數(shù)控車(chē)削安全攻略

■ 山東臨沂技師學(xué)院 （276005） 趙培哲 徐淑琛

生產(chǎn)中的安全包含兩個(gè)方面：“人”的安全和“物”的安全，并且“人”的安全是首要的、優(yōu)先的，任何可能造成人身傷害的因素都應(yīng)消除在萌芽狀態(tài)。“物”的安全是指刀具、工件、機(jī)床等生產(chǎn)資料的安全。機(jī)械加工過(guò)程中如果出現(xiàn)事故，輕則刀具、工件損壞，造成不必要的浪費(fèi)，重則造成機(jī)床部件的重大損壞甚至報(bào)廢，而修復(fù)機(jī)床造成的時(shí)間、金錢(qián)的損失、機(jī)床加工精度的下降及生產(chǎn)過(guò)程的延誤都是巨大的（見(jiàn)圖1）。

圖 1

車(chē)削加工從普通手動(dòng)車(chē)床到現(xiàn)代數(shù)控車(chē)床的變化，不僅僅是加工手段上的變化，在安全防護(hù)上更是有了極大的提升。從普通車(chē)床的切屑、切削液四處飛濺的開(kāi)放加工環(huán)境，到全封閉的數(shù)控車(chē)床，在加工過(guò)程中，操作者只能通過(guò)觀察窗監(jiān)測(cè)加工過(guò)程。只有在防護(hù)門(mén)打開(kāi)、機(jī)床停止運(yùn)轉(zhuǎn)的情況下，操作者才能接觸到機(jī)床內(nèi)部。容易造成劃傷的切屑清理工作也由人工清理變?yōu)橛门判紮C(jī)進(jìn)行機(jī)械清理，數(shù)控化的機(jī)床在生產(chǎn)環(huán)境和條件上有了極大的改善。可以這樣說(shuō)，數(shù)控加工條件下，人身傷害的因素降低到了一個(gè)很低的水平。反觀數(shù)控加工生產(chǎn)過(guò)程中，由于操作者的原因而引起刀具、工件和機(jī)床的損傷可以說(shuō)是司空見(jiàn)慣、比比皆是。數(shù)控加工過(guò)程中“物”的安全上升到一個(gè)必須嚴(yán)肅對(duì)待的水平。國(guó)內(nèi)數(shù)控機(jī)床整體開(kāi)機(jī)率不高的原因不僅是機(jī)床質(zhì)量上的問(wèn)題，更多的應(yīng)該歸咎于操作者不當(dāng)操作損傷（損壞）機(jī)床而造成的停機(jī)。良好的操作習(xí)慣，可以在較大程度上減少加工事故造成的損失，同時(shí)也減少了因此而可能引起的人身傷害。

機(jī)床從開(kāi)機(jī)到合格工件的產(chǎn)出的整個(gè)過(guò)程中，在很多環(huán)節(jié)都存在加工事故的風(fēng)險(xiǎn)。針對(duì)不同環(huán)節(jié)的特點(diǎn)，采取相對(duì)應(yīng)的對(duì)策，則可以把這些風(fēng)險(xiǎn)降至最低的可控程度內(nèi)。

1. 數(shù)控車(chē)床開(kāi)機(jī)安全攻略

現(xiàn)在越來(lái)越多的數(shù)控車(chē)床裝備了絕對(duì)編碼器，開(kāi)機(jī)后省略了機(jī)床回零操作，但是安裝相對(duì)編碼器的數(shù)控車(chē)床開(kāi)機(jī)后的基本操作仍是回零。這個(gè)環(huán)節(jié)容易出現(xiàn)的問(wèn)題是回零操作時(shí)刀架與尾座發(fā)生碰撞，這主要是回零操作時(shí)先進(jìn)行Z軸回零而引起的。正確操作是先進(jìn)行X軸的回零，待刀架移至X向最大行程時(shí)再進(jìn)行Z軸的回零操作，則會(huì)避免這種問(wèn)題的發(fā)生，這也是數(shù)控車(chē)床回零操作的基本原則（見(jiàn)圖2）。

