外径切削指令

时间：2024-10-11 百科知识版权反馈

【摘要】：制订数控车削外圆柱面和圆锥面零件的加工工艺方案，应用G90指令编写程序并加工如图2-14所示零件，毛坯选用φ40mm×46mm的钢料。G90、G94指令可加工简单形体，且背吃刀量可以不均，适用于车削毛坯余量较大的场合，编程时需人为分层车削。圆锥车削应按照最大切除余量确定走刀次数，避免第一刀的切深过大。其中，高速钢、硬质合金和涂层硬质合金在数控车削刀具中应用较广。

第二节　内、外径切削指令G90

【工作任务】

制订数控车削外圆柱面和圆锥面零件的加工工艺方案，应用G90指令编写程序并加工如图2-14所示零件，毛坯选用φ40mm×46mm的钢料。

图2-14　双向锥轴

【相关理论】

实际加工中，我们常会遇到简单的阶梯轴套类零件，若采用单一编程指令如G00、G01、G02/03进行编程加工，程序量大，在加工过程中，类似程序正负号输错、数值输入出错等由于操作者的失误所引起的错误，很容易出现安全事故及产品报废。为简化程序、提高安全性，可使用数控系统提供的单一循环G90、G92、G94等指令。

单一循环指令G90、G94集成了G00、G01的动作，程序量小且简洁，程序不容易出错。G90、G94指令可加工简单形体，且背吃刀量可以不均，适用于车削毛坯余量较大的场合，编程时需人为分层车削。

一、圆柱面切削循环G90

1.指令格式

G90 X（U）　Z（W）　F；

X（U）　Z（W）　：循环切削终点（图2-15中C点）处的坐标，U和W后面数值的符号取决于轨迹AB和BC的方向。

F：循环切削过程中的进给速度，该值可沿用到后续程序中去，也可沿用循环程序前已经指令的F值。

例　G90　X30.0　Z-30.0　F0.1；

2.指令的运动轨迹及工艺说明

圆柱面切削循环（即矩形循环）的执行过程如图2-15所示。刀具从程序起点A开始以G00方式径向移动至指令中的X坐标处（图中B点），再以G01的方式沿轴向切削进给至终点坐标处（图中C点），然后退至循环开始的X坐标处（图中D点），最后以G00方式返回循环起始点A处，准备下个动作。

该指令与简单的编程指令（如G00，G01等）相比，即将AB、BC、CD、DA四条直线指令组合成一条指令进行编程，从而达到了简化编程的目的。

图2-15　圆柱面切削循环

3．循环起点的确定

循环起点是机床执行循环指令之前，刀位点所在的位置，该点既是程序循环的起点，又是程序循环的终点。对于该点，考虑快速进刀的安全性，Z向离开加工部位1～2mm，在加工外圆表面时，X向可略大于或等于毛坯外圆直径；加工内孔时，X向可略小于或等于底孔直径。

4.分层加工终点坐标的确定

根据硬质合金或涂镀硬质合金刀具车削碳钢时切削用量的推荐值，粗加工背吃刀量2～3mm（单边量），精加工背吃刀量根据刀具刀尖圆弧半径的不同，取值0.2～0.6mm。分层加工终点坐标见下表2-3。

