作者：曹井新
出版社：电子工业出版社
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数控加工工艺与编程试读：
前言
教高［2006］14号《教育部 财政部关于实施国家示范性高等职业院校建设计划加快高等职业教育改革与发展的意见》文件指出：“各地要引导示范院校科学合理地调整和设置专业，改革课程体系和教学内容，将职业岗位所需的关键能力培养融入专业教学体系，增强毕业生就业竞争能力；积极改革以课堂和教师为中心的传统教学组织形式，将理论知识学习、实践能力培养和综合素质提高三者紧密结合起来，提高学生就业能力”；教高［2006］16号《关于全面提高高等职业教育教学质量的若干意见》文件指出：“高等职业院校要积极与行业企业合作开发课程，根据技术领域和职业岗位（群）的任职要求，参照相关的职业资格标准，改革课程体系和教学内容”，以上述文件精神为指导，参考人力资源和社会保障部培训就业司颁发的《数控加工专业教学计划与教学大纲》，并结合《数控程序员国家职业标准》、《数控车工国家职业标准》、《数控铣工国家职业标准》和《加工中心操作工职业标准》，在广泛调研的基础上，组织企业生产一线人员和学校专任教师等共同编写了本书。
本书改变了传统的数控编程教材以指令为主线的章节分配形式，根据行动导向、任务驱动的先进教学理念，以数控加工中的典型加工面为载体，重点突出与操作技能相关的必备专业知识，理论知识以“必需、够用”为原则。在教材内容方面，安排了数控车削编程模块、数控铣削编程模块和数控电火花线切割编程三个模块，三个模块中包含圆柱（锥）面、成形面、螺纹（面）、孔（面）、轮廓（面）、腔槽（面）和模具轮廓面数控加工程序的编制等七个情境，每个情境中设置了若干任务，每个任务的内容相对独立，情境中各任务的难度总体上呈递进关系，情境后配有拓展训练任务，供学生课后训练使用。每个任务按任务书→学习导读→任务解析→任务实施（零件加工工艺分析与编程）→任务学习手记等内容展开。每个任务体现了数控程序员岗位的职业工作过程。任务学习手记用于记录每个任务的学习过程、课后巩固练习和学习结果反馈与评价，可为期末成绩提供参考。
本书适合于形动导向的教学和学生自学，建议采用引导文教学法、角色扮演法（宏观）和“资讯→计划、决策→实施→检查、评估”四步教学法（微观）。无论各情境中零件加工面的复杂程度如何，都要求完成确定的工作任务，并经过资讯、决策和计划、实施、检查及评价这一普适性过程，使学生在完整、综合性的行动中进行思考和学习，培养学生的专业能力、方法能力和社会能力。
为达到高素质技能型人才的培养目标，突出理论实训一体化教学的原则，本书重点突出与操作技能相关的必备专业知识，每个任务以FANUC系统为例提供了参考程序，适合于数控仿真加工实训和机床实操训练，具有较强的针对性和适应性，故本书也适于作为数控加工实训教材。
本书由黑龙江建筑职业技术学院曹井新高级工程师任主编，国家林业局哈尔滨林业机械研究所张丽平、黑龙江建筑职业技术学院陈宝军高级工程师、温红真任副主编，黑龙江建筑职业技术学院金桂霞副教授参与了本书的编写。黑龙江建筑职业技术学院数控06级张永春、杨双伟，机械08级王志强、徐洪波等参与了本书部分文字的编辑工作和多媒体课件的制作工作。
尽管我们在教材建设方面做了许多努力，但由于编者的水平有限，教材中难免存在疏漏和不妥之处，恳请各教学单位和读者多提宝贵意见和建议，以便下次修订时改进。数控车削编程模块情境一 圆柱（锥）面数控加工程序的编制
情境描述：
圆柱（锥）面（包括内圆柱（锥）面）是轴（套）类零件常见的加工表面。轴类零件是指长度大于直径的旋转体零件；套类零件是指带有内孔的薄壁回转体零件，主要用作旋转体零件的支承和连接配合。
本情境主要学习以下几方面的内容：（1）轴套类零件加工基本编程指令（G00、G01、G02/G03、G93、G04、G71、G73、G70）的使用；（2）轴套类零件加工工艺的选择，刀具及切削用量的选择与确定；（3）加工轴套类零件的圆柱、圆锥、倒角、沟槽等表面的编程方法。任务一 外圆柱面Ⅰ数控加工程序的编制
