《综合数控加工及工艺应用》课件学习情境四

学习情境四车铣复合的综合数控加工单元一零件车铣加工信息采集与分析单元二车铣加工的工序分散与组合方案设计单元三数控车铣加工的夹具设计单元四车削中心的车铣加工程序编制单元五车削中心的操作使用

以小组为单位，接受产品零件加工任务，分析零件的结构特征，提取针对车铣特征的加工信息，填写工艺分析卡片；

分配车铣加工工艺设计任务，制定车铣工艺草案(车铣工序顺序、所需的装夹定位方案、车铣加工实现方式、中间工序草图等)，组内汇报，交流研讨确定综合加工工艺草案，填写工艺过程简卡；

熟悉车削中心的轴向和径向铣削、车削的复合加工实现方式，就上述工艺草案，交流探讨可能的车铣工序组合方案。针对单件及批量加工性质要求，制定相应的车铣工序分散及组合工艺策略；

讨论工序分散或组合方案中各工序所需的装夹定位方式，从经济性角度及实施的可行性考虑，根据装夹定位要求设计简易夹具，分析夹具的制作方法、制作工艺，自制简易夹具并完成夹具的装调；

了解车削中心的程序特点，学习车削中心的车铣复合加工程序编制方法，并就零件中车铣复合加工内容进行编程训练；

各组按工序顺序先后完成车、铣各工序的工装调整及加工任务；

掌握车削中心的基本操作方法，能够进行程序调试和优化，操控车削中心实施零件的车铣复合加工控制；

整理资料，完成单元工作学习小结，为组间交流汇报作准备；

小组间进行交流汇报，相互评价各组的工艺方案，提出建议、接受批评并修正。三、课业练习及工作小结要求

(1)寻求本情境各任务单元给定的引导性问题的答案，给出书面材料或接受答辩；

(2)完成各单元内给定的课业练习，并按要求整理相关材料备查；

(3)按教师给定的课业工作学习小结要求，独立或小组合作整理完成本情境的电子版工作学习小结。工作学习小结主要包括以下内容：

①从结构形状、尺寸精度和材料性能三方面进行零件加工工艺性分析。

②零件加工工艺设计。完善总体工艺方案(从备料到零件加工工艺过程总表)。参照护线盘零件的夹具结构图，绘制其中各部件的零件图；设计灯罩零件车铣加工的简易夹具，并对夹具的使用、装调要求进行必要的说明；绘制卡钳体零件指定工序专用夹具的装配图及零件图，并进行CAD建模。编制指定工序的工序卡片及检验卡片。③编制零件车削中心加工的车铣复合程序。

④车铣复合加工的仿真加工调试。

⑤学习感受及疑难问题。

(4)整理汇报展示的材料，制作PPT演示文件。单元一零件车铣加工信息采集与分析

一、单元学习任务

(1)识读零件图样，了解护线盘、灯罩及卡钳体零件结构及产品使用状况。

(2)了解生产车间现场的车削中心及其车铣复合加工的可能实现方式，抄录简单的车铣复合加工程序。

(3)了解生产现场所用的夹具信息，与设备配套的工装附件信息。

(4)进行零件车铣加工工艺性分析，填写工艺分析卡片。二、单元学习目标

(1)了解零件加工毛坯材料及其加工性能，初步了解零件的应用背景。

(2)了解护线盘、灯罩及卡钳体零件加工可能涉及的车铣加工设备、装夹方案及其对刀具的基本要求。

(3)了解护线盘、灯罩及卡钳体零件各结构特征的车铣加工方案。

(4)了解生产车间现有的数控设备及配套附件的功能，了解车削中心车铣复合加工的实现方式，并能结合零件加工进行组合考量。

(5)理解单件生产及批量生产加工工艺、装夹定位方式等的区别。

(6)会利用工艺分析卡片归纳零件车铣加工信息。三、着重关注的引导性问题

(1)生产加工现场中哪些加工设备可进行车铣复合加工?其车铣复合加工大致有哪些实现方式?

(2)生产现场哪些设备可进行立卧转换的铣削加工?载体零件中哪些特征需要用到立卧转换的加工?使用什么样的夹具附件可实现立卧转换的加工?

(3)哪些回转特征既可由车削加工实现又能由铣削加工实现?其车铣加工所用的刀具及夹具有何不同?不同加工方式下加工效率及经济性又如何?

(4)车铣加工回转特征分别能达到何种精度等级?外圆弧轮廓段用圆弧插补铣削加工和用摆转铣削加工的精度有何不同?如何实现圆弧轮廓段的普铣分度式摆转加工以提高其加工精度?

(5)基于上述信息，如何选择载体零件中回转特征及部分回转特征结构的车铣加工方法?

(6)卡钳体零件缸孔加工中哪些特征结构可利用组合刀具组合加工?既然使用专用成型刀具，为什么有些特征结构反而需要分解加工?

(7)就护线盘、灯罩、卡钳体零件加工而言，单件小批生产和大批量生产时，其加工工艺设计分别应进行哪些考虑?四、单元学习知识基础

本单元之前已进行了数控车、铣学习领域课程的学习，并已具有一定的CAM刀路设计及工装设计经验，具有扎实的数控车/铣加工知识和技能基础。经过基础课程多个情境单元的学习，应具有较强的自主学习能力。

