数控毕业论文 数控机床的应用

题目 数控机床的应用 引言引言 现代数控技术集机械制造技术 计算机技术 成组技术与现代控制技术 传 感检测技术 信息处理技术 网络通讯技术 液压气动技术 光机电技术于一 体 是现代制造技术的基础 它的发展和应用 开创了制造业的新时代 使世 界制造业的格局发生了巨大的变化 数控技术是提高产品质量 提高劳动生产 率必不可少的物质手段 它的广泛使用给机械制造业生产方式 产业结构 管 理方式带来深刻的变化 它的关联效益和辐射能力更是难以估计 数控技术是 制造业实现自动化 柔性化 集成化生产的基础 现代的 CAD CAM FMS CIMS 等 都是建立在数控技术之上 数控技术是国际商业 贸易的重要构成 发达国家把数控机床视为具有高技术附加值 高利润的重要 出口产品 世界贸易额逐年增加 大力发展以数控技术为核心的先进制造技术 已成为世界各发达国家加速经济发展 提高综合国力和国家地位的重要途径 因此数控技术是衡量一个国家制造业现代化程度的核心标志 实现加工机床 及生产过程数控化是当今制造业的发展方向 机械制造的竞争其实质是数控的 竞争 摘摘 要要 世界制造业转移 中国正在逐步成为世界加工厂 美国 德国 韩国等国 家已经进入工业化发展的高技术密集时代与微电子时代 钢铁 机械 化工等 重工业正逐渐向发展中国家转移 我国目前经济发展已经过了发展初期 正处 于重化工业发展中期 未来 10 年将是中国机械行业发展最佳时期 美国 德国的重化工业发展期 延续了 18 年以上 美国 德国 韩国四国重化工业发展期平均延续了 12 年 我们估计中国的重化工业发展期将至少延续 10 年 直到 2015 年 因此 在未 来 10 年中 随着中国重化工业进程的推进 中国企业规模 产品技术 质量等 都将得到大幅提升 国产机械产品国际竞争力增强 逐步替代进口 并加速出 口 目前 机械行业中部分子行业如船舶 铁路 集装箱及集装箱起重机制造 等已经受益于国际间的产业转移 并将持续受益 电站设备 工程机械 床等 将受益于产业转移 加快出口进程 关键词关键词 历史历史 机床机床 刀具刀具 发展趋势发展趋势 数控的历史数控的历史 数控 英文名字 Numerical Control 简称 NC 技术是指用数字 文字和符号 组成的数字指令来实现一台或多台机械设备动作控制的技术 数控一般是采用 通用或专用计算机实现数字程序控制 因此数控也称为计算机数控 Computer Numerical Control 简称 CNC 国外一般都称为 CNC 很少再用 NC 这个概 念了 它所控制的通常是位置 角度 速度等机械量和与机械能量流向有关的开关量 数控的产生依赖于数据载体和二进制形式数据运算的出现 1908 年 穿孔 的金属薄片互换式数据载体问世 19 世纪末 以纸为数据载体并具有辅助功能 的控制系统被发明 1938 年 美国麻省理工学院进行了数据快速运算和传输 奠定了现代计算机 包括计算机数字控制系统的基础 数控技术是与机床控制 密切结合发展起来的 1952 年 第一台数控机床问世 成为世界机械工业史上 一件划时代的事件 推动了自动化的发展 现在 数控技术也叫计算机数控技术 Computer Numerical Control 目 前它是采用计算机实现数字程序控制的技术 这种技术用计算机按事先存贮的 控制程序来执行对设备的控制功能 由于采用计算机替代原先用硬件逻辑电路 组成的数控装置 使输入数据的存贮 处理 运算 逻辑判断等各种控制机能 的实现 均可通过计算机软件来完成 车 铣 刨 磨 镗 钻 电火花 剪板 折弯 激光切割等等都是机械加工 方法 所谓机械加工 就是把金属毛坯零件加工成所需要的形状 包含尺寸精 度和几何精度两个方面 能完成以上功能的设备都称为机床 数控机床就是在 普通机床上发展过来的 数控的意思就是数字控制 给机床装上数控系统后 机床就成了数控机床 当然 普通机床发展到数控机床不只是加装系统这么简 单 例如 从铣床发展到加工中心 机床结构发生变化 最主要的是加了刀库 大幅度提高了精度 加工中心最主要的功能是铣 镗 钻的功能 我们一般所 说的数控设备 主要是指数控车床和加工中心 数控机床的分类数控机床的分类 按加工工艺方法分类按加工工艺方法分类 1 1 金属切削类数控机床 金属切削类数控机床 与传统的车 铣 钻 磨 齿轮加工相对应的数控机床有数控车床 数控 铣床 数控钻床 数控磨床 数控齿轮加工机床等 尽管这些数控机床在加工 工艺方法上存在很大差别 具体的控制方式也各不相同 但机床的动作和运动 都是数字化控制的 具有较高的生产率和自动化程度 在普通数控机床加装一个刀库和换刀装置就成为数控加工中心机床 加工 中心机床进一步提高了普通数控机床的自动化程度和生产效率 例如铣 镗 钻加工中心 它是在数控铣床基础上增加了一个容量较大的刀库和自动换刀装 置形成的 工件一次装夹后 可以对箱体零件的四面甚至五面大部分加工工序 进行铣 镗 钻 扩 铰以及攻螺纹等多工序加工 特别适合箱体类零件的加 工 