一、项目任务书
外圆柱面数控加工程序的编制项目任务书，见表1-1。表1-1 项目任务书
二、学习导读
1.数控编程的内容
数控编程的内容主要包括分析图样并确定加工工艺过程、数值计算、编写零件加工程序、程序输入、程序校验和试切削。（1）分析图样并确定加工工艺过程：分析图样，根据零件的材料、形状、尺寸、精度、毛坯形状和热处理要求等确定加工方案，选择合适的数控机床。然后确定加工工艺过程，主要考虑：确定加工方案，刀具、工夹具的设计和选择，选择对刀点，确定加工路线，确定切削用量等。（2）数值计算：按已确定的加工路线和允许的零件加工误差，计算出所需的输入数控装置的数据。其主要内容是在规定的坐标系内计算零件轮廓和刀具运动的轨迹的坐标值。（3）编写零件加工程序：根据所使用数控系统的指令、程序段格式，逐段编写零件加工程序。（4）程序输入：将编制好的程序单上的内容输入至数控装置中。（5）程序校验和试切削：通常采用空走刀校验、空运转画图校验等。
2.加工程序段的构成
数控加工程序的编制方法主要有两种：手工编程和自动编程。
手工编程指主要由人工来完成数控编程中各个阶段的工作。一般对几何形状不太复杂的零件，所需的加工程序不长，计算比较简单，用手工编程比较合适。
手工编程的特点是耗费时间较长，容易出现错误，无法胜任复杂形状零件的编程。据国外资料统计，当采用手工编程时，一段程序的编写时间与其在机床上运行加工的实际时间之比，平均约为30：1，而数控机床不能开动的原因中有20%～30%是由于加工程序编制困难、编程时间较长造成的。
在数控装置中，程序的记录是由程序号来辨别的，调用某个程序可通过程序号来调出，编辑程序也要首先调出程序号。程序号由4位数（1～9999）表示。程序编号方式为O××××，可以在程序编号的后面注上程序的名字并用括号括起。程序名可用16位字符表示，要求有利于理解。程序编号要单独使用一个程序段。
程序段主要是由程序段序号和各种功能指令构成的：
其中 N——程序段序号；
G——准备功能；
X（U），Z（W）——工件坐标系中X、Z轴移动至终点的位置，X、Z为绝对坐标，
U、W为相对坐标，X、Z与U、W在一个程序段内可以混用；
F——进给功能指令；
M——辅助功能指令；
S——主轴功能指令；
T——刀具功能指令。
3.加工程序的构成
一个完整的加工程序由若干程序段构成，程序的开头是程序名，结束时写有程序结束指令。例如：
其中第一个程序段“O0001”是整个程序的程序号，也叫程序名，由地址码O和四位数字组成。每一个独立的程序都应有程序号，它可作为识别、调用该程序的标志。不同的数控系统，程序号地址码可不相同，如FANUC系统用O，AB8400系统用P，而西门子系统用%。编程时应根据说明书的规定使用，否则系统将不接受。每个程序段以程序段号“N××××”开头，用“；”表示程序段结束（有的系统用LF、CR等符号表示），每个程序段中有若干个指令字，每个指令字表示一种功能，所以也称功能字。功能字的开头是英文字母，其后是数字，如G90、G01、X100.0等。一个程序段表示一个完整的加工工步或加工动作。
一个程序的最大长度取决于数控系统中零件程序存储区的容量。现代数控系统的存储区容量已足够大，一般情况下已足够使用。一个程序段的字符数也有一定的限制，如某些数控系统规定一个程序段的字符数≤90个，一旦大于限定的字符数，就把它分成两个或多个程序段。
4.指令应用举例（1）快速点定位（G00）指令应用举例
快速点定位指令格式：
其中，（X，Z）、（U，W）为定位点坐标。【例1-1】如图1-1所示刀具快速点定位（快速进刀）运动（动作）编程如下：
G00指令要求刀具以点位控制方式从刀具所在位置以最快的速度移动到指定位置。它只实现快速移动，并保证在指定的位置停止，在移动时对运动轨迹与运动速度并没有严格的精度要求。如果两坐标轴的脉冲当量和最大速度相等，则运动轨迹是一条45°斜线；如果是一条非45°斜线，则刀具的运动轨迹可能是一条折线。
