铣刀的种类和用途

6　数控铣削工艺与编程基础

铣削是机械加工中最常用的方法之一。数控铣床可以进行铣削、镗削、钻削、攻丝等加工，不仅适于加工盘、盖板、箱体、壳体类零件，还适于加工各种形状复杂的曲线、曲面轮廓以及模具型腔等平面或立体零件。对于非圆曲线、空间曲线和曲面的轮廓铣削加工，数学处理比较复杂，一般要借助计算机用CAD/CAM软件来实现。经济型二轴联动数控铣床只能进行二维平面零件和简单曲面零件的轮廓加工，三轴以上联动的数控铣床可以加工难度大的复杂曲面轮廓的零件与模具。

数控铣床的数控装置具有多种插补方式，它们都具有直线插补和圆弧插补功能，有的还具有极坐标插补、抛物线插补、螺旋线插补等多种插补功能。编程时要合理地选择这些功能，充分利用数控铣床、加工中心的多种功能，如刀具半径补偿、长度补偿和固定循环、坐标转换等功能进行加工，以提高加工效率和精度。

6.1　数控铣削工艺基础

6.1.1　铣刀的种类和用途

常见铣刀的种类和用途如图6.1和图6.2所示。

图6.1　铣刀的种类和用途

图6.2　常用立铣刀的各种用途

6.1.2　铣削方式

铣削方式通常可分为圆周铣方式和端面铣方式。

1）圆周铣方式中的顺铣和逆铣

铣刀的旋转方法与工件的进给方向相反时称为逆铣，如图6.3（a）所示；相同时称为顺铣，如图6.3（b）所示。

图6.3　顺铣和逆铣

逆铣时，切削厚度从零逐渐增大。铣刀刃口有一钝圆半径rn，造成开始切削时的前角为负值，刀齿在过渡表面上挤压、滑行，使工件表面产生严重冷硬层，并加剧了刀齿磨损。此外，当瞬时接触角大于一定数值后，Ffn向上，有抬起工件的趋势，不利于薄壁和刚性差的工件。顺铣时，刀齿的切削厚度从最大开始，避免了挤压、滑行现象；并且Ffn始终压向工作台，有利于工件夹紧，可提高铣刀寿命和加工表面质量。但当工件表面有硬皮层时，若采用顺铣，刀齿首先切入表面硬皮层，加快刀齿磨损，故不宜采用顺铣。

普通铣床由于进给运动丝杆副的间隙问题，为了铣削平稳，避免工作台窜动，通常采用逆铣。而数控机床进给运动采用滚珠丝杠副传动，滚珠丝杠副可以彻底消除间隙，甚至进行预紧，因而不存在间隙引起工作台窜动的问题。针对顺铣的种种优点，数控铣削加工应尽可能采用顺铣。以便提高铣刀寿命和加工表面的质量。

2）顺铣和逆铣的选择技巧

当工件表面无硬皮，机床进给机构无间隙时，应选用顺铣方式安排进给路线。因为采用顺铣加工后，零件已加工表面质量好，刀齿磨损小。精铣时，尤其是零件材料为铝镁合金、钛合金或耐热合金时，应尽量采用顺铣。

当工件表面有硬皮，机床的进给机构有较大间隙时，应选用逆铣，按照逆铣安排进给路线。因为逆铣时，刀齿是从已加工表面切入，不会崩刃；机床进给机构的间隙不会引起振动和爬行。

在立式加工中心上采用立铣刀加工，由于受机床结构的影响，在切削加工时刀具会产生弹性弯曲变形。当用立铣刀顺铣时，刀具在切削时会产生“让刀”现象，即“欠切”；当用立铣刀逆铣时，刀具在切削时会产生“啃刀”现象，即“过切”。这种现象在刀具直径越小、刀杆伸出越长时越明显。因此在选择刀具时应尽量选较大直径。针对这种情况，编程时，如果粗加工采用顺铣，则可以不留精加工余量；而粗加工采用逆铣，则必须留精加工余量，以防止“过切”引起的工件报废。

