數控銑加工基礎知識

禮拜五 - 11/01/2019 11:42

數控銑加工基礎知識

數控機床集鑽、銑、鏜、鉸、攻絲等工序於一體。數控程序是用計算機語言來體現加工工藝的過程。
1.數控銑床的分類
 
自從工業革命以來,機床工業發生了翻天覆地的變化。大多數人了解的是銑床、車床和鑽床,
也就是所說的普通機床,這些設備通過技術工人操作手輪移動刀架使刀具沿正確的方向走刀到零件所加工的位置。
 
普通機床需要通過接受過較長時間的專業培訓並且具有一定操作技能的操作者在具備一定條件的環境下才能加工出高質量的零件。
相對來說,普通設備的加工效率較低,成本較高。
 
今天,數控設備在相當多的領域已經完全或逐漸取代了普通設備,與普通機床不同,數控機床加工零件的過程完全自動地進行,
加工過程中人工不能干預。
 
因此,首先必須將所要加工件的全部信息,包括工藝過程、刀具運動軌跡及走刀方向、位移量、
工藝參數(主軸轉速、進給量、切削深度)以及輔助動作(換刀、變速、冷卻、夾緊、鬆開)等,
按加工順序採用標准或規定的程序指令編寫出正確的數控加工程序,然後輸入到數控設備的控制系統中,
隨後控制系統按數控程序的要求控制數控機床對零件進行加工。
 
所謂數控編程,一般指包括零件圖樣分析、工藝分析與設計、圖形數學處理、編寫並輸入程序清單、
程序校驗的全部工作過程。數控編程可分為手工編程和自動編程兩種方式。
 
數控銑床可進行鑽孔、鏜孔、攻螺紋、輪廓銑削、平面銑削、平面型腔銑削及空間三維複雜型面的銑削加工。
加工中心、柔性加工單元是在數控銑床的基礎上產生和發展起來的,其主要加工方式也是銑加工方式。
 
數控銑床可按通用銑床的分類方法分為以下3類:
 
(1)數控立式銑床
 
數控立式銑床主軸軸線垂直於水平面,這種銑床佔數控銑床的大多數,應用範圍也最廣。
目前三坐標數控立式銑床佔數控銑床的大多數,一般可進行三軸聯動加工。
 
(2)臥式數控銑床
 
臥式數控銑床的主軸軸線平行於水平面。為了擴大加工範圍和擴充功能,
臥式數控銑床通常採用增加數控轉台或萬能數控轉台的方式來實現四軸和五軸聯動加工。
這樣既可以加工工件側面的連續迴轉輪廓,又可以實現在一次裝夾中通過轉台改變零件的加工
位置也就是通常所說的工位,進行多個位置或工作面的加工。
 
(3)立臥兩用轉換銑床
 
這類銑床的主軸可以進行轉換,可在同一台數控銑床上進行立式加工和臥式加工,同時具備立、臥式銑床的功能。
 
2.數控銑床的主要加工對象
 
(1)平麵類零件
 
平麵類零件的特點表現在加工表面既可以平行水平面,又可以垂直於水平面,也可以與水平面的夾角成定角;
目前在數控銑床上加工的絕大多數零件屬於平麵類零件,平麵類零件是數控銑削加工中最簡單的一類零件,
一般只需要用三坐標數控銑床的兩軸聯動或三軸聯動即可加工。在加工過程中,加工面與刀具為面接觸,
粗、精加工都可採用端銑刀或牛鼻刀。
 
(2)曲麵類零件
 
曲麵類零件的特點是加工表面為空間曲面,在加工過程中,加工面與銑刀始終為點接觸。表面精加工多采用球頭銑刀進行。
 
3.數控銑床的坐標系
 
為了描述點在平面和空間中的位置,首先需要定義一個確定方向和相對位置的坐標系,
數控機床的坐標係採用右手直角笛卡兒坐標系。它規定直角坐標X、Y、Z三個坐標軸的正方向用右手法則判定,
圍繞各坐標軸的旋轉軸A、B、C的正方向用右手螺旋法則判定。數控加工採用的是空間三維坐標系,
三維坐標係是在二維即平面坐標系的基礎上增加了一個垂直方向的軸,通常稱之為Z軸,
為平行於機床主軸的坐標軸,如圖1所示。
 
