恒切削速度控制

3　数控车削工艺与编程基础

3.1　数控车削工艺基础

3.1.1　切削原理

在金属切削变形和切屑形成过程中，金属的变形和刀具的受力如图3.1、图3.2所示。

第Ⅰ变形区域：在切削层中OA与OE面之间的区域，是产生塑性变形和剪切滑移的区域。

第Ⅱ变形区域：切屑流出时与刀具前面接触产生变形的区域。

第Ⅲ变形区域：近切削刃处已加工表面层内产生变形的区域。

图3.1　金属切削变形区域

图3.2　切屑形成过程

切屑形成是在第Ⅰ变形区内完成的。以切削塑性材料为例，如图3.2（a）、（b）所示，切削层在正压力FN与摩擦力Ff的合力Fτ的作用下，在切削层材料移近OA面，使材料产生变形。进入OA面产生塑性变形，亦即OA面上切应力τ达到材料的屈服强度τ0.2而发生剪切滑移，以点1为例，滑移方向由点1移至点2，在点2继续移动至点3的过程中，同时滑移至点4。随着继续移动，剪切滑移量和切应力逐渐增大。到达OE面时，滑移至点10，此时，剪切应力最大，剪切滑移结束，切屑层被刀具切离，形成切屑。

通常OA面称始滑移面、OE面称终滑移面，两个滑移面间是很窄的第Ⅰ变形区域，宽约0.02～0.2mm，故剪切滑移时间很短、形成切屑时间极短，如图3.2（a）、（b）所示，该区域可用一个剪切平面Psh（OM）表示。剪切平面Psh与作用力Fτ间夹角为45°，剪切平面Psh与切削速度vc方向夹角为剪切角φ。在图3.2（c）切屑形成的金相照片中，可观察到切削变形使切屑中晶格被拉长呈纤维化状态。

3.1.2　车刀、刀片（修光刃）的种类及其标记方法

车刀是生产中广泛使用的一类刀具，它也是学习各类刀具的基础。车刀的主要种类有：焊接车刀、机夹车刀和可转位车刀。对焊接车刀，一般应了解刀杆、刀片及刀槽的形状和结构尺寸；对机夹车刀，应了解夹持方法及适用场合。

机夹可转位刀片式刀具（机夹不重磨式刀具，以机夹可转位刀片式车刀为例），如图3.3（a）和（b）所示，这种刀具具有一定几何角度的多边形刀片，以机械紧固的方法装夹在标准刀杆上。当刀片磨钝后，将夹紧机构松开，使刀片转位后即可继续切削。使用机夹不重磨刀具可提高硬质合金刀具的耐用度和刀片利用率，节约了刀杆和刀刃磨砂轮的消耗，简化了刀具的制造过程，有利于刀具标准化和生产组织管理。

图3.3　常见的焊接式和夹固式车刀

刀片种类及其标记方法，国标的标记方法如图3.4所示。

标记举例：

如：CNMG 120412－PR

3.1.3　车刀夹紧方式

车刀的常见夹紧方式如图3.5所示。

图3.5　车刀的常见夹紧方式

刚性夹紧结构车刀刀头部分展开图如图3.6（a）所示，“P杠杆型”夹紧结构车刀刀头部分展开图如图3.6（b）所示。

图3.6　车刀刀头部分展开图

3.1.4　刀具几何参数的选择原则

合理选择刀具的几何参数是用好刀具的基本要求。使用刀具必须考虑的最基本的几个角度是：前角γ0、后角α0、主偏角κγ、副偏角κ′γ、刃倾角λs。其他几何参数有副后角α′0、刃口形状、过渡刃形状等。