表2-3　分层切削加工终点坐标的确定

5.编程实例

例　试用G90指令编写图2-15所示工件的加工程序。

O0201；

G99 G21 G40；　　　　　　　　　（程序初始化）

T0101；　　　　　　　　　　　　（转1号刀并调用1号刀补）

M03 S600；　　　　　　　　　　（主轴正转，转速600r/min）

G00 X52.0 Z2.0；　　　　　　　（固定循环起点）

G90 X46.0 Z-29.9 F0.2；　　　　（调用固定循环加工圆柱表面）

　　X42.0；　　　　　　　　　　（固定循环模态调用，以下同）

　　X38.0；

　　X34.0；

　　X30.5；　　　　　　　　　　（精加工余量为0.5mm）

　　X30.0 Z-30.0 F0.1 S1200；　（精加工进给速度、转速）

G00 X100.0 Z100.0；

M30；　　　　　　　　　　　　　（主轴停转，程序结束，并返回程序开头）

二、圆锥面切削循环G90（R）

1.指令格式

G90 X（U）　Z（W）　R　F　

X（U）　Z（W）　：循环切削终点处的坐标；

F：循环切削过程中进给速度的大小；

R：圆锥面切削起点（图2-16中的B点）处的X坐标减终点（图2-16中的C点）处X坐标值的1/2。

例　G90　X30.0　Z-30.0　R-5.0　F0.2；

2.指令的运动轨迹与工艺分析

指令的循环加工轨迹如图2-16所示，相似于圆柱面切削循环。

3. R值的确定

G90循环指令中的R值有正负之分，当切削起点处的半径小于终点处的半径时，R为负值，如图2-16中R值即为负值，反之则为正值。

为了保证锥面加工时锥度的正确性，该循环的循环起点一般应在离工件X向1～2mm和Z向为Z0的位置处，如图2-17所示。当加工CD直线段时，如果Z向起刀点处在Z3.0位置时，其实际的加工路线为ED，从而会产生了锥度误差。解决其锥度误差的另一种办法是在CD直线的延长线上起刀（图2-17中的G点），但这时要重新计算R值（可按相似三角形的性质计算）。

圆锥面的锥度C为圆锥大、小端直径之差与长度之比，即：C=（D-d）/L

（40-30）/30=X/（30+3）

X=11（mm）

即R=-X/2=-5.5（mm）

图2-16　圆锥面切削循环的轨迹

图2-17　圆锥面切削循环的工艺分析

4.分层加工终点坐标的确定

圆锥车削应按照最大切除余量确定走刀次数，避免第一刀的切深过大。即以图2-17中CF段的长度进行平均分配。如果按图2-17中的BD段长度来分配背吃刀量的大小，则在加工过程中会使第一次执行循环时的开始处背吃刀量过大，如图中ABF区域所示，即在切削开始处的背吃刀量为5mm。

本例中，粗加工背吃刀量取单边3mm，精加工余量为0.6mm，根据圆锥小端加工总余量20.0mm确定分层切削粗加工次数为4次。分层切削起点的X坐标如表2-4所示，表中终点X坐标值=起点X坐标+大小端直径差。

表2-4　圆锥面分层切削加工终点坐标的确定

续表

5.编程实例

例　试用G90指令编写图2-16所示工件的加工程序。

O0202

G99 G21 G40；　　　　　　　　　（程序初始化）

T0101；　　　　　　　　　　　　（转1号刀并调用1号刀补）

M03 S600；　　　　　　　　　　（主轴正转，转速600r/min）

G00 X52.0 Z3.0；　　　　　　　（固定循环起点，Z向为Z0）

G90 X54.0 Z-30.0 R-5.5 F0.2；　（在X46.0 Z0处开始切削，平均分配背吃刀量）

　　X48.0；　　　　　　　　　　（固定循环模态调用，以下同）

　　X42.0；

　　X40.5；　　　　　　　　　　（精加工余量为0.5mm）

　　X40.0 F0.1 S1200；　　　　（精加工进给速度、转速）

G00 X100.0 Z100.0；

M30；

三、圆锥车削加工路线

圆锥的加工路线通常有两种，当按照图2-18（a）所示加工路线时，刀具每次切削的背吃刀量相等，但编程时需计算刀具的起点和终点坐标。采用这种加工路线时，加工效率高，但计算麻烦。

当按照图2-18（b）所示加工路线时，无须计算终点坐标，但用单一固定循环编程时需要计算每一刀进给的R值，且每次切削过程中，背吃刀量是变化的，从而会引起工件表面粗糙度不一致。

图2-18　圆锥车削方法

四、外圆车削相关工艺知识

1.常用数控车刀的刀具参数

对于机夹可转位刀具，其刀具参数已设置成标准化参数。而对于需要刃磨的刀具，在刃磨过程中要注意保证这些刀具参数。

以硬质合金外圆精车刀为例，数控车刀的刀具角度参数如图2-19所示，具体角度的定义方法请参阅有关切削手册。硬质合金刀具切削碳素钢时的角度参数参考取值见表2-5。在确定角度参数值的过程中，应考虑工件材料、硬度、切削性能、具体轮廓形状和刀具材料等诸多因素。

图2-19　数控车刀刀具角度参数

表2-5　常用硬质合金数控车刀切削碳素钢时的角度参数推荐值

2.数控车刀的刀具材料

常用的数控刀具材料有高速钢、硬质合金、涂层硬质合金、陶瓷、立方氮化硼、金刚石等。其中，高速钢、硬质合金和涂层硬质合金在数控车削刀具中应用较广。

高速钢是指加了较多的钨、钼、铬、钒等合金元素的高合金工具钢，其常用的牌号有W18Cr4V、W14Cr4VCo5和W6Mo5Cr4V2等。高速钢车刀具有较高的强度和韧性，主要用于复杂刀具和精加工刀具，但刀具耐热性差。该刀具材料的适用性较广，能适用各种金属的加工，由于其耐热性差，因此不适用于高速切削。

