(数控加工)数控铣床编程入门知识精编

（数控加工）数控铣床编程

入门知识

模块二数控铣床编程入门知识

本课题能够引领你进入数控铣床编程的大门，本课题学习数控铣床编程基础，其目的是在学习数控编程前对数控编程有壹个总体的了解和把握，对数控程序的结构建立起基本的印象。通过本课题的学习，你能够轻松的掌握数控铣床加工工艺的分析方法，数控铣削加工工艺的实质，就是在分析零件精度和表面粗糙度的基础上，对数控铣削的加工方法、装夹方式、切削加工进给路线、刀具选择以及切削用量等工艺内容进行正确而合理的选择。

学习目标

知识目标：●了解数控编程的内容、结构和基础知识。

●掌握数控铣床坐标系与运动方向的规定与建立。

能力目标：●数控铣床加工工艺知识的综合应用。

壹、数控铣床加工工艺入门知识

数控铣削加工工艺性分析是编程前的重要工艺准备工作之壹，根据加工实践，数控铣削加工工艺分析所要解决的主要问题大致可归纳为以下几个方面。

（壹）选择且确定数控铣削加工部位及工序内容

在选择数控铣削加工内容时，应充分发挥数控铣床的优势和关键作用。主要选择的加工内容有：

1.工件上的曲线轮廓，特别是由数学表达式给出的非圆曲线和列表曲线等曲线轮廓，如图2-50所示的正弦曲线。

2.已给出数学模型的空间曲面,如图2-51所示的球面。

3.形状复杂、尺寸繁多、划线和检测困难的部位；

3.用通用铣床加工时难以观察、测量和控制进给的内外凹槽；

4.以尺寸协调的高精度孔和面；

5.能在壹次安装中顺带铣出来的简单表面或形状；

6.用数控铣削方式加工后，能成倍提高生产率，大大减轻劳动强度的壹般加工内容。

（二）零件图样的工艺性分析

根据数控铣削加工的特点，对零件图样进行工艺性分析时，应主要分析和考虑以下壹些问题。

1.零件图样尺寸的正确标注

由于加工程序是以准确的坐标点来编制的，因此，各图形几何元素间的相互关系（如相切、相交、垂直和平行等）应明确，各种几何元素的条件要充分，应无引起矛盾的多余尺寸或者影响工序安排的封闭尺寸等。例如，零件在用同壹把铣刀、同壹个刀具半径补偿值编程加工时，由于零件轮廓各处尺寸公差带不同，如在图2-52中，就很难同时保证各处尺寸在尺寸公差范围内。这时壹般采取的方法是：兼顾各处尺寸公差，在编程计算时，改变轮廓尺寸且移动公差带，改为对称公差，采用同壹把铣刀和同壹个刀具半径补偿值加工，对图2-52中括号内的尺寸，其公差带均作了相应改变，计算和编程时用括号内尺寸来进行。

图2-52零件尺寸公差带的调整

2.统壹内壁圆弧的尺寸

加工轮廓上内壁圆弧的尺寸往往限制刀具的尺寸。

（1）内壁转接圆弧半径R

如图2-53所示，当工件的被加工轮廓高度H较小，内壁转接圆弧半径R较大时，则可采用刀具切削刃长度L较小，直径D较大的铣刀加工。这样，底面A 的走刀次数较少，表面质量较好，因此，工艺性较好。反之如图2-54，铣削工艺性则较差。

通常，当R<0.2H时，则属工艺性较差。

（2）内壁和底面转接圆弧半径r

图2-53 R较大时

如图2-55，铣刀直径D 壹定时，工件的内壁和底面转接圆弧半径r 越小，铣刀和铣削平面接触的最大直径d=D-2r 也越大，铣刀端刃铣削平面的面积越大，则加工平面的能力越强，因而，铣削工艺性越好。反之，工艺性越差,如图2-56所示。

