任务3 外成形面的加工与编程
3.1 任务引入
零件如图4-17所示，材料为45钢棒料，毛坯尺寸为ϕ50mm×110mm，试编写该零件的数控加工程序。
3.2 工艺知识
1.刀具的选择 成形面的加工要选用副偏角合适的刀具，以避免刀具的副切削刃与工件发生干涉。
2.切削用量的选择 由于在粗加工圆弧面的过程中经常出现切削量不均匀的情况，一次背吃刀量应比外圆及圆锥面加工时的背吃刀量小。一般粗加工背吃刀量取1～1.5 mm，精加工背吃刀量取0.2～0.5mm，进给速度也应比外圆加工时的低。
3.3 相关指令（HNC—21/22T数控系统）
3.3.1 圆弧插补指令G02、G03
执行G02、G03指令使刀具在指定平面内按给定的进给速度F作圆弧运动，切削出圆弧轮廓。其格式如下：
G02（G03）X（U）_Z（W）_I_K_F_；或G02（G03）X（U）_Z（W）_R_F_；
说明：
（1）指令G02为顺时针圆弧插补指令，图4-18a所示；指令G03为逆时针圆弧插补指令，如图4-18b所示。
（2）X（U）、Z（W）后面的数值表示圆弧终点坐标；I、K后面的数值表示圆心相对于圆弧起点的增加量（等于圆心的坐标减去圆弧起点的坐标），在绝对值、相对值编程时都是以增量方式指定，在直径、半径编程时I后面的数值是半径值；R后面的数值表示圆弧半径；F后面的数值表示两轴的合成进给速度。
（3）顺时针或逆时针方向是从垂直圆弧所在平面的坐标轴的正方向看去的回转方向。
（4）同时编入指令R与指令I、K时，指令R有效。
例4-5 工件如图4-19所示，用顺时针圆弧插补指令G02编程加工。
解 用指令G02编制图4-19所示圆弧面的加工程序如下：
（1）运用I、K指令编程：
G02X50.0Z-20.0I25K0F0.5；
G02U20.0W-20.0I25K0F0.5；
（2）运用R指令编程：
G02X50Z-20R25F0.5；
G02U20W-20R25F0.5；
例4-6 工件如图4-20所示，用逆时针圆弧插补指令G03编程加工。
解 用指令G03编制图4-20所示圆弧面的加工程序如下：
（1）运用I、K指令编程：
G03X50Z-20I-15K-20F0.5；
G03U20W-20I-15K-20F0.5；
（2）运用R指令编程：
G03X50Z-20R25F0.5；
G03U20W-20R25F0.5；
3.3.2 刀具半径补偿指令G40、G41、G42
1.刀具半径补偿的作用数控编程通常都假设车刀尖作为一个点（称为假想刀尖点）来考虑，并以此假想刀尖点切削工件。但实际上，为了延长刀具的使用寿命或由于工艺等其他要求，选用刀具的刀尖不可能绝对尖锐，总有一个圆弧过渡刃。因此，实际刀具切削点是过渡刃圆弧与工件轮廓表面的切点，如图4-21所示。
当切削加工时刀具切削点在刀尖圆弧上变动，这样会引起工件加工表面的形状误差。在车内外圆柱面、端面时刀具切削点变动并不会造成误差产生，因为实际切削刃的轨迹与工件轮廓一致。但在车削锥面、倒角或圆弧时，刀具切削点变动就会造成过切或少切的现象，如图4-22所示。
采用刀具半径补偿功能时，刀具运动轨迹指的不是刀尖，而是刀尖上刀刃圆弧中心位置的运动轨迹。按工件轮廓线编程，数控系统会自动完成刀心轨迹的偏置，即执行刀具半径补偿后，刀具会自动偏离工件轮廓一个刀尖圆弧半径值，使刀刃与工件轮廓相切，从而加工出合格零件。
2.刀具半径的补偿方法 在加工前，在机床数控系统的操作面板系统存储器中输入刀具半径的相关参数，如刀尖圆弧半径R和刀尖位置码T，并且在程序中采用刀具半径补偿指令。
3.刀具半径补偿指令G40、G41、G42其输入格式如下：
