數(shù)控車床編程與加工技巧探討

梁應(yīng)選，王占領(lǐng)，嚴(yán)國(guó)英，馬躍林

(陜西理工學(xué)院機(jī)械學(xué)院，陜西漢中723003)

我國(guó)是一個(gè)制造大國(guó)，在新一輪的國(guó)際產(chǎn)業(yè)變革中，我國(guó)正逐步成為全球制造業(yè)的重要基地之一。數(shù)控車床由于具有高效率、高精度和高柔性的特點(diǎn)，在機(jī)械制造業(yè)中得到日益廣泛的應(yīng)用，成為目前應(yīng)用最廣泛的數(shù)控機(jī)床之一［1］。但是，要充分發(fā)揮數(shù)控車床的作用，關(guān)鍵是編程，即根據(jù)不同零件的特點(diǎn)和精度要求，編制合理、高效的加工程序。作者以FANUC 0i mate TC 系統(tǒng)為例，就實(shí)際加工和程序編制中遇到的兩個(gè)問題進(jìn)行探討。

1 端面加工

車削端面通常是車削加工中的首道工序，其端面加工的質(zhì)量直接影響到零件的相關(guān)尺寸精度及端面光潔度。在現(xiàn)行的許多數(shù)控車床加工與編程教課書上介紹的端面加工程序大多為如下所示［2］:

N10 T0101 M03 S400;(T01 為端面車刀)

N20 G00 X52 Z0 M08;(毛坯外徑為:φ50 mm)

N30 G01 X0 F0.15;(F 值具體大小可根據(jù)材料的不同確定)

可以肯定地說以上程序無(wú)論是格式還是指令的應(yīng)用上均無(wú)錯(cuò)誤，但在實(shí)際運(yùn)行后，所加工出的工件端面的粗糙度極不理想，尤其是靠近工件中心處，且如果背吃刀量較大的話還容易出現(xiàn)蹦刀現(xiàn)象，更有甚者造成對(duì)操作者的人身傷害。故對(duì)于初學(xué)者來(lái)說，探究該問題產(chǎn)生的原因，并找出有效的解決方法，顯得尤為重要。

1.1 原因分析

切削線速度公式［3］:

其中:v 為切削線速度(m/min);D 為工件直徑(mm);n 為主軸轉(zhuǎn)速(r/min)。

由以上公式可知:切削端面時(shí)隨著切削直徑變小線速度越來(lái)越低，線速度降低以至于刀具切削速度跟不上車床所給定的主軸轉(zhuǎn)速，必然導(dǎo)致加工表面光潔度下降，尤其是靠近工件中心處。這便是采用以上程序加工工件端面粗糙度不理想的根本原因。那么在實(shí)際加工當(dāng)中又該如何解決該問題呢?

1.2 解決問題的方法

1.2.1 第一種方法

對(duì)于數(shù)控車床編程與加工者來(lái)說，解決此問題首先想到的肯定是應(yīng)用系統(tǒng)所提供的恒線速度控制G96指令。該指令主要用于車工件的端面、錐度或圓弧等，單位為m/min。據(jù)作者了解，大多數(shù)初學(xué)者對(duì)此指令含義的理解比較模糊，在這里要特別對(duì)該指令的用法做一詳細(xì)解釋，以幫助操作者、尤其是數(shù)控加工初學(xué)人員正確理解其本質(zhì)含義，并正確應(yīng)用它合理有效編寫加工程序。

G96 S_ :所謂的恒線速控制是指S 后面的線速度是恒定的，隨著刀具的位置變化，根據(jù)線速度計(jì)算出主軸轉(zhuǎn)速，并把與其對(duì)應(yīng)的電壓值輸出給主軸控制部分，使得刀具瞬間的位置與工件表面保持恒定的關(guān)系。即系統(tǒng)執(zhí)行G96 S_ 后，用S_ 指定的數(shù)值表示工件上任一點(diǎn)的線速度一樣［4］。通俗地講G96 的功能是執(zhí)行恒線速度控制，并且只通過改變轉(zhuǎn)速來(lái)控制相應(yīng)的工件直徑變化時(shí)維持穩(wěn)定的恒定的切削速率，進(jìn)而保證加工表面的粗糙度。通常G96 使用時(shí)必須用G50 設(shè)定主軸最高轉(zhuǎn)速限制，這是因?yàn)橛晒?1)可知:當(dāng)v 為切削線速度一定時(shí)，隨著加工工件的直徑減小，會(huì)導(dǎo)致主軸轉(zhuǎn)速過大，當(dāng)直徑減小至零時(shí)，主軸轉(zhuǎn)速將達(dá)到無(wú)窮大，易造成事故。與之聯(lián)系的G97 指令的功能是取消恒線速度控制，并且僅僅控制轉(zhuǎn)速的穩(wěn)定。編程示例如下:

N10 G50 S2000;(表示最高轉(zhuǎn)速限制為2 000 r/min(也就是到達(dá)中心時(shí)最高轉(zhuǎn)速是2 000 r/min))

N20 G96 M03 S200 T0101;(表示切削點(diǎn)線速度控制在200 m/min)

N30 G00 X55 Z0;

N40 G01 X0 F200;(端面加工)

N50 G97 S400(表示恒線速控制取消后主軸轉(zhuǎn)速，系統(tǒng)開機(jī)后默認(rèn)為G97 狀態(tài))

由機(jī)床廠家給出的G96 狀態(tài)下切削速度與主軸轉(zhuǎn)速和工件半徑關(guān)系圖(圖1)更進(jìn)一步分析可知:在工件約160 mm 半徑處，主軸轉(zhuǎn)速的數(shù)值和線速度的數(shù)值才是一致的。因而，正確理解G96 指令的真實(shí)含義是編寫上述加工程序的基礎(chǔ)。

