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数控加工编程与操作(第六章线切割加工)


<数控加工编程与操作>

第六章数控电火花线切割编程及操作
6.1 数控电火花线切割机床简介 数控电火花线切割加工属于特种加工,常用于加 工件样板、工具量规和细微复杂形状的小工件或窄缝 等,并可以对薄片重叠起来加工以获得一致尺寸。 特种加工:将电、磁、声、光、化学等能量或其组合 施加在工件的被加工部位上,从而实现材料被去除、
<

br />工冲压模具的凸、凹模、电火花成形机床的工具电极、

变形、改变性能或被镀覆等非传统加工方法。

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6.1.1 线切割机床的加工原理与特点 一、加工原理 电火花线切割加工简称线切割,它是利用移动的 细金属丝(电极丝)作为工具电极,并在电极丝与工 件间加以脉冲电压,利用脉冲放电的腐蚀作用对工件 进行切割加工的,其工作原理如图所示。

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线切割加工工作原理图
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过程:加工时,电极丝接脉冲电源的负极,经导 丝轮在走丝机构的控制下沿电极丝轴向作往复或单向 移动;工件安装在与床身绝缘的工作台上,接脉冲电 源的正极,并随由控制电动机驱动的工作台沿加工轨 迹移动。

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在正负极之间施加脉冲电压,并不断喷注具有一 定绝缘性能的工作液,当两电极间的间隙小到一定程 度时,由于两电极的微观表面是凹凸不平,其电场分 布不均匀,离得最近凸点处的电场度最高,极间液体 介质被击穿,形成放电通道,电流迅速上升,形成火 花放电,使电极间隙内形成瞬时高温热源,通道中心 温度可达到10000以上,以致局部金属材料熔化和气化。 气化后的工作液和工件材料蒸气瞬间迅速膨胀,并具 有爆炸的特性。在这种热膨胀、热爆炸以及工作液冲 压的共同作用下,熔化和气化了的工件材料被抛出放 电通道,至此完成一次火花放电过程。此时两极间又 产生间隙,工作液也恢复绝缘强度。
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实现放电加工必须具备下列几个条件: (1)必须使用脉冲电源,即须是间歇性脉冲火花放电 (2)电极丝与工件被加工表面之间必须保持一定间隙 (3)必须在有一定绝缘性能的液体介质中进行

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二、加工特点 (1)它是以很细的金属丝为工具电极,可加工微细异 形孔、窄缝和复杂形状的工件。 (2)不需要制造特定形状的电极,降低了工具电极的 设计和制造费用,缩短了生产准备时间,加工周期短。 (3)电极丝的损耗较少,加工精度高,无须刃磨刀具, 缩短辅助时间。 (4)所需加工的余量小,能有效节约贵重的材料。 (5)采用乳化液或去离子水的工作液,不易引燃起火, 可实现安全无人运转,但工作液的净化和加工中产生 的烟雾污染处理比较麻烦。

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(6)依靠数控系统的线径偏移补偿功能,使冲模加工 的凹凸模间隙,可以任意调节。 (7)利用四轴联动,可加工上、下面异形体,形状扭 曲曲面体,变锥度和球形体等零件。 (8)加工后表面产生变质层,在某些应用中须进一步 去除。 (9)加工速度较慢,大面积切割时花费工时长,不适 合批量零件的生产。

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6.1.2线切割机床的组成 主要由机械装置、走丝机构、脉冲电源、工作液 供给装置、数控装置和锥度切割装置等组成。

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1、机械装置:主要由床身、坐标工作台、工作液箱、 附件和夹具等几部分组成。

(1)床身
机床主机的基础部件,作为工作台、立柱、储丝 筒等部件的支撑基础。

(2)工作台

由工作台面、中拖板和下拖板组成。工作台面用 以安装夹具和切割工件,中拖板和下拖板组成一个X向、 Y向坐标驱动系统,完成工件切割的成形运动。

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2、走丝机构 走丝机构是电火花线切割机床的重要组成部分,用于 控制电极丝沿Z轴方向进入与离开放电区域,根据走丝 速度可分为快走丝机构和慢走丝机构。

