第一章 数控车削加工基础.doc

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第一章 数控车削加工基础随着科学技术的飞速发展，对机械产品的结构、性能、精度、效率和品种的要求越来越高，单件与中小批量产品的比重越来越大（目前已占到70%以上），传统的通用、 专用机床以及工艺装备已经不能很好地适应高质量、高效率、多样化加工的要求。因而，以微电子技术和计算机技术为基础的数控技术，将机械技术、现代控制技术、传感检测技术、信息处理技术、网络通信技术和成组技术等有机地结合在一起，使机械制造行业的生产方式和制造技术发生了深刻的、革命性的变化。数控技术及数控机床在当今机械制造业中已占有重要地位，并已显现出巨大效益，已成为传统机械制造工业提升改造和实现自动化、柔性化、集成化生产的重要手段和标志。数控机床集现代精密机械、计算机、通讯、液压气动、光电等多学科技术为一体，具有高效率、高精度、高自动化和高柔性的特点，是当代机械制造业的主流装备。可加工一般机床无法加工的非常复杂的零件，同时具有很高的加工质量和效率，正向高智能化、高集成化方向发展。所以，数控技术代表着当今机械加工技术的趋势与潮流，是现代机械制造企业在市场竞争激烈的条件下生存与发展的必然结果。 在生产加工中会经常遇到加工类似图1-1的零件， 这是一种比较有代表性的轴类零件。要想保证加工精度，提高生产效率，我们应手选数控车床来进行加工。为更好的掌握数控车床加工技术，我们先来学习一些数控加工基本知识。图1-1 轴类零件第一节 数控车床的组成知识点1.数控车床的基本组成、分类2.数控车床的加工特点一、相关工艺内容（一）数控机床的组成数控机床一般由输入输出设备、CNC装置（或称CN C单元）、 伺服单元、驱动装置（或称执行机构）及电气控制装置、辅助装置、机床本体、测量反馈装置等组成。图1-2是数控机床的组成框图。 其中除机床本体之外的部分统称为计算机数控(CNC)系统。图1-2 数控机床的组成框图1机床本体数控机床由于切削用量大、连续加工发热量大等因素对加工精度有一定影响，加工中又是自动控制，不能像在普通机床那样由人工进行调整、补偿，所以其设计要求比普通机床更严格，制造要求更精密，采用了许多新结构，以加强刚性、减小热变形、提高加工精度。2数控装置数控装置是数控系统的核心，主要包括微处理器CPU、存储器、局部总线、外围逻辑电路以及与数控系统的其他组成部分联系的各种接口等。数控机床的数控系统完全由软件处理输入信息，可处理逻辑电路难以处理的复杂信息，使数字控制系统的性能大大提高。3输入/输出设备键盘、磁盘机等是数控机床的典型输入设备。除此以外，还可以用串行通信的方式输入。数控系统一般配有CRT显示器或点阵式液晶显示器，显示信息丰富。有些还能显示图形，操作人员可通过显示器获得必要的信息。 4伺服单元 伺服单元是数控装置和机床本体的联系环节，它将来自数控装置的微弱指令信号放大成控制驱动装置的大功率信号。根据接收指令的不同，伺服单元有数字式和模拟式之分，而模拟式伺服单元按电源种类又可分为直流伺服单元和交流伺服单元。5驱动装置驱动装置把经放大的指令信号转变为机械运动，通过机械传动部件驱动机床主轴、刀架、工作台等精确定位或按规定的轨迹作严格的相对运动， 最后加工出图纸所要求的零件。和伺服单元相对应，驱动装置有步进电机、直流伺服电机和交流伺服电机等。伺服单元和驱动装置合称为伺服驱动系统，它是机床工作的动力装置，数控装置的指令要靠伺服驱动系统付诸实施。所以，伺服驱动系统是数控机床的重要组成部分。从某种意义上说，数控机床功能的强弱主要取决于数控装置，而数控机床性能的好坏主要取决于伺服驱动系统。6测量装置测量装置也称反馈元件，通常安装在机床的工作台或丝杠上，相当于普通机床的刻度盘和人的眼睛，它把机床工作台的实际位移转变成电信号反馈给数控装置，供数控装置与指令值比较产生误差信号，以控制机床向消除该误差的方向移动。