当底面铣削面积大，转接圆弧半径r 也较大时，只能先用壹把r 较小的铣刀加工，再用符合要求r 的刀具加工，分俩次完成切削。

总之，壹个零件上内壁转接圆弧半径尺寸的大小和壹致性，影响着加工能力、加工质量和换刀次数等。因此，转接圆弧半径尺寸大小要力求合理，半径尺寸尽可能壹致，至少要力求半径尺寸分组靠拢，以改善铣削工艺性。

（三）保证基准统壹的原则 有些工件需要在铣削完壹面后，再重新安装铣削另壹面，由于数控铣削时，不能使用通用铣床加工时常用的试切方法来接刀，因此，最好采用统壹基准定位，即力求设计基准、工艺基准和编程基准统壹。

（四）分析零件的变形情况

铣削工件在加工时的变形，将影响加工质量。这时，可采用常规方法如粗、精加工分开及对称去余量法等，也可采用热处理的方法，如对钢件进行调质处理，对铸铝件进行退火处理等。加工薄板时，切削力及薄板的弹性退让极易产生切削面的振动，使薄板厚度尺寸公差和表面粗糙度难以保证，这时，应考虑合适的工件装夹方式。

图2-55 r 较小

这样做可以减少基准不重合产生的误差和数控编程中的计算量，并且能有效的减少装夹次数。

总之，加工工艺取决于产品零件的结构形状，尺寸和技术要求等。在表2-1中给出了改进零件结构提高工艺性的壹些实例。

表2-1改进零件结构提高工艺性

面间加入过渡 改进零件

几何形状

斜面筋代替

阶梯筋，节约

材料

（五）零件的加工路线

在数控加工中，刀具(严格说是刀位点)相对于工件的运动轨迹和方向称为加工路线。即刀具从对刀点开始运动起，直至结束加工所经过的路径，包括切削加工的路径及刀具引入、返回等非切削空行程。加工路线的确定首先必须保证被加工零件的尺寸精度和表面质量，其次考虑数值计算简单，走刀路线尽量短，效率较高等。

下面举例分析数控机床加工零件时常用的加工路线。 1.铣削轮廓表面

在图2-57铣削轮廓表面时壹般采用立铣刀侧面刃口进行切削。对于二维轮 廓加工通常采用的加工路线为： （1)从起刀点下刀到下刀点； （2)沿切向切入工件； （3)轮廓切削；

（4)刀具向上抬刀，退离工件； （5)返回起刀点。

2.寻求最短走刀路线

走刀路线就是刀具在整个加工工序中的运动轨迹，它不但包括了工步的内容，也反映出工步顺序，走刀路线是编写程序的依据之壹。

如加工图2-58（a ）所示的孔系。图2-58（b ）的走刀路线为先加工完外圈孔后，再加工内圈孔，若改用图2-58（c ）图的走刀路线，可减少空刀时间，则可节省定位时间近壹倍，提高了加工效率。

（a ）钻削示例件（b ）常规进给路线（c ）最短进给路线

图2-58最短走刀路线的设计

3.顺铣和逆铣对加工影响

在铣削加工中，采用顺铣仍是逆铣方式是影响加工表面粗糙度的重要因素之壹。逆铣时切削力F 的水平分力F X 的方向和进给运动V f 方向相反，顺铣时切削力F

切入点

切出点

轮廓切削

图2-57 轮廓铣削

的水平分力F X的方向和进给运动V f的方向相同。铣削方式的选择应视零件图样的加工要求，工件材料的性质、特点以及机床、刀具等条件综合考虑。通常，由于数控机床传动采用滚珠丝杠结构，其进给传动间隙很小，顺铣的工艺性就优于逆铣。