(1)快走丝机构主要由储丝筒、走丝滑座、走丝电动
机、张丝装置、丝架和导轮等部件组成,如图所示。

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快走丝机构的张丝装置,由紧丝重锤、张紧轮和张丝 滑块等构成,如图所示。 紧丝重锤在重力作用下带动张丝滑块和张紧轮沿 导轨产生预紧力作用,从而使加工过程中电极丝始终 处于拉紧状态,防止电极丝因松弛、抖动造成加工不 稳定或脱丝。

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快走丝机构的储丝筒,如图所示。是缠绕并带动电极 丝做高速运动的部件,安装在走丝滑座上,电极丝一 般采用钼丝。

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(2)慢走丝机构主要由供丝绕线轴、伺服电动机恒张 力控制装置、电极丝导向器和电极丝自动卷绕机构等 组成,如图所示。

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3、脉冲电源 线切割机床最为关键的设备之一,对线切割加工 的表面质量、加工速度、加工过程的稳定性和电极丝 损耗等都有很大影响,采用脉冲电源是因为放电加工 必须是脉冲性、间歇性的火花放电,而不能是持续性 的电弧放电,如图所示。

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4、工作液供给装置 工作液的主要作用是:及时排除其间的电蚀产物,冷 却电极丝和工件,对放电区消电离,冲刷导轮及导电 块上的堆积物。 工作液种类很多,常见的有乳化液、去离子水、煤油 等。快走丝线切割时采用的工作液一般是油酸钾皂乳 化液,慢走丝线切割时一般采用去离子水做工作液, 即将自来水通过离子交换树脂净化器去除水中的离子 后供使用。

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5、数控装置 机床完成轨迹控制和加工控制的主要部件。 从进给伺服系统的类型来说,快走丝电火花线切 割机床大多采用较简单的步进电动机开环系统,慢走 丝电火花线切割机床统则大多是伺服电动机加码盘的 半闭环系统,仅在一些少量的超精密线切割机床上采 用伺服电动机加磁尺或光栅的全闭环系统。

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6、锥度切割装置 用于加工某些带锥度工件的内外表面,比较常见 的是数控四轴联动锥度切割装置。它是由位于立柱头 部的两个步进电动机直接与两个滑动丝杠相连带动滑

板做U向、V向坐标移动,与坐标工作台的X、Y轴驱动
构成数控四轴联动,使电极丝倾斜一定的角度,从而 达到工件上各个方向的斜面切割和上下截面形状异形 加工的目的。

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6.1.3 线切割机床的分类与加工对象 1、分类 按电极丝的运行速度快慢:快走丝线切割机床 慢走丝切割机床 按电极丝位置:分为立式线切割机床 卧式线切割机床 按电极丝倾斜状态:直壁线切割机床

锥度线切割机床
按工作液供给方式:冲液式线切割机床 浸液式线切割机床
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(1)快走丝线切割机床 这种机床采用钼丝(直径φ 0.08~φ 0.2mm)或 铜丝(φ 0.3mm左右)作电极。电极丝在贮丝筒的带 动下通过加工缝隙作往复循环运动,一直使用到断 线为止,其走丝速度快。 (2)慢走丝线切割机床 这种机床的走丝速度一般为3m/min,最高为 15m/min。可使用紫铜、黄铜、钨、钼等作为丝电极, 其直径约为φ 0.03~0.35mm。 相对慢走丝线切割机床而言,快走丝线切割机床 结构简单,价格低廉,且加工生产率较高,精度能满足 一般要求,目前在我国生产、使用较为广泛。
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快走丝与慢走丝线切割机床比较

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2、加工对象 线切割加工在新产品试制、精密零件加工及模具 制造中应用广泛,具体有以下方面: (1)加工模具:适用于加工各种形状的冲模!通过调 整不同的间隙补偿量,只需一次编程就可以切割出凸 模、凸模固定板、凹模及卸料板等。 (2)能加工电火花成形加工用的电极,而且比较经济 (3)加工零件:各种特殊材料和复杂形状零件的加工

