任务3　型腔的加工与编程

3.1　任务引入

完成图9-17所示零件上型腔的加工，并完成工序卡的填写。零件上下表面、外轮廓已在前面工序（步）中完成，零件材料为45钢，毛坯为200mm×200mm×50mm型材。

3.2　工艺知识

型腔的铣削加工包括各种形状的型腔和封闭槽的铣削加工，首先根据给定的零件图进行图样分析，然后进行零件的加工工艺性分析，设计加工工艺方案，编制工艺卡、刀具卡等数控加工技术文件，最后应用M98/M99、G68/G69、G51/G50等编程指令编写数控加工程序。

1.型腔铣削的下刀方式 对于型腔零件的加工，下刀方式主要有垂直下刀、斜插式下刀和螺旋下刀三种，如图9-18所示。

（1）垂直下刀：主要采用键槽铣刀和立铣刀。在同等切削条件下，键槽铣刀每刃切削量比立铣刀大，刀刃的磨损也较大，立铣刀具有较高的平稳性和较长的使用寿命。但由于立铣刀的底切削刃没有到刀具的中心，所以在垂直进刀时没有较深的切削能力。因此，在小面积切削或加工零件表面粗糙度要求不高的场合，可以采用键槽铣刀直接垂直下刀切削，如图9-18a所示。而对于大面积切削或零件表面粗糙度要求较高的场合，一般先采用键槽铣刀垂直进刀，在钻起始孔后再换成多刃立铣刀加工型腔。

（2）斜插式下刀：刀具快速下至加工表面上一定距离后，改为与工件表面成一定角度，以斜插式方式切入工件，从而达到Z轴方向进刀的目的，如图9-18b所示。斜插式下刀是螺旋下刀方式的一种补充，适用于受范围限制而无法使用螺旋下刀的长条形型腔的加工。

斜插式下刀方式主要包括下刀的起始高度、切入斜线的长度、切入或反向切入的角度等几个参数。起始高度一般设在加工面上方0.5～1mm；切入斜线的长度要根据型腔空间以及铣削深度来确定，一般切入斜线越长，进刀切削的路程就越长；切入角度通常选择为5°～20°，切入角度过小会使切入斜线数增多、切削路程加长，切入角度过大会产生不好的端刃切削；一般进刀切入角度和反向进刀切入角度取相同的数值。

（3）螺旋下刀：通过刀片的侧刃和底刃的切削，避开刀具中心无切削部分与工件的干涉，使刀具沿深度方向螺旋渐进，从而达到进刀的目的，如图9-18c所示。螺旋下刀方式是现代数控加工中应用较广泛的进刀方式，其优点是可以在切削的平稳性和切削效率之间取得一个较好的平衡点，缺点是切削路线较长、在比较狭窄的型腔加工中会因为切削范围过小而无法实现螺旋下刀。

2.型腔铣削的走刀路线

（1）圆形型腔的走刀路线：挖圆形型腔一般从圆心开始，也可以预先钻一个孔以便进刀，一般采用立铣刀或键槽铣刀，如图9-19所示。加工此型腔时，刀具快速定位到R点，从R点转入切削进给，先铣一层，切深到Q点，然后刀具按宽度H进刀，按圆弧走刀，选取H值时应注意小于刀具的直径，以免留下残痕。继续进刀直至孔的尺寸，加工完一层后刀具快速回到孔中心，接着轴向进刀加工下一层，直至到达孔底尺寸。此时快速退刀，离开腔体。

（2）矩形型腔的走刀路线：主要有三种走刀路线，如图9-20所示。图9-20a表示从角边起刀，按S形排刀，这种走刀方式编程简单，但在腔的两端有残留。图9-20b表示从中心起刀，按照逐圈扩大的路线走刀，这种方式每圈都要变换终点位置尺寸，编程较复杂，但是腔中无残留。图9-20c所示走刀路线综合了前两种的优点，先以S形排刀，最后沿着型腔圆周走一刀，切去残留。

（3）不规则形状型腔的走刀路线：如图9-21所示，这种走刀路线编程工作量较大。为了简化编程，可以先将其变成内轮廓进行加工，再将剩余部分变成无界平面进行铣削加工，对于已经远离边界的剩余部分，采用方格纸进行近似取值，图中双点划线表示剩余轮廓型腔。

3.3　编程指令（HNC—21/22T数控系统）

若一组程序段在一个程序中多次出现或在几个程序中使用，为了简化编程，可以把这组程序段按规定的格式写成一个新的程序单独存储，以供其他程序调用，这种程序叫做子程序。主程序执行过程中如果需要某一个子程序，可以通过一定格式的子程序调用指令来调用该子程序，执行完后返回到主程序，继续执行其他的程序段。

