第5章 数控车床编程
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【教学目标】 通过本章节的教学：使学生掌握数控车床的加工对象及编程要点；数控车床的刀具补偿；数控车床固定循环。
【教学重点】 编程要点、刀具补偿与固定循环
【教学难点】 刀具补偿与固定循环
【教学时数】 理论6学时，实验2学时
【课程类型】 理论与实验课程
【教学方法】 理论联系实际，讲、例、练三结合
【教学内容】
5.1 概述
5.1.1 数控车削加工的对象
数控车床是目前使用比较广泛的数控机床，主要用于轴类和盘类回转体工件的加工，能自动完全内外圆面、柱面、锥面、圆弧、螺纹等工序的切削加工，并能进行切槽、钻、扩、铰孔等加工，适合复杂形状工件的加工。与常规车床相比，数控车床还适合加工如下工件。
轮廓形状特别复杂或难于控制尺寸的回转体零件
精度要求高的零件
特殊的螺旋零件 如特大螺距（或导程）、变螺距、等螺距与变螺距或圆柱与圆锥螺旋面之间作平滑过渡的螺旋零件，以及高精度的模数螺旋零件和端面螺旋零件。
淬硬工件的加工 在大型模具加工中，有不少尺寸大而形状复杂的零件。这些零件热处理后的变形量较大，磨削加工困难，可以用陶瓷车刀在数控机床上对淬硬后的零件进行车削加工，以车代磨，提高加工效率。
5.1.2 数控车床编程要点
数控车床的编程具有如下特点：
在一个程序段中，根据图样上标注的尺寸可以采用绝对值编程或增量值编程，也可以采用混合编程。
被加工零件的径向尺寸在图样上和测量时，一般用直径值表示，所以采用直径尺寸编程更为方便。
由于车削加工常用棒料作为毛坯，加工余量较大，为简化编程，常用采用不同形式的固定循环。
编程时，认为车刀刀尖是一个点，而实际上为了提高刀具寿命和工件表面质量，车刀刀尖常磨成一个半径不大的圆弧。为提高工件的加工精度，编制圆头刀程序时，需要对刀具半径进行补偿。使用刀具半径补偿后，编程时可直接按工件轮廓尺寸编程。
为了提高加工效率，车削加工的进刀与退刀都采用快速运动。进刀时，尽量接近工件切削开始点，切削开始点的确定以不碰撞工件为原则。
5.2 数控车床的刀具补偿
5.2.1 刀具位置补偿
在实际加工工件时，使用一把刀具一般不能满足工件的加工要求，通常要使用多把刀具进行加工。作为基准刀的1号刀刀尖点的进给轨迹如图5.1所示(图中各刀具无刀位偏差)。其它刀具的刀尖点相对于基准刀刀尖的偏移量（即刀位偏差）如图5.2所示(图中各刀具有刀位偏差)。在程序里使用M06指令使刀架转动，实现换刀，T指令则使非基准刀刀尖点从偏离位置移动到基准刀的刀尖点位置（A点）然后再按编程轨迹进给，如图5.2的实线所示。
刀具在加工过程中出现的磨损也要进行位置补偿。
图5.1 基准刀 图5.2 刀具位置补偿
5.2.2 刀尖半径补偿
刀尖半径补偿的目的就是为了解决刀尖圆弧可能引起的加工误差。
图5.3 刀尖圆弧半径和理想刀尖点
在车端面时，刀尖圆弧的实际切削点与理想刀尖点的Z坐标值相同；车外圆柱表面和内圆柱孔时，实际切削点与理想刀尖点的X坐标值相同。因此，车端面和内外圆柱表面时不需要对刀尖圆弧半径进行补偿。
当加工轨迹与机床轴线不平行（斜线或圆弧时），则实际切削点与理想刀尖点之间在X、Z轴方向都存在位置偏差，如图5.4所示。以理想刀尖点P编程的进给轨迹为图中轮廓线，圆弧刀尖的实际切削轨迹为图中斜线所示，会出现少切或过切现象，造成了加工误差。刀尖圆弧半径R越大，加工误差越大。
图5.4 刀尖圆弧半径对加工精度的影响
常见的刀尖圆弧半径为0.2mm、0.4mm、0.8mm、1.2mm。
为使系统能正确计算出刀具中心的实际运动轨迹，除要给出刀尖圆弧半径R以外，还要给出刀具的理想刀尖位置号T。各种刀具的理想刀尖位置号如图5.5所示。
图5.5 理想刀尖位置号
5.2.3 刀尖圆弧半径补偿的实现
刀尖圆弧半径补偿及其补偿方向是由G40、G41、G42指令实现的。
刀尖半径补偿指令的程序段格式为：
G40(G41/G42) G01(G00) X Z F
G40：取削刀尖圆弧半径补偿，也可用T××00取消刀补；