ABC
 
1)建立加工坐標系的步驟
 
為了在數控設備上加工零件,首先需要確定工件在機床上的位置,因此,必須建立一個與加工零件相關的坐標系,
雖然數控設備的優勢在於允許或者機床上、或者工件上、或者夾具上的任何位置都可以作為數控編程的零點而建立坐標系,
但最佳的解決方案選擇既簡單又方便定位的位置,這樣操作者通過按控制面板上的幾個按鈕就可以完成建立加工坐標係了。
具體操作可以簡單的定義為以下幾個步驟:
 
① 根據數控編程坐標系或加工坐標系確定零件坐標系的位置和坐標軸的方向。
 
② 利用零件和夾具上定位面建立加工坐標系。
 
③ 校正加工坐標系,通過校正加工坐標系,使建立的加工坐標系滿足數控加工的要求。
 
(2)建立加工坐標系的要素
 
幾何元素點、線、面對找正和校正加工坐標系非常有用,一個關鍵的因素是可以確定零件和夾具上的特徵位置,
進而確定加工坐標系的位置。在實際操作中,零件和夾具上的定位面、定位孔等經常作為找正和校正加工坐標系的主要手段,
這主要基於通過簡單的幾何運算就可以將機床坐標系和零件坐標系聯繫起來。以下是建立加工坐標系的三個要素。
 
① 確定坐標平面:選擇和找正定位面確定工作平面的方向和位置。
 
② 確定坐標軸方向:平移或旋轉所測量的元素作為方向矢量確定加工坐標系的坐標軸方向,
旋轉元素需垂直於已找正的元素。這控制著軸線相對於工作平面的旋轉定位。
 
③ 確定坐標係原點:作為定義X、Y、Z坐標軸的原點或零點。
 
4.數控銑床的零點
 
數控程序的刀位點位置和刀位矢量確定依賴於加工坐標系的位置,所以,
在加工零件前必須確定加工坐標系或編程坐標系的準確位置。
 
在普通設備上加工工件時,操作技師通常使用刀具的刃邊或刃口來確定工件的邊緣位置作為加工的零點,
然後用機床刻度盤的刻度值或者數字顯示器顯示的讀數通過簡單的數學運算來確定工作坐標系的零點,
所有的位置都以此點作為參考點,這也就是加工坐標系的由來。
 
數控銑床和普通銑床的工作原理是一樣的:加工前必須確定工件在機床上的位置,
或者用刻度盤值或者用位置數字顯示器的數值給零件定位。然後,
操作者通過按數控機床控制面板上的按鈕來建立加工坐標系,也就是通常所說的零點。
只不過零點的位置確定通過數控設備控制系統內部的運算來完成。
 
在數控銑床上建立工件的加工坐標系,是為了確定工件在加工坐標系中的準確位置,
首先應該了解兩個零點的概念,它們分別是機床坐標係原點和加工坐標係原點。
 
數控銑床都有一個參考點,也就是通常所說的機床坐標係原點或機床的初始位置,
是由機床製造商設置在機床上的一個固定基準位置點,通過限位開關或傳感器來建立。
作用是使機床與控制系統同步,建立測量機床運動的起始點。從實際意義上講,機床零點是固定不變的,
通常在機床的右上方。當機床啟動後,機床必須執行返回到機床零點的固定循環程序即初始化程序,
然後將機床參考點和機床原點之間的偏置值自動存儲在機床控制單元MCU(Machine Control Unit)中。
 
對於數控編程和數控加工來說,還有一個重要的原點是程序原點,是編程員在進行數控編程時定義的幾何基準點​​,
並以此點作為加工坐標系的原點,即通常所說的工件原點。工件坐標係是零件進行數控編程時確定的加工坐標系。
 
5.數控銑床偏置
 
(1)機床偏置的概念
 
機床零點和工作零點之間的距離,叫做偏置,如圖2所示。每個坐標軸都有互相關聯的各自的偏置值,
該值存儲在機床控制單元的偏置寄存器中。在進行零件數控加工時,機床控制單元將一直存儲這些偏置值,
並利用這些偏置值自動跟踪和移動刀具到正確的位置。偏置值也可以在機床控制單元中進行編輯或調整。
例如:在X-偏置值上加1mm,則整個坐標係就會向X正向移動1mm,一種常見的控制工件加工質量而進行的調整方法。
 
DBA
 
(2)機床坐標系的設置和偏置
 
現在,大多數數控機床都能建立多個工件偏置來定義多個工件坐標系。事實上,即便加工同一個工件需要建立多個工件坐標系,
也無需完全重新建立工作坐標系。該任務可以通過設置G代碼或G指令來完成工件的偏置。最常用的坐標系設置指令為G54,
其他坐標系設置指令為G55~G59等。如圖3所示的X軸偏置值和Y軸偏置值即為G54指令所設定的工作坐標系。
 
