于棒料较长，可采用一次装夹零件完成各表面的加工。

（2）确定加工路线

1）用自定心卡盘夹住毛坯，外伸45mm，找正。

2）对刀，设置编程原点O为零件右端面中心。

3）钻中心孔。

4）用ϕ25mm钻头手动钻内孔。

5）粗、精车如图2-75所示外圆面。

图2-75 加工零件

6）换镗刀，粗、精镗内圆锥面。

7）换切刀，切断。

（3）数值计算

对具有公差的尺寸由公式编程尺寸=公称尺寸+计算如下：

ϕ36mm外圆的编程尺寸=35.983mm。

ϕ42mm外圆的编程尺寸=41.98mm。

长度25mm的编程尺寸=25mm。

对具有锥度的尺寸由公式计算如下：

∵ D2=32mm，C=1/5，L=25mm

∴ D1=D2-C·L=（32-1/5×25）mm=27mm

（4）选择刀具

1）中心钻，选ϕ25mm钻头置于尾座。

2）选用硬质合金93°偏刀，用于粗、精加工零件外圆，刀尖半径R=0.4mm，刀尖方位T=3，置于T01刀位。

3）选用硬质合金不通孔镗刀加工锥面台阶孔，刀尖半径R=0.4mm，刀尖方位T=2，置于T02刀位。

4）选用硬质合金切刀（刀宽为4mm），以左刀尖为刀位点，用于切断，置于T03刀位。

（5）确定切削用量

工序的划分与切削用量的选择见表2-43。

表2-43 图2-74所示零件的切削用量

（6）参考程序

加工外圆面参考程序见表2-44。

表2-44 图2-74所示零件的参考程序

（续）

例2-16 使用CK6140A数控车床加工如图2-76所示零件，材料为45钢，毛坯尺寸为ϕ50mm×1000mm，要求所有加工面的表面粗糙度值为Ra3.2μm，试分析零件加工工艺并编写加工程序。

图2-76 内圆弧面加工零件

（1）工艺分析

该零件有右倒角、外圆柱面、左倒角、内槽、内圆柱面等加工表面，表面的粗糙度要求较高，应分粗、精加工，无热处理和硬度要求。因孔的尺寸为ϕ20mm、ϕ25mm，可用钻孔、粗镗孔、精镗孔的加工方式加工，加工顺序按由粗到精、由右到左的原则，即从右向左先钻底孔，然后粗镗孔，最后精镗孔。其中ϕ20mm、ϕ25mm、30mm、40mm、15mm有尺寸精度要求，取极限尺寸的平均值进行加工。由于棒料较长，可采用一次装夹零件完成各表面的加工。

（2）确定加工路线

1）用自定心卡盘夹住毛坯，外伸60mm，找正。

2）对刀，设置编程原点O为零件右端面中心。

3）钻中心孔。

4）用ϕ18mm钻头手动钻内孔。

5）粗、精车外圆。

6）换镗刀，粗、精镗内圆弧面、内圆柱面。

7）换内槽刀，车内槽。

8）换切刀，切断。

（3）数值计算

对具有公差的尺寸由公式编程尺寸=公称尺寸+计算如下：

ϕ20mm内圆柱面的编程尺寸=20.026mm。

ϕ25mm外圆柱面的编程尺寸=25.026mm。

30mm长度的编程尺寸=30.05mm。

40mm长度的编程尺寸=40mm。

15mm长度的编程尺寸=15.05mm。

（4）选择刀具

1）中心钻，选ϕ18mm钻头置于尾座。

2）选用硬质合金93°偏刀，用于粗、精加工零件外圆，刀尖半径R=0.4mm，刀尖方位T=3，置于T01刀位。

3）选用硬质合金不通孔镗刀加工内圆弧面、内圆柱面，刀尖半径R=0.4mm，刀尖方位T=2，置于T02刀位。

4）选用硬质合金内槽刀（刀宽为4mm），以左刀尖为刀位点，用于切断，置于T03刀位。

5）选用硬质合金切刀（刀宽为4mm），以左刀尖为刀位点，用于左倒角、切断，置于T04刀位。

（5）确定切削用量

工序的划分与切削用量的选择见表2-45。

表2-45 图2-76所示零件的切削用量

（6）参考程序

参考程序见表2-46。

表2-46 图2-76所示零件的参考程序

（续）

2.4.2 典型零件编程与加工实例

例2-17 使用CK6150数控车床加工如图2-77所示套管，已知材料为45钢，毛坯尺寸为ϕ50mm×1000mm。试编写零件的加工程序，并在数控车床上加工出来。

图2-77 套管零件

1．编写程序

（1）工艺分析

该零件有外圆、端面、锥面台阶孔等加工表面，有较高的尺寸精度和表面粗糙度要求，应分粗、精加工。零件材料为45钢，切削加工性能较好，无热处理和硬度要求。加工顺序按由粗到精、由右到左、由外向内的原则，即先粗、精加工外圆，然后切断，最后粗、精加工锥面台阶孔。因孔的最小尺寸为ϕ20mm，可先后采用钻孔、粗镗孔、精镗孔的加工方式加工。其中ϕ20mm、ϕ30mm、ϕ36mm、ϕ40mm、ϕ48mm、17mm、30mm、40mm有尺寸精度要求，取极限尺寸的平均值进行加工。

（2）确定加工路线

1）利用自定心卡盘夹住工件右端，外伸60mm，找正。

2）对刀，设置编程原点O在右端面中心。

3）由右向左依次粗车外圆。

4）由右向左依次精车外圆。

5）切断。

6）掉头，用铜皮包ϕ48mm外圆面，利用自定心卡盘装夹工件，找正。

7）对刀，设置编程原点O在右端面中心。

8）手动钻中心孔。

9）用ϕ18mm钻头手动钻内孔。

10）换镗刀，粗、精镗锥面台阶孔。

（3）计算各点坐标

对具有公差的尺寸由公式编程尺寸=公称尺寸+计算如下：

ϕ20mm外圆的编程尺寸=20.015mm。

ϕ30mm外圆的编程尺寸=30.015mm。

ϕ36mm外圆的编程尺寸=36.015mm。

ϕ40mm外圆的编程尺寸=39.985mm。

ϕ48mm外圆的编程尺寸=47.985mm。

17mm长度的编程尺寸=17mm。

30mm长度的编程尺寸=30mm。

40mm长度的编程尺寸=40mm。

各点坐标的计算结果见表2-47，示意图如图2-78所示。

表2-47 各点坐标值

图2-78 各点坐标

（4）选择刀具

数控加工刀具卡见表2-48。

1）中心钻、ϕ18mm钻头置于尾座。

2）选用硬质合金93°偏刀，用于粗、精加工零件外圆，刀尖半径R=0.4mm，刀尖方位T=3，置于T01刀位。

3）选用硬质合金不通孔镗刀，用于粗、精加工锥面台阶孔，刀尖半径R=0.4mm，刀尖方位T=2，置于T02刀位。

4）选用硬质合金切刀（刀宽为4mm），以左刀尖为刀位点，用于切断，置于T03刀位。

表2-48 数控加工刀具卡

（5）确定切削用量

工序的划分与切削用量的选择见表2-49。

表2-49 图2-77所示零件的切削用量

（6）参考程序

加工外圆的参考程序见表2-50。

表2-50 图2-77所示零件的参考程序（加工外圆）

（续）

加工锥面台阶孔的参考程序见表2-51。

表2-51 图2-77所示零件的参考程序（加工锥面台阶孔）

2．加工零件

1）开机，各坐标轴手动回机床原点。

2）将刀具依次装上刀架。根据加工要求选择93°偏刀（刀尖圆弧半径R=0.4mm，刀尖方位T=3）、不通孔镗刀（刀尖圆弧半径R=0.4mm，刀尖方位T=2）、切刀（刀宽为4mm）各一把，其编号分别为T01、T02、T03，刀具材料采用硬质合金。在尾座上先后安装中心钻和ϕ18mm钻头。

3）用自定心卡盘装夹工件。

4）用试切法对刀，并设置好刀具参数。

5）手动输入加工程序。

6）调试加工程序。手动把刀具从工件处移开，选择自动模式，调出加工程序，按下辅助键中的“机械锁定”“程序空运行”两键，再按下“启动”键预演程序，检查刀具动作和加工路径是否正确。

7）确认程序无误后，即可进行自动加工。

8）取下工件，进行检测。选择游标卡尺和千分尺检测尺寸。

9）清理加工现场。

10）关机。

3．评分标准

评分标准见表2-52。

表2-52 评分表

【思考与练习】

1．应如何加工套类零件？

2．如图2-79所示，已知毛坯尺寸为ϕ50mm×1000mm，材料为45钢，设背吃刀量不大于2.5mm，所有加工面的表面粗糙度值为Ra1.6μm，试编写该零件的粗、精加工程序。

图2-79 习题2图

3．使用CK6140A数控车床加工如图2-80所示零件，材料为45钢，毛坯尺寸为ϕ45mm×1000mm，要求所有加工面的表面粗糙度值为Ra1.6μm，试编制该零件的加工程序。

图2-80 习题3图

2.5 成形面类零件编程与加工

【学习目标】

1）掌握凸圆弧面、凹圆弧面、内圆弧面的加工方法。

2）熟练掌握G02、G03指令的指令格式，并能正确使用以上指令编写程序。

【知识学习】

成形面加工一般分为粗加工和精加工。

圆弧加工的粗加工与一般外圆、锥面的加工不同。曲线加工的切削用量不均匀，背吃刀量过大，容易损坏刀具，在粗加工中要考虑加工路线和切削方法。其总体原则是保证背吃刀量尽可能均匀的情况下，减少走刀次数及空行程。

2.5.1 凸圆弧面、凹圆弧面零件

1．成形面加工方法

（1）粗加工凸圆弧表面 圆弧表面为凸表面时，通常有车锥法（斜线法）和车圆法（同心圆法）两种加工方法。

1）车锥法是用车圆锥的方法切除圆弧毛坯余量，如图2-81a所示。加工路线不能超过A、B两点的连线，否则会伤到圆弧的表面。车锥法一般适用于圆心角小于90°的圆弧。

图2-81 凸圆弧车削方式

a）车锥法 b）车圆法

2）车圆法是用不同的半径切除毛坯余量。此方法的车刀空行程时间较长，如图2-81b所示。车圆法适用于圆心角大于90°的圆弧粗车。

（2）粗加工凹圆弧表面 当圆弧表面为凹表面时，其加工方法有等径圆弧法（等径不同心）、同心圆弧法（同心不等径）、梯形法和三角形法。等径圆弧形式的计算和编程最简单，但走刀路线较其他几种方式长，如图2-82a所示；同心圆弧形式的走刀路线短，且精车余量最均匀，如图2-82b所示；梯形形式的切削力分布合理，切削率最高，如图2-82c所示；三角形形式的走刀路线较同心圆弧形式长，但比梯形、等径圆弧形式短，如图2-82d所示。

图2-82 凹圆弧车削方法

a）等径圆弧法 b）同心圆弧法 c）梯形法 d）三角形法

2．切削用量的选择

由于成形面在粗加工中常常出现切削不均匀的情况，背吃刀量应小于外圆及圆锥面加工的背吃刀量。一般粗加工背吃刀量取ap=1～1.5mm，精加工背吃刀量取ap=0.2～0.5mm，其进给速度也较低。

3．刀具的选择

加工成形面时，所使用的刀具一般为圆弧形车刀、尖形车刀和菱形车刀，如图2-83所示。圆弧形车刀用于切削内、外表面，特别适宜于车削各种光滑连接的成形面，其加工精度和表面粗糙度比尖形车刀高。圆弧形车刀的主要特征是构成主切削刃的刀刃形状为一条轮廓误差很小的圆弧，该圆弧刃每一点都是圆弧形车刀的刀尖，因此刀位点在圆弧的圆心上。在选用圆弧车刀切削圆弧时，切削刃的圆弧半径应小于或等于零件凹形轮廓上的最小曲率半径，以免发生加工干涉。尖形车刀和菱形车刀一般用于加工精度要求不高的成形面，选用时，一定要选择合理的副偏角，防止副切削刃与已加工圆弧面产生干涉，如图2-84所示。

图2-83 常用车削圆弧车刀

a）圆弧形车刀 b）尖形车刀 c）菱形车刀

一般加工圆弧半径较小的零件时，可选用成形圆弧车刀，刀具的圆弧半径等于零件圆弧半径，使用G01直线插补指令用直进法加工，如图2-85所示。

图2-84 刀具与已加工圆弧面产生干涉

图2-85 直进法

4．圆弧插补指令G02/G03

该指令命令刀具在指定平面内按给定的F进给速度做圆弧插补运动，用于加工圆弧轮廓。圆弧插补命令分为顺时针圆弧插补指令G02和逆时针圆弧插补指令G03两种，其指令示意图如图2-86所示。

图2-86 指令格式示意图

a）G02指令示意图 b）G03指令示意图

顺时针圆弧插补（G02）的指令格式：

逆时针圆弧插补（G03）的指令格式：

说明：

1）G02为顺时针方向圆弧插补，G03为逆时针方向圆弧插补。顺逆定义为从垂直于圆弧所在平面的坐标轴的正方向往负方向看到的回转方向（即加工平面内观察者迎着Y轴指向向-Y轴看的回转方向）。在两个坐标轴正方向的象限内，+X轴转向+Z轴为G02，+Z轴转向+X轴为G03。当数控车床采用前置刀架时，G02与G03的选择如图2-87a所示；当数控车床采用后置刀架时，G02与G03的选择如图2-87b所示。

图2-87 G02和G03的确定

a）前置刀架坐标系 b）后置刀架坐标系

2）“X（U）_Z（W）_”是目标点的坐标值，绝对坐标编程时，X、Z是圆弧终点坐标值，直径编程时X为实际坐标值的2倍；增量编程时，U、W是终点相对始点的距离。

3）圆心位置的指定可以用R，也可以用I、K，R为圆弧半径值；I、K为圆心在X轴和Z轴上相对于圆弧起点的坐标增量，可用下式表示：

I=（X圆心-X起点）/2（X为直径值）

K=（Z圆心-Z起点）/2

I和K后面跟的数值与G90和G91无关，I0和K0可省略不写。如果地址R和I、K同时指定，则R有效，I和K无效。

4）F为沿圆弧切线方向的进给量或进给速度。

5）R_为圆弧半径，当用半径R来指定圆心位置时，由于在同一半径R的情况下，从圆弧的起点到终点有两种圆弧的可能性，大于180°和小于180°两个圆弧。为区别起见，特规定圆心角α≤180°时，用“+R”表示；α＞180°时，用“-R”表示。

注意：R编程只适于非整圆的圆弧插补的情况，不适于整圆加工，整圆加工时只能使用I、K编程。

例2-18 使用CK6150数控车床加工如图2-88所示零件，已知材料为45钢，毛坯尺寸为ϕ50mm×1000mm，要求所有加工面的表面粗糙度值为Ra1.6μm，试用车锥法编制该零件的加工程序。

图2-88 凸圆弧面加工实例

（1）工艺分析

该零件由外圆、凸圆弧面组成，零件较简单。零件材料为45钢，切削加工性能较好，尺寸精度要求不高，各加工面的表面粗糙度要求较高，无热处理和硬度要求。加工顺序按由粗到精、由右到左的原则，即从右向左先进行粗加工，后进行精加工，最后切断。

（2）确定加工路线

1）用自定心卡盘夹住毛坯，外伸75mm，找正。

2）对刀，设置编程原点O为零件右端面中心。

3）由右向左依次粗车凸圆弧面、外圆。

4）由右向左依次精车凸圆弧面、外圆。

5）切断。

（3）计算各点坐标

各点坐标的计算结果见表2-53，示意图如图2-89所示。

表2-53 各点坐标值

图2-89 各点坐标

（4）选择刀具

1）选用硬质合金93°偏刀，用于粗、精加工零件各面，刀尖半径R=0.4mm，刀尖方位T=3，置于T01刀位。

2）选用硬质合金切刀（刀宽为4mm），以左刀尖为刀位点，用于切断，置于T03刀位。

（5）确定切削用量

工序的划分与切削用量的选择见表2-54。

表2-54 图2-88所示零件的切削用量

（6）参考程序

参考程序见表2-55。

表2-55 图2-88所示零件的参考程序

（续）

例2-19 使用CK6150数控车床加工如图2-90所示零件，已知材料为45钢，毛坯尺寸为ϕ50mm×1000mm，要求所有加工面的表面粗糙度值为Ra1.6μm，试编制该零件的加工程序。

图2-90 凹圆弧面加工实例

（1）工艺分析

该零件由外圆、凹圆弧面、左倒角、右倒角等组成。零件材料为45钢，切削加工性能较好，尺寸精度要求不高，各加工面的表面粗糙度要求较高，无热处理和硬度要求。加工顺序分粗、精加工各表面，最后切断。

（2）确定加工路线

1）用自定心卡盘装夹毛坯，外伸80mm，找正。

2）对刀，设置编程原点O为零件右端面中心。

3）粗车ϕ45mm外圆、车右倒角、精车ϕ45mm外圆。

4）粗车、精车凹圆弧面。

5）车左倒角、切断。

（3）计算各点坐标

各点坐标的计算结果见表2-56，示意图如图2-91所示。

表2-56 各点坐标值

图2-91 各点坐标示意图

（4）选择刀具

1）选用硬质合金93°偏刀，用于粗、精加工零件外圆、端面和右倒角，刀尖半径R=0.4mm，刀尖方位T=3，置于T01刀位。

2）选用硬质合金60°尖刀，用于加工圆弧，刀尖半径R=0.4mm，刀尖方位T=8，置于T02刀位。

3）选用硬质合金切刀（刀宽为4mm），以左刀尖为刀位点，用于左倒角和切断，置于T03刀位。

（5）确定切削用量

工序的划分与切削用量的选择见表2-57。

表2-57 图2-90所示零件的切削用量

（6）参考程序

参考程序见表2-58。

表2-58 图2-90所示零件的参考程序

（续）

例2-20 使用CK6140数控车床加工如图2-92所示零件，已知材料为45钢，毛坯尺寸为ϕ45mm×1000mm，所有加工面的表面粗糙度值为Ra1.6μm。试编写零件的加工程序，并加工出来。

图2-92 成形面加工编程实例

（1）工艺分析

该零件由多个外圆柱面、圆锥面、凹圆弧面、凸圆弧面组成，有较高的表面粗糙度要求。零件材料为45钢，切削加工性能较好，无热处理和硬度要求。加工顺序按由粗到精、由右到左的原则。即先从右向左进行粗车（留0.5mm精车余量），然后从右向左进行精车，最后切断。

（2）确定加工路线

1）用自定心卡盘夹住毛坯，外伸110mm，找正。

2）对刀，设置编程原点O为零件右端面中心。

3）由右向左依次粗车、精车外圆面。

4）切断。

（3）计算各点坐标

各点坐标的计算结果见表2-59，示意图如图2-93所示。

图2-93 各点坐标

表2-59 各点坐标值

（4）选择刀具

1）选用硬质合金60°尖刀，用于粗加工外圆面，刀尖半径R=0.8mm，刀尖方位T=8，置于T01刀位。

2）选用硬质合金60°尖刀，用于精加工外圆面，刀尖半径R=0.2mm，刀尖方位T=8，置于T02刀位。

3）选用硬质合金切刀（刀宽为4mm），以左刀尖为刀位点，用于切断，置于T03刀位。

（5）确定切削用量

工序的划分与切削用量的选择见表2-60。

表2-60 图2-92所示零件的切削用量

（6）参考程序

参考程序见表2-61。

表2-61 图2-92所示零件的参考程序

（续）

（续）

2.5.2 内圆弧面零件

例2-21 使用CK6150数控车床加工如图2-94所示零件，已知材料为45钢，毛坯尺寸为ϕ60mm×1000mm，要求所有加工面的表面粗糙度值为Ra1.6μm，试编制该零件的加工程序。

（1）工艺分析

该零件由外圆、孔和内圆弧组成。零件材料为45钢，切削加工性能较好，尺寸精度要求不高，各加工面的表面粗糙度要求较高，无热处理和硬度要求。加工顺序为对内外表面分别进行粗、精加工，最后切断。由于棒料较长，可采用一次装夹零件完成各表面的加工。

图2-94 内圆弧面加工实例

（2）确定加工路线

1）用自定心卡盘夹住毛坯，外伸60mm，找正。

2）对刀，设置编程原点O为零件右端面中心。

3）钻中心孔。

4）用ϕ18mm钻头手动钻内孔。

5）粗、精车外圆。

6）换镗刀，粗、精镗孔及内圆弧。

7）换切刀，切断。

（3）计算各点坐标

各点坐标的计算结果见表2-62，示意图如图2-95所示。

表2-62 各点坐标值

图2-95 各点坐标

（4）选择刀具

1）中心钻，选ϕ18mm钻头置于尾座。

2）选用硬质合金93°偏刀，用于粗、精加工零件外圆，刀尖半径R=0.4mm，刀尖方位T=3，置于T01刀位。

3）选用硬质合金不通孔镗刀加工孔及内圆弧，刀尖半径R=0.4mm，刀尖方位T=2，置于T02刀位。

4）选用硬质合金切刀（刀宽为4mm），以左刀尖为刀位点，用于切断，置于T03刀位。

（5）确定切削用量

工序的划分与切削用量的选择见表2-63。

表2-63 图2-94所示零件的切削用量

（6）参考程序

参考程序见表2-64。

表2-64 图2-94所示零件的参考程序

例2-22 使用CK6140A数控车床加工如图2-96所示零件，材料为45钢，毛坯尺寸为ϕ55mm×1000mm，要求所有加工面的表面粗糙度值为Ra3.2μm，试分析零件加工工艺并编写加工程序。

图2-96 内圆弧面加工零件

（1）工艺分析

该零件有外圆柱面、端面、内圆弧面、内圆柱面等加工表面，表面的粗糙度要求较高，应分粗、精加工，无热处理和硬度要求。因孔的最小尺寸为ϕ20mm，可用钻孔、粗镗孔、精镗孔的加工方式加工，加工顺序按由粗到精、由右到左的原则，即从右向左先钻底孔，然后粗镗孔，最后精镗孔。其中ϕ20mm、ϕ28mm、35mm有尺寸精度要求，取极限尺寸的平均值进行加工。由于棒料较长，可采用一次装夹零件完成各表面的加工。

（2）确定加工路线

1）用自定心卡盘夹住毛坯，外伸55mm，找正。

2）对刀，设置编程原点O为零件右端面中心。

3）钻中心孔。

4）用ϕ18mm钻头手动钻内孔。

5）粗、精车外圆。

6）换镗刀，粗、精镗内圆弧面、内圆柱面。

7）换切刀，切断。

（3）数值计算

对具有公差的尺寸由公式编程尺寸=公称尺寸+计算如下：

ϕ20mm内圆柱面的编程尺寸=20.026mm。

ϕ50mm外圆柱面的编程尺寸=49.974mm。

35mm长度的编程尺寸=35mm。

（4）选择刀具

1）中心钻，选ϕ18mm钻头置于尾座。

2）选用硬质合金93°偏刀，用于粗、精加工零件外圆，刀尖半径R=0.4mm，刀尖方位T=3，置于T01刀位。

3）选用硬质合金不通孔镗刀加工内圆弧面、内圆柱面，刀尖半径R=0.4mm，刀尖方位T=2，置于T02刀位。

4）选用硬质合金切刀（刀宽为4mm），以左刀尖为刀位点，用于切断，置于T03刀位。

（5）确定切削用量

工序的划分与切削用量的选择见表2-65。

表2-65 图2-96所示零件的切削用量

（6）参考程序

参考程序见表2-66。

表2-66 图2-96所示零件的参考程序

（续）

2.5.3 典型零件编程与加工实例

例2-23 使用CK6140数控车床加工如图2-97所示零件，已知材料为45钢，毛坯尺寸为ϕ50mm×1000mm，所有加工面的表面粗糙度值为Ra1.6μm。试编写零件的加工程序，并加工出来。

图2-97 成形面类零件

1．编写程序

（1）工艺分析

该零件由多个外圆柱面、圆锥面、凹圆弧面、凸圆弧面组成，有较高的表面粗糙度要求。零件材料为45钢，切削加工性能较好，无热处理和硬度要求。加工顺序按由粗到精、由右到左的原则。即先从右向左进行粗车（留0.5mm精车余量），然后从右向左进行精车，最后切断。

（2）确定加工路线

1）用自定心卡盘夹住毛坯，外伸120mm，找正。

2）对刀，设置编程原点O为零件右端面中心。

3）由右向左依次粗车、精车外圆面。

4）切断。

（3）计算各点坐标

各点坐标的计算结果见表2-67，示意图如图2-98所示。

表2-67 各点坐标值

图2-98 各点坐标

（4）选择刀具

1）选硬质合金60°尖刀，用于粗、精加工外圆，刀尖圆弧半径R=0.4mm，刀尖方位T=8，置于T01刀位。

2）选硬质合金切刀（刀宽为4mm），以左刀尖为刀位点，用于切断，置于T03刀位。

数控加工刀具卡见表2-68。

表2-68 数控加工刀具卡

（5）确定切削用量

工序的划分与切削用量的选择见表2-69。

表2-69 图2-97所示零件的切削用量

（6）参考程序

参考程序见表2-70。

表2-70 图2-97所示零件的参考程序

2．加工零件

1）开机，各坐标轴手动回机床原点。

2）将刀具依次装上刀架。根据加工要求选择60°尖刀（刀尖半径R=0.4mm，刀尖方位T=8）、切刀（刀宽为4mm）各一把，其编号分别为T01、T03，刀具材料采用硬质合金。

3）用自定心卡盘装夹工件。

4）用试切法对刀，并设置好刀具参数。

5）手动输入加工程序。

6）调试加工程序。手动把刀具从工件处移开，选择自动模式，调出加工程序，按下辅助键中的“机械锁定”“程序空运行”两键，再按下“启动”键预演程序，检查刀具动作和加工路径是否正确。

7）确认程序无误后，即可进行自动加工。

8）取下工件，进行检测。选择游标卡尺和千分尺检测尺寸。

9）清理加工现场。

10）关机。

3．评分标准

此工件的评分标准见表2-71。

表2-71 数控车床课题评分表

【思考与练习】

1．粗加工凸圆弧表面的方法有哪两种？分别应如何操作？

2．粗加工凹圆弧表面的方法有哪四种？其特点分别是什么？

3．如图2-99所示，已知毛坯尺寸为ϕ35mm×1000mm，材料为45钢，设背吃刀量不大于2.5mm，所有加工面的表面粗糙度值为Ra1.6μm，试编写该零件的粗、精加工程序。

4．如图2-100所示，已知毛坯尺寸为ϕ20mm×1000mm，材料为45钢，设背吃刀量不大于2.5mm，所有加工面的表面粗糙度值为Ra1.6μm，试编写该零件的粗、精加工程序。

5．如图2-101所示，已知毛坯尺寸为ϕ20mm×1000mm，材料为45钢，设背吃刀量不大于2.5mm，所有加工面的表面粗糙度值为Ra1.6μm，试编写该零件的粗、精加工程序。

图2-99 习题3图

图2-100 习题4图

6．如图2-102所示，已知毛坯尺寸为ϕ45mm×1000mm，材料为45钢，设背吃刀量不大于2.5mm，所有加工面的表面粗糙度值为Ra1.6μm，试编写该零件的粗、精加工程序。

图2-101 习题5图

图2-102 习题6图

7．使用CK6140A数控车床加工如图2-103所示零件，已知毛坯尺寸为ϕ55mm×1000mm，材料为45钢，要求所有加工面的表面粗糙度值为Ra1.6μm，试编制该零件的加工程序。

8．如图2-104所示，已知毛坯尺寸为ϕ50mm×1000mm，材料为45钢，设背吃刀量不大于2.5mm，所有加工面的表面粗糙度值为Ra1.6μm，试编写该零件的粗、精加工程序。

图2-103 习题7图

图2-104 习题8图

2.6 螺纹类零件编程与加工

【学习目标】

1）掌握外螺纹、内螺纹的加工方法。

2）熟练掌握G32、G92、G76指令的指令格式，并能正确使用以上指令编写程序。

【知识学习】

2.6.1 基础知识

螺纹是最常用的联接件和传动件，标准螺纹有很好的通用性和互换性。螺纹种类很多，按牙型可分为三角形螺纹、矩形螺纹、梯形螺纹等，其中每种螺纹又有单线和多线、左旋和右旋之分。常用的螺纹都有国家标准，普通螺纹公称尺寸可查表。

1．外螺纹加工分析

（1）外圆柱面的直径及螺纹实际小径的确定 车削外螺纹时，需要计算实际车削时的外圆柱面的直径d计，螺纹实际小径d1计。

车螺纹时，零件材料因受车刀挤压而使外径胀大，因此螺纹部分的零件外径应比螺纹的公称直径小0.2～0.4mm，一般取d计=d-0.1P。P为螺距。

在实际生产中，为计算方便，不考虑螺纹车刀的刀尖半径r的影响，一般取螺纹实际牙型高度h1实=0.6495P，常取h1实=0.65P，螺纹实际小径d1计=d-2h1实=d-1.3P。d为外螺纹的公称直径。

（2）螺纹起点与螺纹终点轴向尺寸的确定 因为车削螺纹起始有一个加速过程，结束前有一个减速过程，所以为了避免在加、减速过程中进行螺纹切削而影响螺距的稳定，螺纹两端必须设置足够的引入距离δ1和超越距离δ2，即升速段和减速段。δ1、δ2的数值与螺纹的螺距和螺纹的精度有关。

