数控车削加工工艺与编程

第一节  数控车削加工工艺基础

序号：4

一、数控车削的加工原理

数控车削的主运动是工件装卡在主轴上的旋转运动，配合刀具在平面内的运动加工出回转体零件。

二、车削加工的主要内容

1．数控车削加工包括端面、内外轮廓面、成形表面、螺纹、切断等工序的切削加工；

2．数控车床主要用于加工轴类、盘类等回转体零件；

3．车铣中心上可以实现车削和铣削的复合加工；

4．数控车削工艺灵活多变，其丰富的循环功能指令、各类刀具的选择，是学习的重点内容；

5．在数控车床和车削中心上加工的零件，一般采用手工编程，对具有复杂外轮廓的回转体零件可以采用自动编程。

三、数控车削加工的主要对象

1．加工精度要求高的零件

2．表面粗糙度要求好的零件

3．轮廓形状复杂的零件

4．导程有特殊要求的螺纹零件

小结

数控车削加工原理、主要加工对象、数控车床在制造业的广泛应用。

序号：5

一、对零件图样的工艺分析

1．仔细阅读图样，明确加工内容； 

2．详细了解零件图样所标注的几何尺寸、尺寸精度、形位公差、表面粗糙度等技术要求；了解零件的材料、毛坯类型、生产批量等等，这些都是合理安排数控车削加工工艺中各基本参数的主要依据；

3．分析工件图样上尺寸标注方法是否适应数控加工的特点；

4．分析工件图样上几何元素的给定条件是否充分，要保证编程时的数值计算能顺利进行。

二、工序的划分

1．普通零件按工序集中的原则划分工序；

2．薄壁类零件按粗、精加工分序原则划分工序。

三、加工顺序的确定

1．先粗加工后精加工；

2．由近及远；

3．内外表面加工交叉进行；

4．最后加工槽、螺纹等表面。

四、进给路线的确定

1．最短的空行程路线；

2．最短的切削进给路线；

3．零件轮廓的精加工进给应连续进行；

4．切削螺纹的引入与超越；

5．切槽之后的退刀路线要合理。

五、填写数控加工技术文件

小结

数控车削加工工艺的制定方法、主要技术规程文件。

序号：6 

一、数控车床上装夹工件的常用方法。

1．用三爪卡盘装夹工件；

2．用三爪卡盘和顶尖装夹工件；

3．用四爪单动卡盘装夹工件；

4．其它的装夹方法。

二、刀具的选择

1．数控车床常用刀具；

2．刀片的编号；

3．刀片的夹紧方式；

4．刀片的形状；

5．刀片的其它参数；

6．刀片材料的选用。

小结

说明三爪卡盘装夹方法、其它的装夹方法、数控车床常用刀具的使用。

序号：7

数控车削加工中的切削用量包括背吃刀量ap、切削速度vc和进给量f。

选择切削用量时，应该在切削系统强度、刚性允许的条件下充分利用机床功率，最大地发挥刀具的切削性能。所选取的数值要在机床给定的切削参数允许范围内，同时要使主轴转速、背吃刀量和进给量三者都能相互适应，形成最佳的切削效果。具体的原则是：粗车时，在考虑加工经济性的前提下以提高生产率为主；半精车和精车时，在保证工件加工精度和表面粗糙度的前提下兼顾提高加工效率。

一、背吃刀量的确定。

根据机床、夹具、刀具和工件组成的工艺系统刚度来确定背吃刀量ap。在工艺系统刚度允许的情况下，应以最少的进给次数切除加工余量，以提高加工效率。当零件的加工精度要求较高时，需要保留0.2～0.5mm的单边精车余量。

二、主轴转速的确定

依据机床的性能、被加工零件的材料和刀具允许的切削速度，查阅相关的数控加工切削用量资料，选取切削速度。在确定了切削速度vc(m∕min)之后,根据工件直径D用下面的公式便可计算出主轴转速n(r∕mim)。