G41：刀尖圆弧半径左补偿（左刀补）。顺着刀具运动方向看，刀具在工件左侧，如图5.6（a）。
G42：刀尖圆弧半径右补偿（右刀补）。顺着刀具运动方向看，刀具在工件右侧，如图5.6（b）。
X、Z为建立或取削刀具圆弧半径补偿程序段中，刀具移动的终点坐标。
（a） （b）
图5.6 刀具半径补偿
G40、G41、G42指令不能与G02、G03、G71、G72、G73、G76指令出现在同一程序段。G01程序段有倒角控制功能时也不能进行刀具补偿。在调用新刀具前，必须用G40取消刀补。
G40、G41、G42指令为模态指令，G40为缺省值。要改变刀尖半径补偿方向，必须先用G40指令解除原来的左刀补或右刀补状态。再用G41或G42指令重新设定，否则补偿会不正常。
当刀具磨损、重新刃磨或更换新刀具后，刀尖半径发生变化，这时只需在刀具偏置输入界面中改变刀具参数的R值，而不需修改已编好的加工程序。利用刀尖圆弧半径补偿，还可以用同一把刀尖半径为R的刀具按相同的编程轨迹分别进行粗、精加工。设精加工余量为△，则粗加工的刀具半径补偿量为R＋△，精加工的补偿量为R。
例如车削图5.7所示工件。毛坯为锻件，用一把90°偏刀分粗、精车两次进给，已知刀尖圆弧半径R＝0.2mm，精车余量△＝0.3mm。
图5.7 刀具半径补偿编程实例
5.3 固定循环
数控车床的固定循环一般分为简单固定循环和复合固定循环。
5.3.1 简单固定循环
一个简单固定循环程序段可以完成“切入-切削-退刀-返回”这四种常见的加工顺序动作。
1、内(外)径切削循环G80
(1) 圆柱面内(外)径切削循环
图5.8(a)所示是使用G80指令车削圆柱面时的进给轨迹，R表示快速运动，F表示进给运动，U、W表示增量值。
程序段格式为：
G80 X Z F
(2) 圆锥面内(外)径切削循环
图5.8(b)所示是使用G80指令车削圆锥表面时的进给轨迹。
程序段格式为
G80 X Z I F
其中，I值为切削起点B与切削终点C的X坐标值之差（半径值）。其符号为差的符号(无论是绝对值编程还是增量值编程)，图示的I值为负值。
(a) (b)
图5.8 内外径车削循环
如图5.9所示，用G80指令编程，毛坯直径ф34，工件直径ф24，分三次车削。用绝对值编程。
图5.9 G80指令编程实例
加工程序如下：
O080
N05 M03 S400
N10 G90 G92 X60 Z80
N15 G00 X40 Z60
N20 G80 X30 Z20
N30 G80 X27 Z20
N40 G80 X24 Z20
N50 G00 X60 Z80
N60 M02
2、端面切削循环G81
(1) 端平面切削循环
图5.10(a)所示是使用G81指令车削端平面时的进给轨迹。
程序段格式为：
G81 X Z F
(2) 端锥面切削循环
图5.10(b)所示是使用G81指令车削端锥面时的进给轨迹。
程序段格式为：G81 X Z K F
(a) (b)
图5.10 端面车削循环
如图5.11所示，每次吃刀2mm，每次切削起点位距工件外圆面5mm，因此这里K值为-3.5。
图5.11端面车削循环实例
用G81指令编程的加工程序为：
O0081
N10 G54 G90 G00 X60 Z45 M03
N20 G81 X25 Z31.5 K-3.5 F100
N30 X25 Z29.5 K-3.5
N40 X25 Z27.5 K-3.5
N50 X25 Z25.5 K-3.5
N60 M05
N70 M02
G81与G80的区别只是切削方向的不同，G81的切削方向是X轴方向，主要适用于X向进给量大于Z向进给量的情况，例如圆盘类工件。G80的切削方向是Z轴方向，主要适用于Z向进给量大于X向进给量的情况，例如轴类工件。
5.3.2 复合固定循环
复合循环有三类，分别是内(外)径粗车复合循环G71，端面粗车复合循环G72，封闭轮廓复合循环G73。
1、内(外)径粗车复合循环G71
图5.12所示为内(外)径粗车复合循环G71的运动轨迹。
程序段格式如下：
G71 U(△d) R(e) P(ns) Q(nf) X(△u) Z(△w) F S T
其中：
