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數(shù)控銑床的基本知識及刀具參數(shù)設置

1.數(shù)控銑床的分類

    自從工業(yè)革命以來渗柿,機床工業(yè)發(fā)生了翻天覆地的變化堵第。大多數(shù)人了解的是銑床兆旬、車床鉆床假抄,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丽猬。普通機床需要通過接受過較長時間的專業(yè)培訓并且具有一定操作技能的操作者在具備一定條件的環(huán)境下才能加工出高質(zhì)量的零件宿饱。相對來說,普通設備的加工效率較低脚祟,成本較高丐吹。

    今天,數(shù)控設備在相當多的領域已經(jīng)完全或逐漸取代了普通設備烂攒,與普通機床不同性聚,數(shù)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筝贮。因此饶粪,首先必須將所要加工件的全部信息,包括工藝過程芙棚、刀具運動軌跡及走刀方向镰鹤、位移量、工藝參數(shù)(主軸轉(zhuǎn)速数芝、進給量达华、切削深度)以及輔助動作(換刀、變速改宅、冷卻晒淮、夾緊盲如、松開)等,按加工順序采用標準或規(guī)定的程序指令編寫出正確的數(shù)控加工程序舆吮,然后輸入到數(shù)控設備的控制系統(tǒng)中,隨后控制系統(tǒng)按數(shù)控程序的要求控制數(shù)控機床對零件進行加工队贱。所謂數(shù)控編程色冀,一般指包括零件圖樣分析、工藝分析與設計柱嫌、圖形數(shù)學處理锋恬、編寫并輸入程序清單、程序校驗的全部工作過程编丘。數(shù)控編程可分為手工編程和自動編程兩種方式与学。

    數(shù)控銑床可進行鉆孔、鏜孔嘉抓、攻螺紋索守、輪廓銑削、平面銑削抑片、平面型腔銑削及空間三維復雜型面的銑削加工卵佛。加工中心、柔性加工單元是在數(shù)控銑床的基礎上產(chǎn)生和發(fā)展起來的议乐,其主要加工方式也是銑加工方式奥憎。

數(shù)控銑床可按通用銑床的分類方法分為以下3類:

(1)數(shù)控立式銑床

    數(shù)控立式銑床主軸軸線垂直于水平面,這種銑床占數(shù)控銑床的大多數(shù)忙坡,應用范圍也最廣眉藤。目前三坐標數(shù)控立式銑床占數(shù)控銑床的大多數(shù),一般可進行三軸聯(lián)動加工邪笆。

(2)臥式數(shù)控銑床

    臥式數(shù)控銑床的主軸軸線平行于水平面琴邻。為了擴大加工范圍和擴充功能,臥式數(shù)控銑床通常采用增加數(shù)控轉(zhuǎn)臺或萬能數(shù)控轉(zhuǎn)臺的方式來實現(xiàn)四軸和五軸聯(lián)動加工熏尉。這樣既可以加工工件側(cè)面的連續(xù)回轉(zhuǎn)輪廓悉种,又可以實現(xiàn)在一次裝夾中通過轉(zhuǎn)臺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昨浆。

(3)立臥兩用轉(zhuǎn)換銑床

    這類銑床的主軸可以進行轉(zhuǎn)換函唾,可在同一臺數(shù)控銑床上進行立式加工和臥式加工,同時具備立魔呈、臥式銑床的功能味扼。

2.數(shù)控銑床的主要加工對象

(1)平面類零件

    平面類零件的特點表現(xiàn)在加工表面既可以平行水平面,又可以垂直于水平面委造,也可以與水平面的夾角成定角戳鹅;目前在數(shù)控銑床上加工的絕大多數(shù)零件屬于平面類零件均驶,平面類零件是數(shù)控銑削加工中最簡單的一類零件,一般只需要用三坐標數(shù)控銑床的兩軸聯(lián)動或三軸聯(lián)動即可加工枫虏。在加工過程中妇穴,加工面與刀具為面接觸,粗隶债、精加工都可采用端銑刀或牛鼻刀腾它。

(2)曲面類零件

    曲面類零件的特點是加工表面為空間曲面,在加工過程中死讹,加工面與銑刀始終為點接觸瞒滴。表面精加工多采用球頭銑刀進行。

3.數(shù)控銑床的坐標系   

    為了描述點在平面和空間中的位置赞警,首先需要定義一個確定方向和相對位置的坐標系妓忍,數(shù)控機床的坐標系采用右手直角笛卡兒坐標系。它規(guī)定直角坐標X愧旦、Y世剖、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(zhuǎn)軸A锥桐、B入荞、C的正方向用右手螺旋法則判定。數(shù)控加工采用的是空間三維坐標系挟伯,三維坐標系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捌冲,通常稱之為Z軸,為平行于機床主軸的坐標軸拇支。