加工中心机床可以有效地避免由于工件多次安装造成的定位误差 减少了 机床的台数和占地面积 缩短了辅助时间 大大提高了生产效率和加工质量 2 2 特种加工类数控机床 特种加工类数控机床 除了切削加工数控机床以外 数控技术也大量用于数控电火花线切割机床 数 控电火花成型机床 数控等离子弧切割机床 数控火焰切割机床以及数控激光 加工机床等 3 3 板材加工类数控机床 板材加工类数控机床 常见的应用于金属板材加工的数控机床有数控压力机 数控剪板机和数控折弯 机等 近年来 其它机械设备中也大量采用了数控技术 如数控多坐标测量机 自动 绘图机及工业机器人等 按控制运动轨迹分类按控制运动轨迹分类 1 点位控制数控机床 点位控制数控机床 位置的精确定位 在移动和定位过程中不进行任何加工 机床数控系统只控制 行程终点的坐标值 不控制点与点之间的运动轨迹 因此几个坐标轴之间的运 动无任何联系 可以几个坐标同时向目标点运动 也可以各个坐标单独依次运 动 这类数控机床主要有数控坐标镗床 数控钻床 数控冲床 数控点焊机等 点 位控制数控机床的数控装置称为点位数控装置 2 2 直线控制数控机床 直线控制数控机床 直线控制数控机床可控制刀具或工作台以适当的进给速度 沿着平行于坐标轴 的方向进行直线移动和切削加工 进给速度根据切削条件可在一定范围内变化 直线控制的简易数控车床 只有两个坐标轴 可加工阶梯轴 直线控制的数控 铣床 有三个坐标轴 可用于平面的铣削加工 现代组合机床采用数控进给伺 服系统 驱动动力头带有多轴箱的轴向进给进行钻镗加工 它也可算是一种直 线控制数控机床 数控镗铣床 加工中心等机床 它的各个坐标方向的进给运动的速度能在一定 范围内进行调整 兼有点位和直线控制加工的功能 这类机床应该称为点位 直 线控制的数控机床 3 3 轮廓控制数控机床 轮廓控制数控机床 轮廓控制数控机床能够对两个或两个以上运动的位移及速度进行连续相关的控 制 使合成的平面或空间的运动轨迹能满足零件轮廓的要求 它不仅能控制机 床移动部件的起点与终点坐标 而且能控制整个加工轮廓每一点的速度和位移 将工件加工成要求的轮廓形状 常用的数控车床 数控铣床 数控磨床就是典型的轮廓控制数控机床 数控火 焰切割机 电火花加工机床以及数控绘图机等也采用了轮廓控制系统 轮廓控 制系统的结构要比点位 直线控系统更为复杂 在加工过程中需要不断进行插补 运算 然后进行相应的速度与位移控制 现在计算机数控装置的控制功能均由软件实现 增加轮廓控制功能不会带来成 本的增加 因此 除少数专用控制系统外 现代计算机数控装置都具有轮廓控 制功能 按驱动装置的特点分类按驱动装置的特点分类 1 1 开环控制数控机床 开环控制数控机床 这类控制的数控机床是其控制系统没有位置检测元件 伺服驱动部件通常 为反应式步进电动机或混合式伺服步进电动机 数控系统每发出一个进给指令 经驱动电路功率放大后 驱动步进电机旋转一个角度 再经过齿轮减速装置带 动丝杠旋转 通过丝杠螺母机构转换为移动部件的直线位移 移动部件的移动 速度与位移量是由输入脉冲的频率与脉冲数所决定的 此类数控机床的信息流 是单向的 即进给脉冲发出去后 实际移动值不再反馈回来 所以称为开环控 制数控机床 开环控制系统的数控机床结构简单 成本较低 但是 系统对移动部件的 实际位移量不进行监测 也不能进行误差校正 因此 步进电动机的失步 步 距角误差 齿轮与丝杠等传动误差都将影响被加工零件的精度 开环控制系统 仅适用于加工精度要求不很高的中小型数控机床 特别是简易经济型数控机床 2 2 闭环控制数控机床 闭环控制数控机床 接对工作台的实际位移进行检测 将测量的实际位移值反馈到数控装置中 与 输入的指令位移值进行比较 用差值对机床进行控制 使移动部件按照实际需 要的位移量运动 最终实现移动部件的精确运动和定位 从理论上讲 闭环系 统的运动精度主要取决于检测装置的检测精度 也与传动链的误差无关 因此 其控制精度高 图 1 3 所示的为闭环控制数控机床的系统框图 图中 A 为速度 传感器 C 为直线位移传感器 当位移指令值发送到位置比较电路时 若工作 台没有移动 则没有反馈量 指令值使得伺服电动机转动 通过 A 将速度反馈 信号送到速度控制电路 通过 C 将工作台实际位移量反馈回去 在位置比较电 路中与位移指令值相比较 用比较后得到的差值进行位置控制 直至差值为零 时为止 这类控制的数控机床 因把机床工作台纳入了控制环节 故称为闭环 控制数控机床 闭环控制数控机床的定位精度高 但调试和维修都较困难 系统复杂 成本高 3 3 半闭环控制数控机床 半闭环控制数控机床 半闭环控制数控机床是在伺服电动机的轴或数控机床的传动丝杠上装有角位移 电流检测装置 如光电编码器等 通过检测丝杠的转角间接地检测移动部件的 实际位移 然后反馈到数控装置中去 并对误差进行修正 通过测速元件 A 和 光电编码盘 B 可间接检测出伺服电动机的转速 从而推算出工作台的实际位移 量 将此值与指令值进行比较 用差值来实现控制 由于工作台没有包括在控 