周維泉

北京南口斯凱孚鐵路軸承有限公司 北京 102202

1 序言

機(jī)床和機(jī)加工與現(xiàn)代人類的生活密不可分。傳統(tǒng)機(jī)床加工效率低、效益差，對(duì)操作者的技能要求高，加工出的產(chǎn)品質(zhì)量差，尤其是批量加工產(chǎn)品的質(zhì)量一致性難以保證。

數(shù)控機(jī)床是計(jì)算機(jī)（芯片）植入機(jī)床控制系統(tǒng)的產(chǎn)物，其應(yīng)用使全面解決上述問(wèn)題成為可能。筆者曾去日本研修數(shù)控應(yīng)用技術(shù)，看到那里車間機(jī)床大部分是數(shù)控機(jī)床，而當(dāng)時(shí)我國(guó)只有在大型骨干企業(yè)才有少量數(shù)控機(jī)床，而且這些機(jī)床包括數(shù)控系統(tǒng)絕大部分是進(jìn)口的?，F(xiàn)在我國(guó)企業(yè)使用數(shù)控機(jī)床已很普遍，即使是中小企業(yè)也競(jìng)相使用數(shù)控機(jī)床。更可喜的是，國(guó)產(chǎn)數(shù)控系統(tǒng)和數(shù)控機(jī)床水平都有長(zhǎng)足進(jìn)步。

筆者2020年在無(wú)錫考察時(shí)，看到幾乎每家鄉(xiāng)鎮(zhèn)企業(yè)都有國(guó)產(chǎn)數(shù)控機(jī)床。40多年的數(shù)控應(yīng)用實(shí)踐讓筆者體會(huì)到，想高質(zhì)高效地加工出產(chǎn)品，除要有數(shù)控機(jī)床外，還要有包括編程在內(nèi)的數(shù)控工藝。數(shù)控機(jī)床是條件，數(shù)控工藝是支撐。要加工出好的產(chǎn)品，這兩條缺一不可。對(duì)數(shù)控技術(shù)和數(shù)控應(yīng)用，要同時(shí)抓兩個(gè)方面，即一方面抓數(shù)控系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)和數(shù)控機(jī)床的研制，另一方面抓高水平數(shù)控工藝人員的培養(yǎng)[1]。筆者去過(guò)國(guó)內(nèi)許多大型骨干企業(yè)，發(fā)現(xiàn)都存在同一個(gè)問(wèn)題：數(shù)控機(jī)床（含進(jìn)口和國(guó)產(chǎn)）的數(shù)量在增加、檔次在提高，而數(shù)控工藝人員的數(shù)量和水平遠(yuǎn)不能滿足要求，致使大批存量數(shù)控機(jī)床的潛能未能完全釋放。因此筆者認(rèn)為，我國(guó)應(yīng)培養(yǎng)和造就一大批高質(zhì)量的數(shù)控工藝師。下面用加工過(guò)的一個(gè)案例，來(lái)說(shuō)明數(shù)控工藝在數(shù)控應(yīng)用中的重要性。

2 端面梯形密封槽的數(shù)控創(chuàng)新加工

國(guó)內(nèi)外油氣管連接處大多用同一類端面槽配以八角剖面的軟鋼質(zhì)密封環(huán)來(lái)密封。這類端槽剖面呈梯形，槽寬、槽深和槽在端面上的直徑因具體零件而異。但槽兩側(cè)面的夾角都是46°。密封精度主要取決于槽寬精度、兩側(cè)面夾角精度和槽在端面上的直徑精度，以及兩側(cè)面的表面粗糙度。

在只有傳統(tǒng)車床時(shí)是如何加工的筆者沒(méi)有見(jiàn)過(guò)，但可以想象，單件質(zhì)量全憑工人的磨刀技能和操作技能來(lái)保證，這類零件一般是批量生產(chǎn)。批量加工時(shí)質(zhì)量的一致性極難保證。筆者曾在日本看到這類端面槽用數(shù)控車床加工，用的是鑲嵌切槽刀片的端面切槽刀。后來(lái)正好接到一批美國(guó)委托加工工件A上有這種端面槽（見(jiàn)圖1），工件材質(zhì)為40CrMo，用來(lái)加工端面的切槽刀，如圖2所示。

