1.3 數控編程技術人員應具備的技能素養

數控工程師不僅需要具備良好的軟件操作能力，而且還需要掌握一定的模具數控加工工藝知識，如機床操作、機床性能、刀具性能、材料性能，以及磨刀等。

1.3.1 數控機床的介紹

數控機床進行加工前，首先必須將工件的幾何數據和工藝數據等加工信息按規定的代碼和格式編制成數控加工程序，并用適當的方法將加工程序輸入數控系統。數控系統對輸入的加工程序進行處理，輸出各種信號和指令，控制機床各部分按規定有序地動作。最基本的信號和指令包括各坐標軸的進給速度、進給方向和進給位移量，各狀態控制的 I/O 信號等，其工作原理如圖1-2所示。

模具加工中，常用的數控設備有數控銑床、加工中心（具備自動換刀功能的數控銑）、火花機和線切割機等，如圖1-3所示。

1.數控銑床組成

數控銑床由數控程序、輸入、輸出裝置、數控裝置、驅動裝置、位置檢測裝置、輔助控制裝置和機床本體組成。

1）數控程序

數控程序是數控機床自動加工零件的工作指令，目前常用的稱為“G代碼”。數控程序是在對加工零件進行工藝分析的基礎上，根據一定的規則編制的刀具運動軌跡信息。編制程序的工作可由人工進行；對于形狀復雜的零件，則需要用CAD/CAM進行。

2）輸入、輸出裝置

輸入、輸出裝置的主要作用是提供人-機交互和通信。通過輸入、輸出裝置操作者可以輸入指令和信息，也可顯示機床的信息。通過輸入、輸出裝置也可以在計算機和數控機床之間傳輸數控代碼、機床參數等。

零件加工程序輸入過程有兩種不同的方式：一種是邊讀入邊加工（DNC），另一種是一次將零件加工程序全部讀入數控裝置內部的存儲器，加工時再從內部存儲器中逐段調出進行加工。

3）數控裝置

數控裝置是數控機床的核心部分。數控裝置從內部存儲器中讀取或接受輸入裝置送來的一段或幾段數控程序，經過數控裝置進行編譯、運算和邏輯處理后，輸出各種控制信息和指令，控制機床各部分的工作。

4）驅動裝置和位置檢測裝置

驅動裝置接收來自數控裝置的指令信息，經功率放大后，發送給伺服電機，伺服電機按照指令信息驅動機床移動部件，按一定的速度移動一定的距離。

位置檢測裝置檢測數控機床運動部件的實際位移量，經反饋系統反饋至機床的數控裝置，數控裝置比較反饋回來的實際位移量值與設定值，如果出現誤差，則控制驅動裝置進行補償。

5）輔助控制裝置

輔助控制裝置的主要作用是接收數控裝置或傳感器輸出的開關量信號，經過邏輯運算，實現機床的機械、液壓和氣動等輔助裝置完成指令規定的開關動作。這些控制主要包括主軸啟停、換刀、冷卻液和潤滑裝置的啟停、工件和機床部件的松開與夾緊等。

6）機床本體

數控機床的機床本體與傳統機床相似，由主軸傳動裝置、進給傳動裝置、床身、工作臺，以及輔助運動裝置、液壓氣動系統、潤滑系統和冷卻裝置等組成。

2.數控銑床的主要功能和加工范圍

1）點定位

點定位提供了機床鉆孔、擴孔、鏜孔和鉸孔等加工能力。在孔加工中，一般會將典型的加工方式編制為固定的程序——稱為固定循環，方便常用孔加工方法的使用。

2）連續輪廓控制

常見的數控系統均提供直線和圓弧插補，高檔的數控系統還提供螺旋插補和樣條插補，這樣就可以使刀具沿著連續軌跡運動，加工出需要的形狀。連續輪廓控制為機床提供了輪廓、箱體和曲面腔體等零件的加工。