实际生产中，一般δ1值取2～5mm，大螺距和高精度的螺纹取大值；δ2值不得大于退刀槽宽度，一般为退刀槽宽度的一半左右，取1～3mm。若螺纹收尾处没有退刀槽时，收尾处的形状与数控系统有关，一般按45°退刀收尾。

（3）螺纹加工方法 由于螺纹加工属于成形加工，为了保证螺纹的导程，加工时主轴旋转一周，车刀的进给量必须等于螺纹的导程，进给量较大；另外，螺纹车刀的强度一般较差，故螺纹牙型往往不是一次加工而成的，需要多次进行切削。

在数控车床上加工螺纹的方法有直进法、斜进法两种，如图2-105所示。直进法适合加工导程较小的螺纹，斜进法适合加工导程较大的螺纹。

图2-105 螺纹加工方法

a）斜进法 b）直进法

2．内螺纹加工分析

内螺纹的底孔直径D1计及内螺纹实际大径D计的确定。车削内螺纹时，需要计算实际车削时的内螺纹的底孔直径D1计及内螺纹实际大径D计。

由于车刀切削时的挤压作用，内孔直径要缩小，所以车削内螺纹的底孔直径应大于螺纹小径。计算公式如下：

式中 D——内螺纹的公称直径，单位为mm；

P——内螺纹的螺距，单位为mm；

δ——内螺纹的大径公差。

一般实际切削时的内螺纹的底孔直径：

钢和塑性材料取D1计=D-P

铸铁和脆性材料D1计=D-（1.05～1.1）P

内螺纹实际牙型高度同外螺纹，h1实=0.6495P，取h1实=0.65P。内螺纹实际大径D计=D，内螺纹小径D1=D-1.3P。

3．车削螺纹的步骤

1）装夹工件和刀具。

2）对刀。螺纹刀对刀的方法与外圆刀对刀方法相同，对X轴刀具补偿值采用试切的方法，对Z轴刀具补偿值时，将刀具刀尖移近工件端面与外圆的交线处，输入Z0，单击“测量”软键即可，不必很准确，因为螺纹的长度不是由螺纹刀控制的，而是由切槽刀控制的。

3）车削螺纹底径。先按要求车出螺纹大径，并在端面倒45°或30°倒角。车1.5～3.5mm螺距的外螺纹，其外径一般比公称直径小0.2～0.4mm；车内螺纹，其孔径要比公称直径小一个螺距值。

4）车出退刀槽。

5）车削螺纹直至合格为止。

4．切削用量的选用

（1）主轴转速n在数控车床上加工螺纹，主轴转速受数控系统、螺纹导程、刀具、零件尺寸和材料等多种因素的影响。不同的数控系统，有不同的推荐主轴转速范围，操作者在仔细查阅说明书后，可根据实际情况选用。大多数经济型数控车床车削螺纹时，推荐主轴转速为：

n≤1200/P-K

式中 P——零件的螺距，单位为mm；

K——保险系数，一般取80；

n——主轴转速，单位为r/min。

（2）背吃刀量ap加工螺纹时，单边切削总深度等于螺纹实际牙型高度时，一般取h1实=0.65P。车削时应遵循后一刀的背吃刀量不能超过前一刀背吃刀量的原则，即递减的背吃刀量分配方式，否则会因切削面积的增加、切削力过大而损坏刀具。但为了提高螺纹的表面粗糙度，用硬质合金螺纹车刀时，最后一刀的背吃刀量不能小于0.1mm。

常用螺纹加工走刀次数与分层切削余量见表2-72。

表2-72 常用螺纹加工走刀数与分层切削余量

（3）进给量f单线螺纹的进给量等于螺距，即f=P；多线螺纹的进给量等于导程，即f=L。

在数控车床上加工双线螺纹时，进给量为一个导程，常用的方法是车削第一条螺纹后，轴向移动一个螺距（用G01指令），再加工第二条螺纹。

5．单行程螺纹切削指令G32

该指令可用于切削圆柱螺纹、圆锥螺纹及端面螺纹，其应用如图2-106所示。其指令格式：

图2-106 单行程螺纹切削指令G32

a）圆柱螺纹 b）圆锥螺纹

说明：

1）X、Z为螺纹编程终点的X、Z向坐标，X为直径值，单位都是mm；U、W为螺纹编程终点相对编程起点的X、Z向相对坐标，U为直径值，单位都是mm。

2）F为螺纹导程，单位为mm。

3）G32进刀方式为直进式，引入加速段和减速段距离（通常为2～5mm），如图2-107所示。

4）螺纹切削时不能用G96指令，而应用G97指令。

5）切削斜角α在45°以下的圆锥螺纹时，螺纹导程以Z方向指定。

图2-107 切螺纹时的切入、切出

6）该指令进刀路径如图2-108所示，A点是螺纹加工的起点，B点是单行程螺纹切削指令G32的起点，C点是单行程螺纹切削指令G32的终点，D点是X向退刀的终点。AB段是用G00进刀；BC段是用G32切削；CD段是用G00指令X向退刀；DA段是用G00指令Z向退刀。

图2-108 单行程螺纹切削指令G32的运动轨迹

a）圆柱螺纹 b）圆锥螺纹

例2-24 如图2-109所示，螺纹外径已经车至ϕ29.8mm，4mm×2mm的退刀槽已经加工，零件材料为45钢，未注倒角为C2，试用G32指令编制该螺纹的加工程序。

图2-109 螺纹加工

（1）螺纹加工尺寸计算

实际车削时外圆柱面的直径为

d 计=d-0.2=（30-0.2）mm=29.8mm

螺纹实际牙型高度为

h 1实=0.65P=（0.65×2）mm=1.3mm

螺纹实际小径为

d 1计=d-1.3P=（30-1.3×2）mm=27.4mm

升速段和减速段分别取δ1=5mm，δ2=2mm。

（2）确定切削用量

查表得双边切深为2.6mm分五刀切削，分别为0.9mm、0.6mm、0.6mm、0.4mm和0.1mm。

主轴转速n≤1200/P-K=（1200/2-80）r/min=520r/min。学生实训时，一般选用较小的转速，取n=400r/min。

进给量f=P=2mm。

（3）参考程序

利用G32指令编程的参考程序见表2-73。

表2-73 图2-109所示零件的参考程序（利用G32指令编程）

6．螺纹切削循环指令G92

使用G32加工螺纹时需多次进刀，程序较长，容易出错。为此数控车床一般均在数控系统中设置了螺纹切削循环指令G92，直螺纹切削循环的进刀路径如图2-110a所示，锥螺纹切削循环的进刀路径如图2-110b所示。其指令格式：

图2-110 螺纹切削循环指令G92

a）圆柱螺纹 b）圆锥螺纹

说明：

1）“X（U）_ Z（W）_”中X、Z为螺纹编程终点的X、Z向坐标，X为直径值，单位都是mm；U、W为螺纹编程终点相对编程起点的X、Z向相对坐标，U为直径值，单位都是mm。F为螺纹导程，单位为mm。R为锥螺纹起点半径与终点半径的差值，单位为mm。R的正负判断方法与G90相同，圆锥螺纹终点半径大于起点半径时R为负值；圆锥螺纹终点半径小于起点半径时R为正值；切削圆柱螺纹时R=0，可以省略不写。

2）切削圆柱螺纹指令格式：

切削圆锥螺纹指令格式：

3）该指令用于单一循环加工螺纹，其循环路线与单一形状固定循环基本相同。循环路径中除车削螺纹BC段为进给运动外，其他运动（循环起点进刀AB段、螺纹切削终点X向退刀CD段，Z向退刀DA段）均为快速运动，如图2-86所示。

4）该指令是切削圆柱螺纹和圆锥螺纹时使用最多的螺纹切削指令。

例2-25 如图2-106所示，螺纹外径已经车至ϕ29.8mm，4mm×2mm的退刀槽已经加工，零件材料为45钢，试用G92指令编制该螺纹的加工程序。

利用G92指令编程的参考程序见表2-74。

表2-74 图2-109所示零件的参考程序（利用G92指令编程）

（续）

7．多重螺纹切削循环指令G76

该指令用于多次自动循环切削螺纹，如图2-111所示，经常用于加工不带退刀槽的圆柱螺纹和圆锥螺纹，切深和进刀次数均可设置后自动完成。其指令格式：

图2-111 G76指令刀具循环路径

其中：

m为精加工重复次数，从1～99，该参数为模态量。

r为螺纹尾部倒角量，该值的大小可设定在0.0P～9.9P之间，系数应为0.1的整数倍，用00～99之间的两位整数来表示，其中P为螺距。该参数为模态量。

α为刀尖角，可从80°、60°、55°、30°、29°和0°等6个角度中选择，用两位整数来表示，常用60°、55°和30°三个角度。该参数为模态量。

m、r和α用地址P同时指定，例如：m=4，r=1.2L，α=60°，表示为P041260。

Δdmin为最小车削深度，用半径编程指定。车削过程中每次的车削深度为Δd·n1/2-Δd·（n-1）1/2，当计算小于这个极限值时，深度锁定为这个值，该参数为模态量。

d为精加工余量，用半径编程指定。该参数为模态量。

X（U）、Z（W）为螺纹终点坐标。

i为螺纹部分半径之差，即螺纹切削起始点与切削终点的半径差。加工圆柱螺纹时，i=0。加工圆锥螺纹时，当X向切削起始点坐标小于切削终点坐标时，i为负，反之为正。

k为螺纹高度，用半径值指定（X轴方向的半径值）。

Δd为第一次车削深度，用半径值指定（X轴方向的半径值）。

f为螺距。

指令中，Q、P、R地址后的数值一般以无小数点形式表示。实际加工三角螺纹时，以上参数一般取：m=2，r=1.1P，α=60°，表示为P021160。Δdmin=0.1mm，d=0.05mm，k=0.65p，Δd根据零件材料、螺纹导程、刀具和机床刚性综合给定，建议取0.7～2.0mm。其他参数由零件具体尺寸确定。

G76指令是倾斜进刀，螺纹牙型形状不是一次成形，所以牙型的形状精度以及牙型的垂直度比较难保证，但排屑性好，该指令一般用于大螺距螺纹的加工。而G32、G92指令是垂直进刀，螺纹牙型形状是一次成形，所以螺纹牙型形状精度及垂直度能够得到保证，但排屑性比较差，一般用于小螺距且精度要求高的螺纹加工。

例2-26 使用CK6140数控车床加工如图2-112所示外螺纹零件，已知材料为45钢，毛坯尺寸为ϕ45mm×1000mm，所有加工面的表面粗糙度值为Ra1.6μm。试编写该零件的加工程序。

图2-112 外螺纹零件

（1）螺纹加工尺寸计算

实际车削时外圆柱面的直径为

d 计=d-0.2=（30-0.2）mm=29.8mm

螺纹实际牙型高度为

h 1实=0.65P=（0.65×2）mm=1.3mm

螺纹实际小径为

d 1计=d-1.3P=（30-1.3×2）mm=27.4mm

升速段和减速段分别取δ1=5mm，δ2=2mm。

（2）确定切削用量

查表得双边切深为2.6mm，分五刀切削，分别为0.9mm、0.6mm、0.6mm、0.4mm和0.1mm。

主轴转速n≤1200/P-K=（1200/2-80）r/min=520r/min，取n=400r/min。

进给量f=P=2mm。

（3）参考程序

参考程序见表2-75。

表2-75 图2-112所示零件的参考程序

（续）

（续）

2.6.2 典型零件编程与加工实例

例2-27 使用CK6150数控车床加工如图2-113所示外螺纹零件，已知材料为45钢，毛坯尺寸为ϕ50mm×1000mm，所有加工面的表面粗糙度值为Ra1.6μm。试编写零件的加工程序，并在数控车床上加工出来。

图2-113 外螺纹零件

1．编写程序

（1）工艺分析

该零件由多个外圆、锥面、凸圆弧面、螺纹面、右倒角组成，有较高的表面质量要求。零件材料为45钢，切削加工性能较好，无热处理和硬度要求。加工顺序按由粗到精、由右到左的原则，即先从右向左进行粗车（留0.25mm精车余量），后从右向左进行精车；然后切削退刀槽和螺纹；最后切断。

（2）确定加工路线

1）用自定心卡盘夹住毛坯，外伸90mm，找正。

2）对刀，设置编程原点O为零件右端面中心。

3）由右向左依次粗车外圆面。

4）由右向左依次精车端面、倒角、精车外圆面。

5）换刀，车削退刀槽。

6）换刀，车削螺纹。

7）换刀，车断。

（3）计算各点坐标

实际车削时外圆柱面的直径为

d 计=d-0.2=（30-0.2）mm=29.8mm

螺纹实际牙型高度为

h 1实=0.65P=（0.65×2）mm=1.3mm

螺纹实际小径为

d 1计=d-1.3P=（30-1.3×2）mm=27.4mm

升速进刀段和减速退刀段分别取δ1=5mm，δ2=2mm。

螺纹加工切削用量的选择如下：

查表得双边切深为2.6mm，分五刀切削，分别为0.9mm、0.6mm、0.6mm、0.4mm和0.1mm。

主轴转速n≤1200/P-K=（1200/2-80）r/min=520r/min，取n=400r/min。

进给量f=P=2mm。

各点坐标的计算结果见表2-76，示意图如图2-114所示。

表2-76 各点坐标值

图2-114 各点坐标

（4）选择刀具

数控加工刀具卡见表2-77。

1）选用硬质合金93°偏刀，用于粗、精加工外圆面，刀尖圆弧半径R=0.4mm，刀尖方位T=3，置于T01刀位。

2）选用硬质合金切刀（刀宽为4mm），以左刀尖为刀位点，用于切断，置于T03刀位。

3）选用硬质合金螺纹车刀，螺距为2mm，用于切削螺纹，置于T04刀位。

表2-77 数控加工刀具卡

（5）确定切削用量

工序的划分与切削用量的选择见表2-78。

表2-78 图2-113所示零件的切削用量

（6）参考程序

参考程序见表2-79。

表2-79 图2-113所示零件的参考程序

（续）

2．加工零件

1）开机，各坐标轴手动回机床原点。

2）将刀具依次装上刀架。根据加工要求选择62.5°尖刀（刀尖圆弧半径R=0.4mm，刀尖方位T=8）、切刀（刀宽为4mm）、螺纹车刀（螺距为2mm）各一把，其编号分别为T01、T03、T04，刀具材料采用硬质合金。

3）用自定心卡盘装夹工件。

4）用试切法对刀，并设置好刀具参数。

5）手动输入加工程序。

6）调试加工程序。手动把刀具从工件处移开，选择自动模式，调出加工程序，按下辅助键中的“机械锁定”“程序空运行”两键，再按下“启动”键预演程序，检查刀具动作和加工路径是否正确。

7）确认程序无误后，即可进行自动加工。

8）取下工件，进行检测。选择游标卡尺和千分尺检测尺寸，选择螺纹千分尺检测螺纹。

9）清理加工现场。

10）关机。

3．评分标准

评分标准见表2-80。

表2-80 评分表

【思考与练习】

1．应如何确定外圆柱面的直径及螺纹实际小径？

2．应如何确定外圆柱面的直径及螺纹实际小径？

3．螺纹加工方法有哪两种？其应用分别是什么？

4．如图2-115所示，已知毛坯尺寸为ϕ55mm×1000mm，材料为45钢，设背吃刀量不大于2.5mm，所有加工面的表面粗糙度值为Ra1.6μm，试编写该零件的粗、精加工程序。

5．如图2-116所示，已知毛坯尺寸为ϕ40mm×1000mm，材料为45钢，所有加工面的表面粗糙度值为Ra1.6μm，试编写该零件的粗、精加工程序。

图2-115 习题4图

图2-116 习题5图

6．如图2-117所示，已知毛坯尺寸为ϕ35mm×1000mm，材料为45钢，设背吃刀量不大于2.5mm，所有加工面的表面粗糙度值为Ra1.6μm，试编写该零件的粗、精加工程序。

图2-117 习题6图

模块3 数控铣床编程与加工

模块3 数控铣床编程与加工

3.1 数控铣削基础知识

【学习目标】

1）了解数控铣床的分类、组成、特点、加工对象。

2）熟悉数控铣削的类型及选择方法。

3）掌握数控铣削刀具及选用。

4）掌握数控铣削常用夹具及工件装夹。

5）熟练掌握数控铣削切削用量的选择。

【知识学习】

数控铣床是在普通铣床的基础上发展起来的，是用计算机数字化信号控制的铣床。它能够进行外形轮廓铣削、平面或曲面铣削及三维复杂型面的铣削，如凸轮、模具、叶片、螺旋桨等。另外，数控铣床还具有孔加工的功能，通过特定的功能指令可进行一系列孔的加工，如钻孔、扩孔、铰孔、镗孔和攻螺纹等。数控铣床主要适用于板类、盘类、壳体类等复杂零件的加工，特别适用于汽车制造业和模具制造业。

加工中心是指配有刀库和自动换刀装置，在一次装夹工件后可实现多工序（甚至全部工序）加工的数控机床，简称MC（Machining Center）。加工中心是在数控铣床的基础上发展起来的，二者有很多相似之处，主要区别是加工中心增加了刀库和自动换刀装置，是一种备有刀库并能自动更换刀具对工件进行多工序加工的数控机床。加工中心适用于零件形状比较复杂、精度要求较高、产品更换频繁的中小批量生产，通过在刀库上安装不同用途的刀具，在一次装夹中可以实现零件的钻削、铣削、镗削、铰削、攻螺纹等多种工序的集中加工。随着工业的发展，加工中心将逐渐代替数控铣床，成为一种主要的加工机床。

3.1.1 数控铣床的分类及组成

1．数控铣床的分类

数控铣床是一种功能强大，用途广泛的机床，按机床主轴的布局形式可分为立式数控铣床、卧式数控铣床和龙门式数控铣床三种。

（1）立式数控铣床 立式数控铣床的主轴轴线与工作台面垂直，是数控铣床中最常见的一种布局形式。立式数控铣床在数量上一直占据数控铣床的大多数，应用范围也最广。从机床数控系统控制的坐标数量来看，目前3坐标数控立铣仍占大多数；一般可进行3坐标联动加工，但也有部分机床只能进行3个坐标中的任意两个坐标联动加工（常称为2.5坐标加工）。此外，还有机床主轴可以绕X、Y、Z坐标轴中的其中一个或两个轴做数控摆角运动的4坐标和5坐标数控立铣。数控机床所控制的联动轴数越多，其加工工艺范围越广，但对数控系统的要求越高，机床的结构越复杂，编程难度越大。对于三轴以上联动加工的空间复杂曲面，手工编程计算复杂，需借助CAD/CAM软件进行零件造型并后置处理生成程序。

立式数控铣床各坐标的控制方式主要有以下两种。

1）工作台纵、横向移动并升降，主轴只完成主运动。目前小型数控铣床一般采用这种方式。

2）工作台纵、横向移动，主轴升降。这种方式一般运用在中型数控铣床中。

立式数控铣床结构简单，工件安装方便，加工时便于观察，但不便于排屑。

（2）卧式数控铣床 卧式数控铣床的主轴轴线与工作台面平行，主要用来加工箱体类零件。卧式数控铣床一般配有数控回转工作台以实现四轴或五轴加工，从而扩大功能和加工范围。与立式数控铣床相比，卧式数控铣床结构复杂，在加工时不便观察，但排屑顺畅。

（3）龙门式数控铣床 大型数控立式铣床多采用龙门式布局，在结构上采用对称的双立柱结构，以保证机床整体刚性、强度。主轴可在龙门架的横梁与溜板上运动，而纵向运动则由龙门架沿床身移动或由工作台移动实现，其中工作台床身特大时多采用前者。

龙门式数控铣床适合加工大型零件，主要在汽车、航空航天、机床等行业使用。

2．数控铣床的组成

数控铣床一般由铣床主机、控制部分、驱动部分及辅助部分等组成，XK713型立式数控铣床的外形如图3-1所示。

图3-1 XK713型立式数控铣床

1—主轴 2—防护门 3—控制面板

4—手摇脉冲发生器 5—工作台 6—床身

（1）铣床主机 铣床主机是数控铣床的机械本体，包括床身、主轴箱、工作台和进给机构等。

（2）控制部分 控制部分是数控铣床的控制核心，本书讲述的CNC系统是FANUC 0i-M系统。

（3）驱动部分 驱动部分是数控铣床执行机构的驱动部件，包括主轴电动机和进给伺服电动机等。

（4）辅助部分 辅助部分是数控铣床的一些配套部件，包括刀库、液压装置、气动装置、冷却系统、润滑系统和排屑装置等。

3.1.2 数控铣床的加工对象及技术参数

1．数控铣床的主要加工对象

数控铣削加工是机械加工中最常用和最主要的数控加工方法之一，它除了能铣削普通铣床能铣削的各种零件表面外，还能铣削普通铣床不能铣削的需要2～5坐标联动的各种平面轮廓和立体轮廓。根据数控铣床的特点，从铣削加工角度考虑，适合数控铣削的主要加工对象有以下几类。

（1）平面类零件 目前在数控铣床上加工的大多数零件属于平面类零件。平面类零件是指加工面平行或垂直于定位面，或加工面与水平面的夹角为定角的零件，如图3-2所示。平面类零件的特点是：加工单元面为平面或可展开成平面。平行面零件的数控铣削相对比较简单，一般用3坐标数控铣床的2坐标联动（即2.5坐标联动）就可以加工出来。

图3-2 平面类零件

a）带平面轮廓的平面零件 b）带斜平面的平面零件 c）带正圆台和斜肋的平面零件

（2）曲面类零件 曲面类零件是指加工面为空间曲面的零件，如图3-3所示。曲面类零件的特点是加工面不能展开成平面，如模具、叶片、螺旋桨等。加工时，铣刀与零件表面始终为点接触，一般采用球头刀在3轴数控铣床上加工；当曲面较复杂、通道较狭窄、加工中会伤及相邻表面及需要刀具摆动时，要采用4坐标或5坐标铣床加工。

（3）变斜角类零件 变斜角类零件是指加工面与水平面的夹角呈连续变化的零件，以飞机零部件常见，如图3-4所示。变斜角类零件的特点是加工面不能展开成平面，但在加工中，加工面与铣刀圆周接触的瞬间为一条直线。最好采用4坐标、5坐标数控铣床摆角加工，也可采用3坐标数控铣床进行2.5坐标近似加工。

图3-3 曲面类零件

图3-4 变斜角类零件

（4）孔及螺纹 一般数控铣都有镗、钻、铰功能，采用定尺寸刀具进行钻、扩、铰、镗及攻螺纹等。

2．数控铣床的主要技术参数

数控铣床的主要技术参数包括工作台面积、各坐标轴行程、主轴转速范围、切削进给速度范围、定位精度、重复定位精度等，其具体内容及作用见表3-1。

表3-1 数控铣床的主要技术参数

3.1.3 数控铣削方式

在铣床上，用铣刀圆周面上的切削刃来铣削工件的方法称为周铣，用铣刀端面上的切削刃来铣削工件的方法称为端铣。

1．周铣

周铣平面时是利用分布在铣刀圆柱面上的切削刃来铣削并形成平面的，如图3-5a所示。由于圆柱形铣刀是由若干个切削刃组成的，不同于圆柱体，所以铣出的平面有微小的波纹。要使被加工表面获得小的表面粗糙度值，工件的进给速度要慢一些，而铣刀的转速要适当加快。用周铣的方法铣出的平面，其平面度的好坏主要取决于铣刀的圆柱度误差，因此在精铣平面时，要保证铣刀的圆柱度不超差。周铣有逆铣和顺铣两种方式。

图3-5 周铣与端铣

a）周铣 b）端铣

（1）顺铣 在铣刀切削刃与工件已加工面的接触处，铣刀的旋转方向与工件进给方向相同的铣削方式称为顺铣，如图3-6a所示。顺铣时，铣刀切削刃作用在工件上的力F在进给方向上的分力Ff与工件的进给方向相同。

在卧式铣床上逆铣时，切削厚度由最大开始，避免了挤压、滑行现象，并且力F在进给方向上的分力Ff朝下压向工作台，有利于工件的压紧，可提高铣刀耐用度和表面加工质量。顺铣加工要求工件表面没有硬皮，否则刀齿很容易磨损。

铣床工作台的纵向进给运动一般由丝杠和螺母来实现。使用顺铣法加工时，对普通铣床要求其进给机构具有消除丝杠间隙的装置。数控铣床和加工中心采用无间隙的滚珠丝杠传动，因此数控铣床和加工中心均可采用顺铣法加工。

由于工作台丝杠和固定螺母之间一般都存在间隙，易使铣削过程中的进给不均匀，造成机床振动甚至抖动，影响已加工表面质量，甚至会发生打坏刀具现象。但顺铣时，刀齿的切削厚度从厚到薄，避免了与被加工表面的挤压、滑行，使刀齿的磨损减小，可延长刀具的寿命；铣刀对工件切削力的垂直分力FfN将工件压向工作台，减少了工件振动的可能性，使铣削平稳。

（2）逆铣 在铣刀切削刃与工件已加工面的接触处，铣刀的旋转方向与工件进给方向相反的铣削方式称为逆铣，如图3-6b所示。逆铣时，铣刀切削刃作用在工件上的力F在进给方向上的分力Ff与工件进给方向相反，铣刀旋转切削刃的运动方向与工件进给方向相反。

图3-6 顺铣和逆铣

a）顺铣 b）逆铣

在卧式铣床上逆铣时，切削厚度由零逐渐增加到最大，切入瞬时刀刃钝圆半径大于瞬时切削厚度，刀齿在工件表面上要挤压和滑行一段后才能切入工件，使已加工表面产生冷硬层，加剧了刀齿的磨损，同时使加工表面粗糙不平。此外，逆铣时刀齿作用于工件的垂直进给力Ff朝上，有抬起工件的趋势，这就要求工件装夹牢靠。但是逆铣时刀齿是从切削层内部开始工作的，当工件表面有硬皮时，对刀齿没有直接影响。

逆铣的优点是铣削过程平稳，工件装夹可靠；缺点是刀具磨损较快，工件表面粗糙。

（3）顺铣与逆铣的判断方法 铣削外轮廓时顺铣、逆铣与进给的关系如图3-7所示；铣削内轮廓时顺铣、逆铣与进给的关系如图3-8所示。

（4）顺铣与逆铣的选择 当工件表面无硬皮、机床进给机构无间隙时，应选择顺铣加工方式，因为采用顺铣，零件加工表面质量好，刀齿磨损小。精铣时，尤其是零件材料为铝镁合金、钛合金或耐热合金时，应尽量采用顺铣。当工件表面有硬皮、机床进给机构有间隙时，应选择逆铣加工方式，因为逆铣时，刀齿是从已加工表面切入，不会崩刃，机床进给机构的间隙不会引起振动和爬行。

图3-7 铣削外轮廓时顺铣、逆铣与进给的关系

a）顺铣与进给的关系 b）逆铣与进给的关系

图3-8 铣削内轮廓时顺铣、逆铣与进给的关系

a）顺铣与进给的关系 b）逆铣与进给的关系

2．端铣

端铣平面时是利用分布在铣刀端面上的刀尖来形成平面的，如图3-5b所示。用端铣的方法铣出的平面，也有一条条刀纹，刀纹的粗细（即表面粗糙度的大小）也与工件的进给速度和铣刀的转速高低等许多因素有关。用端铣的方法铣出的平面，其平面度的好坏主要取决于铣床主轴轴线与进给方向的垂直度。若主轴与进给方向垂直，则刀尖旋转时的轨迹为一个与进给方向平行的圆环，如图3-9a所示，这些圆环切割出一个平面。实际上，铣刀刀尖在工件表面会铣出网状的刀纹。若铣床主轴与进给方向不垂直，则相当于用一个倾斜的圆环，在工件表面切出一个凹面来，如图3-9b所示，此时，铣刀刀尖在工件表面会铣出单向的弧形刀纹。

图3-9 端铣平面

a）主轴与进给方向垂直 b）主轴与进给方向不垂直

当被铣削宽度小于铣刀直径时，工件和铣刀中心位置的变化，会使铣刀在工件上出现的圆周切削力产生变化。

根据铣刀与工件之间的相对位置不同，端面铣削可分为对称铣削和非对称铣削两种。

（1）对称铣削 工件的中心处于铣刀的中心位置时的铣削，称为对称铣削，如图3-10所示。铣削时，刀齿在工件的前半部分为逆铣，在进给方向的铣削分力Ff与进给方向相反；刀齿在工件的后半部分为顺铣，Ff与进给方向相同。对称铣削可避免铣刀切入时对工件表面的挤压、滑行，提高铣刀的使用寿命；在精铣机床导轨面时，可保证刀齿在加工表面冷硬层下铣削，能获得较高的表面质量。对称铣削时，在铣削层宽度较窄和铣刀齿数较少的情况下，由于Ff在进给方向上的交替变化，因此工件和工作台容易产生窜动。另外，在横向的水平分力Fc较大，对窄长的工件易造成变形和弯曲，所以对称铣削只有在工件宽度接近铣刀位置时才采用。

