1.3 数控编程技术人员应具备的技能素养

数控工程师不仅需要具备良好的软件操作能力，而且还需要掌握一定的模具数控加工工艺知识，如机床操作、机床性能、刀具性能、材料性能，以及磨刀等。

1.3.1 数控机床的介绍

数控机床进行加工前，首先必须将工件的几何数据和工艺数据等加工信息按规定的代码和格式编制成数控加工程序，并用适当的方法将加工程序输入数控系统。数控系统对输入的加工程序进行处理，输出各种信号和指令，控制机床各部分按规定有序地动作。最基本的信号和指令包括各坐标轴的进给速度、进给方向和进给位移量，各状态控制的 I/O 信号等，其工作原理如图1-2所示。

模具加工中，常用的数控设备有数控铣床、加工中心（具备自动换刀功能的数控铣）、火花机和线切割机等，如图1-3所示。

1.数控铣床组成

数控铣床由数控程序、输入、输出装置、数控装置、驱动装置、位置检测装置、辅助控制装置和机床本体组成。

1）数控程序

数控程序是数控机床自动加工零件的工作指令，目前常用的称为“G代码”。数控程序是在对加工零件进行工艺分析的基础上，根据一定的规则编制的刀具运动轨迹信息。编制程序的工作可由人工进行；对于形状复杂的零件，则需要用CAD/CAM进行。

2）输入、输出装置

输入、输出装置的主要作用是提供人-机交互和通信。通过输入、输出装置操作者可以输入指令和信息，也可显示机床的信息。通过输入、输出装置也可以在计算机和数控机床之间传输数控代码、机床参数等。

零件加工程序输入过程有两种不同的方式：一种是边读入边加工（DNC），另一种是一次将零件加工程序全部读入数控装置内部的存储器，加工时再从内部存储器中逐段调出进行加工。

3）数控装置

数控装置是数控机床的核心部分。数控装置从内部存储器中读取或接受输入装置送来的一段或几段数控程序，经过数控装置进行编译、运算和逻辑处理后，输出各种控制信息和指令，控制机床各部分的工作。

4）驱动装置和位置检测装置

驱动装置接收来自数控装置的指令信息，经功率放大后，发送给伺服电机，伺服电机按照指令信息驱动机床移动部件，按一定的速度移动一定的距离。

位置检测装置检测数控机床运动部件的实际位移量，经反馈系统反馈至机床的数控装置，数控装置比较反馈回来的实际位移量值与设定值，如果出现误差，则控制驱动装置进行补偿。

5）辅助控制装置

辅助控制装置的主要作用是接收数控装置或传感器输出的开关量信号，经过逻辑运算，实现机床的机械、液压和气动等辅助装置完成指令规定的开关动作。这些控制主要包括主轴启停、换刀、冷却液和润滑装置的启停、工件和机床部件的松开与夹紧等。

6）机床本体

数控机床的机床本体与传统机床相似，由主轴传动装置、进给传动装置、床身、工作台，以及辅助运动装置、液压气动系统、润滑系统和冷却装置等组成。

2.数控铣床的主要功能和加工范围

1）点定位

点定位提供了机床钻孔、扩孔、镗孔和铰孔等加工能力。在孔加工中，一般会将典型的加工方式编制为固定的程序——称为固定循环，方便常用孔加工方法的使用。

2）连续轮廓控制

常见的数控系统均提供直线和圆弧插补，高档的数控系统还提供螺旋插补和样条插补，这样就可以使刀具沿着连续轨迹运动，加工出需要的形状。连续轮廓控制为机床提供了轮廓、箱体和曲面腔体等零件的加工。

3）刀具补偿

利用刀具补偿功能，可以简化数控程序编制、提供误差补偿等功能。

3.数控铣床编程要点

1）设置编程坐标系

编程坐标系的位置以方便对刀为原则，毛坯上的任何位置均可。

2）设置安全高度

安全高度一定要高过装夹待加工件的夹具高度，但也不应太高，以免浪费时间。

3）刀具的选择

在型腔尺寸的允许的情况下尽可能选择直径较大及长度较短的刀具；优先选择镶嵌式刀具，对于精度要求高的部位可以考虑使用整体式合金刀具；尽量少用白钢刀具（因为白钢刀具磨损快，换刀的时间浪费严重，得不偿失）；对于很小的刀具才能加工到的区域应该考虑使用电火花机或者线切割机床加工。