△d—切削深度(背吃刀量、每次切削量)，半径值，无正负号，方向由矢量AA′决定；
e—每次退刀量，半径值，无正负；
ns—精加工路线中第一个程序段(即图中AA′段)的顺序号；
nf--精加工路线中最后一个程序段(即图中BB′段)的顺序号；
△u—X方向精加工余量，直径编程时为△u，半径编程为△u/2；
△w—Z方向精加工余量；
图5.12 粗车复合循环G71
使用G71编程时的说明：
(1)G71程序段本身不进行精加工，粗加工是按后续程序段ns～nf给定的精加工编程轨迹A→A′→B→B′，沿平行于Z轴方向进行。
(2)G71程序段不能省略除F、S、T以外的地址符。G71程序段中的F、S、T只在循环时有效，精加工时处于ns到nf程序段之间的F、S、T有效。
(3)循环中的第一个程序段(即ns段)必须包含G00或G01指令，即A→A′的动作必须是直线或点定位运动，但不能有Z轴方向上的移动。
(4) ns到nf程序段中，不能包含有子程序。
(5)G71循环时可以进行刀具位置补偿，但不能进行刀尖半径补偿。因此在G71指令前必须用G40取消原有的刀尖半径补偿。在ns到nf程序段中可以含有G41或G42指令，对精车轨迹进行刀尖半径补偿。
例：用G71指令编程。如图5.13所示，粗车背吃刀量△d=3mm，退刀量e=1mm，X、Z轴方向精加工余量均为0.3mm。
图5.13 G71编程实例
加工程序：（略）
2、端面粗车复合循环G72
图5.14所示为端面粗车复合循环G72的运动轨迹。
程序段格式如下：
G72 U(△d) R(e) P(ns) Q(nf) X(△u) Z(△w) F S T
G72指令与G71指令的区别仅在于切削方向平行于X轴，在ns程序段中不能有X方向的移动指令，其它相同。
图5.14 端面粗车复合循环G72
3、封闭轮廓复合循环G73
图5.15所示为封闭轮廓粗车复合循环G73的运动轨迹。
程序段格式如下：
G73 U(△i) W(△k)R(d) P(ns) Q(nf) X(△u) Z(△w) F S T
△i—X轴方向粗车的总退刀量，半径值；
△k—Z轴方向粗车的总退刀量；
d—粗车循环次数；
其余同G71。
在ns程序段可以有X、Z方向的移动。
G73适用于已初成形毛坯的粗加工。
图5.15 封闭轮廓粗车复合循环G73
例：如图5.16所示工件。粗车分三次循环进给，每次背吃刀量为3mm，X、Z轴方向的精加工余量为0.3mm。
图5.16 G73指令编程实例
加工程序：（略）
5.3.3 螺纹切削循环
1、螺纹切削G32
程序段格式：
G32 X(U) Z(W) R E P F
如图3.17所示，各参数的含义如下：
X、Z—绝对值编程时，有效螺纹终点在工件坐标系中的坐标；
U、W—增量值编程时，有效螺纹终点相对于螺纹切削起点的位移量；
F—螺纹导程，即主轴每转一圈，刀具相对于工件的进给值；
R、E—螺纹切削的退尾量，R表示Z向退尾量；E为X向退尾量，R、E在绝对或增量编程时都是以增量方式指定，为正表示沿Z、X正向回退，为负表示沿Z、X负向回退。使用R、E可免去退刀槽。R、E省略表示不用回退功能。根据螺纹标准R一般取2倍的螺距，E取螺纹的牙型高；
P—主轴基准脉冲处距离螺纹切削起始点的主轴转角。
使用G32指令能加工圆柱螺纹、锥螺纹和端面螺纹。程序段中地址X省略为圆柱螺纹车削，地址Z省略为端面螺纹车削，地址X、Z都不省略为圆锥螺纹车削。F为螺纹导程。对于圆锥螺纹，当斜角≦45°时，螺纹导程在Z轴方向指定，斜角＜45°时，在X轴方向指定。
图5.17 螺纹切削G32
注意：螺纹车削加工为成型车削，且切削进给量大，刀具强度较差，一般要求分数次进给加工。在螺纹加工轨迹中应设置足够的升速进刀段δ和降速退刀段δ′，以消除伺服滞后造成的螺距误差。
例：车削图5.18所示工件，车削M16×1的螺纹部分，螺纹大径为ф16mm，总背吃刀量为0.65?mm，三次进给背吃刀量（半径值）分别为ap1=0.3mm、ap2=0.2mm、ap3=0.15mm，进退刀段取1=2mm、2＝1mm，进刀方法为直进法。
图5.18 G32编程实例
加工程序如下：（略）