制回路中 因而称为半闭环控制数控机床 半闭环控制数控系统的调试比较方便 并且具有很好的稳定性 目前大多将角 度检测装置和伺服电动机设计成一体 这样 使结构更加紧凑 4 4 混合控制数控机床 混合控制数控机床 将以上三类数控机床的特点结合起来 就形成了混合控制数控机床 混合控制 数控机床特别适用于大型或重型数控机床 因为大型或重型数控机床需要较高 的进给速度与相当高的精度 其传动链惯量与力矩大 如果只采用全闭环控制 机床传动链和工作台全部置于控制闭环中 闭环调试比较复杂 混合控制系统 又分为两种形式 1 开环补偿型 它的基本控制选用步进电动机的开环伺服机构 另外附加一 个校正电路 用装在工作台的直线位移测量元件的反馈信号校正机械系统的误 差 2 半闭环补偿型 它是用半闭环控制方式取得高精度控制 再用装在工作台 上的直线位移测量元件实现全闭环修正 以获得高速度与高精度的统一 其中 A 是速度测量元件 如测速发电机 B 是角度测量元件 C 是直线位移测量元 件 数控机床运动坐标的电气控制数控机床运动坐标的电气控制 数控机床一个运动坐标的电气控制由电流 转矩 控制环 速度控制环和位 置控制环串联组成 1 电流环是为伺服电机提供转矩的电路 一般情况下它与电动机的匹配调 节已由制造者作好了或者指定了相应的匹配参数 其反馈信号也在伺服系统内 联接完成 因此不需接线与调整 2 速度环是控制电动机转速亦即坐标轴运行速度的电路 速度调节器是比 例积分 PI 调节器 其 P I 调整值完全取决于所驱动坐标轴的负载大小和机械 传动系统 导轨 传动机构 的传动刚度与传动间隙等机械特性 一旦这些特性 发生明显变化时 首先需要对机械传动系统进行修复工作 然后重新调整速度 环 PI 调节器 速度环的最佳调节是在位置环开环的条件下才能完成的 这对于水平运动 的坐标轴和转动坐标轴较容易进行 而对于垂向运动坐标轴则位置开环时会自 动下落而发生危险 可以采取先摘下电动机空载调整 然后再装好电动机与位 置环一起调整或者直接带位置环一起调整 这时需要有一定的经验和细心 速度环的反馈环节见前面 速度测量 一节 3 位置环是控制各坐标轴按指令位置精确定位的控制环节 位置环将最终 影响坐标轴的位置精度及工作精度 这其中有两方面的工作 一是位置测量元件的精度与 CNC 系统脉冲当量的匹配问题 测量元件单位 移动距离发出的脉 冲数目经过外部倍频电路和 或 CNC 内部倍频系数的倍频后要与数控系统规定的 分辨率相符 例如位置测量元件 10 脉冲 mm 数控系统分辨率即脉冲当量为 0 001mm 则测量元件送出的脉冲必须经过 100 倍频方可匹配 二是位置环增益系数 Kv 值的正确设定与调节 通常 Kv 值是作为机床数据 设置的 数控系统中对各个坐标轴分别指定了 Kv 值的设置地址和数值单位 在 速度环最佳化调节后 Kv 值的设定则成为反映机床性能好坏 影响最终精度的重 要因素 Kv 值是机床运动坐标自身性能优劣的直接表现而并非可以任意放大 关于 Kv 值的设置要注意两个问题 首先要满足下列公式 Kv v 式中 v 坐标运行速度 m min 跟踪误差 mm 注意 不同的数控系统采用的单位可能不同 设置时要注意数控系统规定 的单位 例如 坐标运行速度的单位是 m min 则 Kv 值单位为 m mm min 若 v 的单位为 mm s 则 Kv 的单位应为 mm mm s 其次要满足各联动坐标轴的 Kv 值必须相同 以保证合成运动时的精度 通 常是以 Kv 值最低的坐标轴为准 位置反馈 参见上节 位置测量 有三种情况 一种是没有位置测量元件 为位置开环控制即无位置反馈 步进电机驱动一般即为开环 一种是半闭环控 制 即位置测量元件不在坐标轴最终运动部件上 也就是说还有部分传动环节 在位置闭环控制之外 这种情况要求环外传动部分应有相当的传动刚度和传动 精度 加入反向间隙补偿和螺距误差补偿之后 可以得到很高的位置控制精度 第三种是全闭环控制 即位置测量元件安装在坐标轴的最终运动部件上 理论 上这种控制的位置精度情况最好 但是它对整个机械传动系统的要求更高而不 是低 如若不然 则会严重影响两坐标的动态精度 而使得机床只能在降低速 度环和位置精度的情况下工作 影响全闭环控制精度的另一个重要问题是测量 元件的精确安装问题 千万不可轻视 4 前馈控制与反馈相反 它是将指令值取出部分预加到后面的调节电路 其主要作用是减小跟踪误差以提高动态响应特性从而提高位置控制精度 因为 多数机床没有设此功能 故本文不详述 只是要注意 前馈的加入必须是在上 述三个控制环均最佳调试完毕后方可进行 数控机床的伺服系统数控机床的伺服系统 数控机床一般由 NC 控制系统 伺服驱动系统和反馈检测系统 3 部分组成 数控机床对位置系统要求的伺服性能包括 定位速度和轮廓切削进给速度 定 位精度和轮廓切削精度 精加工的表面粗糙度 在外界干扰下的稳定性 这些要求主要取决于伺服系统的静态 动态特性 对闭环系统来说 总希 望系统有较高的动态精度 即当系统有一个较小的位置误差时 