第7章 加工中心编程
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【教学目标】 通过本章节的教学：使学生掌握加工中心的特点、加工对象、换刀方法及程序编制。
【教学重点】 换刀方法与编程方法
【教学难点】 换刀方法
【教学时数】 理论6学时
【课程类型】 理论课程
【教学方法】 理论联系实际，讲、例、练三结合
【教学内容】
7.1 加工中心的特点
7.1.1 加工中心的加工特点
加工中心是带有刀库和自动换刀装置的数控机床，具有数控镗、铣、钻床的综合功能。
加工中心具有良好的加工一致性和经济效益。与其它数控机床相比，具有以下特点：
1、加工工件复杂，工艺流程很长时，能排除工艺流程中的人为干扰因素，具有较高的生产效率和质量稳定性。
2、由于工序集中和具有自动换刀装置，工件在一次装夹后能完成有精度要求的铣、钻、镗、扩、铰、攻丝等复合加工。
3、在具有自动交换工作台时，一个工件在加工时，另一个工作台可以实现工件的装夹，从而大大缩短辅助时间，提高加工效率。
4、刀具容量越大，加工范围越广，加工的柔性化程序越高。
7.1.2 加工中心程序的编制特点
一般使用加工中心加工的工件形状复杂、工序多，使用的刀具种类也多，往往一次装夹后要完成从粗加工、半精加工到精加工的全部过程。因此程序比较复杂。在编程时要考虑下述问题。
仔细地对图纸进行分析，确定合理的工艺路线。
刀具的尺寸规格要选好，并将测出的实际尺寸填入刀具卡。
确定合理的切削用量。主要是主轴转速、背吃刀量、进给速度等。
应留有足够的自动换刀空间，以避免与工件或夹具碰撞。换刀位置建议设置在机床原点。
为便于检查和调试程序，可将各工步的加工内容安排到不同的子程序中，而主程序主要完成换刀和子程序的调用。这样程序简单而且清晰。
对编好的程序要进行校验和试运行，注意刀具、夹具或工件之间是否有干涉。在检查M、S、T功能时，可以在Z轴锁定状态下进行。
7.1.3 加工中心的主要加工对象
加工中心主要适用于加工形状复杂、工序多、精度要求高的工件。
箱体类工件 这类工件一般都要求进行多工位孔系及平面的加工，定位精度要求高，在加工中心上加工时，一次装夹可完成普通机床60%～95%的工序内容。
复杂曲面类工件 复杂曲面一般可以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加工盲区，就必须考虑采用四坐标或五坐标联动的机床。如飞机、汽车外形，叶轮、螺旋桨、各种成型模具等。
异形件 异形件是外形不规则的零件，大多需要点、线、面多工位混合加工。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其优越性。如手机外壳等。
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。
特殊加工 在加工中心上还可以进行特殊加工。如在主轴上安装调频电火花电源，可对金属表面进行表面淬火。
7.1.4 加工中心的换刀形式
自动换刀数控机床多采用刀库式自动换刀装置。带刀库的自动换刀系统由刀库和刀具交换机构组成，它是多工序数控机床上应用最广泛的换刀方法。
换刀过程较为复杂，首先把加工过程中需要使用的全部刀具分别安装在标准的刀柄上，在机外进行尺寸预调整之后，按一定的方式放入刀库，换刀时先在刀库中进行选刀，并由刀具交换装置从刀库和主轴上取出刀具。在进行刀具交换之后，将新刀具装入主轴，把旧刀具放回刀库。存放刀具的刀库具有较大的容量，它既可安装在主轴箱的侧面或上方，也可作为单独部件安装到机床以外。
1、刀库的种类
刀库用于存放刀具，它是自动换刀装置中的主要部件之一。根据刀库存放刀具的数目和取刀方式，刀库可设计成不同类型。图7.1所示为常见的几种刀库的形式。
(1)直线刀库。如图7.1(a)所示，刀具在刀库中直线排列、结构简单，存放刀具数量有限(一般8把-12把)，较少使用。
(2)圆盘刀库。如图7.1(b)-(g)所示，存刀量少则6把-8把，多则50把-60把，有多种形式。
图7.1(b)所示刀库，刀具径向布置，占有较大空间，一般置于机床立柱上端。
图7.1(c)所示刀库，刀具轴向布置，常置于主轴侧面，刀库轴心线可垂直放置，也可以水平放置，较多使用。
图7.1(d)所示刀库，刀具为伞状布置，多斜放于立柱上端。
为进一步扩充存刀量，有的机床使用多圈分布刀具的圆盘刀库(图7.1(e))，多层圆盘刀库(图7.1(f))和多排圆盘刀库(图7.1(g))。多排圆盘刀库每排4把刀，可整排更换。后三种刀库形式使用较少。
(3)链式刀库。链式刀库是较常使用的形式(图7.1(h),(i))，常用的有单排链式刀库(图7.1(h))和加长链条的链式刀库(图7.1(i))。
(4)其他刀库。格子箱式刀库，如图7.1(j)、k，刀库容量较大。图7.1(j)为单面式，图7.1(k)为多面式。
（a） （b） （c）
（d） （e） （f） （g）
（h） （i）
（j） （k）
图7.1 刀库的各种形式
2、换刀方式
数控机床的自动换刀装置中，实现刀库与机床主轴之间传递和装卸刀具的装置称为刀具交换装置。
(1)无机械手换刀。必须首先将用过的刀具送回刀库，然后再从刀库中取出新刀具，这两个动作不可能同时进行，因此换刀时间长。