式中，D是工件直径，单位为mm。

三、进给量(进给速度)的确定

在确定进给量时，要考虑被加工零件的加工精度和表面粗糙度要求、刀具及工件的材料等因素，在保证加工表面质量要求的前提下，可选择较大的进给量，以提高加工效率。

四、实验验证

具体步骤和方法见实验指导书。

小结

说明切削用量的作用、填写实验报告单。

第二节  数控车床的程序编制

序号：8

一、数控车床的编程特点

1.可以采用绝对坐标编程、增量坐标编程，或混合编程。

2. X轴的脉冲当量取为Z轴脉冲当量的一半。

3. X坐标一般以工件的直径值表示。

4．固定循环，可以实现多次重复循环切削。

5．具备刀尖半径补偿功能。

二、数控车床的坐标系统

1．机床坐标方向的规定

卧式数控车床的刀架结构有前置和后置两种。

数控车床的主轴轴线方向作为Z轴，其正方向为刀具远离工件的方向，X轴位于与工件安装面平行的水平平面内，垂直于主轴轴线方向，刀具远离主轴轴线的方向为X轴的正方向。

2．机床坐标系

机床坐标系是用来确定工件坐标的基本坐标系。

机床原点：机床原点为机床上的一个固定点。数控车床将其定义在主轴旋转轴线与卡盘后端面的交点上。

机床参考点：数控车床的参考点是刀架相对于机床原点沿X、Z轴正向退至极限的一个固定点，其位置分别由X向与Z向的机械档块来确定，且机床在出厂之前由制造商采用精密测量方法确定。

3．工件坐标系的设定

工件原点又称为程序原点。工件原点要尽量选择在工件图样的设计基准上，同时要便于编程计算

设定工件坐标系有两种方法，一种是以G50的方式，另一种是以G54～ G59的方式， 用50设定工件坐标系是数控车削常用的方法。G50是一个非运动指令，只起预置寄存数据的作用，一般放在零件加工程序的第一个程序段位置上，其指令格式为：G50 X __  Z__ ；

小结

强调数控车床的编程特点、说明机床坐标系的重要作用。

序号：9

一、快速定位指令(G00)

该指令命令刀具以点定位控制方式从当前所在点快速运动到指令给出的目标位置；它只是快速定位，而无运动轨迹要求。

1．指令格式：G00 X(U)_ Z(W)_ ；

其中X、Z为目标点坐标，U、W为增量坐标编程方式。

2．编程并运行。

二、直线插补指令(G01)

该指令命令刀具在两坐标点间以插补联动方式按指令的F进给速度作任意斜率的直线运动。

1．指令格式：G01 X(U)_ Z(W)_ F_ ；

其中X、Z为目标点坐标，U、W为增量坐标编程方式；F为切削进给速度,单位为mm∕r。

2．编程并运行。

三、圆弧插补指令(G02、G03)

该指令命令刀具在X Z坐标平面内，按指定的F进给速度进行圆弧插补运动，切削出圆弧轮廓。G02为顺时针圆弧插补指令，G03为逆时针圆弧插补指令。

1．指令格式： G02 X(U)_ Z(W)_ I_ K_ F_ ； 或  G02 X(U)_ Z(W)_ R_ F_ ；

G03 X(U)_ Z(W)_ I_ K_ F_ ； 或  G03 X(U)_ Z(W)_ R_ F_ ；

其中X、Z为圆弧终点坐标；I、K为圆弧中心的坐标，R为圆弧半径

2．顺时针圆弧与逆时针圆弧的判别方法

在使用G02或G03指令之前，要正确判别刀具在加工零件时是按顺时针路径作圆弧插补运动，还是按逆时针路径作圆弧插补运动。

在X—Z平面内向Y轴的负方向看去，刀具相对工件进给的方向顺时针为G02，逆时针为G03。b为前置刀架的情况；加工同一段圆弧时，前置刀架的数控车床所使用的圆弧插补指令G02 (G03)与后置刀架的数控车床恰好相反。

