数控铣床加工技术

主讲内容 数控铣床相关概述 1 坐 标 系 2 程序基本指令 3 机床操作面板 4 对刀方法 5 加工案例 6 加工中心 7

一、数控铣床相关概述 1.数控铣床概念 2.数控铣床的主要加工对象 数控铣床是由普通铣床发展而来的一种数字控制机床，其加工能力很强，加工灵活，通用性强，数控铣床的最大特点是高柔性，即具有灵活、通用，可以加工不同形状的工件。 2.数控铣床的主要加工对象 数控铣床能够铣削加工各种平面、斜面轮廓和立体轮廓零件，如各种形状复杂的凸轮、样板、模具、叶片、螺旋桨等。此外，配上相应的刀具还可进行钻、扩、铰、锪、镗孔和攻螺纹等。

3.数控铣床的组成 数控铣床的组成及结构如图所示。 辅助装置 辅助装置是指数控铣床的一些配套部件，包括液压和气动装置、冷却和润滑系统、排屑装置等。

4.数控铣床的分类 数控铣床常见的类型主要有数控立式铣床、数控卧式铣床和数控龙门铣床等。 （1）数控立式铣床 数控立式铣床主轴与机床工作台面垂直，一般采用固定式立柱结构，工作台不升降，主轴箱作上下运动，主轴中心线与立柱导轨面的距离不能太大，以保证机床的刚性。 （2）数控卧式铣床 数控卧式铣床其主轴与机床工作台面平行。一般配有数控回转工作台，便于加工零件的不同侧面。目前单纯的数控卧式铣床现在已比较少。 （3）数控龙门铣床 对于大尺寸的数控铣床，一般采用对称的双立柱结构龙门铣床，保证机床的整体刚性和强度，数控龙门铣床有工作台移动和龙门架移动两种形式，它适用于加工整体结构件零件、大型箱体零件和大型模具等。

5.数控铣床的工作原理及基本工作过程 （1）分析零件图，确定加工工艺 加工时首先要分析零件加工图纸，应根据图纸对工件的形状、尺寸、位置关系、技术要求等进行分析，然后确定合理的加工方案、加工路线、装夹方式、刀具及切削参数、对刀点、换刀点，同时还要考虑所用数控机床的指令功能。 （2）数控编程 根据加工路线、工艺参数、刀位数据及数控系统规定的功能指令代码及程序段格式，编写数控加工程序。 （3）程序输入 数控加工程序通过输入装置输入到数控系统。数控系统一般有两种不同的输入工作方式： MDI手动输入；另一种是： USB接口。 （4）伺服装置译码，进行数据处理 输入的程序中含有零件的轮廓信息(如直线的起点和终点坐标；圆弧的起点、终点、圆心坐标、孔的中心坐标、孔的深度等)、切削用量(进给速度、主轴转速)、辅助信息(换刀、冷却液开与关、主轴顺转与逆转等)。由数控系统进行分析处理并译码，进行数据处理。 （5）伺服控制与检测加工 对加工得到的零件检测并进行修正。伺服系统接受插补运算后的脉冲指令信号或插补周期内的位置增量信号，经放大后驱动伺服电机，带动机床的执行部件运动，从而加工出零件。

二、坐标系 1、机床坐标系 2、机床坐标系是机床本身所固有的坐标系； 1、机床坐标系是用来确定工件坐标系的基本坐标系； 2、机床坐标系是机床本身所固有的坐标系； 3、机床坐标系是机床生产厂家设计时自定的，其位置机械挡块决定，不能随意改变。 2、工件坐标系 （１）工件坐标系是编程人员在编写程序时，在工件上建立的坐标系。 工件坐标系的原点位置为工件零点。理论上工件零点设置是任意的，但实际上，它是编程人员根据零件特点为了编程方便以及尺寸的直观性而设定的。

