数控加工编程与操作第2版模块1课件项目二 阶台轴的工艺分析与编程.ppt

项目二 阶台轴的工艺分析与编程,2.1 项目导入,图2-1 阶台轴,图2-1所示为阶台轴，已知材料为45#热轧圆钢，毛坯为 38×125 mm棒料。要求制定零件的加工工艺，编写零件的数控加工程序，并通过数控仿真加工调试、优化程序，最后进行零件的加工检验。,2.2 相关知识,2.2.1 阶台轴车削工艺 2.2.2 数控车床的编程特点 2.2.3 数控系统功能 2.2.4 轴类零件加工编程基本指令 2.2.5 轴类零件加工编程单一循环指令 2.2.6 轴类零件编程实例,2.2.1 阶台轴车削工艺,1．轴类零件的结构工艺特点,,图2-2 轴的种类,2．轴类零件加工的主要问题,轴类零件的加工工艺因其用途、结构形状、技术要求、产量大小的不同而存在差异，而轴的工艺规程的编制是生产中经常遇到的工作。 轴类零件加工的主要问题是如何保证各加工表面的尺寸精度、表面粗糙度和主要表面之间的相互位置精度。 轴类零件加工的典型工艺路线如下： 毛坯及其热处理→预加工→车削外圆→铣键槽等→热处理→磨削。,3．主要技术要求,（1）尺寸精度 。 （2）几何形状精度 。 ① 位置精度。 ② 表面粗糙度。,4．定位基准的选择,对实心的轴类零件，精基准面就是顶尖孔，满足基准重合和基准统一，而对于空心主轴，除顶尖孔外还有轴颈外圆表面并且两者交替使用，互为基准。,5．加工阶段的划分,轴类零件加工过程中的各加工工序和热处理工序均会不同程度地产生加工误差和应力，因此要划分加工阶段。轴类零件的加工基本上划分为下列3个阶段。,（1）粗加工阶段 毛坯处理：毛坯备料、锻造和正火； 粗加工：锯去多余部分，车端面、钻中心孔和荒车外圆等。,（2）半精加工阶段 半精加工前热处理：对于45#钢一般采用调质处理以达到220～240HBS； 半精加工：车工艺锥面（定位锥孔），半精车外圆端面和钻深孔等。,（3）精加工阶段 精加工前热处理：局部高频淬火； 精加工前各种加工：粗磨定位锥面、粗磨外圆、铣键槽和花键槽，以及车螺纹等； 精加工：精磨外圆和内外锥面以保证轴最重要表面的精度。,6．加工顺序的安排和工序的确定,轴类零件各表面先后加工顺序，在很大程度上与定位基准的转换有关。当零件加工用的粗、精基准选定后，加工顺序就大致可以确定了。因为各阶段开始总是先加工定位基准面，即先行工序必须为后面的工序准备好所用的定位基准。,7．轴类零件的装夹与定位方法,轴类零件常用的装夹方法如下。 （1）在三爪卡盘自定心卡盘上装夹。 （2）在两顶尖之间装夹。 （3）用一夹一顶方式装夹。 （4）用三爪自动夹紧拨盘装夹工件。,8．轴类零件加工的刀具选择,轴类零件数控车削的表面主要有外圆、端面以及沟槽和切断。轴类零件数控车削常用的刀具有外圆车刀和外圆切刀，如图2-4所示。,,（a）车削外圆 （b）车削端面 （c）切槽和切断 图2-4 轴类零件车削,（1）外圆车刀的选择 轴类零件数控车削一般要分粗、精加工阶段来完成，而各加工阶段对刀具的要求是不同的。轴类零件数控加工常用外圆机夹可转位车刀。,（2）车刀的装夹注意事项 ① 数控车刀的装夹首要原则是在不干涉前提下，尽可能短的刀杆悬伸，一般以不超过刀柄厚度的1.5倍为宜。 ② 数控车床和数控车刀制造时对中心高的要求很高，一般车刀装夹时不需要垫刀片，应该能保证中心高。装夹时注意保证刀杆底面及侧面与刀座的定位面要贴合。 ③ 压紧（锁紧）及螺钉拧紧时不要用增力工具（如管子、活扳手）等，螺钉上应使用高温涂料。,（3）切断刀的选择 切断刀的几何形状和角度如图2-5所示。,,图2-5 切断刀的几何形状和角度,（4）切刀的装夹 切刀装夹时应注意如下两点。 ① 切刀伸出刀架不宜过长，刀头中心线必须装得与工件轴线垂直，以保证两副偏角相等、主切削刃与工件轴线平行。 ② 切断实心工件时，切刀刀尖必须装得与工件轴线等高。,9．轴类零件切削用量的选择,数控车削加工中的切削用量包括背吃刀量ap、主轴转速s或切削速度v、进给速度或进给量f。