(一)车削中心的车铣复合加工及其实现方式图4.1.1车削中心刀具的安装

车削中心是一种以车削加工模式为主，添加铣削动力刀头后又可进行铣削加工模式的车铣复合切削加工的机床类型。在回转刀盘上安装铣削动力头，当其转至工作刀位时，即可接受动力电机传递过来的回转运动。此时，可切换至铣削控制模式，将装夹工件的回转主轴转换为回转进给的C轴，便可对回转零件的圆周表面及端面等进行铣削类加工。当车削刀具转至工作位，切换至车削控制模式时，主轴可高速回转，实施车削加工。尽管常规车削中心只具有三轴，但在一定程度上它也能完成附加四轴所能够加工的零件类型。图4.1.1所示是车削中心上各类刀具在刀盘上安装的情形。图4.1.1车削中心刀具的安装如图4.1.2所示，在车削中心上可有径向铣削和轴向铣削两种实现方式。轴向铣削时动力传递不需要变向即可驱动铣刀作旋转运动，径向铣削时可由铣削动力头内的锥齿轮传动，实现90°换向的旋转运动。图4.1.2车削中心的径向和轴向铣削实现方式(a)两种铣削实现方式(b)径向铣削图例(c)轴向铣削图例

(二)综合加工零件的结构及其车铣特征分析

1．护线盘零件车铣结构特征分析

表4.1.1中图示为一电子秤用护线盘零件，是绕放电磁线圈用的骨架护盘。该零件主体呈回转结构，形状虽不复杂，但尺寸精度要求较高，其盘腔内壁与磁芯有间隙配合要求，线圈绕放槽部位为薄壁，壁厚约0.85 mm。除回转主体结构外，底盘盘面上还有两种尺寸规格的孔共9个，线圈槽至底盘间还开有一宽为2 mm的引线槽。从结构形状来看，该零件回转主体部分为车削特征，且需要划分粗精车工序，其薄壁结构还要进行防变形的工艺设计；底盘上的孔则需要铣削(钻)加工；为防尖角割伤漆包线而引发短路，引线槽口采用了R0.5圆弧过渡的设计，这就需要定向的铣削加工。由此可知，该零件是典型的车铣综合加工的应用案例。表4.1.1是护线盘零件车铣加工工艺分析卡片。

2．灯罩零件的车铣结构特征分析

表4.1.2中图示为灯罩零件，是某专业仪器中信号灯的护罩。该零件内腔为回转孔，可车削加工得到；两端外部均为带凸耳分隔的圆柱面，因凸耳不大，也可通过计算包容直径后先粗车为大柱面，然后再铣削加工得到轮廓；中部台阶槽均为回转结构，可车削加工切出；凸耳上的螺孔、定位孔及腔内沉孔则需要钻铣加工，可在铣两端轮廓的两次装夹下分别加工出来；右侧圆周方向的3处矩形圆周槽则需要采用四轴方式铣削加工得到。由此可知，该零件也是车铣综合加工的应用案例。灯罩零件车铣加工工艺分析卡片见表4.1.2。

3．卡钳体零件的车铣结构特征分析

表4.1.3中图示为卡钳体零件，是某汽车ABS(防抱死)系统中的一个制动缸体。该零件采用铸造毛坯，其主体结构虽为异形非回转体，但高精度的缸孔部分需要车削加工或精密镗削保证。缸体外侧还有呈一定角度布置的进油孔和排气孔，两侧有支耳销孔，这些孔都需要进行钻、铣、铰削加工。加工这些孔之前还应先铣削加工铸造毛坯面。由于零件呈异形结构，孔位布置在不同角度方位，因此需使用定制夹具进行装夹定位，且缸孔成型槽孔、非标尺寸精密销孔等需要采用定制刀具加工。

卡钳体零件也是车铣综合加工的典型应用案例。其车铣加工工艺分析卡片见表4.1.3。单元二车铣加工的工序分散与组合方案设计

一、单元学习任务

(1)以零件加工工艺分析卡片为基础，针对护线盘、灯罩、卡钳体零件加工内容进行基本加工工序的规划设计。

(2)了解工序分散与集中的优缺点及对批零生产的适应性，分析载体零件基本工序相对集中的可能性。

(3)对护线盘、灯罩、卡钳体零件进行总体工艺草案设计，绘制工序草图，填写工艺过程卡片。

(4)讨论交流零件可能的工序组合方案，特别是车铣复合加工的可能性，明确实现组合加工对工艺的特殊要求。

(5)调整载体零件加工总体工艺方案，每个零件选择填写2～3个工序的工序卡片。二、单元学习目标

(1)能针对零件车铣结构特征进行具体的车铣加工总体工艺规划和工序设计。

(2)会使用机加工工艺手册，针对加工类别、零件的尺寸结构和现有的设备能力等选用车铣加工刀具、设备和合理的加工工艺。

(3)能合理安排车铣加工顺序，绘制工序草图，能根据车铣复合加工设备的能力对零件车铣工序进行组合设计。

(4)能针对前后工序顺序，充分考虑结构特点和定位基准的要求，对工序的装夹定位提出合理要求。

(5)能较好地利用图文表达工艺思路，有效进行小组团队的合作交流，并积极研讨工艺问题。

(6)会正确编制工艺规程文件(工艺总表、工序卡片、刀具卡片等课业)。三、着重关注的引导性问题

(1)护线盘零件先车后铣的工序顺序主要是基于哪些理由?其内孔和外圆能在一次装夹下实现粗精车加工吗?

(2)在立铣类数控机床的一次装夹下，为什么引线槽不可以和盘面孔系一起加工出来?需要采用何种装夹附件或设备才可以一次装夹完成引线槽和盘面孔系的加工?

(3)灯罩零件车铣工序顺序如何安排?周侧矩形槽应如何加工?若使用车削中心，可实现哪些工序的组合?

(4)灯罩零件外轮廓上的圆弧段需铣削加工得到，用数控铣作圆弧插补和用车削中心作分度摆转加工相比，哪种方法更能保证其尺寸精度?

(5)凸耳正面2-的孔及其背面孔形特征加工应如何进行工序及工步顺序的安排?能一次装夹下加工完成吗?

(6)卡钳体零件的总体工序顺序应如何安排?为什么需要先进行大圆弧面的铣削?可以使用什么设备实现大圆弧面的铣削?该基准圆弧面铣削质量不良对后续工序可能会产生哪些影响?