三、程序基本指令 G代码 组别          解释 G00 01 定位 (快速移动) G01 直线切削 G02 顺时针切圆弧 G03 逆时针切圆弧 G04 00 暂停 G17 02 XY 面赋值 G18 XZ 面赋值 G19 YZ 面赋值 G28 机床返回原点 G30 机床返回第2和第3原点 *G40 07 取消刀具直径偏移 G41 刀具直径左偏移 G42 刀具直径右偏移 *G43 08 刀具长度 + 方向偏移 *G44 刀具长度 - 方向偏移 G49 取消刀具长度偏移 *G53 14 机床坐标系选择 G54 工件坐标系1选择 G55 工件坐标系2选择 G56 工件坐标系3选择 G57 工件坐标系4选择 G58 工件坐标系5选择 G59 工件坐标系6选择 G73 09 高速深孔钻削循环 G74 左螺旋切削循环 G76 精镗孔循环 *G80 取消固定循环 G81 中心钻循环 G82 反镗孔循环 G83 深孔钻削循环 G84 右螺旋切削循环 G85 镗孔循环 G86 G87 反向镗孔循环 G88 G89 *G90 03 使用绝对值命令 G91 使用增量值命令 G92 设置工件坐标系 *G98 10 固定循环返回起始点 *G99 返回固定循环R点   程序基本指令，通过编程并运行这些程序而使数控机床能够实现的功能我们称之为可编程功能。一般可编程功能分为两类： 一、准备功能：用来实现刀具轨迹控制即各进给轴的运动，如直线/圆弧插补、进给控制、坐标系原点偏置及变换、尺寸单位设定、刀具偏置及补偿等，也称为G代码：以字母G+两位数字组成，。 二、辅助功能：用来完成程序的执行控制、主轴控制、刀具控制、辅助设备控制等功能。 1、准备功能G指令 FANUC 0i Mate系统使用的常用准备功能如表所示。

G17 G18 G19 XY平面 XZ平面 YZ平面 （1）非模态G功能 这些G代码只在它们所在的程序段中起作用。 （2）模态G功能   （1）非模态G功能 这些G代码只在它们所在的程序段中起作用。 （2）模态G功能 所谓模态G代码，是指这些G代码不只在当前的程序段中起作用，而且在以后的程序段中一直起作用，直到程序中出现另一个同组的G代码为止，同组的模态G代码控制同一个目标但起不同的作用，它们之间是不相容的。 （3）坐标系和坐标设定指令 绝对值和相对值坐标G90/G91 格式：G90；/G91； 说明：G90 绝对值指令；G91 增量值指令。 （4）选用工件坐标系（G54～G59） 格式：G54～G59； 说明：在机床中，我们可以选择六个工件坐标系，通过在CRT-MDI面板上的操作，设置每一个工件坐标系原点相对于机床坐标系原点的偏移量，然后使用G54～G59指令来选用它们，G54～G59都是模态指令，分别对应1＃～6＃工件坐标系。 在电源接通并返回参考点之后，建立工件坐标系1到6。当电源接通时，自动选择G54 坐标系。 （5）平面选择指令G17、G18、G19 格式：G17；/G18；/G19； 说明：选择加工时的插补平面。 G17是系统默认量，编程时可以省略。 G17 G18 G19 XY平面 XZ平面 YZ平面

（6）快速点定位G00 格式：G00 X＿ Y＿ Z＿； 注意：1）X、Y、Z为刀具运行的终点坐标值； 用于非切削状态，快速接近或离开工件； G00 为模态代码； 2）当刀具远离工作台时，Z轴先运动，再X、Y轴运动； 当刀具接近工作台时，X、Y轴先运动，再Z轴。 （7）直线插补G01 格式： G01 X＿ Y＿ Z＿ F＿ ； 说明： 1）指令两个（或三个坐标）以联动的方式，按指定的进给速度F值，插补加工出任意斜率的平面（或空间）直线; 2）X、Y、Z为刀具运行的终点坐标值，可以用绝对值坐标，也可以用增量坐标。F为刀具移动的速度，单位为mm/min。 3）用于切削状态 G01 为模态代码,F也为模态代码

