一、任务导入
(一) 任务描述
当完成了程序的输入和编辑、机床的对刀及工件的安装时，接下来的工作就是调出程序，让机床自动加工，发挥数控机床独有的优势，那么要怎样操作程序才能自动加工呢? 请同学以图2-1-34为例，完成程序输入，然后进行自动加工。
输入以下数控程序，完成工件装夹，如图2-1-34所示。进给速度设为F=100mm/min，S=800r/min，主轴上装有直径10mm的键槽铣刀。其程序如下:
图2-1-34 直线插补
O0721
N10 G90 G54 G00 X0 Y0 Z20;
N11 G00 Z-2;
N12 G00 X20 Y20;
N20 S800 M03;
N30 G01 Y50 F100;
N40 X50;
N50 Y20;
N60 X20;
N70 G00 X0 Y0;
N71 Z50;
N72 M05;
N80 M30;
(二) 知识目标
学会数控铣床输入或调出程序进行自动加工。
(三) 能力目标
1. 熟练掌握机床程序输入与调出;
2. 掌握数控加工路径检验的操作方法;
3. 掌握数控机床自动加工的注意事项。
二、知识准备
(一) 数控铣削刃具的基本要求
1. 铣刀刚性要好
一是为提高生产效率而采用大切削用量的需要; 二是为适应数控铣床加工过程中难以调整切削用量的特点。例如，当工件各处的加工余量相差悬殊时，通用铣床遇到这种情况很容易采取分层铣削方法加以解决，而数控铣削就必须按程序规定的走刀路线前进，当余量较大时无法像通用铣床那样“随机应变”，除非在编程时能够预先考虑到，否则铣刀必须返回原点。用改变切削面高度或加大刀具半径补偿值的方法从头开始加工，多走几刀，但这样势必造成余量少的地方经常走空刀，降低生产效率，如刀具刚性较好则不必这么办。再者，在通用铣床上加工时，若遇到刚性不强的刀具，也比较容易从振动、手感等方面发现并及时调整切削用量加以弥补，而数控铣削时则很难办到。在数控铣削中，因铣刀刚性较差而断刀并造成工件损伤的事例是常有的，所以解决数控铣刀的刚性问题是至关重要的。
2. 铣刀的耐用度要高
当一把铣刀加工的内容很多时，如刀具不耐用而磨损较快，就会影响工件的表面质量与加工精度，而且会增加换刀引起的调刀与对刀次数，也会使工作表面留下因对刀误差而形成的接刀台阶，降低工件的表面质量。
除上述两点之外，铣刀切削刃几何角度参数的选择及排屑性能等也非常重要，应尽量避免切屑粘刀而形成积屑瘤。总之，根据被加工工件材料的热处理状态、切削性能及加工余量，选择刚性好、耐用度高的铣刀，是充分发挥数控铣床生产效率和获得满意加工质量的前提。
图2-1-35 常用刀具
(二) 数控铣刀的选择
数控铣床上所采用的刀具要根据被加工零件的材料、几何形状、表面质量要求、热处理状态、切削性能及加工余量等，选择刚性好、耐用度高的刀具。应用于数控铣削加工的刀具主要有平底立铣刀、面铣刀、球头刀、环形刀、鼓形刀和锥形刀等。常用刀具如图2-1-35所示。
1. 铣刀类型选择
被加工零件的几何形状是选择刀具类型的主要依据。
(1) 加工曲面类零件时，为了保证刀具切削刃与加工轮廓在切削点相切而避免刀刃与工件轮廓发生干涉，一般采用球头刀。粗加工用两刃铣刀，半精加工和精加工用四刃铣刀，刀刃数还与铣刀直径有关，如图2-1-36所示。
图2-1-36 加工曲面类铣刀
(2) 铣较大平面时，为了提高生产效率和加工表面的表面粗糙度，一般采用刀片镶嵌式盘形面铣刀，如图2-1-37所示。
图2-1-37 加工大平面铣刀
(3) 铣小平面或台阶面时一般采用通用铣刀，如图2-1-38所示。
(4) 铣键槽时，为了保证槽的尺寸精度，一般用两刃键槽铣刀，如图2-1-39所示。
(5) 孔加工时，可采用钻头、镗刀等孔加工刀具，如图2-1-40所示。
图2-1-38 加工小平面或台阶面铣刀
图2-1-39 加工槽类铣刀
图2-1-40 孔加工刀具
(a) 铰刀; (b) 钻头; (c) 镗刀
2. 铣刀结构选择
