模块四 中等轴类复杂零件加工

模块四 中等复杂轴类零件加工
一、基础知识 1. 外圆粗切削循环（G71） 在使用G90、G94时，已使程序得到简化，但还有 一类复合形固定循环，能使程序进一步得到简化。利 用复合形固定循环，只要编出最终加工路线，给出每 次切除的余量深度或循环次数，机床即可自动地重复 切削直到工件加工完为止。 当给出图4.2所示加工形状的路线A→A′→B及背吃 刀量，就会进行平行于Z轴的多次切削，最后再按留 有精加工切削余量△w和△u/2之后的精加工形状进行 加工。 编程格式 G71 U（△d） R（e）； G71 P（ns）Q（nf）U（△u）W（△w） F（f） S （s）T（t）；
图4.4 假想刀尖与刀尖圆角
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在上述情况下，用带刀尖圆角的车刀车削端面、外 径、内径等与轴线平行的表面时，不会产生误差，但 在进行倒角、锥面及圆弧切削时，则会产生少切或过 切现象（如图4.5所示）
图4.5 刀尖圆角造成的少切与过切
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（2）消除车刀刀尖圆角所引起加工误差的方法 消除车刀刀尖圆角所引起加工误差的前提条件是： 要确定刀尖圆角半径。由于在数控车削中一般都使用 可转位刀片，每种刀片的刀尖圆角半径是一定的，所 以选定了刀片的型号，对应刀片的刀尖圆角半径即可 确定。 当机床具备刀具半径补偿功能G41、G42时，可运 用刀具半径补偿功能消除加工误差。 ①所用指令 为了进行车刀刀尖圆角半径补偿，需要使用以下 指令： G40：取消刀具半径补偿。即按程序路径进给。 G41：左偏刀具半径补偿。按程序路径前进方向，刀 具偏在零件左侧进给。 G42：右偏刀具半径补偿。按程序路径前进 方向，刀具偏在零件右侧进给。
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O0001； N10 M03 S600 T0101； 93°外圆车刀 N20 G00 G42 X40. Z2.； 建立车刀的刀具半径右补偿 N40 G71 U2.0 R1.0； N50 G71 P60 Q130 U0.5 W0.5 F80； N60 G00 X0 Z2 S900； N70 G01 X0 Z0； N80 G03 X16.0 Z-8.0 R8.0 F30； N90 G01 Z-15； N100 X22. Z-23.； N110 Z-30.； N120 G02 X32. Z-35. R5.； N130 G01 Z-43； N140 G70 P60 Q130；
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(1)车刀刀尖圆角引起加工误差的原因 在实际加工过程中所用车刀的刀尖都呈一个半径 不大的圆弧形状（如图4.4所示），而在数控车削编 程过程中，为了编程方便，常把刀尖看作为一个尖点， 即所谓假想刀尖（图4.4中的点）。在对刀时一般以 车刀的假想刀尖作为刀位点，所以在车削零件时，如 果不采取补偿措施，将是车刀的假想刀尖沿程序编制 的轨迹运动，而实际切削的是刀尖圆角的切削点。由 于假想刀尖的运动轨迹和刀尖圆角切削点的运动轨迹 不一致，使得加工时可能会产生误差。
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2.精加工循环（G70） 由G71完成粗加工后，可以用G70进行精加工。 编程格式：G70 P（ns）Q（nf）； 其中ns和nf与前 述含义相同。 在这里G71程序段中的F、S、T的指令都无效，只有 在ns～nf程序段中的F、S、T才有效，以图4.3的程序 为例，在N130程序段之后再加上：N140 G70 P70 Q130就可以完成从粗加工到精加工的全过程。 3.车刀的刀具半径补偿 车削数控编程和对刀操作是以理想尖锐的车刀刀尖 为基准进行的。为了提高刀具寿命和降低加工表面的 粗糙度，实际加工中的车刀刀尖不是理想尖锐的，而 总是有一个半径不大的圆弧，因此可能会产生加工误 差。在进行数控车削的编程和加工过程中，必须对由 于车刀刀尖圆角产生的误差进行补偿，才能加工出高 精度的零件。
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a)零件图 b)实体图 c) 01号刀 图4.8 刀尖圆角半径补偿编程实例 数控加工程序如下： …… N10 G00 X300 Z330 T0101； 调用01号刀和1号 刀补，刀具快速定位 N12 G42 G00 X60.0 Z290.0； 刀补引入程序段 N14 G01 X120.0 W-150.0 F0.3； 圆锥外圆面车削 N16 X200.0 W-30.0； 锥形台阶车削 N18 Z50.0； Φ200㎜外圆车削 N20 G40 G00 X300.0 Z330； 取消刀补 ……
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N150 G00 G40 X100.0 Z100.0 T0100； N160 T0202； 换切断刀，设刀宽为3mm N170 G00 X35.0 Z-46.0； N180 G01 X1.0 F20； 切断 N190 G00 X50.0； N200 G00 Z100.0 T0200 M05； N210 M30； 3. 装夹刀具 安装车刀应注意以下问题： （1）刀尖应与工件中心等高或稍高。如果装得低于中心， 由于切削抗力的作用，容易将刀柄压低而产生“扎刀”现 象。 刀柄伸出刀架不宜过长，一般比被加工孔长5—6mm.