机床移动部件 会迅速反应 下面就位置控制系统影响数控机床加工要求的几个方面进行论述 1 加工精度 精度是机床必须保证的一项性能指标 位置伺服控制系统的位置精度在很 大程度上决定了数控机床的加工精度 因此位置精度是一个极为重要的指标 为了保证有足够的位置精度 一方面是正确选择系统中开环放大倍数的大小 另一方面是对位置检测元件提出精度的要求 因为在闭环控制系统中 对于检 测元件本身的误差和被检测量的偏差是很难区分出来的 反馈检测元件的精度 对系统的精度常常起着决定性的作用 可以说 数控机床的加工精度主要由检 测系统的精度决定 位移检测系统能够测量的最小位移量称做分辨率 分辨率 不仅取决于检测元件本身 也取决于测量线路 在设计数控机床 尤其是高精 度或大中型数控机床时 必须精心选用检测元件 所选择的测量系统的分辨率 或脉冲当量 一般要求比加工精度高一个数量级 总之 高精度的控制系统必 须有高精度的检测元件作为保证 例如 数控机床中常用的直线感应同步器的 精度已可达 0 0001mm 即 0 1 m 灵敏度为 0 05 m 重复精度 0 2 m 而圆 型感应同步器的精度可达 0 5N 灵敏度 0 05N 重复精度 0 1N 2 开环放大倍数 在典型的二阶系统中 阻尼系数 x 1 2 KT 1 2 速度稳态误差 e 1 K 其中 K 为开环放大倍数 工程上多称作开环增益 显然 系统的开环放 大倍数是影响伺服系统的静态 动态指标的重要参数之一 一般情况下 数控机床伺服机构的放大倍数取为 20 30 1 S 通常把 K20 的系统称为高放大倍数或硬伺服系统 应用于轮廓加工系统 假若为了不影响加工零件的表面粗糙度和精度 希望阶跃响应不产生振荡 即要求是取值大一些 开环放大倍数 K 就小一些 若从系统的快速性出发 希 望 x 选择小一些 即希望开环放大倍数 增加些 同时 K 值的增大对系统的稳 态精度也能有所提高 因此 对 K 值的选取是必需综合考虑的问题 换句话说 并非系统的放大倍数愈高愈好 当输入速度突变时 高放大倍数可能导致输出 剧烈的变动 机械装置要受到较大的冲击 有的还可能引起系统的稳定性问题 这是因为在高阶系统中系统稳定性对 K 值有取值范围的要求 低放大倍数系统 也有一定的优点 例如系统调整比较容易 结构简单 对扰动不敏感 加工的 表面粗糙度好 3 提高可靠性 数控机床是一种高精度 高效率的自动化设备 如果发生故障其损失就更大 所以提高数控机床的可靠性就显得尤为重要 可靠度是评价可靠性的主要定量 指标之一 其定义为 产品在规定条件下和规定时间内 完成规定功能的概率 对数控机床来说 它的规定条件是指其环境条件 工作条件及工作方式等 例 如温度 湿度 振动 电源 干扰强度和操作规程等 这里的功能主要指数控 机床的使用功能 例如数控机床的各种机能 伺服性能等 平均故障 失效 间 隔时间 MTBF 是指发生故障经修理或更换零件还能继续工作的可修复设备或系 统 从一次故障到下一次故障的平均时间 数控机床常用它作为可靠性的定量 指标 由于数控装置采用微机后 其可靠性大大提高 所以伺服系统的可靠性 就相对突出 它的故障主要来自伺服元件及机械传动部分 数控加工刀具的种类数控加工刀具的种类 数控加工刀具可分为常规刀具和模块化刀具两大类 模块化刀具是发展 方向 发展模块化刀具的主要优点 减少换刀停机时间 提高生产加工时间 加快换刀及安装时间 提高小批量生产的经济性 提高刀具的标准化和合理化 的程度 提高刀具的管理及柔性加工的水平 扩大刀具的利用率 充分发挥刀 具的性能 有效地消除刀具测量工作的中断现象 可采用线外预调 事实上 由于模块刀具的发展 数控刀具已形成了三大系统 即车削刀具系统 钻削刀 具系统和镗铣刀具系统 1 1 从结构上可分为 从结构上可分为 整体式 镶嵌式 可分为焊接式和机夹式 机夹式根据刀体结构不同 分为可转 位和不转位 减振式 当刀具的工作臂长与直径之比较大时 为了减少刀具的振动 提高加工精度 多采用此类刀具 内冷式 切削液通过刀体内部由喷孔喷射到刀具的切削刃部 特殊型式 如复合刀具 可逆攻螺纹刀具等 2 2 从制造所采用的材料上可分为 从制造所采用的材料上可分为 高速钢刀具 高速钢通常是型坯材料 韧性较硬质合金好 硬度 耐磨 性和红硬性较硬质合金差 不适于切削硬度较高的材料 也不适于进行高速切 削 高速钢刀具使用前需生产者自行刃磨 且刃磨方便 适于各种特殊需要的 非标准刀具 硬质合金刀具 硬质合金刀片切削性能优异 在数控车削中被广泛使用 硬质合金刀片有标准规格系列产品 具体技术参数和切削性能由刀具生产厂家 提供 硬质合金刀片按国际标准分为三大类 P 类 M 类 K 类 P 类 适于加工钢 长屑可锻铸铁 相当于我国的 YT 类 M 类 适于加工奥氏体不锈钢 铸铁 高锰钢 合金铸铁等 相当于 我国的 YW 类 M S 类 适于加工耐热合金和钛合金 K 类 适于加工铸铁 冷硬铸铁 短屑可锻铸铁 非钛合金 相当于 我国的 YG 类 K N 类 适于加工铝 非铁合金 K H 