因此，测量装置是高性能数控机床的重要组成部分。此外，由测量装置和显示环节构成的数显装置，可以在线显示机床移动部件的坐标值，大大提高工作效率和工件的加工精度。（二） 数控车床的分类数控机床的品种和规格繁多，分类方法不一。根据数控车床的功能和组成，一般可分为以下几类（见表1-1）。表1-1 数控车床的分类分 类 方 法机 床 类 型按坐标轴数分类一般数控车床、数控车削中心按有无测量装置分类开环数控系统、半闭环数控系统、闭环数控系统按功能水平分类经济型、普及型、高级型（一）按坐标轴数分类数控车床在加工零件时，常常要控制两个或两个以上坐标轴方向的运动。在一台数控设备上，可以对几个坐标轴方向的运动进行数字控制，就称为“几”坐标数控车床。1两坐标数控车床两坐标数控机床是指控制两个坐标轴同时运动加工曲线轮廓零件的机床，即两轴联动。如可以同时控制X和Z坐标轴的数控车床。2多坐标数控机床 其联动坐标轴以及可以控制的坐标轴均为四轴或四轴以上的机床，统称为多坐标机床。这类数控机床的控制精度较高，加工零件的形状多为空间曲面，故适宜加工形状特别复杂、精度要求较高的零件。（二）按伺服系统的类型分类按机床进给伺服系统不同的控制方式，可分为开环控制数控车床、半闭环控制数控车床、闭环控制数控车床。1开环控制数控车床开环控制车床的控制原理图1-3。 图1-3 开环控制框图这类机床所采用的开环伺服系统又称为步进电机驱动系统，他的主要特征是该系统内没有位置检测反馈装置。我国目前将步进电机驱动系统普遍用于经济型数控机床。开环伺服系统在工作中，不需要比较其指令位置与实际位置之间的误差，也不存在用该误差去进行补偿控制。这类机床的控制精度主要取决于伺服系统的传动链及步进电机本身，故控制精度不高。但因其结构简单，反应迅速，工作稳定，可靠，调式及维修均很方便，加之价格十分低廉，所以国内至今仍在对这类伺服系统作进一步的开发。2半闭环控制数控车床 半闭环控制数控机床的控制原理如图1-4。 图1-4 半闭环控制框图这类机床所采用的伺服系统与全闭环伺服系统的共同特征是该系统内设有以位置检测元件为主的测量反馈装置，他在机床的控制过程中形成部分位置随动控制环路，但不把机械传动位置等部分包括在内，故称该控制环路“半闭环”。该伺服系统因能自动进行位置检测和误差比较，可对部分误差进行补偿，故其控制精度比开环伺服系统高，当机床的机械传动等位置的精度能满足使用要求时，其总的控制效果仍比较理想。3闭环控制数控车床这类机床的控制精度很高，所采用的全闭环伺服系统在机床的控制过程中，形成全部位置随动控制环路（如图1-5所示），自动检测并补偿所有的位移误差。但该伺服系统的调式、维修工作均较困难，价格也较高，故适用于中、高档手数控机床。闭环控制数控机床的控制原理如图1-5。 图1-5 半闭环控制框图（三）数控车床的特点1. 适应性强当改变加工零件时，数控车床只需更换零件加工的NC程序，不必用凸轮、靠模、样板或其它模具等专用工艺装备，且可采用成组技术的成套夹具。因此，生产准备周期短，有利于机械产品的迅速更新换代。所以，数控机床的适应性非常强。2适合加工复杂型面的零件由于数控机床能实现多个坐标的联动，所以数控机床能完成复杂型面的加工，特别是对于可用数学方程式和坐标点表示的形状复杂的零件，加工非常方便。3加工质量稳定 对于同一批零件，由于使用同一机床和刀具及同一加工程序，刀具的运动轨迹完全相同， 且数控机床是根据数控程序自动进行加工，可以避免人为的误差，这就保证了零件加工的一致性好且质量稳定。4生产效率高 数控机床上可以采用较大的切削用量，有效地节省了机动工时。还有自动换速、自动换刀和其他辅助操作自动化等功能，使辅助时间大为缩短，而且无需工序间的检验与测量，所以，比普通机床的生产率高34倍，甚至更高。 数控机床的主轴转速及进给范围都比普通机床大。目前数控机床的最高进给速度可达到100m/min以上，最小分辨率达0.01m。