如图2-59（a）所示为采用顺铣切削方式精铣外轮廓,图2-59（b）所示为采用逆铣切削方式精铣型腔轮廓,图2-59（c）所示为顺、逆铣时的切削区域。

（a)顺铣（b)逆铣（c)切入和退刀区

图2-59顺铣和逆铣切削方式

同时，为了降低表面粗糙度值，提高刀具耐用度，对于铝镁合金、钛合金和耐热合金等材料，尽量采用顺铣加工。但如果零件毛坯为黑色金属锻件或铸件，表皮硬而且余量壹般较大，这时采用逆铣较为合理。

（六）数控铣削加工顺序的安排

加工顺序通常包括切削加工工序、热处理工序和辅助工序等，工序安排的科学和否将直接影响到零件的加工质量、生产率和加工成本。切削加工工序通常按以下原则安排：

1.先粗后精当加工零件精度要求较高时都要经过粗加工、半精加工、精加工阶段，如果精度要求更高，仍包括光整加工等几个阶段。

2.基准面先行原则用作精基准的表面应先加工。任何零件的加工过程总是先对定位基准进行粗加工和精加工，例如轴类零件总是先加工中心孔，再以中心孔为精基准加工外圆和端面；箱体类零件总是先加工定位用的平面及俩个定位孔，再以平面和定位孔为精基准加工孔系和其他平面。

3.先面后孔对于箱体、支架等零件，平面尺寸轮廓较大，用平面定位比较稳定，而且孔的深度尺寸又是以平面为基准的，故应先加工平面，然后加工孔。

4.先主后次即先加工主要表面，然后加工次要表面。

（七）常用铣削用量的选择

在数控机床上加工零件时，切削用量都预先编入程序中，在正常加工情况下，人工不予改变。只有在试加工或出现异常情况时，才通过速率调节旋钮或电手轮调整切削用量。因此程序中选用的切削用量应是最佳的、合理的切削用量。只有这样才能提高数控机床的加工精度、刀具寿命和生产率，降低加工成本。

影响切削用量的因素有：

机床切削用量的选择必须在机床主传动功率、进给传动功率以及主轴转速范围、进给速度范围之内。机床—刀具—工件系统的刚性是限制切削用量的重要因素。切削用量的选择应使机床—刀具—工件系统不发生较大的“振颤”。如果机床的热稳定性好，热变形小，可适当加大切削用量。

刀具刀具材料是影响切削用量的重要因素。表2-2是常用刀具材料的性能比较。

数控机床所用的刀具多采用可转位刀片（机夹刀片）且具有壹定的寿命。机夹刀片的材料和形状尺寸必须和程序中的切削速度和进给量相适应且存入刀具参数中去。标准刀片的参数请参阅有关手册及产品样本。

工件不同的工件材料要采用和之适应的刀具材料、刀片类型，要注意到可切削性。可切削性良好的标志是，在高速切削下有效地形成切屑，同时具有较小的刀具磨损和较好的表面加工质量。较高的切削速度、较小的背吃刀量和进给量，能够获得较好的表面粗糙度。合理的恒切削速度、较小的背吃刀量和进给量能够得到较高的加工精度。

冷却液冷却液同时具有冷却和润滑作用。带走切削过程产生的切削热，降低工件、刀具、夹具和机床的温升，减少刀具和工件的摩擦和磨损，提高刀具寿命和工件表面加工质量。使用冷却液后，通常能够提高切削用量。冷却液必须定期更换，以防因其老化而腐蚀机床导轨或其他零件，特别是水溶性冷却液。

铣削加工的切削用量包括：切削速度、进给速度、背吃刀量和侧吃刀量。从刀具耐用度出发，切削用量的选择方法是：先选择背吃刀量或侧吃刀量，其次选择进给速度，最后确定切削速度。

1.背吃刀量a p或侧吃刀量a e

背吃刀量a p为平行于铣刀轴线测量的切削层尺寸，单位为㎜。端铣时，a p为切削层深度；而圆周铣削时，为被加工表面的宽度。侧吃刀量a e为垂直于铣刀轴线测量的切削层尺寸，单位为㎜。端铣时，a e为被加工表面宽度；而圆周铣削时，a e为切削层深度，见图2-60