铣刀一般由刀片、定位元件、夹紧元件和刀体组成。由于刀片在刀体上有多种定位与夹紧方式，刀片定位元件的结构又有不同类型，因此，铣刀的结构形式有多种，分类方法也较多。选用时，主要可根据刀片排列方式分为平装结构和立装结构两大类。
1) 平装结构 (刀片径向排列)
平装结构铣刀 (见图2-1-41) 的刀体结构工艺性好，容易加工，并可采用无孔刀片(刀片价格较低，可重磨)。由于需要夹紧元件，刀片的一部分被覆盖，容屑空间较小，且在切削力方向上的硬质合金截面较小，故平装结构的铣刀一般用于轻型和中量型的铣削加工。
图2-1-41 平装结构面铣刀
2) 立装结构 (刀片切向排列)
立装结构铣刀 (见图2-1-42) 的刀片只用一个螺钉固定在刀槽上，结构简单，转位方便。虽然刀具零件较少，但刀体的加工难度较大，一般需用五坐标加工中心进行加工。由于刀片采用切削力夹紧，夹紧力随切削力的增大而增大，因此可省去夹紧元件，增大了容屑空间。由于刀片切向安装，在切削力方向的硬质合金截面较大，因而可进行大切深、大走刀量切削，这种铣刀适用于重型和中量型的铣削加工。
图2-1-42 立装结构面铣刀
3. 铣刀的齿数 (齿距) 选择
铣刀齿数多，可提高生产效率，但受容屑空间、刀齿强度、机床功率及刚性等的限制，不同直径铣刀的齿数均有相应规定。为满足不同用户的需要，同一直径的铣刀一般有粗齿、中齿和密齿三种类型。
(1) 粗齿铣刀。适用于普通机床的大余量粗加工和软材料或切削宽度较大的铣削加工;当机床功率较小时，为使切削稳定，也常选用粗齿铣刀。
(2) 中齿铣刀。通用系列，使用范围广泛，具有较高的金属切除率和切削稳定性。
(3) 密齿铣刀。主要用于铸铁、铝合金和有色金属的大进给速度切削加工。在专业化生产 (如流水线加工) 中，为充分利用设备功率和满足生产节奏要求，也常选用密齿铣刀(此时多为专用非标铣刀)。
为防止工艺系统出现共振，使切削平稳，还有一种不等分齿距铣刀，如WALTER公司的NOVEX系列铣刀均采用了不等分齿距技术。在铸钢、铸铁件的大余量粗加工中建议优先选用不等分齿距的铣刀。
4. 铣刀直径的选择
铣刀直径的选用视产品及生产批量的不同而差异较大，刀具直径的选用主要取决于设备的规格和工件的加工尺寸。
1) 平面铣刀
选择平面铣刀直径时主要考虑刀具所需功率应在机床功率范围之内，也可将机床主轴直径作为选取的依据。平面铣刀直径可按D=1.5d (d为主轴直径) 选取。在批量生产时，也可按工件切削宽度的1.6倍选择刀具直径。
2) 立铣刀
立铣刀直径的选择主要应考虑工件加工尺寸的要求，并保证刀具所需功率在机床额定功率范围以内。如是小直径立铣刀，则应主要考虑机床的最高转速能否达到刀具的最低切削速度。
3) 槽铣刀
槽铣刀的直径和宽度应根据加工工件尺寸选择，并保证其切削功率在机床允许的功率范围之内。
5. 铣刀的最大背吃刀量
不同系列的可转位面铣刀有不同的最大背吃刀量。最大背吃刀量越大的刀具所用刀片的尺寸越大，价格也越高，因此从节约费用、降低成本的角度考虑，选择刀具时一般应按加工的最大余量和刀具的最大背吃刀量选择合适的规格。当然，还需要考虑机床的额定功率和刚性应能满足刀具使用最大背吃刀量时的需要。
6. 刀片牌号的选择
合理选择刀片硬质合金牌号的主要依据是被加工材料的性能和硬质合金的性能。一般选用铣刀时，可按刀具制造厂提供的材料及加工条件来配备相应牌号的硬质合金刀片。
由于各厂生产的同类用途硬质合金的成分及性能各不相同，故硬质合金牌号的表示方法也不同，为方便用户，国际标准化组织规定，切削加工用硬质合金按其排屑类型和被加工材料分为三大类: P类、M类和K类。根据被加工材料及适用的加工条件不同，每大类中又分为若干组，用两位阿拉伯数字表示，每组中数字越大，其耐磨性越低、韧性越高。
上述三类牌号的选择原则见表2-1-6。
表2-1-6 P、M、K类合金切削用量的选择
各厂生产的硬质合金虽然有各自编制的牌号，但都有对应国际标准的分类号，选用十分方便。