1.子程序调用指令 M98指令是非模态的，表示调用子程序。M99指令也是非模态的，表示子程序结束，用在子程序的结尾。

常见的调用子程序指令输入格式有以下两种。

（1）格式1：“M98P_L_；”，其中P后面的数字表示子程序名，L后面的数值表示调用次数（1次可省略，最多为9999次）。例如，“M98P1002L7”表示调用1002子程序7次。

（2）格式2：“M98P_；”，其中P后面的数字有8位，前4位表示调用次数，后4位表示子程序名。例如，调用1002子程序7次可用“M98 P71002；”表示。

例9-6 如图9-22所示，在一块平板上加工6个边长为10mm的等边三角形，每边的槽深为2mm，工件上表面为Z轴方向零点。不考虑刀具半径补偿，试采用调用子程序的方式编制该零件加工程序。

解 运用子程序调用指令编制图9-22所示零件加工程序如下：

（1）主程序：

%0100； 主程序程序名

N10 G54 G90 G01 Z40 F2000； 进入工件加工坐标系

N20 M03 S800； 主轴启动

N30G00Z3； 快进到工件表面上方

N40 G01 X0 Y8.66； 到1#三角形上顶点

N50 M98 P20； 调20号切削子程序切削三角形

N60 G90 G01 X30 Y8.66； 到2#三角形上顶点

N70 M98 P20； 调20号切削子程序切削三角形

N80 G90 G01 X60 Y8.66； 到3#三角形上顶点

N90 M98 P20； 调20号切削子程序切削三角形

N100 G90 G01 X0 Y-21.34； 到4#三角形上顶点

N110 M98 P20； 调20号切削子程序切削三角形

N120 G90 G01 X30 Y-21.34； 到5#三角形上顶点

N130 M98 P20； 调20号切削子程序切削三角形

N140 G90 G01 X60 Y-21.34； 到6#三角形上顶点

N150 M98 P20； 调20号切削子程序切削三角形

N160 G90 G01 Z40 F2000； 抬刀

N170 M05； 主轴停转

N180 M30； 主程序结束

（2）子程序：

%0020； 子程序程序名

N10 G91 G01 Z-2 F100； 在三角形上顶点切入（深）2mm

N20 G01 X-5 Y-8.66； 切削三角形

N30 G01 X10 Y0； 切削三角形

N40 G01 X-5 Y8.66； 切削三角形

N50 G01 Z5 F2000； 抬刀

N60 M99； 子程序结束

2.比例缩放指令G50、G51 使用这两个指令不仅可以使原编程尺寸按规定比例缩小或放大，而且可以使图形按指定规律产生镜像变换。G51为比例编程指令，G50为撤销比例编程指令，两者均为模态指令。当各坐标轴按相同比例缩放时，比例缩放指令的输入格式如下：

G51X_Y_Z_P_；

M98P_；

G50；

说明：

（1）G51指令表示建立比例缩放。

（2）G50指令表示取消比例缩放。

（3）X、Y、Z及其后面的数字表示缩放中心的坐标值。

（4）P及其后面的数字表示比例缩放系数。

使用比例缩放功能可使原编程尺寸按指定比例缩小或放大。G51指令既可指定平面缩放，又可指定空间缩放。在执行G51指令后，运动指令的坐标值以（X, Y，Z）为缩放中心，按P代码指定的缩放比例进行计算。

例9-7 利用比例缩放功能编制图9-23所示零件的加工程序。

解 运用比例缩放指令编制图9-23所示零件加工程序如下：

（1）主程序：

%0001

N10 G54；

N20 S500 M03；

N30 G00 X0 Y0 Z10；

N40 M98 P0002； 加工编程形状

N50 G51 X0 Y0 P0.5； 缩放中心坐标（0，0），缩放比例为0.5

N60 M98 P0002； 加工缩放后形状

N70 G50； 取消缩放

N80 M05；

N90 M30；

（2）子程序：

%0002

N10 G00 X-20 Y-20 Z5；

N20 G01 Z-5 F200；

N30 Y20；

N40 X20；

N50 Y-20；

N60 X-20；

N70 G00 Z10；

N80 G00 X0 Y0；

N90 M99；

3.坐标系旋转指令G68、G69 执行这两个指令可以使编程图形按指定旋转中心及旋转方向旋转一定的角度。如果工件的形状由许多相同的图形组成，可以先将图形单元编写成子程序，然后通过主程序的旋转指令调用，这样可以简化编程、省时、节省存储空间。G68指令用于设定坐标旋转，G69指令用于撤销旋转功能。坐标系旋转指令输入格式如下：

G68X_Y_R_；

G69；

上述程序段表示以定点（X, Y）为旋转中心，将图形旋转R角。如果旋转中心（X, Y）省略，就以程序原点为旋转中心。例如：“G68R60”表示以程序原点为旋转中心，将图形旋转60°；“G68 X15Y15R60”表示以坐标（15，15）为旋转中心将图形旋转60°。