圖1 端面有梯形密封槽零件A

圖2 端面切槽刀

設(shè)計(jì)好工藝后，車出的這批端面槽零件每件都達(dá)到圖樣要求并順利交貨。這批零件上端面槽質(zhì)量的一致性非常好（沒(méi)有用磨刀和手工操作技能高超的操作工）?？梢?jiàn)，用數(shù)控車床加工這種端面槽要比用傳統(tǒng)車床加工優(yōu)越很多。如果還要讓此加工上一個(gè)新臺(tái)階，就需要通過(guò)工藝改進(jìn)來(lái)實(shí)現(xiàn)。

分析此端槽刀由于刀片夾持牢靠度不高，所以進(jìn)給量不能太大，切削速度也不能太高。這種刀體價(jià)格高，且其頭部容易損壞。后來(lái)不斷有類似的批量零件發(fā)過(guò)來(lái)加工。為提高加工效率和降低刀具成本，筆者做了工藝改進(jìn)，改用裝35°夾角等邊菱形刀片的普通標(biāo)準(zhǔn)外圓車刀來(lái)加工。由于這種刀片夾持牢靠，刀具整體剛性好，所以可以用較大進(jìn)給量和較高切削速度。刀體便宜，也不易損壞。由于原封不動(dòng)使用這種標(biāo)準(zhǔn)車刀在加工過(guò)程中有少許干涉，所以用前先要把刀頭一側(cè)磨掉一些（見(jiàn)圖3），經(jīng)修磨后可車削直徑＞80mm的這類端面槽而不發(fā)生干涉。

圖3 經(jīng)修磨后的標(biāo)準(zhǔn)刀體

在粗車圖1所示零件A時(shí), 給精車底面留0.15mm、兩側(cè)各留0.3mm余量，分4個(gè)來(lái)回即8層車。O1是為粗車此件編制的適用于發(fā)那科系統(tǒng)的專用宏程序。圖4是編此程序的用圖。

圖4 O1程序編程用圖

O1

N01 G54 G40 S360 M03;

N02 T0101;

N03 #1=115.765; （#1代表外口假想刀尖點(diǎn)X指令值）

N04 #2=99.984; （#2代表內(nèi)口假想刀尖點(diǎn)X指令值）

N05 #3=0; （#3代表當(dāng)層Z值，此賦初始值）

N06 G00 X#1 Z10; （快速到準(zhǔn)備點(diǎn)1）

N07 Z1;（快速到準(zhǔn)備點(diǎn)2）

N08 G01 Z#3 F0.15; （工進(jìn)到切削準(zhǔn)備點(diǎn)）

N09 #1=#1-0.7; （當(dāng)層外口X指令值）

N10 #2=#2+0.7;（當(dāng)層內(nèi)口X指令值）

N11 #3=#3-0.825; （當(dāng)層Z指令值）

N12 X#1 Z#3 F0.075; （沿外邊切削前進(jìn)一層）

N13 X#2 F0.15; （向中心切削這層）

N14 IF [#3 EQ -6.6] GOTO 21; （如果剛切的己到底層，就轉(zhuǎn)退刀，否則…）

N15 #1=#1-0.7; （下層外口X指令值）

N16 #2=#2+0.7;（下層內(nèi)口X指令值）

N17 #3=#3-0.825;（下層Z指令值）

N18 X#2 Z#3 F0.075; （沿內(nèi)邊切削前進(jìn)一層）

N19 X#1 F0.15;（離中心切削下層）

N20 IF [#3 GT -6.6] GOTO 09; （如果剛切的尚不到底層，就…）

N21 G00 Z10;（沿Z向退刀）

N22 X145 Z150 M05;

N23 M30;

程序內(nèi)N03段中給#1賦值的計(jì)算

117.424－2×0.3－2×0.8tan（45－23/2）=115.765

程序內(nèi)N04段中給#2賦值的計(jì)算

98.324+2×0.3+2×0.8tan（45－23/2）＝99.984

程序內(nèi)N09段中0.7值的計(jì)算

[（6.75－0.15）/8]tan（23）×2=0.7

程序內(nèi)N11段中0.825值的計(jì)算

（6.75－0.15）/8=0.825

后來(lái)此類零件的品種多了，又編了一個(gè)適用于發(fā)那科系統(tǒng)的通用宏程序O2。

這是個(gè)“傻瓜”程序，只要是這類端槽, 都可套用此程序來(lái)粗車。無(wú)須讀懂它，只要按工件實(shí)際尺寸和工藝要求給開(kāi)頭的8個(gè)變量賦值即可。圖5是這個(gè)通用宏程序的編程用圖。