使用G00时，应注意以下几点。
① G00是模态指令。例如，由A点到B点实现快速点定位时，因前面程序段已设定了G00，所以后面程序段就可不再重复设定定义G00，只写出坐标值即可。
② 快速点定位移动速度不能用程序指令设定。其速度已由生产厂家预先调定或由引导程序确定。若在快速点定位程序段前设定了进给速度F，则该指令对G00程序段无效。
③ 快速点定位指令G00的执行过程是，刀具由程序起始点开始加速移动至最大速度，然后保持快速移动，最后减速到达终点，实现快速点定位，这样可以提高数控机床的定位精度。图1-1 刀具快速点定位（2）直线插补（G01）指令应用举例
直线插补也称直线切削，其特点是刀具以直线插补运算联动方式由某坐标点移动到另一坐标点，移动速度是由进给功能指令F设定的。当机床执行G01指令时，在该程序段中必须含有F指令。G01和F都是模态指令。
直线插补指令格式：
其中（X，Z）、（U，W）——直线终点坐标；
F——进给指令，单位为mm/r（毫米/转）。
该指令用于直线或斜线运动，可沿X轴、Z轴方向执行单轴运动，也可沿XZ平面内任意斜率的直线运动。【例1-2】如图1-2所示外圆柱切削的编程如下：图1-2 外圆柱切削
5.阶梯轴的形式与车削
阶梯轴可分为低台阶轴和高台阶轴两种形式。与其相对应，阶梯轴的车削方法有低台阶车削法和高台阶车削法两种。当相邻两圆柱体直径差较小时，该阶梯轴为低台阶轴，可由车刀一次切出，如图1-3（a）所示，其加工路线为A→B→C→D→E，这就是低台阶车削法；当相邻两圆柱体直径差较大时，该阶梯轴为高台阶轴，需要采用分层切削，如图1-3（b）所示，粗加工路线为A→B，A→B、A11223→B，精加工路线为A→B→C→D→E，这就是高台阶车削法。3图1-3 阶梯轴车削方法
切削用量的具体数值可参阅机床说明书、切削用量手册，并结合实际经验而定，表1-2是参考了切削用量手册而推荐的切削用量参考表。表1-2 切削用量参考表
各种加工方法所能达到的表面粗糙度数值见表1-3，供制定加工工艺时参考选用。表1-3 各种加工方法所能达到的表面粗糙度数值续表注：① 实线为平常使用，虚线为不常使用；② 表中最后一栏为平常使用的值与表面光洁度等级的大致对应关系。
三、任务解析
该零件由不同的外圆柱面组成，有一定的尺寸精度和表面粗糙度要求。零件材料为45钢，切削加工性能较好，无热处理和硬度要求。
加工工艺路线：装夹→对刀→设置编程原点为零件右端面中心→粗车f46、f43、f40外圆→留1mm精车余量→精车f40、f43、f46各段外圆及端面至要求尺寸。
编程过程中对具有公差的尺寸计算如下：
同理，f 43外圆编程尺寸=42.969mm
f 40外圆编程尺寸=39.969mm
同理，40、72长度编程尺寸均为原值。
四、任务实施（零件加工工艺分析与编程）
1.工装
采用三爪自定心卡盘夹紧零件毛坯的外圆周面。
2.刀具选择
选用硬质合金90°偏刀，置于T01号刀位，数控加工刀具卡片见表1-4。表1-4 数控加工刀具卡片
3.制作加工工艺卡
阶梯轴Ⅰ加工工步及切削用量列于加工工艺卡中，见表1-5。表1-5 阶梯轴Ⅰ加工工艺卡
4.程序编制
阶梯轴Ⅰ数控加工程序清单见表1-6。表1-6 阶梯轴Ⅰ数控加工程序清单
五、任务学习手记（见表1-7）表1-7 任务学习手记任务二 外圆锥面Ⅰ数控加工程序的编制
一、项目任务书
外圆锥面Ⅰ数控加工程序的编制项目任务书，见表2-1。表2-1 项目任务书
二、学习导读
1.刀尖圆弧半径补偿
编制数控车床加工程序时，通常将车刀刀尖看做一个点。然而在实际应用中，为了提高刀具寿命和降低加工表面的粗糙度，一般将车刀刀尖磨成半径约为0.4～1.6mm的圆弧。如图2-1所示，编程时以理论刀尖点P（又称刀位点或假想刀尖点：沿刀片圆角切削刃作X、Z两方向切线相交于P点）来编程，数控系统控制P点的运动轨迹，而切削时，实际起作用的切削刃是圆弧的各切点，这势必会产生加工表面的形状误差。而刀尖圆弧半径补偿功能就是用来补偿此误差的。
