任务2.2 阶梯轴零件的编程与加工

【学习目标】

1.知识目标

·掌握G00、G01、G20、G21、G98、G99、G27、G28、G90、G94指令的功能与使用。

·掌握简单程序的编写方法。

2.技能目标

·能够进行试切法对刀。

·会分析阶梯轴的加工工艺并编写阶梯轴零件加工程序。

·会操作机床空运行和进行单段加工。

3.素养目标

·严格执行安全操作规程。

·保持工作环境清洁有序，文明生产。

【任务导入】

完成图2-10所示的阶梯轴的车削加工，材料为硬铝2A12，毛坯尺寸为 ϕ 32mm×70mm，单件生产。

【任务分析】

如图2-10所示，零件材料为硬铝2A12，切削性能较好，零件结构简单，加工部位由直径为 ϕ 24mm和 ϕ 30mm的外圆柱面构成，加工部位无特殊的精度要求，尺寸精度均为未注公差。

【知识学习】

本任务包含绝对与相对坐标编程方法、点定位指令、直线插补指令、米制（公制）与寸制（英制）指令、进给速度量纲控制指令、参考点返回指令、内外圆柱与圆锥切削循环指令等的学习。

1.编程指令

（1）绝对与相对坐标编程 FANUC系统数控车床有两种编程方法：绝对坐标编程和相对坐标编程。绝对坐标编程时移动指令终点的坐标值 X 、 Z 都是以编程原点为基准来计算的。相对坐标编程时移动指令终点的坐标值 X 、 Z 都是相对于刀具前一位置来计算的。这两种编程法能够被结合在同一个程序段中。 X 和 Z 对应的相对坐标分别是 U 和 W 。

如图2-11所示，圆柱面的车削从 A 点至 B 点可有三种编程形式，具体如下。

1）绝对坐标程序：X35 Z-40；

2）相对坐标程序：U0 W-40；

3）混合坐标程序：X35 W-40；或U0 Z-40；

（2）快速点定位指令G00

1）指令功能。使刀架以厂家设定的最大速度按点位控制方式从当前点快速移动到目标点。它只是快速到位，其运动轨迹则根据具体控制系统的设计，可以是多种多样的。要注意避免碰撞，在快速状态下的碰撞是相当危险的。

2）指令格式。

G00 X（U）_ Z（W）_；

其中，X（U）_ Z（W）_表示移动终点（即目标点）的坐标，X坐标值以直径值输入。当某个方向没有进给时，该方向的坐标可以省略不写。坐标值可以是绝对坐标或相对坐标（增量形式），也可混合编程。

3）举例说明。如图2-12所示，刀具轨迹从 A 点（50,25）移动至 B 点（40,0）的程序为：

（3）直线插补指令G01

1）指令功能。使刀架以给定的进给速度从当前点以直线的形式移动至目标点。因为数控车床可以两轴联动，因此可以插补任意斜率的直线。

2）指令格式。

G01 X（U）_ Z（W）_ F_；

其中，X（U）_ Z（W）_表示移动终点的坐标，G01程序段中必须含有F指令，如果F的值在前面已给出且不需改变，在本段程序中也可不写。若某一轴向没有运动，则该方向的坐标可以省略不写。

3）举例说明。如图2-13所示，刀具轨迹从当前位置 A 点直线插补到 B 点的程序为：

（4）米制与寸制指令G21/G20 G21和G20是两个可以互相取代的G指令，机床出厂时将根据使用区域设定默认状态，也可按需要重新设定。我国一般使用米制（公制）单位（单位为mm），所以机床出厂前一般设定默认为G21。如果一个程序开始用G20指令，则表示程序中的数据使用寸制（英制）单位（单位为in）。在同一个程序内，不能同时使用G20与G21指令，且必须在坐标系确定之前指定。有些机床系统将该指令设置为断电记忆状态，一次指定，持续有效，直到被另一指令取代，即使断电再开也能保持上次设定的状态，因此必须注意在使用前检查该指令功能组的当前状态。米制与寸制单位的换算关系为