(1)建立加工坐標系的步驟

    為了在數(shù)控設備上加工零件麸颜,首先需要確定工件在機床上的位置,因此唬爹,必須建立一個與加工零件相關的坐標系朴魁,雖然數(shù)控設備的優(yōu)勢在于允許或者機床上、或者工件上押赋、或者夾具上的任何位置都可以作為數(shù)控編程的零點而建立坐標系牙娇,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系了仙冕。具體操作可以簡單的定義為以下幾個步驟:

① 根據(jù)數(shù)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粱快。

② 利用零件和夾具上定位面建立加工坐標系。

③ 校正加工坐標系叔扼,通過校正加工坐標系事哭,使建立的加工坐標系滿足數(shù)控加工的要求。

(2)建立加工坐標系的要素

    幾何元素點瓜富、線鳍咱、面對找正和校正加工坐標系非常有用降盹,一個關鍵的因素是可以確定零件和夾具上的特征位置,進而確定加工坐標系的位置谤辜。在實際操作中蓄坏,零件和夾具上的定位面、定位孔等經(jīng)常作為找正和校正加工坐標系的主要手段丑念,這主要基于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(lián)系起來涡戳。以下是建立加工坐標系的三個要素逃贝。

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季键。

② 確定坐標軸方向:平移或旋轉(zhuǎn)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(zhuǎn)元素需垂直于已找正的元素。這控制著軸線相對于工作平面的旋轉(zhuǎn)定位酥丛。

③ 確定坐標系原點:作為定義X、Y咒舰、Z坐標軸的原點或零點蘸暮。

4.數(shù)控銑床的零點

    數(shù)控程序的刀位點位置和刀位矢量確定依賴于加工坐標系的位置,所以埂帜,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懊据。

    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跑科,然后用機床刻度盤的刻度值或者數(shù)字顯示器顯示的讀數(shù)通過簡單的數(shù)學運算來確定工作坐標系的零點接纽,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贝渣。

    數(shù)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阶铝,或者用刻度盤值或者用位置數(shù)字顯示器的數(shù)值給零件定位。然后确告,操作者通過按數(shù)控機床控制面板上的按鈕來建立加工坐標系惊也,也就是通常所說的零點。只不過零點的位置確定通過數(shù)控設備控制系統(tǒng)內(nèi)部的運算來完成遇患。

    在數(shù)控銑床上建立工件的加工坐標系统台,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啡邑,它們分別是機床坐標系原點和加工坐標系原點贱勃。

    數(shù)控銑床都有一個參考點,也就是通常所說的機床坐標系原點或機床的初始位置谤逼,是由機床制造商設置在機床上的一個固定基準位置點募寨,通過限位開關或傳感器來建立。作用是使機床與控制系統(tǒng)同步森缠,建立測量機床運動的起始點拔鹰。從實際意義上講仪缸,機床零點是固定不變的,通常在機床的右上方列肢。當機床啟動后恰画,機床必須執(zhí)行返回到機床零點的固定循環(huán)程序即初始化程序,然后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)中瓷马。

    對于數(shù)控編程和數(shù)控加工來說拴还,還有一個重要的原點是程序原點,是編程員在進行數(shù)控編程時定義的幾何基準點裂怕,并以此點作為加工坐標系的原點症影,即通常所說的工件原點。工件坐標系是零件進行數(shù)控編程時確定的加工坐標系椒缀。

5.數(shù)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垦亲,叫做偏置,如圖2所示脑播。每個坐標軸都有互相關聯(lián)的各自的偏置值常迹,該值存儲在機床控制單元的偏置寄存器中。在進行零件數(shù)控加工時冗级,機床控制單元將一直存儲這些偏置值奖卒,并利用這些偏置值自動跟蹤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(diào)整咸耍。例如:在X-偏置值上加1mm淘巩,則整個坐標系就會向X正向移動1mm,一種常見的控制工件加工質(zhì)量而進行的調(diào)整方法努儒。