切削工件的右端面时，车刀圆弧的切点A与理论刀尖点P的Z坐标值相同；车外圆时车刀圆弧的切点B与点P的X坐标值相同。切削出的工件没有形状误差和尺寸误差，因此可以不考虑刀尖圆弧半径补偿。如果车削外圆柱面后继续车削圆锥面，则必存在加工误差BCD（误差值为刀尖圆弧半径），这一加工误差必须靠刀尖圆弧半径补偿的方法来修正。图2-1 刀尖圆弧半径对加工精度的影响
车削圆锥面和圆弧面部分时，仍然以理论刀尖点P来编程，刀具运动过程中与工件接触的各切点轨迹为图2-1中所示无刀尖圆弧半径补偿时的轨迹。该轨迹与工件加工要求的轨迹之间存在着图2-1中斜线部分的误差，直接影响到工件的加工精度，而且刀尖圆弧半径越大，加工误差越大。可见，对刀尖圆弧半径进行补偿是十分必要的。当采用刀尖圆弧半径补偿时，车削出的工件轮廓就是图2-1中所示工件加工要求的轨迹。
2.实现刀尖圆弧半径补偿功能的准备工作
在加工工件之前，要把刀尖圆弧半径补偿的有关数据输入到存储器中，以便使数控系统对刀尖的圆弧半径所引起的误差进行自动补偿。（1）刀尖半径。工件的形状与刀尖半径的大小有直接关系，必须将刀尖圆弧半径R输入到存储器中，如图2-2所示。
图2-2 CRT显示屏幕显示刀具补偿参数（2）车刀的形状和位置参数。车刀的形状很多，它能决定刀尖圆弧所处的位置，因此也要把代表车刀形状和位置的参数输入到存储器中。将车刀的形状和位置参数称为刀尖方位T。车刀的形状和位置如图2-3所示，分别用参数0～9表示，P点为理论刀尖点。图2-3左下角的刀尖方位T应为3。图2-3 车刀的形状和位置（3）参数的输入。与每个刀具补偿号相对应有一组X和Z的刀具位置补偿值、刀尖圆弧半径R及刀尖方位T值。输入刀尖圆弧半径补偿值，就是要将参数R和T输入到存储器中。例如，某程序中编入下面的程序段：
若此时输入刀具补偿号为01的参数，则CRT屏幕上显示图2-2的内容。在自动加工工件的过程中，数控系统将按照01刀具补偿栏内的X、Z、R、T的数值，自动修正刀具的位置误差和自动进行刀尖圆弧半径的补偿。
3.刀尖圆弧半径补偿的方向
在进行刀尖圆弧半径补偿时，刀具和工件的相对位置不同，刀尖圆弧半径补偿的指令也不同。如图2-4所示，为刀尖圆弧半径补偿的两种不同方向。图2-4 刀尖圆弧半径补偿方向
如果刀尖沿ABCDE运动（如图2-4（a）所示），则顺着刀尖运动方向看，刀具在工件的右侧，即为刀尖圆弧半径右补偿，用G42指令。如果刀尖沿FGHI运动（如图2-4（b）所示），则顺着刀尖运动方向看，刀具在工件的左侧，即为刀尖圆弧半径左补偿，用G41指令。如果取消刀尖圆弧半径补偿，可用G40指令编程，则车刀按理论刀尖点轨迹运动。
4.指令应用举例
刀尖圆弧半径补偿的建立指令为G41/G42，取消指令为G40。
格式：
G40：取消刀补，通常写在程序开始的第一个程序段及取消刀具半径补偿的程序段。
G41：刀具左补偿，在编程路径前进方向上，刀具沿左侧进给，使用该指令。
G42：刀具右补偿，在编程路径前进方向上，刀具沿右侧进给，使用该指令。
刀具功能又称为T功能，它是进行刀具选择和刀具补偿的功能。
格式：
前两位数字为刀具号；后两位数字为刀具补偿号。其中00表示取消某号刀的刀具补偿。例如，T0101表示01号刀调用01补偿号设定的补偿值，其补偿值存储在刀具补偿存储器内。又如，T0700表示调用07号刀，并取消07号刀的补偿值。
说明
① 刀尖圆弧半径补偿的建立或取消必须在位移移动指令（G00、G01）中进行。G41、G42、G40均为模态指令。
② 刀尖圆弧半径补偿和刀具位置补偿一样，其实现过程分为三大步骤，即刀具补偿的建立、刀具补偿的执行和刀具补偿的取消。
在设置刀尖圆弧自动补偿值时，还要设置刀尖圆弧位置编码，指定编码值的方法参考图2-3。【例2-1】应用刀尖圆弧自动补偿功能加工图2-5所示零件。
试读结束[说明：试读内容隐藏了图片]