这些参数均应在数控车床给定的允许范围内选取。切削用量的具体数值应根据所选择的机床性能、相关手册并结合实际经验确定。,10．阶台轴的车削走刀路线,阶台轴的车削方法分低台阶车削和高台阶车削两种方法，如图2-6所示。,,图2-6 阶台轴车削方法,11．轴类工件的测量,阶台轴检验时的常用测量工具有游标卡尺（见图2-7）和外径千分尺（见图2-8）。,,图2-7 游标卡尺 1—下量爪 2—内量爪 3—尺身 4—螺钉 5—游标 6—深度尺,,图2-8 外径千分尺 1—尺架 2—固定量杆 3—测微螺杆 4—锁紧装置 5—测力装置 6—微分筒,2.2.2 数控车床的编程特点,1．直径编程方式,,在车削加工的数控程序中，X轴的坐标值一般采用直径编程。因为被加工零件的径向尺寸在测量和图样上标注时，一般用直径值表示，采用直径尺寸编程与零件图样中的尺寸标注一致，这样可避免尺寸换算过程中可能造成的错误，给编程带来很大方便。,2．绝对坐标与增量坐标,FANUC数控系统的数控车床，是用地址符来指令坐标字的输入形式的，在一个程序段中，可以采用绝对值编程或增量值编程，也可以采用混合编程。地址符X、Z表示绝对坐标编程，地址U、W表示增量坐标编程。,3．具有固定循环加工功能,由于车削加工常用棒料或锻料作为毛坯，加工余量较大，加工时需要多次走刀，为简化编程，数控装置常具备不同形式的固定循环功能，可自动进行多次重复循环切削。,4．进刀和退刀方式,切削起点的确定与工件毛坯余量大小有关，以刀具快速走到该点时刀尖不与工件发生碰撞为原则。如图2-9所示。,,图2-9 切削起始点的确定,2.2.3 数控系统的功能,1．准备功能G指令,,准备功能也叫G功能或G代码。它是使机床或数控系统建立起某种加工方式的指令。G代码由地址G和后面的两位数字组成，从G00～G99共100种。G指令主要用于规定刀具和工件的相对运动轨迹（即插补功能）、机床坐标系、坐标平面、刀具补偿等多种加工操作。不同的数控系统，G指令的功能不同，编程时需要参考机床制造厂的编程说明书。,2．辅助功能（M功能）,辅助功能也叫M功能或M代码。辅助功能是用地址M及两位数字表示的。它主要用来表示机床操作时各种辅助动作及其状态。,3．主轴功能（S功能）,（1）恒线速取消（G97）。 编程格式：G97 S＿ G97是取消恒线速度控制的指令。 （2）恒线速度控制（G96）。 编程格式：G96 S＿ S后面的数字表示的是恒定的线速度：单位为m/min。 G96是恒线速度控制的指令。 （3）主轴最高速度限定（G50）。 编程格式：G50 S＿ G50除有坐标系设定功能外，还有主轴最高转速设定功能，即用S指定的数值设定主轴每分钟的最高转速。,4．F功能（进给功能）,（1）每转进给量（G99）。 编程格式G99 F＿ F后面的数值表示主轴每转刀具的进给量，单位为mm/r。如：G99 F0.2，表示进给量为0.2 mm/r。 （2）每分钟进给量（G98）。 编程格式G98 F＿ F后面的数值表示刀具每分钟的进给量，单位为mm/min。如：G98 F200表示进给量为200 mm/min。,,5．刀具功能T,编程格式：T＿ T功能指令用于指定加工所用刀具和刀具参数。T后面通常有两位数表示所选择的刀具号码。,,2.2.4 轴类零件加工编程基本指令,1．工件坐标系设定指令G50,,编程格式：G50 X＿ Z＿ ； 该指令是规定刀具起刀点（或换刀点）至工件原点的距离。坐标值X、Z为起刀点刀尖（刀位点）相对于加工原点的位置。在数控车床编程时，所有X坐标值均使用直径值，例如图2-11所示，设置工件坐标系的程序段如下： G50 X128.7 Z375.1; 执行该程序段后，系统内部即对（X128.7 Z375.1）进行记忆，并显示在显示器上，这就相当于在系统内部建立了一个以工件原点为坐标原点的工件坐标系。,,图2-11 坐标系设定指令G50,2．公制/英制变换（G21、G20）,G20指令坐标尺寸以英制输入。 G21指令坐标尺寸以公制输入。,3．