3．编程并运行。

四、主轴速度控制指令(G96，G97，G50)

五、实验验证

具体步骤和方法见实验指导书。

小结

强调基本编程指令的作用、填写实验报告单。

序号：10

FANUC 0-T数控系统

一、准备功能(G功能)

准备功能由地址G和两位数字组成，又称为G功能。G代码分为模态G代码和非模态G代码两种类型。

准备功能G代码表。

二、辅助功能(M功能)

辅助功能由地址M和两位数字组成，又称为M功能。在每个程序段内只允许指令一个M代码。

对于刀架后置的数控车床、车削中心，M03和 M04所规定的主轴或旋转刀具的转向，注意：主轴(站在床头向床尾观看)及X向和Z向旋转刀具(从刀柄向刀头观看)顺时针旋转为正转，用M03指令；逆时针旋转为反转，用M04指令。对于主轴箱内有机械转动装置的数控车床，当需要改变主轴的转向时，必须用M05指令使主轴停转，再用M03或 M04换向。

辅助功能M代码表

三、S、 F、T功能

1．主轴功能指令(S)

主轴功能指令是设定主轴转速或速度的指令，用字母S和其后面的数字表示。单位：r∕min。

2．进给功能指令(F)

进给功能指令是设定进给速度的指令，用字母F和其后面的数字表示。 

在数控车削中有两种指令进给速度的模式，分为每转进给模式、每分钟进给模式；

在数控车削加工中一般采用每转进给模式，只有在用动力刀具铣削时才采用每分钟进给模式。需要说明的一点是：在每转进给模式下，当主轴转速较低时会出现进给速度波动现象。主轴转速越低，波动发生的越频繁。

3．刀具功能指令(T)

T指令用于指定刀具号和刀具补偿号。其指令格式有两种：

T ××××                              T ×  ×  

               刀补存储器号                              刀补存储器号

               刀具号                                  刀具号    

小结

常用G功能、M功能、S、 F、T功能的作用、刀具号和刀具补偿号指令格式。

序号：11

一、刀具位置补偿

1．原因

在机床坐标系中，CRT上显示的X、Z坐标值是刀架左侧中心相对机床原点的距离；在工件坐标系中X、Z坐标值是车刀刀尖(刀位点)相对工件原点的距离，而且机床在运行加工程序时，数控系统控制刀尖的运动轨迹。这就需要进行刀具位置补偿。

刀具位置补偿包括刀具几何尺寸补偿和刀具磨损补偿，前者用于补偿刀具形状或刀具附件位置上的偏差，后者用于补偿刀尖的磨损。

2．几点说明

(1)刀具位置补偿一般是在换刀指令后，刀尖由换刀点快速趋近工件的程序段中执行。

(2)取消刀具位置补偿是在加工完该刀具的工序内容之后，在返回换刀点的程序段中执行。

二、刀尖半径补偿 

1．原因

数控车床编程时可以将车刀刀尖看作一个点，按照工件的实际轮廓编制加工程序。但实际上，为保证刀尖有足够的强度和提高刀具寿命，车刀的刀尖均为半径不大的圆弧。当切削圆锥面和圆弧面时，切削出的工件轮廓会出现形状误差和尺寸误差，直接影响工件的加工精度，而且刀尖圆弧半径越大，切削误差则越大。可见，对刀尖圆弧半径进行补偿是十分必要的。对于采用刀尖半径补偿的加工程序，在工件加工之前，要把刀尖半径补偿的有关数据输入到刀补存储器中，以便执行加工程序时，数控系统对刀尖圆弧半径所引起的误差自动进行补偿。