3）使用立铣刀时，顺铣与逆铣的判断方法与技巧

在加工中心和数控铣床上时，根据国际标准，都是按照刀具相对于静止的工件做运动的原则来编写加工程序。而实际加工时，是刀具在旋转，装夹在工作台上的工件进给。容易使人混淆不清。为了方便记忆，顺铣和逆铣可以归纳为：当铣削工件外轮廓时，沿工件外轮廓顺时针方向进给、编程即为顺铣，沿工件外轮廓逆时针方向编程、进给即为逆铣，如图6.4所示；当铣削工件内轮廓时，沿工件内轮廓逆时针方向进给、编程即为顺铣，沿工件内轮廓顺时针方向编程、进给即为逆铣，如图6.5所示。

图6.4　铣削工件外轮廓示意图

图6.5　铣削工件内轮廓示意图

4）使用端面铣刀时，顺铣与逆铣的选择技巧

端面铣时，根据面铣刀相对于工件安装位置的不同，也可分为逆铣和顺铣。

（1）端面对称铣削

如图6.6（a）所示，面铣刀轴线位于铣削弧长的中心位置，上面的顺铣部分等于下面的逆铣部分，称为对称端面铣削。适用于加工短宽或较厚的工件，不宜加工狭长或较薄的工件。

（2）端面不对称铣削

如图6.6（b）所示，当逆铣部分大于顺铣部分，称为不对称逆铣。图6.6（c）中的顺铣部分大于逆铣部分，则称为不对称顺铣。图中切入角δ与切离角δ1，凡位于逆铣一侧为正值，而位于顺铣一侧为负值。

由前面的分析我们知道，图6.6中所示端面铣刀的三种切削情况中，对刀具破损的影响是图6.6（b）影响最大，图6.6（c）影响最小。

图6.6　端铣时的顺铣和逆铣

5）不同走刀路径切削情况分析

该走刀方式在拐角处切削力和切削方向急剧改变，产生过切；在高速铣中特别不合适，如图6.7所示。

图6.7　有Z向负向走刀路径的切削方式

而采用在XY平面中走刀，切削力变化很小，不产生过切现象，如图6.8所示。

图6.8　在XY平面中走刀

（1）不同类型的铣刀对腔体内壁加工残余量的影响不同，圆角铣刀好于普通尖角铣刀，如图6.9所示。

图6.9　不同类型的铣刀对腔体内壁加工残余量的影响

（2）由于Z向下刀刀具中心切削速度为零，对刀具有损伤，为了改善Z向进刀的切削性能，应采用坡度下刀和螺旋下刀的进刀方式，如图6.10所示。

图6.10　坡度下刀和螺旋下刀的进刀方式

6.1.3　铣刀刀柄类型

铣刀刀柄类型如图6.11所示。

图6.11　铣刀刀柄类型

6.2　数控铣削编程基础

6.2.1　坐标系

机床坐标系的概念已在第1.2节数控机床的坐标系统中有介绍，以下针对铣床坐标系再加以说明。

1）机床坐标系

机床坐标系是机床上固有的机械坐标系，在机床出厂前已设定好。机床通电后，通过返回机械零点建立机床坐标系，回到零点时屏幕上显示的当前刀具在机床坐标系中的坐标值均为零。机床坐标系的零点通常设在坐标轴的极限位置上，如图6.12所示。刀具移动的一些特殊位置，如换刀位置，通常也在零点。一般情况下用手动返回参考点，建立机床坐标系。机床坐标系的零点就是机床零点，也称为机械零点，它是数控系统计算、检验、测量等的基准。