数控机床的加工时间利用率高达90%，而普通机床仅为30%50% 。5加工精度高数控机床有较高的加工精度，一般在0.0050.01mm之间。数控机床的加工精度不受零件复杂程度的影响，机床传动链的反向齿轮间隙和丝杠的螺距误差等都可以通过数控装置自动进行补偿，其定位精度比较高，同时还可以利用数控软件进行精度校正和补偿。6工序集中，一机多用数控机床特别是带自动换刀的数控加工中心，在一次装夹的情况下，几乎可以完成零件的全部加工工序，一台数控机床可以代替数台普通机床。这样可以减少装夹误差，节约工序之间的运输、测量和装夹等辅助时间，还可以节省车间的占地面积，带来较高的经济效益。7减轻劳动强度在输入程序并启动后，数控机床就自动地连续加工，直至零件加工完毕。这样就简化了工人的操作，使劳动强度大大降低。8价格较贵且调试和维修较复杂数控机床是一种高技术的设备，机床价格较高，而且要求具有较高技术水平的人员来操作和维修，但是数控机床的优点很多，它有利于自动化生产和生产管理，使用数控机床的经济效益还是很高的。第二节 加工工艺文件的填写知识点 1.制定数控车削加工工艺的基本步骤、原则2.数控车削加工时刀具及切削用量的正确选用3.工艺文件的基本知识 技能点1.填写工艺文件 2.正确选用刀具、夹具、切削用量一、工艺卡片工艺分析及处理是加工程序编制工作中较为复杂而又非常重要的环节之一。表1-2为零件局部加工时的工艺卡片。表1-2 数控加工工艺卡片单位数控加工工艺卡片产品名称或代号零件名称零件图号工序简图车 间使用设备工艺序号程序编号夹具名称夹具编号工步号工 步 作 业 内 容加工面刀 具 号刀补量主轴转速进给速度背吃刀量备注编制 审核 批准 年 月 日 共 页 第 页 在填写加工程序单之前，必须对零件的加工工艺性进行周到、慎密的分析，以便正确合理地选择机床、刀具、夹具等工艺装备，正确设计工序内容和刀具的加工路线，合理确定切削用量的参数。掌握好数控加工中的工艺处理环节，除了应该掌握比普通机床加工更为详细和复杂的工艺规程外，还应具有扎实的普通加工工艺基础知识，对数控车床加工中工艺方案指定的各个方面要有比较全面的了解。在数控车床的加工中，造成加工失误或质量、效益不尽如人意的主要原因就是对工艺处理考虑不周。数控加工工艺路线设计与通用机床加工工艺路线设计的主要区别在于它往往不是指从毛坯到成品的整个工艺过程，而仅仅是几道数控加工工序工艺过程的具体描述。由于数控加工工序一般都穿插于零件加工的整个工艺过程中，因而应注意与普通加工工艺衔接好。二、相关工艺内容（一）工艺卡片在生产中使用的工艺文件种类很多，在此主要介绍工艺卡的基本制定要求。1工艺卡的制定制定工艺卡的内容及步骤：（1）由零件图样和各项技术要求，对加工零件进行工艺分析。（2）选择定位基准。（3）拟订零件加工的工艺路线。（4）选择各工序所应用的机床。（5）选择各工序的刀具、夹具、量具及其他辅助工具。（6）确定各工序的加工余量。对工艺要求较复杂的零件应绘制工序简图。（7）确定切削余量。（8）估算时间定额和填写工艺文件。（9）对工艺文件进行校对、审批。（二）数控加工工艺路线设计中应注意的几个问题：1工序的划分根据数控加工的特点，数控加工工序的划分一般可按下列方法进行： （1）以一次安装、加工作为一道工序这种方法适合于加工内容较少的工件，加工完毕后即达到待检状态。 （2）以同一把刀具加工的内容划分工序有些工件虽然能在一次安装中加工出很多待加工表面，但因程序太长，可能会受到某些限制，如控制系统的限制（如内存容量），机床连续工作时间的限制（如一道工序在一个工作班内不能结束）等。此外，程序太长会增加错误及检索困难。因此，每道工序的内容不可太多。 （3）以加工部位划分工序。对于加工内容较多的工件（图1-6），可按其结构特点将加工部位分成几个部分，如内腔、外形、曲面或平面，并将每一部分的加工作为一道工序。如图1-6a第一次先进行左侧加工，然后二次装夹（调头）如图1-6b车削圆弧。