2．应用

三、刀尖圆弧自动补偿举例

（略）见P40-41。

小结

刀具位置补偿、刀尖半径补偿原理、在加工中的具体应用。

序号：12

数控车床的数控系统具有车削循环功能，若能恰当的使用循环功能编制加工程序，可以免去许多复杂的计算过程，而且使程序得到简化。

利用G90、G94指令可以分别进行外圆(内孔)切削循环和端面切削循环，循环过程包含了“切入—切削—退刀—返回”等4个动作，仅用一个程序段指令。

G90、G94指令用于零件毛坯余量较大或直接用棒料毛坯进行精车前的粗车，以切除毛坯的大部分余量。

一、外圆(内孔)切削循环G90。

1．指令格式

G90 X(U) _ Z(W) _ F _ ；

X(U)、Z(W)为车削循环中车削进给路线的终点坐标。

G90 X(U) _ Z(W) _ R _ F _ ；

R为圆锥面起点半径与终点半径的差值，有正负号之分。

2．两点说明。

G90为模态代码，使用G90循环指令进行粗车加工时,每次车削一层余量,当需要多次进刀时,只需按背吃刀量依次改变X的坐标值，则循环过程将依次重复执行。

为提高加工效率，可以将每次循环的起始点沿X轴负方向移动。

3．编程举例

二、端面切削循环G94

1．指令格式

G94 X(U) _ Z(W) _ F _ ；

X(U)、Z(W)为车削循环中车削进给路线的终点坐标。

G94为模态代码，使用G94循环指令进行粗车加工时,每次车削一层余量,当需要多次进刀时,只需按背吃刀量依次改变Z的坐标值，则循环过程将依次重复执行。

2．编程举例

（略）见P43-46。

小结

强调G90、G94的加工原理、编程方法、应用。

序号：13

使用G71、G72、G73、G70复合固定循环指令编程时，只要给出最终精加工路径、循环次数、每次加工余量等参数，机床能自动决定粗加工时的刀具路径，可以完成从粗加工到精加工的全过程。