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6.2 数控电火花线切割加工工艺与工装 电火花线切割加工,一般是作为工件加工中最后 工序。要达到加工零件的加工要求,应合理控制线切 割加工的各种工艺因素,同时配合选择合适工装。 1、工艺分析 首先对零件图进行分析以明确加工要求。其次是确 定工艺基准,采用什么方法定位。 2、切割路线的确定 在加工中,工件内部残余应力的相对平衡受到破 坏后,会引起工件的变形,所以在选择切割路线时,须 注意以下方面。
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(1)应将工件与其夹持部分分割的部分安排在切割路 线的末端,如图所示。 图(a)先切割靠近夹持的部分,使主要连接部位 被割离,余下材料与夹持部分连接较少,工件刚性下降, 易变形而影响加工精度; 图(b)图的切割路线才是正确的。

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(2)切割路线应从坯件预制的穿丝孔开始,由外向内 顺序切割 如图所示。 图(a)采用从工件端面开始由内向外切割的方案, 变形最大,不可取。 图(b)也是采用从工件端面开始切割,但路线由 外向内,比(a)图方案安排合理些,但仍有变形。 图(c)的切割起点取在坯件预制的穿丝孔中,且 由外向内,变形最小,是最好的方案。

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(3)加工的路线,距离端面(侧面)应大于5mm。 (4)两次切割法:切割孔类零件,为减少变形,采用两 次切割,如图所示。

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(5)在一块毛坯上要切出两个以上零件时,不应连续 一次切割出来,而应从该毛坯的不同预制穿丝孔开始加 工,如图所示。

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3、电极丝初始位置的确定 线切割加工前,应将电极丝调整到切割的起始位 置上,可通过对穿丝孔来实现。穿丝孔位置的确定, 有如下原则: (1)当切割凸模需要设置穿丝孔时,其位置可选在加 工轨迹的拐角附近,以简化编程。 (2)切割凹模等零件的内表面时,将穿丝孔设置在工 件对称中心上,对编程计算和电极丝定位都较方便。 但切入行程较长,不适合大型工件,此时应将穿丝孔 设置在靠近加工轨迹边角处或选在已知坐标点上。 (3)在一块毛坯上要切出两个以上零件或在加工大型 工件时,应沿加工轨迹设置多个穿丝孔,以便发生断丝 时能就近重新穿丝,切入断丝点。
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确定电极丝相对工件的基准面、基准线或基准孔 的坐标位置的方法有以下几种: (1)目测法 (2)火花法 (3)自动找中心:让电极丝在工件孔的中心自定位, 其原理如图所示。

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4、加工条件的选择 数控电火花线切割的加工条件随工件材质、板厚、 丝电极和加工的要求的不同而不同。按照加工要求,使 这些条件设定在稳定加工、不产生短路、不断丝的情 况下,以获得较高的切割速度。 (1)电参数的选择 快速走丝线切割加工电参数的选 择见下表。
应 用 脉冲宽度ti (s) 20~40 6~20 电流峰值Ie (A) 大于12 6~12 脉冲间隔t0 (s) 为实现稳定 加工,一般 选择t0/ti= 3~4以上。 空载电压 (v)

快速切割或加工大 厚度工件 Ra>2.5m
半精加工Ra= 1.25~2.5m

一般为 70~90

精加工Ra<2.5m

2~6
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4.8以下

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(2)工作液的选配:乳化液、去离子水。 (3)电极丝选择:钼丝(钨丝)、铜丝 (4)工件装夹及常用夹具 ①悬臂支撑方式装夹,如右图。

②两端支撑装夹,如下图。

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③桥式支撑装夹,如图所示。

④板式支撑装夹,如图所示。

⑤复式支撑方式装夹 它是在桥式夹具上装上专用 夹具组合而成,装夹方便,适用于成批零件加工。
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6.3 数控电火花线切割编程指令

数控电火花线切割机床所用的程序格式有3B、4B、 ISO等。近年来所生产的数控电火花线切割机床使用的 是计算机数控系统,采用ISO格式;而早期的机床常采 用3B、4B格式。

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6.3.1 ISO代码数控程序编制 ISO代码为国际标准化机构制定的用于数控的一种 标准代码,与数控车、数控铣ISO代码一致,采用8单 位补编码。 1、程序格式 一个完整的加工程序由程序名、若干个程序段和 程序结束指令组成。其格式如下: N____ G_____ X____ Y____ M 2、ISO代码及编程 我国快速走丝数控电火花切割机床常用的ISO 代 码,与国际上使用的标准代码基本一致,但也存在不 同之处。
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下表是HCKX320A型机床的G、M代码功能定义。