(7)缸孔加工有哪些加工内容?其对加工设备及刀具都有什么特殊要求?孔内防尘槽、油封槽的加工对刀具有什么要求?如何实现这些成型槽的高效加工?

(8)缸孔的粗精加工与沟槽加工在工步顺序安排上有什么要求?缸孔加工除车削方式外，还可采用什么方式实现?相比之下哪种方式更有优势?

(9)支耳销孔加工需要哪些专用刀具?该如何安排其工步顺序?如果支耳孔上下端面中有一个端面没切削到，可能是什么原因?哪道工序加工不到位可能会影响到支耳加工精度?

(10)进油孔和排气孔加工的工步顺序如何?其检验工艺如何设计?四、单元学习知识基础

本单元要求学习者清楚工序、工步等概念，对前一单元几个零件的车铣结构特征及加工工艺建议有一定的理解，能理清总体加工工艺及工序顺序、绘制中间工序草图，了解车削中心的切削控制方式，对工序组合的可能性有一定的认知。

(一)工序的集中与分散

安排零件的工艺过程时，还要解决工序的集中与分散问题。所谓工序集中，就是在一个工序中包含尽可能多的工步内容。在批量较大时，常采用多轴、多工位、多刀架机床、复合刀具及可调夹具等来实现工序集中，从而有效地提高生产率；工序分散与上述情况相反，整个工艺过程的工序数目较多，工艺路线长，而每道工序所完成的工步内容较少，最少时一个工序仅一个工步。工序集中的优点如下：

(1)减少了工件的装夹次数。当工件各加工表面位置精度较高时，在一次装夹下把各个表面加工出来，既有利于保证各表面之间的位置精度，又可以减少装卸工件的辅助时间。

(2)减少了机床数量和机床占地面积，同时便于采用高生产率的机床加工，大大提高了生产率。

(3)简化了生产组织和计划调度工作。因为工序集中后工序数目少、设备数量少、操作工人少，生产组织和计划调度工作比较容易。工序集中程度过高对机床、工艺装备及操作工的要求也高，机床的调整和使用费时费事，而且不利于划分加工阶段。工序分散的特点正好相反，由于工序内容简单，所用的机床设备和工艺装备也简单，调整方便，对操作工人的技术水平要求较低。

工序集中与分散必须根据生产类型、工件的加工要求、设备条件等具体情况来进行分析而确定最佳方案。当前机械加工的发展方向趋向于工序集中，在单件小批生产中，常常将同工种的加工集中在一台机床上按工序先后顺序进行，或在台面尺寸允许的情形下分工位进行，以避免搬移、减少占机台数，这也可一定程度上达到工序集中的目的。工序集中的优势更多的是在大批量生产中能得到显著的体现，采用各种高生产率设备特别是数控机床容易实现工序的高度集中。但对于某些大量生产的零件，如活塞、轴承等，采用工序分散仍然可以体现较大的优越性。其分散加工的各个工序可以采用效率高而结构简单的专用机床和专用夹具，投资少又易于保证加工质量，同时也方便按节拍组织流水生产，故常常采用工序分散的原则制订工艺规程。

车铣综合加工的零件，因其工艺性质的差别，原则上按车、铣分别进行工序的集中组合，随着具有车铣复合加工能力的车削中心的出现，车铣加工可在一次装夹下实现工序的集中组合，同时也更容易保证相对位置精度的要求，有效地减少夹具数量，降低生产成本。对于大批量多工序加工的零件，通常需要组织流水线生产，此时工序的集中组合还需要考虑生产节拍问题。应计算出各工序甚至工步的加工工时，以每工序工时数相当为依据，合理地进行工序间工步的调整和集中重组，为避免因某工序工时过长而出现瓶颈，有必要进行工序分散的设计安排。

(二)零件的车铣加工工艺方案设计

1．护线盘零件的车铣加工工艺方案

根据前一单元对护线盘零件车铣加工特征结构的分析，除盘面孔系及引线槽需用铣削加工外，其余均可用车削加工完成。批量生产时，第一道工序可先用f45的长棒料粗车内外轮廓后精车内腔至尺寸，最后以车槽方式粗车左侧小柱台并切断分离；绕线槽部分可根据所选用的车刀副偏角大小自然形成锥度角过渡，各处留足精车余量。后续几道工序均可用已精车出的f37.75的内腔作定位基准，以弹性内胀式夹具装夹，避免薄壁变形的产生。底盘盘面孔系和周侧引线槽因加工方位呈正交状态，需要作两次装夹的分散工序进行。护线盘零件总体工艺安排见表4.2.1。在工序组合方面，外轮廓粗车、内腔粗精车、切断分离组合为一个工序，若使用车削中心，则后续外轮廓精车及轴向孔系加工、径向引线槽的铣削加工可组合在一次装夹中实现。这样还可节省夹具的数量、简化夹具结构，避免工序分散时，对铣引线槽的工序需添加定位元件单独制作夹具的麻烦。

2．灯罩零件车铣综合加工工艺方案设计

由前一单元对灯罩零件的工艺分析可知，虽然该零件两端外轮廓柱面均非完整的回转结构，但仍可按包容尺寸计算，先做车削预切加工，即与内孔、中段台阶槽一起由车削加工完成。该零件基本加工内容包括车小端外圆、切台阶槽、车小端内孔、车大端外圆、车大端内腔、钻铣大端腔内孔系、钻铣大端凸耳及其孔系、钻铣小端凸耳及其孔系、分度铣削小端3个周向矩形槽等，这些加工内容可有选择地进行组合。大致可有以下几种工步组合及工序顺序安排的工艺方案：

(1)车小端外圆及内孔，切台阶槽(车床)→调头车大端外圆及内腔(车床)→铣3处周槽(四轴立加)→铣大端凸耳及其钻铰孔，钻铣腔内孔系(数控铣)→铣小端凸耳及钻孔、攻丝(数控铣)。