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其中 △d——背吃刀量； e——退刀量； ns——精加工形状程序段中的开始程序段号； nf——精加工形状程序段中的结束程序段号； △u——X轴方向精加工余量； △w——Z轴方向的精加工余量； f、s、t——F、S、T代码。
图4.2 外圆粗切削循环
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4. 装夹工件 用自定心三爪卡盘装夹工件，注意工件要和车床 主轴同心。 5.输入程序 6.对刀 在刀具表1号补偿处输入外圆刀刀片的刀尖圆角半 径值，将刀具方位设为3，参考表4-1。使用前面介 绍的试切法对刀，外圆刀作为设定工件坐标系的标 准刀，切断刀通过与外圆刀比较，在机床刀具表中 设定长度补偿。在用外圆刀对刀时要考虑刀尖圆角 半径值，以外圆车刀刀尖的圆心为刀位点。 7.启动自动运行，加工零件 为防止出错，最好使用单段方式加工。 8.测量零件，修正零件尺寸
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二、课题实施 1.工艺分析与工艺设计 （1）图样分析 图4.1所示零件由圆弧表面、圆柱面和圆锥面组成，零 件的尺寸精度和表面粗糙度要求较高。从右至左，零 件的外径尺寸逐渐放大。 （2）加工工艺路线设计 ①粗车各表面； ②精车各表面； ③切断。 （3）刀具选择 选用93°外圆车刀(机夹刀)和切断刀 2.程序编制 因零件精度要求较高，加工本零件时采用车刀的刀 具半径补偿，使用G71进行粗加工，使用G70进行精加 工。使用FANUC 0i系统编程，程序如下：
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课题一 中等复杂轴类零件加工之一
本课题要求运用数控车床加工如图4.1所示轴类零件， 毛坯为Φ35棒料，材料为45钢。
a)零件图 b)实体图 图4.1 中等复杂轴类零件一 本课题的学习目标是：掌握G71、G70和G72指 令的用法，了解车刀刀具半径补偿的用法，能应用这 些指令编程并加工中等复杂轴类零件。
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②假想刀尖方位的确定 车刀假想刀尖相对刀尖圆角中心的方位和刀具 移动方向有关，它直接影响刀尖圆角半径补偿的计 算结果。图4.6是车刀假想刀尖方位及代码。从图 中可以看出假想刀尖A的方位有八种，分别用1~8 八个数字代码表示，同时规定，假想刀尖取圆角中 心位置时，代码为0或9，可以理解为没有半径补偿。
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⑤在G4l方式中，不要再指定G42方式，否则补偿会 出错；同样，在G42方式中，不要再指定G41方式。 当补偿取负值时，G41和G42互相转化。 ⑥在使用G41和G42之后的程序段中，不能出现连 续两个或两个以上的不移动指令，否则G41和G42 会失效。 （4）应用刀具补偿编程的实例 精车如图4.8所示零件的一段圆锥外表面，使用01号 车刀，按刀架中心编程，01号车刀的假想刀尖距刀 架中心的偏移量及安装方位如图4.8所示，刀尖圆角 半径为0.2。
图4.9 端面粗加工循环
模块四 中等复杂轴类零件加工 2.应用G72指令加工如图4.10所示零件。
a)零件图 b)实体图 图4.10 G72指令的应用 加工程序为： N10 G50 X200 Z190 T0101； N20 G90 G97 S220 M03； N30 G00 X176 Z132 M08； M40 G96 S120；
在此应注意以下几点： （1）在使用G71进行粗加工循环时，只有含在G71 程序段的F、S、T功能才有效。而包含在ns→nf程序 段中的F、S、T功能，即使被指定对粗车循环也无 效。 （2）A→B之间必须符合X轴、Z轴方向的共同单调 增大或减少的模式。 （3）可以进行刀具补偿。 例如， 在图4.3中，试按图示尺寸编写粗车循环加 工程序。