快速点位运动指令G00,功能：控制刀具以点位控制方式，从刀具当前点快速移动到目标点，其移动速度由机床参数来设定。 编程格式：G00 X（U）＿Z（W）＿； 式中：X、Z为刀具移动的目标点坐标。X、Z为绝对坐标，U、W为相对坐标。,4．直线插补指令G01,编程格式： G01 X（U）＿ Z（W）＿ F＿； 功能：使刀具以指定进给速度F，从当前点出发以直线插补方式移动到目标点。应用于端面、内外圆柱和圆锥面的加工。 应用举例如下。 例：（见图2-13，选右端面回转中心O为编程原点）,,,图2-13 直线插补指令G01,绝对值编程： … N10 G00 X50.0 Z5.0 S800 T0101 M03；（P0 → P1） N20 G01 Z-40.0 F0.3；（P1 → P2） N30 X80.0 Z-60.0；（P2 → P3） N40 G00 X200.0 Z100.0；（P3 → P0） …,增量值编程： … N10 G00 U-150.0 W-95.0 S800 T0101 M03； N20 G01 W-45.0 F100； N30 U30.0 W-20.0； N40 G00 U120.0 W160.0； …,5．暂停指令G04,编程格式：G04 X（P）＿ ； 功能及应用：该指令可使刀具做短时间的停顿。其应用于车削沟槽或钻孔时，为提高槽底或孔底的表面加工质量及有利于铁屑充分排出，在加工到孔底或槽底时，暂停适当时间。,,例：如图2-14所示，为利用暂停指令G04进行切槽加工的实例。对槽的外圆柱面粗糙度有要求，编写加工程序如下。,,图2-14 暂停指令应用,… N060 G00 X1.6；快速到① N070 G01 X0.75 F0.05；以进给速度切削到② N080 G04 X0.24；暂停0.24s N090 G00 X1.6；快速到① …,2.2.5 轴类零件加工编程单一循环指令,,单一固定循环可以将一系列连续加工动作，如“切入—切削—退刀—返回”，用一个循环指令完成，从而简化程序。 圆柱面或圆锥面切削循环是一种单一固定循环，圆柱面单一固定循环如图2-15所示，圆锥面单一固定循环如图2-16所示。,,,图2-15 圆柱面切削循环 图2-16 圆锥面切削循环,① 圆柱面切削循环。 编程格式：G90 X（U）＿ Z（W）＿ F＿； ② 圆锥面切削循环。 编程格式：G90 X（U）＿ Z（W）＿ R＿ F＿； 程序中：X、Z—圆柱面切削的终点坐标值； U、W—圆柱面切削的终点相对于循环起点的增量坐标。 R—圆锥面切削的起点相对于终点的半径差。 如果切削起点的X向坐标小于终点的X向坐标，R值为负，反之为正。,应用举例：应用G90切削循环功能编写图2-17所示零件的加工程序。具体加工程序如下：,,图2-17 G90指令的应用,O0010 N10 T0101； N20 M03 S1000； N30 G00 X55.0 Z5.0 M08；（刀具定位到循环起点） N40 G01 G96 F2.5 S150； N50 G90 X45.0 Z-25.0 F0.2； N60 X40.0； N70 X35.0； N80 G00 X200.0 Z200.0； N90 M30；,2.2.6 轴类零件编程实例,,例2-1：零件图如图2-18所示，毛坯为40的棒料，要求采用G90指令编写加工程序。,,图2-18 G90指令的应用示例,图2-18 G90指令的应用示例 1．确定加工方案 ① 粗车38、32外圆，留余量0.5 mm。 ② 从右至左精加工个面。 ③ 切断。 2．确定刀具 ① 90°外圆车刀T0101：用于粗、精车外圆。 ② 切槽刀（3 mm宽）T0202：用于切断。 3．编程 编程原点设在零件的右端面，程序见表2-3。,表2-3 程序清单,,2.3 项目实施,2.3.1 加工工艺分析 2.3.2 编制加工程序 2.3.3 零件的仿真加工 2.3.4 零件的实操加工 2.3.5 零件检验,2.3.1 加工工艺分析,1．零件图分析,,如图2-1所示阶台轴，该零件形状简单，结构尺寸变化不大。