1）前角γ0的选择

前角是起切削作用的一个重要角度，它的大小影响切削变形、刀和屑面间的摩擦、散热效果、刀具强度和加工精度等。

前角的选择是根据加工要求进行的，通常考虑的是：

①按刀具材料要求：高速钢刀具的抗弯强度、任性高，前角大；硬质合金刀具前角小；陶瓷刀具的强度、任性低，前角更小些。

②按加工材料要求：加工材料的塑性、韧性好，前角较大；强度、硬度高，前角较小；加工脆性、淬硬材料，前角很小或负值。

③按加工精度要求：精加工前角较大，粗加工较小；加工铸锻毛坯件、带硬质点表面和采用断续切削的工件，前角小；成形刀具和展成刀具为减小重磨后刃形误差，前角取零或很小。

2）后角α0的选择

后角大小影响后刀面与切削表面间摩擦程度和刀具强度。

具体选择原则是：

①按加工要求：精加工后角较大，粗加工后角较小。

②按加工材料：切削塑性材料后角较大；切削强度、硬度高的材料后角较小。

3）主偏角κγ的选择

主偏角大小影响刀头强度、径向分力大小、传散热面积、残留面积高度。因而主偏角是影响刀具寿命和加工表面质量的重要角度。

主偏角的选择原则：

①按加工表面粗糙度要求：在加工系统刚性允许时，减小主偏角能减小表面粗糙度，提高表面质量。

②按加工材料要求：切削硬度、强度高的材料时选择较小主偏角。

4）副偏角κ′γ的选择

副偏角是影响加工粗糙度的主要角度，通常采用减小副偏角来减小理论粗糙度。副偏角影响刀尖强度，较小的副偏角对凹轮廓产生干涉。

5）刃倾角λs的选择

刃倾角影响实际工作前角、影响切屑的排出方向、影响刀尖受到的冲击力。

3.2　数控车削编程基础

3.2.1　概述

数控车床具有加工通用性好、加工精度高、加工效率高和加工质量稳定等特点，是理想的回转体零件的加工机床。从总体上看，数控车床没有脱离普通车床的结构形式，即由床身、主轴箱、刀架、进给系统以及液压、冷却、润滑系统等部分组成。进给用伺服电动机驱动，以连续控制刀具纵向（Z轴）和横向（X轴）运动，从而完成各类回转体工件内外形面加工，例如车削圆柱、圆锥、圆弧和各种螺纹加工等，并能进行切槽、钻、扩、镗、铰、攻丝等工序的加工。

1）数控车床进给系统的特点

（1）它没有传统的进给箱和交换齿轮架，而是直接用伺服电机通过滚珠丝杆驱动溜板和刀架，实现进给运动，因而进给系统的结构大大简化。

（2）数控车床能加工各种螺纹（公制、英制螺纹以及锥螺纹、端面螺纹等），这是因为数控车床主轴与纵向丝杆间虽然没有机械传动联结，但由于安装有与主轴同步回转的脉冲编码器，从而发出检测脉冲信号，使主轴回转与进给丝杆的回转运动相匹配，这是实现螺纹切削的必要条件。车削螺纹一般都需要多次走刀才能完成，为防止乱扣，脉冲编码器在发出进给脉冲时，还要发出同步脉冲（每转发一个脉冲），以保证每次走刀刀具都在工件的同一点切入。脉冲编码器一般不直接安装在主轴上，而是通过一对齿轮或同步齿形带（传动比1∶1）同主轴联系起来。

2）数控车床的分类

（1）按数控系统功能，可分为全功能型和经济型两种。全功能型机床精度高，进给速度快，进给多采用半闭环直流或交流伺服系统，主轴采用全伺服控制，具有自动排屑、冷却、润滑等功能，通常采用全封闭防护。经济型数控车床通常采用步进电机驱动，不具有位置反馈装置，精度较低。

（2）按主轴处于水平位置或垂直位置，可分为卧式和立式数控车床。如果有两根主轴，则为双轴数控车床。一般数控车床为两坐标控制，具有两个独立回转刀架的数控车床为四协同控制，车削中心和柔性制造单元，则需要增加其他的附加坐标轴。目前应用较多的还是中等规格的两坐标联动的数控车床。