一、外圆(内孔)粗车循环G71。

G71指令适用于棒料毛坯粗车外圆或粗车内径，以切除毛坯的较大余量。

1．指令格式

G71 U(△d) R(e)；

G71 P(ns) Q(nf ) U (△u) W (△w) F_  S_ ；

N(ns) ……；  

……          

N(nf) ……；  

其中△d—粗加工每次背吃刀量（半径值），无符号，车削方向沿AA′的方向；

e —退刀量，该参数为模态值，直到指定另一个值前保持不变；

ns—精车程序第一个程序段的顺序号；

nf—精车程序最后一个程序段的顺序号；

△u—X方向预留精车余量（直径值）；

△w—Z方向预留精车余量。

2．两点说明。

1)粗车循环过程中从N(ns)到N(nf)之间的程序段中的F、S功能均被忽略，只有G71指令中指定的F、S功能有效。

2)在粗车削循环过程中，刀尖半径补偿功能无效。

3．G71循环指令可用于两种类型的粗车加工

1）类型一：零件轮廓在X和Z方向坐标值必须是单调增加或减小；

2）类型二：零件轮廓在X方向坐标值不是单调变化的，允许有凹槽，但在Z方向必须是单调变化的。

二、精车循环G70

使用G71、G72、G73指令完成零件的粗车加工之后，可以用G70指令进行精加工，切除粗车循环中留下的余量。

1．指令格式

G70 P(ns)  Q(nf) ；

其中ns—精车程序第一个程序段的顺序号；

nf—精车程序最后一个程序段的顺序号。

G70指令在程序中不能单独出现，要分别与G71、G72、G73配合使用，其编程格式为：

……

N _ G71 P ns  Q nf ……；  G71、G72或G73粗车循环指令；

N ns ……；                为粗车循环定义的精加工路径的第一个程序段；

……

N nf …… ；               为粗车循环定义的精加工路径的最后一个程序段；

G70 P ns  Q nf ；          精车循环指令；

……

2．编程举例

（略）见P47-49。

三、端面粗车循环G72

G72与G71指令加工方式相同，只是车削循环是沿着平行于X 轴进行的。

1．指令格式

G71 U(△d) R(e) ；

G71 P(ns) Q(nf ) U (△u) W (△w) F_  S_ ；

N(ns) ……；  

……          程序段号N(ns)到N(nf)之间的程序段定义工件A→A′→B之间

……          的精车路线；

N(nf) ……；

其中各参数的含义与G71指令中的相同。

2．编程举例

（略）见P50。

四、固定形状粗车循环G73

固定形状粗车循环是按照一定的切削形状，逐渐地接近最终形状的循环切削方式。一般用于车削零件毛坯的形状已用锻造或铸造方法成形的零件的粗车，加工效率很高。

1．指令格式。

G73 U(△i) W(△k) R(d)；

G73 P(ns) Q(nf ) U (△u) W (△w) F_  S_ ；

其中  ns、nf、△u、△w 、F和S与G71指令中的相同。

△i—X轴的退刀距离和方向（半径值）；

△k—Z轴的退刀距离和方向；

d —粗车循环次数。

2．两点说明：

1)X方向和Z方向的精车余量△u和△w的正负号确定方法与G71指令相同；

2)在粗车削循环过程中，刀尖半径补偿功能无效。

3．编程举例

（略）见P51。

小结

强调G71、G72、G73、G70的格式、编程方法、应用。

序号：14

螺纹切削是数控车床上常见的加工任务。螺纹的种类按牙型分类有三角、梯形、矩形等，按螺纹在零件中所处的部位分类有柱面螺纹、锥面螺纹、端面螺纹等。螺纹的形成实际上是刀具的直线运动距离和主轴转数按预先输入的比例同时运动而形成，切削螺纹使用的是成型刀具，螺距和尺寸精度受机床精度影响，牙型精度则由刀具精度保证。

一、螺纹切削指令G32。

1．指令格式

G32 X(U)_ Z(W)_ F_ ；

其中X(U)、Z(W)为螺纹终点坐标，F为螺纹的导程。

当车削圆柱螺纹时, X(U)可省略, 其指令格式为：

G32 Z(W)_ F_ ；

当车削端面螺纹时, Z(W)可省略, 其指令格式为：

G32 X(U)_ F_ ；

2．几点说明

1)螺纹切削时，为保证切削正确的螺距，不能使用G96恒线速控制指令；

2)在编写螺纹加工程序时，始点坐标和终点坐标应考虑引入距离δ1和超越距离δ2；

3)普通螺纹的公差与配合标准GB/T197-1981中，对外螺纹顶径的基本偏差规定了e、f、g和h四种，其中h的基本偏差es = 0， e、f、g的基本偏差均为负值(es < 0)，加之螺纹车刀刀尖半径对内螺纹小径尺寸的影响，故车削螺纹之前车削顶径外圆的尺寸要小于螺纹的公称尺寸，以保证内外螺纹结合的互换性。

由于螺纹车刀是成型刀具，所以刀刃与工件接触线较长，切削力也较大。为避免切削力过大造成刀具损坏或在切削中引起震颤，通常在切削螺纹时需要多次进刀才能完成。

3．编程举例

（略）见P55。

二、螺纹切削循环指令G92

1．指令格式

直螺纹: G92 X(U)_ Z(W)_ F_ ；

锥螺纹: G92 X(U)_ Z(W)_ R_ F_ ；

其中X(U)、Z(W)为螺纹终点坐标，F为螺纹的导程，R为螺纹始点与终点的半径差,有正负号之分。

2．编程举例

（略）见P56。

三、复合螺纹切削循环指令G76

1．指令格式

G76 Pmrα Q△dmin Rd；

G76 X（U） Z（W） R（I） P（k） Q（△d） F（f）；

说明：

（1）复合螺纹切削循环指令可以完成一段螺纹的全部切削工作。它的进刀方法有利于改善刀具的切削条件，在编程中应该优先考虑应用此程序；

（2）其中m为精加工重复次数；r为45°螺纹尾的Z向长度除以导程乘以10；α为刀尖角；△dmin为最小切入量；d为精加工余量；X、Z为终点坐标；

（3）I为螺纹部分的半径差；加工圆柱螺纹时，I=0；加工圆锥螺纹时，当X向切削始点坐标小于终点坐标时，I为负值；反之取正。k为螺牙的高度（半径值）；△d为第一次切入量（X轴方向的半径值）；f为螺纹刀程。