(2)车大小端外圆，切台阶槽，车内孔，切断(数控车床)→铣3处周槽(四轴立加)→铣大端凸耳及其钻铰孔，钻铣腔内孔系(数控铣)→铣小端凸耳及钻孔、攻丝(数控铣)。

(3)车小端外圆及内孔，切台阶槽(车床)→调头，C轴铣大端凸耳及钻铰孔、车大端内外表面，C轴钻铣腔内孔系(车削中心)→铣3处周槽(四轴立加)→铣小端凸耳及钻孔、攻丝(数控铣)。

(4)车小端外圆及内孔，切台阶槽(车床)→调头车大端内外表面，C轴钻铣腔内孔系(车削中心)→调头，C轴铣3处周槽、大小端凸耳及钻铰孔、攻丝(车削中心)。

(5)车大端内外表面，C轴钻铣腔内孔系(车削中心)→调头，车小端内外表面，切台阶槽，C轴铣3处周槽、大小端凸耳及钻铰孔、攻丝(车削中心)。

以上方案(2)与方案(1)相比，就是将2次装夹分别车大小端的工序集中在一次装夹下完成，最后通过切断与长棒料分离，这两个方案仅需1台带附加A轴的立加完成3处周槽的铣削，其余采用数控铣、数控车或普车加工即可，适合没有车削中心的场合。批量生产时，应根据各工序所需工时数考虑工作节拍来取舍以及对个别工步的顺序做调整，相对而言，方案(1)适合在生产线中使用普车，而方案(2)需要采用多刀盘的数控车才能适应工作节拍。由于大端凸耳两侧柱面是采用圆弧插补铣削方式实现的，保证其尺寸精度有一定的困难，或者采用普铣的分度摆转式更容易保证精度，但对工作节拍的适应性较差。方案(3)、(4)、(5)的工序较为集中，其大端凸耳两侧柱面采用C轴分度摆转铣削方式，比圆弧插补铣削方式更能保证其尺寸精度要求，但需要使用昂贵的车削中心设备。相对而言，方案(3)对车削中心的用量较省，仅大端柱面凸耳加工由车削中心分度摆转加工保证精度，小端凸耳则用插补铣削实现，但由于周槽加工的要求，仍需要附加A轴的立加实现。方案(3)中先车小端再调头铣大端凸耳时其切削力较大，易引起加工部位和装夹部位的变形，因此其车铣的顺序应根据实际情况调整。方案(4)、(5)在大端车削加工后仅进行切削力不大的孔系加工，将位置关系变化较多的槽孔和大小端凸耳加工集中在一次装夹中完成，更容易保证这些结构特征的相对位置关系。方案(5)的工序更为集中，避免了多次装夹带来的误差，且夹具用量更省，但工作节拍不匹配会一定程度地影响到生产效率，因此，方案(3)、(4)、(5)应根据实际设备情况并充分考虑工作节拍的匹配而合理选用。

表4.2.2为方案1的工艺安排。

3．卡钳体零件车铣综合加工工艺

由于卡钳体零件采用异形结构的铸造毛坯，因此每道工序都会使用到装夹定位的工装夹具。从前一单元的工艺分析可知，该零件需要进行缸孔车削、支耳销孔铣削加工、进油孔和排气孔加工等。工序顺序安排时，应先用普铣和专用刀具进行大圆弧基准面的卧式铣削，以此面为基准，接着利用车削中心或全功能数控车床的定向功能，让各车削刀具从固定方位避让进入后再作缸孔车削；然后在立式加工中心上先后进行两支耳销孔的铣面、钻铰孔加工；最后再分别实施进油孔、排气孔的铣、钻、铰及攻丝等两道工序的加工，其总体工艺安排见表4.2.3。在车铣工序组合方面，缸孔车削可采用组合刀具、成型刀具实现工步组合的高效加工；进油孔与排气孔加工若安排在卧式四轴转台机床上，可一次装夹先后完成。在车削中心行程许可的条件下，从原理上可以进行缸孔车削和2支耳销孔的铣、钻、铰孔组合加工，但这将对夹具避让设计及刀具长度等方面提出更高的要求，且不容易保证销孔精度，从经济角度考虑可行性较差。单元三数控车铣加工的夹具设计

一、单元学习任务

(1)通过讲解、查阅参考资料，进一步了解典型夹具结构，掌握夹具设计的基础知识。

(2)根据上一单元工艺方案设计结果，对护线盘零件车铣加工各工序的装夹定位要求进行分析，设计主要工序的简易夹具，并制作指定工序的夹具。

(3)现场观摩，了解卡钳体零件各工序的夹具使用情况；拆绘并分析其夹具结构和工作原理，使用CAD构建1～2副夹具的几何模型。

(4)自主进行灯罩零件加工关键工序的夹具设计，按要求对卡钳体零件指定工序的夹具进行改进设计，完成相关的课业练习并互相交流。二、单元学习目标

(1)熟悉典型夹具的结构和装夹定位原理，知道夹具设计的基础知识。

(2)能根据前后工序零件结构变化特征，正确分析装夹定位要求，合理选择工序基准，设计简易夹具，并通过实际制作训练分析夹具部件加工的工艺性和设计的合理性。

(3)能正确分析和解读卡钳体零件各工序加工对装夹定位的要求，熟悉其夹具结构和工作原理，理解单件小批加工和大批量生产对装夹定位要求的区别。

(4)能使用CAD软件绘制复杂夹具部件的几何模型，并通过装配体建模训练熟悉其装配关系，深化理解复杂的夹具结构。

(5)能按一定的装夹定位要求独立进行简易夹具的设计，能对已有夹具结构进行分析并提出改进创新的设计建议。三、着重关注的引导性问题

(1)薄壁零件的车铣加工对装夹定位有何要求?结合情境三中调焦筒零件加工的夹压方案，分析一下薄壁零件车铣加工应注意的工艺问题和解决策略。

(2)护线盘零件为何要选择内腔面为装夹定位基准面?弹性内胀式夹具的大致工作原理如何?