3.2.2　坐标系

1）机床坐标系

机床坐标系是机床上固有的机械坐标系，是机床出厂前已设定好的。机床通电后执行手动返回参考点，自动设定机床坐标系。

（1）机床原点

数控车床的机床原点（M）通常定义在主轴旋转中心线与主轴端面的交点处，见图3.7，M点即为机床原点。

图3.7　车床坐标系

（2）机床参考点

机床参考点（C）是机床上的一个特定位置。通常当不能到达机床零点时，可接近参考点来设定测量系统为零。其位置由Z向与X向的机械挡块来确定。当进行回参考点的操作时，安装在纵向和横向拖板上的行程开关碰到相应挡块后，由数控系统发出信号，控制拖板减速运行，直到位置检测装置发出零位信号，完成回参考点的操作，这相当于在数控系统内部建立了一个以机床原点为坐标原点的机床坐标系。

（3）刀架参考点

刀架参考点（B）是刀架上的一个固定点。当刀架上没有安装刀具时，机床坐标系显示的是刀架参考点的坐标位置，而加工时是用刀尖（A）加工，不是用刀架参考点（B），所以必须通过“对刀”方式确定刀尖在机床坐标系中的位置，即X、Y坐标值。

2）工件坐标系

工件坐标系是为了方便编程，编程人员直接根据加工零件图纸选定的编制程序的坐标系。这个坐标系被称为编程坐标系或工件坐标系。其原点被称为编程原点或工件零点。

（1）编程原点

数控车床的编程原点（W）通常定义在主轴旋转中心线与工件端面的交点处，见图3.7，W点即为编程原点。

编程原点的选择原则：

①所选工件零点要便于数值计算，简化程序编制。

②所选工件零点要方便对刀，便于测量。

③尽量选在零件的设计基准或工艺基准上，以减小加工误差。通常设在工件的设计基准或工艺基准上，也称编程坐标系。

（2）X轴方向的定义

刀架所在位置决定X轴的坐标方向。前置刀架切削时，X轴正方向指向操作者，常用于平床身机床，如图3.8所示；后置刀架切削时，X轴方向指向其反向，常用于斜床身机床，如图3.9所示。

图3.8　前置刀架切削方式

图3.9　后置刀架切削方式

3）机床坐标系与工件坐标系的位置关系

工件坐标系和机床坐标系之间有一定的位置关系。在数控机床上加工零件时必须确定工件坐标系相对机床坐标系的偏移位置关系，即零点偏置。这个偏置量常常可以通过一条指令来设定：如G54指令，如图3.10所示。

图3.10　坐标系偏置

3.2.3　数控车床常用指令及其特点

1）快速点定位指令G00

该指令命令刀具以很快的移动速度到达目标点。通常用在快速离开工件返回换刀点或快速从换刀点返回时使用。

格式：G00X＿Z＿

【例】G00X60　Z40；表示快速移动到XZ平面上的点（60，40）。

注意事项：

①G00速度很快，不允许用来切入工件，其进给速度F不需写在程序内，由机床厂家规定。

②快速移动的轨迹根据控制系统的不同，有一定的区别。如图3.11所示，从A到B有四种方式，路径a是折线形式，路径b是直线形式，路径c由AD，DB组成，路径d由AC，CB组成，不同的系统采用不同的方式。如：FAUNC0i系统采用的是路径a（非线性插补定位）和路径b（直线插补定位），可通过系统参数设置来选择两种方式中的一种。在使用该指令时，必须小心确保刀具不与工件发生碰撞。

图3.11　快速点定位G00

③由于加工零件的图样尺寸及测量尺寸都是直径值，所以通常采用直径编程。但有些系统也可用半径编程。在用直径尺寸编程时：如采用绝对尺寸编程，X表示直径值；如采用增量尺寸编程，X表示径向位移量的两倍。在用半径尺寸编程时，如采用绝对尺寸编程，X表示半径值；如采用增量尺寸编程，X表示径向位移量。具体由系统参数设定。