图3-10 对称铣削

（2）非对称铣削 工件的铣削层宽度偏在铣刀一边时的铣削，亦即铣刀中心与铣削层宽度的对称线处在偏心状态下的铣削，称为非对称铣削。非对称铣削也有逆铣和顺铣两种。

1）铣削时大部分为逆铣，少部分为顺铣的非对称铣削方式称为非对称逆铣，如图3-11a所示。非对称逆铣时，逆铣部分占的比例大，在各个刀齿上的Ff之和，与进给方向相反，所以不会拉动工作台。端面铣削时，切削刃切入工件虽由薄到厚，但不等于从零开始，切出时的切屑厚度较大，切削平稳，冲击小，可提高刀具耐用度和加工表面质量，适合碳钢和低碳合金钢的加工，因此在端面铣削时，应采用非对称逆铣。

2）铣削时大部分为顺铣，少部分为逆铣的非对称铣削方式称为非对称顺铣，如图3-11b所示。非对称顺铣时，顺铣部分占的比例大，在各个刀齿上的Ff之和，与进给方向相同，故易拉动工作台。所以在端面铣削时，一般都不采用非对称顺铣。但在铣削塑性和韧性好、加工硬化严重的材料（如不锈钢和耐热钢等）时，常采用非对称顺铣，以减少切削黏附和提高刀具寿命。

图3-11 非对称铣削

a）非对称逆铣 b）非对称顺铣

3.1.4 数控铣削刀具的类型及其选用

1．对数控铣削刀具系统的要求

1）刀具切削部分几何参数及其切削参数须规范化、合理化。

2）刀具切削部分材料及切削参数选择必须与工件材料相匹配。

3）刀具磨损及耐用度值规定必须合理。

4）刀片在刀具中的定位方式及其结构必须优化。

5）刀具安装后在机床中的定位应保持一定精度。

6）换刀后刀具应在机床中仍有很高的重复定位精度。

7）刀具的刀柄应有足够的强度、刚度及耐磨性。

8）刀柄及其工具对机床的重量影响应有相应的控制。

9）刀片、刀柄切入的位置、方向必须正确。

10）刀片、刀柄各参数应通用化、规格化、系列化。

11）工具系统应进一步优化。

2．常用数控刀具刀柄

数控铣床使用的刀具通过刀柄与主轴相连，刀柄通过拉钉和主轴内的拉刀装置固定在主轴上，由刀柄夹持传递速度、扭矩，如图3-12所示。刀柄的强度、刚性、耐磨性、制造精度以及夹紧力等对加工有直接的影响。

图3-12 刀具系统结构

常规数控刀具刀柄均采用7 ∶ 24圆锥工具柄，并采用相应形式的拉钉拉紧结构。刀柄与主轴孔的配合锥面一般采用7 ∶ 24的锥度，这种锥柄不自锁，换刀方便。拉钉有两种形式，如图3-13所示，A型用于不带钢球的拉紧装置，B型用于带钢球的拉紧装置。

图3-13 拉钉

a）A型拉钉 b）B型拉钉

（1）工具系统 镗铣类数控工具系统是镗铣床主轴到刀具之间的各种连接刀柄的总称，是数控机床工具系统的重要组成部分之一。其主要作用是连接主轴与刀具，使刀具达到所要求的位置与精度，传递切削所需转矩及保证刀具的快速更换。

按结构，镗铣类数控工具系统可分为整体式工具系统（TSG工具系统）和模块式工具系统（TMG工具系统）两大类。

整体式结构镗铣类数控工具系统，每把工具的柄部与夹持刀具的工作部分连成一体，不同品种和规格的工作部分都必须加工出一个能与机床相连接的柄部，如图3-14所示，规格繁多，给生产、管理带来不便。模块式工具系统克服了整体式工具系统的不足之处，显出其经济、灵活、快速、可靠的特点，它既可用于加工中心和数控镗铣床，又适用于柔性制造系统（FMS）。

图3-14 整体式工具系统（TSG工具系统）

TSG工具系统属于整体式结构，是专门为加工中心和镗铣类数控机床配套的工具系统，也可用于普通镗铣床，如图3-14所示。工具系统的型号由5个部分组成，其表示方法如下。

1）工具柄部形式。工具柄部一般采用7 ∶ 24圆锥柄。常用的工具柄部形式有JT、BT和ST三种，它们可直接与机床主轴连接。

2）柄部尺寸。柄部形式代号后面的数字为柄部尺寸。对锥柄表示相应的ISO锥度号，对圆柱柄表示直径。7 ∶ 24锥柄的锥度号有25、30、40、45、50和60等。如50和40分别代表大端直径为ϕ69.85和ϕ44.45的7 ∶ 24锥度。大规格50、60号锥柄适用于重型切削机床，小规格25、30号锥柄适用于高速轻型切削机床。

3）工具用途代码。用代码表示工具的用途，如XP表示装削平型铣刀刀柄。

4）工具规格。工具用途代码后的数字表示工具的工作特性，其含义随工具不同而异，有些工具该数字为其轮廓尺寸D或L；有些工具该数字表示应用范围。

5）工作长度。表示工具的设计工作长度（锥柄大端直径处到端面的距离）。

模块式工具系统就是把工具的柄部和工作部分分割开来，制成各种系列化的模块，然后经过不同规格的中间模块，组装成一套套不同用途、不同规格的模块式工具，如图3-15所示。

模块式工具系统都是由主柄模块、中间模块、工作模块三部分组成。主柄模块是模块式工具系统中直接与机床主轴连接的工具模块；中间模块是模块式工具系统中为加长工具轴向尺寸和变换连接直径的工具模块；工作模块是模块式工具系统中为了装卡各种切削刀具的模块。通过各种连接结构，在保证刀杆连接精度、刚性的前提下，将这三部分连接成一整体，组成模块式工具系统。使用者可根据加工零件的尺寸、精度要求、加工程序、加工工艺，利用这三部分模块，任意组合成钻、铣、镗、铰、攻螺纹的各种工具进行切削加工。模块式工具克服了整体式工具功能单一、加工尺寸不易变动的不足，显示出其经济、快速、可靠的特点，但对连接精度、刚性、强度都有很高的要求。下面介绍几种常见的刀柄。

1）莫氏锥度刀柄有莫氏锥度2号、3号、4号等，如图3-16所示。它可装夹相应的莫氏锥度刀杆的钻头、铣刀等，有带扁尾莫氏锥度孔刀柄和无扁尾莫氏锥度孔刀柄两种。

2）侧固式刀柄如图3-17所示，它采用侧向夹紧，适用于切削力大的加工，但一种尺寸的刀具需对应配备一种刀柄，规格较多。

3）ER弹簧夹头刀柄如图3-18所示，它采用图3-19所示的ER型卡簧，夹紧力不大，适用于夹持直径在16mm以下的各种立铣刀、键槽铣刀、直柄麻花钻等。卡簧装入数控刀柄前端夹持数控铣刀；拉钉拧紧在数控刀柄尾部的螺纹孔中，用于拉紧在主轴上。

（2）常用刀柄使用方法 数控铣床各种刀柄均有相应的使用说明，在使用时可仔细阅读。这里仅以最为常见的弹簧夹头刀柄举例说明。

图3-15 模块式工具系统（TMG工具系统）

1）将刀柄放入卸刀座并锁紧。

2）根据刀具直径选取合适的卡簧，清洁工作表面。

3）将卡簧装入锁紧螺母内。

4）将铣刀装入卡簧孔内，并根据加工深度控制刀具悬伸长度。

5）用扳手将锁紧螺母锁紧。

6）检查，将刀柄装上主轴。

图3-16 莫式锥度刀柄

图3-17 侧固式刀柄

图3-18 ER弹簧夹头刀柄

图3-19 ER卡簧

3．常用刀具

数控铣床和加工中心上使用的刀具主要为铣刀，包括面铣刀、立铣刀、球头铣刀、三面刃盘铣刀、环形铣刀等。除此之外还有各种孔加工刀具，如麻花钻、锪钻、铰刀、镗刀、丝锥等，下面只简单地介绍几种数控铣床常用的铣刀。

（1）面铣刀 主要用于立式铣床上加工平面、台阶面、沟槽等，其结构如图3-20所示。面铣刀圆周表面和端面上都有切削刃，圆周表面上的切削刃为主切削刃，端部切削刃为副切削刃。面铣刀的直径较大，特别是可转位机械夹固式不重磨刀片面铣刀的切削性能好，并可方便地更换各种不同切削性能的刀片，切削效率高，加工表面质量好。面铣刀多制成套式镶齿结构，刀齿为高速钢或硬质合金，刀体为40Cr。

图3-20 面铣刀

从外形上，面铣刀有普通面铣刀、方肩面铣刀两种形式，如图3-21所示。普通面铣刀可用于铣削凸出平面，方肩面铣刀用于切削90°的台阶面。

图3-21 面铣刀的形式

a）普通面铣刀 b）方肩面铣刀

高速钢面铣刀按国家标准规定，直径d=80～250mm，螺旋角β=10°，刀齿数Z=10～20。

硬质合金面铣刀的铣削速度、加工效率和工件表面质量均高于高速钢铣刀，并可加工带有硬皮和淬硬层的工件，因而在数控加工中得到了广泛的应用。硬质合金面铣刀按刀片和刀齿的安装方式不同，可分为整体焊接式面铣刀、机夹-焊接式面铣刀、可转位式面铣刀等形式，如图3-22所示。整体焊接式和机夹-焊接式面铣刀为硬质合金刀片与合金钢刀体经焊接而成，其结构紧凑，切削效率高，制造较方便，但难于保证焊接质量，刀具寿命低，重磨较费时，目前已逐渐被可转位式面铣刀所取代。

图3-22 硬质合金面铣刀

a）整体焊接式 b）机夹-焊接式 c）可转位式

可转位式面铣刀是将可转刀片通过夹紧元件夹固在刀体上，当刀片的一个切削刃用钝后，直接在机床上将刀片转位或更换新刀片。可转位面铣刀有粗齿、细齿和密齿三种。粗齿铣刀容屑空间较大，常用于粗铣钢件；粗铣带断续表面的铸件和在平稳条件下铣削钢件时，可选用细齿铣刀。密齿铣刀的每齿进给量较小，主要用于加工薄壁铸件。可转位式面铣刀要求刀片定位精度高、夹紧可靠、排屑容易、可快速更换刀片，同时要求各定位、夹紧元件通用性好，制造方便，经久耐用。因此，可转位式面铣刀在提高产品质量、加工效率，降低成本，操作使用方便等方面都具有明显的优越性，已得到广泛应用。

可转位式面铣刀的直径已经标准化，范围为ϕ16～630mm，采用公比1.25的标准直径（mm）系列：16、20、25、32、40、50、63、80、100、125、160、200、250、315、400、500、630。应根据工件切削宽度来选择最佳面铣刀的直径，一般是工件宽度的1.3～1.5倍。粗铣时，因切削力较大，为减小切削转矩，应选小直径铣刀；精铣时，铣刀直径要大些，尽量包容工件整个加工宽度，以提高加工精度和加工效率，并减小相邻两次进给之间的接刀痕迹、保证铣刀的耐用度。

面铣刀几何角度的标注如图3-23所示。前角的选择原则与车刀基本相同，只是由于铣削时有冲击，故前角数值一般比车刀略小，尤其是硬质合金面铣刀，前角数值减小得更多些。铣削强度和硬度都高的材料可选用负前角。面铣刀前角的数值主要根据工件材料和刀具材料来选择，其具体数值见表3-2。铣刀的磨损主要发生在后刀面上，因此适当加大后角，可减少铣刀磨损。常取α0=5°～12°，工件材料软时取大值，工件材料硬时取小值；粗齿铣刀取小值，细齿铣刀取大值。铣削时冲击力大，为了保护刀尖，硬质合金面铣刀的刃倾角常取λs=-5°～15°。只有在铣削低强度材料时，取λs=5°。主偏角kr在45°～90°范围内选取，铣削铸铁常用45°，铣削一般钢材常用75°，铣削带凸肩的平面或薄壁零件时要用90°。

图3-23 面铣刀的角度标注

表3-2 面铣刀的前角数值

（2）立铣刀 立铣刀是数控机床上用得最多的一种铣刀，其切削效率较低，主要用于平面轮廓零件的加工。立铣刀的结构如图3-24a所示，其圆柱表面和端面上都有切削刃，它们可同时进行切削，也可单独进行切削。立铣刀圆柱表面的切削刃为主切削刃，端面上的切削刃为副切削刃，主切削刃一般为螺旋齿，这样可以增加切削平稳性，提高加工精度。由于普通立铣刀端面中心处有顶尖孔，无切削刃，因此，铣削时不能沿铣刀轴向做进给运动，只能沿铣刀径向做进给运动，端面刃主要用来加工与侧面相垂直的底平面。

图3-24 立铣刀

为了能加工较深的沟槽，并保证有足够的备磨量，立铣刀的轴向长度一般较长。为改善切屑卷曲情况，增大容屑空间，防止切屑堵塞，刀齿数比较少，容屑槽圆弧半径则较大。一般粗齿立铣刀齿数Z=3～4，细齿立铣刀齿数Z=5～8，套式结构Z=10～20，容屑槽圆弧半径r=2～5mm。当立铣刀直径较大时，可制成不等齿距结构，以增强抗振作用，使切削过程平稳。

立铣刀有粗齿和细齿两种，粗齿齿数3～6个，适用于粗加工，细齿齿数5～10个，适用于半精加工，套式结构齿数10～20。立铣刀从结构上可分为整体式和机械夹固式。标准立铣刀的螺旋角β为40°～45°（粗齿）和30°～35°（细齿），套式结构立铣刀的β为15°～25°。直径较小的立铣刀，一般制成带柄形式。ϕ2～ϕ7mm的立铣刀制成直柄；ϕ6～ϕ63mm的立铣刀制成莫氏锥柄；ϕ25～ϕ80mm的立铣刀做成7 ∶ 24锥柄，内有螺孔用来拉紧刀具。为了切削有拔模斜度的轮廓面，还可使用主切削刃带锥度的圆锥形立铣刀。但是由于数控机床要求铣刀能快速自动装卸，故立铣刀柄部形式也有很大不同，一般是由专业厂家按照一定的规范设计制造成统一形式、统一尺寸的刀柄。直径为40～60mm的立铣刀可做成套式结构。

立铣刀主切削刃的前角在法剖面内测量，后角在端剖面内测量，前、后角的标注如图3-24b所示。前、后角都为正值，分别根据工件材料和铣刀直径选取，其具体数值可分别见表3-3和表3-4所示。

表3-3 立铣刀前角数值

表3-4 立铣刀后角数值

立铣刀的尺寸参数如图3-25所示，推荐按下述经验数据选取。

图3-25 立铣刀尺寸参数

1）刀具半径R应小于零件内轮廓面的最小曲率半径ρ，一般取R=（0.8～0.9）ρ。

2）零件的加工高度H≤（1/4～1/6）R，以保证刀具具有足够的刚度。

3）对不通孔（深槽），选取l=H+（5～10）mm（l为刀具切削部分长度，H为零件高度）。

4）加工外形及通槽时，选取l=H+r+（5～10）mm（r为端刃圆角半径）。

5）粗加工内轮廓面时，如图3-26所示，铣刀最大直径D粗可按下式计算。

式中 D——轮廓的最小凹圆角直径；

δ——圆角邻边夹角等分线上的精加工余量；

δ 1——精加工余量；

φ——圆角两邻边的夹角。

6）加工肋时，刀具直径为D=（5～10）b（b为肋的厚度）。

立铣刀的铣削方法有两种，一种是周刃铣削，利用分布在立铣刀圆柱面上的刀刃来铣削并形成平面，周铣加工的平面度好坏取决于铣刀的圆柱度，因此在精铣平面时，要保证铣刀的圆柱度；另一种铣削方法是端刃铣削，利用分布在立铣刀端面上的刀刃来铣削形成平面，端铣平面度的好坏取决于铣床主轴轴线与进给方向的垂直度。若主轴轴线与进给方向垂直，则刀尖旋转时的轨迹与进给方向平行，就能切出一个平面，刀纹呈网状。若主轴轴线与进给方向不垂直，则会切出一个弧形凹面，刀纹呈单向弧形，铣削时会发生单向拖刀现象。端铣适用于高速铣削，其工作平稳，生长效率高，加工质量好。但在相同的铣削用量条件下，周铣比端铣获得的表面粗糙度要小。

图3-26 粗加工立铣刀直径计算

（3）模具铣刀 模具铣刀由立铣刀发展而成，可分为圆锥形立铣刀（圆锥半角α/2=3°、5°、7°、10°）、圆柱形球头立铣刀和圆锥形球头立铣刀三种，其柄部有直柄、削平型直柄和莫氏锥柄。它的结构特点是球头或端面上布满了切削刃，圆周刃与球头刃圆弧连接，可以做径向和轴向进给。

模具铣刀工作部分用高速钢或硬质合金制造。国家标准规定直径d=4～63mm。图3-27所示为高速钢制造的模具铣刀，图3-28所示为用硬质合金制造的模具铣刀。小规格的硬质合金模具铣刀多制成整体结构，直径为16mm以上的硬质合金模具铣刀制成焊接或机夹可转位刀片结构。

图3-27 高速钢模具铣刀

a）圆锥形 b）圆柱形球头 c）圆锥形球头

图3-28 硬质合金模具铣刀

球头铣刀的端面不是平面，而是带切削刃的球面，刀体形状有圆柱形球头铣刀和圆锥形球头铣刀，也可分为整体式和机夹式。球头铣刀主要用于模具产品的曲面加工，在加工曲面时，一般采用三坐标联动，铣削时不仅能沿轴向做进给运动，也能沿铣刀径向做进给运动，而且球头与工件接处往往为一点，这样，该铣刀在数控铣床的控制下，就能加工出各种复杂的成形表面。其运动方式具有多样性，可根据刀具性能和曲面特点选择设计。球头铣刀加工部位及运动方式见表3-5。

表3-5 球头铣刀加工部位及运动方式

（4）键槽铣刀 键槽铣刀主要用于立式铣床上加工圆头封闭键槽等，其结构如图3-29所示。该铣刀外形和端面立铣刀相似，有两个刀齿，圆柱面和端面都有切削刃，但端面无顶尖孔，端面刃延至轴心，既像立铣刀又像钻头。加工键槽时，先轴向进给达到槽深，然后沿键槽方向进给，铣出键槽全长。

图3-29 键槽铣刀

按国家标准规定，直柄键槽铣刀直径为2～22mm，锥柄键槽铣刀直径为14～50mm。键槽铣刀直径的偏差有e8和d8两种。键槽铣刀的圆周切削刃仅在靠近端面的一小段长度内发生磨损，重磨时，只需刃磨端面切削刃，因此重磨后铣刀直径不变。

（5）鼓形铣刀 如图3-30所示为一种典型的鼓形铣刀，它的切削刃分布在半径为R的圆弧面上，端面无切削刃。加工时控制刀具上下位置，相应改变刀刃的切削部位，可以在工件上切出从负到正的不同斜角。R越小，鼓形刀所能加工的斜角范围越广，但所获得的表面质量也越差。这种刀具的特点是刃磨困难，切削条件差，而且不适于加工有底的轮廓表面。

图3-30 鼓形铣刀

（6）成形铣刀 成形铣刀一般是为特定形状的工件或加工内容专门设计制造的，如渐开线齿面、燕尾槽和T形槽等。几种常用的成形铣刀如图3-31所示。

图3-31 几种常用的成形铣刀

除了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，或因主轴内锥孔有别，须配过渡套和拉钉。

（7）镗刀 镗孔所用的刀具称为镗刀，如图3-32所示。按切削刃数量可分为单刃镗刀和双刃镗刀。镗刀切削部分的几何角度和车刀、铣刀的切削部分基本相同。常用的有整体式镗刀、机械固定式镗刀。整体式镗刀一般装在可调镗头上使用，机械固定式镗刀一般装在镗杆上使用。

图3-32 镗刀

使用刀具时，首先应确定数控铣床要求配备的刀柄及拉钉的标准和尺寸，根据加工工艺选择刀柄、拉钉和刀具，并将它们装配好，然后装夹在数控铣床的主轴上。

4．铣削刀具的选用

铣削刀具的选择原则是：根据加工表面特点及尺寸选择刀具类型，根据工件材料及加工要求选择刀片材料及尺寸，根据加工条件选取刀柄。

选取刀具时，要使刀具的尺寸与被加工工件的表面尺寸相适应。刀具直径的选用主要取决于设备的规格和工件的加工尺寸，还要考虑刀具所需功率应在机床功率范围之内。从刀具的结构应用方面来看，数控加工应尽可能采用镶块式机夹可转位刀片以减少刀具磨损后的更换和预调时间。铣削加工时工件形状和刀具形状的关系如图3-33所示，铣削加工部位及所使用铣刀的类型见表3-6。

图3-33 铣削加工时工件形状和刀具形状的关系

表3-6 铣削加工部位及所使用铣刀的类型

生产中，平面零件周边的轮廓的加工，常采用立铣刀；铣削平面时，应选用端铣刀或面铣刀；加工凸台、凹槽时，选用高速钢立铣刀；加工毛坯表面或粗加工孔时，可选取镶硬质合金刀片的玉米铣刀（镶齿立铣刀）；对一些立体型面和变斜角轮廓外形的加工，常采用球头铣刀、环形铣刀、锥形铣刀和盘形铣刀。在同样完成加工的情况下，选择相对综合成本低的方案，而不是选择最便宜的刀具。选择好的刀具虽然增加了刀具成本，但由此带来的加工质量和加工效率的提高可以使总体成本比使用普通刀具更低，带来更好的经济效益。

3.1.5 数控铣削夹具及工件装夹

数控铣床加工时，所用夹具及工件装夹方法与普通铣床加工时基本相同，主要有用平口钳装夹工件、用回转工作台装夹工件、用压板装夹工件、用专用工具装夹工件、用万能分度头装夹工件等。

1．工件装夹的基本原则

1）力求基准统一。

2）尽量减少工件的装夹次数和辅助时间。

3）充分发挥数控机床的效能。

2．选择夹具的基本原则

1）以缩短生产准备时间、提高生产效率为前提。

2）成批生产时采用专用夹具，力求结构简单。

3）工件装卸要迅速、方便、可靠。

4）夹具定位、夹紧精度要高。

3．工件的安装

（1）机用虎钳 机用虎钳的结构如图3-34a所示，适用于装夹中小尺寸和形状规则的工件，如图3-34b所示。当加工一般精度和夹紧力要求的零件时常用机械式虎钳，当加工精度要求高，夹紧力要求大时可采用较高精度的液压式虎钳。

机用虎钳在数控铣床工作台上的安装要根据加工精度要求控制钳口与X或Y轴的平行度，零件夹紧时要注意控制工件变形和一端钳口上翘。机用虎钳属于通用可调夹具，适用于多品种小批量生产加工。其定位精度较高，夹紧速度快，通用性强，操作简单，是应用最广的一种机床夹具。

图3-34 机用虎钳

a）机用虎钳 b）机用虎钳装夹工件

1—底座 2—固定钳口 3—活动钳口 4—螺杆

（2）铣床用卡盘在数控铣床上加工回转体零件时，可以采用自定心卡盘装夹，如图3-35所示；对于非回转零件可采用四爪卡盘装夹，如图3-36所示。铣床用卡盘的使用方法和车床卡盘相似，都是用T形槽螺栓将卡盘固定在机床工作台上。

图3-35 自定心卡盘

1—卡爪 2—卡盘体

3—锥齿端面螺纹圆盘 4—小锥齿轮

图3-36 四爪单动卡盘

1—卡爪 2—螺杆 3—卡盘体

（3）回转工作台 为了扩大数控机床的工艺范围，数控机床除了沿X、Y、Z三个坐标轴做直线进给外，往往还需要有绕Y或Z轴的圆周进给运动。数控机床的圆周进给运动一般由回转工作台来实现，对于加工中心，回转工作台是一个不可缺少的部件。数控机床中常用的回转工作台有分度工作台和数控回转工作台。

1）数控分度工作台。数控机床的分度工作台如图3-37所示，它是根据加工要求将工件回转至所需的角度，以达到加工不同面的目的。数控分度工作台的端齿盘为分度元件，靠气动转位分度可完成以5°为基准单位的整倍数垂直（或水平）回转坐标的分度。分度工作台主要有两种形式：定位销式分度工作台和鼠齿盘式分度工作台。

图3-37 数控分度工作台

2）数控回转工作台。数控回转工作台如图3-38所示，其外观上和分度工作台相似，但内部结构和功用却大不相同。数控回转工作台可使数控铣床增加1个或2个回转坐标，通过数控系统实现4坐标或5坐标联动，可有效地扩大工艺范围，加工更为复杂的零件。数控卧式铣床一般采用方形回转工作台，实现B坐标运动。数控立式铣床一般采用圆形回转工作台，安装在机床工作台上，可以实现A、B或C坐标运动，但圆形回转工作台占据机床空间也较大。

图3-38 回转工作台

数控回转工作台的主要功能有两个：一是工作台进给分度运动，即在非切削时，装有工件的工作台在整个圆周（360°范围内）进行分度旋转；二是工作台做圆周方向进给运动，即在进行切削时，与X、Y、Z三个坐标轴进行联动，加工复杂的空间曲面。图3-38a所示可完成四面加工；图3-38b、c所示可完成圆柱凸轮的空间成形面和平面凸轮加工；图3-38d所示为双回转台，可用于加工在表面上呈不同角度布置的孔，可完成五个方向的加工。

（4）用螺钉压板装夹工件 安装尺寸较大、较长或形状比较复杂的中大型工件时，常使用压板将工件直接夹紧在工作台的台面上，所使用的夹紧件主要是T形螺栓和螺母，根据工件形状和夹紧形式有时还使用垫铁、V形架等工具，安装方法如图3-39所示。

图3-39 用螺钉压板装夹工件

4．工件安装的注意事项

在工件装夹时，需注意以下问题：

1）安装工件时，应保证工件在本次定位装夹中所有需要完成的待加工面充分暴露在外，以方便加工，同时考虑机床主轴与工作台面之间的最小距离和刀具的装夹长度，确保在主轴的行程范围内能使工件的加工内容全部完成。

2）夹具在机床工作台上的安装位置必须给刀具运动轨迹留有空间，不能和各工步刀具轨迹发生干涉。

3）夹点数量及位置不能影响刚性。

3.1.6 数控铣削切削用量

铣削加工的切削用量包括主轴转速（切削速度）、进给速度、背吃刀量和侧吃刀量，周铣与端铣的切削用量如图3-5所示。切削用量的大小对切削力、切削功率、刀具磨损、加工质量和加工成本均有显著影响。数控铣削加工中，切削用量的选择原则是：在保证加工质量和刀具寿命的前提下，充分发挥机床性能和刀具切削性能，使切削效率最高，加工成本最低。切削用量的选择方法是：先选择背吃刀量和侧吃刀量，其次选择进给速度，最后选择主轴转速。

1．背吃刀量（铣削深度）ap与侧吃刀量（铣削宽度）ae

背吃刀量ap与侧吃刀量ae分别指铣刀在轴向和径向的切削深度。端铣时，背吃刀量ap为切削层深度，侧吃刀量ae为被加工表面宽度；圆周铣削时，背吃刀量ap为被加工表面宽度，侧吃刀量ae为切削层深度。

背吃刀量或侧吃刀量的选取主要由加工余量和表面质量的要求决定。如果工件表面粗糙度值要求为Ra12.5～25μm、圆周铣削加工余量小于5mm或端面铣削加工余量小于6mm时，粗铣一次就可以达到要求，但在余量较大，工艺系统刚性较差或机床动力不足时，可多分几次进给完成。如果工件表面粗糙度值要求为Ra3.2～12.5μm时，应分粗铣和半精铣两步完成，粗铣时，背吃刀量和侧吃刀量的选取同前，粗铣后留0.5～1mm的余量，在半精铣时切除。如果工件表面粗糙度值要求为Ra0.8～3.2μm时，应分粗铣、半精铣和精铣三步完成，半精铣时背吃刀量或侧吃刀量取1.5～2mm；精铣时，圆周铣侧吃刀量取0.3～0.5mm，面铣刀背吃刀量取0.5～1mm。

2．进给量f与进给速度vf

进给量f与进给速度vf是衡量切削用量的重要参数。铣削加工的进给量f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，其单位是mm/r；进给速度vf是指单位时间内工件与铣刀沿进给方向的相对位移量，其单位是mm/min。二者之间的换算关系为

v f=nf

式中 n——铣刀转速，单位为r/min。

进给量f与每齿进给量fZ的换算关系为

f=Z·fZ

式中 Z——铣刀齿数。

进给量f与进给速度vf的选取，应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，参考有关切削用量手册进行。工件刚性差或刀具强度低时，应取小值；加工精度和表面粗糙度要求较高时，也应取小值，但不能过小，进给量过小反而会使表面粗糙度值增大。切削时的进给速度还应与主轴转速和背吃刀量等切削用量相适应。每齿进给量的选取主要根据工件材料的力学性能、刀具材料、工件表面粗糙度等因素。铣刀每齿进给量参考值见表3-7。

表3-7 铣刀每齿进给量参考值

3．主轴转速n

主轴的转速n由切削速度vc和切削直径Dc决定。对于圆柱立铣刀可按下面公式计算

n=vc×1000/πDc（单位r/min）

其中，切削速度vc由刀具和工件材料决定。

对于球头立铣刀或R角立铣刀，因为其有效切削直径和平底立铣刀不同，若要保持同样直径的球头铣刀或圆柱刀切削速度一致的话，球头铣刀的主轴转速要更大，进给速度也更大，计算公式与平底铣刀不同，在这里不做介绍。

实际应用时，计算好的主轴转速n要根据机床实际情况选取和理论值一致或较接近的转速，并填入程序单中。

4．切削速度vc

铣削的切削速度vc与刀具的使用寿命、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。铣削加工的切削速度vc可参考表3-8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3-8 铣削加工的切削速度参考值