类 适于加工淬硬材料 陶瓷刀具 立方氮化硼刀具 金刚石 3 3 从切削工艺上可分为 从切削工艺上可分为 车削刀具 分外圆 内孔 外螺纹 内螺纹 切槽 切端面 切端面环 槽 切断等 数控车床一般使用标准的机夹可转位刀具 机夹可转位刀具的刀片和刀体 都有标准 刀片材料采用硬质合金 涂层硬质合金以及高速钢 数控车床机夹可转位刀具类型有外圆刀具 外螺纹刀具 内圆刀具 内螺 纹刀具 切断刀具 孔加工刀具 包括中心孔钻头 镗刀 丝锥等 机夹可转位刀具夹固不重磨刀片时通常采用螺钉 螺钉压板 杠销或楔块 等结构 常规车削刀具为长条形方刀体或圆柱刀杆 方形刀体一般用槽形刀架螺钉紧固方式固定 圆柱刀杆是用套筒螺钉紧固 方式固定 它 们与机床刀盘之间的联接是通过槽形刀架和套筒接杆来联接的 在模块化 车削工具系统中 刀盘的联接以齿条式柄体联接为多 而刀头与刀体的联接是 插入快换式系统 它既可以用于外圆车削又可用于内孔镗削 也适用于车削 中心的自动换刀系统 数控车床使用的刀具从切削方式上分为三类 圆表面切削刀具 端面切削 刀具和中心孔类刀具 钻削刀具 分小孔 短孔 深孔 攻螺纹 铰孔等 钻削刀具可用于数控车床 车削中心 又可用于数控镗铣床和加工中心 因此它的结构和联接形式有多种 有直柄 直柄螺钉紧定 锥柄 螺纹联接 模块式联接 圆锥或圆柱联接 等多种 镗削刀具 分粗镗 精镗等刀具 镗刀从结构上可分为整体式镗刀柄 模块式镗刀柄和镗头类 从加工工艺 要求上可分为粗镗刀和精镗刀 铣削刀具 分面铣 立铣 三面刃铣等刀具 面铣刀 也叫端铣刀 面铣刀的圆周表面和端面上都有切削刃 端部 切削刃为副切削刃 面铣刀多制成套式镶齿结构和刀片机夹可转位结构 刀齿 材料为高速钢或硬质合金 刀体为 40Cr 立铣刀 立铣刀是数控机床上用得最多的一种铣刀 立铣刀的圆柱表面和 端面上都有切削刃 它们可同时进行切削 也可单独进行切削 结构有整体式 和机夹式等 高速钢和硬质合金是铣刀工作部分的常用材料 模具铣刀 模具铣刀由立铣刀发展而成 可分为圆锥形立铣刀 圆柱形球 头立铣刀和 圆锥形球头立铣刀三种 其柄部有直柄 削平型直柄和莫氏锥柄 它的结 构特点是球头或端面上布满切削刃 圆周刃与球头刃圆弧连接 可以作径向和 轴向进给 铣刀工作部分用高速钢或硬质合金制造 键槽铣刀 鼓形铣刀 成形铣刀 4 4 特殊型刀具 特殊型刀具 特殊型刀具有带柄自紧夹头 强力弹簧夹头刀柄 可逆式 自动反向 攻 螺纹夹头刀柄 增速夹头刀柄 复合刀具和接杆类等 一一 刀具的选用与其使用刀具的选用与其使用 刀具的选用与其使用条件 式件材料和尺寸 断屑及刀具和刀片的生 产供应等许多因素有关 如选用适当不但能使机床发挥出应有的效率 同时能 提高加工质量 降低生产成本 而且 刀具的结构形式有时对工艺方案的拟定 也起着决定性影响 因此必须慎重对待 综合考虑 一般选择原则如下 为了提高刀具的耐用度和可靠性 应尽量选用各种高性能 高效率 长寿命的刀具材料制成的刀具 如使用各种超硬材料人造聚晶金刚石 金刚石 压层刀片 立方氮化硼 cNB cNB 硬质合金复合片等 高性能复合陶瓷 涂层刀 具 硬质合金层压刀片是一种耐磨性 强度及冲击韧性等综合性能较好的硬质 合金刀片 它是在韧性较好的 YG8 合金基础上 再压一层厚度为 0 2 0 5mm 含 Tic 和 Tac 等稀有金属碳化物的刀片和各种超硬高速钢等 必须指出 基于 目前我国现实防情况 有些新型刀片还处于过渡试制阶段 性能不够稳定 所 以通用型高速钢 w18Cr4V 和 W6M05Cr4V2 与硬质合金仍是我国制造数控刀具与自 动线刀具的主要材料 但应尽量选用涂层牌号 而且使用之前刀片须经过严格 检验 以避免一把刀具损坏而造成停机 甚至使整条自动线不能工作 应选用机夹可转位刀具的结构 现行的可转位车刀国家标准 GB5343 85 中的规定的刀具品种 因其刀尖位置精度要求较低刀尖到侧基面允 差和刀尖高度允差为一 O 33 0 39mm 刀尖到后基面允差为一 2 5 2 9mm 因此 只适用于普通车床及带有快换刀夹的数控车床 这是因为刀具上刀尖位置过大 的制造误差 可通过快换刀夹和刀具一起在机外预调时得到补偿 如要求刀具 不经过预调使用如使用圆盘形或圆锥形刀架 则应选用精密级可转位车刀的刀 尖位置精度可达 0 08mmX 方向和 Y 方向 换刀后经过试切补偿修正 可满足 一般车削加下精度的要求 由于带沉孔和后角刀片的刀具结构简单 通常只需 用一个沉头螺钉就可直接将刀片 3 压紧在车刀刀杆上 它具有夹紧元件少 制 造方便断屑可靠 刀头部分尺寸小 刀头上无凸出部分 切屑流出不受阻碍等 优点 因此应优先采用 这可广泛用于制造各种小尺寸的外圆车刀和端面车刀 内孔镗刀和镗刀头 可转位钻头 叫转位铣刀和三面铣刀等刀具上 为了集中工序 提高生产率及保证加工精度 应尽可能采用复合刀 具 其中以孔加工复合刀具的使用最为普遍 精加工孔时可采用镗孔或铰孔工艺 由于镗刀结构简单 刃磨和调 整方便 因此只要在镗杆刚性足够的条件下 应尽量采用镗刀 