DCB
 
其他的工作坐標系設置,如G55指令所定義的工作坐標係可以存儲在同一個坐標工作平面如G54中,
如圖4所示,選擇G55指令也就是通常所說的建立另一個工件坐標系G55 。
 
建立另一個工件坐標係指令代碼可以是常見的G54~G59,也可以為其他的G代碼,
完全取決於機床製造商為偏置值而設定的G代碼定義格式。必須在你的零件程序中使用該代碼定義偏置值或坐標系。
調出定義工件偏置值的G代碼通常在絕對的安全位置如在程序開始部分:
 
O1111;
N5 G54 G90 G40 G70;
或者在換刀後:
N20 M06 T09;
N25 G54 G00 X50.0 Y20.0 Z100.0;
 
設置工件偏置必須通過刀尖或刀具刃部接觸零件或其他方法來完成,所定義的工件各軸的偏置值X、Y、
Z存儲在機床控制單元的寄存器中。若查看數控機床控制面板上的偏置記錄,如下表所示。
 
表 坐標系偏置值
 

 

Designation

X-offset

Y-offset

Z-offset

G54

-30.221

-65.864

0

G55

-7.987

-33.366

-9.873

G56

-15.765

-7.832

-35

G57

-50.352

-0.788

-8.963

 

(3)工件偏置的作用
 
在數控編程過程中,為了避免尺寸計算,需要多次將工作坐標系進行適當的平移、旋轉。
一般數控機床可以預先設定6個(G54~G59)工件坐標系,
這些坐標系的坐標原點相對於機床原點的坐標偏置值存儲在機床控制單元中,在機床進行回零操作或初始化後仍然存在,
一旦程序中指定了該G指令,數控系統即指定並調出該坐標係作為當前的工件坐標系,
該工件坐標係原點即為當前程序原點,後續程序中工件移動坐標值均為相對該坐標係原點的坐標值。
 
(4)Z坐標偏置和刀具長度偏置
 
Z軸的坐標偏置值由於主軸上裝有刀具而使得Z方向的偏置值設置變得複雜一些,
因為該偏置值是機床原點到工件坐標係原點之間的Z軸的偏置值,而不是銑刀刃端到工件坐標系之間的Z軸偏置值。
相對來說,X、Y兩個軸偏置值的測量和設置相對簡單一些,因為操作者可以試著把機床主軸的中心線與工件的邊緣對齊。
Z坐標偏置值設置則有一些不同之處,原因是數控銑床主軸上裝有刀具,因而不得不考慮刀具對Z軸偏置值的影響。
刀具長度偏置成為解決這個問題的有效方法。
 
當控制系統執行程序中的指令使Z軸到達指定的水平位置時,
控制系統要做的工作是將程序中的坐標點的數值和刀具長度偏置值都加到Z軸的坐標偏置值中。例如:
 
控制系統執行的數控程序為:G01 Z-100.0;
Z坐標偏置值為:-12.5;
刀具長度偏置值為:35.8;
則控制系統執行該程序段時迅速進行如下數學運算:
機床Z位置=-100.0+(-12.5)+35.8=-76.7
 
然後主軸帶動刀具移動到該位置。
 
機床控制系統只執行運動控制點的機床絕對位置也就是機床坐標系的絕對坐標值,
而所有的其他數值的作用只是使數控編程和刀具設置變得簡單罷了。
 
當運行數控程序時,數控系統根據刀具長度偏置值使刀具自動離開工件一個適當的距離,來完成刀具長度偏置工作。
 
在加工過程中,為了控制切削深度或進行試切加工,常常採用加大刀具長度偏置值的方法,
以控製刀具的切削深度,而不需重新修改數控程序。
 
6.刀具參數預設置
 
刀具預設置常常用來設置最新安裝的刀具參數包括長度偏置值、直徑值等。設置的方法有試切法、
機床內部對刀法、機床外部對刀法,下面介紹最常見的對刀儀測量法。
 
(1)對刀儀測量法
 
對刀儀測量法為機床外部對刀法,其目的是在數控機床外部預先設置刀具參數,
而不需將數控機床停下來,手動方式使刀具觸及到工件來進行刀具參數設置。
 
對刀儀上有一個預先裝好的、與刀柄相配合的錐孔,對刀時先將刀具安裝到刀柄上,
再將裝有刀具的刀柄插到對刀儀的配合錐孔中;然後使用一個無接觸光學系統來測量刀具,
無接觸光學系統通常為一個剖面投影儀,它能通過較大的放大倍數允許操作者測量刀具參數。
對刀儀上的光學放大鏡可以聚焦刀具的刃端,記錄聚焦後的刀具長度偏置值、
刀尖圓角和直徑值等刀,如圖5所示刀具參數;最後將所有的刀具參數值手工輸入
或通過系統傳輸到機床控制系統偏置值寄存器中,這樣,精確的數控加工就可以開始了。