该零件有3个台阶面、两处直槽，前后两端台阶同轴度误差为0.02 mm，中段轴颈有圆柱度要求，其允差为0.04 mm。径向尺寸中，35、29、33精度要求较高。轴向尺寸中33外圆段有长度公差要求，表面粗糙度值不大于Ra3.2 m。,2．确定装夹方案,35圆柱面加工时，要先加工好中心孔，采取两顶尖定位装夹好三爪卡盘辅助夹紧的方法来保证该圆柱面的轴线对基准A的同轴度要求。,3．确定加工顺序及走刀路线,工序一：第一次安装，夹毛坯外圆，车削零件右轮廓至尺寸要求。 工步一：车右端面； 工步二：打中心孔，装顶尖； 工步三：粗、精加工、外圆29、33圆柱面至尺寸要求，倒角； 工步四：车宽3mm的沟槽。,工序二：第二次装夹，软爪夹33外圆柱面，数控车削零件左端轮廓至尺寸要求。 工步一：车左端面，保证工件长度； 停车，测量35外圆柱面的实际长度L；Z向对刀，输入刀具偏移量（L-40）。 工步二：打中心孔，装顶尖； 工步三：粗、精加工35轮廓至尺寸要求，倒角。,4．刀具及切削用量的选择,首先根据零件加工表面的特征确定刀具类型：选择外圆车刀（刀具装在刀架上的1号刀位）加工外圆面和端面，选用切刀（刀具装在刀架上的2号刀位）切槽。刀具及切削参数见表2-4。,,表2-4 刀具及切削参数,,5．填写工艺文件,,表2-5 阶台轴数控加工工序卡1,,,续表,,,表2-6 阶台轴数控加工工序卡2,,,2.3.2 编制加工程序,,表2-7 阶台轴车削数控加工程序单1（第一次安装，加工右端）,续表,,表2-8 阶台轴车削数控加工程序单2（第二次安装，加工左端）,续表,2.3.3 零件的仿真加工,1．进入仿真系统,,“开始”菜单→“程序”→“数控仿真系统”，运行仿真系统（上海宇龙仿真系统），如图2-19所示。,,图2-19 上海宇龙仿真系统,2．选择机床,“机床”菜单→“选择机床”，如图2-20所示。本项目选择的是FANUC 0I系统沈阳机床厂数控车床，如图2-21所示。,,,图2-20 选择机床界面,,图2-21 沈阳机床厂数控车床面板,3．启动系统,在电源开按钮 上单击鼠标左键。 检查急停按钮是否松开至 状态，若未松开，单击急停按钮 ，将其松开。,4．车床回参考点,单击回原点按钮 ，选择机床工作模式为回原点模式。此时CRT界面如图2-22所示。,,,,图2-22 各轴回参考点,5．定义/装夹毛坯,,,,“零件”菜单→“定义毛坯”，打开定义毛坯对话框，如图2-23所示，本项目选择的毛坯尺寸是38×125 mm；并安装毛坯，“零件”菜单→“放置零件”，如图2-24所示；安装中根据需要移动工件，改变工件的装卡位置。,图2-23 定义毛坯,,,图2-24 安装毛坯,6．刀具选择及安装,,,,“机床”菜单→“选择刀具”打开刀具选择对话框，如图2-25所示，本项目选择两把刀，93°菱形外圆车刀和3mm切断刀，分别安装在刀架1、2号位置上。,图2-25 刀具选择界面,7．对刀/设定工件坐标系,,,,数控程序一般按工件坐标系编程，对刀的过程就是建立工件坐标系与机床坐标系之间关系的过程。下面具体说明车床对刀的方法。其中将工件右端面中心点设为工件坐标系原点，与将工件上其他点设为工件坐标系原点的对刀方法类似。,（1）试切法设定工件坐标系。 ① 切削外径：点击操作面板上的“JOG模式”按钮 ，手动状态指示灯变亮 ，机床进入手动操作模式，点击控制面板上的 或 按钮，使机床在X轴方向移动；同样使机床在Z轴方向移动。通过手动方式将机床移动到如图2-26所示的大致位置。,,,,,,,,图2-26 通过手动方式移动机床 图2-27 试切外圆,点击操作面板上的“主轴正转” 或“主轴反转” 按钮，使其指示灯变亮 、 ，主轴转动。再点Z轴负方向按钮 ，移动Z轴，用所选刀具试切工件外圆，如图2-27所示。然后按Z轴正方向按钮 ，X方向保持不动，刀具退出。,,② 测量切削位置的直径：点击操作面板上的“主轴停止”按钮 ，使主轴停止转动，点击菜单“测量/坐标测量”如图2-28所示，点击试切外圆时所切线段，选中的线段由红色变为黄色。