(2)機床坐標系的設置和偏置

    現(xiàn)在遇穷,大多數(shù)數(shù)控機床都能建立多個工件偏置來定義多個工件坐標系。事實上渤昌,即便加工同一個工件需要建立多個工件坐標系虽抄,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独柑。最常用的坐標系設置指令為G54迈窟,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忌栅。其他的工作坐標系設置车酣,如G55指令所定義的工作坐標系可以存儲在同一個坐標工作平面如G54中,如圖4所示索绪,選擇G55指令也就是通常所說的建立另一個工件坐標系G55湖员。

    建立另一個工件坐標系指令代碼可以是常見的G54~G59,也可以為其他的G代碼,完全取決于機床制造商為偏置值而設定的G代碼定義格式娘摔。必須在你的零件程序中使用該代碼定義偏置值或坐標系窄坦。調(diào)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凳寺;
或者在換刀后:
N20 M06 T09鸭津;
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旁核,所定義的工件各軸的偏置值X沫跨、Y、Z存儲在機床控制單元的寄存器中极求。若查看數(shù)控機床控制面板上的偏置記錄祖销,如下表所示。

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(shù)控編程過程中惹你,為了避免尺寸計算夕荆,需要多次將工作坐標系進行適當?shù)钠揭啤⑿D(zhuǎn)伶肚。一般數(shù)控機床可以預先設定6個(G54~G59)工件坐標系闭廊,這些坐標系的坐標原點相對于機床原點的坐標偏置值存儲在機床控制單元中辈畜,在機床進行回零操作或初始化后仍然存在侄含,一旦程序中指定了該G指令,數(shù)控系統(tǒng)即指定并調(diào)出該坐標系作為當前的工件坐標系洽腊,該工件坐標系原點即為當前程序原點褒醒,后續(xù)程序中工件移動坐標值均為相對該坐標系原點的坐標值。

(4)Z坐標偏置和刀具長度偏置

    Z 軸的坐標偏置值由于主軸上裝有刀具而使得Z方向的偏置值設置變得復雜一些池摧,因為該偏置值是機床原點到工件坐標系原點之間的Z軸的偏置值焦除,而不是銑刀刃端到工件坐標系之間的Z軸偏置值。相對來說作彤,X膘魄、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竭讳。Z坐標偏置值設置則有一些不同之處创葡,原因是數(shù)控銑床主軸上裝有刀具,因而不得不考慮刀具對Z軸偏置值的影響绢慢。刀具長度偏置成為解決這個問題的有效方法灿渴。

    當控制系統(tǒng)執(zhí)行程序中的指令使Z軸到達指定的水平位置時,控制系統(tǒng)要做的工作是將程序中的坐標點的數(shù)值和刀具長度偏置值都加到Z軸的坐標偏置值中胰舆。例如:

控制系統(tǒng)執(zhí)行的數(shù)控程序為:G01 Z-100.0骚露;
Z坐標偏置值為:-12.5;
刀具長度偏置值為:35.8;
則控制系統(tǒng)執(zhí)行該程序段時迅速進行如下數(shù)學運算:
機床Z位置=-100.0+(-12.5)+35.8=-76.7然后主軸帶動刀具移動到該位置棘幸。

    機床控制系統(tǒng)只執(zhí)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锤塘,而所有的其他數(shù)值的作用只是使數(shù)控編程和刀具設置變得簡單罷了。

    當運行數(shù)控程序時问乌,數(shù)控系統(tǒng)根據(jù)刀具長度偏置值使刀具自動離開工件一個適當?shù)木嚯x调捍,來完成刀具長度偏置工作。

    在加工過程中姨猖,為了控制切削深度或進行試切加工吃它,常常采用加大刀具長度偏置值的方法,以控制刀具的切削深度漆逐,而不需重新修改數(shù)控程序驼凌。

6.刀具參數(shù)預設置

    刀具預設置常常用來設置最新安裝的刀具參數(shù)包括長度偏置值、直徑值等撬替。設置的方法有試切法唾姊、機床內(nèi)部對刀法、機床外部對刀法梦柬,下面介紹最常見的對刀儀測量法驱劳。

(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(shù)控機床外部預先設置刀具參數(shù)磺送,而不需將數(shù)控機床停下來驻子,手動方式使刀具觸及到工件來進行刀具參數(shù)設置。