2. 數(shù)控車(chē)床對(duì)刀安全攻略

數(shù)控車(chē)削時(shí)對(duì)刀是重要的操作，對(duì)刀數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確與否決定了后續(xù)的工件試切的安全。

常見(jiàn)的對(duì)刀錯(cuò)誤：

（1）例如當(dāng)前刀具為2號(hào)刀具，對(duì)刀數(shù)據(jù)雖然準(zhǔn)確，但卻輸入到1號(hào)刀具補(bǔ)償位置，程序運(yùn)行時(shí)調(diào)用2號(hào)刀具及2號(hào)刀具補(bǔ)償時(shí)，則會(huì)出現(xiàn)重大數(shù)據(jù)錯(cuò)誤而引發(fā)事故。對(duì)刀的基本原則是：“刀具號(hào)碼與刀具補(bǔ)償號(hào)碼對(duì)應(yīng)，程序調(diào)用刀具號(hào)碼與實(shí)際刀具對(duì)應(yīng)”。當(dāng)前2號(hào)刀具不是只能調(diào)用2號(hào)刀具補(bǔ)償，也可以調(diào)用其他1號(hào)、3號(hào)……刀具補(bǔ)償數(shù)據(jù)，但是保持三者的對(duì)應(yīng)有利于發(fā)現(xiàn)和減少對(duì)刀數(shù)據(jù)出現(xiàn)重大失誤。

圖 2

（2）使用電子手輪試切后退刀時(shí)手輪搖反方向，應(yīng)該退刀反而進(jìn)刀切入工件，此時(shí)一般是刀具或工件損壞，不會(huì)造成較大的損失。避免此類(lèi)誤操作的方法是：可以使用手輪試切對(duì)刀，但是退刀時(shí)一定轉(zhuǎn)換到手動(dòng)模式，機(jī)床操作面板上4個(gè)方向鍵對(duì)應(yīng)刀架4個(gè)方向的移動(dòng)，是極難出錯(cuò)的，這也是對(duì)刀過(guò)程的基本安全攻略（見(jiàn)圖3）。

3. 首件試切的重要性及安全攻略

數(shù)據(jù)加工首件試切是最重要的操作，也是最難的操作，同時(shí)也是最容易出現(xiàn)加工事故的環(huán)節(jié)。根據(jù)我們?cè)跀?shù)控加工實(shí)踐教學(xué)的不完全統(tǒng)計(jì)，約有一半以上的加工事故出現(xiàn)在首件試切環(huán)節(jié)，因此針對(duì)此環(huán)節(jié)的安全防備措施也是最多的。

對(duì)刀數(shù)據(jù)準(zhǔn)確與否從對(duì)刀過(guò)程并不能看出，只能通過(guò)試切環(huán)節(jié)才能檢驗(yàn)出對(duì)刀數(shù)據(jù)是否有錯(cuò)誤。下面以一個(gè)簡(jiǎn)單的加工實(shí)例介紹首件試切的安全攻略（見(jiàn)圖4）。

O0001

G98

S600 M03

T0101

G00 Z3.0

G00 X47.0

G01 X40.0 F200

Z-20.0 F200

X47.0

G00 X100.0

Z100.0

M30

首件試切常用的三種安全策略是：低速移動(dòng)、單段運(yùn)行和定點(diǎn)觀測(cè)。

低速移動(dòng)是指首件試切時(shí)刀架的移動(dòng)倍率開(kāi)關(guān)放在較低的位置，發(fā)現(xiàn)異?；蛭ｋU(xiǎn)情況可以及時(shí)暫停，首件試切安全結(jié)束后，連續(xù)工件的加工則可以使用較高的移動(dòng)倍率，以提高加工效率。

圖3 對(duì)刀手輪與退刀方向鍵的使用

圖 4

單段運(yùn)行也是首件試切的常用手段。使用單段運(yùn)行，第一可以把可能的錯(cuò)誤控制在本程序段內(nèi)，第二則是程序單段運(yùn)行時(shí)自動(dòng)暫停。此時(shí)可以借助觀察絕對(duì)坐標(biāo)數(shù)值和刀具的實(shí)際位置，判斷上段程序運(yùn)行是否準(zhǔn)確，預(yù)測(cè)下段程序是否可能出現(xiàn)錯(cuò)誤。