硬质合金分成钨钴（K）类、钨钛钴（P）类、钨钛钽钴（M）类等。常用刀具牌号有YG3、YG6、YG8、YT5、YT15、YT30、YW1、YW 2等。硬质合金具有高硬度、高耐磨性、高耐热性的特点，但其抗弯强度和冲击韧性较差，因此，该材料适用于精加工或加工钢及韧性较大的塑性金属。

涂层硬质合金是在普通硬质合金的基体上通过“涂镀”新工艺而得到的，使得其耐磨、耐热和耐腐蚀性能得到大大提高。因此，其使用寿命比普通硬质合金至少可提高1～3倍。

陶瓷材料是含有金属氧化物或氮化物的无机非金属材料，该材料具有很高的硬度和耐磨性，很强的耐高温性和较低的摩擦系数。因此，陶瓷刀片是加工淬硬（达65HRC左右）钢及其他难加工材料的首选刀具。

立方氮化硼（CBN）及金刚石（PCD）材料具有极高的硬度和耐磨性，分别适用于精加工各种淬硬钢及高速精加工钛或铝合金工件，但不宜承受冲击和低速切削，也不宜加工软金属，且价格较高。

以上各刀具材料的硬度和韧性对比如图2-20所示。

图2-20　不同刀具材料的硬度与韧性对比

五、机械夹固式车刀简介

1.机械夹固式车刀

根据压紧方式的不同，分为复合压紧式（图2-21）和螺钉压紧式（图2-22）。

机械夹固式车刀的刀片为多边形，有多条切削刃，当某条切削刃磨损钝化后，只需松开夹固元件，将刀片转一个位置便可继续使用。其最大优点是车刀几何角度完全由刀片保证，切削性能稳定，刀杆和刀片已标准化，加工质量好。

在数控车床的加工过程中，为了减少转刀时间和方便对刀，便于实现加工自动化，应尽量选用机夹可转位刀片，目前，70%～80%的自动化加工刀具已使用了可转位刀片。另外，由于机夹可转位刀片的标号已使用了国家标准及ISO标准代码，因此，本节将主要介绍机夹可转位刀片。

图2-21　复合压紧式

图2-22　螺钉压紧式

2.机夹可转位刀片的代码

硬质合金可转位刀片的国家标准与ISO国际标准相同。共用10个号位的内容来表示品种规格、尺寸系列、制造公差以及测量方法等主要参数的特征。按照规定，任何一个型号的刀片都必须用前七个号位，后三个号位在必要时才使用。其中第10号位前要加一短横线“—”与前面号位隔开，第八、九两个号位如只使用其中一位，则写在第八号位上，中间不需要空格。

可转位刀片型号表示方法可用图2-23表达。十个号位表示的内容见表2-6。刀片型号的具体含义请查阅相关数控刀具手册。

图2-23　机夹可转位刀片型号表示方法

例　：TBHG120408EL-CF

T表示三角形刀片；B表示刀具法向主后角为5°；H表示刀片厚度公差为±0.013mm；G表示圆柱孔夹紧；12表示切削刃长12mm；04表示刀片厚度为4.76mm；08表示刀尖圆弧半径为0.8mm；E表示刀刃倒圆；L表示切削方向向左；CF为制造商代号。

表2-6　可转位刀片十个号位表示的内容

续表

3.数控车刀在数控机床刀架上的安装要求

车刀安装得正确与否，将直接影响切削能否顺利进行和工件的加工质量。安装车刀时，应注意下列几个问题。

①车刀安装在刀架上，伸出部分不宜太长，伸出量一般为刀杆高度的1～1.5倍。伸出过长会使刀杆刚性变差，切削时易产生振动，影响工件的表面粗糙度。

②车刀垫铁要平整，数量要少，垫铁应与刀架对齐。车刀至少要用两个螺钉压紧在刀架上，并逐个轮流拧紧。

③车刀刀尖应与工件轴线等高（图2-24（a）），否则会因基面和切削平面的位置发生变化，而改变车刀工作时的前角和后角的数值。当车刀刀尖高于工件轴线（图2-24（b））时，使后角减小，增大了车刀后刀面与工件间的摩擦；当车刀刀尖低于工件轴线（图2-24（c））时，使前角减小，切削力增加，切削不顺利。