2）工件坐标系

图6.12　机床坐标系

工件坐标系用零点偏置代码G54～G59设定，工件坐标系需预先通过对刀的方式得到编程零点相对机床零点的值，并在机床的零点偏置设定参数中设定，然后在程序中用零点偏置（G54～G59）指定。用户可以一次设定6个工件坐标系，操作时首先将工件安装在工作台上，然后让机床返回原点，建立机床坐标系。具体操作为分别测量每个需设定的工件坐标原点相对机床坐标系的偏置，其偏置值即为工件坐标原点偏置，将所测得的各工件坐标原点偏置输入到数控系统中与之对应的零点偏置数据存放寄存器中，数控系统将记忆这些数据，当程序中出现G54～G59代码时，系统调用其中的数据，则对应的工件坐标系将有效。图6.13中EXOFS偏置量在FANUC系统中称为外部零点偏置值，在SIEMENS中对应的该偏置量称为基本偏置，ZOFS1～ZOFS6为G54～G59的零点偏置值。

图6.13　机床坐标系与工件坐标系

6.2.2　刀具补偿

1）刀具号T

在加工中心上加工零件，通常要用到多把刀具。用编程指令T可以预选或调用刀具。T后面的数字表示刀具号，如T1、T2、…、T12、…。是用T指令直接更换刀具还是仅仅进行刀具预选，在机床数据中设定。

换刀编程举例

不用M06更换刀具

2）刀具半径补偿G41、G42、G40

在数控铣床、加工中心上加工零件时，所使用的刀具直径有一定的大小，不可能为零，用铣刀进行切削时，刀具中心的轨迹相对工件的轮廓就必须偏移一个刀具的半径。若按刀具中心轨迹数据进行编程，手工计算中心轨迹很麻烦且容易出错，更严重的是刀具对工件有可能产生过切或少切现象。利用刀具半径补偿功能，只要在程序中给出指令G41（左偏）或G42（右偏）以及偏置号D，刀具便会自动地沿轮廓走刀方向，往左或往右偏置一个刀具半径，如图6.14所示。而编程人员在编程时，则可以直接以工件的标注尺寸（零件轮廓）作为编程轨迹进行编程，不需要计算偏置轮廓的数据，使编程便易。

图6.14　刀具中心轨迹

图6.15　刀具左补、右补

图6.15中刀具中心偏置——左补（G41）和右补（G42）的判断：沿着走刀方向向前看，刀具偏在零件的左边就是左补，刀具偏在零件的右边就是右补。

刀具半径补偿功能的取消，用G40代码。

刀补的建立与取消：从没有刀补到有刀补，要有一个建立刀补的过程，建立刀补的过程是一段直线，直线的长度必须大于刀具半径，才能保证不发生过切现象。在零件加工过程中，建立刀补前屏幕显示的是刀具中心坐标，建立刀补后显示的是零件轮廓坐标。

为了保证零件的轮廓加工精度，在使用刀补时尽量沿切线方向过渡切入、切出。如图6.16所示的铣削内圆槽时，用一与圆槽相切的圆弧BC、CE过渡切入、切出。即从O点到B点建立刀补，刀具中心自动偏置到B′，BC过渡切入；顺时针走圆弧CDC，CE过渡切出，这样避免圆槽DC的内壁在C点产生接刀痕。

图6.16　切线方向切入、切出

只有在线性插补时，即刀补指令必须跟在直线段（G00）或（G01）上时，才可以进行G41/G42的选择，否则会因出现语法错误而报警。从图6.17中也可以看出，建立刀补时必须用直线段过渡建立/取消。