尤其是孔径在 大于 80cm 的孔 过小的孔不宜用镗刀加工 不然由于镗杆过细 会引起振动而 影响加工精度和表面粗糙度 应尽量采用各种高效刀具 如高刚性麻花钻 钻扩四刃钻 硬质合金 单刃铰刀 精密微调镗刀 波形刃立铣刀和热管式刀具等 3 几种高效率数控 自动线刀具 在数控机床和自动线上 为提高钻头耐用度和生产率 国外大量使用 高刚性麻花钻 这种钻头在如下特点 螺旋角大 可增大到 35 一 45 以降低切削力 钻芯厚度厚 可将钻芯厚度由标准钻的 0 125 0 15D 提高到 0 3D D 为钻头直径 以提高钻头的强度与刚性 采用新的容屑槽形状 钻头的刚性与容屑是两个相互矛盾的问题 如 用增加钻芯厚度的方法来提高刚性 容屑的断面就要减小 这样会使排屑困难 所以必须采用新的容屑槽形状 由于铰孔比镗钻孔更能保证孔的位置和形状精度 所以数控机床和自动线 上广泛使用尺寸可微调和镶装刃头的各种镗刀杆 二 刀具安全使用 二 刀具安全使用 1 请不要在不合适的切削条件下使用 请将产品目录中所记载的切削条件表内的参数作为新的加工工作开始时的 大致标准 因为切削而出现异常的震动或响声时 请调整切削条件 2 请不要使用磨损严重 有缺口的刀具 连续地使用磨损严重 有缺口的刀具 会引起破损 在装上刀具之前请先 确认刀具的损伤情况 并在合适的时候更换刀具或重新研磨 3 请不要进行反向使用 刀具通常是在向右旋转的状态下使用 如为向左旋转 则会在包装上加以 提示 故请予确认 数控机床如何正确选用刀具及编程数控机床如何正确选用刀具及编程 数控刀具的选择和切削用量的确定是数控加工工艺中的重要内容 它不仅影响 数控机床的加工效率 而且直接影响加工质量 CAD CAM 技术的发展 使得 在数控加工中直接利用 CAD 的设计数据成为可能 特别是 DNC 系统微机与数 控机床的联接 使得设计 工艺规划及编程的整个过程全部在计算机上完成 一般不需要输出专门的工艺文件 目前 许多 CAD CAM 软件包都提供自动编程功能 这些软件一般是在编 程界面中提示工艺规划的有关问题 如 刀具选择 加工路径规划 切削用量 设定等 编程人员只要设置了有关的参数 就可以自动生成 NC 程序并传输至 数控机床完成加工 因此 数控加工中的刀具选择和切削用量确定是在人机交互状态下完成的 这与普通机床加工形成鲜明的对比 同时也要求编程人员必须掌握刀具选择和 切削用量确定的基本原则 在编程时充分考虑数控加工的特点 能够正确选择 刀刃具及切削用量 一 数控加工刀具的选择 刀具的选择是在数控编程的人机交互状态下进行的 应根据机床的加工能 力 工件材料的性能 加工工序 切削用量以及其它相关因素正确选用刀具及 刀柄 刀具选择总的原则是 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 选取刀具时 要使刀具的尺寸与被加工工件的表面尺寸相适应 生产中 平面 零件周边轮廓的加工 常采用立铣刀 铣削平面时 应选硬质合金刀片铣刀 加工凸台 凹槽时 选高速钢立铣刀 加工毛坯表面或粗加工孔时 可选取镶 硬质合金刀片的玉米铣刀 对一些立体型面和变斜角轮廓外形的加工 常采用 球头铣刀 环形铣刀 锥形铣刀和盘形铣刀 在进行自由曲面 模具 加工时 由于球头刀具的端部切削速度为零 因此 为 保证加工精度 切削行距一般采用顶端密距 故球头常用于曲面的精加工 而 平头刀具在表面加工质量和切削效率方面都优于球头刀 因此 只要在保证不 过切的前提下 无论是曲面的粗加工还是精加工 都应优先选择平头刀 另外 刀具的耐用度和精度与刀具价格关系极大 必须引起注意的是 在大多数情况 下 选择好的刀具虽然增加了刀具成本 但由此带来的加工质量和加工效率的 提高 则可以使整个加工成本大大降低 在加工中心上 各种刀具分别装在刀库上 按程序规定随时进行选刀和换 刀动作 因此必须采用标准刀柄 以便使钻 镗 扩 铣削等工序用的标准刀 具迅速 准确地装到机床主轴或刀库上去 编程人员应了解机床上所用刀柄的 结构尺寸 调整方法以及调整范围 以便在编程时确定刀具的径向和轴向尺寸 目前我国的加工中心采用 TSG 工具系统 其刀柄有直柄 3 种规格 和锥柄 4 种 规格 2 种 共包括 16 种不同用途的刀柄 在经济型数控机床的加工过程中 由于刀具的刃磨 测量和更换多为人工 手动进行 占用辅助时间较长 因此 必须合理安排刀具的排列顺序 一般应 遵循以下原则 尽量减少刀具数量 一把刀具装夹后 应完成其所能进行 的所有加工步骤 粗精加工的刀具应分开使用 即使是相同尺寸规格的刀具 先铣后钻 先进行曲面精加工 后进行二维轮廓精加工 在可能的情况 下 应尽可能利用数控机床的自动换刀功能 以提高生产效率等 二 数控刀具的特点 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 刚性好 尤其是粗加工刀具 精度高 抗振及热变形小 互换性好 便于快速换刀 寿命高 切削性能稳定 可靠 刀具的尺寸便于调整 以减少换刀调整时间 