G40（G41、G42）G00（G01）X_Z_；
说明：G40为取消刀具半径补偿指令；G41为左刀具半径补偿（即沿加工方向看去，刀具在工件切削位置的左侧），如图4-23a所示；G42为右刀具半径补偿（即沿加工方向看去，刀具在工件切削位置的右侧），如图4-23b所示；X、Z后面的数值表示指令G00、G01的参数，即建立刀具半径补偿或取消刀具半径补偿的终点。
注意：
（1）G41、G42指令不带参数，其补偿号（代表所用刀具对应的刀具半径补偿值）由T代码指定。刀尖圆弧补偿号与刀具偏置补偿号对应。G40、G41、G42都是模态代码，可相互注销。
（2）刀具补偿过程的轨迹分三个组成部分：建立刀具补偿程序段、零件轮廓切削程序段、撤销刀具补偿程序段。
（3）刀具半径补偿的建立只能在G00或G01指令指定方式下完成，不能在G02、G03指令指定的方式或其他曲线插补方式下进行。刀具半径补偿一旦建立，在没被取消前一直有效。
（4）在执行刀具半径补偿指令G41或G42后，刀具轨迹必须是单向递增或单向递减的，即执行指令G42后刀具如向Z轴负方向切削，就不允许往Z轴正方向移动。因此，欲使刀具往Z轴正方向移动，必须先用指令G40取消刀具半径补偿。
（5）建立刀具半径补偿后，在Z轴上的切削移动量必须大于其刀具半径值，在X轴的切削移动量必须大于2倍的刀具半径值，这是由于X轴上的切削移动量用直径值表示的缘故。
（6）在刀尖圆弧半径补偿寄存器中定义了车刀圆弧半径及刀尖的方向号。车刀刀尖的方向号定义了刀具刀位点与刀尖圆弧中心的位置关系，从0～9共10个方向，如图4-24所示。
例4-7 考虑刀尖圆弧半径补偿，编制图4-25所示零件的加工程序。
解 运用刀具半径补偿指令编制图4-25所示零件的加工程序如下：
%3345；程序名
N10 T0101； 换1号刀， 确定其坐标系
N20 M03 S400； 主轴以400r/min速度正转
N30 G00 X40 Z5； 到程序起点位置
N40 G00 X0； 刀具移到工件中心
N50 G01 G42 Z0 F60； 加入刀尖圆弧半径补偿，步进接触工件
N60 G03 U24 W-24 R15； 加工R15mm圆弧段
N70 G02 X26 Z-31 R5； 加工R5mm圆弧段
N80 G01 Z-40； 加工ϕ26mm外圆
N90 G00 X30； 退出已加工表面
N100 G40 X40 Z5； 取消刀具半径补偿，返回程序起点位置
N110 M30； 主轴停、主程序结束并复位
3.3.3 复合循环指令G71、G72、G73
1.内外径粗车复合循环指令G71该指令执行图4-26所示的粗加工和精加工路线。该指令只需要指定精加工路线，系统会自动给出粗加工路线，适用于车削棒料毛坯。其输入格式如下：
G71 U（Δd）R（r）P（ns）Q（nf）X（Δx）Z（Δz）F（f）S（s）T（t）
说明：
（1）Δd及其后面的数值表示切削深度（每次切削量），指定时不加符号，方向由矢量AA'决定；r及其后面的数值为每次退刀量；ns及其后面的数值表示精加工路径第一程序段（即图中的AA'）的顺序号；nf及其后面的数值表示精加工路径最后程序段（即图中的B'B）的顺序号；Δx及其后面的数值表示X轴方向精加工余量（直径值），对于右偏刀，外形轮廓加工时取正值，内孔镗削时取负值；Δz及其后面的数值表示Z轴方向精加工余量。
（2）f、s、t表示粗加工时G71指令中编程的F、S、T有效，而精加工时处于ns到nf程序段之间的F、S、T有效。
注意：
（1）G71指令必须带有P、Q的地址ns、nf，并且与精加工路线起止顺序号对应，否则不能进行该循环加工。