 
AE
(2)機外對刀儀的組成
 
● 刀柄定位機構
 
對刀儀的刀柄定位機構與標準刀柄相對應,它是測量的基準,所以要有很高的精度,
並與加工中心的定位基準要求一樣,以保證測量和使用的一致性。定位機構包括迴轉精度很高的主軸、
使主軸迴轉的傳動機構和使主軸與刀具之間拉緊的預緊機構3部分。
 
● 測頭與測量機構
 
測頭有接觸式和非接觸式兩種,接觸式測頭直接接觸刀具的主要測量點(最高點和最大外圓處);
非接觸式主要用光學的方法,把刀具投影到屏幕上進行測量。測量機構提供刀刃的切削點處的Z軸和X軸尺寸值,
即刀具的軸向尺寸和徑向尺寸,測量的讀數有機械式(如游標刻線尺)的,也有數顯和光學式的。
 
● 測量數據處理裝置
 
測量數據處理裝置的作用是將刀具的測量值自動打印出來,
或與上一級管理計算機聯網,進行柔性加工,實現自動修正和補償。
 
同其他的如手動使刀具接觸或試切工件邊緣的方法相比,採用對刀儀測量刀具參數的方法更加精確、快捷。
通常,手工移動主軸使刀具接觸或試切工件邊緣的方法受很多情況的限制,如實際刀具的精度、
工件試切邊緣的精度以及操作者的測量手法等。另一方面,使用對刀儀測量刀具直徑偏置比單純輸入一個刀具直徑值更精確,
操作者和編程員必須考慮到主軸的旋轉精度問題,因為實際加工過程中刀具是隨主軸一同旋轉的。
 
精度較高的機外對刀儀所配置的系統具有更多的功能,使用更加方便。
例如:刀具參數通過數據交換系統自動傳輸到機床控制系統中,直接成為操作者所需要的刀具參數,
這樣,就不需要操作者將刀具參數手工輸入機床控制單元中,可以避免人為錯誤的發生。
 
機外對刀儀主要用來測量刀具的長度、直徑、刀具形狀、角度。
對於加工中心刀庫中存放的刀具其主要參數都要有準確的值,這些參數值在編制加工程序時都要加以考慮。
使用中因刀具損壞需要更換新刀具時,用機外對刀儀可以測出新刀具的主要參數值,以便掌握與原刀具的偏差,
然後通過修改刀補值確保其正常加工。此外,用機外對刀儀還可測量刀具切削刃的角度和形狀等參數,有利於提高加工質量。
 
(3)刀具參數測量注意事項
 
● 使用對刀儀應注意的問題
 
使用前要用標準芯軸進行校準。每台對刀儀都隨機帶有一個標準的對刀芯軸,要妥善保護使其不鏽蝕或受到外力作用而變形。
每次使用前都要對軸向和徑向尺寸進行校準。
 
● 靜態刀具參數測量值的修正
 
靜態測量的刀具尺寸和實際加工出的尺寸之間有一差值。影響這一差值的因素很多,主要有:
 
·刀具和機床的精度和剛度。
·加工工件的材料和狀況。
·冷卻液和冷卻系統的狀態。
·使用對刀儀的技巧和熟練程度等。
 
由於以上原因,靜態測量的刀具尺寸應大於加工後的實際尺寸,因此對刀時要考慮一個修正值,
這要由操作者的經驗來預選,一般要偏大0.01~0.05mm。
 
● 工件坐標係原點的修正
 
零件找正或夾具定位裝夾後,必須正確測定工件的編程原點在機床坐標系中的坐標值,然後輸入到偏置寄存器中。
進行試切削時,由於現場環境等因素的影響,如機床的重複定位精度。即便使用同一程序加工,
實際加工尺寸也可能因為加工條件的變化而出現較大的偏移,這時可根據實測的結果進行修正,
直至滿足零件技術要求為止,最終使得刀具運動軌跡與數控編程軌跡完全重合,
必要時為了提高工件的加工精度,也可以採用以上方法進行刀具補償修正。

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