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(1)零点偏置指令G54~G59 当工件上有多个型孔需加工,为使尺寸计算简单, 可将每个型孔上便于编程的某一点设为其加工坐标系 原点,建立其自有的加工坐标系。 格式:G54(单列一段) (2)手动操作指令G80、G82、G84 G80—接触感知指令,可使电极丝从现行位置接触 工件,然后停止。 G82—半程移动指令,使加工位置沿指定坐标轴返 回一半的距离(当前坐标系中坐标值一半的位置) G84—校正电极丝指令,能通过微弱放电校正电极 丝与工作台的垂直度,在加工前一般要先进行校正
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(3)线径补偿指令G41、G42、G40 G41—左补偿,D后为补偿量的值,单位为um G42—右补偿,D后为补偿量的值,单位为um G40—取消补偿 电火花线切割加工时,为消除电极丝半径和放电 间隙对加工尺寸的影响,需在编程时进行对工件尺寸 进行补偿,偏移方向应视电极丝的运动方向而定,如 图所示。

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(4)锥度加工指令G51、G52 、G50 此方法可当加工带有锥度的工件时,需使用锥度 加工指令使电极丝偏摆一定角度,加工工件上大下小 称为正锥,加工工件上小下大则称为负锥。例如模具 中的凹模漏料孔加工。 G51——锥度左偏指令 G52——锥度右偏指令 G50——撤销锥度 格式: G51 A___ /G52 A___ /G50

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格式: G51 A___ /G52 A___ /G50 注: A、判定:对于正锥加工,顺时针加工时使用G51,逆 时针加工时使用G52;负锥加工正好相反,顺时针加工 时使用G52,逆时针加工时使用G51。 (a)正锥加工 (b)负锥加工

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B、锥度加工编程时应以工件下底面尺寸为编程尺寸。 C、在进行线径补偿和锥度加工编程时,进、退刀线程 序段必须采用G01直线插补指令。 D、在进行锥度加工时,还需输入工件及工作台参数。 S—上导轮中心到工作台面的高度,单位为um

H—工件厚度,单位为um
W—下导轮中心到工作台面的距离,单位为um

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(4)M是系统的辅助功能指令 M00——程序暂停,按“回车”键才能执行下面程 序,电极丝在加工中进行装拆前后应用。 M02——程序结束,系统复位。 M05——接触感知解除。

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例题:如图所示,加工一底面为16mmX16mm见方的四棱 台,上小下大,锥度为4°,工件厚度为50mm,工作台 面到上导轮中心的高度100mm,下导轮中心到工作台面 的距离60mm,电极丝直径为0.18mm,放电间隙为 0.01mm,试编写其加工程序。

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编程:以图中O点为加工起点,OA 为进刀线,按顺时针方向加工。工件上小下大, 故锥度指令使用G52,补偿指令使用G41,补偿量D=0.18/2+0.01=0.1mm。 G92X0Y0 ;建立工件坐标系

W60000
H50000 S100000 G52A4 G41D100

;下导轮中心到工作台面的距离
;工件厚度 ;工作台面到上导轮中心的高度 ;右偏摆 ;左补偿

G01X5000Y0;进刀线 G01X5000Y8000 G01X21000Y8000 G01X21000Y-8000 G01X5000Y-8000 G01X5000Y0 G50 G40 ;撤销锥度 ;撤销补偿

G01X0Y0

;退刀线
;程序结束
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M02

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练习:编制图所示凹模的数 控线切割程序。

已知电极丝直径为0.12mm, 单边放电间隙为0.01mm,刃 口斜度A=0.5°,工件厚度 为15mm,下导轮中心到工作 台面的距离60mm,工作台面 到上导轮中心的高度100mm。

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程序清单:
程 序 段 P01 G92X0Y0 W60000 H15000 程序名为P01 建立工件坐标系 下导轮中心到工作台的距离W=60mm设定 工件厚度H=15mm设定 说 明