(三) 切削用量的选择
在数控机床上加工零件时，切削用量都预先编入程序中，在正常加工情况下，人工不予改变。只有在试加工或出现异常情况时，才通过速率调节旋钮或电手轮调整切削用量。因此，程序中选用的切削用量应是最佳、合理的切削用量，只有这样才能提高数控机床的加工精度、刀具寿命和生产率，降低加工成本。
影响切削用量的因素有以下几方面。
1. 机床
切削用量必须在机床主传动功率、进给传动功率以及主轴转速范围、进给速度范围内选择。机床—刀具—工件系统的刚性是限制切削用量的重要因素。切削用量的选择应使机床—刀具—工件系统不发生较大的“振颤”。如果机床的热稳定性好、热变形小，则可适当加大切削用量。
2. 刀具
刀具材料是影响切削用量的重要因素。表2-1-7所示为常用刀具材料的性能比较。
数控机床所用的刀具多采用可转位刀片 (机夹刀片) 并具有一定的寿命。机夹刀片的材料和形状尺寸必须与程序中的切削速度和进给量相适应并存入刀具参数中去。标准刀片的参数请参阅有关手册及产品样本。
表2-1-7 常用刀具材料的性能比较
3. 工件
不同的工件材料要采用与之适应的刀具材料、刀片类型，要注意到可切削性。可切削性良好的标志是: 在高速切削下有效地形成切屑，同时具有较小的刀具磨损和较好的表面加工质量。较高的切削速度、较小的背吃刀量和进给量可以获得较好的表面粗糙度。合理的切削速度、较小的背吃刀量和进给量可以得到较高的加工精度。
4. 冷却液
冷却液同时具有冷却和润滑作用，其可带走切削过程产生的切削热，降低工件、刀具、夹具和机床的温升，减少刀具与工件的摩擦和磨损，提高刀具寿命和工件表面加工质量。使用冷却液后，通常可以提高切削用量。冷却液必须定期更换，以防因其老化而腐蚀机床导轨或其他零件 (特别是水溶性冷却液)。
以上讲述了机床、刀具、工件、冷却液对切削用量的影响，下面主要论述铣削加工切削用量的选择原则。
铣削加工的切削用量包括: 切削速度、进给速度、背吃刀量和侧吃刀量。从刀具耐用度出发，切削用量的选择方法是: 先选择背吃刀量或侧吃刀量，其次选择进给速度，最后确定切削速度。
1) 背吃刀量ap或侧吃刀量ae
背吃刀量ap为平行于铣刀轴线测量的切削层尺寸，单位为mm。端铣时，ap为切削层深度; 而圆周铣削时，为被加工表面的宽度。侧吃刀量ae为垂直于铣刀轴线测量的切削层尺寸，单位为mm。端铣时，ae为被加工表面宽度; 而圆周铣削时，ae为切削层深度，如图2-1-43所示。
图2-1-43 铣削加工的切削用量
背吃刀量或侧吃刀量的选取主要由加工余量和对表面质量的要求决定:
(1) 当工件表面粗糙度值要求为Ra=12.5～25μm时，如果圆周铣削加工余量小于5mm，则端面铣削加工余量小于6mm，粗铣一次进给就可以达到要求。但是在余量较大、工艺系统刚性较差或机床动力不足时，可分为两次进给完成。
(2) 当工件表面粗糙度值要求为Ra=3.2～12.5μm时，应分为粗铣和半精铣两步进行。粗铣时背吃刀量或侧吃刀量选取同前。粗铣后留0.5～1.0mm余量，在半精铣时切除。
(3) 当工件表面粗糙度值要求为Ra=0.8～3.2μm时，应分为粗铣、半精铣、精铣三步进行。半精铣时，背吃刀量或侧吃刀量取1.5～2mm; 精铣时，圆周铣侧吃刀量取0.3～0.5mm，面铣刀背吃刀量取0.5～1mm。
2) 进给量f与进给速度vf的选择
铣削加工的进给量f(mm/r) 是指刀具转一周，工件与刀具沿进给运动方向的相对位移量; 进给速度vf(mm/min) 是单位时间内工件与铣刀沿进给方向的相对位移量。进给速度与进给量的关系为vf=nf(n为铣刀转速，单位r/min)。进给量与进给速度是数控铣床加工切削用量中的重要参数，根据零件的表面粗糙度、加工精度要求、刀具及工件材料等因素，参考切削用量手册选取或通过选取每齿进给量fz，再根据公式f=zfz(z为铣刀齿数) 计算。