1mm≈0.0394in

1in≈25.4mm

改变G20或G21后，进给速度值、位移量、偏置量、手摇脉冲发生器的功能单位、步进进给的移动单位都会相应地发生变化。

（5）进给速度量纲控制指令G98

1）指令功能。控制进给速度为每分钟进给模式（进给速度单位：mm/min）。

2）指令格式。

G98 G01 X（U）_ Z（W）_ F_；

3）举例说明。G98 G01 Z-20 F80；表示刀具进给速度为80mm/min。

（6）进给速度量纲控制指令G99

1）指令功能。控制进给率为每转进给模式（进给率单位：mm/r）。车削CNC系统默认的进给模式是进给率，即每转进给模式。

2）指令格式。

G99 G01 X（U）_ Z（W）_ F_；

3）举例说明。G99 G01 Z-20 F0.3；表示进给率为0.3mm/r。

（7）参考点指令G28和G27 该指令主要用于通过程序指令进行自动回零或使刀架返回到换刀点，以方便自动换刀。

1）自动返回参考点指令G28。

①指令功能。可以使被指令控制的轴自动地返回参考点。

②指令格式。

G28 X（U）_ Z（W）_；

其中，X（U）_ Z（W）_表示返回参考点过程中的中间点坐标。

③举例说明。程序G28 X50 Z-10表示刀具以快速移动的方式从 B 点开始移动，经过中间点 A （50,-10），移动至参考点 R ，如图2-14所示。

2）返回参考点检测指令G27。

①指令功能。刀具以快速移动方式在被指定的位置上定位，若到达的位置是参考点，则返回参考点时灯亮。

②指令格式。

G27 X（U）_ Z（W）_；

其中，X（U）_ Z（W）_表示参考点的坐标值。

执行G27指令的前提是机床通电后必须手动返回一次参考点。

数控车床在加工一些毛坯余量过大的零件时，刀具往往要执行多次基本相同的动作，这样在程序中就会出现很多基本相同的程序段，而使用上述讲过的G00、G01指令进行编程时，程序段将显得非常冗杂。为简化手动编程，FANUC 0i TA系统提供了固定循环功能。下面介绍两个固定循环指令。

（8）单一切削循环指令G90

1）指令功能。G90是单一切削循环指令，该循环主要用于轴类零件的内外圆柱面、圆锥面的加工。其刀具轨迹如图2-15所示。图中虚线表示快速移动，实线表示按F指定的进给速度移动。

2）指令格式。

G90 X（U）_ Z（W）_ R_ F_；

其中，X、Z表示圆柱面切削的终点坐标值；U、W表示圆柱面切削的终点相对于循环起点的增量坐标；R表示圆锥面切削的起点相对于终点的半径差。当切削起点的X坐标小于终点的X坐标时，R值为负，反之为正。当R=0时，用于圆柱面车削。R在一些FANUC系统的车床上，有时也用“I”来执行。

3）指令应用。

①用G90指令车削图2-16所示的零件，材料为铝件，毛坯尺寸 ϕ 45mm×80mm，每次直径方向车削5mm。

参考程序如下：

②用G90指令车削图2-17所示的零件，材料为铝件，毛坯尺寸 ϕ 34mm×80mm，每次直径方向车削2mm余量。

参考程序如下：

（9）端面切削循环指令G94

1）指令功能。G94指令用于零件垂直端面或锥形端面上毛坯余量较大时的粗加工，以去除大部分毛坯余量。它既可以加工圆柱面也可加工圆锥面，其循环方式如图2-18所示。

2）编程指令格式。

G94 X（U）_ Z（W）_ R_ F_；

其中，X、Z表示端面切削的终点坐标值；U、W表示端面切削的终点相对于循环起点的增量坐标；R表示端面切削的起点相对于终点在 Z 轴方向的坐标增量。当切削起点Z坐标小于终点Z坐标时，R为负，反之为正。当R=0时，为圆柱面车削。

3）举例说明。

①用G94指令车削如图2-19所示的零件，材料为铝件，毛坯尺寸为 ϕ 80mm×50mm，每次 Z 方向上车削最大为2mm余量。

参考程序如下：

②用G94指令车削如图2-20所示的零件，材料为铝件，毛坯尺寸为 ϕ 30mm×60mm，每次 Z 方向上车削2mm余量。

参考程序如下：

2.工艺分析

（1）工、量、刃具选择

1）工具选择。铝棒装夹在自定心卡盘上，用百分表校正并夹紧。其他工具见表2-4。

2）量具选择。外圆、长度精度要求不高，选用0～150mm游标卡尺测量。

3）刃具选择。该工件的材料为硬铝，切削性能较好，可以选用自行刃磨的90°高速钢外圆车刀，置于T01号刀位。

（2）加工工艺方案

1）加工工艺路线。图2-10所示的阶梯轴加工精度低，不分粗、精加工。切削工件之前，刀具定位于轮廓外 A （33，2）处。按照先近后远的原则，先加工靠刀具较近的外径 ϕ 24mm，因余量较大，需分多次车削（每次直径方向上车削2mm）；然后加工外径 ϕ 30mm，因余量不大，可一次走刀加工出来。加工路线如图2-21所示。