S100000
G51 A0.5 G42 D70 G01 X5000 Y10000 G02 X5000 Y-10000 I0 J-10000 G01 X-5000 Y-10000 G02 X-5000 Y10000 I0 J10000 G01 X5000 Y10000 G50

工件台面上导轮中心高度S=100mm设定
锥度左偏, 口斜度A=0.5о 右偏间隙补偿,D偏移量为0.07mm 从O 点直线工进到(5,10)点 顺圆工进到(5,-10),I、J为圆心相对于起点 直线工进到(-5,-10)点 顺圆工进到(-5,10) 直线工进到(5,10)点 取消锥度

G40
G01 X0 Y0 M02
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取消间隙补偿
回到起始点O点 程序结束
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6.3.2 3B格式程序编制 3B程序格式是我国电火花切割机床的一种常用编 程格式,见下表,各符号含义如下:
B X B Y B 分隔 符号 J 计数 长度 G Z 分隔 X坐 分隔 Y坐 符号 标值 符号 标值 计数 加工 方向 指令

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线段:由起点Po(Xo,Yo)和Pe(Xe,Ye)终 点构成的轮廓轨迹。 直线段:水平或垂直的线段。 斜线段:具有斜率的线段。

圆弧段:由标准圆圆弧构成的线段。

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工件坐标系的建立: 直线段时,以起点为原点建立工件坐标系。 例:

直线段

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工件坐标系的建立: 斜线段时,以起点为原点建立工件坐标系。 例:

斜线段

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工件坐标系的建立: 圆弧段时,以圆弧圆心为原点建立工件坐标系。 例:

圆弧段

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B

X

B

Y

B 分隔 符号

J 计数 长度

G

Z

分隔 X坐 分隔 Y坐 符号 标值 符号 标值

计数 加工 方向 指令

1、分隔符B(不可省略)

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2、坐标值X、Y 注: A、单位为um,当数值为时,可省略 B、值X、Y可成比例缩放。 (1)直线段时,X=Y=0或取终点坐标的绝对值

X=Y=0或X=0,Y=21500
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2、坐标值X、Y (2)斜线段时,X、Y为终点坐标的绝对值, 即X=|Xe|、Y=|Ye|

X=17000、Y=5000
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<数控加工编程与操作>

2、坐标值X、Y (3)圆弧段时,X、Y为起点坐标的绝对值, 即X=|Xo|、Y=|Yo|

X=5000、Y=0
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<数控加工编程与操作>

3、计数长度J(单位为um ) 指加工轨迹(如直线、圆弧等)在规定的 坐标轴(即计数方向)上投影长度的总和。 一般机床计数长度J应补足6位,例如计 数长度J为11200um,应写011200。 注:故确定计数长度前,必须先确定计数方向。

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<数控加工编程与操作>

4、计数方向G 指计数时选择作为投影轴的坐标轴 方向。
(1)直线段时,如水平,记为GX;如垂直, 记为GY。

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<数控加工编程与操作>

(2)斜线段时,比较直线段终点坐标(Xe,Ye) 绝对值大小,选取绝对值较大的坐标轴为计数 方向,当坐标绝对值相等时,计数方向可任选 Gx或GY。即: |Xe|>|Ye| 时,取Gx; |Ye|>|Xe| 时,取Gy; |Xe|=|Ye| 时,取Gx或Gy均可。

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<数控加工编程与操作>

(3)圆弧段时,比较圆弧终点坐标(Xe,Ye) 绝对值大小,选取坐标绝对值较小的坐标轴为 计数方向,当坐标绝对值相等时,计数方向可任 选Gx或GY。即: |Xe|>|Ye| 时,取Gy; |Ye|>|Xe| 时,取Gx; |Xe|=|Ye| 时,取Gx或Gy均可。

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<数控加工编程与操作>

直线段

斜线段

圆弧段

例:加工上述工件,确定其投影方向与计数长度

直线段:GY,J=21500 斜线段:GX,J=17000 圆弧段;GY,J=10000
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<数控加工编程与操作>