每齿进给量fz选取的主要依据是工件材料的力学性能、刀具材料、工件表面粗糙度等因素。工件材料强度和硬度越高，fz越小; 反之则越大。硬质合金铣刀的每齿进给量高于同类高速钢铣刀。工件表面粗糙度要求越高，fz就越小。每齿进给量的确定可参考表2-1-8选取。工件刚性差或刀具强度低时，应取较小值。
表2-1-8 铣刀每齿进给量参考值 mm
3) 切削速度vc
铣削的切削速度vc与刀具的耐用度、每齿进给量、背吃刀量、侧吃刀量以及铣刀齿数成反比，而与铣刀直径成正比。其原因是当fz、ap、ae和z增大时，刀刃负荷增加，而且同时工作的齿数也增多，使切削热增加，刀具磨损加快，从而限制了切削速度的提高。为提高刀具耐用度，允许使用较低的切削速度。加大铣刀直径，可改善散热条件及提高切削速度。
铣削加工的切削速度vc可参考表2-1-9选取，也可参考有关切削用量手册中的经验公式通过计算选取。
表2-1-9 铣削加工的切削速度参考值
三、方案设计
将主轴置于安全高度，可以不装刀具或者不装工件 (防止有一定的工件高度，工件和刀具相碰)，将程序输入后，确定程序没有问题后，开始自动加工操作，观察机床屏幕上的刀具路径，保证刀具路径和图形一致。
四、任务实施
(一) 数控程序输入
要求数控铣床内没有同名的数控程序。
(二) 工件装夹
若是首次使用数控铣床，应确认平口钳是否平直，其校正为用百分表检验平口钳装夹部位是否和X(Y) 轴平行。
(三) 对刀
将工件坐标Z轴定在上表面上，X、Y轴坐标零点定在离工件左下角20mm处。采用机械式寻边器确定X、Y轴的位置，若探头直径为6mm，则当探头和工件左侧接触时，不能设置为X0测量，因为此时探头中心到工件边缘的距离是3mm，所以应该设置为X17测量。同样当探头接触到工件的下方边缘时，应该设置Y17测量，操作成功后，编程原点与图2-1-31相符。Z轴方向要用刀具去测量，当刀具的刀位点离工件上表面10mm (以标准量块感知) 时，设置Z10测量，完成对刀，并将刀位点位置存入G54坐标中。
(四) 对刀检验
在MDI模式下，输入“G54G00X40Y40Z50;”插入，循环启动，此时数控机床的Z轴向工件上方运动，在距离工件表面50mm处停下，可以用卡尺近似的测量这个高度，如果这个高度不对，则要检查对刀过程是否有错误。
(五) 程序试运转
1. 全轴机床锁住
若按下机床操作面板上的“锁定”键，则机床停止移动，但位置坐标的显示和机床移动时一样。此外，M、S、T功能也可以执行。此开关用于程序的检测。
2. 观察刀具运动轨迹
选择自动加工模式，调出数控程序，并将光标位置放置在程序开始，也可以选择单段执行，调整机床显示视图，按“循环启动”键，若没有开启单段执行功能，则该系统直接将程序模拟完成并显示刀具路径; 若开启了单段执行，则每一个程序段完成后，要再按“循环启动”键才能执行下一段。
(六) 自动运行
(1) 试运行刀具路径没有错误之后，可以选择自动加工模式，并将MST及机床锁定解除，此时最好将单段执行开关打开。
(2) 进给修调旋钮放置在10%～20%。
(3) 首次加工，要注意观察，进给速度应小些，以方便出错时停止机床运动。
(七) 机床的急停
(1) 使用“急停”按钮。如果在机床运行时按下“急停”按钮，则机床进给运动和主轴运动会立即停止。待排除故障，重新执行程序而恢复机床的工作时，顺时针旋转“急停”按钮，按下机床“复位”按钮复位后，进行手动返回机床参考点的操作。
(2) 使用“进给保持”按钮。如果在机床运行时按下“进给保持”按钮，则机床处于保持状态。待急停解除之后，按下“循环启动”按钮恢复机床运行状态，无须进行返回参考点的操作。
(3) 使用“复位”键，也可以让机床进给运动和主轴运动立即停止工作。
五、任务考核 (见表2-1-10)
表2-1-10 任务考核
六、拓展练习
1. 更换不同直径、不同长度的刀具进行对刀。
2. 选择不同程序进行自动加工练习，要求锁定机床。
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