4）加工模型的准备

设置合适的编程坐标系；创建毛坯；修补切削不到的区域（例如，很小的孔、腔，没有圆角的异型孔等）。

1.3.2 数控加工辅助工具及所需技能

1.夹具与装夹

在数控铣床或加工中心上常用的夹具主要有通用夹具、组合夹具、专用夹具和成组夹具，在选择夹具时要综合考虑各种因素，选择最经济、合理的夹具。

1）螺钉压板

利用 T 形槽螺栓和压板将工件固定在机床工作台上即可。装夹工件时，需根据工件装夹精度要求，使用百分表较正工件。

2）机用虎钳（平口钳）

形状比较规则的零件铣削时常用虎钳进行装夹，方便灵活，适应性广。当加工精度要求较高时，需要较大的夹紧力时，则需要使用较高精度的机械式或液压式虎钳。

虎钳在数控铣床工作台上的安装要根据加工精度控制钳口与X轴或Y轴的平行度，且零件夹紧时要注意控制工件变形和一端钳口上翘。

3）铣床用卡盘

当需要在数控铣床上加工回转体零件时，可以使用三爪卡盘装夹，对于非回转零件可使用四爪卡盘装夹。

2.装夹注意事项

在装夹工件时，应该注意以下问题：

（1）安装工件时，应保证工件在本次定位装夹中所有需要完成的待加工面充分暴露在外，以方便加工。同时，也应考虑机床主轴与工作台面之间的最小距离和刀具的装夹长度，确保在主轴的行程范围内能使工件的加工范围能使工件的加工内容全部完成。

（2）夹具在机床工作台上的安装位置必须给刀具运动轨迹留有空间，不能和各工步刀具轨迹发生干涉。

3.对刀

对刀的目的是通过刀具或对刀工具确定工件坐标系与机床坐标系之间的空间位置关系，并将对刀数据输入到相应的存储器中。它是数控加工中最重要的操作内容，其准确性将直接影响零件的加工精度。对刀分为X、Y向对刀和Z向对刀。

1）对刀方法

根据现有条件和加工精度要求选择对刀方法，可采用试切法、寻边器对刀、对刀仪对刀和自动对刀等。其中试切法精度较低，加工中常用寻边器和 Z 轴设定器对刀，效率高且保证加工精度。

2）对刀注意事项

在对刀操作过程中应注意以下问题：

（1）根据加工要求选择合适的对刀工具，控制对刀误差。

（2）在对刀过程中，可通过改变微调进给量来提高对刀精度。

（3）对刀时需谨慎操作，防止刀具在移动的过程中碰撞工件。

（4）对刀数据一定要存储在与程序对应的存储地址中，防止因调用错误而产生严重后果。

4.模具加工的步骤

1）加工前的确认

（1）首先核对模具图、连络单、程序单、装夹图和版次是否一致。

（2）对工件外形尺寸、前工段尺寸、外观进行检查是否符合图纸要求。

（3）对程序进行确认，根据程序文件与图纸进行核对，检查图档尺寸与图纸尺寸是否一致。

（4）如发现工件加工外形与图纸不合，并填写好加工异常记录表。

2）工件的装夹

（1）在装夹前应先将工件的毛刺、油渍去除干净。

（2）注意要根据工件的基准角进行装夹。

（3）根据工件的形状和材质选择合适的夹具进行装夹。

（4）如使用虎钳进行装夹，应该考虑其压力大小，以防将工件压变形。

（5）装夹完成后要将工作台面清理干净。

3）装刀

（1）根据程序单，选择好第一把刀，对出工件Z轴零点。

（2）装刀时应该考虑刀具的有效长度与刀具的总伸出长度是否符合程序要求。

（3）若采用自动换刀加工，将所有刀具按要求安装好，并放入刀库中，并记录每把刀的刀号。

4）程序修改

5）执行

6）检查有无异常

7）完工处理

（1）去油污，去毛刺。

（2）用高度尺、卡尺确定加工尺寸。

（3）填写完工文件。

1.3.3 数控刀具的介绍与选择

1.刀具的介绍

数控加工刀具必须适应数控机床高速、高效和自动化程度高的特点，一般包括通用刀具、通用连接刀柄及少量专用刀柄。刀柄要联接刀具并装在机床动力头上，因此，已逐渐标准化和系列化。数控刀具的分类有多种方法。根据刀具结构可分为①整体式；②镶嵌式，采用焊接或机夹式联接，机夹式又可分为不转位和可转位两种；③特殊型式，如复合式刀具、减震式刀具等。根据制造刀具所用的材料可分为①高速钢刀具；②硬质合金刀具；③金刚石刀具；④其他材料刀具，如立方氮化硼刀具、陶瓷刀具等。为了适应数控机床对刀具耐用、稳定、易调和可换等的要求，近几年机夹式可转位刀具得到广泛的应用，在使用数量上达到整个数控刀具的 30%～40%，金属切除量占总数的 80%～90%。

数控铣刀从形状上主要分为平底刀（端铣刀）、圆鼻刀和球刀，如图1-4所示，从刀具使用性能上分为白钢刀、飞刀和合金刀。在工厂实际加工中，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。其缺点是刀尖容易磨损，影响加工精度。