例如：在X-Y平面上的圆弧格式：G17 G02/G03 X＿ Y＿ R＿； 在X-Y平面上的整圆格式：G17 G02/G03 X＿ Y＿ I ＿ J＿ ； 说明： 1）G02为指定平面的顺时针圆插补，G03为指定平面的逆时针圆插补； 2） X、Y、Z为圆弧终点坐标值，可以用绝对值，也可以用增量值，由G90和G91决定；R为圆弧半径； 3）I、J、K表示圆弧圆心--圆弧起点的差值（I J K分别对应在X、Y、Z轴方向上的坐标差），与前面定义的G90或G91无关，I、J、K为零时可以省略； 4）G02/G03为模态代码；

从A---C的圆弧：G00 X-20 Y0; G02 X0 Y20 R20; 从B---B的整圆：G00 X20 Y0 ; G02 X20 Y0 I-20 J0;

1）G41为刀具半径左补偿，G42为刀具半径右补偿，G40为取消刀具半径补偿。 格式： G00（或G01）G41/G42 D＿ X＿ Y＿（F＿）； G00（或G01）G40 X＿ Y＿ （F＿）； 说明： 1）G41为刀具半径左补偿，G42为刀具半径右补偿，G40为取消刀具半径补偿。 2）D为刀具半径补偿代号。X、Y为目标坐标点，F为进给速度（用G00编程时F省略）。 3）刀具半径补偿的过程分三步，即刀补的建立、刀补执行和刀补取消。

OB为建立刀补段： G41 D01 G01 X50 Y40 F100 ； OC段为取消刀补段： G40 G01 X0 Y0 ；或G40 G00 X0 Y0； B→C段为刀补的进行。

2、辅助功能指令 （1）关于停止的辅助功能指令（M30） M30：程序结束； 程序执行完毕，光标返回至程序开始处。 辅助功能包括各种支持机床操作的功能，像主轴的启停、程序停止和切削液节门开关等 （1）关于停止的辅助功能指令（M30） M30：程序结束； 程序执行完毕，光标返回至程序开始处。 （2）主轴旋转M代码（M03、M04、M05） M03——主轴正转； M04——主轴反转； M05——主轴停止旋转。 （3）冷却控制M代码（M08、M09） M08——冷却液开； M09——关闭冷却液、汽。 注意： （4）自动换刀指令M06 M06指令用于主轴上的刀具与刀库上位于换刀位置的刀具进行交换。 格式：M06 T_____例如：M06 T01 （5）主轴转速设定指令S 格式：Sxxxx 例如S1000 ；单位R/min （6）F代码:进给速度

3、固定循环功能指令 1．固定循环功能指令的动作 加工中心机床配备的固定循环功能，主要用于孔加工，包括钻孔、镗孔、攻螺纹等。 动作1──X轴和Y轴定位。使刀具快速定位到 孔加工的位置。 动作2──快进到R点。刀具自起始点快速进给 到R点。 动作3──孔加工。以切削进给的方式执行孔 加工的动作。 动作4──在孔底的动作。包括暂停、主轴准 停等动作。 动作5──返回到R点。继续孔的加工而又可以 安全移动刀具时选择R点。 动作6──快速返回到起始平面。

（1）初始平面（又称返回平面） 初始平面到零件表面的距离可以任意设定在一个较高的安全高度上，当使用同一把刀具加工若干孔时，只有孔间存在障碍需要跳跃或全部孔加工完了时，才使用G98指令使刀具返回到初始平面上。 （2）R点平面（又称R参考面或参考平面） 这个平面是刀具下刀时自快进转为工进的平面，距工件上表面一安全距离（又称刀具切入距离），该平面主要考虑工件表面情况，一般取2～5mm。使用G99编程时刀具将返回到该平面上的R点。 （3）基准平面 工件基准平面是确定其它参数的面，一般设为工件的上表面。