圖5 通用宏程序編程用圖

O2

N01 #1=a; （#1代表槽外口的直徑）

N02 #2=b; （#2代表槽內(nèi)口的直徑）

M03 #11=h; （#11代表槽的深度）

N04 #5=j; （#5代表槽兩側(cè)面的精車留量）

N05 #6=k; （#6代表槽底面的精車留量）

N06 #7=d; （#7代表粗車的往復(fù)次數(shù)）

N07 #9=f; （#9代表粗車在往復(fù)時(shí)的進(jìn)紿量）

N08 #18=r; （#18代表刀尖半徑）

N10 G54 S360 M03; （主軸轉(zhuǎn)速可變）

N11 T0101; （刀位號(hào)和刀補(bǔ)號(hào)可變）

N12 G00 X200 Z100; （到準(zhǔn)備點(diǎn)，準(zhǔn)備點(diǎn)位置可變）

N20 #8=[#11-#6]/#7/2; （#8代表層厚）

N21 #10=0; （此#10代表當(dāng)層Z值，此賦初始值）

N22 #12=#18*TAN[45-23/2]; （#12代表內(nèi)、外口假想刀尖點(diǎn)偏移）

N23 #14=#1-2*#5-2*#12;（此#14代表外口X指令值，此賦0層初始值）

N24 #15=#2+2*#5+2*#12; （此#15代表內(nèi)口X指令值，此賦0層初始值）

N25 G00 X#14 Z10; （快速到準(zhǔn)備點(diǎn)1）

N26 Z1; （快速到準(zhǔn)備點(diǎn)2）

N27 G01 Z0 F#9; （到達(dá)切削準(zhǔn)備點(diǎn)）

N28 #14=#14-2*#8*TAN[23]; （此#14代表當(dāng)層外口X指令值）

N29 #15=#15+2*#8*TAN[23]; （此#15代表當(dāng)層內(nèi)口X指令值）

N30 #10=#10-#8; （左側(cè)的#10代表當(dāng)層Z指令值）

N31 X#14 Z#10 F[#9/2]; （沿外邊切削前進(jìn)一層）

N32 X#15 F#9; （向中心切削這層）

N33 #14=#14-2*#8*TAN[23]; （此#14代表下層外口X指令值）

N34 #15=#15+2*#8*TAN[23]; （此#15代表下層內(nèi)口X指令值）

N35 #10=#10-#8; （左側(cè)的#10代表下層Z指令值）

N36 X#15 Z#10 F[#9/2]; （沿內(nèi)邊切削前進(jìn)一層）

N37 X#14 F#9; （離中心切削下層）

N38 IF [#10 GT [-#11+#6]] GOTO 28; （如果未切到底層,就回上去繼續(xù)車）

N39 G00 Z10; （沿Z向快速退出）

N40 G00 X200 Z100 M05; （退到回退點(diǎn)，回退點(diǎn)位置可變）

N41 M30;

可以把N20～N38段摘出來(lái)作為子程序O4，這樣這個(gè)通用宏程序就變成主程序O3調(diào)用子程序O4。

O3（主程序號(hào)）

（N01～N12段同O2號(hào)程序中的N01～N12段）

M98 P4; （調(diào)用O4號(hào)子程序）

N40 G00 X200 Z100 M05; （退到回退點(diǎn), 回退點(diǎn)位置可變）

N41 M30;

O4 （子程序號(hào)）

（N20～N38段同O2號(hào)程序中的N20～N38段）

M99; （子程序結(jié)束，返回主程序）

上述通用宏程序，可以很容易地翻譯成適用于其他數(shù)控系統(tǒng)的通用宏程序。對(duì)于發(fā)那科系統(tǒng)，這個(gè)通用宏程序還有另外一種格式，即用G65指令調(diào)用子程序的格式。

O5（主程序號(hào)）

N10 G54 S360 M03; （主軸轉(zhuǎn)速可變）

N11 T0101; （刀位號(hào)和刀補(bǔ)號(hào)可變）

N12 G00 X200 Z100; （到準(zhǔn)備點(diǎn)，準(zhǔn)備點(diǎn)位置可變）

G65 P4 Aa Bb Ii Jj Hh Kk Dd Ff Rr; （調(diào)用O4子程序并給其內(nèi)的變量賦初始值）

N40 G00 X200 Z100 M05; （退到回退點(diǎn), 回退點(diǎn)位置可變）

N41 M30;