图6.17　建立、取消刀补过程

刀具半径补偿号D

D为刀具半径数据存放的寄存器号，用于指定刀具的偏置值，如图6.18所示。

图6.18　刀具与刀具半径补偿号

在SIMENS系统中，一把刀具可以匹配从1到9几个不同补偿的数据组（一把刀具用不同的补偿号可以设定多个不同的补偿半径值）。

如果没有编写D指令，则D1自动生效。如果编程D0，则刀具补偿值无效。

刀具调用后，刀具长度补偿立即生效；如果没有编程D号，则D1值自动生效。半径补偿必须与G41/G42一起执行。

在FANUC系统中补偿号有99个，从D1到D99。每一把刀都可以使用任一个D补偿号，或一把刀匹配几个D补偿号，实现零件的粗精加工。

刀具半径补偿用法举例：建立刀补、刀补偏置、取消刀补的路径。用刀具补偿功能编写图6.19所示轮廓的加工程序，用SIMENS系统编写指令。

图6.19　刀具半径补偿举例（mm）

N0G54S800M03G90G17G00X0Y0Z10设定零偏，主轴正转，快速移到起始位置

N1G01G41X250Y550D1F150…建立刀补，偏置半径由D1指定

【例6.2.1】　换刀指令用法，不用M6换刀，只用T指令。

3）刀具长度补偿G43，G44，G49

通常加工一个工件要使用多把刀具，每把刀具都有不同的长度，如图6.20所示。当所用刀具都使用一个零点偏置代码，为使加工出的零件符合要求，应预先确定基准刀具，测量出基准刀具的长度和其他每把刀具的长度差（作为刀具长度偏置值），如图6.21所示，并把此偏置值设定在数控系统的刀具数据存放寄存器中。实际操作时通过对刀确定基准刀具在工件坐标系中的位置，Z方向对刀数值设置在零点偏置中（即零点偏置代码中Z值非0），然后换上其他刀具依次对刀，测出其在工件坐标系中的偏置值，并记录在对应的寄存器中。在程序中通过G43正补偿，通过G44负补偿及用偏置号H指定刀具长度补偿，用G49取消刀具长度补偿。

图6.20　不同长度的刀具

图6.21　刀具长度补偿

如图6.22所示为钻孔加工，H1寄存器中存放刀具长度偏置值－4，H0表示取消刀具长度补偿。刀具长度补偿编程举例：钻三个孔。H1＝－4（刀具长度偏置值），见图6.22。

图6.22　刀具长度偏置应用举例

钻三个孔的程序见表6.1。

表6.1　钻三个孔的程序

图6.23　粗、精加工

刀具半径补偿除有上述的半径、长度补偿功能之外，还可以灵活运用刀具半径补偿功能做加工过程中的其他工作。如当刀具磨损半径变小后，用磨损后的刀具值更换原刀具值即可，即用手工输入方法将磨损后的刀具半径值输入到原D代码所在的存储器中即可，而不必修改程序。也可以利用此功能，通过修正刀偏值，完成粗、精加工。如图6.23所示，若留出精加工余量Δ，可在粗加工前给指定补偿号的刀具半径存储器中输入数值为r＋Δ的偏置量（r为刀具半径）；而精加工时，程序调用另一个刀具补偿号，该刀具补偿号中的刀具半径偏置量输入为r，通过调用不同的补偿号完成粗、精加工。同理，通过改变偏置量的大小，可控制零件轮廓尺寸精度，对加工误差进行补偿。

多把刀具选用一个零点偏置代码使用刀具长度补偿，也可以用以下的方法进行，将程序中所用的零点偏置代码中的Z值设定为0，每把刀具的长度值在对刀时都设定在补偿号H的长度寄存器中，调用刀具时指定对应的H号。

当所使用的刀具数少于零点偏置代码数时，每把刀具使用一个零点偏置代码，Z方向对刀数值设置在零点偏置中，刀具参数寄存器中的刀具长度都为0，这时就不需使用刀具长度补偿。

6.2.3　数控铣床常用指令

1）直线插补G01（见图6.24）

刀具以直线路径从起点移动到目标位置，以地址F下编程的进给速度运行。具有三轴以上的机床，在规定的联动轴数以内的坐标轴可以同时运动，即联动。

图6.24　直线插补

2）圆弧插补G02、G03（见图6.25～图6.32）

刀具沿圆弧轮廓轨迹从起点移动到终点。

G02　顺时针方向；　　　G03　逆时针方向

图6.25　顺时针圆弧和逆时针圆弧

图6.26　圆弧插补

半径编程举例：

图6.27　圆弧插补用半径编程

圆心和终点的编程举例：

图6.28　圆心和终点的圆弧插补

终点和半径的编程举例：

注：CR＝－…中的符号会选择一个大于半圆的圆弧段。

图6.29　终点和半径的圆弧插补

终点和张角的编程举例：

图6.30　终点和张角的圆弧插补

圆心和张角的编程举例：

图6.31　圆心和张角的圆弧插补

极坐标编程举例：

图6.32　极坐标圆弧插补

3）暂停G04

通过在两个程序段之间插入一个G4程序段，可以使加工中断给定的时间，比如割退刀槽。单程序段有效。

注：G4S…只有在受控主轴情况下才有效（当转速给定值同样通过S…编程时）。

4）准确定位/连续路径加工G9，G60，G64

针对程序段转换时不同的性能要求，802D提供一组G功能准备代码用于进行最佳匹配的选择。比如，有时要求坐标轴快速定位；有时要求按轮廓编程对几个程序段进行连续路径加工。