格式:G90/G91 G83 G98/G99 X＿ Y＿ Z＿ R＿ Q__ F＿； F__：切削进给速度（mm/min） ； 2）编程时可以用绝对坐标G90或相对坐标G91编程，建议采用绝对坐标编程G90。 3）其动作过程为： ①钻头快速定位到孔加工循环起始点（X Y）； ②钻头沿Z方向快速运动到参考平面R； ③钻孔加工,回; ④钻头快速退回到参考平面R或快速退回到初始平面;

M03 S1000；(主轴正转，转速1000） G90 G54 G00 X10 Y10 ；（快速定位到X10，Y10) Z50 ； 例 如图所示零件，要求用G83加工所有的孔。选用T01号刀具（φ10钻头）。 M03 S1000；(主轴正转，转速1000） G90 G54 G00 X10 Y10 ；（快速定位到X10，Y10) Z50 ； G83 G99 X10 Y10 R5 Q2 Z-15 F20；固定循环回R点 X50 Y10 ； 在（50，10）处钻孔 X50 Y30 ； 在（50，30）处钻孔 X10 Y30 ； 在（10，30）处钻孔 G80 X0 Y0； 取消钻孔循环 G00 Z30； M30；

3．右螺旋攻螺纹循环G84 格式：G84 G＿ X＿ Y＿ Z＿ R＿ F＿； 说明： 1）进给速度F=主轴转速×螺纹螺距，其余各参数的意义同G81。 2）G84攻螺纹时主轴正转，退出时以进给速度反转，而不是快速运动。该指令执行前可不启动主轴，执行该指令时，系统将自动启动主轴正转。 3）其动作过程如下： ①主轴正转，丝锥快速定位到螺纹加工循环起始点（X，Y）； ②丝锥沿Z方向快速运动到参考平面R； ③攻丝加工； ④主轴反转，丝锥以进给速度反转退回到参考平面R； ⑤当使用G98指令时，丝锥快速退回到初始平面。

例 对图中的4个孔进行攻右旋螺纹，攻螺纹深度15mm，选用T02号刀具（M12丝锥、螺距为2）。 M03 S150； G00 G90 G54 X10 Y10 ； Z100 ； G84 G99 Z-15 R5 F300 ；(F=转速*螺距） X50 ； Y30 ； X10 ； G80 G00 Z30； M30；

四、机床操作面板 1、机床操作面板的功能按键布局 （1）设置和显示单元（屏幕）区：为9”CRT/MDI显示单元，是与操作者进行信息交换的主要界面，屏幕上方显示功能标题，中间为信息显示区，下方有输入数据显示区、状态区和软键功能区，软键功能与软按键一一对应。 （2）MDI操作面板：是数控系统数据输入、功能使用的主要输入设备。 （3）软键区：含有四个章节选择软键，一个操作选择软键、一个菜单返回键和一个菜单继续键，可以实现对显示单元下方所示的软键功能进行选用。 21

2、手摇脉冲发生器的使用 （1）手摇轮：仅在机床方式为手摇脉冲发生器的使用方式下和有效轴移动的情况下有效，可沿圆周方向进行旋转，有正、负方向旋转之分，正负分别对应于移动轴的正负方向，手摇轮沿圆周方向等分为100个刻度，用以控制移动轴的移动距离，每一刻度的具体取值视倍率选择旋钮而定，如倍率选择旋钮为╳1时，每旋转一个刻度，则相应轴沿相应方向移动1um的距离。 （2）轴选择旋钮：当在OFF状态时，手摇脉冲发生器无效，A为扩展轴，本机床无效。 （3）倍率选择旋钮：╳1为手摇轮每旋转一个刻度，轴移动1um，╳10为一个刻度轴移动10um, ╳100为一个刻度轴移动100um。