车端面时，车刀刀尖高于或低于工件中心，车削后工件端面中心处留有凸头（图2-25）。使用硬质合金车刀时，如不注意这一点，车削到中心处会使刀尖崩碎。

图2-24　装刀高低对前后角的影响

图2-25　车刀刀尖不对准工件中心的后果

4.切削用量的选用

所谓切削用量是指切削速度、进给速度（进给量）和背吃刀量三者的总称。

（1）切削用量的选用原则　合理的切削用量是指充分利用刀具的切削性能和机床性能，在保证加工质量的前提下，获得高生产率和低加工成本的切削用量。不同的加工性质，对切削加工的要求是不一样的。因此，在选择切削用量时，考虑的侧重点也有所区别。

粗加工时，应尽量保证较高的金属切除率和必要的刀具使用寿命。因此，选择切削用量时应首先选取尽可能大的背吃刀量a _p；其次根据机床动力和刚性的限制条件，选取尽可能大的进给量f；最后根据刀具使用寿命要求，确定合适的切削速度v _C。

精加工时，首先根据粗加工的余量确定背吃刀量a _p；其次根据已加工表面的粗糙度要求，选取合适的进给量f；最后在保证刀具使用寿命的前提下，尽可能选取较高的切削速度v _C。

（2）切削用量的选取方法

①背吃刀量的选择。粗加工时，除留下精加工余量外，一次走刀尽可能切除全部余量。在加工余量过大、工艺系统刚性较低、机床功率不足、刀具强度不够等情况下，可分多次走刀。切削表面有硬皮的铸锻件时，应尽量使a _p大于硬皮层的厚度，以保护刀尖。

精加工的加工余量一般较小，可一次切除。

在中等功率机床上，粗加工的背吃刀量可达8～10mm；半精加工的背吃刀量取0.5～5mm；精加工的背吃刀量取0.2～1.5mm。

②进给速度（进给量）的确定。进给速度是数控机床切削用量中的重要参数，主要根据零件的加工精度和表面粗糙度要求以及刀具、工件的材料性质选取，最大进给速度受机床刚度和进给系统的性能限制。

粗加工时，由于对工件的表面质量没有太高的要求，这时主要根据机床进给机构的强度和刚性、刀杆的强度和刚性、刀具材料、刀杆和工件尺寸以及已选定的背吃刀量等因素来选取进给速度。

精加工时，则按表面粗糙度要求、刀具及工件材料等因素来选取进给速度。

③切削速度的确定。切削速度F可根据已经选定的背吃刀量、进给量及刀具使用寿命进行选取。实际加工过程中，也可根据生产实践经验和查表的方法来选取。

粗加工或工件材料的加工性能较差时，宜选用较低的切削速度。精加工或刀具材料、工件材料的切削性能较好时，宜选用较高的切削速度。

切削速度v _C确定后，可根据刀具或工件直径（D）按公式n=1000v _C/πD来确定主轴转速n（r/min）。

（3）硬质合金刀具切削用量选择推荐表　在工厂的实际生产过程中，切削用量一般根据经验并通过查表的方式来进行选取。常用硬质合金或涂层硬质合金切削不同材料时的切削用量推荐值见表2-7。

表2-7　硬质合金或涂镀硬质合金刀具切削用量的推荐值

续表

上表中，当进行切深进给时，进给量取上表相应数值之半。

5.外圆尺寸的修调方法

刀具补偿参数界面中的磨耗值通常用于补偿刀具的磨损量，也常用于补偿加工误差值。在零件完成粗加工后，虽然进行检测并按照实测值误差进行了补偿，但完成精加工后往往仍然会出现尺寸超差的现象。究其原因，主要是因为：①对刀误差；②粗加工后的表面较粗糙造成检测误差，测量值大于实际值，按此测量值进行精加工往往会造成工件外圆尺寸偏小，无法弥补；③粗、精加工中切削力的变化造成实际切削深度与理论切深的偏差；④机床精度的影响。

为避免粗加工误差对精加工的影响，通常采用粗—半精加工—精加工的加工方案。为减少编程工作量，可通过在磨耗或刀尖圆弧半径补偿界面中预留精加工余量的方法，在粗—半精加工后检测工件尺寸并根据实测值修调磨耗值或刀尖圆弧半径补偿值，由于精加工与半精加工加工条件基本一致，从而有效地保证了加工精度。具体见表2-8。

表2-8　圆锥面分层切削加工终点坐标的确定

注意

精加工中，尺寸按中间公差值修调。

实操中运用磨耗值或刀尖圆弧半径补偿值修调尺寸时，先按程序完成零件的粗、精加工，由于通过磨耗值或刀具圆弧半径补偿值预留了精加工余量，此时精加工作为半精加工进行。根据实测值修调了磨耗值或刀尖圆弧半径补偿值后，只需在编辑模式中将光标移至调用精加工刀号刀补号（或重新调用刀号刀补号）程序段，切换至自动加工模式循环启动再执行一次精加工即可，见表2-9。