(3)引线槽为何要设计成这样的结构?这种结构设计给加工带来了哪些麻烦?使用什么设备加工可不需另外制作专用夹具?如果需要将引线槽加工单独作为一道工序，如何设计该夹具使之既能满足装夹定位要求同时也能适应批量生产?

(4)灯罩零件若采用工序组合的加工方案，由于外轮廓需要加工，只能采用内表面装夹定位，该如何设计夹具?零件的总体工艺顺序是否需要调整，孔槽的方位要求该如何考虑?

(5)卡钳体零件大致分为几道工序?由于采用铸造毛坯，前道工序加工不到位将会严重影响到后续工序的质量，对此你有哪些认识?

(6)缸孔加工的夹具是如何工作的?由于车削夹具是带动工件一起旋转的，对于非对称零件而言，该如何考虑其旋转的动静平衡问题?怎么检查和调整其静平衡?

(7)缸孔加工若不用车削中心而改用加工中心加工，能行吗?该如何安排其加工工艺?其夹具该如何改进设计?

(8)单件小批加工和大批量生产时，其夹具的装夹定位要求在设计上有何不同?四、单元学习知识基础

本单元要求学习者熟悉载体零件的工序安排，了解每道工序加工前后的内容，能正确选择定位基准，有一定的夹具设计基础。

(一)护线盘零件车铣加工的简易夹具设计

1．弹性内胀式定心夹具

由于护线盘零件的绕线槽部位为薄壁回转结构，精车及底盘孔系加工时，应以第一道工序所精车出的内腔壁作定位基准，采用弹性内胀式夹具设计。图4.3.1所示为机动楔式夹爪自动定心机构。当工件以内孔及左端面在夹具上定位后，气液缸通过拉杆使瓣式夹爪左移，由于本体上斜面的作用，夹爪左移的同时向外胀开，将工件定心夹紧；反之，夹爪右移时，在弹簧卡圈的作用下使夹爪收拢，将工件松开。这种定心夹紧机构的结构紧凑，定心精度一般可达

0.02 mm～

0.07mm，比较适用于工件以内孔作定位基面的半精加工工序。图4.3.1机动楔式夹爪自定心机构图4.3.2所示为液性塑料定心夹紧机构。工件以内孔为定位基面，起直接夹紧作用的薄壁套筒压配在夹具体上，在所构成的环槽中注满了液性塑料。当旋转螺钉通过柱塞向腔内加压时，液性塑料便向各个方向传递压力。在压力作用下，薄壁套筒产生径向均匀的弹性变形，从而将工件定心夹紧。限位螺钉用于限制加压螺钉的行程，防止薄壁套筒因超负荷而产生塑性变形。这种定心机构的结构很紧凑，操作方便，定心精度高，可达

0.005 mm～

0.0l mm，主要用于定位基面直径大于18 mm，尺寸公差为IT8～IT7级工件的精加工或半精加工。图4.3.2液性塑料定心夹紧机构图4.3.3所示弹性筒夹式定心夹紧机构也是以工件内孔为定位基面的，适合长径比L/d>>1的工件。弹性筒夹的两端均为带开口槽的簧瓣结构，旋转螺母时，其端面推动锥套，同时推动弹性筒夹左移，锥套和夹具体的外锥面同时迫使弹性筒夹的两端簧瓣向外均匀扩张，从而将工件定心夹紧。反向转动螺母，带动锥套，便可卸下工件。这种定心夹紧机构的结构简单、体积小、操作方便迅速，因而应用十分广泛。其定心精度可稳定在

0.04 mm～

0.10 mm之间。为保证弹性筒夹正常工作，工件定位基面的尺寸公差应控制在0.1 mm～0.5 mm范围内，一般适用于精加工或半精加工场合。

图4.3.3弹性筒夹式定心夹紧机构针对护线盘零件薄壁加工的装夹定位要求，参照上述自定心夹紧装置的结构，在适当简化结构的基础上，设计如图4.3.4所示的简易弹性内胀夹具。将夹具本体的一端做成弹性楔套的形式，由线切割割出6个开口槽至变形区段分隔孔孔口处。锁紧螺母时，楔头拉杆的楔头迫使弹性楔套向外扩张，从而将工件夹紧。松开螺母时，弹性楔套复原，工件即可取出。夹具本体可直接装夹在三爪卡盘上，小批量时，可用扳手从卡爪缝处锁紧螺母，大批量时可与机床气液动装置连接实现机动控制。图4.3.4护线盘零件弹性内胀简易夹具为保证夹具使用的可靠性，夹具设计制造应作如下考虑：

(1)夹具本体的弹性楔套内斜面和拉杆的楔头应按配合要求磨削，且锥度不能太小。

(2)夹具本体的弹性楔套部位应淬火以保持弹性。

(3)弹性楔套安装工件的外圆面应精车或磨削，且在自由状态下应比零件内腔壁尺寸小0.15 mm～0.2 mm。

(4)弹性楔套安装工件的高度应比内腔壁深度小0.5 mm，为盘面通孔钻铣加工预留过通量。

(5)为便于线切割加工，弹性楔套开口槽宜设计为偶数的4～6个，开口槽宽0.8 mm，且前端应开设相应的变形区段分隔孔，以控制弹性楔套的变形区域。

该弹性内胀简易夹具可用于精车工序、盘面孔系钻铣加工工序(在数控铣床工作台上安装三爪卡盘后再夹持此夹具)；若选用车削中心，则可将精车、孔系加工和引线槽铣削的几个工序集中，用此夹具在一次装夹下先后完成全部后续加工内容，孔、槽的相互位置关系可由程序控制。