3）刀具補償

利用刀具補償功能，可以簡化數控程序編制、提供誤差補償等功能。

3.數控銑床編程要點

1）設置編程坐標系

編程坐標系的位置以方便對刀為原則，毛坯上的任何位置均可。

2）設置安全高度

安全高度一定要高過裝夾待加工件的夾具高度，但也不應太高，以免浪費時間。

3）刀具的選擇

在型腔尺寸的允許的情況下盡可能選擇直徑較大及長度較短的刀具；優先選擇鑲嵌式刀具，對于精度要求高的部位可以考慮使用整體式合金刀具；盡量少用白鋼刀具（因為白鋼刀具磨損快，換刀的時間浪費嚴重，得不償失）；對于很小的刀具才能加工到的區域應該考慮使用電火花機或者線切割機床加工。

4）加工模型的準備

設置合適的編程坐標系；創建毛坯；修補切削不到的區域（例如，很小的孔、腔，沒有圓角的異型孔等）。

1.3.2 數控加工輔助工具及所需技能

1.夾具與裝夾

在數控銑床或加工中心上常用的夾具主要有通用夾具、組合夾具、專用夾具和成組夾具，在選擇夾具時要綜合考慮各種因素，選擇最經濟、合理的夾具。

1）螺釘壓板

利用 T 形槽螺栓和壓板將工件固定在機床工作臺上即可。裝夾工件時，需根據工件裝夾精度要求，使用百分表較正工件。

2）機用虎鉗（平口鉗）

形狀比較規則的零件銑削時常用虎鉗進行裝夾，方便靈活，適應性廣。當加工精度要求較高時，需要較大的夾緊力時，則需要使用較高精度的機械式或液壓式虎鉗。

虎鉗在數控銑床工作臺上的安裝要根據加工精度控制鉗口與X軸或Y軸的平行度，且零件夾緊時要注意控制工件變形和一端鉗口上翹。

3）銑床用卡盤

當需要在數控銑床上加工回轉體零件時，可以使用三爪卡盤裝夾，對于非回轉零件可使用四爪卡盤裝夾。

2.裝夾注意事項

在裝夾工件時，應該注意以下問題：

（1）安裝工件時，應保證工件在本次定位裝夾中所有需要完成的待加工面充分暴露在外，以方便加工。同時，也應考慮機床主軸與工作臺面之間的最小距離和刀具的裝夾長度，確保在主軸的行程范圍內能使工件的加工范圍能使工件的加工內容全部完成。

（2）夾具在機床工作臺上的安裝位置必須給刀具運動軌跡留有空間，不能和各工步刀具軌跡發生干涉。

3.對刀

對刀的目的是通過刀具或對刀工具確定工件坐標系與機床坐標系之間的空間位置關系，并將對刀數據輸入到相應的存儲器中。它是數控加工中最重要的操作內容，其準確性將直接影響零件的加工精度。對刀分為X、Y向對刀和Z向對刀。

1）對刀方法

根據現有條件和加工精度要求選擇對刀方法，可采用試切法、尋邊器對刀、對刀儀對刀和自動對刀等。其中試切法精度較低，加工中常用尋邊器和 Z 軸設定器對刀，效率高且保證加工精度。