2）直线插补指令G01

该指令使刀具能在各个坐标平面内切削任意斜率的直线轮廓（圆柱和圆锥面）和用直线段逼近的曲线轮廓，如图3.12所示。

格式：G01X＿Z＿F＿

图3.12　直线插补功能

【例】　G01X50Z30F100；表示以进给速度100mm/min直线插补至XZ平面上的点（50，30）。

注意事项：

①用此功能时，如果进给速度F代码不指定，系统将给予报警提示。

②进给速度F的单位有：mm/min或mm/r。编程时，具体要按系统规定来选用。

3）圆弧插补指令G02，G03

该指令使刀具能在各个坐标平面内切削任意半径的圆弧轮廓和用圆弧段逼近的曲线轮廓。G02为顺时针圆弧插补；G03为逆时针圆弧插补（见图3.13）。

图3.13　圆弧插补

注意事项：

①在数控车床中要注意，用前置刀架和后置刀架方式切削时，圆弧的插补方向不同。圆弧插补方向的判断方法如图3.14所示：在直角坐标系中，应从编程坐标系的ZP轴（YP轴或XP轴）的正方向看XPYP平面（XPZP平面或YPZP平面），来决定XPYP平面（XPZP平面或YPZP平面）的“顺时针”（G02）和“逆时针”（G03）方向。

图3.14　圆弧插补的方向的判断

②用圆心I、J编程，无论采用绝对方式还是增量方式，通常是取圆心坐标始终相对于圆弧起点坐标。用半径R编程，当圆心角大于180°时，R为负；当圆心角小于或等于180°时，R为正；如图3.15所示。

③有些数控系统编程时只能用圆心编程，不能用半径R编程。要根据数控系统规定来选用。

4）绝对值与增量值坐标方式编程指令G90，G91

图3.15　用半径R编程

在一个程序段中，根据被加工零件的图样标注尺寸，从便于编程的角度出发，可采用绝对尺寸编程，也可采用增量尺寸编程。在一个程序中，也可采用绝对、增量的混合编程。

由于开环控制系统数控车床没有位置检测装置，为避免增量尺寸编程可能造成的累积误差，在用此类数控车床加工尺寸精度要求高的零件时，应尽量采用绝对尺寸编程。

绝对值指令格式：G90　G01　X＿Y＿

增量值指令格式：G91　G01　X＿Y＿

在绝对值方式下编程，所有坐标尺寸取决于当前坐标系的零点位置。如图3.16（a）中，P1、 P2、P3点的坐标均相对于坐标系的零点。

在增量值方式下编程，所有坐标尺寸取决于前一坐标点的尺寸。如图3.16（b）中，P2点的坐标相对于P1点，P3点的坐标相对于P2点。

图3.16　绝对和增量方式编程

注意事项：

①通常数控机床开机后默认G90方式。

②有些数控系统（如FANUC0i）也可不用G90/G91指令，直接改变坐标字符号。将在下一章讲述。

工件坐标系设定指令G54～G59

工件坐标系1（G54）

工件坐标系2（G55）

工件坐标系3（G56）

工件坐标系4（G57）

图3.17　坐标平面的选择

工件坐标系5（G58）

工件坐标系6（G59）

用户可以从6个工件坐标系指令中任意选择，通过该指令给出工件零点在机床坐标系中的位置，如图3.17所示。当工件装夹到机床上时求出偏移量，通过操作面板输入到规定的数据区，并在程序中选择相应的G54～G59激活此值。

③坐标平面的选择G17，G18，G19

G17：XY平面

G18：XZ平面

G19：YZ平面

对于数控铣床编程时，通常要进行平面选择，指定机床在哪一平面进行运动，如图3.17所示。对于数控车床编程时，只选择G18－XZ平面。

5）暂停指令G04

经过被指令时间的暂停之后，再执行下一个程序段。通常用在切槽或镗孔时，为了使槽底或孔底平整，让程序进给暂停几秒钟。

格式：G04地址符；不同的系统地址符可能有所不同。如：P、U、F等：G04P1.5表示进给暂停1.5s。

3.2.4　刀具功能

1）刀具选择功能

当一个零件在进行粗加工、精加工、螺纹加工、切槽时，需选择各种刀具，每把刀具都指定了特定的刀具号。在程序中如果指定了刀具号和刀偏号，便可自动换刀，选择相应的刀具和刀偏（见图3.18）。

图3.18　选择刀具

注意事项：

①刀具号T后的位数可能是四位，也可能是三位或两位数，要根据具体系统规定。

②刀具的偏置量可通过对刀操作方式得到。

2）刀具位置补偿功能

通常加工一个工件要使用多把刀具，而每把刀的长度不同（见图3.19），这样就必须选择一把基准刀具（也可以是刀架参考点），通过“对刀”测出基准刀具的刀尖位置和其他所使用的各刀刀尖位置差，即刀具偏置量（见图3.20），并把测定出的值设定在数控系统中。通过刀具指令（如：T0101）调出刀具偏置量。