（1）旋转角度R：逆时针旋转定义为正方向，顺时针旋转时为负方向，旋转角度范围为-360°～360°，当程序中省略旋转角度R时按照系统参数确定旋转角度。

例9-8 刀具轨迹如图9-24所示，应用坐标系旋转指令编程。

解 运用G68、G69指令编制图9-24所示轮廓加工程序如下：

N10 G92 X-5 Y-5； 建立加工坐标系(www.daowen.com)

N20 G68 G90 X7 Y3 R60； 开始以点（7，3）为旋转中心，逆时针旋转60°

N30 G90 G01 X0 Y0 F200； 按原加工坐标系描述运动，到达（0，0）点

N40 G91 X10； X轴方向进给到（10，0）

N50 G02 Y10 R10； 顺圆进给

N60 G03 X-10 I-5 J-5； 逆圆进给

N70 G01 Y-10； 回到（0，0）点

N80 G69 G90 X-5 Y-5； 撤销坐标系旋转功能，回到（-5，-5）点

N90 M02； 程序结束

（2）坐标系旋转功能与刀具半径补偿功能的关系：旋转平面一定要包含在刀具半径补偿平面内。

例9-9 刀具轨迹如图9-25所示，应用坐标系旋转指令编该轮廓加工程序，要求采用刀具半径补偿功能。

解 运用坐标系旋转指令、刀具半径补偿指令编制图9-25所示轮廓加工程序如下：

N10 G92 X0 Y0；

N20 G68 G90 X10 Y10 R-30；

N30 G90 G42 G00 X10 Y10 F100 H01；

N40 G91 X20；

N50 G03 Y10 I-10 J5；

N60 G01 X-20；

N70 Y-10；

N80 G40 G90 X0 Y0；

N90 G69 M02；

注意：当选用半径为5 mm的立铣刀时，设置刀具半径补偿H01=5mm。

（3）坐标系旋转与比例缩放编程的关系：在比例缩放编程模式下，执行坐标系旋转指令，旋转中心坐标也执行比例缩放操作，但旋转角度不受影响，这时各指令的编程顺序为G51、G68、G41（G42）、G40、G69、G50。

3.4　任务实施

1.工艺过程

（1）粗加工选择：ϕ18 mm立铣刀，采用斜插式下刀方式和S形运动方式。

（2）半精加工、精加工选择：ϕ16 mm立铣刀，采用垂直下刀、轮廓铣削方式，通过修改刀具半径补偿值实现半精加工和精加工。

2.半精加工、精加工加工路线 见图9-26。

3.刀具与工艺参数的确定 见表9-8、表9-9。

表9-8 数控加工刀具卡

表9-9 数控加工工序卡

4.装夹方案的确定 连杆零件毛坯用虎钳装夹，底部用垫铁支撑。

5.参考程序的编制 在毛坯中心建立工件坐标系，Z轴原点设在顶面上。

（1）粗加工程序

1）主程序：

%1000

N10 G54 G90 G00 Z40； 进入工件加工坐标系

N20 M03 S320； 主轴启动

N30 G00 X-65 Y-65； 到下刀点

N40 G00 Z1； 快进到工件表面上方

N50 M98 P20； 调用20号切削子程序，深10mm

N60 G90 G01 X-65 Y-65；

N70 Z-9；

N80 M98 P20； 调20号切削子程序，深20mm

N90 G90 G00 Z400； 抬刀

N100 M05； 主轴停转

N110 M30； 主程序结束

2）子程序：

%0020

N10 G91 G01 X130 Y0 Z-4 F80；

N20 G01 X-130 Y0 Z-4；

N30 G01 X130 Y0 Z-3；

N40 G01 X-130 Y0；

N50 Y16；

N60 X130；

N70 Y16；

N80 X-130；

N90 Y16；

N100 X130；

N110 Y16；

N120 X-130；

N130 Y16；

N140 X130；

N150 Y16；

N160 X-130；

N170 Y17；

N180 X130；

N190 Y17；

N200 G00 Z5； 抬刀

N210 M99； 子程序结束

（2）精加工程序：

%2000

N10 G54 G90 G00 X0 Y0 Z40； 进入工件加工坐标系

N20 M03 S500； 主轴启动

N30 G00 Z10； 快进到工件表面上方

N40 G41 G00 X-10 Y-65 D01； 建立刀具半径补偿，到下刀点

N50 G01 Z-20 F100； 下刀

N60 G03 X0 Y-75 R10 F80； 圆弧切线方向切出

N70 G01 X65 Y-175；

N80 G03 X75 Y-65 R10；

N90 G01 X75 Y65；

N100 G03 X65 Y75 R10；

N110 G01 X-65 Y75；

N120 G03 X-75 Y65 R10；

N130 G01 X-75 Y-65；

N140 G03 X-65 Y-75 R10；

N150 G01 X0 Y-75；

N160 G03 X10 Y-65 R10； 圆弧切线方向切出

N170 G40 G00 X0 Y0； 取消刀具半径补偿

N180 G00 Z50；

N190 M05；

N200 M30；