2）對刀注意事項

在對刀操作過程中應注意以下問題：

（1）根據加工要求選擇合適的對刀工具，控制對刀誤差。

（2）在對刀過程中，可通過改變微調進給量來提高對刀精度。

（3）對刀時需謹慎操作，防止刀具在移動的過程中碰撞工件。

（4）對刀數據一定要存儲在與程序對應的存儲地址中，防止因調用錯誤而產生嚴重后果。

4.模具加工的步驟

1）加工前的確認

（1）首先核對模具圖、連絡單、程序單、裝夾圖和版次是否一致。

（2）對工件外形尺寸、前工段尺寸、外觀進行檢查是否符合圖紙要求。

（3）對程序進行確認，根據程序文件與圖紙進行核對，檢查圖檔尺寸與圖紙尺寸是否一致。

（4）如發現工件加工外形與圖紙不合，并填寫好加工異常記錄表。

2）工件的裝夾

（1）在裝夾前應先將工件的毛刺、油漬去除干凈。

（2）注意要根據工件的基準角進行裝夾。

（3）根據工件的形狀和材質選擇合適的夾具進行裝夾。

（4）如使用虎鉗進行裝夾，應該考慮其壓力大小，以防將工件壓變形。

（5）裝夾完成后要將工作臺面清理干凈。

3）裝刀

（1）根據程序單，選擇好第一把刀，對出工件Z軸零點。

（2）裝刀時應該考慮刀具的有效長度與刀具的總伸出長度是否符合程序要求。

（3）若采用自動換刀加工，將所有刀具按要求安裝好，并放入刀庫中，并記錄每把刀的刀號。

4）程序修改

5）執行

6）檢查有無異常

7）完工處理

（1）去油污，去毛刺。

（2）用高度尺、卡尺確定加工尺寸。

（3）填寫完工文件。

1.3.3 數控刀具的介紹與選擇

1.刀具的介紹

數控加工刀具必須適應數控機床高速、高效和自動化程度高的特點，一般包括通用刀具、通用連接刀柄及少量專用刀柄。刀柄要聯接刀具并裝在機床動力頭上，因此，已逐漸標準化和系列化。數控刀具的分類有多種方法。根據刀具結構可分為①整體式；②鑲嵌式，采用焊接或機夾式聯接，機夾式又可分為不轉位和可轉位兩種；③特殊型式，如復合式刀具、減震式刀具等。根據制造刀具所用的材料可分為①高速鋼刀具；②硬質合金刀具；③金剛石刀具；④其他材料刀具，如立方氮化硼刀具、陶瓷刀具等。為了適應數控機床對刀具耐用、穩定、易調和可換等的要求，近幾年機夾式可轉位刀具得到廣泛的應用，在使用數量上達到整個數控刀具的 30%～40%，金屬切除量占總數的 80%～90%。

數控銑刀從形狀上主要分為平底刀（端銑刀）、圓鼻刀和球刀，如圖1-4所示，從刀具使用性能上分為白鋼刀、飛刀和合金刀。在工廠實際加工中，最常用的刀具有 D63R6，D50R5，D35R5，D32R5，D30R5，D25R5，D20R0.8，D17R0.8，D13R0.8，D12，D10， D8，D6，D4，R5，R3，r2.5，r2，r1.5，r1和r0.5等。

（1）平底刀：主要用于粗加工、平面精加工、外形精加工和清角加工。其缺點是刀尖容易磨損，影響加工精度。

（2）圓鼻刀：主要用于模胚的粗加工、平面粗精加工，特別適用于材料硬度高的模具開粗加工。

（3）球刀：主要用于非平面的半精加工和精加工。

數控刀具與普通機床上所用的刀具相比，有許多不同的要求，主要有以下特點：

（1）剛性好（尤其是粗加工刀具）、精度高、抗振及熱變形小。

（2）互換性好，便于快速換刀。

（3）壽命高，切削性能穩定、可靠。

（4）刀具的尺寸便于調整，以減少換刀調整時間。

（5）刀具應能可靠地斷屑或卷屑，以利于切屑的排除。

（6）系列化、標準化，以利于編程和刀具管理。

2.刀具的使用

在數控加工中，刀具的選擇直接關系到加工精度的高低、加工表面質量的優劣和加工效率的高低。選擇合適的刀具并設置合理的切削參數，將可以使數控加工以最低的成本和最短的時間達到最佳的加工質量。總之，刀具選擇總的原則：安裝調整方便、剛性好、耐用度和精度高。在滿足加工要求的前提下，盡量選擇較短的刀柄，以提高刀具加工的剛性。

選擇刀具時，要使刀具的尺寸與模胚的加工尺寸相適應。如模腔的尺寸是80×80，則應該選擇d25r5或d16r0.8等刀具進行開粗；如模腔的尺寸大于100×100，則應該選擇d30r5、d32r5 或 d35r5 的飛刀進行開粗；如模腔的尺寸大于 300×300，則應該選擇直徑大于 d35r5的飛刀進行開粗，如d50r5或d63r6等。另外，刀具的選擇由機床的功率所決定，如功率小的數控銑床或加工中心，則不能使用大于d50r5的刀具。