對(duì)刀數(shù)據(jù)的正確與否只有通過(guò)試切環(huán)節(jié)才能檢驗(yàn)得出，但往往出現(xiàn)問(wèn)題的是：當(dāng)加工出現(xiàn)事故后才發(fā)現(xiàn)對(duì)刀數(shù)據(jù)出現(xiàn)錯(cuò)誤，此時(shí)刀具和工件甚至機(jī)床的損壞已經(jīng)造成。那么可以使用第三種策略：“定點(diǎn)觀測(cè)”，也是最重要、最常用且最有效的方法，這種方法可以在不造成損失的情況下提前判斷對(duì)刀數(shù)據(jù)的錯(cuò)對(duì)。

定點(diǎn)觀測(cè)需要編程和機(jī)床操作的配合，在低速移動(dòng)和單段運(yùn)行的基礎(chǔ)上應(yīng)用。定點(diǎn)觀測(cè)需要在工件毛坯附近設(shè)立一個(gè)點(diǎn)，稱(chēng)之為“加工起始點(diǎn)”。此點(diǎn)以前刀具均為快速移動(dòng)定位階段，從此點(diǎn)以后刀具則開(kāi)始慢速切削加工過(guò)程。例如本實(shí)例中，加工起始點(diǎn)設(shè)置在（X47.0，Z3.0）處，距離毛坯外圓1.0mm，距離端面3.0mm。在編程中使用如下兩段程序：G00 Z3.0；G00 X47.0；使用G00指令單軸移動(dòng)。通常這兩段程序一般是一句：G00 X47.0 Z3.0；因?yàn)镚00指令雙軸同時(shí)斜向移動(dòng)，很難提前判斷對(duì)刀數(shù)據(jù)的對(duì)錯(cuò)，往往是出現(xiàn)事故才意識(shí)到對(duì)刀出錯(cuò)，但此時(shí)已經(jīng)造成損失。

程序段G 0 0 Z 3.0；G 0 0 X52.0，在單段運(yùn)行時(shí)先定位Z5.0，此時(shí)X軸方向刀具遠(yuǎn)離工件，刀架Z向移動(dòng)不會(huì)有碰撞工件的危險(xiǎn)。程序單段暫停時(shí)，從X軸水平觀察，刀具刀尖應(yīng)位于距離端面3.0mm處（此時(shí)可以有少許誤差，但不能有較大的偏差），遠(yuǎn)離工件或位于毛坯內(nèi)側(cè)均屬偏差（見(jiàn)圖5），發(fā)現(xiàn)對(duì)刀出現(xiàn)錯(cuò)誤后加工就不需再進(jìn)行。如果Z向定位沒(méi)有錯(cuò)誤，那么可以繼續(xù)單段運(yùn)行G00 X52.0至加工起始點(diǎn)（X52.0，Z3.0），程序單段暫停時(shí)，從Z軸水平方向觀察刀具刀尖應(yīng)貼近外圓，遠(yuǎn)離工件或深入工件內(nèi)側(cè)均表明對(duì)刀錯(cuò)誤（見(jiàn)圖6），但此時(shí)因刀具距離毛坯端面3.0左右，即使X向?qū)Φ跺e(cuò)誤，因?yàn)槭荴向單軸移動(dòng)，此時(shí)也不會(huì)出現(xiàn)撞刀事故。在加工初始點(diǎn)判斷X、Z兩個(gè)方向?qū)Φ稊?shù)據(jù)均正確，就可以繼續(xù)進(jìn)行后續(xù)加工，這種方法對(duì)各種刀具及編程均適用。如果是批量加工工件，可以在首件安全結(jié)束后，將G00 Z3.0；G00 X47.0兩段程序合為一段G00 X47.0 Z3.0，以提高程序運(yùn)行效率。