表2-9　程序调整说明

续表

6.零件表面质量问题分析

导致表面粗糙度质量下降的因素大多可通过操作者来避免或减小。因此，数控操作者的水平将对表面粗糙度质量产生直接的影响，部分影响零件表面质量因素见表2-10。

表2-10　表面粗糙度影响因素分析

7.常见刀具磨损分析

切削刀具磨损机制取决于诸如工件材料、刀片材质等级、加工参数与工况等因素，但是总能采取某些措施，使不同的磨损模式的影响最小化，并由此提高刀具寿命。常见的刀具磨损见图2-26所示。

图2-26　常见刀具磨损问题与对策

8.切削液的选用

（1）切削液的作用

①润滑作用。切削液能渗入到刀具、切屑、加工表面之间而形成薄薄的一层润滑膜或化学吸附膜，因此，可以减小它们之间的摩擦。切削液的润滑效果与切削条件有关，切削速度越高，切削厚度越大，工件材料强度越高，则切削液润滑效果越差。

②冷却作用。切削液能从切削区域带走大量的切削热，使切削温度降低。一般来说，水溶液的冷却性能最好，乳化液次之，油类最差。

③清洗作用。切削液的流动可冲走切削区域和机床导轨上的细小切屑及脱落的磨粒，从而达到清洗的目的。

④防锈作用。在切削液中加入防锈添加剂后，切削液可在金属材料表面上形成附着力很强的一层保护膜，从而对工件、机床、刀具起到很好的防锈、防腐作用。

（2）切削液的种类　切削液主要分为水基切削液和油基切削液两类。水基切削液主要成分是水、化学合成水和乳化液，冷却能力强。油基切削液主要成分是各种矿物油、动物油、植物油或由它们组成的复合油，并可添加各种添加剂，因此，其润滑性能突出。

（3）切削液的选择　粗加工或半精加工时，切削热量大。因此，切削液的作用应以冷却散热为主。精加工时，为了获得良好的已加工表面质量，切削液应以润滑为主。

注意

硬质合金刀具使用冷却液时，应采用连续冷却的办法进行，切忌暴冷暴热。

（4）切削液的使用方法　切削液的使用普遍采用浇注法。对于深孔加工、难加工材料的加工以及高速或强力切削加工，应采用高压冷却法。切削时切削液工作压力为1～10MPa，流量为50～150L/min。

喷雾冷却法也是一种较好的使用切削液的方法，加工时，切削液被施加高压并通过喷雾装置雾化，然后被高速喷射到切削区。

【任务实施】

1.编程准备

（1）分析零件图样　该零件的加工为外表面加工，包括φ38mm、φ30mm和φ25mm的圆柱面、φ20mm的圆锥面、C2倒角等表面。图样中有三处直径尺寸为中等公差等级要求，加工时需要用粗、精加工，并在粗、精加工之间加入测量和误差调整补偿。长度尺寸用一般加工方法就可以保证，表面粗糙度要求为R _a1.6um。零件材料为45钢，调质处理，加工后去毛刺。

本例工件的编程较为简单，只需掌握数控编程规则、常用指令的指令格式等理论知识及简单的G90指令即可完成编程。

（2）方案分析　夹持毛坯，伸出长度约为30mm，平端面，加工左侧轮廓。按直径从大到小依次粗车φ38mm、φ25mm外圆，各留0.3mm精加工余量进行轮廓精车。掉头装夹，粗、精车右侧轮廓，夹持φ25mm外圆，平端面保证总长尺寸，按φ30mm圆柱面、φ20mm圆锥面依次车削。

（3）夹具分析　根据所给毛坯为棒料，该零件为规则轴类，长度较短，采用三爪自定心卡盘进行装夹，装夹方便、快捷，定位精度高。

（4）刀具、切削用量选择　被加工材料为45钢，经调质处理后它的综合加工性能较好，故粗、精加工都选用YT15车刀。由于该零件全部为表面加工，并且直径依次递减，所以选择两把93°外圆车刀进行加工，1号刀用于粗加工，副偏角取6°；2号刀用于精加工，取副偏角为3°。切削用量推荐值如下：粗加工切削速度n=600r/min，进给量f=0.25mm/r；精加工主轴转速取n=1000r/min，进给量f=0.15mm/r，见表2-11。

表2-11　刀具和切削用量表