课题4：孔加工1.doc

课题4孔加工 理论1.掌握孔加工的工艺知识； 2.掌握孔加工的编程指令。 技能1.能编制孔加工的加工程序； 2.能熟练使用数控铣床仿真软件； 3.能完成孔加工仿真加工。 1.孔加工工艺知识； 2.孔加工的编程指令用。 孔加工编程 专业课（理实一体） 讲授法、引导文教学法、案例教学法、示范法、练习法 多媒体、网络或投影仪 4/24 杨丰 回顾平面选择指令、圆弧编程指令 1.讲解半径补偿指令格式 2.讲解半径补偿编程举例 3.练习完成课题的仿真加工 4.小结 课题4孔加工 4.1任务端盖零件上沉头螺钉孔和销孔的加工 端盖零件如图4-1所示，底平面、两侧面和φ40H8型腔已在前面工序加工完成。本工序加工端盖的4个沉头螺钉孔和2个销孔，试编写其加工程序。零件材料为HT150，加工数量为5000个/年。 4.1 端盖零件图 4.2 孔加工的工艺知识 1.孔加工的方法 孔加工在金属切削中占有很大的比重，应用广泛。在数控铣床上加工孔的方法很多，根据孔的尺寸精度、位置精度及表面粗糙度等要求，一般有点孔、钻孔、扩孔，锪孔、铰孔、镗孔及铣孔等方法。 2.孔加工的刀具 1）钻孔刀具及其选择 钻孔刀具较多，有普通麻花钻、可转位浅孔钻、喷吸钻及扁钻等。应根据工件材料、加工尺寸及加工质量要求等合理选用。 在数控镗铣床上钻孔，普通麻花钻应用最广泛，尤其是加工￠30mm以下的孔时，以麻花钻为主，如图6-2所示。 图6-2 普通麻花钻 在数控镗铣床上钻孔，因无钻模导向，受两种切削刃上切削力不对称的影响，容易引起钻孔偏斜。为保证孔的位置精度，在钻孔前最好先用中心钻钻一中心孔，或用一刚性较好的短钻头钻一窝。 中心钻主要用于孔的定位，由于切削部分的直径较小，所以中心钻钻孔时，应选取较高的转速。 对深径比大于5而小于100的深孔由于加工中散热差，排屑困难，钻杆刚性差，易使刀具损坏和引起孔的轴线偏斜，影响加工精度和生产率，故应选用深孔刀具加工。 2）扩孔刀具及其选择 扩孔多采用扩孔钻，也有用立铣刀或镗刀扩孔。扩孔钻可用来扩大孔径，提高孔加工精度。用扩孔钻扩孔精度可达IT11～IT10，表面粗糙度值可达Ra6.3～3.2um。扩孔钻与麻花钻相似，但齿数较多，一般为3～4个齿。扩孔钻加工余量小，主切削刃较短，无需延伸到中心，无横刃，加之齿数较多，可选择较大的切削用量。图6-3所示为整体式扩孔钻和套式扩孔钻。 a b 图6-3 扩孔钻 a整体式扩孔钻 b套式扩孔钻 3）铰孔刀具及其选择 铰孔加工精度一般可达IT9～IT8级，孔的表面粗糙度值可达Ra1.6～0.8um，可用于孔的精加工，也可用于磨孔或研孔前的预加工。铰孔只能提高孔的尺寸精度、形状精度和减小表面粗糙度值，而不能提高孔的位置精度。因此，对于精度要求高的孔，在铰削前应先进行减少和消除位置误差的预加工，才能保证铰孔质量。 图6-3所示为直柄机用铰刀和套式机用铰刀。 a b 图6-4 铰刀 a直柄机用铰刀 b套式机用铰刀 4）镗孔加工刀具及其选择 镗孔是数控镗铣床上的主要加工内容之一，它能精确的保证孔系的尺寸精度和形位精度，并纠正上道工序的误差。在数控镗铣床上进行镗孔加工通常是采用悬臂方式，因此要求镗刀有足够的刚性和较好的精度。 镗孔加工精度一般可达IT7～IT6，表面粗糙度值可达Ra6.3～0.8um。为适应不同的切削条件，镗刀有多种类型。按镗刀的切削刃数量可分为单刃镗刀图6-5a和双刃镗刀图6-5b。 a b 图6-5 镗刀 a单刃镗刀 b双刃镗刀 在精镗孔中，目前较多地选用精镗微调镗刀，如图6-6所示。