五、对刀方法 对刀的目的:通过刀具或对刀工具确定工件坐标系原点（程序原点） 工件的定位与装夹（对刀前的准备工作） 对刀点的确定 在数控铣床上常用的夹具有平口钳、分度头、三爪自定心卡盘和平台夹具等，经济型数控铣床装夹时一般选用平口钳装夹工件。把平口钳安装在铣床工作台面中心上，找正、固定。 对刀点的确定 1、对刀点的确定 对刀点是工件在机床上定位装夹后，用于确定工件坐标系在机床坐标系中位置的基准点。一般来说，对刀点最好能与工件坐标系的原点重合。 数控铣床的常用对刀方法 对刀操作分为X、Y向对刀和Z向对刀。对刀的的准确程度将直接映影响加工精度。对刀方法一定要同零件加工精度要求相适应。 根据使用的对刀工具的不同，常用的对刀方法分为以下几种：（1）试切对刀法；（2）塞尺、标准芯棒和块规对刀法；（3）采用寻边器、偏心棒和Z轴设定器等工具对刀法；

特点：这种方法简单方便，但会在工件表面留下切削痕迹，对刀精度较低。 步骤： （1）试切对刀法 特点：这种方法简单方便，但会在工件表面留下切削痕迹，对刀精度较低。 步骤： X、Y向对刀：将工件通过夹具装在工作台上，装夹时，工件的四个侧面都应留出对刀的位置。 起动主轴中速旋转，快速移动工作台和主轴，让刀具快速移动到靠近工件左侧有一定安全距离的位置，然后降低速度移动至接近工件左侧。 靠近工件时改用微调操作（一般用0.01mm来靠近），让刀具慢慢接近工件左侧，使刀具恰好接触到工件左侧表面（观察，听切削声音、看切痕、看切屑，只要出现其中一种情况即表示刀具接触到工件），再回退0.01mm。记下此时机床坐标系中显示的X坐标值，如-240.500等。 沿Z正方向退刀，至工件表面以上，用同样方法接近工件右侧，记下此时机床坐标系中显示的X坐标值，如-340.500等。 由此可得，工件坐标系原点在机床坐标系中X坐标值为{-240.500+（-340.500）}/2=-290.500。 同理可测得工件坐标系原点W 在机床坐标系中的Y坐标值。 Z向对刀：将刀具快速移至工件上方。起动主轴中速旋转，快速移动工作台和主轴，让刀具快速移动到靠近工件上表面有一定安全距离的位置，然后降低速度移动让刀具端面接近工件上表面。 靠近工件时改用微调操作（一般用0.01mm来靠近），让刀具端面慢慢接近工件表面（注意刀具特别是立铣刀时最好在工件边缘下刀，刀的端面接触工件表面的面积小于半圆，尽量不要使立铣刀的中心孔在工件表面下刀），使刀具端面恰好碰到工件上表面，再将Z轴再抬高0.01mm，记下此时机床坐标系中的Z值，如-140.400等，则工件坐标系原点W在机床坐标系中的Z坐标值为-140.400。 数据存储：将测得的X、Y、Z值输入到机床工件坐标系存储地址G5*中（一般使用G54~G59代码存储对刀参数）。 起动生效：进入面板输入模式（MDI），输入“G5*”，按起动键（在“自动”模式下），运行G5*使其生效。 检验：检验对刀是否正确，这一步是非常关键的。

六、加工案例

1、数控加工工艺过程 下料装夹：此零件毛坯为铝合金板材，采用平口钳装夹，先将平口钳固定在工作台上，在装夹工件；根据图纸，此零件需要露出钳口大于6mm； 选择刀具：由于工件最小的宽度为20mm，因此选择小于20mm的立铣刀加工； 选择进刀点：根据此零件的特点，可以选择工件外侧为进刀点； 选择原点编辑程序：根据图纸的尺寸，设定工件中心为工件坐标原点，以方便手动编程； 对刀：利用试切对刀法对刀具找到工件的坐标系； 检验：利用机器检验程序是否正确； 加工零件：程序正确后，关闭安全门。