（a）周铣（b）端铣

图2-60铣削加工的切削用量

背吃刀量或侧吃刀量的选取主要由加工余量和对表面质量的要求决定：（1）当工件表面粗糙度值要求为R a=12.5～25μm时，如果圆周铣削加工余量小于5㎜，端面铣削加工余量小于6㎜，粗铣壹次进给就能够达到要求。可是在余量较大，工艺系统刚性较差或机床动力不足时，可分为俩次进给完成。

（2）当工件表面粗糙度值要求为R a=3.2～12.5μm时，应分为粗铣和半精铣俩步进行。粗铣时背吃刀量或侧吃刀量选取同前。粗铣后留0.5～1.0㎜余量，在半精铣时切除。

（3）当工件表面粗糙度值要求为R a=0.8～3.2μm时，应分为粗铣、半精铣、精铣三步进行。半精铣时背吃刀量或侧吃刀量取1.5～2㎜；精铣时，圆周铣侧吃刀量取0.3～0.5㎜，面铣刀背吃刀量取0.5～1㎜。

2.进给量f和进给速度V f的选择

铣削加工的进给量f（㎜/r）是指刀具转壹周，工件和刀具沿进给运动方向的相对位移量；进给速度V f（㎜/min）是单位时间内工件和铣刀沿进给方向的相对位移量。进给速度和进给量的关系为V f=nf（n为铣刀转速，单位r/min）。进给量和进给速度是数控铣床加工切削用量中的重要参数，根据零件的表面粗糙度、加工精度要求、刀具及工件材料等因素，参考切削用量手册选取或通过选取每齿进给量f z，再根据公式f=Zf z（Z为铣刀齿数）计算。

每齿进给量f z的选取主要依据工件材料的力学性能、刀具材料、工件表面粗糙度等因素。工件材料强度和硬度越高，f z越小；反之则越大。硬质合金铣刀的每齿进给量高于同类高速钢铣刀。工件表面粗糙度要求越高，f z 就越小。每齿进给量的确定可参考表2-3选取。工件刚性差或刀具强度低时，应取较小值。

3.切削速度c

铣削的切削速度V c和刀具的耐用度、每齿进给量、背吃刀量、侧吃刀量以及铣刀齿数成反比，而和铣刀直径成正比。其原因是当f z、a p、a e和Z 增大时，刀刃负荷增加，而且同时工作的齿数也增多，使切削热增加，刀具磨损加快，从而限制了切削速度的提高。为提高刀具耐用度允许使用较低的切削速度。可是加大铣刀直径则可改善散热条件，能够提高切削速度。

铣削加工的切削速度V c可参考表2-4选取，也可参考有关切削用量手册中的经验公式通过计算选取。

图2-61为盒型模具的凹模零件图，该盒型模具为单件生产，零件材料为T8A，分析其数控加工工艺。

1.零件图工艺性分析

该盒型模具为单件生产，零件材料为T8A，外形为壹个六面体，内腔型面复杂。主要结构是由多个曲面组成的凹型型腔，型腔四周的斜平面之间采用半径为7.6㎜的圆弧面过渡，斜平面和底平面之间采用半径为5㎜的圆弧面过渡，在模具的底平面上有壹个四周也为斜平面的锥台。模具的外部结构较为简单，是壹个标准的长方体。因此零件的加工以凹型型腔为重点。