刀具应能可靠地断屑或卷屑 以利于切屑的排除 系列化 标准化 以利于编程和刀具管理 三 加工过程中切削用量的确定 合理选择切削用量的原则是 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 具体要考虑以下几个因素 切削深度 ap 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 切削宽度 L 一般 L 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 L 的取值范围为 L 0 6 0 9 d 切削速度 V 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 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 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 pnd 1000 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进行整倍数调整 进给速度 Vf VF 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 Vf 的增加也可以提高生产效率 加工表面粗糙度要求低时 Vf 可选择得大些 在加工过程中 Vf 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 量化生产线的形成 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 数控机床发展趋势数控机床发展趋势 1 高速 高精密化 20 世纪 90 年代以来 欧 美 日各国数控机床特别是高速加工中心的开 发应用新一代的高速数控机床 加快机床高速化的发展步伐 1 主轴转速 高速主轴单元 内装式主轴电机 主轴转速 15000 100000r min 2 高速且高加 减速度的进给运动部件快移速度 60 120m min 切削进 给速度高达 60m min 高性能数控和伺服系统以及数控工具系统都出现了新的 突破 达到了新的技术水平 3 运算速度 微处理器的迅速发展为数控系统向高速 高精度方向发展 提供了保障 开发出 CPU 已发展到 32 位以及 64 位的数控系统 频率提高到几 百兆赫 上千兆赫 由于运算速度的极大提高 使得当分辨率为 0 1 m 时 在 24m mi 以上 在分辨率为 1 m 时 在 100m min 有的到 200m min 以上 4 换刀速度 目前国外先进加工中心的刀具交换时间普遍已在 1s 左右 高的已达 0 5s 德国 Chiron 公司将刀库设计成篮子样式 以主轴为轴心 刀 具在圆周布置 其刀到刀的换刀时间仅 0 9s 5 采用网格解码器检查和提高加工中心的运动轨迹精度 并通过仿真预 测机床的加工精度 以保证机床的定位精度和重复定位精度 使其性能长期稳 定 能够在不同运行条件下完成多种加工任务 并保证零件的加工质量 小线 段插补进给速度达到 12m min 6 随着高新技术的发展和对机电产品性能与质量要求的提高 机床用户 对机床加工精度的要求也越来越高 为了满足用户的需要 近 10 多年来 普通 级数控机床的加工精度已由 10 m 提高到 5 m 精密级加工中心的加工精 度则从 3 5 m 提高到 1 1 5 m 2 数控机床设计 CAD 化 数控机床的设计时一项要求较高 综合性强 工作量打的工作 故应用 CAD 技术就更有必要 更迫切 1 结构设计模块化 任何一类机床都是若干基础件 标准件和功能部件组成的 尽管在同一类机 床中有规格大小和立 卧等形式之分 但大体上功能部件都是相似的 为便 于发展同系列和跨系列变形品种 满足用户的市场需要 现在许多机床生产 厂家都在发展自己产品的模块化结构设计 3 数控机床功能多样化 随着计算机技术的飞速发展 数控机床的功能越来越多 具体体现在 A 用户界面图形化 B 科学计算可视化 C 插补和补偿方式多样化 D 内装高性能数控系统 E 多媒体技术应用 4 智能化 网络化 柔性化 集成化 随着人工智能技术的发展 为了满足制造业生产柔性化 制造自动化的发展 需求 数控机床的智能化程度在不断提高 具体体现在以下几个方面 1 为追求加工效率和加工质量方面的智能化 如自适应控制 工艺参数 自动生成 2 高驱动性能及使用连接方便方面的智能化 如前馈控制 电动机参数 的自适应运算 自动识别负载自动选定模型 自整定等 3 故障自诊断与自修复技术 根据已有的故障信息 应用现代智能方法 实现故障的快速准确定位 4 简化编程 简化操作方面的智能化 如智能化的自动编程 智能化的 人机界面等 5 4M 数控系统 在制造过程中 加工 检测一体化是实现快速制造 快 速检测和快速响应的有效途径 将测量 Measurement 建模 