6．编程 G90 G54 G00 X0 Y0 ;（G90绝对坐标编程，G54坐标系，刀具快速的移动到X0Y0点） Z100; （刀具运行到Z100的位置） M3 S1000;(主轴正转，转速1000） M08; （冷却液开启） G00 X-30 Y30;（刀具快速定位到起刀点A点） Z5;(刀具快速由100下刀至5的位置） G01 Z-6 F200;（刀具下刀至加工零件的深度） G01 X-30 Y15;（刀具直线进给到B点） G03 X-25 Y10 R5;（逆时针圆弧到C点） G01 X15 Y10; G02 X15 Y-10 R10;（顺时针圆弧插补） G01 X-35 Y10; G03 X-40 Y-15 R5; G01 X-40 Y-30; X30 Y-30; X40 Y-20; X40 Y23; G03 X33 Y30 R7; G01 X-30 Y30;（刀具回到A点） G00 Z100;（刀具抬刀到100的位置） M09;（冷却液关闭） M30;（程序停止）

七、加工中心的相关概述 1.加工中心概念 2.加工范围及特点 加工中心（Machining Center，MC）是从数控铣床发展而来的，与数控铣床的最大区别在于增加了刀库和自动换刀装置。 加工中心可使工件在一次装夹过程中，实现钻、铣、镗、扩、铰、攻螺纹、切槽等多种加工功能。故适合于小型板类、盘类、壳体类、模具等零件的多品种小批量加工。 2.加工范围及特点 加工中心主要适合用于加工形状复杂、工序多、精度要求比较高的工件。 1、箱体类工件  这类工件一般要求都进行多工位孔系以及平面的加工，定位精度要求高，在加工中心上加工的时候，一次装夹能完成普通机床60%～95%的工序内容。 2、复杂曲面类工件  复杂曲面一般能用球头铣刀进行三坐标联动加工，加工精度较高，但效率低。如果工件存在加工干涉区或者加工盲区，就必须考虑采用四坐标或者五坐标联动的机床。如飞机、汽车外形，叶轮、螺旋桨、各种成型模具等。 3、异形件  异形件是外形不规则零件，大多需要点、线、面多工位混合的加工。加工异形件时，形状越复杂，精度要求越高，使用加工中心越能显示它的优越性。如手机外壳等。 4、盘、套、板类工件  这类工件包括带有键槽和径向孔，端面分布有孔系、曲面的盘套或轴类工件，如带法兰的轴套、带有键槽或方头的轴类零件等；具有较多孔加工的板类零件，如各种电机盖等。

3、数控加工中心基本结构及简单工作原理 1.自动换刀系统 换刀系统主要由刀库、机械手等部件组成。当需要更换刀具时，数控系统发出指令后，由机械手从刀库中取出相应的刀具装入主轴孔内，然后再把主轴上的刀具送回刀库完成整个换刀动作。 加工中心与一般数控机床的显著区别是具有对零件进行多工序加工的能力，有一套自动换刀装置。     2.刀库 分为斗笠式、圆盘式和链式刀库

4、加工中心的换刀方法 例如：编程时，采用的格式如下： G91 G28 Z0;（返回换刀位置） T1 M6；(更换1号刀具） 1、通常加工中心换刀必需回到固定的换刀位置，否则换刀机械手或者换刀动作无法正常运行。不同的数控系统甚至不同的数控系统版本的换刀指令都可能不一样，三菱系统采用如下指令换刀： G91 G28 Z0;(机床从当前位置回到换刀点） T-----M6;（------是指更换刀具的编号） 例如：编程时，采用的格式如下： G91 G28 Z0;（返回换刀位置） T1 M6；(更换1号刀具） G90 G54 G00 X0 Y0 Z100;(开始加工前的动作） ……（以下编程内容为T1的加工内容，编程方法同数控铣） G91 G28 Z0.; T2 M6; G90 G54 G00 X0. Y0. Z100.……（以后为T2的加工编程） ……（以后类似）