    對刀儀上有一個預先裝好的估灿、與刀柄相配合的錐孔崇呵,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馅袁;然后使用一個無接觸光學系統(tǒng)來測量刀具域慷,無接觸光學系統(tǒng)通常為一個剖面投影儀,它能通過較大的放大倍數(shù)允許操作者測量刀具參數(shù)汗销。對刀儀上的光學放大鏡可以聚焦刀具的刃端犹褒,記錄聚焦后的刀具長度偏置值、刀尖圓角和直徑值等刀弛针,如圖5所示刀具參數(shù)叠骑;最后將所有的刀具參數(shù)值手工輸入或通過系統(tǒng)傳輸?shù)綑C床控制系統(tǒng)偏置值寄存器中,這樣钦奋,精確的數(shù)控加工就可以開始了座云。

(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,它是測量的基準付材,所以要有很高的精度离春,并與加工中心的定位基準要求一樣鼠废,以保證測量和使用的一致性。定位機構包括回轉(zhuǎn)精度很高的主軸集圈、使主軸回轉(zhuǎn)的傳動機構和使主軸與刀具之間拉緊的預緊機構3部分络蜘。

●  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)恩奢;非接觸式主要用光學的方法与沪,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軸尺寸值阎恒,即刀具的軸向尺寸和徑向尺寸陨柴,測量的讀數(shù)有機械式(如游標刻線尺)的,也有數(shù)顯和光學式的棺厚。

●  測量數(shù)據(jù)處理裝置

    測量數(shù)據(jù)處理裝置的作用是將刀具的測量值自動打印出來苞番,或與上一級管理計算機聯(lián)網(wǎng),進行柔性加工离钱,實現(xiàn)自動修正和補償锭化。

    同其他的如手動使刀具接觸或試切工件邊緣的方法相比,采用對刀儀測量刀具參數(shù)的方法更加精確巧鸭、快捷瓶您。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纲仍,如實際刀具的精度呀袱、工件試切邊緣的精度以及操作者的測量手法等。另一方面巷折,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压鉴,操作者和編程員必須考慮到主軸的旋轉(zhuǎn)精度問題崖咨,因為實際加工過程中刀具是隨主軸一同旋轉(zhuǎn)的锻拘。

    精度較高的機外對刀儀所配置的系統(tǒng)具有更多的功能,使用更加方便击蹲。例如:刀具參數(shù)通過數(shù)據(jù)交換系統(tǒng)自動傳輸?shù)綑C床控制系統(tǒng)中署拟,直接成為操作者所需要的刀具參數(shù),這樣歌豺,就不需要操作者將刀具參數(shù)手工輸入機床控制單元中推穷,可以避免人為錯誤的發(fā)生。

    機外對刀儀主要用來測量刀具的長度宁路、直徑酵抚、刀具形狀、角度猩肪。對于加工中心刀庫中存放的刀具其主要參數(shù)都要有準確的值遣睦,這些參數(shù)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(shù)值芜醉,以便掌握與原刀具的偏差临卿,然后通過修改刀補值確保其正常加工。此外屠睡,用機外對刀儀還可測量刀具切削刃的角度和形狀等參數(shù)楷象,有利于提高加工質(zhì)量。

(3)刀具參數(shù)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受二。每臺對刀儀都隨機帶有一個標準的對刀芯軸烘俱,要妥善保護使其不銹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画鉴。

●  靜態(tài)刀具參數(shù)測量值的修正

    靜態(tài)測量的刀具尺寸和實際加工出的尺寸之間有一差值奥猎。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掸屡。

·加工工件的材料和狀況封寞。

·冷卻液和冷卻系統(tǒng)的狀態(tài)。

·使用對刀儀的技巧和熟練程度等仅财。

    由于以上原因狈究,靜態(tài)測量的刀具尺寸應大于加工后的實際尺寸,因此對刀時要考慮一個修正值盏求,這要由操作者的經(jīng)驗來預選抖锥,一般要偏大0.01~0.05mm。

●  工件坐標系原點的修正

    零件找正或夾具定位裝夾后碎罚,必須正確測定工件的編程原點在機床坐標系中的坐標值磅废,然后輸入到偏置寄存器中。進行試切削時荆烈,由于現(xiàn)場環(huán)境等因素的影響拯勉,如機床的重復定位精度。即便使用同一程序加工憔购,實際加工尺寸也可能因為加工條件的變化而出現(xiàn)較大的偏移宫峦,這時可根據(jù)實測的結(jié)果進行修正,直至滿足零件技術要求為止罚琅,最終使得刀具運動軌跡與數(shù)控編程軌跡完全重合涮舔,必要時為了提高工件的加工精度,也可以采用以上方法進行刀具補償修正


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