5．切削参数的选择

切削参数的选择是工艺设计和程序编制时一个重要的内容，一般按照以下步骤进行：

1）根据工件材料和刀具材料查表确定切削速度，再由刀具直径可得到主轴转速。

2）根据机床功率确定背吃刀量。

3）根据背吃刀量查表确定每齿进给量。

4）根据主轴转速及每齿进给量可得到切削进给速度。

相关数据可在切削手册或刀具手册中查到，也可以从实际所用刀具的切削用量手册中查到。整体硬质合金2刃立铣刀进行侧面铣削时的切削参数见表3-9。要注意的是，不同刀具企业的刀具性能不相同，实际使用的刀具性能应与刀具手册中的相一致。

表3-9 切削参数表

（续）

【思考与练习】

1．按照常用的分类方式，数控铣床有哪些种类？

2．简述数控铣床的组成以及加工对象。

3．常用的铣削方式有哪几种？应如何进行选择？

4．简述数控铣削刀具系统的要求。

5．数控铣削刀具的分类方法及其种类分别是什么？

6．常用刀柄的使用方法有哪些？

7．常用铣削刀具有哪些？

8．简述常用铣削夹具的种类及其适用环境。

9．零件安装时应注意的事项有哪些？

10．切削用量的选择原则和方法分别是什么？

3.2 数控铣床基本操作

【学习目标】

1）熟悉数控铣床的操作步骤。

2）掌握程序的输入与编辑。

3）熟练掌握对刀的类型及方法。

4）熟悉程序运行控制。

【知识学习】

3.2.1 手动操作

数控铣床的人机对话界面也由CRT/MDI数控操作面板（数控系统操作面板）和机床操作面板（机床控制面板）两部分组成。只要采用相同的系统，CRT/MDI操作面板也是相同的，FANUC 0i-MB数控系统操作面板如图3-40所示，其名称和用途与FANUC 0i-T相似。由于生产厂家的不同而有所不同，该系统操作面板主要在按钮或旋钮的设置方面有所不同。

图3-40 FANUC 0i-MB系统MDI面板各键的位置

1．开机与关机

开机操作基本次序：

1）打开外部空气压缩机电源开关。

2）打开机床外部电源开关。

3）打开机床电气柜开关。

4）打开操作面板开关。按下机床控制面板上的启动电源键，接通电源，显示屏由黑色变为有文字显示。

5）松开急停开关。按急停键，使该键抬起，这时系统完成上电复位。

6）MODE模式切换到自动回零状态。

7）回机械零点。

8）切换到手动状态或点动状态。

9）将工作台移至接近中间位置。

关机次序大致与开机次序相反，具体次序为：

1）打扫或清理工作台的铁屑。

2）将工作台移到大致中心位置。

3）按下急停开关。

4）关闭操作面板开关。

5）关闭电气柜开关。

6）关闭外部电源开关。

7）关闭空气压缩机电源。

2．手动回机床原点（参考点）

1）按机械回零按钮回零，使机械回零指示灯亮，机床回到以机械原点为基准的机床坐标系，屏幕上显示X、Y、Z三轴的坐标值。

2）先回+Z轴方向：按下+Z键，使工作台移动，当Z轴的回零指示灯亮后，则可松手。对于某轴坐标值大于-20，按手轮方式按钮手轮，使手轮方式指示灯亮，通过手摇“脉冲手轮”使其轴坐标值小于-20后，再按机械回零按钮回零。

3）依次回+Y轴和+X轴。

三轴回零后，屏幕当前所显示X、Y、Z轴机械坐标值为0，0，0。

3．工作台的手动调整

工作台拖板的手动调整是采用方向按键，通过产生触发脉冲的形式或使用手轮通过产生手摇脉冲的方式来实施的。和手柄的粗调、微调一样，其手动调整也有两种方式。

（1）粗调 在操作面板中按下按钮JOG切换到手动模式JOG上。先选择要移动的轴，再按轴移动方向按钮，则刀具主轴相对于工作台向相应的方向连续移动。移动速度受快速倍率旋钮的控制，移动距离受按压轴方向选择钮的时间的控制，即按即动，即松即停。采用该方式无法进行精确的尺寸调整，当移动量大时可采用此方法。

（2）微调 需微调机床时，可用手轮方式调节机床。微调需使用手轮来操作。在操作面板中按下按钮手轮切换到手轮模式上。再在手轮中选择移动轴和进给增量，按“逆正顺负”方向旋动手轮手柄，则刀具主轴相对于工作台向相应的方向移动，移动距离视进给增量档值和手轮刻度而定，手轮旋转360°，相当于100个刻度的对应值。

3.2.2 程序的输入与编辑

1．程序的检索

程序的检索是用于查询浏览当前系统存储器内都存有哪些番号的程序。程序整理主要用于对系统内部程序的管理，如删除一些多余的程序。

1）将手动操作面板上的工作方式开关置编辑或自动档，按数控面板上的PROG键显示程序画面。

2）输入地址“O”和要检索的程序号，再按O SRH软键，检索到的程序号显示在屏幕的右上角。若没有找到该程序，即产生“071”的报警。再按O SRH软键，即检索下一个程序。在自动运行方式的程序屏幕下，按“►”软键，按FL.SDL软键，再按目录（DIR）软键，即可列出当前存储器内已存的所有程序。

3）若要浏览某一番号程序（如O0001）的内容，可先键入该程序番号（如O0001）后，再按向下的光标键即可。若如此操作产生“071”的报警，则表示该程序番号为空，还没有被使用。

2．程序输入

程序输入和修改操作同样也必须在编辑方式下进行，用手工键入一个新程序时，有以下操作。

1）按下编辑EDIT键，进入编辑状态。

2）按PROG键进入程序编辑界面，出现程序画面。

3）按下软键DIR+，查看系统中有哪些程序。

4）根据程序番号检索的结果，选定某一还没有被使用的程序番号作为待输程序编号（如O0012）。键入该编号O0012后，按INSERT键，则该程序编号就自动出现在程序显示区，新程序名成立，具体的程序行就可在其后输入，如图3-41所示。

图3-41 程序显示画页

5）将上述编程实例的程序顺次输入到机床数控装置中，每输完一个程序段，按INSERT键确定。键入程序的各个程序段内容，直至输完整个程序，可通过CRT监控显示该程序。注意每一程序段（行）间应用EOBE键分隔。

3．调入已有的程序

若要调入先前已存储在存储器内的程序进行编辑修改或运行，可进行以下操作。

1）按下编辑EDIT键，进入编辑状态。

2）按PROG键进入程序编辑界面，出现程序画面。

3）按下软键DIR+，查看系统中有哪些程序。

4）键入地址键O，再输入想调用的程序号，按软键检索或↓键，则显示器显示找到的程序，并可将该番号的程序作为当前加工程序。

4．从PC、软盘或纸带中输入程序

在PC中，用通讯软件设置好传送端口及波特速率等参数，连接好通信电缆，将欲输入的程序文件调入并做好输出准备，置机床端为“编辑”方式，按PROG功能键，再按下操作软键，按►软键，输入欲存入的程序编号，如“O0013”；然后，再按READ和EXEC软键，程序即被读入至存储器内，同时在CRT上显示出来。如果不指定程序号，就会使用PC、软盘或纸带中原有的程序编号；如果机床存储器已有对应编号的程序，将出现“073”的报警。

5．程序的编辑

1）按光标移动键可以移动光标，按“PAGE”上下键可以上下翻页。

2）采用手工输入和修改程序时，所键入的地址数字等字符都是首先存放在键盘缓冲区内。此时，若要修改可用CAN键来进行擦除重输。当一行程序数据输入无误后，可按INSERT键或ALTER键以插入或改写的方式从缓冲区送到程序显示区（同时自动存储），这时就不能再用CAN键来改动了。3）要修改局部程序，可移光标至要修改处，再输入程序字，若按ALTER键则将光标处的内容替换为新输入的内容；若按INSERT键则将新内容插入至光标所在程序字的后面。要删除某一程序字，则可移光标至该程序字上再按DELETE键。本系统中程序的修改不能细致到某一个字符上，而是以某一个地址后跟一些数字（简称程序字）作为程序更改的最小单位。

4）若要删除某一程序行，可移光标至该程序行的开始处，再按EOBE+DELETE键；若按“Nxxxx”+DELETE键，则将删除多个程序段。

5）由于受存储器的容量限制，当存储的程序量达到某一程度时，必须删除一些已经加工过而不再需要的程序，以腾出足够的空间来装入新的加工程序；否则，将会在进行程序输入的中途就产生“070”的存储空间不够的报警。删除某一程序的方法是：在确保某一程序如“O0002”已不再需要保留的情况下，先键入该程序番号“O0002”，再按DELETE键即可。注意：若键入“O0010，O0020”后按DELETE键，则将删除程序号从O0010到O0020之间的程序；若键入“O-9999”后按DELETE键，则将删除已存储的所有程序，因此应小心使用。

3.2.3 MDI（MDA）操作及对刀

1．MDI程序运行

所谓MDI方式是指临时从数控面板上输入一个或几个程序段的指令并立即实施的运行方式。其基本操作方法如下：

1）按下操作面板中的MDI按键，选择MDI运行方式。

2）在MDI键盘上按PROG键，进入编辑页面，屏幕显示如图3-42所示。当前各指令模态也可在此屏中查看。

图3-42 MDI操作画页

3）在输入缓冲区输入一段程序指令，并以分号（EOB）结束；然后，按INSERT键，程序内容即被加到番号为O0000的程序中。本系统中MDI方式可输入执行最多6行程序指令，而且在MDI程序指令中可调用已经存储的子程序或宏程序。MDI程序在运行以前可编辑修改，但不能存储，运行完后程序内容即被清空。若用M99作结束，则可重新运行该MDI程序。

4）程序输入完成后，按RESET键，光标回到程序头；按启动键，即可实施MDI运行方式。若光标处于某程序行行首时，按了启动键，则程序将从当前光标所在行开始执行。

2．主轴的旋转与停止操作

FANUC系统为了保证操作安全，在开机后直接使用主轴正转或反转按键无法启动主轴，必须使用MDI方式（也可以使用自动方式，按循环启动键运行程序来启动主轴，但这种方法使用较少），启动机床主轴后，才可以使用按键启动主轴，具体步骤如下：

1）开机后回零（返回参考点）。

2）选MDI工作方式，按程序PROG键，输入“M03 S500”，按INSERT键，再按循环启动键，主轴即可启动。

3）按RESET键主轴停止旋转。

4）选择手动连续运行方式（JOG）或步进方式（INC）或手轮操作方式（Handle），主轴旋转按键即可正常工作。

3．确定对刀点和换刀点

对于数控机床来说，在加工开始时，确定刀具与工件的相对位置是很重要的，这一相对位置是通过确定对刀点来实现的。对刀点是工件在机床上定位装夹后，设置在工件坐标系中，用于确定工件坐标系在机床坐标系空间位置关系的参考点。为保证加工的准确性，在编制程序时，应合理设置对刀点。对刀点可以设置在被加工零件上，也可以设置在夹具上与零件定位基准有一定尺寸联系的某一位置，对刀点往往就选择在零件的加工原点。对刀点的选择原则如下：

1）所选的对刀点应使程序编制简单。

2）对刀点应选择在容易找正、便于确定零件加工原点的位置。

3）对刀点应选在加工时检验方便、可靠的位置。

4）对刀点的选择应有利于提高加工精度。

例如，加工图3-43所示零件时，当按照图示路线来编制数控加工程序时，选择夹具定位元件圆柱销的中心线与定位平面A的交点作为加工的对刀点。显然，这里的对刀点也恰好是加工原点。

图3-43 对刀点

换刀点是为加工中心、数控车床等采用多刀进行加工的机床而设置的，因为这些机床在加工过程中要自动换刀。对于手动换刀的数控铣床，也应确定相应的换刀位置。为防止换刀时碰伤零件、刀具或夹具，换刀点常常设置在被加工零件的轮廓之外，并留有一定的安全量。

4．采用寻边器进行X、Y向对刀

对刀的目的是通过刀具确定工件坐标系与机床坐标系之间的空间位置关系。通过对刀过程，求出工件原点在机床坐标系中的坐标，并将此数据输入到数控系统相应的存储器中。这样，在程序中调用时，所有的值都是针对所设定的工件原点给出的。对刀是数控加工中最重要的操作内容，其准确性将直接影响零件的加工精度。对于数控操作工来说，对刀过程和技巧是最基本的也是最重要的环节，也是更换刀具后保证产品质量的最重要的保证，反映了一个操作人员水平的高低。对刀操作分为X、Y向对刀和Z向对刀，对刀的目的主要有两个：

1）建立工件坐标系。用基准刀（通常是第一把刀）确定工件的坐标系，建议使用G54建立工件坐标系。因为G54是该原点在机床坐标系的坐标值，它是储存在机床内，无论停电、关机还是换班后，数据不会丢失。

2）确定加工刀具与基准刀具的几何差异（刀具长度补偿值），确定其他刀具与第一把刀具（或称为基准刀）的差异，确定其补正值。

根据现有条件和加工精度要求选择对刀方法，可采用试切法、寻边器对刀、机内对刀仪对刀、自动对刀等。其中试切法对刀精度较低，加工中常采用寻边器和Z轴设定器对刀，效率高，能保证对刀精度。

寻边器主要用于确定工件坐标系原点在机床坐标系中的X、Y值，也可以测量工件的简单尺寸，如图3-44所示。寻边器有偏心式和光电式等多种类型，如图3-45所示，其中以光电式寻边器较为常用。

图3-44 采用寻边器对刀

图3-45 寻边器类型

a）偏心式寻边器 b）光电式寻边器

（1）偏心式寻边器的使用方法 偏心式寻边器是利用可偏心旋转的两部分圆柱进行工作的，当这两部分圆柱在旋转时调整到同心，此时机床主轴中心距被测表面的距离为测量圆柱的半径值。偏心式寻边器的使用方法如下：

1）将偏心式寻边器用刀柄装在主轴上。

2）启动主轴旋转，一般为50r/min左右。

3）在X方向手动控制机床使偏心式寻边器靠近被测表面并缓慢与之接触。

4）进一步仔细调整位置，直至偏心式寻边器上下两部分同轴。

5）此时被测表面的X坐标为机床当前X坐标值加（或减）圆柱半径。

6）用同样的方法可进行Y方向的对刀。

（2）光电式寻边器的使用方法 光电式寻边器的测头一般为10mm的钢球，用弹簧拉紧在光电式寻边器的测杆上，碰到工件时可以退让，并将电路导通，发出光信号。通过光电式寻边器的指示和机床坐标位置可得到被测表面的坐标位置。利用测头的对称性，还可以测量一些简单的尺寸。图3-46所示矩形零件的几何中心为工件坐标系原点，现需测出工件的长度和工件坐标系在机床坐标系中的位置。具体测量方法如下：

图3-46 光电式寻边器的测量方法

1）将工件通过夹具装在机床工作台上，装夹时，工件的四个侧面都应留出寻边器的测量位置。

2）快速移动主轴，让寻边器测头靠近工件的左侧，改用微调操作，让测头慢慢接近工件左侧，直到寻边器发光。记下此时测头在机械坐标系中的X值，如：-358.500。

3）抬起测头至工件上表面之上，快速移动主轴，让测头靠近工件右侧，改用微调操作，让测头慢慢接近工件右侧，直到寻边器发光。记下此时测头在机械坐标系中的X值，如：-248.500。

4）两者差值再减去测头直径，即为工件长度。测头直径一般为10mm，则工件的长度为L=-248.500-（-358.500）-10=100mm。

5）工件坐标系原点在机械坐标系中的X坐标为X=-358.5+100/2+5=-303.5，将此值输入到工件坐标系中（如G54）的X即可。

6）同理可测得工件坐标系原点在机械坐标系中的Y坐标值，并输入到G54的Y值中。

工件找正和建立工件坐标系对于数控加工来说是非常关键的，而找正的方法也有很多种，用光电式寻边器来找正工件非常方便，寻边器可以内置电池，当其找正球接触工件时，发光二极管亮，其重复定位精度在2.0μm以内。

5．利用试切法进行X、Y向对刀

如果对刀要求精度不高，为方便操作，可以采用用碰刀（或试切）的方法确定刀具与工件的相对位置进行对刀。其操作步骤为：

1）将所用铣刀装到主轴上。为保证对刀准确，在对刀之前要先返回参考点。

2）按下MDI键，输入一个转速，例如“M03 S300”，按下INSERT键，再按下启动键，使主轴旋转。以后启动机床可以用主轴正转、反转、停止按键。

3）按下 手轮 键。手摇“脉冲手轮”移动铣刀沿X（或Y）方向靠近被测边，直到铣刀周刃轻微接触到工件表面，听到刀刃与工件的摩擦声但没有切屑，如图3-47a所示。

图3-47 试切对刀

4）保持X、Y坐标不变，将铣刀沿+Z向退离工件，如图3-47b所示。

5）在X（或Y）方向上，按X（或Y）键，再按软键起源，使坐标在X（或Y）方向上置零，并沿X（或Y）移动刀具半径的距离，如图3-47c所示。

6）此时机床坐标的X（或Y）值输入系统偏置寄存器中，该值就是被测边的X（或Y）坐标。

7）沿Y（或X）方向重复以上的操作，可得被测边的Y（或X）坐标。

8）Z轴方向对刀是将刀具底刃轻触工件上表面，记下Z轴坐标值。

9）将机械坐标系值输入到工件坐标系中，确定工件坐标系。首先按MDI面板功能键OFFSET/SETTING，按软键工件坐标系；然后移动光标到需要改变的坐标，选择工件坐标系G54～G59；最后将上面所确定的中心点机械坐标值，键入对应的X、Y、Z中，按INPUT键输入。

这种方法比较简单，但会在工件表面留下痕迹，且对刀精度较低。为避免损伤工件表面，可以在刀具和工件之间加入塞尺进行对刀，这时应将塞尺的厚度减去。依次类推，还可以采用标准心轴和块规来对刀，如图3-48所示。

图3-48 采用标准心轴和块规对刀

6．利用机外对刀仪进行X、Y、Z向对刀

在数控机床上加工复杂形状的零件时，往往要使用较多的刀具。为了实现自动换刀，迅速装刀和卸刀，以缩短辅助时间，同时也为了使刀具的实际尺寸输入数控系统实现刀具补偿，提高加工精度，一般要使用对刀仪，测出刀具的实际尺寸或与名义尺寸的偏差。机外对刀仪又称刀具预调仪，其结构如图3-49所示。对刀仪平台上装有刀柄夹持轴，用于安装被测刀具，通过快速移动单键按钮和微调旋钮，可调整刀柄夹持轴在对刀仪平台上的位置。当光源发射器发光，将刀具刀刃放大投影到显示屏幕上时，即可测得刀具在X（径向尺寸）和Z（刀柄基准面到刀尖的长度尺寸）方向的尺寸。机外对刀仪主要由以下4部分组成：

图3-49 对刀仪对刀

1）刀柄定位机构。机外对刀仪的刀柄定位部分与标准刀柄相对应，它是测量刀具的基准，因此要求与加工中心的主轴定位基准尽量接近，以保证测量数据与实际工作时刀具参数一致，必要时也可以根据实际情况进行补偿。刀柄定位机构包括回转精度很高的主轴、使主轴回转的传动机构、主轴锁紧机构、刀柄拉紧机构。

2）测量机构。测量机构包括测头、传动机构导轨。测头有接触式和非接触式两种。接触式测量头直接接触刀尖主要测量点；非接触式主要用光学投影的方法，把刀尖投影到屏幕上进行测量。测量值主要为长度与径向尺寸。

3）数值检出装置。用于检出及显示测量结果，有机械式和电子式两种显示方式。

4）数据处理及通信装置。用于对测量数据进行格式等处理，通过接口打印或输送到相关信息处理设备中，多应用于柔性生产线。

机外对刀仪主要用于测量刀具的长度、直径和刀具的形状、角度，准确记录预执行刀具的主要参数，测量时不占用数控设备。依据这些测量数据对刀具进行调整及确定加工时的补偿量，而对刀具角度的把握则有利于提高零件加工质量。如果更换新刀具，可用对刀仪测量新刀具的主要参数值，掌握与原刀具的偏差，然后通过修改刀补值确保其正常加工。利用机外对刀仪对刀的方法如下：

1）使用前要用标准对刀心轴进行校准。每台对刀仪都随机带有一件标准的对刀心轴，每次使用前要对Z轴和X轴尺寸进行校准和标定。

2）使用标准对刀心轴从参考点移动到工件零点时，读机床坐标系下的X、Y、Z坐标，把X、Y值输入到工件坐标系参数G54中，把Z值叠加心轴长度后，输入到G54中。

3）其他刀具在对刀仪上测量的刀具长度值，补偿到对应的刀具长度补偿号中。

7．采用杠杆百分表（或千分表）进行X、Y向对刀

采用杠杆百分表（或千分表）对刀如图3-50所示，其步骤如下：

图3-50 用杠杆百分表（或千分表）对刀

1）用磁性表座将杠杆百分表粘在机床主轴端面上。

2）利用手动输入“M03 S100”指令，使主轴低速旋转。

3）手动操作使旋转的表头依X、Y、Z的顺序逐渐靠近被测表面。

4）移动Z轴，将表头压在被测表面约0.1mm。

5）逐步降低手动脉冲发生器的移动量，使表头旋转一周时，其指针的跳动量在允许的对刀误差内，如0.02mm，此时可认为主轴的旋转中心与被测孔的中心重合。

6）记下此时机床坐标系中的X、Y坐标值。

这种方法操作比较麻烦，效率较低，但对刀精度较高，对被测孔的精度要求也较高，最好是经过铰或镗加工的孔，仅粗加工后的孔（如钻孔）不宜采用。

无论采用哪种工具，都是利用机床的坐标显示确定对刀点在机床坐标系中的位置，从而确定工件坐标系在机床坐标系中的位置，即告诉机床工件在机床工作台的什么地方。

8．利用Z轴设定器进行Z向对刀

Z轴设定器（图3-51）主要用于确定工件坐标系原点在机床坐标系的Z轴坐标，即确定刀具在机床坐标系中的高度。

图3-51 Z轴设定器

Z轴设定器有光电式和指针式等类型，通过光电指示或指针判断刀具与对刀器是否接触，对刀精度一般可达0.005mm。Z轴设定器带有磁性表座，可以牢固地附着在工件或夹具上，其高度一般为50mm或100mm，如图3-52所示。

对刀方法如下：

1）将加工所用刀具装到主轴上。

2）将Z轴设定器放置在工件上表面上。

3）快速移动主轴，使刀具端面靠近Z轴设定器上表面。

4）改用微调操作，让刀具端面慢慢接触到Z轴设定器上表面，直到其指针指示到零位（或发光显示）为止。

5）记下此时机械坐标系中的Z值，如-250.800。

6）若Z轴设定器的高度为50mm，则工件坐标系原点在机械坐标系中的Z坐标值为（-250.800-50）mm=-300.800mm。将该值输入到G54中的Z值处。

图3-52 Z轴设定器对刀

9．对刀过程中的注意事项

1）根据加工要求采用正确的对刀工具，控制对刀误差。

2）在对刀过程中，可通过改变微调进给量来提高对刀精度。

3）对刀时需小心谨慎操作，尤其要注意移动方向，避免发生碰撞危险。

4）对刀数据一定要存入与程序对应的存储地址，防止因调用错误而产生严重后果。

10．刀补设置

刀具补偿数据的设定可通过数控操作面板的OFFSET/SETTING功能项进行。其操作如下：

1）置工作方式开关于MDI手动数据输入方式。

2）按数控操作面板上的OFFSET/SETTING功能按键后，CRT屏幕显示如图3-53所示，其中NO.为刀具补偿地址号；若同时设置几何补偿和磨损补偿值，则刀补是它们的矢量和。

图3-53 刀补设置

3）按光标移动键，让光标停在要修改设定的数据位置上。当欲设定的数据不在当前画页时，可按页面键翻页。

4）输入要修改设定的数据（注意相应的取值范围与数据位数）。

5）按INPUT键，则修改设定后的数据存储到相应的地址寄存器内。

11．刀具补偿设置

（1）刀具半径补偿的输入

1）按下偏置键OFFSET/SETTING。

2）按补正键，显示所需要的页面。

3）使光标移向需要变更的偏置号位置，在D（形状）这一列。

4）由数据输入键输入补偿量。

5）按输入键INPUT，确认并显示补偿值。

（2）刀具长度补偿值的输入

1）按下偏置键OFFSET/SETTING。

2）按“补正”键，显示所需要的页面。

3）使光标移向需要变更的偏置号位置，在H（形状）这一列。

4）由数据输入键输入补偿量。

5）按输入键INPUT，确认并显示补偿值。

注意：补偿的数据正确性、符号正确性及数据所在地址正确性都将威胁到加工，从而导致撞车危险或加工报废。

3.2.4 程序运行控制

1．程序的空运行调试

空运行调试的意义在于：

1）用于检验程序中有无语法错误。有相当一部分可通过报警编号来分析判断。

2）用于检验程序行走轨迹是否符合要求。从图形跟踪可查看大致轨迹形状，若要进一步检查尺寸精度，则需要结合单段执行按键以查看分析各节点的坐标数据。

3）用于检验工件的装夹位置是否合理。这主要是从工作台的行程控制上是否超界，行走轨迹中是否会产生各部件间的位置干涉重叠现象等来判断。

4）用于通过调试而合理地安排一些工艺指令，以优化和方便实际加工操作。

空运行操作方法：

1）检查机床是否回零，若未回零，先将机床回零。

2）调出数控程序或自行编写一段程序。调出程序的操作如下：

方法一：首先选择自动工作方式（MEM）；然后按下PROG程序键，选择程序界面；再输入要执行的程序号（O××××）；最后按O检索键（或者按向下移动光标键）。

方法二：首先选择自动工作方式（MEM）；然后按下PROG程序键，选择程序界面；再输入要执行的程序段号（N××××）；最后按N检索键（或者按向下移动光标键）。

3）将机床主轴沿Z轴正向抬高一个高度。

4）置工作方式为自动方式，按下手动操作面板上的空运转开关至灯亮。

5）按启动按钮，机床即开始以快进速度执行程序，由数控装置进行运算后送到伺服机构驱动机械工作台实施移动。

空运行时，将无视程序中的进给速度而以快进的速度移动，并可通过“快速倍率”旋钮来调整。有图形监控功能时，若需要观察图形轨迹，可按数控操作面板上的GRAPH功能键切换到图形显示画页。

和数控车床一样，校验程序时还可利用“机械锁定”“Z轴锁定”等开关按键的功能。机械锁定时，数控装置内部在按正常的程序进程模拟插补运算，屏幕上刀具中心的位置坐标值同样也在不停地变动，但从数控装置往机械轴方向的控制信息通路被锁住，所以，此时机械部件并没有产生实质性的移动。若同时按下“机械锁定”和“空运行”按钮，则可以暂时不用考虑出现机械轴超程和部件间的干涉等问题，同时又可快速地检验程序编写的合理与否，及时地发现并修改错误，从而缩短程序调试的时间。

以上操作中，若出现报警信息都可通过按RESET键来解除。若出现超程报警，应先将工作方式置于JOG或手轮方式，再按压相反方向的轴移动方向按键；当轴移至有效行程范围内后，按RESET键解除报警。若在自动运行方式下出现超程，解除报警后，程序将无法继续运行。

2．自动/连续运行

当程序调试运行通过，工件装夹、对刀操作等准备工作完成后，即可开始正常加工。正常加工的操作方法和空运行类似，其操作方法为：

1）检查机床是否回零，若未回零，先将机床回零。

2）调出数控程序或自行编写一段程序。调出程序的操作如下：

首先选择自动工作方式（MEM）；然后按下PROG程序键，选择程序界面；再输入要执行的程序号（O××××）；最后按向下移动光标键。

3）将机床主轴沿Z轴正向抬高一个高度，再将光标移至主程序开始处，或在编辑方式下按RESET键使光标复位到程序头部。

4）置工作方式为自动方式，按下手动操作面板上的空运转开关至灯灭，以退出空运行状态。

5）按启动按钮，机床即开始以快进速度执行程序，由数控装置进行运算后送到伺服机构驱动机械工作台实施移动。按停止键即处于暂停状态，再按启动键即可继续加工运行。

3．中断运行

数控程序在运行过程中可根据需要进行暂停、停止、急停或重新运行。

1）数控程序在运行中，按暂停键，程序暂停执行；再按启动键，程序从暂停位置开始执行。

2）数控程序在运行中，按停止键，程序停止执行；再按启动键，程序从开头重新执行。

3）数控程序在运行中，按急停键，数控程序中断执行。继续运行时，先松开急停按钮，返回参考点后再按启动键，程序从开头重新执行。

4．自动/单段运行

1）检查机床是否回零，若未回零，先将机床回零。

2）调出数控程序或自行编写一段程序。

3）按下操作面板上的自动运行键，使其指示灯亮。

4）按下操作面板上的单节按钮。

5）按下操作面板上的启动键，程序开始运行。

注意：

1）自动/单段方式执行每一行程序均需按一次启动键。

2）按下单节跳过按钮，则程序运行时跳过符号“/”有效，该行成为注释行，不执行。

3）可以通过主轴倍率旋钮和进给倍率旋钮来调节主轴旋转的速度和移动的速度。

4）按RESET复位键可将程序复位。

5）为了安全起见，在使用了机床锁住或空运行后，在正式加工前要进行会参考点操作。

【思考与练习】

1．试述数控铣床的操作步骤。

2．为什么数控铣削中每次启动数控系统后，都要进行“回零”操作？

3．机床的手动控制过程中要注意哪些事项？

4．试述数控铣床试切对刀的步骤。

5．利用手动方式换刀时的操作过程及注意事项分别是什么？

6．在FANUC-0i系统中，如何对数控铣床进行MDI操作？

7．程序运行控制的类型及操作分别是什么？

3.3 平面图形的编程与加工

【学习目标】

1）熟练掌握数控铣削进给路线的确定原则及方法。

2）熟练掌握常用编程指令的指令格式，并能正确使用该指令编写程序。

3）理解并掌握平面加工的编程与操作。

【知识学习】

3.3.1 平面加工

1．确定进给路线的原则

进给路线就是刀具在整个加工工序中的运动轨迹，它不但包括工步的内容，也反映出工步顺序。进给路线是编写程序的依据之一。确定进给路线时，要在保证被加工零件获得良好的加工精度和表面质量的前提下，力求计算容易，走刀路线短，空刀时间少。进给路线的确定与工件表面状况、要求的零件表面质量、机床进给机构的间隙、刀具耐用度以及零件轮廓形状等有关。具体地说，确定进给路线主要考虑以下几个方面：