2）切削用量的合理选择。加工材料为硬铝，硬度低，切削力小，精度要求不高，可用一把外圆车刀加工至尺寸要求，主轴转速为800r/min，进给速度 f =0.1mm/r。

（3）参考程序编制

1）工件坐标系的建立。此任务中工件坐标系的原点选在工件右端面的中心，遵循基准重合的原则，如图2-21所示的 O 点。

2）基点坐标的计算。计算工件轮廓上的基点坐标，坐标值见表2-5。

3）参考程序。

在此程序中，由于多数指令都是模态指令，有续效性，程序可简写，当有多段直线插补时，G90指令可只出现一次，后面的G90可省略，进给指令F值相同时也可省略，程序段号N#也可以不写。

【任务实施】

1.加工准备

1）检查毛坯尺寸。

2）开机、回参考点。

3）程序输入：把编写好的数控程序输入数控系统。

4）工件装夹：加工时以外圆定位，用自定心卡盘夹紧铝棒，伸出60mm，找正并装夹。

5）刀具装夹：将外圆车刀装在电动刀架的1号刀位上。

2.对刀操作

按表2-3所列的方法用试切法完成外圆车刀的对刀操作。

3.空运行

用机床锁定功能进行空运行，空运行结束后，使空运行按钮复位。注意若要开始加工，则数控车床必须重回参考点。

4.程序单段运行加工

以FANUC系统为例，按单段运行开关，模式选择旋钮在“AUTO”位置，按下“循环启动”键进行程序加工，按一次加工一个程序段。加工过程中适当调整各个倍率开关，保证加工正常进行。

5.零件尺寸检测

程序执行完毕后，进行尺寸检测。

6.加工结束

拆下工件并清理机床。

【编程与操作注意事项】

1）在编写数控加工程序前，要根据被加工零件的材料选择合理的切削用量，根据数控加工工艺分析，注意各个工序在衔接时各切削用量的变化。

2）在选择切削循环指令时，一定要观察清楚所要加工零件的形状特征是否符合循环指令的使用范围，然后合理选用。

3）G90指令和各参数均是模态的，实际编程中再次调用G90指令时只需重新给出改变后的 X 坐标值。

4）G94指令和各参数均是模态的，实际编程中再次调用G94指令时只需重新给出改变后的 Z 坐标值。注意：在选择外圆车刀时，应选择副偏角较大的外圆车刀。

5）工件装夹在自定心卡盘上，要使数控机床的主轴没有明显的跳动，以保证零件的加工质量；也可以在加工之前先粗车外圆轮廓。

6）首次切削时，由于熟练程度不够，一般采用单段运行加工，避免用自动运行方式。

【知识拓展】

G01倒角功能

倒角和倒圆是零件上常见的情况，FANUC数控系统中提供了在两相邻轨迹的G01程序段之间自动插补倒角或倒圆的控制功能。

1.45°倒角

编程格式为G01 Z（W）_I± i ；时，倒角情况如图2-22a所示， A 点为起始点。

编程格式为G01 X（U）_K± k ；时，倒角情况如图2-22b所示， A 点为起始点。

2.任意角度倒角

在直线进给程序段尾部加上C_，可自动插入任意角度的倒角。C的数值是从假设没有倒角的拐角交点距倒角始点或与终点之间的距离，如图2-23所示， O 点为起始点。

编程指令为：

G01 X50 C10；

X100 Z-100；

3.倒圆

编程格式为G01 Z（W）_R± r ；时，圆弧倒角情况如图2-24a所示， A 点为起始点。

编程格式为G01 X（U）_R± r ；时，圆弧倒角情况如图2-24b所示， A 点为起始点。

4.任意角度倒圆

在直线进给程序段尾部加上R_，可自动插入任意角度的倒圆。R的数值是圆角的半径值，如图2-25所示， O 点为起始点。

编程指令为：

G01 X50 R10 F0.2；

X100 Z-100；

【思考与练习】

1.思考题

（1）G00、G01指令格式是怎样的？使用时二者有何区别？

（2）G98 X20 Z15 F50；与G99 X20 Z15 F0.3；各表示什么含义？

（3）G90与G94各适合加工什么类型的零件？

2.练习题

分别完成图2-26～图2-28所示零件的编程与加工。