这种镗刀的径向尺寸可以在一定范围内进行微调，且调节方便，精度高。 图6-6 微调镗刀 3.孔加工的切削参数及加工余量 1）孔加工的切削参数 4.攻螺纹的加工工艺 1）底孔直径的确定 攻螺纹之前要先打底孔，底孔直径的确定方法如下 对钢和塑性大的材料 D孔＝D-P 对铸铁和塑性小的材料 D孔＝D-（1.05～1.1）P 式中D孔螺纹底孔直径，mm； D─螺纹大径，mm； P─螺距，mm。 2）盲孔螺纹底孔深度 盲孔螺纹底孔深度的计算方法如下 盲孔螺纹底孔深度螺纹孔深度0.7d 式中d─钻头的直径，mm。 3）攻螺纹刀具 丝锥是数控机床加工内螺纹的一种常用刀具，其基本结构是一个轴向开槽的外螺纹。一般丝锥的容屑槽制成直的，也有的做成螺旋形，螺旋形容易排屑。加工右旋通孔螺纹时，选用左旋丝锥；加工右旋不通孔螺纹时，选用右旋丝锥，如图6-7所示。 图6-7 丝锥 5.孔加工路线安排 1）孔加工导入量与超越量 孔加工导入量（图6-8中ΔZ）是指在孔加工过程中，刀具自快进转为工进时，刀尖点位置与孔上表面间的距离。孔加工导入量可参照表6-7选取。 孔加工超越量（图6-8中的ΔZ＇），当钻通孔时，超越量通常取ZP＋（1～3）mm，ZP为钻尖高度（通常取0.3倍钻头直径）；铰通孔时，超越量通常取3～5mm；镗通孔时，超越量通常取1～3mm；攻螺纹时，超越量通常取5～8mm。 图6-8 孔加工导入量与超越量 表6-7 孔加工导入量 表 面 状 态 加 工 方 法 已加工表面 毛坯表面 钻孔 2～3 5～8 扩孔 3～5 5～8 镗孔 3～5 5～8 铰孔 3～5 5～8 铣削 3～5 5～8 攻螺纹 5～10 5～10 2）相互位置精度高的孔系的加工路线 对于位置精度要求较高的孔系加工，特别要注意孔的加工顺序的安排，避免将坐标轴的反向间隙带入，影响位置精度。 【例6-1】镗削图6-9a）所示零件上的4个孔。 若按图6-9b）所示进给路线加工，由于孔4与孔1、孔2、孔3的定位方向相反，Y向反向间隙会使定位误差增加，从而影响孔4与其它孔的位置精度。按图6-9c）所示进给路线，加工完孔3后往上移动一段距离至P点，然后再折回来在孔4处进行定位加工，这样方向一致，就可避免反向间隙的引入，提高了孔4的定位精度。 a b c 图6-9孔加工进给路线 【例8-1】使用G02对图8-3所示的的螺旋线编程，起点在（0，30，10），螺旋线终点（30，0，0），假设刀具最初在螺旋线起点。 图8-3 螺旋线插补 用G90方式编程如下G90 G17 G02 X30 Y0 Z0 R30 F200； 用G91方式编程如下G91 G17 G02 X30 Y-30 Z-10 R30 F200； 4.3钻孔、锪孔及铰孔固定循环指令 1.孔加工固定循环 ① 孔加工固定循环动作 如图6-6所示，固定循环通常由6个动作顺序组成 动作1（AB段）XY平面快速定位； 动作2（BR段）Z向快速进给到R点； 动作3（RZ段）Z轴切削进给，进行孔加工； 动作4（Z点）孔底部的动作； 动作5（ZR段）Z轴退刀； 动作6（RB段）Z轴快速回到起始位置。 6-7 固定循环平面 6-6 固定循环动作 ② 固定循环的平面 a．初始平面 初始平面是为安全下刀而规定的一个平面，如图6-7所示。初始平面可以设定在任意一个安全高度上。当使用同一把刀具加工多个孔时，刀具在初始平面内的任意移动将不会与夹具、工件凸台等发生干涉。 b．