图4.6 车刀假想刀尖方位及代码
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（3）车刀刀具补偿值的确定和输入 车刀刀具补偿包括刀具位置补偿和刀尖圆角半径 补偿两部分，刀具代码T中的补偿号对应的存储单元 中（即刀具补偿表中）存放一组数据：X轴、Z 轴的 位置补偿值、刀尖圆角半径值和假想刀尖方位 （0~9）。操作时，按以下步骤进行： ① 确定车刀X轴和Z轴的位置补偿值。如果数控车床 配置了标准刀架和和对刀仪，在编程时可按照刀架 中心编程，即将刀架中心设置在起始点，从该点到 假想刀尖的距离设置为位置补偿值，如图4.7所示， 该位置补偿值可用对刀进行测量。如果数控车床配 置的是生产厂商所特供的特殊刀架，则刀具位 置补 偿值与刀杆在刀架上的安装位置有关，无法使用对 刀仪,因此，必须采用分别试切工件外圆和端面的方 法来确定刀具位置补偿值。
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三、拓展训练：G72指令的应用 1.端面粗加工循环（G72） G72与G71均为粗加工循环指令，而G72是沿着平 行于X轴进行切削循环加工的（如图4.9所示），编 程格式为： G72 U（△d） R（e）； G72 P（ns）Q（nf） U（△u）W（△w） F（f） S（s）T（t）； 其中参数含义与G71相同。
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a)零件图 b)实体图 图4.3 G71指令的应用
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O1000； Hale Waihona Puke Baidu10 G50 X200 Z140 T0101； N20 G90 G97 S240 M03； N30 G00 X120 Z10 M08； N40 G96 S120； N50 G71 U2 R0.1； N60 G71 P70 Q130 U1.0 W0.5 F0.3； N70 G00 X40； （ns） N80 G01 Z-30 F0.15 S150； N90 X60 Z-60； N100 Z-80； N110 X100 Z-90； N120 Z-110； N130 X120 Z-130； （nf） N140 G00 X125； N150 X200 Z140 T0100 M09； N160 M02；
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图4.7 车刀位置补偿 ② 确定刀尖圆角半径。根据所选用刀片的型号查出其 刀尖圆角半径。 ③ 根据车刀的安装方位，对照图4.6所示的规定，确 定假想刀尖方位代码。 ④ 将每把刀的上述四个数据分别输入车床刀具补偿表 （注意和刀具补偿号对应，参见后面的实例）。 通过上述操作后，数控车床加工中即可实现刀具 自动补偿。
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注意事项： ①G4l、G42和G40指令不能与圆弧切削指令写在同 一个程序段内，但可与G01、G00指令写在同一程 序段内，即它是通过直线运动来建立或取消刀具补 偿的。 ②在调用新刀具前或要更改刀具补偿方向时，中间 必须取消前一个刀具补偿，避免产生加工误差。 ③在G41或G42程序段后面加G40程序段，便可以 取消刀尖半径补偿，其格式为： G41(或G42)……； …… G40……； 程序的最后必须以取消偏置状态结束，否则刀具不 能在终点定位，而是停在与终点位置偏移一个矢量 的位置上。 ④ G41、G42和G40是模态代码。