记住下面对话框中对应的X的值“α”。,,图2-28 测量切削外圆直径,③ 按下功能键区的 键。 ④ 把光标定位在需要设定的坐标系上。 ⑤ 光标移到X。 ⑥ 输入直径值“α”。 ⑦ 按菜单软键[测量]，完成X轴的对刀。,,⑧ 切削端面：点击操作面板上的“主轴正转” 或“主轴反转” 按钮，使其指示灯变亮，主轴转动。将刀具移至如图2-29的位置，机床在手动操作模式下点击控制面板上的X轴负方向按钮 ，切削工件端面，如图2-30所示。然后按X轴正方向按钮 ，Z方向保持不动，刀具退出。 ⑨ 点击操作面板上的 按钮，使主轴停止转动。 ⑩ 把光标定位在需要设定的坐标系上。,,,,,,,图2-29 切削端面前刀具初始位置 图2-30 切削端面,在MDI键盘上按下需要设定的轴“Z”键。 输入工件坐标系原点的距离（注意距离有正负号）。 按菜单软键[测量]，自动计算出坐标值并填入，完成Z轴的对刀，如图2-31所示。,,,,,,,图2-31 对刀结束示意图,（2）设置偏置值完成多把刀具对刀。 方法一：选择一把刀为标准刀具，采用试切法或自动设置坐标系法完成对刀，把工件坐标系原点放入G54～G59，然后通过设置偏置值完成其他刀具的对刀。下面介绍刀具偏置值的获取办法。 点击MDI键盘上 键和[相对]软键，进入相对坐标显示界面，如图2-32所示。,,选定的标刀试切工件端面，将刀具当前的Z轴位置设为相对零点（设零前不得有Z轴位移）。 依次点击MDI键盘上的 、 ， 输入“W0”，按软键[预定]，则将Z轴当前坐标值设为相对坐标原点。 标刀试切零件外圆，将刀具当前X轴的位置设为相对零点（设零前不得有X轴的位移）：依次单击MDI键盘上的 、 ， 输入“U0”，按软键[预定]，则将X轴当前坐标值设为相对坐标原点。此时CRT界面，如图2-33所示。,,换刀后，移动刀具使刀尖分别与标准刀切削过的表面接触。接触时显示的相对值，即为该刀相对于标刀的偏置值X，Z（为保证刀准确移到工件的基准点上，可采用手动脉冲进给方式）。此时CRT界面，如图2-34所示，所显示的值即为偏置值。 将偏置值输入到形状参数补偿表内。 方法二：分别对每一把刀进行测量，输入刀具偏移量。,,,,图2-32 进入相对坐标显示界面 图2-33 CRT界面 图2-34 界面显示的为偏置值,8．输入程序,,,,按 按钮，进入编辑模式，按 键，开始输入编辑程序。,,9．单步加工,,,,检查机床是否回零，若未回零，先将机床回零。 再导入数控程序或自行编写一段程序。 点击操作面板上的“自动模式” 按钮，使其指示灯变亮 。 点击操作面板上的“单段” 按钮。 点击操作面板上的“循环启动” 按钮，程序开始执行。,,,,,10．自动加工,,,,检查机床是否回零，若未回零，先将机床回零。导入数控程序或自行编写一段程序。 点击操作面板上的“自动模式”按钮 ，使其指示灯变亮 。 点击操作面板上的“循环启动”按钮 ，程序开始执行。,,,2.3.4 零件的实操加工,1．毛坯、刀具、工具准备（课前准备） 2. 程序输入与编辑,（1）开机。 （2）回参考点。 （3）输入程序。,3．阶台轴数控加工,,,,（1）设置主轴转动指令，使主轴转动。 （2）完成X向对刀。手动JOG方式，车削外圆，沿+Z方向退刀，按下主轴停止键，测量切削外圆的直径，如为48.25；按OFFSET/SETTING键，移动光标到相应刀号的位置，如1号刀在G01，输入X48.25，按测量键，完成X方向对刀。,,,,,,（3）Z向对刀。在手动JOG方式下按主轴正转键使主轴转动，车削端面，沿+X方向退刀，按下主轴停止键，按OFFSET/SETTING键，移动光标到相应刀号的位置，输入Z0，按测量键，完成Z方向对刀。换T02刀，同理通过上述（2）～（4）步骤完成T02的对刀过程。 （4）设置编程坐标系。 （5）自动加工，调出加工程序，选择机床工作模式为“自动运行”模式，按“循环启动”键，机床进行自动加工。,,,2.3.5 零件检验,,表2-9 阶台轴检验,,,,表2-10 阶台轴编程与加工考核表,,,,,,,,,,