2.选择设备

根据被加工零件的外形和材料等条件，选用VP1050立式镗铣床加工中心。

图2-61盒型模具

3.确定零件的定位基准和装夹方式

零件直接安装在机床工作台面上，用俩块压板压紧。

4.确定加工顺序及进给路线

（1）粗加工整个型腔，去除大部分加工余量。

（2）半精加工和精加工上型腔。

（3）半精加工和精加工下型腔。

（4）对底平面上的锥台四周表面进行精加工。

5.刀具选择（见表2-5）

7.数控加工工艺卡片拟订（见表2-6）

表面

编制×××审核××

×

批准

×××年月日共页第页

任何壹个零件的数控铣削编程均是在工件坐标系中完成的，而工件坐标系的

确立又离不开机床坐标系作为参考，因此，建立数控铣床机床坐标系、工件坐标

系的空间概念，明确俩者的关系对于数控铣床编程十分必要。图2-62展示了数

控铣床工件坐标系和机床坐标系的关系，其中，O1为机床坐标原点、O为工件

坐标原点。数控机床上的坐标系采用右手直角笛卡儿直角坐标系，如图2-63所示，在图中，大拇指指的方向为X轴的正反向，食指为Y轴的正方向，中指为Z

轴的正方向。图2-64、图2-65分别为立式数控铣床坐标系、卧式数控铣床坐标系。

图2-63 笛卡儿右手直角坐标系

三、数控铣床加工程序结构和格式 （壹）程序的结构

壹个完整的零件程序由若干程序段组成，每个程序段由若干个指令字组成。指令字表示壹个信息单元，每个指令字又由字母（地址符）、数字、符号组成。

例如：某壹零件的加工程序

（二）程序段格式

N-G-X-Y-Z-……F-S-T-M-； 各个功能字的意义如下： 1.程序段号N

用来表示程序从起动开始操作的顺序，即程序段执行的顺序号。它用地址码“N ”和后面的1～9999中任意数字来表示。

2.准备功能字G

也称为G 代码。准备功能是使数控装置作某种操作的功能，它壹般紧跟在程序段序号后面，用地址码“G ”和俩位数字来表示。

3.尺寸字

尺寸字是给定机床各坐标轴位移的方向和数据的，它由各坐标轴的地址代码、数字构成。尺寸字壹般安排在G 功能字的后面。尺寸字的地址代码，对于进

图2-65 卧式数控铣床坐标系

Z 轴为与主轴轴线重合的坐标轴，且取刀具远离工件的方向为正；

X 轴为水平方向，主轴为卧式时，从主轴向工件看，其正方向指向右；

Y 轴垂直于X 、Z 坐标轴，其正方向根据X 、Z 的正方向，按照笛卡儿右手直角坐标系来判定。

程序内容

图2-66 五轴数控铣床

给运动为：X、Y、Z、U、V、W、P、Q、R；对于回转运动的地址代码为：A、

B、C、D、E。此外，仍有插补参数字：I、J、K等。

4.进给功能字F

它给定刀具对于工件的相对速度，由地址码“F”和其后面的若干位数字构成。这个数字取决于每个数控装置所采用的进给速度指定方法。进给功能字应写在相应轴尺寸字之后，对于几个轴合成运动的进给功能字，应写在最后壹个尺寸字之后。壹般单位为：mm/min，切削螺纹时用mm/r表示，在英制单位中用英寸表示。

5.主轴转速功能字S

主轴转速功能也称为S功能，该功能字用来选择主轴转速，它由地址码“S”和在其后面的若干位数字构成。主轴速度单位用r/min表示。

6.刀具功能字T

该功能也称为T功能，它由地址码“T”和后面的若干位数字构成。刀具功能字用于更换刀具时指定刀具或显示待换刀号，有时也能指定刀具位置补偿。

7.辅助功能字M

也称为M功能，该功能指定除G功能之外的种种“通断控制”功能。它壹般用地址码“M”和后面的俩数字表示。

8.程序段结束符

每壹个程序段结束之后，都应加上程序段结束符。当用EIA（美国电子工业协会）标准代码时，结束符为“CR”,用ISO（国际标准化组织）标准代码时为“NL”或“LF”。书面和显示的表达有的用“；”，有的用“*”，也有的没有书面（显示）表示符号（空白）。