R点平面 R点平面又叫R参考平面。这个平面是刀具下刀时，自快进转为工进的高度平面，距工件表面的距离主要考虑工件表面的尺寸变化，一般情况下取2～5mm（图6-7）。 c．孔底平面 加工不通孔时，孔底平面就是孔底的Z轴高度。而加工通孔时，除要考虑孔底平面的位置外，还要考虑刀具的超越量（图6-7），以保证所有孔深都加工到尺寸。 ③ 固定循环编程格式 孔加工循环的通用编程格式如下 G73～G89 X Y Z R Q P F K ； X Y 孔在XY平面内的位置； Z 孔底平面的位置； R R点平面所在位置； Q G73和G83深孔加工指令中刀具每次加工深度或G76和G87精镗孔指令中主轴准停后刀具沿准停反方向的让刀量； P 指定刀具在孔底的暂停时间，数字不加小数点，ms； ’ F 孔加工切削进给时的进给速度； K 指定孔加工循环的次数，该参数仅在增量编程中使用。 在实际编程时，并不是每一种孔加工循环的编程都要用到以上格式的所有代码。如下例的钻孔固定循环指令格式 【例】 G81 X50.0 Y30.0 Z-25.0 R5.0 F100； 以上格式中，除K代码外，其他所有代码都是模态代码，只有在循环取消时才被清除，因此这些指令一经指定，在后面的重复加工中不必重新指定。如下例所示 【例】 G82 X50.0 Y30.0 Z-25.0 R5.0 P1000 F100； X80.0； G80； 执行以上指令时，将在（50.0，30.0）和（80.0，30.0）处加工出相同深度的孔。 孔加工循环由指令G80取消。另外， 遇到01组的G代码（如G00、G01、G02、G03），则孔加工循环方式也会自动取消。 ④ G98与G99方式 当刀具加工到孔底平面后，刀具从孔底平面以两种方式返回图6-8，即返回到R点平面和返回到初始平面，分别用指令G98与G99来决定。 a．G98方式 G98为系统默认返回方式，表示返回初始平面。当采用固定循环进行孔系加工时，通常不必返回到初始平面。当全部孔加工完成后或孔之间存在凸台或夹具等干涉件时，则需返回初始平面。G98指令格式如下 G98 G81 X Y Z R F ； b．G99方式 G99表示返回R点平面。在没有凸台等干涉情况下，加工孔系时，为了节省加工时间，刀具一般返回到R点平面。G99指令格式如下 G99 G81 X Y Z R F ； ⑤ G90与G91方式 固定循环中R值与Z值数据的指定与G90与G91的方式选择有关（Q值与G90与G91方式无关）。 a．G90方式 G90方式中，X、Y、Z和R的取值均指工件坐标系中绝对坐标值。 b．G91方式 G91方式中，R值是指R点平面相对初始平面的Z坐标值，而Z值是指孔底平面相对R点平面的Z坐标值。X、Y数据值也是相对前一个孔的X、Y方向的增量距离。 【例】 如图6-10所示，在一条直线上加工4个孔，其坐标分别为（50.0，20.0）、（100.0，20.0）、（200.0，20.0），孔深都为40mm，如编程序为 N30 G90 G99； N40 G81 X50.0 Y20.0 R3.0 Z-40 F200； N50 G91 X50 K3； N60 G90 G80 G00； 由于相邻孔X值的增量为50，在程序段N40中采用G91方式，并利用重复次数K的功能，便可显著缩短CNC程序，提高编程效率。 