G60或G9功能生效时，当到达定位精度后，移动轴的进给速度减小到零。如果一个程序段的轴位移结束并开始执行下一个程序段，则可以设定下一个模态有效的G功能：G601精准确定位窗口，所有的坐标轴都到达“精准确定位窗口”（机床数据中设定值）后，开始进行程序段转换。

G602为粗准确定位窗口，当所有的坐标轴都到达“粗准确定位窗口”（机床数据中设定值）后，开始进行程序段转换。在执行多次定位过程时，“准确定位窗口”如何选择将对加工运行总时间影响很大。精确调整需要较多时间（见图6.33）。

图6.33　准确定位窗口

连续路径加工方式的目的就是在一个程序段到下一个程序段转换过程中避免进给停顿，并使其尽可能以相同的轨迹速度（切线过渡）转换到下一个程序段，且还能以可预见的速度过渡执行下一个程序段的功能（见图6.34）。

图6.34　G64方式下的进给率

在有拐角的轨迹过渡时（非切线过渡）有时必须降低速度，从而保证程序段转换不发生速度的突然变化，或者加速度的改变受到限制（如果SOFT有效）。

在G64连续路径加工方式下，控制系统预先自动确定几个NC程序段的速度，接近切线过渡的情况下，可以连续几个程序段进行加速或减速。若加工路径由几个较短的位移组成，使用连续路径加工方式则能达到编程的进给率进行进给。如在CAM的曲面加工中。

5）子程序及其调用

图6.35　一个工件加工中4次使用子程序

原则上讲主程序和子程序之间并没有区别。用子程序编写经常重复进行的加工，比如某一确定的轮廓形状，如图6.35所示。子程序位于主程序中适当的地方，在需要时进行调用、运行。加工循环是子程序的一种形式，加工循环包含一般通用的加工工序，例如钻削、攻丝、铣槽等等。通过给规定的计算参数赋值就可以实现各种具体的加工。

子程序的结构与主程序的结构一样（见前面章节的介绍），在子程序中也是在最后一个程序段中用M2结束程序运行，子程序结束后返回主程序，如图6.36所示。

程序结束，除了用M2指令外，还可以用RET指令结束子程序。RET要求占用一个独立的程序段。用RET指令结束子程序、返回主程序时不会中断G64连续路径运行方式。用M2指令则会中断G64运行方式，并进入停止状态。

子程序程序名规定：必须以字母L开头，其后面的值可以有7位。L之后的每个零均有意义，不可省略。例：L128并非L0128或L00128。

嵌套深度：子程序不仅可以从主程序中调用，也可以从其他子程序中调用，这个过程称为子程序的嵌套。子程序的嵌套深度可以有三层，也就是四级程序界面（包括主程序界面）。八级程序界面（见图6.37）。

注释：在使用加工循环进行加工时，要注意加工循环程序也同样属于四级程序界面中的一级。

图6.36　两次调用子程序

图6.37　子程序嵌套界面

6.2.4　编程举例

编程举例1：编写如图6.38所示的图形的刻线程序。

刻线工程序见表6.2。

表6.2　刻线程序

编程举例2：用子程序编写图6.39的刻线程序。

图6.38　刻线练习

图6.39　图形转换练习用图

编程举例3：毛坯尺寸80mm×80mm×15mm，粗加工后留0.5mm余量精加工，刀具直16mm。零点设在对称中心，夹具用台虎钳，如图6.40所示。

图6.40　凸台1