4. 編程中的安全攻略

圖5 Z向安全判斷

圖6 X向安全判斷

數(shù)控加工中模態(tài)指令的應(yīng)用帶來(lái)了編程上的便利，但也容易引發(fā)編程加工上的錯(cuò)誤。最常見(jiàn)的是G00指令快速退刀后，再次進(jìn)刀切削加工時(shí)漏掉了G01 直線插補(bǔ)指令，程序模態(tài)沿用上段的G00指令快速切削，造成刀具和工件的損壞。常用的固定循環(huán)指令G70～G76不僅可以簡(jiǎn)化編程，還可以消除應(yīng)用這種模態(tài)指令所帶來(lái)的風(fēng)險(xiǎn)，因?yàn)楣潭ㄑh(huán)指令中的進(jìn)刀、退刀均由系統(tǒng)內(nèi)部自動(dòng)設(shè)定，不會(huì)出現(xiàn)模態(tài)指令的誤用問(wèn)題；另外，固定循環(huán)指令的一大特點(diǎn)是：固定循環(huán)指令無(wú)論從哪一個(gè)加工起始點(diǎn)開(kāi)始加工，到循環(huán)結(jié)束后，一定都會(huì)自動(dòng)返回原加工起始點(diǎn)，固定循環(huán)的加工起始點(diǎn)一般位于毛坯外部，從此點(diǎn)退刀，更可以減少撞刀的風(fēng)險(xiǎn)，所以編程中盡量使用固定循環(huán)指令，也是一種安全攻略。

數(shù)控試切編程中刀具快速移動(dòng)定位一般使用單軸移動(dòng)，比如上面例子中G00 X42.0 Z3.0 一般寫(xiě)為兩段 G00 Z3.0；G00 X42.0；避免刀具雙軸移動(dòng)可能造成的損失。刀具退出工件結(jié)束加工時(shí)也是如此，外輪廓加工刀具先沿X向退出工件，然后再沿Z向退至安全位置，內(nèi)輪廓加工則相反。如果試切加工安全合格，雙向進(jìn)刀和退刀在批量加工時(shí)也是必須的。

5. 數(shù)控車(chē)削螺紋時(shí)的安全攻略

無(wú)論是在普車(chē)加工還是數(shù)控車(chē)削中，螺紋加工都是難點(diǎn)和危險(xiǎn)點(diǎn)。特別是數(shù)控加工螺紋都是高速、高效切削，主軸轉(zhuǎn)速、刀具進(jìn)給速度極快，如果出現(xiàn)錯(cuò)誤而引起螺紋加工事故，其損失是極為嚴(yán)重的。其原因有兩方面：一是螺紋加工一般是工件加工的最后階段，如果螺紋加工出現(xiàn)問(wèn)題而報(bào)廢，前面加工工序在工件上形成的附加值也會(huì)全部丟失；二是數(shù)控車(chē)削螺紋與車(chē)削外圓不同，外圓車(chē)削過(guò)程中可以在任意位置暫停刀具運(yùn)動(dòng)，以觀察加工狀況，螺紋數(shù)控車(chē)削過(guò)程則不同，如果螺紋加工過(guò)程中發(fā)現(xiàn)可能出現(xiàn)問(wèn)題按下暫停按鈕，刀具不會(huì)立即暫停運(yùn)動(dòng)（只有緊急停止按鈕能停止刀具運(yùn)動(dòng)，但此時(shí)主軸也停止運(yùn)動(dòng)，刀具和工件會(huì)一起報(bào)廢），而是會(huì)一直加工至螺紋終點(diǎn)才會(huì)暫停（不同的數(shù)控系統(tǒng)功能不同，有些數(shù)控系統(tǒng)在螺紋加工中暫停后會(huì)從螺紋中部斜向退出以保護(hù)螺紋）。因而螺紋加工出現(xiàn)事故時(shí)，刀具和工件基本一起報(bào)廢，事故嚴(yán)重時(shí)機(jī)床部件都會(huì)受損。

數(shù)控車(chē)削螺紋的安全攻略是：整體偏移、分次進(jìn)刀。基本方法是：先確定螺紋加工長(zhǎng)度無(wú)誤，再分次進(jìn)刀加工螺紋至合格。下面以一個(gè)簡(jiǎn)單的加工實(shí)例介紹具體方法。