(2)机械手换刀。采用机械手进行刀具交换的方式(如图7.2所示)应用得最为广泛，这是因为机械手换刀有很大的灵活性，而且可以减少换刀时间。
图7.2 机械手换刀
1-主轴 2-主轴箱 3-刀库 4-机械手
7.2 加工中心的换刀程序
7.2.1 加工中心主轴的准停
主轴准停也叫主轴定向。在加工中心等数控机床上，由于有机械手自动换刀，要求刀柄上的键槽对准主轴的端面键上，因此主轴每次必须停在一个固定准确的位置上，以利于机械手换刀。
主轴准停装置有机械式和电气式两种。
图7.3为采用电气准停装置的工作原理图。
图7.3 主轴准停装置的工作原理
l-多楔带轮 2-磁传感器 3-永久磁铁
7.2.2 换刀程序
除换刀程序外，加工中心的编程方法和普通数控机床相同。
不同的数控系统，其换刀程序是不相同的，通常选刀和换刀分开进行。
多数加工中心都规定了“换刀点”位置，即定距换刀。换刀程序可采用两种方法设计：
方法一：N10 G28 Z0 T02
N20 M06
方法二：N100 G01 Z30 T02
……………
N200 G28 Z0 M06
N210 G01 Z30 T05
……………
N200程序段换上N100程序段选出的T02号刀具；在换刀后，紧接着选出下次要用的T05号刀具。在N100程序段和N210程序段执行选刀时，不占用机动时间，所以这种方法较好。
7.3 加工中心编程实例
例1 加工如图7.4所示的平面凸轮轮廓，毛坯材料为中碳钢，尺寸如图7.5所示。零件图中23mm深的半圆槽和外轮廓不加工，只讨论凸轮内滚子槽轮廓的加工程序。
图7.4 凸轮零件图
图7.5 凸轮毛坯
1、工艺分析
装夹：以ф45㎜的孔和K 面定位在，专用夹具装夹。
刀具：用三把ф25㎜的四刃硬质合金锥柄端铣刀，分别用于粗加工(T03)、半精加工(T04)和精加工(T05)。为保证顺利下刀到要求的槽深，要先用钻头钻出底孔，然后再用键槽铣刀将孔底铣平，因此还要一把ф25㎜的麻花钻(T01)和一把ф25㎜的键槽铣刀(T02)。
工步：为达到图纸要求的表面粗糙度，分粗铣、半精铣、精铣三个工步完成加工。半精铣和精铣单边余量分别为1～1.5mm和0.1～0.2mm。在安排上，根据毛坯材料和机床性能，粗加工分两层加工完成，以避免Z向吃刀过深。半精加工和精加工不分层，一刀完成。刀具加工路线选择顺铣，可避免在粗加工时发生扎刀划伤加工面，而且在精铣时还可以提高表面光洁程度。
切削参数：根据毛坯材料、刀具材料和机床特性，选择如表7.1所示的切削参数。
表7.1 切削参数
加工要求
主轴转速(r/min)
进给速度(mm/min)
粗加工
400～450
20～30
半精加工
450～500
30～40
精加工
600
50
2、数据计算
选择ф45㎜孔的中心为编程原点，考虑到该零件关于Y对称，因此只计算+X一侧的基点坐标即可。计算时使用计算机绘图软件求出。如图7.6所示。
图7.6 凸轮轮廓线基点计算
3、加工程序
为完成分层粗加工、半精加工和精加工的全部工艺内容，程序中反复使用刀具半径补偿功能。为使凸轮槽内外轮廓线都能做到顺铣，程序编成两段，且起点和终点方向不同。为简化程序，将基点轨迹编成子程序，由主程序反复调用。加工程序如下：（略）
例2 编制如图7.7所示端盖的加工程序
图7.7 端盖
1、工艺分析
此零件加工中需要保证的精度是孔之间的位置精度，以及孔的精度。由于外形轮廓已预先加工，装夹以两侧与底面定位，用平口虎钳装夹并找正。刀具参数及切削用量的选择见表7.2所示。
表7.2 刀具参数及切削用量的选择
工艺卡片
零件号
1
零件名称
材料
程序编号
O0001
机床型号
制表
工序内容
工步号
刀具号
刀具种类
主轴转速
进给速度
补偿量
备注
种类
直径
长度
铣上面
N01
T1
盘铣刀
Φ45
实测
S1000
F200
D1
半径补偿
H1
长度补偿
钻中心孔
N02
T2
中心钻
Φ3
S900
F80
D2
半径补偿
H2
长度补偿
钻孔
N03
T3
麻花钻
Φ11.8
S600
F50
D3
半径补偿
H3
长度补偿
钻孔
N04
T4
麻花钻
Φ7
S600
F40
D4
半径补偿
H4
长度补偿
钻孔
N05
T5
麻花钻
Φ4.8
S600
F40
D5
半径补偿
H5
长度补偿
攻丝
N06
T6
丝锥
M6
S100
D6
半径补偿
H6
长度补偿
铰孔
N07
T7
铰刀
Φ12
S80
F10
D7
半径补偿
H7
长度补偿
铣凸台
N08
T8
高速钢立铣刀
Φ12
S480
F80
D8
半径补偿
H8
长度补偿
铣孔
N9
T9
高速钢立铣刀
Φ10
S480
F80
D9
半径补偿
H9
长度补偿
工艺路线：粗精铣上面；留加工余量钻孔；攻丝、铰孔；粗精铣凸台；铣孔。
2、数值计算
工件坐标系设置在零件上表面的中间点。未知点坐标：
P1(-48.7208,-14.7916) P2(-33.0629,-18.0827)
P3(-25.3648,-17.0596) P4(-17,-19)
P5(-10,-26) P6(-10,-28) P7(-3,-35)
3、加工程序：
加工前已完成对刀，零件的粗、精加工由刀具半径补偿控制。
加工程序（略）