6-10 直线上的孔 （2）钻（扩）孔循环G81与锪孔循环G82 ① 指令格式 G81 X Y Z R F ； G82 X Y Z R P F ； ② 指令动作 G81指令常用于普通钻孔，其加工动作如图6-11 所示，刀具在初始平面快速G00方式定位到指令中指定的X、Y坐标位置，再Z向快速定位到R点平面，然后执行切削进给到孔底平面，刀具从孔底平面快速Z向退回到R点平面（G99方式）或初始平面（G98方式）。 G82指令在孔底增加了进给后的暂停动作，以提高孔底表面粗糙度精度，如果指令中不指定暂停参数P，则该指令和G81指令完全相同。该指令常用于锪孔或台阶孔的加工。 6-11 G81与G82指令动作图 6-12 G73与G83指令动作图 （3）高速深孔钻循环G73与深孔钻循环G83 所谓深孔，是指孔深与孔直径之比大于5的孔。加工深孔时，加工中散热差，排屑困难，钻杆刚性差，易使刀具损坏和引起孔的轴线偏斜，从而影响加工精度和生产率。 ① 指令格式 G73 X Y Z R Q F ； G83 X Y Z R Q F ； ② 指令动作 如图6-12 所示，G73指令通过刀具Z轴方向的间歇进给实现断屑动作。指令中的Q值是指每一次的加工深度均为正值且为带小数点的值。图中的d值由系统指定，通常不需要用户修改。 G83指令通过Z轴方向的间歇进给实现断屑与排屑的动作。该指令与G73指令的不同之处在于刀具间歇进给后快速回退到R点，再快速进给到Z向距上次切削孔底平面d处，从该点处，快进变成工进，工进距离为Qd。 G73指令与G83指令多用于深孔加工的编程。 （4）铰孔循环G85 ① 指令格式 G85 X Y Z R F ； ② 指令动作 如图6-13 所示，执行G85固定循环时，刀具以切削进给方式加工到孔底，然后以切削进给方式返回到R平面或初始平面。该指令常用于铰孔和扩孔加工，也可用于粗镗孔加工。 6-13 G85指令动作图 4.4 任务决策和执行 1.工艺分析 根据图样需加工2φ10H7孔，尺寸精度为7级，表面粗糙度Ra1.6μm；2φ9通孔和2φ15沉孔，沉孔深5mm。2φ10H7孔尺寸精度和表面质量要求较高，可采用钻孔、扩孔、方式完成；4φ9通孔用φ9钻头直接钻出即可；4φ15沉孔钻孔后再锪孔。工艺过程如下 ① 钻中心孔 所有孔都首先打中心孔，以保证钻孔时，不会产生斜歪现象。 ② 钻孔 用φ9钻头钻出4φ9孔和2φ10H7孔的底孔。 ③ 扩孔 用φ9.8钻头扩2φ10H7孔。 ④ 锪孔 用φ15锪钻锪出4φ15沉孔。 ⑤ 铰孔 用φ10H7加工出2φ10H7孔。 2.刀具与工艺参数 见表1-5、表1-6。 表1-5 数控加工刀具卡 单 位 数控加工刀具卡片 产品名称 零件图号 零件名称 程序编号 序号 刀具号 刀具名称 刀 具 补偿值 刀补号 直径 长度 半径 长度 半径 长度 1 T01 中心钻 φ3mm 2 T02 麻花钻 φ9mm 3 T03 麻花钻 φ9.8mm 4 T04 锪钻 φ15mm 5 T05 铰刀 φ10mm 表1-6 数控加工工序卡 单 位 数控加工工序卡片 产品名称 零件名称 材 料 零件图号 工序号 程序编号 夹具名称 夹具编号 设备名称 编制 审核 工步号 工步内容 刀具号 刀具规格 主轴转速 /（r/min） 进给速度 /（mm/min） 背吃刀量 /mm 1 钻所有孔的中心孔 T01 φ3mm中心钻 2000 80 2 4φ9孔和2φ10H7孔的底孔 T02 φ9mm麻花钻 600 100 3 扩2φ10H7孔 T03 φ9.8mm麻花钻 800 100 4 锪4φ15沉孔 T04 φ15mm锪钻 500 100 5 铰2φ10H7孔 T05 φ10mm铰刀 200 50 3.