刀架参考点是刀架上的一个固定点。当刀架上没有安装刀具时，机床坐标系显示的是刀架参考点的坐标。而加工时是用刀尖不是用刀架参考点，所以必须通过“对刀”方式确定刀尖在机床坐标系中的位置。

图3.19　不同长度的刀具位置

图3.20　刀具位置偏置

3）刀尖圆弧半径补偿功能

刀具在进行轮廓车削时，刀位点假设为一个刀尖。而为了提高刀具强度和工件表面加工质量，刀尖处都必须有圆弧，不可能为尖点。

在切削端面或圆柱面时不存在误差（见图3.21），但在切削锥面和圆弧时，就会出现过切或欠切现象（见图3.22）。当工件表面加工精度要求较高时，就达不到精度要求。

这些由刀尖圆弧半径而造成的过切或欠切问题，可通过数控装置自动补偿功能来解决。即假设刀尖圆弧中心的运动轨迹是沿工件轮廓运动的，而实际的刀尖圆弧中心运动轨迹与工件轮廓有一个偏移量，即为刀具半径。因此在编写程序时，加入刀具半径补偿功能（G41或G42），刀具便会自动地沿轮廓方向偏置一个刀尖圆弧半径值（见图3.23）。

G41——左补（沿刀具加工方向看，刀具位于工件左侧时为左补）；

G42——右补（沿刀具加工方向看，刀具位于工件左侧时为左补）；

G40——取消刀补。

图3.21　假想刀尖

图3.22　刀尖圆弧半径补偿轨迹

图3.23　刀补轨迹

前置刀架与后置刀架方式下刀补的方向及假想刀尖方位有一定的区别，如图3.24、图3.25所示。

图3.24　后置刀架刀补方向

图3.25　前置刀架刀补方向

4）假想刀尖位置

前置刀架与后置刀架方式下的不同形状的刀具，假想刀尖方位也有所不同。如图3.26、图3.27所示是各种刀具的假想刀尖位置及编号。当用假想刀尖编程时，假想刀尖号设为1～8；当用假想刀尖圆弧中心编程时，假想刀尖号设为0或9。

图3.26　后置刀架刀尖位置示意图

图3.27　前置刀架刀尖位置示意图

注意事项：

①由于刀具在起刀程序段中，进行偏置过渡运动，因此建议该段程序不要切入工件轮廓，以免对工件产生误切。

②刀补指令G41，G42或G40必须跟在直线段上，否则会出现语法错误。例：G42G01 X100Z80。

③必须在刀具补偿页内（刀具偏置所在内存区）的刀尖半径处填入该把刀具的刀尖圆弧半径值，系统会自动计算应该移动的补偿量，作为刀尖圆弧半径补偿之依据。

④必须在刀具补偿页内的假想刀尖位置处填入该把刀具的假想刀尖位置号码，以作为刀尖圆弧半径补偿之依据。

⑤指令刀尖半径补偿G41或G42的过渡直线段长度必须大于刀尖圆弧半径（如刀尖半径为0.3，则Z轴移动量必须大于0.3mm）；在X轴的切削移动量必须大于2倍刀尖半径值（如刀尖半径为0.6，则X轴移动量必须大于2×0.6mm＝1.2mm，因为X轴用直径值表示）。