a)b)图1-6 分序加工示意（4）以粗、精加工划分工序 对于经加工后易发生变形的工件，由于粗加工后可能发生的变形需要进行校形，故一般来说，凡要进行粗、精加工的都要将工序分开（如图1-7所示）。该零件内孔尺寸较多且52外圆精度较高，宜分开粗、精加工工序。 图1-7 套筒零件2顺序的安排顺序的安排应根据零件的结构和毛坯状况，以及定位安装与夹紧的需要来考虑。顺序安排一般应按以下原则进行： （1）上道工序的加工不能影响下道工序的定位与夹紧，中间穿插有通用机床加工工序的也应综合考虑。（2）先进行内腔加工，后进行外形加工。 （3）以相同定位、夹紧方式或同一把刀具加工的工序，最好连续加工，以减少重复定位次数、换刀次数与挪动压板次数。3. 数控加工工艺与普通工序的衔接数控加工工序前后一般都穿插有其它普通加工工序，如衔接得不好就容易产生矛盾。因此在熟悉整个加工工艺内容的同时，要清楚数控加工工序与普通加工工序各自的技术要求、加工目的、加工特点，如要不要留加工余量，留多少;定位面与孔的精度要求及形位公差;对校形工序的技术要求;对毛坯的热处理状态等，这样才能使各工序达到相互满足加工需要，且质量目标及技术要求明确，交接验收有依据。(三)数控加工工艺处理的原则和步骤1工艺处理的一般原则数控加工工艺的分析及处理工作所涉及的因素很多，所需知识面较广，因此，数控机床操作工应具有同级工艺员的水平，才能适应数控编程工作的需要。工艺处理的一般原则是：因地制宜，总结经验，灵活运用，考虑周全。（1）因地制宜 根据本单位的技术力量，数控设备种类、分布与数量，以及操作者的技术素质等实际条件，力求工艺处理过程简单易行，并能满足加工的需要。（2）总结经验 在普通机床加工过程中积累较多工艺经验的基础上，探索、总结数控加工的工艺经验。例如深孔钻削、薄板铣销及细长轴车削等工艺经验对数控加工仍具有指导意义。（3）灵活运用 不同操作者在同一台普通机床上加工同一个零件，可以凭借自己的技能，采取不同的工序、工步达到图样要求。在数控编程过程中，不同的编程者仍可通过不同的处理途径，达到相同的加工目的。如何使其工艺处理环节更加合理、先进，这就必须要求编程者灵活应用有关工艺处理知识和经验，不断丰富自己的工艺处理能力，具体问题具体分析，提高应变能力。（4）考虑周全 设计及制定加工工艺是一项十分慎密的工作，必须一丝不拘地进行。因数控加工是自动化加工，其加工过程中不能因故而随意进行中途停顿和调整。所以，必须对加工过程中的每一个细节都给予充分的分析和考虑。例如在加工不通螺孔的中途，其孔内是否可能已经塞满了切屑;又如钻深孔时，应安排分几段慢钻、快退工艺才能有效解决散热及排屑等，都必须事先考虑周全。2工艺处理的步骤工艺处理的步骤一般按以下步骤进行：（1）图样分析 图样（图1-8）分析的目的在于全面了解零件轮廓及精度等各项技术要求，为下一步骤的进行提供依据。图1-8 轴零件图在该项分析过程中，还可以同时进行一些编程尺寸的简单换算，如增量尺寸、绝对尺寸、中值尺寸及尺寸链计算等。在数控编程实践中，常常对零件（图1-9）要求的尺寸进行中值计算，作为编程的尺寸依据。 图1-9 编程尺寸的确定（2）工艺分析 工艺分析的目的在于分析工艺可能性和工艺优化性。工艺可能性是指考虑采用数控加工的基础条件是否具备，能否经济的控制其加工精度等；工艺优化性主要指对机床（或数控系统）的功能等要求能否考虑尽量降低，刀具种类及零件装夹次数能否尽量减少，切削用量等参数的选择能否适应高速度、高精度的加工要求等。（3）工艺准备 工艺准备是工艺处理工作中不可忽视的重要环节。它包括对机床操作编程手册、标准刀具和通用夹具样本及切削用量表等资料的准备，机床（或数控系统）的选型和机床有关精度及技术参数（如综合机械间隙）的测定，刀具的预调（对刀），补偿方案的指定以及外围设备（如自动编程系统、自动排屑装置等）的准备工作。