2．引线槽铣削夹具

由于引线槽铣削与盘面孔系加工的下刀方向是正交的，在没有轴向铣削和径向铣削相互兼顾的车削中心的情况下，引线槽铣削和盘面孔系加工必须分两道工序实施。若使用四轴立式或卧式数控机床，在上述简易夹具的弹性楔套或楔头拉杆上添加1～2个定位销，以盘面孔系加工的某孔定位夹紧后实现引线槽的铣削加工，如图4.3.5所示。由于弹性楔套有0.15 mm～0.2 mm的扩张量，定位销应按

5.8设计，夹具装调时将两销面用表在X方向调至平直即可。若拟将定位销设置在楔头上，则楔头和夹具本体间应制作定位键和键槽，以防楔头拉杆相对夹具体旋转变位而影响引线槽在零件上的位置。图4.3.5铣线槽夹具定位销孔设计若只能选用三轴立式数控铣床加工引线槽，在小批量生产时，可设计如图4.3.6所示的简易夹具。定位心轴由螺、销钉固定在夹具本体上，同时，定位销还用于对工件的定位，定位心轴的外圆面及定距深度按工件尺寸配作，工件通过2个夹件螺钉锁定在定位心轴上。由于每次上下工件时都需要装卸夹件螺钉，因此该简易夹具并不适合大批量生产使用。图4.3.6小批量生产铣引线槽用简易夹具

(二)卡钳体零件车铣夹具设计

1．缸孔车削加工夹具

1)非对称回转夹具及其动静平衡设计

图4.3.7所示的阀管接头零件采用不规则铸件毛坯，先镗铣加工底部等孔口表面后，以此为定位基准，通过专用夹具装夹在数控车床主轴上进行右侧管口各表面的车削加工。图4.3.7阀管接头零件图样对于此类不规则外形的毛坯，在车床的装夹定位中，要确保待车削部位的轴心线与主轴同心方可实施车削回转加工，毛坯在夹具体上的放置位置应按此要求设计，其装夹定位元件相对主轴轴线大多呈非对称的偏心布置。由于夹具部件及毛坯装夹组合后其重心相对于主轴轴线存在一定的偏置，其回转运动将呈不平衡状态，因此会严重影响切削加工时的受力状况，刀具易损且加工精度不易保证，高速回转时更易引发事故。这种非对称回转夹具通常应进行动、静平衡的设计，若其主要工作在低速区段，至少应充分保证其静平衡和低速区段的动平衡。回转夹具的平衡通常以设计配重平衡调节块的形式实现，在夹具主体元件偏重一方的对侧加设配重平衡块，并开设腰圆槽以便于进行周向局部调整，或对偏重一方进行减料的去重设计。设计时，可借助CAD设计软件绘制夹具的3D实体模型，分析整个模型的重心，以使重心尽可能趋近回转轴线为原则，指导设计配重平衡块大小及布置方位。回转夹具的动、静平衡可采用如下方法粗略检验。

(1)静平衡：夹具安装到车床主轴并装夹好工件后，若手动拨转主轴，能令其在任意角度方位停止，则静平衡效果较好；若总是在固定的某一角度方位停止，说明重心偏向此方位轴线的正下方，应在此方位的正上方处添加配重的份量。

(2)动平衡：夹紧工件坯料后，令主轴以较低的速度作回转运动并逐步提高转速，观察转动的平稳性、主轴声音、机床的振动大小及其主轴发热状况等，在工件车削加工工艺要求的转速范围内能平稳运转即可满足其动平衡要求，否则仍需继续调整配重平衡块的大小及方位。图4.3.8所示为以上阀管接头数控车削加工的夹具设计，适于小批量生产。其夹具体装夹锁定在数控车床的主轴卡盘上，铸件毛坯则以底部孔及端面在定位芯套上定位，由限位销限制其转动自由度，采用压板螺钉将坯件夹紧在托板上；托板用螺销钉固定在夹具体上，两侧再辅以筋板加强，托板表面到回转轴线距离为102，以保证车削加工的回转表面与主轴同心；在夹具体上与托板正对的另一侧加设配重平衡块，由CAD辅助确定配重平衡块的尺寸大小及位置布局，在机床夹具调试时再进行动静平衡的微调。图4.3.8阀管接头车削加工夹具

2)卡钳体缸孔车削加工夹具

图4.3.9所示是为卡钳体缸孔车削加工设计的夹具，可在车削中心或全功能数控车床上代替三爪卡盘使用。和上述阀管接头车削夹具一样，铸件毛坯的装夹定位支承元件偏置在夹具体的一侧，另一侧必须进行配重平衡的设计。图4.3.9卡钳体缸孔车削加工夹具按照工艺设计，毛坯以上一道工序所加工的R130.5、宽65 mm的基准大圆弧面定位，由液压动力源带动拉钩，再通过杠杆带动浮动压爪，对卡钳体的悬臂护翼实施夹紧；定位支承元件悬臂焊接固定在夹具体上，内侧留足放置缸体毛坯的空间，刀具入口处开设U形让位槽以方便刀具进入，侧面设计有限位挡块，以限制毛坯沿大圆弧面周向摆转的自由度，保证毛坯悬臂护翼前端的U形钩翅与定位支承元件的U槽对正，以便于实现刀具的定向进入；夹具体与浮动压爪同侧处设置可局部调整的配重平衡块；为适应悬臂护翼毛坯表面的铸造误差，压爪设计成可一定角度方位摆转的浮动结构。工作时，按压卡盘液压夹紧开关，拉钩即可带动压爪夹紧毛坯，加工完成后，松开液压卡片开关，压爪自动抬起即可取卸工件，操作简单快捷，适合大批量生产的零件定位装夹要求。