主程序G65段中：

a代表槽外口的直徑，給O4子程序中的#1賦初始值。

b代表槽內(nèi)口的直徑，給O4子程序中的#2賦初始值。

h代表槽的深度，給O4子程序中的#11賦初始值；

j代表槽兩側(cè)面的精車留量，給O4子程序中的#5賦初始值。

k代表槽底面的精車留量，給O4子程序中的#6賦初始值。

d代表粗車的往復(fù)次數(shù)，給O4子程序中的#7賦初始值。

f代表粗車往復(fù)時(shí)的進(jìn)紿量，給O4子程序中的#9賦初始值。

r代表刀尖半徑，給O4子程序中的#18賦初始值。子程序O4同前述子程序O4。

上面三組通用宏程序的使用效果是一樣的，只是最后一種格式不便于翻譯成適用于其他數(shù)控系統(tǒng)的程序。如果用通用宏程序粗車圖1所示件A，套用三組中哪一組都行，只要把117.424值賦給a、98.324值賦給b、6.75值賦給h、0.3值賦給j、0.15值賦給k、4值賦給d、0.8值賦給r即可。

精車程序很簡(jiǎn)單, 只是要注意在精車程序中車兩側(cè)面應(yīng)使用兩個(gè)不同的刀補(bǔ)號(hào)。圖6為比零件A大的零件B上機(jī)床準(zhǔn)備加工。由于是批量加工，所以粗、精車各用一把（同樣的）車刀。圖7是正在用上述通用程序加工零件B上的端面密封槽。圖8是零件B上車好的端面密封槽。

圖6 零件B上機(jī)床準(zhǔn)備加工

圖7 加工零件B上端面密封槽

圖8 零件B上端面密封槽已車好

按此改進(jìn)后新工藝加工這類端面槽，在保證質(zhì)量達(dá)到圖樣要求的前提下，加工時(shí)間縮減為原工藝的一半，刀具費(fèi)用降低到原工藝的40%。

數(shù)控系統(tǒng)及配置的數(shù)控機(jī)床是硬件，加工程序包括宏程序是軟件。要讓數(shù)控技術(shù)轉(zhuǎn)換成生產(chǎn)力，必須軟、硬結(jié)合。從此例可以看到，其中由深厚功底的工藝師編出的宏程序有獨(dú)特的作用。

3 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)上述案例可以看到，數(shù)控工藝在數(shù)控應(yīng)用中發(fā)揮重要作用。只有高水平的數(shù)控工藝人員才能做出高水平的工藝，包括編出高水平的程序。各數(shù)控應(yīng)用企業(yè)深知這個(gè)道理，實(shí)踐和培訓(xùn)是造就高水平數(shù)控工藝師不可或缺的兩個(gè)途徑。數(shù)控應(yīng)用人員大致可分兩類：工藝和操作，可以交叉和跨界。在有的中小企業(yè)中，數(shù)控工藝和機(jī)床操作由一人擔(dān)當(dāng)。但在大企業(yè)如汽車制造廠中，工藝人員和操作人員還是明確分開(kāi)的?，F(xiàn)在我國(guó)對(duì)數(shù)控技能（操作）人員的培養(yǎng)和培訓(xùn)很重視，這是十分必要的。

某集團(tuán)總公司從2003年到2019年連續(xù)17年舉辦數(shù)控高技能人才培訓(xùn)班（每年1～2期）。筆者每期去講課時(shí)發(fā)現(xiàn)，各期都有工藝人員來(lái)參加。而總公司文件要求參訓(xùn)人員的條件是有實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)的技能人員?？梢?jiàn)，該集團(tuán)總公司下屬的企業(yè)在培訓(xùn)數(shù)控技術(shù)（工藝）人員方面有較高的需求。筆者在與不少大型骨干企業(yè)技術(shù)負(fù)責(zé)人交談時(shí)，對(duì)方差不多都談到因缺少能獨(dú)擋一面的數(shù)控工藝人員而影響數(shù)控機(jī)床使用效果的問(wèn)題。因此筆者希望，除了舉辦數(shù)控高技能人才培訓(xùn)班外，還應(yīng)舉辦針對(duì)數(shù)控工藝人員的高技術(shù)人才培訓(xùn)班，以協(xié)助企業(yè)盡快造就一批高水平的數(shù)控工藝師。