（2）ns的程序段必须为G00、G01指令编程，即从A到A'的动作必须是直线或点定位运动。
例4-8 用外径粗加工复合循环指令编制图4-27所示零件的加工程序，要求：循环起始点在点A（46，3）处，切削深度为1.5mm（半径量），退刀量为1mm, X轴方向精加工余量为0.4mm, Z轴方向精加工余量为0.1mm。图4-27中虚线部分表示工件毛坯。
解 运用外径粗车复合循环指令G71编制图4-27所示零件的加工程序如下：
%3327； 程序名
N10 G00 X80 Z80； 快进至程序起点位置
N20 M03 S400； 主轴以400r/min速度正转
N30 G01 X46 Z3 F100； 刀具到循环起点位置
N40 G71 U1. 5 R1 P5 Q13 X0.4 Z0.1； 粗切量1.5mm，精切量X0.4mm、Z0.1mm
N50 G00 X0； 精加工轮廓起始行，到倒角延长线
N60 G01 X10 Z-2； 精加工2mm×45°倒角
N70 Z-20； 精加工ϕ10mm外圆
N80 G02 U10 W-5 R5； 精加工R5mm圆弧(www.daowen.com)
N90 G01 W-10； 精加工ϕ20mm外圆
N100 G03 U14 W-7 R7； 精加工R7mm圆弧
N110 G01 Z-52； 精加工ϕ34mm外圆
N120 U10 W-10； 精加工外圆锥
N130 W-20； 精加工ϕ44mm外圆，精加工轮廓结束行
N140 X50； 退出已加工面
N150 G00 X80 Z80； 回对刀点
N160 M05； 主轴停
N170 M30； 主程序结束并复位
2.端面车削复合循环指令G72其输入格式如下：
G72 W（Δd）R（r）P（ns）Q（nf）X（Δx）Z（Δz）F（f）S（s）T（t）
说明：
（1）该指令输入格式中各参数的含义和要求与G71指令输入格式相同。
（2）该复合循环指令与G71指令的区别仅在于切削方向平行于X轴。该指令执行图4-28所示的粗加工和精加工路线。
注意：在该复合循环指令的ns程序段中应包含G00、G01指令，进行由A到A'的动作，并且在该程序段中不应包含有X轴方向移动指令。
例4-9 编制图4-29所示零件的加工程序，要求：循环起始点在点A（80，1），切削深度为1.2mm，退刀量为1mm, X轴方向精加工余量为0.2mm, Z轴方向精加工余量为0.5mm。其中虚线部分为工件毛坯。
解 运用端面车削复合循环指令G72编制图4-29所示零件的加工程序如下：
%3331； 程序名
N10 T0101； 换1号刀，确定其坐标系
N20 G00 X100 Z80； 到程序起点或换刀点位置
N30 M03 S400； 主轴以400r/min速度正转
N40 X80 Z1； 到循环起点位置
N50 G72 W1.2 R1 P8 Q17 X0.2 Z0.5 F100； 外端面粗切循环加工
N60 G00 X100 Z80； 粗加工后，到换刀点位置
N70 G42 X80 Z1； 加入刀尖圆弧半径补偿
N80 G00 Z-56； 精加工轮廓开始，到锥面延长线处
N90 G01 X54 Z-40F80； 精加工锥面
N100 Z-30； 精加工ϕ54mm外圆
N110 G02 U-8 W4 R4； 精加工R4mm圆弧
N120 G01 X30； 精加工Z26处端面
N130 Z-15； 精加工ϕ30mm外圆
N140 U-16； 精加工Z15处端面
N150 G03 U-4 W2 R2； 精加工R2mm圆弧
N160 Z-2； 精加工ϕ10mm外圆