5、加工指令Z
用来确定轨迹的形状、起点或终点所在象 限和加工方向等信息的,如图所示。 直线段:4种,由加工方向确定,分别为L1、 L2、L3、L4。

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<数控加工编程与操作>

斜线段:4种,由斜线段终点位置确定,分别 为L1、L2、L3、L4。

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<数控加工编程与操作>

圆弧段:8种,由圆弧起点位置与加工方向确 定,分别为SR1~4、NR1~4。 其中SR表示顺时针加工,NR表示逆时针加 工,1~4表示起点位置。

SR2

SR4
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<数控加工编程与操作>

6、应用举例 例1:加工如下图所示直线,其长度为21.5mm, 写出其程序。

直线段

直线段:B0B0B021500GyL2 或 B0B21500B21500GyL2
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<数控加工编程与操作>

例2:加工如下图所示斜线OA,终点A的坐 标为Xe=17mm,Ye=5mm,写出加工程序。

斜线段

斜线段:B17000B5000B017000GxL1
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<数控加工编程与操作>

例3:加工如下图所示圆弧,加工起点的 坐标为A(-5,0),试编制程序。

圆弧段

圆弧段:B5000BB010000GySR2
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<数控加工编程与操作>

练习一:利用数控线切割机加工下图所示轮廓。加工路线
为O→A→B→C→D→E→F→G→H→A。O为穿丝孔,A点 为加工起点,采用3B格式编程。

H G F

D C E

O A
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B

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<数控加工编程与操作>

练习二:利用数控线切割机加工下图所示轮廓。加工路线
为O→A→B→C→D→E→F→G→H→A, O为穿丝孔,A点 为加工起点,采用3B格式编程。

H

G F

D E

C

O A
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B

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<数控加工编程与操作>

练习一答案:O1003 BBB10000GXL1;A BBB70000GXL1;B B10000B50000B50000GYL3;C BBB15000GXL3;D BBB15000GYL4;E B10000B0B20000GYSR4;F BBB15000GYL2;G BBB15000GXL3;H B10000B50000B50000GYL3;A DD

H G F

D C E

O A

B

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<数控加工编程与操作>

7、锥度加工指令格式与定义 采用绝对坐标编程,单位为微米,上下平 面图形为统一的坐标系,编程时每一直纹面为 一段。 直纹面是由上平面的直线段或圆弧段与对 应的下平面的直线段组成的母线均为直线的曲 面。

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<数控加工编程与操作>

编程指令格式: (1)X1 Y1 (2)X2 Y2 (3)L(或C) (4)X3 Y3 (5)X4 Y4 (6)L(或C) (7)A (8)Q

;上平面起点坐标 ;上平面终点坐标 ;L为直线,C为圆弧 ;下平面起点坐标 ;下平面终点坐标 ;A为段与段之间的分隔符, ;Q为程序结束符

注:如果第(3)或(6)行为“C”,则在第3行与第4 行之间加入两行: X0 Y0;圆心坐标 C或W ;C为逆圆,W为顺圆
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<数控加工编程与操作>

例:编制如图所示“上方下圆”零件的线切割 加工程序。

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<数控加工编程与操作>

程序如下:
(1)切入段 8000 5000;上平面由(8,5) 5000 5000;切到(5,5) L ;直线 8000 5000;上平面由(8,5) 5000 5000;切到(5,5) L ;直线 A ;本段结束

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<数控加工编程与操作>

(2)第一段 5000 5000 -5000 5000 L 5000 5000 -5000 5000
C 0 C

;上平面由(5,5) ;切到(-5,5) ;上平面为直 ;下平面由(5,5) ;切到(-5,5)

;圆弧 0 ;圆心为(0,0) ;下平面为逆圆弧

A

;本段结束

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<数控加工编程与操作>

(3)第二段 -5000 5000 -5000 -5000 L -5000 5000 -5000 -5000 C 0 0 C A
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<数控加工编程与操作>

(4)第三段 -5000 -5000 -5000 -5000 L -5000 -5000 5000 -5000 C 0 0 C A
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<数控加工编程与操作>

(5)第四段 5000 -5000 5000 5000 L 5000 -5000 5000 5000 C 0 0 C A
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<数控加工编程与操作>

(6)返回段 5000 5000 8000 5000 L 5000 5000 8000 5000 L Q;程序结束

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