四、数控铣床编程指令体系

FANUC—0MC数控系统的特点是：轴控制功能强，其基本可控制轴数为X、Y、Z三轴，扩展后可联动控制轴数为四轴；编程代码通用性强，编程方便，可靠性高。下面以FANUC—0MC数控系统为例来讲解数控铣床编程指令体系。

（一）准备功能G

准备功能也叫G功能或G代码。它是使数控机床建立起某种加工方式的指令，如插补、刀具补偿、固定循环等。G功能字由地址符G和其后的俩位数字组成，从G00—G99共100种功能。见下表2-7。

表内标有字母a、c、d……字母的是表示所对应的第壹列中的G代码为模态代码（功能保持到被取消或被同样字母表示的程序指令所代替），标有“*”的为非模态代码（功能仅在所出现的程序段内有效）。字母相同的为壹组，同组的任意俩个G代码不能同时出当下壹个程序段中。

（二）辅助功能M

辅助功能字是用于指定主轴的旋转方向、启动、停止、冷却液的开关，工件

或刀具的夹紧和松开，刀具的更换等功能。辅助功能字由地址符M和其后的俩位数字组成。表2-8为M代码。

由于数控机床的厂家很多，每个厂家使用的G功能、M功能和ISO标准也不完全相同，因此对于每壹台数控机床，必须根据机床说明书的规定进行编程。

2.M90～M99可指定为特殊用途。

（三）进给功能F

进给功能也称F功能，用来指定坐标轴移动进给的速度。程序中通过F地址来访问进给功能字，用于控制刀具移动时的速率，如图2-67所示。F后面所接数值代表每分钟刀具进给量，单位为mm／min。F进给功能的值是模态的，只能由另壹个F地址字取消。每分钟进给的优点就是它不依赖于主轴转速，这使得它能够使用多把不同直径的刀具，从而在铣削中很有用。

F功能指令值如超过制造厂商所设定的范围时，则以厂商所设定的最高或最低进给率为实际进给率。在操作中为了实际加工条件的需要，也可由执行操作面板上的"切削进给率"旋钮来调整实际进给率。

图4-30F功能

图2-67F功能

F功能的数值可由下列公式（2-1）计算而得：

F＝Ft×T×S（2-1）

式中Ft——铣刀每刃的进给量mm／tooth；

T——：铣刀的刀刃数；

S——刀具的转数r/min。

例题：使用φ75mm，6刃的面铣刀，铣削碳钢表面，V＝100m／min，Ft ＝0.08mm／刃，求S及F。

解答：

S＝1000Ｖ／πＤ＝1000×100／3.14×75＝425r/min

F＝Ft×T×S＝0.08×6×425＝204mm／min

刀具材质及被切削材料不同，则切削速度，每刃的进给量也不相同。

(四)主轴转速S

主轴转速功能能又称为S功能，用来指定主轴的转速(r/min)。主轴功能以地址S后面接1～4位数字组成。如其指令的数值大于或小于制造厂商所设定的最高或最低转速时，将以厂商所设定的最高或最低转速为实际转速。在操作中为了实际加工条件的需要，也可由执行操作面板的"主轴转速调整率"旋钮来调整主轴实际转速。

S指令只是设定主轴转速大小，且不会使主轴回转，需有M03（主轴正转）或M04（主轴反转）指令时，主轴才开始旋转。

例如：S1000M03；主轴正转，其转速为1000r/min。

主轴转速可由下列公式（2-2）计算而得：

n＝1000V／πD（2-2）

式中n——主轴转速r/min；V：切削速度m／min；

D——刀具直径mm；

π——圆周率3.14。

例题：已知用φ10mm高速钢端铣刀，V＝22m／min，求n。

解答：n＝1000×22／3.14×10＝700r/min。

(五)刀具功能T

刀具功能又称为T功能，在自动换刀的数控机床中选择所需的刀具。数控铣床无自动换刀装置，必须用手换刀，所以T功能是用于加工中心的。T功能以地址T后面接2位数字组成。