（4）工艺设计 在完成上述步骤的基础上，参照“指定加工方案”中所介绍的方法完成其工艺设计（构思）工作。（5）实施编程 将工艺设计的构思通过加工程序单表达出来，并通过程序校验验证其工艺处理（含数值计算）的结果是否符合加工要求，是否为最佳方案。（四） 数控车床刀具的选择在数控车床加工中，产品质量和劳动生产率在相当大的程度上受到刀具的制约。虽然车刀的切削原理与普通车床基本相同，但由于数控加工特性的要求，在刀具的选择上，特别是切削部分的几何参数，对刀具的形状就须做到特别的处理，才能满足数控车床的加工要求，充分发挥数控车床的效益。1数控车床对刀具的要求（1）刀具性能方面 1）强度高 为适应刀具在粗加工或对高硬度材料的零件加工时，能大切深和快走刀，要求刀具必须具有较高的强度;对于刀杆细长的刀具（如深孔车刀），还应有较好的抗震性能。2）精度高 为适应数控加工的高精度和自动换刀等要求，刀具及其刀夹都必须具有较高的精度。3）切削速度和进给高 为提高生产效率并适应一些特殊加工的需要，刀具应能满足高切削速度的要求。如采用聚晶金刚石复合车刀加工玻璃或碳纤维复合材料时，其切削速度高达100m/min以上。4）可靠性好 为保证数控加工中不会因发生刀具意外损坏及潜在缺陷而影响到加工的顺利进行，要求刀具及与之组合的附件必须具有很好的可靠性和较强的适应性。 5）耐用度高 刀具在切削过程中的不断磨损，会造成加工尺寸的变化，伴随刀具的磨损，还会因刀刃（或刀尖）变钝，使切削阻力增大，既会使被加工零件的表面精度大大下降，有会加剧刀具磨损，形成恶性循环。因此，数控车床中的刀具，不论在粗加工、精加工或特殊加工中。都应具有比普通车床加工所用刀具更高的耐用度，以量减少更换或修磨刀具及对刀的次数，从而保证零件的加工质量，提高生产效率。耐用度高的刀具，至少应完成12个班次以上的加工。6）切屑及排屑性能好 有效的进行断屑的性能，对保证数控车床顺利、安全的运行具有非常重要的意义。如果车刀的断屑性能不好，车出的螺旋形切屑就会缠绕在刀头、工件或刀架上，既可能损坏车刀（特别是刀尖），还可能割伤已加工的表面，甚至会伤人和设备事故。因此，在数控车削加工所用的硬质合金刀片上，常常采用三维断屑槽，以增大切屑范围，改善切屑性能。另外，车刀的排屑性能不好，会使切削在前刀面或断屑槽内堆积，加大切削刃（刀尖）与零件间的摩擦，加快其磨损，降低零件的表面质量，还可能产生刀瘤，影响车刀的切削性能。故应常对车刀采取减小前刀面（断屑槽）的摩擦系数等处理措施（如特殊涂层处理及改善刃磨效果等）。对于内孔车刀，需要时还可以考虑从刀体或刀杆的里面引入冷却液，并能从刀头附近喷出的冲排结构。（2）刀具材料方面这里所讲的刀具材料，主要是指刀具切削部分的材料，较多的指刀片材料。刀具材料必须具备的主要性能：1) 较高的硬度和耐磨性;2) 较高的耐热性;3) 足够的强度和韧性;4) 较好的导热性;5) 良好的工艺性;6) 较好的经济性。2. 刀具的类型为适应机械加工技术，特别是数控机床加工技术的高速发展，刀具材料的大力发展之中，除了量大，面广的高速钢及硬制合金材料外，新型刀具材料正不断涌现。（1）机夹刀具 安装调整方便，减少换刀时间和对刀方便，可以充分选择优质刀具材料，便于实现刀具标准化（如图1-10）。图1-10 机夹可转位车刀 （2）涂层刀具 涂层硬质合金刀片的耐用度至少可提高12倍，而涂层高速钢刀具的耐用度则可提高210倍。 （3）非金属材料刀具 用作刀具的非金属材料主要有陶瓷、金刚石及立方氮化硼等。 (五) 工件的装夹1基准与定位数控车床车削加工零件时，零件必须通过相应的夹具进行装夹和定位，其装夹与定位工作又与基准及其选择有着十分密切的关系。（1） 基准及其分类 基准分为设计基准和工艺基准两大类。其中，工艺基准又分为定位基准、测量基准和装配基准等。（2）定位基准 在加工中用作定位的基准，称为定位基准。例如，在车床上用三爪自定心卡盘装夹工件时，被装夹的圆柱表面就是其定位基准;又如用两顶尖装夹长