课题4：孔加工.doc

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Q+d。
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2×φ10H7孔，尺寸精度为7级，表面粗糙度Ra1.6μm；2×φ9通孔和2×φ15沉孔，沉孔深5mm。2×φ10H7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；4×φ9通孔用φ9钻头直接钻出即可；4×φ15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4×φ9孔和2×φ10H7孔的底孔。
③ 扩孔 用φ9.8钻头扩2×φ10H7孔。
④ 锪孔 用φ15锪钻锪出4×φ15沉孔。
⑤ 铰孔 用φ10H7加工出2×φ10H7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
4×φ9孔和2×φ10H7孔的底孔
T02
φ9mm麻花钻
600
100

3
扩2×φ10H7孔
T03
φ9.8mm麻花钻
800
100

4
锪4×φ15沉孔
T04
φ15mm锪钻
500
100

5
铰2×φ10H7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2×φ10H7mm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2×φ10H7mm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

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