1）应保证被加工零件的精度和表面粗糙度，且效率高。

2）应使数值的计算简单，以减少编程工作量。

3）铣削零件表面时，要正确选用铣削方式。

4）应使加工路线最短，减少程序段和空刀时间，以减少加工时间。

5）铣轮廓曲线时应使刀具以圆弧的方式切入和离开工件，可提高加工精度和质量。进刀、退刀位置应选在零件不太重要的部位，并且使刀具沿零件的切线方向进刀、退刀，以避免产生刀痕。在铣削内表面轮廓时，切入切出无法外延，铣刀只能沿法线方向切入和切出，此时，切入切出点应选在零件轮廓的两个几何元素的交点上。

6）先加工外轮廓，后加工内轮廓。

2．平面铣削工艺路径

当铣削平面的宽度大于铣刀（面铣刀或立铣刀）直径时，一次进给不能完成全部平面的加工，要进行多次进给，进给路径一般有单向平行切削路径、往复平行切削路径、环切切削路径三种。

（1）单向平行切削路径 单向平行切削路径是刀具以单一的顺铣或逆铣方式切削平面，如图3-54a所示。该路径切削进给方向不变，刀具回退时不参与切削。其优点是能够保证铣刀切削刃在切削过程中始终是顺铣或逆铣，有利于切削。但需要增加快速退刀路线（抬刀→退刀→下刀），使得进给路线长。

（2）往复平行切削路径 往复平行切削路径如图3-54b所示，刀具在往返过程中均参与切削，以顺、逆铣混合方式切削平面。由于相邻进给路线的铣削方向是相反的，所以在铣削过程中顺、逆铣交替出现，不利于铣削。

（3）环切切削路径 刀具以环状走刀方式铣削平面，可从里向外或从外向里的方式，如图3-54c所示。

图3-54 平面铣削工艺路径

a）单向平行切削路径 b）往复平行切削路径 c）环切切削路径

通常粗铣平面采用往复平行切削法，切削效果好，空刀时间少。精铣平面采用单向平行切削路径，表面质量易于保证。

3．铣削曲面的进给路线

处理曲面轮廓的加工工艺比平面轮廓复杂得多，要根据曲面形状、刀具形状以及零件的精度要求，选择合理的进给路线。加工曲面时，常用球头刀采用如图3-55所示三种方法进行加工。

直线行切法如图3-55a所示，对于直母线的翼面类零件，采用该方案较为有利。每次沿直线进给，刀位点计算简单，程序段数目少，而且加工过程符合直纹面的形成规律，可以保证母线的直线度。

曲线行切法如图3-55b所示，其优点是便于加工后检验零件的准确度。因此，实际生产中最好将以上两种方案结合起来。

环切法如图3-55c所示，该方案一般应用在型腔加工中，在型面加工中由于编程麻烦而应用较少。但在加工螺旋桨叶轮一类零件时，工件刚度小，加工变形问题突出。采用从里到外的环切，刀具切削部位的四周受到毛坯刚性边框的支持，有利于减少工件在加工中的变形。

当工件的边界开敞时，为保证表面的加工质量，应从工件的边界外进刀和退刀。

图3-55 曲面加工的进给路线

a）直线行切法 b）曲线行切法 c）环切法

4．FANUC数控系统常用功能

（1）准备功能 准备功能G代码是设立机床工作方式或控制系统工作方式的一种命令，因其地址符规定为G，故又称为G功能或G指令。G后面一半为两位数（00～99），G代码可分为模态和非模态两种。目前，G代码标准化规定的程度不是很高，在具体编程时必须按照所用的数控系统说明书的具体规定使用，切不可盲目套用。FANUC数控系统数控铣床的常用功能见表3-10。

表3-10 FANUC系统常用准备功能

（续）

（续）

（2）辅助功能 数控铣床辅助功能也称为M功能或M指令，它是指定机床做一些些辅助动作的代码。辅助功能有两类型，辅助功能M代码用于指定主轴起动、主轴停止、程序结束等。而第二辅助功能B代码，用于指定分度工作台定位。数控铣床所用的辅助功能指令与数控车床基本相同，这里不再介绍。

5．选择工件坐标系（零点偏移）指令G54～G59

批量加工工件时，通常使用与机床参考点位置固定的绝对工件坐标系，分别通过坐标系偏置G54～G59这6个指令来选择调用对应的工件坐标系。这6个工件坐标系是通过运行程序前，输入每个工件坐标系的原点到机床参考点的偏置值而建立的。

说明：

1）如果在工作台上同时加工多个相同零件或不同的零件，它们都有各自的尺寸基准，在编程过程中，有时为了避免尺寸计算，可以建立6个工件坐标系，其坐标原点设在便于编程的某一固定点上，当加工某个零件时，只要选择相应的工件坐标系编制加工程序。

2）G54～G59和G92指令都是设定工件坐标系的，但G92指令所设定的工件原点与当前刀具所处的位置有关。G54～G59设定的工件原点在机床坐标系中的位置是不变的，在系统断电后也不破坏，再次开机后仍有效，并与刀具的当前位置无关。

3）利用G92指令建立工件坐标系，需要在加工零件前，操作者在程序段中给出预置寄存的坐标数据；而利用G54～G59指令建立工件坐标系，是通过CRT/MDI操作面板在设置参数下设定实现的。操作者在安装工件后，测量工件原点相对于机床原点的偏移量，并把工件坐标系在各轴方向上相对于机床坐标系的位置偏移量写入工件在坐标偏置储存器中，在执行程序时，就可以按工件坐标系中的坐标值来运动了。

4）使用G54～G59指令设置工件坐标系时，就不能再用G92指令，否则原来的坐标系和加工坐标系将平移。

编程示例：如图3-56所示，用CRT/MDI在参数设置方式下设置了两个加工坐标系：

图3-56 设定加工坐标系

6．绝对编程指令G90和增量编程指令G91

指令刀具运动的方法有两种：绝对值编程和增量值编程，可以通过G90和G91这对指令来选择使用绝对值编程或增量值编程。

绝对值编程指定运动终点在当前坐标系中的坐标值，是根据预先设定的编程原点计算出绝对值坐标尺寸进行编程的一种方法。采用绝对值编程时，首先要指出编程原点的位置。绝对编程指令G90编入程序时，其后所有编入的坐标值均以编程原点为基准。在编程时一般采用绝对值编程，其编程指令为：

增量值编程指定各轴运动的距离和方向，是根据前一个位置的坐标值增量来表示位置的一种编程方法，即程序中的终点坐标是相对于起点坐标而言的。增量编程指令G91编入程序时，以后所有编入的坐标值均以前一个坐标位置作为起始点来计算运动的位置矢量。其编程指令为：

7．快速点定位指令G00

G00指令是命令刀具以点位控制方式从刀具所在点快速移动到目标位置，无运动轨迹要求，不需特别规定进给速度。G00指令是模态指令，其指令格式：

说明：

1）“X_Y_Z_”代表目标点的坐标值。用绝对值指令G90时，是终点在工件坐标系中的坐标值；用增量值指令G91时，是刀具移动的距离。“；”代表一个程序段的结束。

2）该指令就是使刀具以高速率移动到“X_ Y_Z_”指定的位置，被指令的各轴之间的运动互不相关，也就是说刀具移动的轨迹不一定是一条直线。如图3-60所示，当X轴和Y轴的快进速度相同时，从A点到B点的快速定位路线为A→C→B，而不是A→B，即刀具实际以折线的方式到达B点，而不是直线。所以，在使用G00指令时要注意刀具是否和工件及夹具发生干涉，以免发生意外。

3）G00指令下，快速倍率为100%时，X、Y、Z各轴的运动速度均为15m/min（一般值，因机床设置而不同），该速度不受当前F值的控制。当各轴运动到达运动终点并发出位置到达信号后，CNC认为该程序段已经结束，并转向下一程序段。

编程示例：如图3-57所示，使用G00指令编程，要求刀具从A点快速移动到B点。

编程示例：如图3-58所示，使用G90和G91指令编程。要求刀具由原点按顺序移动到1、2、3点。

图3-57 G00指令编程示例

图3-58 G90/G91编程

1）G90方式编程：

2）G91指令编程：

8．直线插补指令G01

G01指令是命令刀具在两坐标间以插补联动方式按指定的F进给速度做任意斜率的直线运动，也就是，该指令可使数控铣床（加工中心）刀具沿X轴、Y轴、Z轴方向以F指定的进给速度执行单轴运动，也可以沿X、Y、Z三维空间范围内任意斜率的直线运动。G01指令是模态指令，其指令格式：

说明：

1）G01指令使刀具按地址F下编程的进给速度从当前位置移动到程序段指令的终点。

2）“X_ Y_Z_”代表目标点的坐标值。用绝对值指令G90时，是终点在工件坐标系中的坐标值；用增量值G91编程时，是刀具移动的距离。

3）“F_”为合成进给速度（进给量），其单位是mm/min（毫米每分）或mm/r（毫米每转）。用F指定的进给速度是刀具沿着直线运动的速度，当两个坐标轴同时移动时，为两轴的合成速度。F指令后数值的单位也可以由指令来控制，当程序中使用指令“G94”时，进给速度的单位为mm/min；使用指令“G95”时，进给速度的单位是mm/r。

编程示例：如图3-59所示，使用G01指令编程，要求刀具从A点线性进给到B点。

采用绝对坐标指令编程：

采用增量坐标指令编程：

编程示例：如图3-60所示路径，要求用G01编程，坐标系原点O是程序起始点，要求刀具中心由O点快速移动到A点，然后沿AB、BC、CD、DA实现直线插补，再由A点快速返回程序起始点O，请用G01指令编写相应的程序段。

1）按绝对坐标指令G90编程：

图3-59 G01指令编程示例

图3-60 G00、G01指令编程示例

2）按增量坐标指令G91编程：

例3-1 采用ϕ16mm立铣刀加工如图3-61所示零件，已知毛坯为55mm×45mm×15mm六方体，材料为硬铝。要求在数控铣床上加工3个台阶面，编写数控加工程序。

图3-61 铣削台阶面

1．工艺分析

1）加工路线为：铣上表面去掉1mm余量→铣第二个台阶→铣第三个台阶。

2）该零件要加工的部位为中小平面，采用ϕ16mm立铣刀加工，由于硬铝切削性能良好，3个台阶面精度要求不高，主轴转速取400r/min，进给速度取200mm/min，切削深度从上到下依次取1mm、3mm、2mm。毛坯为规则六方体，采用平口钳装夹，走刀切削进给方向为X方向往复切削，使进给方向垂直于钳口，将零件装到平口钳上时，应在毛坯下垫两块等高平行垫铁，并使毛坯高出钳口7～9mm。

图3-62 各点坐标

2．计算各基点坐标

图3-62所示各基点的坐标值见表3-11。

表3-11 各点坐标值

3．编制程序

参考程序见表3-12。

表3-12 图3-61所示零件的参考程序

（续）

3.3.2 直线图形编程

1．选择机床坐标系指令G53

机床坐标系是机床固有的坐标系，在机床调整后，此坐标系一般不允许变动。当刀具要移动到机床坐标系的某一点时，则使用该指令。其指令格式：

例如：G90 G53 X-50.0 Y-50.0 Z-20.0；

表示将刀具快速移动到坐标系中坐标为（-50，-50，-20）的点上。

说明：

1）G53是非模态指令，它仅在指定机床坐标系的程序段有效。

2）G53在绝对坐标指令G90模态下有效，在增量坐标指令G91模态下无效。

3）X、Y、Z为刀具在机床坐标系中的坐标值。

编程举例：

执行完该程序段指令之后，刀具在机床坐标系中的位置如图3-63所示。

图3-63 G53指令图

2．建立工件坐标系指令G92

在编程中，一般要选择工件或夹具上的某一点作为编程原点，并以这一点为原点，建立一个坐标系，这个坐标系就是工件坐标系。这个坐标系的原点与机床坐标系的原点（机床原点）之间的距离用G92（EIA代码中用G50）指令进行设定，即确定起刀点与工件坐标系原点的相对距离，也就是确定刀具起始点的坐标值，并把这个设定值存于程序存储器中，作为零件所有加工尺寸的基准点。G92指令执行前的刀具位置，必须放在程序所要求的位置上，如果刀具在不同的位置，所设定的工件坐标系的坐标原点位置也会不同。其指令格式：

如图3-64a所示，坐标系设置命令为：

其确立的加工原点在距离刀具起始点X=-a，Y=-b，Z=-c的位置上。

说明：

1）G92指令的作用是将工件坐标系原点设定在相对于刀具起始点的某一空间点上，X、Y、Z指令后的坐标值实质上就是当前刀具在所设定的工件坐标系中的坐标值。

2）G92指令与数控车床坐标系设定指令G50相同，工件坐标系原点的位置与刀具起始点的位置具有相对关联关系，当刀具起始点的位置发生变化时，工件坐标系原点的位置也会随之发生变化。

3）工件坐标系建立后，一般不能将机床锁定后测试运行程序。

4）用G92指令建立工件坐标系后，如果关机，建立的工件坐标系将丢失，重新开机后必须再次对刀以建立工件坐标系。

编程示例：

加工开始前，把刀具置于一个合适的起始点，其程序为：

则建立了如图3-64b所示的工件坐标系。

图3-64 G92指令设定工件坐标系

3．局部坐标系指令G52

在工件坐标系中编制程序时，为方便编程，可以在工件坐标系中设置子坐标系。坐标系又称为局部坐标系。其编程格式：

说明：

1）用G52 X_Y_Z _指令可以在工件坐标系G54～G59中设定局部坐标系。X、Y、Z为局部坐标系原点在工件坐标系中的坐标值。G52中没有指定的坐标原点不变，例如指令中仅指定了X值，没有指定Y、Z值，则Y、Z坐标原点不变。

2）在局部坐标系设定后，以绝对值方式（G90）编程的坐标值是在此局部坐标系中的坐标值，系统界面显示的绝对坐标值也是局部坐标系中的坐标值。

3）G52指令为非模态指令，但其设定的局部坐标系在被取代或注销前一直有效。G52暂时清除刀具半径补偿中的偏置。

4）机床坐标系（机械坐标系）是一切坐标系的基础，工件坐标系是局部坐标系的基础。设定局部坐标系后，工件坐标系和机床坐标系保持不变。在工件坐标系中指定局部坐标系新的零点，可以改变局部坐标系。指定新的局部坐标系时不需要取消原来的局部坐标系，但在指定新的坐标系时，其指令G52 X_Y_Z_中的X_Y_Z_值是原来工件坐标系下的坐标值，而不是上一个局部坐标系下的坐标值。

5）为了取消局部坐标系并在工件坐标系中指定坐标值，应使用局部坐标系取消指令，使局部坐标系零点与工件坐标系零点一致。当一个轴用手动返回参考点功能返回参考点时，该轴的局部坐标系零点与工件坐标系零点一致（局部坐标取消）。

4．尺寸单位选择指令G20和G21

编程指令：

说明：

1）G20指令为英制输入；G21指令为公制输入，接通电源时，默认为公制输入。

2）G20、G21彼此可以互相注销。

5．坐标平面的选择指令G17、G18、G19

在圆弧插补、刀具半径补偿及刀具长度补偿时，必须首先确定一个平面，即确定一个由两个坐标轴构成的坐标平面。对于3轴坐标系来说，常用这三个指令确定机床在哪个平面内进行插补运动。其指令格式：

说明：

1）该组指令用来选择进行圆弧插补或刀具半径补偿所在的平面。其中G17指令选择XY平面，G18指令表示选择XZ平面，G19指令表示选择YZ平面，如图3-65所示，具体选择见表3-13。

图3-65 坐标平面的选择

表3-13 坐标平面的选择

2）G17、G18、G19指令为模态指令，可相互注销，G17指令是系统默认指令。

6．刀具长度补偿指令G43、G44、G49

在数控机床上加工零件时，不同工序往往采用不同的刀具，刀具的直径、长度等会发生变化；另外，由于刀具的磨损，也会造成刀具长度的变化。为此，在数控系统中设置了刀具长度补偿功能，以简化编程，提高工作效率。

刀具长度补偿功能，是指当使用不同规格的刀具或刀具磨损后，可通过刀具长度补偿指令补偿刀具长度尺寸的变化，而不必修改程序或重新对刀，达到加工要求。使用刀具长度补偿指令可以将Z轴运动的终点向正向或负向偏移一段距离，这段距离等于H指令的补偿号中存储的补偿值。刀具长度补偿指令G43、G44、G49的指令格式：

说明：

1）G43为刀具正向长度补偿，即刀具长度补偿+，也就是说Z轴到达的实际位置为指令值与H代码指定的刀具长度补偿值相加的位置：

Z轴的实际坐标值=Z轴的指令坐标+长度补偿值

G44为刀具负向长度补偿，即刀具长度补偿-，也就是说Z轴到达的实际位置为指令值减去H代码指定的刀具长度补偿值的位置：

Z轴的实际坐标值=Z轴的指令坐标-长度补偿值

Z为程序中的指令值；H为偏置号，H代码为刀具长度偏移量的存储器地址，后面带两位数字表示补偿号，H00～H99共100个，其中H00表示取消刀具长度补偿值，偏移量用MDI方式输入，偏移量与偏置号一一对应；G49为取消刀具长度补偿。不管选择的是绝对坐标值还是增量值，补偿后的坐标值表示补偿后的终点位置坐标。

2）在G17指令情况下，刀具补偿G43和G44是指用于Z轴的补偿。同理，在G18指令情况下，对Y轴补偿；在G19情况下，对X轴补偿。

3）在设置补偿值时，使用（+/-）号。如果改变了（+/-）号，G43和G44在执行时会反向操作。如果设定长度补偿值H_为正值，则G43、G44的补偿效果如图3-66所示；如果设定长度补偿值H_为负值，则G43、G44的补偿效果相反。

图3-66 刀具长度补偿指令

a）G43指令 b）G44指令

4）G43、G44是模态指令，它们一直有效，直到指定同组的G代码为止。G43、G44、G49指令本身不能产生运动，刀具长度补偿值不能生效。长度补偿的建立与取消必须与G00（或G01）指令同时使用，且在Z轴方向上的位移量不为零。

5）刀具长度补偿输入时，按偏置键OFFSET/SETTING键，调出刀具补偿界面，并输入到刀补的相应位置。补偿值的确定一般有两种情况：一是有机外对刀仪时，以主轴轴端中心为对刀基准点，以刀具伸出轴端的长度作为H中的偏置量，如图3-67所示；二是无机外对刀仪时，若以标准刀的刀位点作为对刀基准，则刀具与标准刀的长度差值作为其偏置量。该值可以为正，也可以为负。

图3-67 刀具长度补偿

6）有了刀具长度偏置功能，当加工中刀具因磨损、重磨、换新刀而长度发生变化时，不必修改程序中的坐标值，只需修改存放在寄存器中的刀具长度偏置值。仅用一把刀加工时，可以不用刀具长度补偿，刀具的长度都在G54的Z值里体现出来；若加工一个零件需用几把刀，各刀的长度不同，编程时不必考虑刀具长短对坐标值的影响，只要把其中一把刀设为标准刀，其余各刀相对标准刀设置长度偏置值即可。

例3-2 用ϕ6mm的铣刀铣削如图3-68所示的“X”“Y”“Z”三个字母，深度为1mm，已知所用刀具比标准对刀柄短10mm，试编写加工程序。

图3-69所示各基点的坐标值见表3-14。

图3-68 刀具长度补偿示例

图3-69 各点坐标

表3-14 各点坐标值

参考程序见表3-15。

表3-15 图3-68所示零件的参考程序

（续）

3.3.3 圆弧图形编程

1．返回参考点检查指令G27

该指令用于检查机床是否能准确返回参考点，其指令格式：

说明：

1）数控机床通常长时间连续工作，为了提高加工的可靠性及保证零件的加工精度，可用G27指令来检查工件原点的正确性。执行完G27指令以后，如果机床准确地返回参考点，则面板上的参考点返回指示灯亮，否则，机床将出现报警。

2）执行G27指令的前提是机床在通电后必须返回过一次参考点（手动返回或用G28指令返回）。当执行G27指令后，返回各轴参考点指示灯分别点亮。当使用刀具补偿功能（G41、G42或G43、G44）时，指示灯不亮，所以在取消刀具补偿功能（用G40或G49）后，才能使用G27指令。

3）若不要求每次执行程序时，都执行返回参考点的操作，应在该指令前加上“/”（程序跳转），以便在不需要检查时，跳过该程序段。

4）若希望执行该程序段后让程序停止，应在该程序段后加上M00或M01指令，否则程序将不停止而继续执行后面的程序段。

5）X、Y、Z分别代表参考点在工件坐标系中的坐标值。

2．返回参考点指令G28

该指令可使指令轴从当前点位置以快速定位方式经过“X_Y_Z_”指定的中间点返回机床参考点，如图3-70所示。当返回参考点完成时，表示返回完成的指示灯亮。其指令格式：

说明：

1）X、Y、Z坐标设定值为回参考点时经过的中间点（不是机床参考点），此中间点不能超过参考点，指定该点可以以绝对值（G90）方式，也可以以增量值（G91）方式，取决于当前的模态。在G90时为中间点在工件坐标系中的坐标；在G91时为中间点相对于起点的位移量。指定中间点的目的是使刀具沿着一条安全的路径返回参考点。

图3-70 G28、G29指令应用

2）系统在执行“G28 X_Y_Z_；”时，先使所有的编程轴都快速定位到中间点，然后再从中间点到达参考点。

3）G28指令一般用于自动换刀或者消除机械误差，所以使用G28指令时，应取消刀具半径补偿和刀具长度补偿。该指令也用于整个程序加工结束后使工件移出加工区，以便卸下加工完毕的工件并装夹待加工零件。由于G28指令运行时按照G00\快速点定位方式运动，即各轴均快速运动，有可能发生碰撞，故这个中间点的坐标一般应设在当前刀具的上方，可以编写“G91 G28 Z100.0；”程序段，一般不会有问题。

4）在G28的程序段中不仅产生坐标轴移动指令，而且记忆了中间点坐标值，以供G29使用。

5）G28指令仅在其被规定的程序段中有效（非模态）。

6）在加工中心换刀之前，通常将主轴从当前位置返回参考点，实现定点换刀。此时可用G28指令，其程序如下：

3．从参考点返回指令G29

该指令可使被指令轴从参考点以快速定位方式经过“X_Y_Z_”指定的中间点返回指定点，如图3-70所示。其指令格式：

说明：

1）该指令可使所有编程轴以快速进给速度经过由G28指令定义的中间点，然后再到达指定点。通常该指令紧跟在G28指令之后。其动作顺序是刀具以快速移动速度，从参考点快速到达G28指令设定的中间点，再从中间点快速移动到G29指令设定的返回点。当用G00或G01指令直接返回参考点，而不用G29指令返回参考点时，则不经过G28设置的中间点，而直接运动到返回点。

2）X、Y、Z坐标值为返回的定位终点，可以以绝对值（G90）的方式写入，也可以以增量值（G91）的方式写入。在G90时为定位终点在工件坐标系中的坐标；在G91时为定位终点相对于G28中间点的位移量。

3）该指令一般紧跟在G28或G30指令后使用，指令中的X、Y、Z坐标值是执行完G29后，刀具应到达的坐标点。G29指令仅在其被规定的程序段中有效。

编程示例：如图3-70所示，加工后刀具已定位到A点，取B点为中间点，C点为执行G29指令时应到达的点，试编写刀具运动程序。

执行此程序时，刀具首先从A点出发，以快速点定位的方式经B点到达参考点，换刀后执行G29指令，刀具从参考点先运动到B点再到达C点，B点至C点的增量坐标为“X50.0 Y-40.0”。

4．从第2、3、4参考点返回指令G30

该指令可使刀具由所在位置经过中间点回到参考点。与G28类似，差别在于G28是回归第一参考点（机床原点），而G30是返回第2、3、4参考点。其指令格式为：

说明：

1）第二、第三、第四参考点返回中的X、Y、Z的含义与G28中的相同。

2）P2、P3、P4即选择第2、第3、第4参考点，其后所跟坐标值是指中间点位置。

3）第2、3、4参考点的坐标位置在参数中设定，其值为机床原点到参考点的向量值。

5．圆弧插补指令G02/G03

圆弧插补指令G02、G03使刀具按给定进给速度沿圆弧方向进行切削加工，G02/G03指令是模态指令，其指令格式如下。

1）圆弧半径编程方式：

2）圆心位置编程方式：

说明：

1）G02为顺时针圆弧插补指令，G03为逆时针圆弧插补指令。圆弧的终点由地址X、Y、Z来决定，在绝对值编程（G90）时，地址X、Y、Z为圆弧终点在工件坐标系中的坐标值；在增量值编程（G91）时，地址X、Y、Z为在各坐标轴方向上，当前刀具所在点到终点的距离及方向（正或负），也就是终点坐标减去起点坐标。F为进给速度。

2）G02/G03指定刀具以联动的方式，按地址F规定的合成进给速度，在G17/G18/G19规定的平面内，从当前位置按顺/逆时针圆弧路线（联动轴的合成轨迹为圆弧）移动到程序段指令的终点，如图3-71所示。

图3-71 不同平面G02与G03的选择

3）圆心位置编程方式是用圆心相对于起点的位置进行编程，I、J、K分别为圆心相对于圆弧起点的增量，即圆心的坐标减去圆弧起点的坐标，在G90、G91时都是以增量方式来指定。I为圆心相对于起点的坐标在X轴上的分量，即I=X圆心-X起点；J为圆心相对于起点的坐标在Y轴上的分量，即J=Y圆心-Y起点；K为圆心相对于起点的坐标在Z轴上的分量，即K=Z圆心-Z起点，如图3-72所示。I、J、K根据所选择的加工平面不同，选择相应的两个使用，值为零时可省略。整圆编程时只能采用这种格式。

图3-72 I、J、K的选择

圆弧半径编程方式是用圆弧半径R进行编程，当圆弧圆心角小于180°时，R为正值；当圆弧圆心角大于180°时，R为负值；当圆弧圆心角等于180°时，R正负均可，如图3-73所示。由于用R编程不需要考虑圆心位置来计算I、J、K，比较方便，应用较多。

图3-73 圆弧半径正负号的确定

4）G02/G03指令方向的判别，从垂直于圆弧平面的坐标轴正方向往负方向看，顺时针用G02指令，逆时针用G03指令，它们在各坐标平面内的方向判断如图3-74所示。在XY平面内，由Z轴正方向往Z轴负方向看，圆弧方向为顺时针方向用G02，逆时针方向用G03；同样，在XZ或YZ平面内，观察的方向则应该从Y轴或X轴正方向往负方向看，圆弧方向为顺时针方向用G02，逆时针方向用G03。

图3-74 圆弧插补方向判断

5）圆弧插补是按照切削速度进刀的。圆弧插补自动过象限，过象限时自动进行反向间隙补偿。

编程示例：如图3-75所示，使用G02对劣弧a和优弧b编程。

图3-75 圆弧编程

劣弧a的四种编程方法：

优弧b的四种编程方法：

编程示例：如图3-76所示，使用G02/G03对整圆编程。

从A点顺时针转一周：

从B点逆时针转一周：

编程示例：根据图3-77所示走刀路线，用所学指令编写加工程序。

图3-76 整圆编程

图3-77 走刀路线

6．螺旋线插补指令G02/G03

螺旋线插补指令与圆弧插补指令相似，即G02和G03分别表示顺时针螺旋线插补和逆时针圆弧插补，顺时针、逆时针的定义和圆弧插补指令相同。在进行圆弧插补时，垂直于插补平面的插补轴同步运动，形成螺旋线移动轨迹，其指令格式：

说明：

螺旋线插补指令是在圆弧插补指令的基础上增加了一个移动轴指令。刀具以地址F指定的进给速度从当前点以螺旋线的轨迹移动到指定的位置。其参数意义同圆弧插补进给，第三个坐标是与选定平面相垂直的轴的终点。以G17平面为例：X、Y、Z为螺旋线终点坐标；I、J为圆心在XY平面上相对螺旋线起点在X、Y向的增量坐标；F为进给速度。该格式只能进行0～360°范围内的螺纹插补，当编程中出现多圈螺旋线时，需要编写多个螺旋线插补程序段。