2、螺纹切削循环G82
如图5.19为直螺纹切削循环G82的轨迹动作。
程序段格式：
G82 X(U) Z(W) R E C P F
其中：C—螺纹头数，为0或1时切削单头螺纹；
P—单头螺纹时，为主轴基准脉冲处距离切削起始点的主轴转角(缺省值为0)；多头螺纹切削时，为相邻螺纹头的切削起始点之间对应的主轴转角。
其余同G32。
如图5.20为锥螺纹切削循环G82的轨迹动作。
程序段格式：
G82 X(U) Z(W) I R E C P F
其中：I—螺纹起点B与螺纹终点C的半径差。其符号为差的符号(无论是绝对值编程还是增量值编程) ；
其余同直螺纹切削循环。
这里还是以图5.18为例，用G82编程。加工程序如下：（略）
例：车削图5.21所示圆锥螺纹。螺距为3.5mm，螺纹大径为16mm，总背吃刀量为3mm，三次进给背吃刀量（半径值）均为1mm，进退刀段取1=3mm、2＝1.5mm，进刀方法为直进法。用G82指令编程。
图5.21 圆锥螺纹加工
加工程序如下：（略）
3、螺纹车削复合循环G76
循环轨迹如图5.22所示，切削参数如图5.23所示。
程序段格式为：
G76 C(c)R(r)E(e)A(a)X(x)Z(z)I(i)K(k)U(d)V(△dmin)Q(ap1)P(p)F(l)
其中c—螺纹精加工次数，取值范围：1～99；
r—螺纹Z向退尾长度，取值范围：00～99，即设定为0.0P～9.9P。P为螺纹导程；
e—螺纹X向退尾长度，取值范围：00～99；
a—螺纹牙型角，即螺纹车刀刀尖角，取值范围：80°、60°、55°、30°、29°、0°，用二位数字设定。具体值取决于螺纹类型；
i—螺纹两端的半径差，i取0时为直螺纹(圆柱螺纹)；
k—螺纹牙型高度（半径值）；
d—精加工余量；
△dmin—最小背吃刀量(半径值)，即当第n次切削螺纹时，背吃刀量小于此值时，以该值进行切削；
ap1—第一次背吃刀量（半径值）；
p—主轴基准脉冲处距离切削起始点的主轴转角；
l—螺纹导程。
图5.22 螺纹切削复合循环G76
图5.23 螺纹切削参数
例：车削图5.24所示工件的M30×3.5螺纹。取精加工次数2次，螺纹退尾长度为7mm，螺纹车刀刀尖角度60°，最小背吃刀量取0.1mm，精加工余量取0.3mm，螺纹牙型高度为2.3mm，第一次背吃刀量取0.6mm，螺纹小径为25.4mm。前端倒角2×45°。
图5.24 G76指令编程实例
加工程序为：（略）
5.4 数控车床加工编程实例
例1：用G71和G82指令编写车削图5.25所示工件的加工程序。
图5.25 编程实例一
1号刀为90°外圆车刀，基准刀；
2号刀为车槽刀，主切削刃宽3mm，左刀尖为刀位点；
3号刀为60°螺纹车刀；
4号刀为切断刀，主切削刃宽3mm，刀头长30mm，左刀尖为刀位点。
加工程序如下：（略）
例2：完成如图5.26所示零件的加工。毛坯尺寸ф50×114。
图5.26 车削加工实例
1、图纸分析
（1）加工内容：此零件加工包括车端面，外圆，倒角，圆弧，螺纹，槽等。
（2）工件坐标系：该零件加工需调头，从图纸上尺寸标注分析应设置2个坐标系，2个工件零点均定于装夹后的右端面（精加工面）
·装夹ф50外圆，平端面，对刀，设置第1个工件原点。此端面做精加工面，以后不再加工。
·调头装夹ф48外圆，平端面，测量总长度，设置第2个工件原点（设在精加工端面上）
（3）换刀点：（120，200）
（4）公差处理：尺寸公差取中值。
2、工艺处理
（1）工步和走刀路线的确定，按加工过程确定走刀路线如下：
·装夹ф50外圆表面，探出65mm,粗加工零件左侧外轮廓：2×45°倒角，ф48外圆，R20，R16，R10圆弧。
·精加工上述轮廓。
·手工钻孔，孔深至尺寸要求。
·粗加工孔内轮廓。
·精加工孔内轮廓。
·调头装夹ф48外圆，粗加工零件右侧外轮廓：2×45°倒角，螺纹外圆，ф36端面，锥面，ф48外圆到圆弧面。
·精加工上述轮廓。
·切槽。
·螺纹加工。
（2）刀具的选择和切削用量的确定，根据加工内容确定所用刀具如图5.27所示：
图5.27 刀具选择图