（2）圆鼻刀：主要用于模胚的粗加工、平面粗精加工，特别适用于材料硬度高的模具开粗加工。

（3）球刀：主要用于非平面的半精加工和精加工。

数控刀具与普通机床上所用的刀具相比，有许多不同的要求，主要有以下特点：

（1）刚性好（尤其是粗加工刀具）、精度高、抗振及热变形小。

（2）互换性好，便于快速换刀。

（3）寿命高，切削性能稳定、可靠。

（4）刀具的尺寸便于调整，以减少换刀调整时间。

（5）刀具应能可靠地断屑或卷屑，以利于切屑的排除。

（6）系列化、标准化，以利于编程和刀具管理。

2.刀具的使用

在数控加工中，刀具的选择直接关系到加工精度的高低、加工表面质量的优劣和加工效率的高低。选择合适的刀具并设置合理的切削参数，将可以使数控加工以最低的成本和最短的时间达到最佳的加工质量。总之，刀具选择总的原则：安装调整方便、刚性好、耐用度和精度高。在满足加工要求的前提下，尽量选择较短的刀柄，以提高刀具加工的刚性。

选择刀具时，要使刀具的尺寸与模胚的加工尺寸相适应。如模腔的尺寸是80×80，则应该选择d25r5或d16r0.8等刀具进行开粗；如模腔的尺寸大于100×100，则应该选择d30r5、d32r5 或 d35r5 的飞刀进行开粗；如模腔的尺寸大于 300×300，则应该选择直径大于 d35r5的飞刀进行开粗，如d50r5或d63r6等。另外，刀具的选择由机床的功率所决定，如功率小的数控铣床或加工中心，则不能使用大于d50r5的刀具。

在实际加工中，常选择立铣刀加工平面零件轮廓的周边、凸台、凹槽等；选择镶硬质合金刀片的玉米铣刀加工毛坯的表面、侧面及型腔开粗；选择球头铣刀、圆鼻刀、锥形铣刀和盘形铣刀加工一些立体型面和变斜角轮廓外形。

3.刀具切削参数的设置

合理选择切削用量的原则：粗加工时，一般以提高生产率为主，但也应考虑经济性和加工成本；半精加工和精加工时，应在保证加工质量的前提下，兼顾切削效率、经济性和加工成本。具体数值应根据机床说明书、切削用量手册，并结合经验而定。具体要考虑以下5个因素。

（1）切削深度 ap（mm）：在机床、工件和刀具刚度允许的情况下，ap就等于加工余量，这是提高生产率的一个有效措施。为了保证零件的加工精度和表面粗糙度，一般应留一定的余量进行精加工。数控机床的精加工余量可略小于普通机床。

（2）切削宽度L（mm）：切削宽度与刀具直径d成正比，与切削深度成反比。经济型数控机床的加工过程中，一般切削宽度的取值范围为L=(0.6～0.9)d。

（3）切削速度v（m/min）：提高v也是提高生产率的一个措施，但v与刀具耐用度的关系比较密切。随着v的增大，切削热升高，刀具耐用度急剧下降，故v的选择主要取决于刀具耐用度。另外，切削速度与加工材料也有很大关系，例如，用立铣刀铣削合金刚30CrNi2MoVA时，v可采用8m/min左右；而用同样的立铣刀铣削铝合金时，v可选200m/min以上。

（4）主轴转速n（r/min）：主轴转速一般根据切削速度v来选定。计算公式为v=π nd/1000（d——刀具直径，单位为mm）。数控机床的控制面板上一般备有主轴转速修调（倍率）开关，可在加工过程中对主轴转速在一定范围内进行调整。

（5）进给速度f（mm/min）：f应根据零件的加工精度和表面粗糙度要求，以及刀具和工件材料来选择。f的增加也可以提高生产效率。加工表面粗糙度要求低时，进给速度可选择得大些。在加工过程中，进给速度也可通过机床控制面板上的修调开关进行人工调整，但是最大进给速度要受到设备刚度和进给系统性能等的限制。

随着数控机床在生产实际中的广泛应用，数控编程已经成为数控加工中的关键问题之一。在数控程序的编制过程中，要在人—机交互状态下即时选择刀具和确定切削用量。因此，编程人员必须熟悉刀具的选择方法和切削用量的确定原则，从而保证零件的加工质量和加工效率，充分发挥数控机床的优点，提高企业的经济效益和生产水平。

表1-1、表1-2和表1-3分别列出了白钢刀、飞刀和合金刀的参数设置（这些切削参数仅供参考，实际确定切削用量还应根据具体的机床性能、零件形状和材料和装夹状况等进行调整）。

1.3.4 模具结构的认识

编程者必须对模具结构有一定的认识，如模具中的前模（型腔）、后模（型芯）、行位（滑块）、斜顶、枕位、碰穿面、擦穿面和流道等。如一般情况下前模的加工要求比后模的加工要求高，所以，前模面必须加工得非常准确和光亮，该清的角一定要清；但后模的加工就有所不同，有时有些角不一定需要清得很干净，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艺要求也不相同，如模具中的角位需要留 0.02mm 的余量待打磨师傅打磨；前模中的碰穿面、擦穿面需要留0.05mm的余量用于试模。

图1-6所示列出了模具中的一些常见结构及名称。