2．其他工序加工夹具

图4.3.10所示是为卡钳体支耳销孔铣削加工设计的夹具。工件放置在定位芯柱组合体上，以芯柱和阶台对上一工序加工的缸孔口定位，分别限制X、Y、Z的移动自由度和X、Y的转动自由度，以组合体前侧两平面对卡钳体的悬臂护翼定位，限制Z的转动自由度，芯柱下方应为卡钳体悬臂护翼的勾翅预留避让空间。整个夹具体以对悬臂护翼定位的两侧平面与X方向平行打表后预先固定在工作台面上，工作时，放上工件，摆转压板压住缸底坯面后再用锁紧螺母夹紧，取卸工件时只需松开锁紧螺母后将压板摆开即可。压板下方放置弹簧，可使压板松开后不会跌落，能提高夹压操作的效率。图4.3.10卡钳体支耳销孔铣削夹具图4.3.11所示是为卡钳体排气孔钻铣加工设计的夹具。工件水平放置在定位芯柱上，以芯柱、阶台为基准对缸孔定位，同时以定位销对支耳销孔定位，限制其转动自由度。由于工件呈卧式放置，夹紧力作用在水平方向，因此该夹具采用丝杠螺母副锁紧的设计，工作时，按定位要求放好工件，旋动锁紧把手，压块在丝杠螺母副作用下前行，压住缸底坯面后再加力锁紧，取卸工件时只需松开锁紧把手，使压块离开即可。图4.3.11卡钳体排气孔钻铣加工夹具图4.3.12所示是为卡钳体进油孔钻铣加工设计的夹具。工件水平按一定角度方位放置在定位芯柱上，以芯柱、阶台对缸孔定位，同时由定位柱销对已加工出的支耳销孔实施角度方位的定位，以限制工件的六个自由度，主基准和前几道工序一样，还是缸孔台阶，符合基准统一原则。工件呈卧式放置，夹紧力作用仍在水平方向。该夹具采用压板螺钉夹紧方式，工作时，按定位要求放好工件，摆转压板使其前端压住缸底坯面，尾端垫放在支承柱上，旋动锁紧螺母锁紧，取卸工件时只需松开锁紧螺母，使压板脱离即可。图4.3.12卡钳体进油孔钻铣加工夹具

单元四车削中心的车铣加工程序编制

一、单元学习任务

(1)了解车削中心车铣加工控制的特征指令。

(2)学习车削中心车铣加工程序编制的基本方法。

(3)进行零件车铣复合加工程序编制的训练。

(4)学习零件车铣复合加工的CAM刀路设计方法。二、单元学习目标

(1)掌握车削中心车铣加工编程的基本方法。

(2)能正确识读零件C轴控制的径向与轴向钻铣加工的程序，并能手工编制含C轴加工的简单程序。

(3)能理解卡钳体零件缸孔粗精加工的程序，熟悉缸孔车削加工的刀具特点及其进刀控制技巧。

(4)会使用MasterCAM车削模块进行零件车铣加工的建模及基本刀路设计。

(5)能利用CAM软件自动编制车铣复合加工的程序，理解自动编制程序的特点并能按自用机床程序格式要求简单定制后处理。三、着重关注的引导性问题

(1)要实现车铣复合加工，车削中心应具备哪些功能?车削中心实现车铣自动转换一般有哪些特色指令?

(2) C轴可以实现哪些运动方式的控制，可以进行哪些特征的切削加工?其和附加四轴加工相比有什么异同?

(3)端面钻铣和径向钻铣的加工编程分别如何实现?你能手工计算和编制加工哪些特征的车削中心铣削程序?对图纸中常规标注的角度控制尺寸，你如何计算铣刀中心的偏置数据，你觉得哪些尺寸表示方式使用C轴不好控制?应如何解决?

(4)卡钳体零件的缸孔加工属车削性质，为何要采用车削中心加工或具定向功能的数控车来实现?大批量生产时为什么要使用这些专用刀具?各刀具分别是如何对刀编程的?

(5) MasterCAM的C轴加工自动编程和四轴加工的自动编程有何不同?C轴加工有哪些自动编程的功能?C轴外形铣削刀路定义时为什么要设置包络的基圆直径，不同的基圆直径其程序数据有何不同，你能找出其中的计算关系吗?深度分层时，C轴数据关系如何控制?

(6) C轴钻孔和数控铣床的钻孔程序指令有无区别?由于某些指令代码已被车削系统指定为特殊用途，因此在使用上应有所限制，你知道大致包括哪些方面的限制吗?

(7)具有Y轴的车削中心是如何工作的?有无Y轴对铣削加工的实现方式有何本质变化?四、单元学习知识基础

本单元要求学习者具有熟练的数控车和数控铣加工编程经验，且具有一定的附加四轴铣削加工编程基础，能熟练使用MasterCAM软件进行数控车削、数控铣削加工的刀路设计，并具有一定的后置处理定制能力。

(一)车削中心的车铣控制特色指令

车削中心是典型车铣复合加工设备，其车铣加工控制特色指令主要包括车铣加工方式的自动切换控制、高速回转主轴与角度回转进给控制、主轴启停与铣削动力头启停及转速控制等。本单元以采用FANUC0i-TB数控系统的沈阳一机CH6145A车削中心为例介绍。

1．车铣加工方式切换(铣M24/车M25)

除手动操作时可实施车铣加工方式切换外，自动加工过程中也可通过指令实现车铣加工方式的转换。在程序中使用M24指令，车削中心可切换到铣削加工控制方式，此时主轴将只能作为进给轴进行角度回转的运动控制；使用M25指令，车削中心将切换到车削加工控制方式，主轴可恢复高速运转控制。

2．角度回转进给控制(绝对C/增量H)