T0101——外轮廓粗加工：刀尖圆弧半径0.8mm,切深2mm，主轴转速800r/min,进给速度150mm/min。
T0202——外轮廓精加工：刀尖圆弧半径0.8mm,切深0.5mm，主轴转速1500r/min,进给速度80mm/min。
T0303——切槽：刀宽4mm，主轴转速450r/min,进给速度20mm/min。
T0404——加工螺纹：刀尖角60°，主轴转速400r/min,进给速度2mm/r（螺距）。
T0505——钻孔：钻头直径16mm，主轴转速450r/min。
T0606——内轮廓粗加工：刀尖圆弧半径0.8mm,切深1mm，主轴转速500r/min,进给速度100mm/min。
T0707——内轮廓精加工：刀尖圆弧半径0.8mm,切深0.4mm，主轴转速800r/min,进给速度60mm/min。
3、数值计算
未知点坐标计算：P1(40.7,-33.52),P2(42.95,-53.36)
螺纹尺寸计算：螺纹外圆＝32-0.2=31.8
4、编程
设经对刀后刀尖点位于（120，200），加工前各把刀已经完成对刀。装夹ф50外圆，探出65mm，手动平端面。（程序略）
实验六 数控车削的基本编程及加工
一、实验目的与要求
1、掌握HNC-21T数控系统常用指令及子程序的编程技巧。
2、通过对零件的加工，了解数控车床的工作原理。
3、了解典型零件的数控车削加工工艺。
二、实验仪器与设备
(1)配备华中世纪星数控系统的CK6032卧式车床一台。
(2)尼龙棒(或塑料棒)一根(长50—60mm，毛坯外形如图中双点画线部分)，外圆端面车刀一把
三、实验的组织筹划
1、实验前，要求学生预习相关的知识内容，并作相关的实验准备。
2、为保证实验效果，将全班学生分为五组，每组3人，每组安排一名组长负责设备的维护及登记领用工具原材料，清理现场等。
3、实验完成后，要求写出实验总结并完成实验报告。
4、实验前，指导老师讲解本实验的要求及注意事项，并作示范操作，然后由学生按照实验指导书的要求完成该实验。
四、相关知识概述
1、辅助功能指令(M代码)及准备功能指令G代码。
2、子程序调用指令（M98）及子程序返回指令（M99）
五、实验内容
1、工艺分析。
1)技术要求。
如图所示，通过三次调用子程序进行循环加工，
每次背吃刀深度为0.9mm(半径值)。
2)加工工艺的确定。
①装夹定位的确定：三爪卡盘夹紧定位，工件前端
面距卡爪端面距离40mm。
②刀具加工起点及工艺路线的确定。
③加工刀具的确定：外圆端面车刀．(刀具主偏角930，刀具材质为高速钢)。
④切削用量：主轴转速460r／min，进给速度80mm／min。
3、数学计算。
①假设程序原点，建立工件坐标系(以工件后端面与轴线的交点为程序原点)。
②计算各节点相对位置坐标值。
4、参考程序如下。
％0001
N1 G92 X30 Z30
N2 M03 8400
N3 GOO X23 Z20
N4 M98 P0002 L3
N5 G90 GOO X30 Z30
N6 M30
％0002
N1 G01 U-19.4 F300
N2 G03 U8 W-4 R4 F80
N3 G01 W-5
N4 G02 U6 W-3 R3。
N5 G01 U2
N6 W-8
N7 GOO U2
N8 W20
N9 U-0.4
N10 M99
5、输入零件程序。
6、进行程序校验及加工轨迹仿真，修改程序。
7、进行对刀操作。
8、X轴向负向退出一定距离，单段方式下加工。测量修调o
9、到对刀位，自动加工。
六、实验总结
数控机床适合加工形状复杂的零件，对工人的技能要求不高，且不受人为因素的影响；对于批量加工的零件，其一致性好，加工效率高。对于加工余量较大且相对均匀的零件的加工，可采取调用子程序的方法。
七、实验报告
1、实验内容概述。
①零件加工设备概述(设备名称、型号、加工能力)。
②零件加工过程描述(零件图、刀具运行轨迹，加工程序及过程概述)。
2、分析总结。
①分析数控车床加工质量及效率。
②试述操作面板上主要按键的功能。
③试述数控车床加工该零件的主要步骤。
④数控车床的加工过程与普通车床有何区别?