Modelling 加工 Manufacturing 机器操作 Manipulator 四者 即 4M 融合在一个 系统中 实现信息共享 促进测量 建模 加工 装夹 操作的一体化 数控机床向柔性自动化系统发展的趋势是 从点 数控单机 加工中心和数 控复合加工机床 线 FMC FMS FTL FML 向面 工段车间独立制造岛 FA 体 CIMS 分布式网络集成制造系统 的方向发展 另一方面向注重应用 性和经济性方向发展 5 复合化 复合机床的含义是指在一台机床上实现或尽可能完成从毛坯至成品的多种 要素加工 根据其结构特点可分为工艺复合型和工序复合型两类 工艺复合型 机床如镗铣钻复合 加工中心 车铣复合 车削中心 铣镗钻车复合 复合加工中心等 工序复合型机床如多面多轴联动加工的复合机床和双主轴车 削中心等 采用复合机床进行加工 减少了工件装卸 更换和调整刀具的辅助 时间以及中间过程中产生的误差 提高了零件加工精度 缩短了产品制造周期 提高了生产效率和制造商的市场反应能力 相对于传统的工序分散的生产方法 具有明显的优势 加工过程的复合化也导致了机床向模块化 多轴化发展 德国 Index 公司最 新推出的车削加工中心是模块化结构 该加工中心能够完成车削 铣削 钻削 滚齿 磨削 激光热处理等多种工序 可完成复杂零件的全部加工 随着现代 机械加工要求的不断提高 大量的多轴联动数控机床越来越受到各大企业的欢 迎 在 2005 年中国国际机床展览会 CIMT2005 上 国内外制造商展出了形式 各异的多轴加工机床 包括双主轴 双刀架 9 轴控制等 以及可实现 4 5 轴 联动的五轴高速门式加工中心 五轴联动高速铣削中心等 6 驱动并联化 并联运动机床克服了传统机床串联机构移动部件质量大 系统刚度低 刀 具只能沿固定导轨进给 作业自由度偏低 设备加工灵活性和机动性不够等固 有缺陷 在机床主轴 一般为动平台 与机座 一般为静平台 之间采用多杆 并联联接机构驱动 通过控制杆系中杆的长度使杆系支撑的平台获得相应自由 度的运动 可实现多坐标联动数控加工 装配和测量多种功能 更能满足复杂 特种零件的加工 具有现代机器人的模块化程度高 重量轻和速度快等优点 并联机床作为一种新型的加工设备 已成为当前机床技术的一个重要研究方 向 受到了国际机床行业的高度重视 被认为是 自发明数控技术以来在机床 行业中最有意义的进步 和 21 世纪新一代数控加工设备 7 极端化 大型化和微型化 国防 航空 航天事业的发展和能源等基础产业装备的大型化需要大型且 性能良好的数控机床的支撑 而超精密加工技术和微纳米技术是 21 世纪的战略 技术 需发展能适应微小型尺寸和微纳米加工精度的新型制造工艺和装备 所 以微型机床包括微切削加工 车 铣 磨 机床 微电加工机床 微激光加工 机床和微型压力机等的需求量正在逐渐增大 8 数控标准的建立 国际上正在研究和制定一种新的 CNC 系统标准 ISO14649 STEP NC 以提供一种不依赖于具体系统的中性机制 能够描述产品 整个生命周期内的统一数据模型 从而实现整个制造过程乃至各个工业领域产 品信息的标准化 标准化的编程语言 既方便用户使用 又降低了和操作效率 直接有关的劳动消耗 9 信息交互网络化 对于面临激烈竞争的企业来说 使数控机床具有双向 高速的联网通讯功 能 以保证信息流在车间各个部门间畅通无阻是非常重要的 既可以实现网络 资源共享 又能实现数控机床的远程监视 控制 培训 教学 管理 还可实 现数控装备的数字化服务 数控机床故障的远程诊断 维护等 例如 日本 Mazak 公司推出新一代的加工中心配备了一个称为信息塔 e Tower 的外部设 备 包括计算机 手机 机外和机内摄像头等 能够实现语音 图形 视像和 文本的通信故障报警显示 在线帮助排除故障等功能 是独立的 自主管理的 制造单元 10 新型功能部件 为了提高数控机床各方面的性能 具有高精度和高可靠性的新型功能部件 的应用成为必然 具有代表性的新型功能部件包括 1 电主轴 高频电主轴是高频电动机与主轴部件的集成 具有体积小 转速高 可无级调速等一系列优点 在各种新型数控机床中已经获得广泛的应 用 2 电动机 近年来 直线电动机的应用日益广泛 虽然其价格高于传统 的伺服系统 但由于负载变化扰动 热变形补偿 隔磁和防护等关键技术的应 用 机械传动结构得到简化 机床的动态性能有了提高 如 西门子公司生产 的 1FN1 系列三相交流永磁式同步直线电动机已开始广泛应用于高速铣床 加工 中心 磨床 并联机床以及动态性能和运动精度要求高的机床等 德国 EX CELL O 公司的 XHC 卧式加工中心三向驱动均采用两个直线电动机 3 珠丝杆 电滚珠丝杆是伺服电动机与滚珠丝杆的集成 可以大大简化 数控机床的结构 具有传动环节少 结构紧凑等一系列优点 11 过程绿色化 随着日趋严格的环境与资源约束 制造加工的绿色化越来越重要 而中国 的资源 环境问题尤为突出 因此 近年来不用或少用冷却液 实现干切削 半干切削节能环保的机床不断出现 并在不