圖1 應(yīng)用G96 指令下主軸轉(zhuǎn)速與切削速度和工件半徑關(guān)系圖

1.2.2 第二種方法

在不使用G96 進(jìn)行編程尤其是對(duì)于主電動(dòng)機(jī)不能實(shí)現(xiàn)恒線速控制功能的機(jī)床時(shí)，通常的編程方法如下:

N10 T0101 M03 S400;(T01 為端面車刀)

N20 G0 X52 Z0 M08;(毛坯外徑為:φ50 mm)

N30 G1 X4 F0.18;

N40 X0 F0.08;

編以上程序采用的方法是:當(dāng)?shù)毒呖煲咏ぜ行臅r(shí)降低徑向進(jìn)給速度，從而提高靠近工件中心處的表面光潔度。其中，在主軸轉(zhuǎn)速一定的情況下，可根據(jù)零件設(shè)計(jì)時(shí)端面粗糙度要求，依據(jù)加工經(jīng)驗(yàn)調(diào)整程序中的F 值即可達(dá)到預(yù)期的加工效果。

2 端面中心孔加工

在一般經(jīng)濟(jì)性數(shù)控車床上加工工件端面中心孔時(shí)，通常是端面加工好后，將鉆夾頭裝于機(jī)床尾座上，并裝好中心鉆鉆頭，然后啟動(dòng)機(jī)床使主軸以一定的轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)，再移動(dòng)機(jī)床尾座使中心鉆靠近工件端面后，鎖住機(jī)床尾座，緩慢手搖機(jī)床尾座上的轉(zhuǎn)輪手柄，從而完成中心孔的加工。實(shí)際加工證明:采用此方法完成中心孔的加工，從鉆夾頭的裝夾、中心孔加工完成再到取下鉆夾頭整個(gè)操作過程每個(gè)工件大約耗時(shí)2.5 min，按照目前的每天加工某類零件40 個(gè)計(jì)算，最少耗時(shí)大約100 min，而且費(fèi)力。

為了提高工作效率，充分發(fā)揮數(shù)控車的作用，克服手工鉆孔費(fèi)時(shí)費(fèi)力之缺點(diǎn)，作者采用將端面鉆中心孔的工序內(nèi)容編入加工程序，讓機(jī)床自動(dòng)完成。具體的辦法為:找一廢棄的刀柄(這里用的是20 ×20 刀柄)，在刀柄上鉆鉸與中心鉆外徑同一尺寸的孔，并在一側(cè)面鉆攻M4 螺紋孔，然后將中心鉆裝于孔中，并用上緊定螺釘使中心鉆裝夾可靠(如圖2所示)。最后將其裝于刀架上。具體的加工程序如下:

N10 T0303 M03 S500;(T03 為中心鉆)

N20 G0 X0 Z20;

N30 Z3 M08;

N40 G1 Z0 F0.07;

N50 Z-4 F0.04;(鉆中心孔深度4 mm)

N60 Z-6 F0.03;(改變進(jìn)給量鉆中心孔深度至6 mm)

圖2 制作的刀桿

注意問題:

(1)初次對(duì)刀時(shí)，采用傳統(tǒng)的辦法使用同一中心鉆加工好端面中心孔后，然后將圖2所示的刀桿裝于刀架上，并將中心鉆自然置于已加工好的中心孔內(nèi)，保證中心鉆與端面垂直，此時(shí)將中心鉆穿入刀柄中，擰緊緊定螺釘后，再夾緊刀柄，最后移動(dòng)刀架使中心鉆刀尖與工件平齊后為點(diǎn)z0。這樣就可以按上述程序進(jìn)行編程，加工其他工件(每個(gè)工件裝夾時(shí)軸向伸出卡盤尺寸一定)。中心孔加工時(shí)刀具裝夾工況圖如圖3所示。

圖3 加工中心孔時(shí)刀具裝夾示意圖

(2)程序段N60 中當(dāng)快要加工到設(shè)計(jì)深度時(shí)，需減小進(jìn)給量F，以免因切削阻力過大，出現(xiàn)斷刀現(xiàn)象。

采用以上編程方法加工一個(gè)中心孔用時(shí)不到1 min，同樣按每天加工40 個(gè)工件計(jì)算總共可節(jié)約60 min 即1 h，而且大大減小了操作者的勞動(dòng)強(qiáng)度。

3 結(jié)論

通過以上分析可知，數(shù)控編程的最終目的是加工出能滿足客戶要求的零件，而不是為了運(yùn)用那些指令代碼編程而編程。在正確理解數(shù)控加工指令含義的基礎(chǔ)上，掌握一定的技巧，不但可以加工出符合圖紙要求的合格工件，而且能使數(shù)控車床安全、高效地工作，充分發(fā)揮數(shù)控車床的作用。數(shù)控編程的理論知識(shí)關(guān)鍵要在實(shí)踐加工過程中去理解和檢驗(yàn)，以上提出的兩點(diǎn)體會(huì)，肯定還存在不足之處，希望能起到拋磚引玉的效果。

【1】宋方之.數(shù)控工藝培訓(xùn)教程［M］.北京:清華大學(xué)出版社，2008.

【2】劉立.數(shù)控車床編程與操作［M］.北京:北京理工大學(xué)出版社，2006.

【3】楊可楨，程光蘊(yùn)，李仲生.機(jī)械設(shè)計(jì)基礎(chǔ)［M］.北京:高等教育出版社，2007.

【4】關(guān)穎.數(shù)控車床［M］.北京:化學(xué)工業(yè)出版社，2005.