编程示例：如图3-78所示，使用G03指令对螺旋线编程。

图3-78 螺旋线编程

采用G91编程：

采用G90编程：

3.3.4 典型零件编程与加工实例

例3-3 如图3-79所示，根据尺寸要求，在96mm×48mm硬铝板上加工出POS字样，刀具为直径4mm的键槽铣刀。

图3-79 圆弧图形加工

1．加工工艺方案

（1）加工工艺路线

POS三个字样的加工路线是：

P：P1→P2→P3→P4→P5；

O：P6→P6；

S：P7→P8→P9→P10→P11→P12→P13→P14。

（2）工、量、刃具选择

工、量、刃具清单见表3-16。

表3-16 工、量、刃具清单

（3）合理选择切削用量

工序的划分与切削用量的选择见表3-17。

表3-17 数控加工工序卡

2．参考程序编制

（1）工件坐标系建立

根据工件坐标系建立原则，在96mm×48mm硬铝板左下角建立工件坐标系，Z轴原点设在顶面上，左下角设为坐标系原点。

（2）基点坐标计算

如图3-77所示各基点的坐标值见表3-18。

表3-18 各点坐标值

（3）参考程序

参考程序见表3-19。

表3-19 图3-79所示零件的参考程序

3．操作步骤及内容

1）开机。开机，各坐标轴手动回机床原点。

2）刀具安装。根据加工要求选择ϕ4mm高速钢键槽铣刀，用弹簧夹头刀柄装夹后将其装上主轴。

3）清洁工作台，安装夹具和工件。将机用虎钳清理干净，装在干净的工作台上，通过百分表找正，再将工件装正在机用虎钳上。

4）对刀设定工件坐标系。首先用寻边器对刀，确定X、Y向的零偏值，将X、Y向的零偏值输入到工件坐标系G54中；然后将加工所用刀具装上主轴，再将Z轴设定器安放在工件的上表面上，确定Z向的零偏值，输入到工件坐标系G54中。

5）输入加工程序。将编写好的加工程序通过机床操作面板输入到数控系统的内存中。

6）调试加工程序。把工件坐标系的Z值沿+Z向平移100mm，按下数控启动键，适当降低进给速度，检查刀具运动是否正确。

7）自动加工。把工件坐标系的Z值恢复原值，将进给倍率开关打到低档，按下数控启动键运行程序，开始加工。机床加工时，适当调整主轴转速和进给速度，并注意监控加工状态，保证加工正常。

8）检测。取下工件，用游标卡尺进行尺寸检测。

9）清理加工现场。

10）按顺序关机。

4．评分标准

评分标准见表3-20。

表3-20 评分表

【思考与练习】

1．平面铣削时，确定进给路线的原则是什么？

2．平面铣削与曲面铣削的工艺路线分别是什么？

3．如图3-80所示零件，已知材料为45钢，毛坯尺寸为50mm×30mm×35mm，试编写该零件的加工程序。

图3-80 习题3图

4．如图3-81所示，根据尺寸要求，在100mm×100mm×20mm硬铝板上加工出以下字样。

图3-81 习题4图

5．如图3-82所示，根据尺寸要求，在100mm×100mm×20mm硬铝板上加工出以下字样。

图3-82 习题5图

3.4 平面外轮廓零件的编程与加工

【学习目标】

1）熟练掌握铣削外轮廓进给路线的确定原则及方法。

2）理解并掌握平面外轮廓零件加工的编程与操作。

【知识学习】

3.4.1 基础知识

1．铣削外轮廓进给路线

对于铣削加工，刀具切入工件的方式，不仅影响加工质量，同时直接关系到加工的安全。铣削外轮廓时，一般采用立铣刀侧刃切削，加工刀具的切入与切出路线如图3-83所示。刀具切入工件时，应避免沿零件轮廓的法向切入，而应沿外轮廓曲线延长线的切向切入，以避免在切入处产生刀具的切痕而影响表面质量，保证零件外轮廓曲线平滑过渡。同理，在切出工件时，也应避免在零件的轮廓处直接退刀，而应让刀具沿切线方向多运动一段距离，逐渐切离工件，以免取消刀补时刀具与工件表面相碰，造成工件报废。

利用圆弧插补方式铣削外整圆时的加工路线如图3-84所示，当整圆加工完毕时，不要在切点处直接退刀，而应让刀具沿切线方向多运动一段距离，以免取消刀补时，刀具与工件表面相碰，造成工件报废。

图3-83 外轮廓加工刀具的切入与切出

图3-84 铣削外圆加工路线

刀具从安全高度下降到切削高度时，应离开工件毛坯边缘一段距离，不能直接贴着加工零件理论轮廓直接下刀，以免发生危险。另外，尽量减少在轮廓加工切削过程中的暂停（切削力突然变化造成弹性变形），以免留下刀痕。

2．刀具半径补偿指令G41、G42、G40

在数控铣床上进行轮廓加工时，由于刀具半径的存在，刀具中心（刀心）轨迹和工件轮廓不重合。若不使用刀具半径补偿功能，则只能按刀具中心的轨迹编程，即在编程时给出刀具中心运动轨迹，计算量大且复杂，尤其当刀具磨损、重磨或更换新刀而使刀具直径变化时，还要重新计算刀心轨迹，修改程序，既烦琐，又不易保证加工精度。使用刀具半径补偿功能后，只需按实际的工件轮廓进行编程，数控系统可自动计算刀心的轨迹坐标，使刀具偏离工件轮廓一个半径值，进行半径补偿。刀具半径补偿指令G41、G42、G40的指令格式为：

说明：

1）刀具半径补偿功能可自动计算刀具中心轨迹，简化编程。刀具因磨损、重磨、换新刀而引起刀具直径变化后，不必修改程序，只需在刀具参数设置中输入变化后的刀具直径，即可适用同一程序。用同一程序、同一尺寸的刀具，利用刀具半径补偿，可进行粗、精加工。

2）G41为调用刀具半径左补偿，称左刀补，如图3-85a所示；G42为调用刀具半径右补偿，称右刀补，如图3-85b所示；G40为取消刀具半径补偿，如图3-85所示。一旦运行指令G41、G42，则变为补偿方式；若运行指令G40，则变为取消方式。在刚接通电源时，变为取消方式。G41、G42、G40指令后面一般只能跟G00、G01，而不能跟G02、G03等。补偿方向根据刀具半径补偿代码（G41、G42）和补偿量的符号决定。

D代码用于指定刀具偏置值以及刀具半径补偿值，即指定刀具半径补偿寄存器号，赋予它一个非零数值来指定刀具半径补偿值，用D00～D99来指定。刀补号和对应的补偿量由CRT/MDI操作面板，通过MDI方式输入。D代码一直有效，直到指定另一个D代码。

3）G41与G42的判断方法是：沿刀具进给的方向看，刀具位于工件轮廓（编程轨迹）左边，就是左补偿，如图3-86a所示；刀具位于工件轮廓（编程轨迹）右边，就是右补偿，如图3-86b所示。进行刀具补偿时，要用G17/G18/G19选择刀补平面，默认状态是XY平面。

图3-85 刀具半径补偿

a）刀具半径左补偿 b）刀具半径右补偿

图3-86 刀具半径补偿方向

a）刀具半径左补偿 b）刀具半径右补偿

4）铣削加工时刀具半径补偿的建立与取消过程如图3-87所示。刀具半径补偿的建立是刀具由起刀点（位于零件轮廓及零件毛坯之外，距离加工零件轮廓切入点较近）以进给速度接近工件，刀具中心从与编程轨迹重合过渡到与编程轨迹偏离一个偏置量的过程。指令的程序段后，在切削过程中，刀心点始终与编程轮廓相距一个偏置量。刀具半径补偿方向由G41（左补偿）、G42（右补偿）确定。刀具半径补偿取消是刀具离开工件，回到退刀点过程中，取消刀具半径补偿，刀心点运动轨迹逐渐过渡到与编程轨迹重合的过程。与建立刀具半径补偿过程类似，退刀点也应位于零件轮廓之外且距离加工零件轮廓较近。退刀点可与起刀点相同（图3-85），也可以不相同（图3-87）。

5）刀具半径补偿只能在被G17、G18、G19选择的平面上进行，也就是说，刀补只能同时在两个坐标轴上进行，也可以理解为只能在一个平面内进行。在刀具半径补偿的模态下，不能改变平面的选择，否则出现报警。

6）刀具半径补偿的建立与取消必须与G00或G01指令同时使用，且在半径补偿平面内至少一个坐标的移动距离不为零。刀具半径补偿在建立与取消时，起始点与终止点位置最好与补偿方向在同一侧，以防止产生过切现象。

图3-87 铣削加工时刀具半径补偿的建立与取消

7）在刀具半径补偿的建立与取消的程序段后，一般不允许存在连续两段以上的非补偿平面内移动指令，否则将会出现过切现象或出错。

8）从左到右或者从右到左切换补偿方向时，都要经过取消补偿方式；补偿量的变更通常是在取消补偿方式换刀时进行的。若在刀具半径补偿中进行刀具长度补偿，刀具半径补偿量也被变更了。

例3-4 试用刀具半径补偿指令编写图3-88所示的运行轨迹，已知半径值存放于D01中。

图3-88 刀具补偿实例

参考程序见表3-21。

表3-21 图3-88所示零件的参考程序

例3-5 利用ϕ20mm立铣刀铣削图3-89所示零件轮廓，试利用刀具半径补偿指令编写该零件加工程序。半径值存放在D02。

图3-89 铣削零件轮廓

参考程序见表3-22。

表3-22 图3-89所示零件的参考程序

例3-6 利用ϕ40mm面铣刀铣削图3-90所示零件，材料为45钢，毛坯尺寸为100mm×80mm×22mm，试利用刀具半径补偿指令编写该零件加工程序。半径值存放在D03。

图3-90 凸模板

参考程序见表3-23。

表3-23 图3-90所示零件的参考程序

3.4.2 典型零件编程与加工实例

例3-7 平面外轮廓零件如图3-91所示。已知毛坯尺寸为62mm×62mm×21mm，材料为45钢，按单件生产安排其数控加工工艺，试编写出凸台外轮廓加工程序并利用数控铣床加工出该零件。

1．加工工艺方案

（1）加工工艺路线

确定加工工艺路线包括选择切入和切出方式、铣削方向、铣削路线。

1）选择切入、切出方式。考虑刀具的进、退刀（切入、切出）路线时，刀具的切出或切入点应在沿零件轮廓的切线上，以保证工件轮廓光滑；应避免在工件轮廓面上垂直上、下刀而划伤工件表面；尽量减少在轮廓加工切削过程中的暂停（切削力突然变化造成弹性变形），以免留下刀痕。

图3-91 平面外轮廓零件图

2）选择铣削方向。一般情况下尽可能采用顺铣，即外轮廓铣削时宜采用沿工件顺时针方向铣削。

3）选择铣削路线。首先粗、精加工环凸台；然后粗、精加工六棱柱凸台；最后掉头，铣削四棱柱台外轮廓。

由中心位置（坐标原点）处下刀，采用环切的切削方法进行铣削，去除多余材料。粗加工与精加工的切削路线相同。零件的粗、精加工，采用同一把刀具，同一加工程序，通过改变刀具半径补偿值的方法来实现。粗加工单边留余量0.3mm。

（2）工、量、刃具选择

工、量、刃具清单见表3-24。

表3-24 工、量、刃具清单

（3）合理选择切削用量

工序的划分与切削用量的选择见表3-25。

表3-25 图3-91所示零件的切削用量

2．参考程序编制

（1）工件坐标系建立

根据工件坐标系建立原则，在ϕ40mm圆台中心建立工件坐标系，Z轴原点设在顶面上，圆台中心设为坐标系原点。

（2）基点坐标计算

如图3-92所示各基点的坐标值见表3-26。

图3-92 零件图上的基点

表3-26 各点坐标值

（3）参考程序

参考程序见表3-27。

表3-27 图3-91所示零件的参考程序

（续）

3．操作步骤及内容

1）开机。开机，各坐标轴手动回机床原点。

2）刀具安装。根据加工要求选择ϕ16mm高速钢立铣刀，用弹簧夹头刀柄装夹后将其装上主轴。

3）清洁工作台，安装夹具和工件。将机用虎钳清理干净，装在干净的工作台上，通过百分表找正，再将工件装正在机用虎钳上。

4）对刀设定工件坐标系。首先用寻边器对刀，确定X、Y向的零偏值，将X、Y向的零偏值输入到工件坐标系G54中；然后将加工所用刀具装上主轴，再将Z轴设定器安放在工件的上表面上，确定Z向的零偏值，输入到工件坐标系G54中。

5）设置刀具补偿值。首先将刀具半径补偿值8.3输入到刀具补偿地址D01；然后将刀具半径补偿值8.0输入到刀具补偿地址D02。

6）输入加工程序。将编写好的加工程序通过机床操作面板输入到数控系统的内存中。

7）调试加工程序。把工件坐标系的Z值沿+Z向平移100mm，按下数控启动键，适当降低进给速度，检查刀具运动是否正确。

8）自动加工。把工件坐标系的Z值恢复原值，将进给倍率开关打到低档，按下数控启动键运行程序，开始加工。机床加工时，适当调整主轴转速和进给速度，并注意监控加工状态，保证加工正常。

9）检测。取下工件，用游标卡尺进行尺寸检测。

10）清理加工现场。

11）按顺序关机。

4．评分标准

评分标准见表3-28。

表3-28 评分表

【思考与练习】

1．铣削外轮廓时，切削刀具应如何切入、切出？

2．铣削外圆时，刀具应如何切入、切出？

3．如图3-93所示零件，已知材料为45钢，毛坯尺寸为100mm×80mm×17mm，试编写该零件加工程序。

图3-93 习题3图

4．如图3-94所示零件，已知材料为45钢，毛坯尺寸为110mm×100mm×23mm，所有加工面的表面粗糙度值为Ra1.6μm，试编写该零件加工程序。

图3-94 习题4图

5．如图3-95所示零件，已知材料为45钢，毛坯尺寸为140mm×100mm×13mm，所有加工面的表面粗糙度值为Ra1.6μm，试编写该零件加工程序。

6．如图3-96所示零件，已知材料为45钢，毛坯尺寸为90mm×80mm×40mm，所有加工面的表面粗糙度值为Ra1.6μm，试编写该零件加工程序。

7．平面外轮廓零件如图3-97所示。已知毛坯尺寸为124mm×50mm×22mm的长方料，材料为45钢，按单件生产安排其数控加工工艺，编写出凸台外轮廓加工程序。

图3-95 习题5图

图3-96 习题6图

图3-97 习题7图

3.5 平面型腔零件的编程与加工

【学习目标】

1）熟练掌握铣削内轮廓、型腔的进给路线。

2）理解并掌握平面内轮廓零件的编程与操作。

【知识学习】

3.5.1 基础知识

1．铣削内轮廓的进给路线

铣削内轮廓表面时，也要遵循从切向切入切出的原则，最好安排从圆弧过渡到圆弧的切入切出路线，这样可以提高内孔表面的加工精度和加工质量。如果内轮廓曲线不允许外延，刀具只能沿内轮廓曲线的法向切入切出，此时刀具的切入切出点尽量选在内轮廓曲线两几何元素的交点处，如图3-98所示。铣削内圆弧时，也要遵循从切向切入的原则，最好安排从圆弧到圆弧的加工路线，如图3-99所示，这样可以提高内孔表面的加工精度和加工质量。

图3-98 内轮廓加工刀具的切入与切出

图3-99 铣削内圆加工路线

2．铣削型腔的进给路线

（1）加工平底型腔 型腔是指以封闭曲线为边界的平底或曲底凹坑。加工平底型腔时一律用平底铣刀，且刀具边缘部分的圆角半径应符合型腔的图样要求。型腔的切削分两步，第一步切内腔，第二步切轮廓。切轮廓通常又分为粗加工和精加工两步，粗加工时，应从型腔轮廓线向里偏置铣刀半径R并留出精加工余量y。铣削封闭的内轮廓表面，同铣削外轮廓一样，刀具同样不能沿轮廓曲线的法向切入和切出，如图3-100所示。

（2）铣削型腔方案 铣削型腔一般有三种方案，如图3-101所示。无论采取哪种进给路线，都要切净内腔区域的全部面积，不留死角，不伤轮廓，同时尽量减少重复进给的搭接量。第一种方案为用行切方式加工内轮廓的走刀路线，如图3-101a所示，这种走刀能切除内腔中的全部余量，不留死角，不伤轮廓。在减少每次进给重叠量的情况下，行切法的走刀路线较短，但在两次走刀的起点和终点间留有残留高度，影响表面粗糙度。第二种方案是采用环切方式加工，如图3-101b所示，这种走刀能使表面粗糙度较小，但刀位计算略为复杂，走刀路线也比行切法长。第三种方案的走刀路线，先用行切法，最后沿轮廓切削一周，如图3-101c所示，这种走刀能光整轮廓表面，获得较好的效果。第一种方案最差，第三种方案最好。为保证工件轮廓表面加工后的粗糙度要求，最终轮廓应安排在最后一次走刀中连续加工出来。

图3-100 无交点内轮廓加工刀具的切入和切出

a）刀补取消时在轮廓拐角处留下凹口 b）刀具切入、切出点应远离拐角

图3-101 铣削型腔的三种进给路线

a）行切法 b）环切法 c）先行切后环切

（3）铣削型腔的下刀方式 型腔铣削的下刀主要有Z向垂直下刀（图3-102a）、斜插式下刀（图3-102b）和螺旋下刀（图3-102c）三种方式。

图3-102 型腔铣削的下刀方式

a）Z向垂直下刀方式 b）斜插式下刀方式 c）螺旋下刀方式

1）Z向垂直下刀方式。Z向垂直下刀 可分为小面积切削和零件表面粗糙度要求不高的情况、大面积切削和零件表面粗糙度要求较高的情况。

对于小面积切削和零件表面粗糙度要求不高的情况，一般使用键槽铣刀垂直下刀并进行切削。虽然键槽铣刀其端部刀刃通过铣刀中心，有垂直吃刀能力，但由于键槽铣刀只有两刃切削，加工时的平稳性较差，因而表面粗糙度较大；同时在同等切削条件下，键槽铣刀较立铣刀的每刃切削量大，因而刀刃的磨损也就较大，在大面积切削中的效率较低。所以采用键槽铣刀直接垂直下刀并进行切削的方式，通常只适用于小面积切削或被加工零件表面粗糙度要求不高的情况。

对于大面积切削和零件表面粗糙度要求较高的情况，一般采用加工时具有较高的平稳性和较长使用寿命的立铣刀来加工，但由于立铣刀的底切削刃没有到刀具的中心，所以立铣刀在垂直进刀时没有较大切深的能力，因此一般先采用键槽铣刀（或钻头）垂直进刀，预钻落刀孔后，再换多刃立铣刀加工型腔。

2）斜插式下刀方式。斜插式下刀时，刀具快速下至距加工表面较近位置后，改为以一个与工件表面成一定角度的方向，以斜线的方式切入工件来达到Z向进刀的目的。斜插式下刀方式作为螺旋下刀方式的一种补充，通常用于因范围的限制而无法实现螺旋下刀时的长条形的型腔加工。

斜插式下刀主要参数有：斜插式下刀起始高度、切入斜线的长度、切入和反向切入角度。起始高度一般设在加工面上方0.5～1mm；切入斜线长度要视型腔空间大小及铣削深度来确定，一般是斜线越长，进刀的切削路程就越长；切入角度选得太小，斜线数增多，切削路程加长；角度太大，又会产生不好的端刃切削的情况，一般选5°～20°为宜。通常进刀切入角度和反向进刀切入角度取相同的值。

3）螺旋下刀方式。螺旋下刀方式是现代数控加工应用较为广泛的下刀方式，特别是在模具制造行业中应用最为常见。刀片式合金模具铣刀可以进行高速切削，但和高速钢多刃立铣刀一样在垂直进刀时没有较大切深的能力。但可以通过螺旋下刀的方式，利用刀片的侧刃和底刃进行切削，避开刀具中心无切削刃部分与工件的干涉，使刀具沿螺旋朝深度方向渐进，从而达到进刀的目的。这样，可以在切削的平稳性与切削效率之间取得一个较好的平衡。

螺旋下刀也有其固有的缺点，比如切削路线较长、在比较狭窄的型腔加工中往往因为切削范围过小而无法实现螺旋下刀等。

3.5.2 典型零件编程与加工实例

例3-8 平面内轮廓零件如图3-103所示。已知毛坯尺寸为70mm×70mm×20mm的长方料，材料为45钢，按单件生产安排其数控加工工艺，试编写出该型腔加工程序并利用数控铣床加工出该工件。

1．加工工艺方案

（1）加工工艺路线

确定加工工艺路线包括选择切入和切出方式、铣削方向、铣削路线。

1）切入、切出方式选择。铣削封闭内轮廓表面时，刀具无法沿轮廓线的延长线方向切入、切出，只有沿法线方向切入、切出或圆弧切入、切出。切入、切出点应选在零件轮廓两几何要素的交点上，而且进给过程中要避免停顿。

2）铣削方向选择。铣刀沿内轮廓顺时针方向铣削时，铣刀旋转方向与工件进给运动方向相反为逆铣；铣刀沿逆时针方向铣削时，铣刀旋转方向与工件进给方向相同为顺铣。一般采用顺铣，即在铣削内轮廓时采用沿内轮廓逆时针的铣削方向比较好。

3）铣削路线。凸台轮廓的粗加工采用分层铣削的方式。由中心位置（坐标原点）处下刀，采用环切的切削方法进行铣削，去除多余材料。粗加工与精加工的切削路线相同。

（2）工、量、刃具选择

图3-103 平面内轮廓零件图

工、量、刃具清单见表3-29。

表3-29 工、量、刃具清单

（3）合理切削用量的选择

工序的划分与切削用量的选择见表3-30。

表3-30 图3-103所示零件的切削用量

2．参考程序编制

（1）工件坐标系建立

根据工件坐标系建立原则，在六方体毛坯的中心建立工件坐标系，Z轴原点设在顶面上，六方体上表面的中心设为坐标系原点。

（2）基点坐标计算

如图3-104所示各点坐标见表3-31。

图3-104 零件图上的基点

表3-31 各点坐标值

（3）参考程序

参考程序见表3-32。

表3-32 图3-103所示零件的参考程序

（续）

3．操作步骤及内容

1）开机，各坐标轴手动回机床原点。

2）刀具安装。根据加工要求选择ϕ16mm高速钢立铣刀，用弹簧夹头刀柄装夹后将其装上主轴。

3）清洁工作台，安装夹具和工件。将机用虎钳清理干净，装在干净的工作台上，通过百分表找正、找平机用虎钳，再将工件装正在机用虎钳上。

4）对刀设定工件坐标系。首先用寻边器对刀，确定X、Y向的零偏值，将X、Y向的零偏值输入到工件坐标系G54中；然后将加工所用刀具装上主轴，再将Z轴设定器安放在工件的上表面上，确定Z向的零偏值，输入到工件坐标系G54中。

5）设置刀具补偿值。将刀具半径补偿值8.3输入到刀具补偿地址D01；将刀具半径补偿值8.0输入到刀具补偿地址D02。

6）输入加工程序。将编写好的加工程序通过机床操作面板输入到数控系统的内存中。

7）调试加工程序。把工件坐标系的Z值沿+Z向平移100mm，按下数控启动键，适当降低进给速度，检查刀具运动是否正确。

8）自动加工。把工件坐标系的Z值恢复原值，将进给倍率开关打到低档，按下数控启动键运行程序，开始加工。机床加工时，适当调整主轴转速和进给速度，并注意监控加工状态，保证加工正常。

9）取下工件，用游标卡尺进行尺寸检测。

10）清理加工现场。

11）按顺序关机。

4．评分标准

评分标准见表3-33。

表3-33 评分表

【思考与练习】

1．铣削内轮廓零件时，加工刀具应如何切入和切出？

2．在无交点内轮廓的铣削加工中，刀具应如何切入和切出？

3．铣削型腔的三种进给路线分别是什么？

4．铣削型腔的下刀方式有哪几种？

5．如图3-105所示零件，已知材料为45钢，毛坯尺寸为95mm×95mm×13mm，所有加工面的表面粗糙度值为Ra1.6μm，试编写该零件加工程序。

图3-105 习题5图

6．平面内轮廓零件如图3-106所示。已知毛坯尺寸为200mm×200mm×50mm，材料为45钢，按单件生产安排其数控加工工艺，根据FANUC Series 0i-M数控系统的程序格式编写出该型腔加工程序。

图3-106 习题6图

3.6 多个相似轮廓件的综合铣削加工

【学习目标】

1）掌握子程序、极坐标指令、坐标系旋转指令、可编程镜像功能、比例缩放功能的编程格式。

2）理解并掌握子程序、极坐标指令、坐标系旋转指令、可编程镜像功能、比例缩放功能的编程格式的应用。

【知识学习】

3.6.1 子程序

在加工零件时，如果零件上的若干处具有相同的轮廓形状，为简化程序编制，缩短程序段，可以只编写一个轮廓形状的子程序，然后用一个主程序来调用子程序，还可以用子程序再去调用另外的子程序，当一个主程序调用一个子程序时，这个子程序可以调用另一个子程序，这种情况称之为子程序嵌套。一般的，NC执行主程序的指令，但当执行到一条子程序调用指令时，NC转向执行子程序，在子程序中执行到返回指令时，再回到主程序，如图3-107所示。另外，若被加工零件外形上并无相同轮廓，但在加工过程中反复出现具有相同轨迹的走刀路线，即走刀路线总是出现某一特定的形状，也可以用子程序编程，通常以增量方式编程。

图3-107 子程序调用

加工程序分为主程序和子程序，在主程序中，调用子程序的编程格式为：

在这里，字母P后面所跟的数字中，后面的四位用于指定被调用的子程序的程序号，前面的三位数字用于指定调用的重复次数，调用1次可省略，例如：

子程序都是由子程序号、子程序内容、子程序结束三部分组成。

说明：

1）当加工程序需要多次运行一段同样的轨迹时，可以将这段轨迹编成子程序存储在机床的程序存储器中，每次在程序中需要执行这段轨迹时便可以调用该子程序，以简化程序。

2）子程序的建立、删除、编辑、存储、调出等操作与主程序一样，调用是由主程序调用，不能单独运行。

3）子程序编写格式与主程序相同，在程序的开始，用字母O××××指定子程序号，××××为四位数字；在子程序结尾，用M99指令返回主程序。

4）子程序调用指令可以和运动指令出现在同一程序段中：

该程序段指令X、Y、Z三轴以快速定位的进给速度运动到指令位置，然后调用执行8次1234号子程序。

5）按照模块化编程的思想，为了保证子程序的顺利运行，在子程序开始时要设置子程序的运行环境，否则容易出现问题。例如，主程序采用绝对值编程，而子程序采用增量值编程，当运行完子程序，再运行主程序时，系统会按照增量值编程来运行主程序，肯定出错。

3.6.2 极坐标指令

一般使用直角坐标系（X，Y，Z），如果一个工件（或一个部件）的尺寸以到一个固定点（极点）的半径和角度来标注时，使用极坐标系来编程加工就比较简单。使用极坐标指令后，坐标值以极坐标方式指定，即以极坐标半径和极坐标角度来确定点的位置，角度的正向是所选平面的第一轴正向的逆时针转向，而负向是顺时针转向。半径和角度两者可以用绝对坐标指令或增量坐标指令G90/G91。G90指定工件坐标系的原点作为极坐标系的原点，从该点测量半径；G91指定当前位置作为极坐标系的原点，从该点测量半径。极坐标指令的编程格式为：

说明：

1）G16为极坐标生效指令，G15为极坐标取消指令，二者均为同组模态指令，可以相互注销，G15为默认状态。

2）极坐标角度用所选平面的第二坐标地址来指定极坐标角度，极坐标的零度方向为第一坐标轴的正方向，逆时针方向为角度方向的正向。

3）处于不用加工平面的极坐标半径与极角指定及极坐标轴的确定取决于G17、G18、G19指定的加工平面。当使用G17、G18、G19选择好加工平面后，用所选平面的第一轴来指定极坐标半径。

当用G17指定加工平面时，+X轴为极轴，程序中的X坐标指极半径，Y坐标指极角，Z坐标含义不变。

当用G18指定加工平面时，+Z轴为极轴，程序中的Z坐标指极半径，X坐标指极角，Z坐标含义不变。

当用G19指定加工平面时，+Y轴为极轴，程序中的Y坐标指极半径，Z坐标指极角，X坐标含义不变。

4）极坐标原点指定方式有两种：一种是以工件坐标系的零点作为极坐标零点，用G90指定，是绝对值编程；另一种是以刀具当前的位置作为极坐标系原点，用G91指定，是增量值编程。

5）极坐标指令编程可以使用绝对值极坐标编程方法，也可以使用增量值极坐标编程方法。绝对值极坐标编程是以工件坐标系零点作为极坐标系原点，极坐标半径值是指终点坐标到编程原点的距离，其角度值是指终点坐标与编程原点的连线与第一轴之间的夹角。增量值极坐标编程是以刀具当前位置作为极坐标系原点，极坐标半径值是指终点到刀具当前位置的距离，其角度值是指前一坐标原点与当前极坐标原点之间的连线与当前运动轨迹之间的夹角。当使用增量值极坐标编程时，一定要弄清楚极坐标的半径值和极坐标角度值的含义和计算方法，否则会出现废品。