⑥在某个刀补有效的程序段之后，若有两个以上不运动的程序段时，刀具可能会对工件下一个轮廓产生过切。

【例】　刀补轮廊切削如图3.28所示。

①G42G01X60

②G01X120W－150F60

③G40G00X300W150I40K－30。（I，K为最后一个斜面的终点坐标。这样编程，刀补对最后一个斜面不会产生干涉。）

图3.28　刀补轮廓切削

3.2.5　恒切削速度控制

在加工端面、圆弧、圆锥以及阶梯直径相差较大的零件时，随着工件直径的变化，切削线速度也在不断地变化，导致加工表面质量不一。为了保证加工表面质量，数控车床一般都具有恒切削速度控制功能，恒切削速度控制功能，即主轴转速随着当前加工工件直径的变化而变化，从而始终保证刀具切削点处编程的切削速度S为常数（主轴转速×直径＝常数），如图3.29所示。在用恒切削速度控制功能加工端面时，必须注意当刀具逐渐移近工件旋转中心时，主轴转速越来越高，工件有可能从卡盘中飞出，为了防止出现事故，必须限定主轴最高转速，即使用主轴转速限定功能。不同的数控系统表示恒切削速度的指令可能不同。在第3章中将进一步讲述恒切削速度控制功能。

图3.29　恒线速度切削

3.2.6　螺纹切削的加工特点和切削用量选择

螺纹切削加工指令是数控车床中常用的加工指令。可以加工直螺纹、锥螺纹、端面螺纹和变螺距螺纹，如图3.30所示。

图3.30　加工螺纹种类

（1）数控车床加工螺纹的前提条件是主轴有位置测量装置，如光电编码器。对于多头螺纹加工，可通过加工起点偏移来实现。

（2）车削螺纹时不能使用恒切削速度功能，因为用恒切削速度切削时，随着工件直径的减小转速会增加，从而会导致F导程产生变动而发生乱牙现象。

（3）在数控机床上加工螺纹时，是靠装在主轴上的编码器实时地读取主轴转速并转换为刀具的每分钟进给量。由于伺服系统的滞后，在主轴转速加、减过程中，会在螺纹切削的起点和终点产生不正确的导程。因此在进刀和退刀时要留一定的距离，即为空刀进入量L1和退出量L2，如图3.31所示。

图3.31　螺纹加工尺寸量

（4）螺纹牙形高度H（螺纹总切深）是指在螺纹牙形上，牙顶到牙底之间垂直于螺纹轴线的距离，它是车削时车刀总切入深度，如图3.32所示。根据GB192～197－81普通螺纹国家标准规定，普通螺纹的牙形理论高度H＝0.866P，实际加工时，由于螺纹车刀刀尖半径的影响，螺纹的实际切深有变化。根据GB197－81规定，螺纹车刀可在牙底最小削平高度H/8处削平或倒圆。则螺纹实际牙形高度可按下式计算：

式中：H——螺纹原始三角形高度，H＝0.866P；

　　　P——螺距。

图3.32　螺纹牙形高度

（5）螺纹加工中，径向起点的位置决定于螺纹大径。例如要加工M30×2－6g外螺纹，由GB197－81知：螺纹大径基本偏差为ES＝－0.038mm，公差为Td＝0.28mm，则螺纹大径尺寸为φ30，所以螺纹大径应在此范围内选取，并在加工螺纹前，由外圆车削来保证。径向终点的位置决定于螺纹小径。因此编程大径确定后，螺纹总切深在加工时由编程小径（螺纹小径）来控制。螺纹小径的确定应考虑满足螺纹中径公差的要求。设牙底由单一圆弧形状构成（圆弧半径为R）。则编程小径d1可用下式计算：

式中：d——螺纹公称直径（mm）；

　　　H——螺纹原始三角形高度（mm）；

　　　R——牙底圆弧半径（mm），一般取R＝（1/8～1/6）H；

　　　ES——螺纹中径基本偏差（mm）；

　　　Td2——螺纹中径公差（mm）。

对于普通螺纹，也可用粗略估算法来编制程序。通常螺纹大径D为公称尺寸，螺纹小径根据公式d1＝D－2h来确定。

（6）如果螺纹牙形较深，螺距较大，可分几次进给。每次进给的背吃刀量用螺纹深度减去精加工背吃刀量所得的差按递减规律分配，如图3.33所示。常用螺纹切削进给次数与背吃刀量可参见表3.1，常用螺纹参数表见表3.2，常用螺纹切削进给次数与背吃刀量参考值见表3.3。

图3.33　分段切削深度

表3.1　常用螺纹的形状和牙形角度

表3.2常用螺纹规格

表3.3　常用螺纹切削进给次数与背吃刀量参考值

注：1in＝2.54cm。