2．编程举例

小结

强调螺纹切削加工原理、G32、G92、G76编程区别、应用。

序号：15

FANUC 0-T数控系统具有45°倒角和倒1/4圆角的功能。在加工回转体零件的台阶和端面交接处，可以用G01指令实现倒角和倒圆。

一、倒角与倒圆角原理与编程。

1．倒角

（1）Z轴向X轴 

（2）X轴向Z轴

（3）任意角度倒角

2．任意角度倒角

程序段格式为：G01 X_ K(C)_ F_ ；

G01 Z_ I (C)_ F_ ；

其中：X、Z为倒角后刀尖所在位置的坐标值；I(C)、K(C)为倒角值，如果倒角后刀具沿坐标轴的正方向运动，I、K取正值，反之取负值。

3．倒圆

4．任意角度倒圆 

程序段格式为：G01 X_ R_ F_ ；

G01 Z_ R_ F_ ；

其中：X、Z为倒圆后刀尖所在位置的坐标值；R为倒圆半径，如果倒圆后刀具沿坐标轴的正方向运动，R取正值，反之取负值。

5．倒角与倒圆角举例

小结

说明倒角与倒圆角在不同数控系统中的应用、简要说明西门子系统中相关指令的应用。

第三节  数控车削实训

序号：16

一、数控车床基本操作实训

1．熟悉CRT/MDI面板各按健的名称和功能，学习加工程序的输入与编辑、掌握刀具补偿的设置方法；

2．学习机床操作面板的使用方法，掌握各按钮和开关的用途及操作中应注意的问题；

3. 练习刀具的安装、工件的安装与找正；

4. 学习数控车床的基本操作。

二、数控车床编程实训一

编程实训练习1

(1) 工艺分析；

(2) 确定工步内容、刀具及切削参数；

(3) 编写加工程序。

三、对零件的特点、工艺和编程总结，并说明本次操作实训的目的。

小结

强调程序的编制方法、数控车床的操作及零件的加工与测量方法。

序号：17

一、编程实训二

编程实训练习2

（1）工艺分析；

（2）确定工步内容、刀具及切削参数；

（3）编写加工程序。

二、加工进程安排

数控车床加工实训

（1）检查机床；

（2）准备刀具及毛坯；

（3）安装工件；

（4）对刀及设置参数；

（5）输入程序；

（6）试切或模拟；

（7）校正程序；

（8）加工；

（9）检验；

（10）填表；

（11）考核。

小结

进一步强调说明数控加工加工进程安排、注意事项。

第四节  车削中心的程序编制

序号：18 

一、用于车削中心的辅助功能指令

1．主轴锁紧指令M52

2．主轴松开指令M53

3．主轴(C轴)离合器合上指令M54

4．主轴(C轴) 离合器打开指令M55

二、铣削功能

车削中心回转刀架上安装的自驱动铣削刀具，分别为X向铣刀和Z向铣刀。其中X向铣刀主要完成铣削平面、铣螺旋槽、铣键槽、铣径向孔等加工任务；Z向铣刀主要完成铣削端面圆弧槽、直线槽，铣削在端面上分布的平行于工件轴线的孔等加工任务。铣削刀具加工时，C轴(主轴)只能做分度运动，铣刀在旋转的同时，随回转刀架沿X轴或Z轴进给。

三、车削中心编程中子程序的应用

1．子程序的组成格式

Ｏ××××              子程序号

N___ - - - - - - ；

    ……                子程序的加工内容；

N___ - - - - - - ；

N___ M99 ；             子程序结束指令。

2．子程序的调用

M98 P×××××  ；

四、车削中心编程实例

（1）工艺分析

（2）确定工步内容、刀具及切削参数

（3）编写加工程序 

（略）见P73。

小结

说明车削中心与数控车床的区别、C轴和第二主轴的概念、作用。