装夹方案 由于该零件为中大批量生产，可利用专用夹具进行装夹。由于底面和φ40H8内腔已在前面工序加工完毕，本工序可以φ40H8内腔和底面为定位面，侧面加防转销限制六个自由度，用压板夹紧。 （4）程序编制 在φ40H7内孔中心建立工件坐标系，Z轴原点设在端盖底面上。利用偏心式寻边器找正X、Y轴零点，装上中心钻头，完成Z轴的对刀。孔加工的安全平面设置在端盖顶面以上50mm处（Z坐标为80mm）；R点平面设置在沉孔上表面5mm处（Z坐标为20mm）。程序如下 O0001； N10 G17 G21 G40 G54 G80 G90 G94 ； 程序初始化 N20 G00 Z80.0 M07； 刀具定位到安全平面，启动主轴 N30 M03 S2000； N40 G98 G81 X28.28 Y28.28 R20.0 Z12.0 F100； 钻出六个孔的中心孔 N50 X0 Y40.0； N60 X-28.28 Y28.28； N70 Y-28.28； N80 X0 Y-40.0； N90 X28.28 Y-28.28； N100 G00 Z180.0 M09； 刀具抬到手工换刀高度 N110 M05； N120 M00； 程序暂停，手工换T2刀，换转速 N130 M03 S600； N140 G00 Z80.0 M07； 刀具定位到安全平面 N150 G98 G81 X28.28 Y28.28 R20.0 Z-5.0 F100； 钻出六个φ9mm孔 N160 X0 Y40.0； N170 X-28.28 Y28.28； N180 Y-28.28； N190 X0 Y-40.0； N200 X28.28 Y-28.28； N210 G00 Z180.0 M09； 刀具抬到手工换刀高度 N220 M05； N230 M00； 程序暂停，手工换T3刀，换转速 N240 M03 S800； N250 G00 Z80.0 M07； 刀具定位到安全平面 N260 G98 G81 X0 Y40.0 R20.0 Z-5.0 F100； 扩2φ10H7mm孔至φ9.8mm N270 Y-40.0； N280 G00 Z180 M09； 刀具抬到手工换刀高度 N290 M05； N300 M00； 程序暂停，手工换T4刀，换转速 N310 M03 S500； N320 G00 Z80.0 M07； 刀具定位到安全平面 N330 G98 G82 X28.28 Y28.28 R20.0 Z10.0 P2000 F100；锪出四个φ15mm沉头孔 N340 X-28.28； N350 Y-28.28； N360 X28.28； N370 G00 Z180 M09； 刀具抬到手工换刀高度 N380 M05； N390 M00； 程序暂停，手工换T5刀，换转速 N400 M03 S200； N410 G00 Z80.0 M07； 刀具定位到安全平面 N420 G98 G85 X0 Y40.0 R20.0 Z-5.0 F50； 铰2φ10H7mm孔 N430 Y-40.0； N440 M05； N450 M09 G00 Z200； N460 M30； 程序结束 4.5 巩固练习 利用数控加工仿真软件，完成如图6-14所示零件上定位销孔、螺栓孔的加工，并完成工序卡片的填写。零件上下表面、φ80外轮廓等部位已在前面工序（步）完成，零件材料为45钢。 图6-14 钻、锪与铰孔加工练习 22