在實際加工中，常選擇立銑刀加工平面零件輪廓的周邊、凸臺、凹槽等；選擇鑲硬質合金刀片的玉米銑刀加工毛坯的表面、側面及型腔開粗；選擇球頭銑刀、圓鼻刀、錐形銑刀和盤形銑刀加工一些立體型面和變斜角輪廓外形。

3.刀具切削參數的設置

合理選擇切削用量的原則：粗加工時，一般以提高生產率為主，但也應考慮經濟性和加工成本；半精加工和精加工時，應在保證加工質量的前提下，兼顧切削效率、經濟性和加工成本。具體數值應根據機床說明書、切削用量手冊，并結合經驗而定。具體要考慮以下5個因素。

（1）切削深度 ap（mm）：在機床、工件和刀具剛度允許的情況下，ap就等于加工余量，這是提高生產率的一個有效措施。為了保證零件的加工精度和表面粗糙度，一般應留一定的余量進行精加工。數控機床的精加工余量可略小于普通機床。

（2）切削寬度L（mm）：切削寬度與刀具直徑d成正比，與切削深度成反比。經濟型數控機床的加工過程中，一般切削寬度的取值范圍為L=(0.6～0.9)d。

（3）切削速度v（m/min）：提高v也是提高生產率的一個措施，但v與刀具耐用度的關系比較密切。隨著v的增大，切削熱升高，刀具耐用度急劇下降，故v的選擇主要取決于刀具耐用度。另外，切削速度與加工材料也有很大關系，例如，用立銑刀銑削合金剛30CrNi2MoVA時，v可采用8m/min左右；而用同樣的立銑刀銑削鋁合金時，v可選200m/min以上。

（4）主軸轉速n（r/min）：主軸轉速一般根據切削速度v來選定。計算公式為v=π nd/1000（d——刀具直徑，單位為mm）。數控機床的控制面板上一般備有主軸轉速修調（倍率）開關，可在加工過程中對主軸轉速在一定范圍內進行調整。

（5）進給速度f（mm/min）：f應根據零件的加工精度和表面粗糙度要求，以及刀具和工件材料來選擇。f的增加也可以提高生產效率。加工表面粗糙度要求低時，進給速度可選擇得大些。在加工過程中，進給速度也可通過機床控制面板上的修調開關進行人工調整，但是最大進給速度要受到設備剛度和進給系統性能等的限制。

隨著數控機床在生產實際中的廣泛應用，數控編程已經成為數控加工中的關鍵問題之一。在數控程序的編制過程中，要在人—機交互狀態下即時選擇刀具和確定切削用量。因此，編程人員必須熟悉刀具的選擇方法和切削用量的確定原則，從而保證零件的加工質量和加工效率，充分發揮數控機床的優點，提高企業的經濟效益和生產水平。

表1-1、表1-2和表1-3分別列出了白鋼刀、飛刀和合金刀的參數設置（這些切削參數僅供參考，實際確定切削用量還應根據具體的機床性能、零件形狀和材料和裝夾狀況等進行調整）。

1.3.4 模具結構的認識

編程者必須對模具結構有一定的認識，如模具中的前模（型腔）、后模（型芯）、行位（滑塊）、斜頂、枕位、碰穿面、擦穿面和流道等。如一般情況下前模的加工要求比后模的加工要求高，所以，前模面必須加工得非常準確和光亮，該清的角一定要清；但后模的加工就有所不同，有時有些角不一定需要清得很干凈，表面也不需要很光亮。另外，模具中一些特殊的部位的加工工藝要求也不相同，如模具中的角位需要留 0.02mm 的余量待打磨師傅打磨；前模中的碰穿面、擦穿面需要留0.05mm的余量用于試模。

圖1-6所示列出了模具中的一些常見結構及名稱。