6）建立了极坐标后，其后续的X_、Y_、Z_值有两个不是直角坐标系下原来意义上的值，而是表示角度和半径，具体是角度还是半径，要看所在的平面而定。当用G17指定加工平面时，+X轴为极轴，程序中的X坐标表示极坐标，Y坐标表示极角，Z坐标不变。

7）当加工轮廓完成后，要及时使用极坐标取消指令取消极坐标，然后再取消刀具半径补偿。否则，后续程序还是以极坐标运行。

8）所加工的轮廓形状为在一个圆环上或同心圆周上分布时，使用极坐标才方便。

例3-9 如图3-108所示零件，已知材料为45钢，毛坯尺寸为ϕ100mm×20mm，所有加工面的表面粗糙度值为Ra1.6μm，试采用极坐标编写该零件加工程序。

图3-108 极坐标编程实例

参考程序见表3-34：

表3-34 图3-108所示零件的参考程序

（续）

3.6.3 坐标系旋转指令

该指令可使编程图形按指定的旋转中心及旋转方向转过一定角度，G68表示开始坐标系旋转，G69表示取消旋转功能。编程格式为：

说明：

1）该指令可使编程图形按指定的旋转中心及旋转方向转过一定角度，如图3-109所示。X、Y、Z为旋转中心的坐标值，省略时，则以工件坐标系原点为旋转中心。R为旋转角度，单位是“度（°）”，逆时针旋转定义为正向，顺时针旋转定义为负向，一般为绝对值。

图3-109 坐标系旋转功能

2）G68程序段后的第一个程序段必须使用绝对值编程，才能确定旋转中心。如果这一程序段为增量值编程，系统将以当前位置为旋转中心，按G68给定的角度旋转坐标。G69取消后的第一个程序段也必须用绝对值编程。

3）坐标旋转后，刀具半径补偿按照旋转后的轮廓进行补偿。

4）G68、G69指令为模态指令，二者为同组指令，可相互注销，G69指令为默认状态，它与G68指令成对出现。

5）在坐标旋转状态下，返回参考点指令（G27、G28、G29、G30）和改变坐标系指令（G52～G59、G92）不能指定。如果要指定其中的某一个，则必须取消坐标旋转指令后指定。

编程示例：

3.6.4 可编程镜像指令

用可编程镜像指令可实现坐标轴的对称加工。当工件相对于某一轴具有对称形状时，可以只对工件的一部分编程，利用可编程镜像功能和子程序，加工出工件的对称部分，以达到简化编程的目的。可编程镜像指令的编程格式为：

说明：

1）G51.1与G50.1均为模态指令，G50.1为默认状态。在用G51.1建立任意坐标轴的镜像以后，该轴的运动方向均与编程方向相反，直至用G50.1取消为止。X_Y_Z_为镜像对称点的位置，没有指定的坐标轴不受镜像的影响。在实际工作中，一般Z轴不需要使用镜像。

2）在指定平面内执行镜像加工指令后，如果程序中有圆弧指令，则圆弧的旋转方向相反，即G02变成G03，G03变成G02。在指定平面内执行镜像加工指令后，如果程序中有刀具半径补偿指令，则刀具半径补偿的偏置方向相反，即G41变成G42，G42变成G41。在指定平面内执行镜像加工指令后，如果程序中有旋转指令，则旋转方向相反，即顺时针变成逆时针，逆时针变成顺时针。

3）在镜像状态中，返回参考点指令（G27、G28、G29、G30）和改变坐标系指令（G52～G59、G92）不能使用。如果要使用其中的某一个，则必须在取消镜像指令后使用。

4）镜像功能实际是数控系统控制机床坐标轴向相反的方向运动，所谓“可编程镜像”是用程序控制的镜像功能，以区别于按钮控制或系统参数控制的镜像功能。

例3-10 如图3-110所示，零件上有四个形状尺寸相同的凸起，高2.5mm，试用镜像指令编写精加工程序。

图3-110 镜像功能加工实例

参考程序：

主程序见表3-35。

表3-35 图3-110所示零件的参考程序（主程序）

子程序见表3-36。

表3-36 图3-110所示零件的参考程序（子程序）

3.6.5 比例缩放功能

比例缩放功能可使原编程尺寸按指定比例缩小或放大，以简化编程。比例缩放功能的编程格式如下。

1）各轴以相同的比例放大或缩小：

2）各轴以不同的比例放大或缩小：

说明：

1）各轴以相同的比例放大或缩小时，X_、Y_、Z_为比例缩放中心坐标值（绝对值），P_为缩放比例，即编程的形状以P_指定的缩放比例，X_、Y_、Z_指定的缩放中心进行放大和缩小，缩放后的图形坐标值是原图形坐标值的P/1000倍。缩放的比例系数P不能用小数点编程，以0.001为单位，“P2000”表示缩放比例为2倍。输入小数点时，会有报警（PS0007）发出。不可输入负值，输入负值时会有报警（PS0006）发出。

2）各轴以不同的比例放大或缩小时，X_、Y_、Z_为比例缩放中心坐标值（绝对值），I_、J_、K_分别对应X、Y、Z轴的缩放比例，在±0.001～±9.999范围内。当0＜I＜1时，X轴缩小；I=1时，不变；I＞1时，X轴放大；I＜0时，X轴既缩放又镜像，其中I=-1时，X轴镜像，可代替G51.1指令。J、K分别对应Y、Z轴，与以上情况相同。本系统设定I_、J_、K_不能带小数点，比例为1时，应输入1000，并在程序中都应输入，不能省略。

3）此指令可用于平面缩放，也可用于空间缩放。

4）在使用比例缩放指令后又使用坐标旋转指令，则坐标系旋转中心也被缩放，但旋转角度不被比例缩放。

5）在比例缩放中进行圆弧插补，如果进行等比例缩放，则圆弧半径也缩放相同的比例；如果指定不同的缩放比例，则刀具不会走出椭圆轨迹，仍将进行圆弧插补，圆弧的半径根据I、J中的较大值进行缩放，缩放后的轮廓会与原轮廓有较大的差异。

6）在比例缩放状态中，返回参考点指令（G27、G28、G29、G30）和改变坐标系指令（G52～G59、G92）不能使用。如果要使用其中的某一个指令，则必须在取消比例缩放指令后使用。

7）FANUC系统的处理顺序是：可编程镜像（G51.1）→比例缩放（G51，也包含因负的倍率引起的镜像）→坐标旋转（G68）→刀具半径补偿（G41/G42）。也就是说后面的指令可以在前面的指令模态下执行，反之则报警。所以在使用这些相关指令时，应该按顺序使用，取消时按照相反顺序取消。例如：在旋转指令或比例缩放指令中不能使用镜像指令，但在镜像指令中可以使用比例缩放指令或旋转指令。

8）在有刀具补偿的情况下使用该指令，先进行缩放，然后才进行刀具半径补偿和长度补偿。但刀具半径补偿和长度补偿不被缩放，保持不变。

9）在镜像、比例缩放、坐标旋转后，机床的坐标值显示为刀具实际位置的坐标值。

10）可编程镜像指令为模态指令，如果连续使用几个可编程镜像指令，中间可不必用取消指令，只在最后一个镜像指令后取消一次即可。比例缩放指令、坐标旋转指令均如此。

11）不同的数控系统指令的用法不尽相同，即便是同一种数控系统其不同的型号和版本也不完全相同。为了搞清楚所用机床数控系统指令的详细用法，就需要去研读数控系统的编程说明书，还要在机床上去试验，搞清楚后一定要记下来，以便日后查阅。

【思考与练习】

1．分别写出子程序、坐标系、极坐标指令、坐标系旋转指令、可编程镜像功能、比例缩放功能的指令格式。

2．子程序、坐标系、极坐标指令、坐标系旋转指令、可编程镜像功能、比例缩放功能的应用环境分别是什么？

3.7 孔系零件编程与加工

【学习目标】

1）掌握孔加工路线、初始平面、R点平面、孔底平面、定位平面。

2）理解并掌握固定循环指令的基本动作、指令格式、各指令的应用。

【知识学习】

3.7.1 钻孔

1．孔加工路线

孔加工时，应在保证加工精度的前提下，使进给路线最短。如图3-111a所示，该进给路线为先加工完外圈孔后，再加工内圈孔，这不是最好的加工路线。如图3-111b所示，该进给路线减少空刀时间，则可节省近一倍定位时间，提高了加工效率。

图3-111 最短走刀路线的设计

a）路线1 b）路线2

2．固定循环指令

在数控加工中，每一个G指令一般都对应机床的一个动作，它需要用一个程序段来实现。但是在孔加工时，往往需要快速接近工件、以工进速度进行孔加工及孔加工完后快速退回三个固定动作。为了进一步提高编程工作效率，FANUC 0i系统设计有固定循环功能。数控加工中，将钻孔、镗孔、攻螺纹等加工动作循环（孔位平面定位、快速引进、工作进给、快速退回等）预先编好程序，存储在内存中，可用包含G代码的一个程序段调用，从而简化编程工作，这就是孔加工固定循环。常用的固定循环指令见表3-37。

表3-37 固定循环指令

3．固定循环基本动作

孔加工固定循环通常由六个基本动作组成，如图3-112所示。

图3-112 固定循环的基本动作

动作1：X轴和Y轴定位，刀具快速定位到孔加工的位置。

动作2：快进到R平面，刀具自初始点快速进给到R点（准备切削的位置）。

动作3：孔加工，以切削进给方式执行孔加工的动作。

动作4：在孔底的动作，包括暂停、主轴准停、刀具移位等动作。

动作5：返回到R点平面，继续下一步的孔加工。安全移动刀具时应选择R平面。

动作6：快速返回到初始点。孔加工完成后，一般应选择初始点。

说明：

1）图3-112中的实线表示切削进给（直线差补G01），虚线表示定位（快速移动G00）。

2）初始点是为了安全下刀而规定的一个点：R平面表示刀具下刀时自快速进给转为工作进给的高度平面。对于立式数控铣床，孔加工都在XY平面定位并在Z轴方向进行。

3）在固定循环开始，需指定全部所需的钻孔数据，当固定循环正在执行时，只能指令修改数据。

4）当刀具到达孔底后，刀具可以返回到R点平面或初始平面，分别由G99（返回R点）和G98（返回初始点）指定。一般情况下G99用于第一次钻孔，而G98用于最后的钻孔。即使在G99方式下执行钻孔，初始位置平面不改变。

5）固定循环中的各种平面包括初始平面、R点平面、工件平面和孔底平面，如图3-113所示。其中，初始平面是为安全进刀切削而规定的一个平面。R点平面又称R参考平面，是刀具进刀切削时由快速转为工进的高度平面，距工件表面的距离主要考虑工件表面尺寸的变化，一般可取2～5mm。加工盲孔时孔底平面就是孔底的Z轴高度，加工通孔时一般刀具还要伸长超过工件底平面一段距离，主要是保证全部孔深都加工到尺寸，钻削时还应考虑钻头尖对孔深的影响。

图3-113 G90方式与G91方式

a）G90方式 b）G91方式

6）表3-37中的指令除G80外都是模态指令，因此，多孔加工时，该指令只需指定一次，直到被取消前都有效，以后的程序段只给孔的位置即可。钻孔结束，使用G80或01组G代码取消固定循环。

4．固定循环中的平面

（1）初始平面 初始平面是为安全下刀而规定的平面。初始平面到零件表面的距离在安全的前提下可以任意设定，当使用同一把刀具加工若干孔时，只有孔间存在障碍需要跳跃或全部孔加工完毕时，才使用G98指令使刀具返回到初始平面上的起始点。

（2）R点平面R点平面又称R参考平面，这个平面是刀具下刀时自快进转为工进的高度平面。距工件表面的距离（又称为刀具切入距离）主要考虑工件表面尺寸的变化，一般可取2～5mm。使用G99指令时，刀具将返回到该平面上的R点。

（3）孔底平面 加工不通孔时，孔底平面就是孔底的Z轴高度。加工通孔时，刀具要伸出工件底平面一段距离（又称为刀具切出距离），主要是保证全部孔深都加工到尺寸。钻削加工时，应考虑钻头钻尖对孔深的影响。

（4）定位平面 孔加工循环与平面选择指令G17、G18或G19无关，即不管选择了哪个平面，孔加工都是在XY平面上定位并在Z轴方向上钻孔，即定位平面为XY平面。

5．固定循环指令格式

固定循环的程序格式包括编程方式、返回点平面、孔加工方式、孔位置数据、孔加工数据和循环次数。固定循环的程序格式如下：

其中，G90/G91为数据表达方式：G90为绝对坐标输入方式，G91为增量坐标输入方式，如图3-113所示。

图3-114 G98方式与G99方式

a）G98方式 b）G99方式

G98/G99为孔加工完后，自动退刀时的返回点位置。G98指令为返回到初始点平面，G99指令为返回到安全平面R平面，如图3-114所示。G73～G89为孔加工方法，X_Y_Z_为被加工孔的位置参数，R_Q_P_F_为孔的加工参数，K_为重复次数。

G73～G89为孔加工方式，如钻孔加工、铰孔加工、镗孔加工等。

X、Y为被加工孔的位置参数。用绝对值（相对于编程坐标系统的坐标原点）或增量值（相对于前一点的增量值）指定被加工孔的位置，刀具以快速进给方式到达（X，Y）点。刀具向被加工孔运动的轨迹和速度与G00相同。

Z为孔底位置或孔的深度。当采用绝对值方式时，Z值为孔底的坐标值；当采用增量值方式时，Z值为R平面到孔底的距离。从R平面到孔底按F代码所指定的速度进给。

R为安全平面（R面）的坐标。当采用绝对值方式时，R值为沿Z轴方向R点的位置；当采用增量值方式时，R值为从初始平面到R点的距离。此段动作是快速进给的。

Q为每次切削深度。在G73和G83方式中，用来指定每次进给的深度；在G76和G87方式中，用来指定刀具的偏移量。Q值的使用一律用增量值，与G90或G91的选择无关。

P为刀具在孔底的暂停时间。用于孔底动作有暂停的固定循环中指定暂停时间，以整数表示，以毫秒（ms）为单位。

F为切削进给速度，以mm/min为单位。这个指令是模态的，即使取消了固定循环，在其后加工中仍有效。在固定循环中，从初始点到R点及从R点到初始点的运动以快速进给的速度进行，从R点到Z点的运动以F指定的切削进给速度进行，而从Z点返回R点的运动则根据固定循环的不同可能以F指定的速度或快速进给速度进行。

K用于指定固定循环在当前定位点的重复加工次数。当K没有指定时，默认为1；当K=0时，孔加工数据存入，但固定循环在当前点不执行加工。重复次数K不是一个模态值，它只在需要重复的时候给出。

上述加工数据，不一定全部都写，根据需要可省略若干地址和数据。固定循环中的参数（Z、R、Q、P、F）是模态的，当变更固定循环时，可用的参数可以继续使用，不需重设。如果中间隔有G80或01组的G指令，则参数均被取消，但是01组的G指令，不受固定循环的影响。如果正在执行固定循环的过程中数控系统被复位，则孔加工模态、孔加工参数及重复次数K均被取消。

6．钻孔循环指令G81

钻孔循环指令G81用于一般孔的钻削加工，是最常用的固定循环指令，包括X、Y坐标定位、快速进给、切削进给和快速返回等动作，如图3-115所示。该指令的指令格式为：

采用G98方式时，首先X、Y轴快速定位，然后快速进给到R点，再以进给速度F从R点到Z点切削进给，到达加工终点Z后，快速退回到初始点，完成一个孔的加工。如果还有后续孔要加工，则快速定位于下一个孔的加工位置（在初始平面上），重新开始循环，直至程序执行完毕为止。

采用G99方式时，首先X、Y轴快速定位，然后快速进给到R点，再以进给速度F从R点到Z点切削进给，到达加工终点Z后，快速退回到R点，完成一个孔的加工。如果还有后续孔要加工，则快速定位于下一个孔的加工位置（在R平面上），重新开始循环，直至程序执行完毕为止。

例3-11 加工如图3-116的5个孔，设Z轴开始点距工作表面100mm处，切削深度为20mm。试用固定循环指令完成编程。

图3-115 G81指令循环动作

图3-116 G81浅孔加工应用

该加工特征为5个孔，没有特殊要求，孔也不太深，采用G81钻孔循环指令即可。参考程序见表3-38。

表3-38 图3-116所示零件的参考程序

例3-12 欲加工图3-117所示的4个ϕ10mm浅孔，试编程。工件坐标系原点定于工件上表面及ϕ56mm孔中心线交点处，选用ϕ10mm的钻头，初始平面位置位于工件坐标系（0，0，50）处，R平面距工件表面3mm。

图3-117 G81浅孔加工应用

参考程序见表3-39。

表3-39 图3-117所示零件的参考程序

7．带暂停的钻孔循环指令G82

G82指令动作与G81相似，两者的不同之处在于，采用G82指令时，当刀具到达加工终点Z后，钻头不是马上返回，而是在孔底暂停一段时间，动作过程如图3-118所示，此暂停功能能产生精切效果。该指令的指令格式为：

G82指令可以改善孔底的表面粗糙度和加工精度，得到准确的孔深尺寸，因而适用于钻盲孔、锪端面或镗阶梯孔等。

例3-13 如图3-119所示，工件上ϕ5mm的通孔已加工完毕，需用锪刀加工4个直径为ϕ7mm、深度为3mm的沉头孔，试编写加工程序。

图3-118 G82指令循环动作

图3-119 G82锪孔加工应用

参考程序见表3-40。

表3-40 图3-119所示零件的参考程序

8．深孔钻削循环指令G83

G83指令同样用于深孔加工，孔加工动作如图3-120所示。该指令的指令格式为：

图3-120 G83指令循环动作

Q是每次切削深度，用增量值且用正值表示。d值是钻头每次由快速进给转为切削进给的那一点与前一次切削终点的距离，此距离由参数（No.5115）设定。

在加工过程中，每次钻头前进到Q值时，都要快速退回到R平面，然后快速进给到距已加工孔底上方为d的位置，改为切削进给。如此反复循环，直到加工结束，钻头返回初始点（G98指令时）或R平面（G99指令时）。

由于钻头在工作过程中为间歇进给，每次进刀到Q值后就返回R点平面，这样可以把切屑带出孔外，避免切屑将钻槽塞满而增加钻削阻力及切削液无法到达切削区，故有利于深孔钻削时的断屑排屑与冷却，但加工速度不高。G83指令主要用于长径比大于5的深孔加工。

例3-14 使用循环指令G83指令编制如图3-121所示零件的加工程序，设刀具起点距离工件表面100mm，切削深度40mm的通孔。

图3-121 固定循环指令加工孔实例

参考程序见表3-41。

表3-41 图3-121所示零件的参考程序

9．高速深孔钻削循环指令G73

G73指令同样用于深孔加工，也用于Z轴的间歇进给，其循环动作如图3-122所示。该指令的指令格式为：

图3-122 G73指令循环动作

Q值为每次的切削深度（增量值且用正值表示），d为每次的退刀距离，用参数（No.5114）设定，必须保证Q＞d。

在加工过程中，每当钻头前进到Q值时，都要快速退回一段距离d，再切削进给，如此反复循环，直到加工结束，钻头返回初始点（G98指令时）或R平面（G99指令时）。设定一个小的退刀距离，在钻孔时通过Z轴方向的间歇进给可以较容易地实现断屑与排屑，进行高效率的加工，适合深孔加工。G73的退刀距离比G83短，故其钻孔速度较快，但排屑效果较差。

10．固定循环取消指令G80

当固定循环指令不再使用时，应用G80指令取消固定循环。该指令的指令格式为：

取消固定循环（G73、G74、G76、G81～G89）后，R点和Z点的参数也取消（即增量指令R=0、Z=0），除F外的其他孔加工参数也全部被取消。除G80指令外，也可用01组的G代码，如G00、G01、G02、G03、G33等取消固定循环，其效果与G80一样。

11．使用注意事项

使用固定循环功能注意事项如下：

1）指定固定循环之前，必须用辅助功能使主轴旋转，在使用了主轴停止转动指令M05之后，要重新使主轴旋转，再指定固定循环。

2）指定固定循环状态时，必须给出X、Y、Z、R中的每一个数据，固定循环才能执行。

3）在固定循环方式中，刀具半径补偿无效；但刀具长度补偿指令G43、G44仍起着刀具长度补偿的作用。

4）操作时，若利用复位或急停按键使数控装置停止，但固定循环加工和加工数据仍然存在，再次加工时，应该使固定循环剩余动作进行到结束。

3.7.2 镗孔

1．镗孔循环指令G85

镗孔循环指令G85动作过程如图3-123所示。该指令的指令格式为：

在加工过程中，主轴连续回转，镗刀以切削进给速度F加工到孔底，又以同样的速度返回到R点平面（G99指令时）或初始平面（G98指令时）。该指令循环适用于扩孔、粗镗孔。

2．粗镗孔循环指令G86

粗镗孔循环指令G86动作过程如图3-124所示。该指令的指令格式为：

图3-123 G85指令循环动作

图3-124 G86指令循环动作

在加工过程中，刀具以切削进给方式加工到孔底，然后主轴停转，刀具快速返回到R点平面（G99指令时）或初始平面（G98指令时）后，主轴重新正转。采用这种方式退刀时，刀具在退回过程中容易在工件表面划出条痕，因而该指令常用于精度及表面粗糙度要求不高的镗孔加工。如果连续加工的孔间距较小，可能出现刀具已经定位到下一个孔加工的位置而主轴尚未到达指定的转速，可在各孔动作之间加入暂停G04指令，以使主轴达到规定转速。

3．粗镗循环指令G89

G89指令动作与G85相似，只是在孔底增加了“暂停”，因此可以提高孔底表面加工精度，其动作过程如图3-125所示。该指令的指令格式为：

在加工过程中，刀具以切削进给方式加工到孔底，然后主轴停转并暂停，暂停结束，刀具快速返回到R点平面（G99指令时）或初始平面（G98指令时）后，主轴重新正转。该指令常用于阶梯孔的加工和铰孔加工。

4．粗镗孔循环指令G88

G88指令的动作过程如图3-126所示。该指令的指令格式为：

图3-125 G89指令循环动作

在加工过程中，G88指令首先进行X、Y轴定位，然后快速进给到R点，再以切削进给方式加工到孔底，刀具在孔底暂停后主轴停止，以手动方式由Z点向R点安全退出刀具，由R点向起始点，主轴正转快速进给返回。采用这种加工方式，虽然能提高孔的加工精度，但加工效率较低，常用于单件加工中。

5．精镗孔循环指令G76

G76指令用于精镗孔加工，其动作过程如图3-127所示。该指令的指令格式为：

图3-126 G88指令循环动作

图3-127 G76指令循环动作

P表示在孔底有暂停，图中OSS表示主轴定向准停，Q表示刀尖的偏移量，一般为正值，移动方向由机床参数设定。

在加工过程中，G76指令首先X、Y轴定位，然后快速进给到R点，再以切削进给方式加工到孔底，主轴停止在定向位置上，即准停，然后向刀尖反方向移动一个Q值，使刀尖偏移离开加工表面，再快速返回到R点平面（G99指令时）或初始平面（G98指令时），返回后，主轴再以原来的转速和方向旋转。这样可以高精度、高效率地完成孔加工而不损伤工件已加工表面。

在使用该固定循环时，应注意孔底移动的方向是使主轴定向后，刀尖离开工件表面的方向，这样退刀时便不会划伤已加工好的工件表面，可以得到较好的精度和表面粗糙度。每次使用该固定循环或者更换使用该固定循环的刀具时，应注意检查主轴定向后刀尖的方向与要求是否相符。如果加工过程中出现刀尖方向不正确的情况，将会损坏工件、刀具甚至机床。

6．反镗孔循环指令G87

G87指令用于反镗孔，参数设定与G76相同，其动作过程如图3-128所示。该指令的指令格式为：

图3-128 G87指令循环动作

在加工过程中，首先，主轴正转，刀具X轴和Y轴快速定位后，主轴准停（OSS），刀具向刀尖的反方向移动一个偏移量Q值，并快速定位到孔底（R平面）。然后，在R平面上，刀具向刀尖方向移动一个Q值，接近加工表面，主轴正转，沿Z轴向上加工到Z点后，主轴再度准停（OSS）。最后，在Z平面上，刀具再向刀尖反方向移动一个Q值，快速返回到初始平面（只能用G98），刀具向刀尖方向退回一个Q值，主轴正转，进行下一个程序段的动作。采用这种循环方式时，只能让刀具返回到初始平面（G98方式）而不能返回到R点平面（G99方式）。偏移量由程序中的地址Q指定，Q值总是正值，即使规定了负值，符号也被忽略。

3.7.3 攻螺纹

1．攻右旋螺纹循环指令G84

G84指令用于切削右旋螺纹孔，其动作过程如图3-129所示。该指令的指令格式为：

图3-129 G84指令循环动作

该指令动作，向下切削时主轴正转，刀具加工到孔底后，暂停，主轴反转，然后刀具以切削进给速度返回R点，主轴再恢复正转。F表示导程，在攻螺纹过程中进给倍率调整无效，即使按了“进给保持”键，在返回动作结束之前，循环也不会停止，只有完成攻螺纹循环后才停止加工。如果在程序段中指定了暂停并有效，则在刀具到达孔底和返回R点平面时先执行暂停的动作。

例3-15 如图3-130所示，零件上五个M20×1.5的螺纹底孔已打好，试编写右旋螺纹加工程序。

图3-130 螺纹加工循环指令应用

参考程序见表3-42。

表3-42 图3-130所示零件的参考程序

例3-16 加工如图3-131所示螺纹孔，请用固定循环指令编制加工程序（设钻孔深度为20mm，攻螺纹深度15mm，单线螺纹，螺距为1.5mm）。

参考程序见表3-43及表3-44。

图3-131 螺纹加工循环指令应用

表3-43 图3-131所示零件的参考程序（用G81指令钻孔）

表3-44 图3-131所示零件的参考程序（用G84指令攻螺纹）

2．攻左旋螺纹循环指令G74

G74指令用于切削左旋螺纹孔，其加工动作与G84相似，如图3-132所示。该指令的指令格式为：

图3-132 G74指令循环动作

该指令与G84指令的不同之处在于，向下切削时主轴反转，孔底动作时变反转为正转，再退出，返回到R点平面后主轴恢复反转。

3．等导程螺纹切削G33

小直径的内螺纹大多都用丝锥配合攻螺纹指令G74、G84固定循环指令加工。大直径的螺纹因成本太高，常使用可调式的镗刀配合G33指令加工，可节省成本。该指令的指令格式为：

其中，Z为螺纹切削的终点坐标值或切削螺纹的长度；F为螺纹的导程。

3.7.4 典型零件编程与加工实例

例3-17 图3-133所示为零件，已知材料为45钢，毛坯尺寸为80mm×80mm×20mm，所有加工面的表面粗糙度值为Ra1.6μm。试编写此零件的加工程序并在数控铣床上加工出来。

图3-133 孔加工零件

1．确定加工工艺

（1）加工工艺分析

按长径比的大小，孔可分为深孔和浅孔两类。深孔是长径比（L/D孔深与孔径之比）大于或等于5的孔，深孔加工时因排屑困难、冷却困难，钻削时应调用深孔钻削循环加工；浅孔是长径比小于5的孔，浅孔加工时可直接编程加工或调用钻孔循环。

（2）加工过程

确定加工顺序时，按照先粗后精、先面后孔的原则，其加工顺序为：

1）编程加工前，应首先钻孔前校平工件、用中心钻钻6×ϕ8mm的中心孔；

2）同ϕ10mm铣刀铣削型腔；

3）用ϕ8mm钻头钻6×ϕ8mm的通孔，加工路线：L→M→N→I→J→K（图3-134）。

（3）工、量、刃具选择

工、量、刃具清单见表3-45。

表3-45 工、量、刃具清单

（4）合理选择切削用量

工序的划分与切削用量的选择见表3-46。

表3-46 图3-133所示零件的切削用量

2．参考程序编制

（1）工件坐标系建立

根据工件坐标系建立原则，在六方体毛坯的中心建立工件坐标系，Z轴原点设在顶面上，六方体上表面的中心（即O圆的圆心）设为坐标系原点。

（2）基点坐标计算

如图3-134所示各圆的圆心坐标见表3-47。

图3-134 零件图上各圆的位置

表3-47 各圆圆心坐标

（3）参考程序

主程序见表3-48。

表3-48 图3-133所示零件的参考程序（主程序）

（续）

（续）

子程序见表3-49。

表3-49 图3-133所示零件的参考程序（子程序）

3．操作步骤及内容

1）开机，各坐标轴手动回机床原点。

2）刀具安装。根据加工要求选择ϕ10mm高速钢立铣刀，用弹簧夹头刀柄装夹后将其装上主轴。

3）清洁工作台，安装夹具和工件。将机用虎钳清理干净，装在干净的工作台上，通过百分表找正、找平机用虎钳，再将工件装正在机用虎钳上。

4）对刀设定工件坐标系。首先用寻边器对刀，确定X、Y向的零偏值，将X、Y向的零偏值输入到工件坐标系G54中；然后将加工所用刀具装上主轴，再将Z轴设定器安放在工件的上表面上，确定Z向的零偏值，输入到工件坐标系G54中。

5）设置刀具补偿值。本课题计算比较简单，不需要设立刀具半径补偿值。

6）输入加工程序。将编写好的加工程序通过机床操作面板输入到数控系统的内存中。

7）调试加工程序。把工件坐标系的Z值沿+Z向平移100mm，按下数控启动键，适当降低进给速度，检查刀具运动是否正确。

8）自动加工。把工件坐标系的Z值恢复原值，将进给倍率开关打到低档，按下数控启动键运行程序，开始加工。机床加工时，适当调整主轴转速和进给速度，并注意监控加工状态，保证加工正常。