N170 U-6 W3； 精加工倒角2mm×45°，精加工轮廓结束
N180 G00 X50； 退出已加工表面
N190 G40 X100 Z80； 取消半径补偿，返回程序起点位置
N200 M30； 主轴停、主程序结束并复位
3.闭环车削复合循环指令G73其输入格式如下：
G73U（ΔI）W（ΔK）R（r）P（ns）Q（nf）X（Δx）Z（Δz）F（f）S（s）T（t）
说明：执行该指令功能切削工件时刀具轨迹为图4-30所示闭合回路，刀具逐渐进给，使封闭切削回路逐渐向零件最终形状靠近，最终切削成工件的形状，其精加工路线为A→A'→B→A。
这种指令能对铸造、锻造等粗加工中已初步成形的工件进行高效率切削。
在图4-30中，ΔI为X轴方向的粗加工总余量，ΔK为Z轴方向的粗加工总余量，r为粗切削次数，其他参数含义同指令G71。
注意：
（1）如果ΔI和ΔK表示粗加工时总的切削量，r表示粗加工次数，那么每次切削X、Z轴方向的切削量为ΔI/r、ΔK/r。
（2）当执行包含G73指令的程序段中的P、Q指令实现循环加工时，要注意Δx、Δz、ΔI、ΔK的正负号。
例4-10 编制如图4-31所示零件的加工程序，要求：切削起始点在点A（60，5）处，X、Z轴方向粗加工余量分别为3mm、0.9mm，粗加工次数为3，X、Z轴方向精加工余量分别为0.6mm、0.1mm。图4-31中的虚线部分表示工件毛坯。
解 运用闭环车削复合循环指令G73编制图4-31所示零件的加工程序如下：
%3335； 程序名
N10 G58 G00 X80 Z80； 选定坐标系，到程序起点位置
N20 M03 S400； 主轴以400r/min速度正转
N30 G00 X60 Z5； 到循环起点位置
N40 G73 U3 W0.9 R3 P5 Q13 X0.6 Z0.1 F120； 闭环粗切循环加工
N50 G00 X0 Z3； 精加工轮廓开始，到倒角延长线处
N60 G01 U10 Z-2 F80； 精加工倒2mm×45°角
N70 Z-20； 精加工ϕ10mm外圆
N80 G02 U10 W-5 R5； 精加工R5mm圆弧
N90 G01 Z-35； 精加工ϕ20mm外圆
N100 G03 U14 W-7 R7； 精加工R7mm圆弧
N110 G01 Z-52； 精加工ϕ34mm外圆
N120 U10 W-10； 精加工锥面
N130 U10； 退出已加工表面，精加工轮廓结束
N140 G00 X80 Z80； 返回程序起点位置
N150 M30； 主轴停、主程序结束并复位
3.4 任务实施
3.4.1 加工工艺的确定
1.零件图分析 该零件由圆弧面、外圆锥面、外圆柱面构成。其中ϕ50mm外圆柱面直径处不加工，而ϕ40mm外圆柱面直径处尺寸精度为7级，该表面和锥面的表面粗糙度Ra均为3.2μm，其余表面的表面粗糙度Ra均为3.2μm。
2.零件的装夹及夹具的选择 本任务采用机床三爪自动定心卡盘，零件伸出三爪卡盘外75mm左右，以外圆定位并夹紧。
3.加工方案及加工顺序的确定 根据零件尺寸精度及技术要求，零件从右向左加工，将粗、精加工分开来考虑。
4.加工工序的确定 见表4-7。
表4-7 数控加工工序卡
5.进给路线的确定（略）
6.刀具的确定 见表4-8。
表4-8 数控加工刀具卡
2.4.2 编制加工程序
1.建立坐标系 以工件右端面与轴线的交点为编程原点建立工件坐标系。
2.参考程序 见表4-9。
表4-9 成形面数控加工参考程序
续表
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