螺紋車(chē)削的加工起始點(diǎn)位于（X42.0，Z3.0），快速定位時(shí)仍采用單軸定位，以預(yù)判對(duì)刀數(shù)據(jù)是否出錯(cuò)。螺紋刀對(duì)刀完成后，放大X向的刀補(bǔ)數(shù)據(jù)20.0～30.0mm，Z向刀補(bǔ)數(shù)據(jù)向右偏移一段距離，一般是螺紋的加工長(zhǎng)度，這樣螺紋的實(shí)際加工路線就整體挪至偏移加工路線處（見(jiàn)圖7）。此時(shí)試運(yùn)行螺紋加工程序，刀具將遠(yuǎn)離工件，即使對(duì)刀出現(xiàn)錯(cuò)誤，也有較多的時(shí)間來(lái)發(fā)現(xiàn)和處置，出現(xiàn)事故的風(fēng)險(xiǎn)是很低的。運(yùn)行程序至螺紋加工結(jié)束單段暫停時(shí)，從水平方向觀察，螺紋刀尖應(yīng)正好位于實(shí)際螺紋加工的開(kāi)始處，此時(shí)可以判定螺紋刀Z向?qū)Φ稊?shù)據(jù)無(wú)誤，同時(shí)從工件軸向水平觀察螺紋刀尖與毛坯的X向間距的大小，預(yù)判螺紋刀X向?qū)Φ稊?shù)據(jù)的正誤。

螺紋數(shù)控加工的Z向起點(diǎn)一般不允許變化，否則會(huì)產(chǎn)生螺紋亂扣而報(bào)廢。本例中螺紋刀Z向刀具補(bǔ)償先向右偏移螺紋長(zhǎng)度20.0mm，程序試運(yùn)行檢驗(yàn)螺紋刀Z向刀具補(bǔ)償無(wú)誤后再向左偏移20.0mm分次進(jìn)刀加工路線處（選擇平移距離20.0mm，一是可以方便觀察Z向?qū)Φ稊?shù)據(jù)和螺紋加工長(zhǎng)度是否有誤，二是即使螺紋刀X向?qū)Φ冻鲥e(cuò)也不會(huì)產(chǎn)生實(shí)際的螺紋加工而造成事故），此時(shí)螺紋刀具不能再修改Z向刀補(bǔ)數(shù)據(jù)，只能分次減少X向刀具補(bǔ)償，觀察刀具與毛坯表面的間距是否出現(xiàn)異常，直至刀具切入工件，加工螺紋至合格尺寸。

內(nèi)螺紋的數(shù)控加工策略和外螺紋加工相似，不過(guò)由于受內(nèi)輪廓加工的限制，螺紋刀X向刀補(bǔ)數(shù)據(jù)向內(nèi)減小的數(shù)值不能太大，以免引起加工干涉；至于長(zhǎng)螺紋加工，例如：螺紋的加工長(zhǎng)度200.0mm，編程時(shí)可以試切加工20.0mm的長(zhǎng)度，以節(jié)省調(diào)試時(shí)間，程序試運(yùn)行無(wú)誤后則可將程序中的20.0mm改為200.0mm，螺紋加工固定循環(huán)指令有斜向退刀功能，在20.0mm長(zhǎng)螺紋結(jié)束時(shí)的退刀不影響整體螺紋加工的質(zhì)量。

圖 7

數(shù)控車(chē)削過(guò)程中，主要的安全隱患來(lái)自以上介紹的機(jī)床操作、首件試切和螺紋切削等方面，其中首件試切是最容易出問(wèn)題的環(huán)節(jié)。但遵循以上的安全攻略進(jìn)行機(jī)床操作，可以把發(fā)生加工事故的可能性降至最低，從而保障數(shù)控加工過(guò)程的順利進(jìn)行，同時(shí)保護(hù)加工過(guò)程中“人”和“物”的安全。

[1] 畢承恩，丁乃建，等. 現(xiàn)代數(shù)控機(jī)床[M]. 北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1991.