9）取下工件，用游标卡尺进行尺寸检测。

10）清理加工现场。

11）按顺序关机。

4．评分标准

评分标准见表3-50。

表3-50 评分表

【思考与练习】

1．应如何确定孔加工路线？

2．初始平面、R点平面、孔底平面、定位平面的含义分别是什么？

3．如图3-135所示为孔加工零件，已知材料为45钢，毛坯尺寸为160mm×160mm×20mm，试编写该零件加工程序。

图3-135 习题3图

模块4 加工中心编程与加工

模块4 加工中心编程与加工

4.1 加工中心基础知识

【学习目标】

1）了解加工中心的分类、组成、特点。

2）熟悉加工中心的加工对象。

【知识学习】

4.1.1 加工中心的分类及组成

1．加工中心的分类

根据机床主轴布置形式可将加工中心分为立式加工中心、卧式加工中心、龙门式加工中心和复合加工中心四种。

（1）立式加工中心 立式加工中心是指主轴轴心线与工作台平行的加工中心。其结构形式多为固定立柱式，工作台为长方形，无分度回转功能，由于受立柱的高度和自动换刀装置的限制，不能加工太高的零件，主要适用于加工高度尺寸小、加工面与主轴轴线垂直的盘、套、板类零件。一般具有三个直线运动坐标，并可在工作台上安装一个水平轴的数控回转台，用以加工螺旋线类零件。对于五轴联动的立式加工中心，可以加工汽轮机叶片、模具等复杂零件。

立式加工中心具有操作方便、工件装夹和找正容易、占地面积小等优点，故应用较广。

（2）卧式加工中心 卧式加工中心是指主轴轴心线与工作台垂直的加工中心。其工作台大多为可分度的回转台或由伺服电动机控制的数控回转台，在零件的一次装夹中通过旋转工作台可实现多加工面加工，如果为数控回转工作台，还可参与机床各坐标轴的联动，实现螺旋线的加工。通常都带有可进行分度回转运动的正方形分度工作台。卧式加工中心一般都具有3～5个运动坐标，常见的是三个直线运动坐标（沿X、Y、Z轴方向）加一个回转运动坐标（回转工作台），它能够使工件在一次装夹后完成除安装面和顶面以外的其余四个面的加工，最适合加工复杂的箱体类零件。

卧式加工中心有多种形式，如固定立柱式或固定工作台式。固定立柱式的卧式加工中心，其立柱固定不动，主轴箱沿立柱做上下运动，而工作台可在水平面内做前后、左右两个方向的移动；固定工作台式的卧式加工中心，安装工件的工作台是固定不动的（不做直线运动），沿坐标轴三个方向的直线运动由主轴箱和立柱的移动来实现。

卧式加工中心适用于加工内容较多、精度较高的箱体类零件及小型模具型腔的加工，是加工中心中种类最多、规格最全、应用范围最广的一种。

（3）龙门式加工中心 龙门式加工中心的主轴多为垂直设置，除自动换刀装置以外，还带有可更换的主轴头附件，数控装置的软件功能也较齐全，能够一机多用，尤其适用于大型或形状复杂的工件，如飞机上的梁、框、壁板等。

（4）复合加工中心 复合加工中心是指在一台加工中心上有立、卧两个主轴，或主轴可改变90°的角度，或工作台可带动工件一起旋转90°的加工中心。复合加工中心既具有立式加工中心的功能，又有卧式加工中心的功能，工件一次安装后能完成除安装面外的所有侧面和顶面等五个面的加工，又称立卧式加工中心、万能加工中心或五面加工中心。常见的复合加工中心有两种形式，一种是主轴可以旋转90°做垂直和水平转换，可以进行立式和卧式加工；另一种是主轴不改变方向，而由工作台带着工件旋转90°，完成对工件五个表面的加工。

复合加工中心综合了立式和卧式的优点，但机床控制系统和机床结构很复杂、价格昂贵、占地面积大，所以它的使用和生产在数量上远不如其他类型的加工中心，主要适用于复杂箱体类零件和具有复杂曲线的零件（如螺旋桨叶片及各种复杂模具）的加工。

另外，加工中心按照换刀形式分类，可分为带刀库的加工中心、带机械手的加工中心、无机械手的加工中心和转塔刀库式加工中心；按照加工精度分类，可分为普通加工中心、高精度加工中心和精密加工中心。

2．加工中心的组成

加工中心和数控铣床具有相似的用途和工艺特点，它的几大构件和数控铣床也相同，主要由床身、立柱、滑座、工作台、主轴箱、自动换刀装置、数控装置、伺服驱动装置、检测装置、液压系统和气压系统等组成。XH714立式加工中心的外形如图4-1所示。

图4-1 XH714立式加工中心

1—防护门 2—刀库 3—主轴 4—控制面板 5—手摇脉冲发生器 6—工作台 7—床身

4.1.2 加工中心的加工对象

针对加工中心的工艺特点，加工中心适用于加工形状复杂、工序较多、精度要求较高的零件。

（1）箱体类零件这类零件一般是指具有多个孔系，内部有型腔和空腔，在长、宽、高方向有一定比例的零件，如图4-2所示。箱体类零件一般都需要进行孔系、轮廓、平面的多工位加工，精度要求较高，特别是形状精度和位置精度要求比较严格，通常要经过铣、钻、扩、镗、铰、锪、攻螺纹等工序，所需刀具较多，在普通机床上加工难度大，工装套数多，需多次装夹找正，手工测量次数多，精度不易保证。在加工中心上加工时，一次装夹可完成普通机床60%～95%的工序内容，零件各项精度一致性好，质量稳定，同时可缩短生产周期，降低生产成本。

图4-2 箱体类零件

（2）复杂曲面类零件 这类零件是指由复杂曲线、曲面组成的零件，如图4-3所示。在加工时，需要多坐标联动加工，这在普通机床上是难以甚至无法完成的，加工中心是加工这类零件最有效的设备。在不出现加工过切或加工盲区时，复杂曲面一般可以用球头铣刀进行3坐标联动加工，加工精度较高，但效率较低。如果工件存在加工干涉区或加工盲区，就应采用4坐标或5坐标联动的机床。

图4-3 复杂曲面类零件

（3）异形件 这类零件是外形不规则，大多需要点、线、面多工位混合加工的零件，如图4-4所示。由于外形不规则，在普通机床上只能采取工序分散的原则加工，需用工装较多，周期较长。利用加工中心多工位点、线、面混合加工的特点，可以完成大部分甚至全部工序内容。加工异形件时，形状越复杂，精度要求越高，越能显示加工中心的加工优势。

（4）盘、套、板类零件 这类零件包括带有键槽和径向孔，端面分布有孔系、曲面的盘、套或轴类零件；具有较多孔加工的板类零件，如图4-5所示。加工部位集中在单一端面上的盘、套、板类零件宜选择立式加工中心，加工部位不是位于同一方向表面上的零件宜选择卧式加工中心。

图4-4 异形件

图4-5 盘、套、板类零件

（5）特殊加工 在熟练掌握了加工中心的功能之后，配合一定的工装和专用工具，利用加工中心可完成一些特殊的工艺内容，例如在金属表面上刻字、刻线、刻图案。在加工中心的主轴上装上高频电火花电源，可对金属表面进行线扫描，表面淬火；在加工中心上装上高速磨头，可进行各种曲线、曲面的磨削等。

上述是根据零件特征选择的适合加工中心加工的几种零件，此外，还有以下一些适合加工中心加工的零件：周期性投产的零件、加工精度要求较高的中小批量零件、新产品试制中的零件等。

【思考与练习】

1．按照常用的分类方式，加工中心分别有哪些种类？

2．简述加工中心的组成、特点以及加工对象。

4.2 加工中心基本操作

【学习目标】

1）了解加工中心自动换刀装置、自动换刀过程。

2）理解刀具长度补偿的确定、刀具识别方法。

【知识学习】

4.2.1 自动换刀装置

自动换刀装置（Autamatic Tool Change，ATC）是为完成对工件的多工序加工而设置的存储及更换刀具的装置，它是加工中心上必不可少的部分。

1．自动换刀装置的形式

自动换刀装置的结构取决于机床的类型、工艺、范围及刀具的种类和数量等。根据组成结构，自动换刀装置可分为回转刀架式、转塔式、带刀库式三种形式，下面只介绍带刀库的自动换刀装置。

带刀库的自动换刀装置是镗铣加工中心上应用最广的换刀装置，主要有机械手换刀和刀库换刀两种方式。它的整个换刀过程较复杂，首先把加工过程中需要使用的全部刀具分别安装在标准刀柄上，在机外进行尺寸预调后，按一定的方式放入刀库。换刀时，先在刀库中进行选刀，并由机械手从刀库和主轴上取出刀具，或直接通过主轴以及刀库的配合运动来取刀；然后，进行刀具交换，再将新刀具装入主轴，把旧刀具放回刀库。存放刀具的刀库具有较大的容量，它既可以安装在主轴箱的侧面或上方，也可以作为独立部件安装在机床以外。

带刀库的自动换刀装置结构较复杂、装刀数量多，应用广泛。

2．刀库的形式

刀库是用来储存加工刀具及辅助工具的，是自动换刀装置中最主要的部件之一。刀库的形式很多，结构各异，如图4-6所示。

加工中心常用的刀库有圆盘式刀库和链式刀库两种。圆盘式刀库结构简单，紧凑，应用也较多，但刀库容量相对较小，一般有1～24把刀具，主要适用于小型加工中心；链式刀库多为轴向取刀，刀库容量大，一般有1～100把刀具，主要适用于大中型加工中心。

图4-6 刀库种类

a）转塔式 b）圆盘式径向取刀 c）圆盘式轴向取刀 d）圆盘式顶端取刀 e）链式 f）格子式

4.2.2 自动换刀过程

自动换刀装置的换刀过程由选刀和换刀两部分组成。当执行到Txx指令，即选刀指令后，刀库自动将要用的刀具移动到换刀位置，完成选刀过程，为下面的换刀做好准备。当执行到M06指令时即开始自动换刀，把主轴上用过的刀具取下，将选好的刀具安装在主轴上。

1．选刀

选刀方式常有顺序选刀方式和任选方式两种。

（1）顺序选刀方式 将加工所需要的刀具，按照预先确定的加工顺序依次安装在刀座中。换刀时，刀库按顺序转位。这种方式的控制及刀库运动简单，但刀库中刀具排列的顺序不能错。

（2）任选方式 对刀具或刀座进行编码，并根据编码选刀。它可分为刀具编码和刀座编码两种方式。刀具编码方式是利用安装在刀柄上的编码元件（如编码环、编码螺钉等）预先对刀具编码后，再将刀具放在刀座中；换刀时，通过编码识别装置根据刀具编码选刀。采用这种方式编码的刀具可以放在刀库的任意刀座中；刀库中的刀具不仅可在不同的工序中多次重复使用，而且换下来的刀具也不必放回原来的刀座中。刀座编码方式是预先对刀库中的刀座（用编码钥匙等方法）进行编码，并将与刀座编码相对应的刀具放入指定的刀座中；换刀时，根据刀座编码选刀，使用过的刀具也必须放回原来的刀座中。

目前应用最多的是计算机记忆式选刀。这种方式的特点是，刀具号和存刀位置或刀座号对应地记忆在计算机的存储器或可编程序控制器内。不论刀具存放在哪个地址，都始终记忆着它的踪迹。在刀库上装有位置检测装置。这样刀具可以任意取出，任意送回。刀具本身不必设置编码元件，结构大为简化，控制也十分简单，计算机控制的机床几乎全都用这种选刀方式。在刀库上设有机械原点，每次选刀运动正反向都不会超过180°的范围。

当选刀动作完成后，即处于等待状态，一旦执行到自动换刀的指令，即开始换刀动作。

2．换刀

在数控机床的自动换刀装置中，实现刀具在刀库与机床主轴之间传递和装卸的装置称为刀具交换装置。刀具的交换方式通常分为无机械手换刀和有机械手换刀两大类。

（1）无机械手换刀 无机械手换刀的方式利用刀库与机床主轴的相对运动实现刀具交换，如图4-7所示。

1）如图4-7a所示，当本工步工作结束后执行换刀指令，主轴准停，主轴箱沿立柱上升。这时刀库上刀位的空档位置正好处在交换位置，装夹刀具的卡爪打开。

2）如图4-7b所示，主轴箱上升到极限位置，被更换的刀具刀杆进入刀库空刀位，即被刀具定位卡爪钳住，与此同时，主轴内刀杆自动夹紧装置放松刀具。

3）如图4-7c所示，刀库伸出，从主轴锥孔中将刀拔出。

4）如图4-7d所示，刀库转位，按照程序指令要求将选好的刀具转到最下面的位置，同时压缩空气将主轴锥孔吹净。

5）如图4-7e所示，刀库退回，同时将新刀具插入主轴锥孔。主轴内刀具夹紧装置将刀杆拉紧。

6）如图4-7f所示，主轴下降到加工位置后起动，开始下一工步的加工。

图4-7 无机械手换刀过程

这种换刀机构不需要机械手，结构简单、紧凑。由于交换刀具时机床不工作，所以不会影响加工精度，但会影响机床的生产率。其次，受刀库尺寸限制，装刀数量不能太多。这种换刀方式常用于小型加工中心。

（2）机械手换刀 采用机械手进行刀具交换的方式应用得最为广泛。这是因为机械手换刀有很大的灵活性，而且可以减少换刀时间。机械手的结构形式是多种多样的，因此换刀运动也有所不同。下面以一种卧式镗铣加工中心为例说明采用机械手换刀的工作原理。

该机床采用的是链式刀库，位于机床立柱左侧。由于刀库中存放刀具的轴线与主轴的轴线垂直，故而机械手需要有三个自由度。机械手沿主轴轴线的插拔刀动作由液压缸来实现，90°的摆动送刀运动及180°的换刀动作分别由液压马达来实现。其换刀分解动作如图4-8所示。具体过程如下：

1）如图4-8a所示，抓刀爪伸出，抓住刀库上的待换刀具，刀库刀座上的锁板拉开。

2）如图4-8b所示，机械手带着待换刀具绕竖直轴逆时针方向转90°，与主轴轴线平行，另一个抓刀爪抓住主轴上的刀具，主轴将刀杆松开。

3）如图4-8c所示，机械手前移，将刀具从主轴锥孔内拔出。

4）如图4-8d所示，机械手绕自身水平轴转180°，将两把刀具交换位置。

5）如图4-8e所示，机械手后退，将新刀具装入主轴，主轴将刀具锁住。

6）如图4-8f所示，抓刀爪缩回，松开主轴上的刀具。机械手绕竖直轴顺时针转90°，将刀具放回刀库的相应刀座上，刀库上的锁板合上。

最后，抓刀爪缩回，松开刀库上的刀具，恢复到原始位置。

图4-8 换刀分解动作示意图

4.2.3 刀具长度补偿

加工中心上使用的刀具很多，每把刀具的长度和到Z坐标零点的距离都不相同，这些距离的差值就是刀具的长度补偿值，在加工时要分别进行设置，并记录在刀具明细表中，以供机床操作人员使用。一般有机内设置和机外刀具预调结合机上对刀两种方法。

1．机内设置

这种方法不用事先测量每把刀具的长度，而是将所有刀具放入刀库中后，采用Z向设定器依次确定每把刀具在机床坐标系中的位置。

1）将所有刀具放入刀库，利用Z向设定器确定每把刀具到工件坐标系Z向零点的距离，如图4-9所示的A、B、C，并记录下来。

图4-9 刀具长度补偿

2）选择其中一把最长（或最短）、与工件距离最小（或最大）的刀具作为基准刀，如图4-9所示的T03（或T01），将其对刀值C（或A）作为工件坐标系的Z值，此时H03=0。

3）确定其他刀具相对基准刀的长度补偿值，即H01=±|C-A|，H02=±|C-B|，正负号由程序中的G43或G44来确定。

4）将获得的刀具长度补偿值所对应的刀具和刀具号输入到机床中。

这种方法对刀操作简单，投资少，但工艺文件编写不便，对生产组织有一定的影响。

2．机外刀具预调结合机上对刀

这种方法是先在机床外利用刀具预调仪精确测量每把在刀柄上装夹好的刀具的轴向和径向尺寸，确定每把刀具的长度补偿值，然后在机床上用其中最长或最短的一把刀具进行Z向对刀，确定工件坐标系。这种方法对刀精度和效率高，便于工艺文件的编写及生产组织。

4.2.4 刀具识别方法

加工中心刀库中有多把刀具，要从刀库中调出所需刀具，就必须对刀具进行识别。刀具识别的方法有两种。

1．刀座编码

在刀库的刀座上编有号码，在装刀之前，首先对刀库进行重整设定，设定完后，就变成了刀具号和刀座号一致的情况，此时一号对应的就是一号刀具。经过换刀之后，一号刀具并不一定放到一号刀座中（刀库采用就近放刀的原则），此时数控系统自动记忆一号刀具放到了几号刀座中，数控系统采用循环记忆的方式。

2．刀柄编号

刀柄上编有号码，将刀具号首先与刀柄号对应起来，把刀具装在刀柄上，再装入刀库，在刀库上有刀柄感应器，当需要的刀具从刀库中转到装有感应器的位置时，被感应到后，从刀库中调出交换到主轴上。

【思考与练习】

1．刀库通常有哪几种形式？哪种形式的刀库装刀容量大？

2．自动换刀装置的换刀过程可分为哪两部分？在程序中分别用什么代码控制？

3．顺序方式和任选方式的选刀过程各有什么特点？哪种方式更方便？

4.3 加工中心的编程与加工

【学习目标】

1）了解加工中心编程特点与换刀指令。

2）理解FANUC系统通信。

3）理解并掌握加工中心编程。

【知识学习】

4.3.1 加工中心编程特点与换刀指令

1．加工中心程序的编制特点

一般使用加工中心加工的工件形状复杂、工序多，使用的刀具种类也多，往往一次装夹后要完成从粗加工、半精加工到精加工的全部过程，因此程序比较复杂。在编程时要考虑下述问题。

1）仔细地对图纸进行分析，确定合理的工艺路线。

2）刀具的尺寸规格要选好，并将测出的实际尺寸填入刀具卡。

3）确定合理的切削用量，主要是主轴转速、背吃刀量、进给速度等。

4）应留有足够的自动换刀空间，以避免与工件或夹具碰撞。换刀位置建议设置在机床原点。

5）为便于检查和调试程序，可将各工步的加工内容安排到不同的子程序中，而主程序主要完成换刀和子程序的调用，这样程序简单而且清晰。

对编好的程序要进行校验和试运行，注意刀具、夹具或工件之间是否有干涉。在检查M、S、T功能时，可以在Z轴锁定状态下进行。

2．换刀指令的应用

由于加工中心的加工特点，在编写加工程序前，首先要注意换刀程序的应用。

不同的加工中心，其换刀过程是不完全一样的，通常选刀和换刀可分开进行。换刀完毕启动主轴后，方可进行下面程序段的加工内容。选刀动作可与机床的加工重合起来，即利用切削时间进行选刀。多数加工中心都规定了固定的换刀点位置，各运动部件只有移动到这个位置，才能开始换刀动作。

TOM850加工中心装备有盘形刀库，通过主轴与刀库的相互运动，实现换刀。换刀过程用一个子程序描述，习惯上取程序号为O9000。换刀子程序见表4-1。

表4-1 换刀子程序

需要注意的是，为了使换刀子程序不被随意更改，以保证换刀安全，设备管理人员可将该程序隐含。当加工程序中需要换刀时，调用O9000号子程序即可。调用程序段可如下编写：

其中，N后为程序顺序号；T后为刀具号，一般取2位；M06为调用换刀子程序。

4.3.2 FANUC系统通信

1．输入程序

1）确认输入设备是否准备好。

2）按下机床操作面板上的EDIT键。

3）使用软盘时查找必要的文件。

4）按下功能键PROG，显示程序内容、显示屏幕或者程序目录屏幕。

5）按下软键[（OPRT）]。

6）按下最右边的软键▷，继续键入程序。

7）输入地址O后，输入赋给程序的程序号。

8）按下软键[READ]和[EXEC]。

注：程序被输入并赋以第7步中指定的程序号。

2．输出程序

1）确认输出设备已经准备好。

2）要输出到纸带，通过参数指定穿孔代码类别ISO或EIA。

3）按下机床操作面板上的EDIT键。

4）按下功能键PROG，显示程序内容、显示屏幕或者程序目录屏幕。

5）按下软键[（OPRT）]。

6）按下最右边的软键▷，继续键入程序。

7）输入地址O。

8）输入程序号，如果输入-9999，则所有存储在内存中的程序都将被输出。

9）按下软键[PUNCH]和[EXEC]，指定的一个或多个程序就被输出。

3．DNC运行

1）选择将要执行的程序文件。

2）按下机床操作面板上的REMOTE键，开关设置为RMT方式，然后按下“循环启动”按钮，选择的文件被执行，如图4-10所示。

图4-10 程序检查屏幕

4.3.3 典型零件编程与加工实例

例4-1 如图4-11所示为端盖零件，其材料为45钢，毛坯尺寸为160mm×160mm×19mm。试编写该端盖零件的加工程序并在XH714加工中心上加工出来。

1．确定加工工艺

（1）加工方法

由图4-11可知，该盖板材料为铸铁，故毛坯为铸件，四个侧面为不加工表面，上下面、四个孔、四个螺纹孔、直径为ϕ60mm的孔为加工面，且加工内容都集中在A、B面上。从定位、工序集中和便于加工考虑，选择A面为定位基准，并在前道工序中加工好，选择B面及位于B面上的全部孔在加工中心上一次装夹完成加工。

该盖板零件形状较简单，尺寸较小，四个侧面较光滑，加工面与非加工面之间的位置精度要求不高，故可选机用平口钳，以盖板底面A和两个侧面定位，用机用平口钳的钳口从侧面夹紧。

（2）加工过程

按照先粗后精、先面后孔的原则确定该工件加工顺序，且该部分的加工内容不需划分加工阶段，即该部分的加工内容可安排在一道工序中，加工顺序如下：

图4-11 端盖零件

1）粗、精铣B面。平面B采用铣削加工，表面粗糙度Ra值为6.3μm，依据经济加工精度，选用粗铣→精铣加工方案。B面的粗、精铣削加工进给路线根据铣刀直径（ϕ100mm），确定为沿X方向两次进刀，进给路线如图4-12所示。

图4-12 铣削B面进给路线

2）粗镗、半精镗、精镗ϕ60H7孔。ϕ60H7孔采用镗削加工，精度等级IT7，表面粗糙度Ra值为0.8μm，依据经济加工精度，选用粗镗→半精镗→精镗三次镗削加工方案。所有孔加工进给路线按最短路线确定，孔的位置精度要求不高，所以机床的定位精度完全能保证，镗孔进给路线如图4-13所示。

图4-13 镗孔进给路线

3）钻各光孔、螺纹孔的中心孔。ϕ12H8mm孔精度等级IT7，表面粗糙度Ra值为0.8μm，为保证垂直度，防止钻偏，按钻中心孔→钻孔→扩孔→铰孔加工方案。钻中心孔进给路线如图4-14所示。

图4-14 钻中心孔进给路线

4）钻、扩、锪、铰ϕ12H8mm光孔和ϕ16mm的台阶孔。钻、扩、铰孔ϕ12H8mm光孔进给路线如图4-15所示；ϕ16mm孔在ϕ12mm孔基础上锪至要求尺寸即可，锪ϕ16mm的台阶孔进给路线如图4-16所示。

图4-15 钻、扩、铰孔进给路线

图4-16 锪孔进给路线

5）钻M16的底孔、倒角、攻螺纹。M16螺纹孔为保证垂直度，采用钻中心孔→钻底孔→倒角→攻螺纹的加工方案，钻M16的底孔、倒角、攻螺纹进给路线如图4-17所示。

（3）工、量、刃具选择

加工该盖板所需刀具有面铣刀、镗刀、中心钻、麻花钻、铰刀、立铣刀及丝锥等，具体规格依据加工尺寸而定。B平面粗铣时，面铣刀直径应选小些，以减小切削力，但不能太小，以提高加工效率；精铣时，为避免接刀痕迹，刀具直径应大一些，但应注意刀库允许的最大装刀直径（ϕ100mm）。刀柄柄部根据主轴锥孔和拉紧机构选择BT40标准刀柄。具体选用的工、量、刃具清单见表4-2。

图4-17 钻螺纹底孔、倒角、攻螺纹进给路线

表4-2 工、量、刃具清单

（续）

（4）合理选择切削用量

查表确定切削速度和进给量，然后计算出机床主轴转速和机床进给速度，工序的划分与切削用量的选择见表4-3。

表4-3 图4-11所示零件的切削用量

2．编制参考程序

（1）认真阅读零件图，确定工件坐标系

根据工件坐标系建立原则，X、Y向加工原点选在ϕ60H7mm孔的中心，Z向加工原点选在B面（不是毛坯表面）。工件加工原点与设计基准重合，有利于编程计算的方便，且易保证零件的加工精度。Z向对刀基准面选择底面A，与工件的定位基准重合，X、Y向对刀基准面可选择ϕ60H7mm毛坯孔表面或四个侧面。

（2）计算各基点（节点）坐标值

如图4-18所示各圆的圆心坐标值见表4-4。

图4-18 零件图上各圆的位置

表4-4 各圆圆心坐标值

（3）参考程序

参考主程序见表4-5。

表4-5 图4-11所示零件的参考程序（主程序）

（续）

（续）

（续）

加工ϕ160mm中心线上孔的子程序的参考程序见表4-6。

表4-6 图4-11所示零件的参考程序（子程序）

加工ϕ100mm中心线上孔的子程序的参考程序见表4-7。

表4-7 图4-11所示零件的参考程序（子程序）

3．加工零件

1）机床上电。合上空气开关，按“NC启动”。

2）回参考点。选择“机械回零”方式，按下“循环启动”按钮，完成回参考点操作。返回零点后，X、Y、Z三轴向负向移动适当距离。

3）刀具安装。按要求将所有刀具安装到刀库，注意刀具号是否正确。

4）清洁工作台，安装夹具和工件。检查坯料的尺寸，确定工件的装夹方式（用机用虎钳夹紧）。将机用虎钳清理干净装在干净的工作台上，通过百分表找正、找平机用虎钳并夹紧，再将工件装正在机用虎钳上，工件伸出钳口8mm左右。

5）对刀设定工件坐标系。安装寻边器，确定坯料下表面的中心为工件零点，设定零点偏置。首先用寻边器对刀，确定X、Y向的零偏值，将X、Y向的零偏值输入到工件坐标系G54中；然后将加工所用刀具装上主轴，再将Z轴设定器安放在工件的上表面上，确定Z向的零偏值，输入到工件坐标系G54中。

6）设置刀具补偿值。设置刀具长度补偿值H。

7）输入加工程序。将编写好的加工程序通过机床操作面板输入到数控系统的内存中。具体操作如下：选择编辑方式→打开程序保护开关→按“PRGRM”按钮显示程序列表→输入内存中没有的程序名→通过键盘把程序输入内存或通过PCIN传输软件将事先输进计算机的程序传入内存，并检验程序是否正确。

8）调试加工程序。把工件坐标系的Z值沿+Z向平移100mm，按下“循环启动”按钮，适当降低进给速度，检查刀具运动是否正确。

9）自动加工。调出内存中的程序，选择“自动运行”方式，把工件坐标系的Z值恢复原值，将进给倍率开关打到低档，按下“循环启动”按钮运行程序，开始加工。机床加工时，适当调整主轴转速和进给速度，并注意监控加工状态，保证加工正常。

10）取下工件，用游标卡尺进行尺寸检测。

11）清理加工现场。

12）按顺序关机。

4．评分标准

评分标准见表4-8。

表4-8 评分表

【思考与练习】

1．在使用机械手换刀的加工中心上，执行程序“T02 M06”和“M06 T02”有什么不同？

2．如图4-19所示，已知毛坯尺寸为100mm×100mm×30mm，材料为45钢，所有加工面的表面粗糙度值为Ra3.2μm，试分析该工件的加工工艺、合理选择刀具并编写出加工程序。

图4-19 习题2图

3．如图4-20所示，已知毛坯尺寸为100mm×100mm×20mm，材料为45钢，所有加工面的表面粗糙度值为Ra3.2μm，试分析该工件的加工工艺、合理选择刀具并编写出加工程序。

图4-20 习题3图

参考文献

参考文献

[1]孙建栋，等.数控车工实训[M].北京：高等教育出版社，2011.

[2]孙建栋.加工中心（数控铣工）实训[M].北京：高等教育出版社，2011.

[3]周虹，等.数控加工工艺设计与程序编制[M].北京：人民邮电出版社，2012.

[4]吴新佳.数控加工工艺与编程[M].北京：人民邮电出版社，2012.

[5]王先逵.机械加工工艺手册[M].北京：机械工业出版社，2006.

[6]杨伟群.数控工艺培训教程[M].北京：清华大学出版社，2007.

[7]沈建峰，虞俊.数控车工（高级）[M].北京：机械工业出版社，2007.

[8]韩鸿鸾.数控铣工加工中心操作工（中级）[M].北京：机械工业出版社，2007.

[9]赵长明，等.数控加工工艺及设备[M].北京：高等教育出版社，2015.