车削方式下，工件的随主轴高速回转以适应车削加工的切削要求，但切换到铣削方式后，主轴将采用与X、Z轴一样的伺服进给控制，可使用G0作快速进给或使用G1配合F指令进行工作进给控制。此时，工件回转进给可采用C指令作绝对角度位移控制或采用H指令作相对角度位移控制，并可与其他进给轴一起实现联动加工控制。每次切换到铣削方式后应在刀具离开工件时先用G28H0对C轴实现快速回零，然后再用G0C__实现C轴的快速预定位及使用G1C__F_、G1H__F_进行C轴的工进控制。

3．铣削动力头的启停及转速控制(M13、M14、M15)

车削方式下，主轴仍采用M3、M4、M5实现车削主轴的回转控制。由于控制启停的电机不同，当使用M24切换到铣削方式后，应用M13Sxxxx/M14Sxxxx按S指定的转速实现铣削动力头(铣刀主轴)的正转(M13)和反转(M14)运动控制，用M15关停铣削动力头。车削和铣削时均采用S指令控制转速大小。

另外，对于FANUC系统而言，由于车削时进给速度F默认为每转进给G99方式，当切换到铣削方式时需要采用分进给，此时应先使用G98转换，返回到车削方式时再用G99切换到转进给方式。

(二)车削中心车铣加工编程应用案例

1．调焦筒零件车削中心加工的编程

图4.4.1所示的调焦筒零件，其周侧槽形除可用情境三所介绍的带附加四轴功能的加工中心加工外，也可利用车削中心的铣削功能加工，采用图示弹性内胀式夹具，以工件右端中心为工件零点，使用f 4的刀具作分层铣削加工。图4.4.1车削中心加工调焦筒零件

2．卡钳体零件缸孔车削中心加工的编程

图4.4.2所示的卡钳体零件，其缸孔车削加工采用专用夹具、液压夹紧，由于口部钩爪的限制，刀具需从钩爪缺口处进入，沿Z向移动到刀头脱离钩爪限制区后再作X向移动到刀杆中心与缸孔回转中心重合位置，才可开始实施工件回转，再让刀具沿Z向进刀车削工件。因此，需要利用车削中心的C轴功能使工件定向停止以方便刀具进入，加工完成后同样需要工件定向后再沿限定的路线退刀。图4.4.2卡钳体零件缸孔的车削中心加工图4.4.3缸孔车削刀具示意图上述程序中，Z向均以缸口平面为0平面对刀；粗镗刀具、车防尘槽刀具、精镗刀具以刀杆中心和主轴同心位置为X向零点，即类似铣刀那样，以刀尖平面回转中心为刀位点；其他刀具以切到槽底处为X向零点，即以车刀刀尖为刀位点。所有刀具的X方向均以试切时切削到尺寸处为零点。

(三)零件车铣复合加工的CAM刀路设计

如图4.4.4所示的灯罩零件，采用f 70棒料毛坯，若已完成内孔及腔内均布孔系的加工，现拟使用车削中心加工外部轮廓、周侧矩形槽及凸耳孔系等，可利用MasterCAM软件进行如下刀路设计。图4.4.4灯罩零件的车削中心加工

1．外圆轮廓的车削加工刀路设计

图4.4.5所示是灯罩零件外圆轮廓车削、切槽加工的工序图样和刀路设计轮廓线的构建选用示意图。图4.4.5灯罩零件的车削加工车削刀路设计时，在MasterCAM的Lateh车削功能模块中应按图4.4.5(b)所示构建外圆车削轮廓，选择固定循环的粗车循环刀路构建方法，并串联外形轮廓，按工艺要求选用机夹外圆车刀、设置粗车的切削参数(如每刀切削量1.5、退刀1、X精修量0.2、X精修量0.2等)，设置引入延伸量1、角度0，引出延伸量3、角度为90，则可得到图4.4.6(a)所示的外圆轮廓车削刀路。精车刀路设计时只需选用固定循环的精车循环方式，再选择引用前一粗车循环刀路数据即可。切槽刀路设计时，按图4.4.5(c)所示构建槽形轮廓，并以两角点方式选择槽形轮廓，选用刀宽3 mm的机夹槽刀后，设置切削步长2.5 mm，退刀量2，单向进刀，即可得到图4.4.6(b)所示切槽加工刀路。图4.4.6灯罩零件车削加工的刀路

2．小端凸耳轮廓铣钻加工刀路设计

于小端凸耳轮廓铣削以及凸耳上小孔的加工，可按图4.4.7所示将对应的轮廓和孔位绘制在侧视面上，利用MasterCAM的C轴切削中端面铣削和端面钻孔功能，和数控铣削加工刀路一样设置刀路参数，即可得到图4.4.7所示凸耳轮廓铣削和钻孔加工刀路。图4.4.7灯罩零件的凸耳铣削加工

3．周侧矩形槽铣削加工刀路设计

对于周侧3个矩形槽的铣削加工，可按图4.4.8(a)所示绘制出其周槽轮廓，利用MasterCAM的C轴切削中C轴外形铣削功能，串接槽形轮廓后，和情境三的四轴刀路设计一样，设置旋转轴取代中包络计算的基圆直径(指以槽口大圆f 35、槽底小圆f 30或中间厚度直径f 32.5处为基准保证70°旋转角)并勾选展开有效，则无论切深及分层如何设置，均将保持按基圆控制的角度区间实施切削，得到图4.4.8(b)所示的刀路。周侧3槽加工刀路可在保持刀具面法向关系的基础上，采用侧视面方向绕轴线阵列旋转变换得到，如图4.4.8(c)所示。图4.4.8灯罩零件的周槽铣削加工单元五车削中心的操作使用

一、单元学习任务

(1)了解车削中心机床的结构组成及其与数控车的区别。

(2)了解C轴、铣削动力头、车铣转换控制及其实现方式。

(3)学习车削中心控制系统的界面及其基本操作方法。

(4)学习车削中心机内对刀仪的使用方法。

(5)进行车削中心的车铣程序调试及加工控制。二、单元学习目标

(1)知道车削中心主要特征部件的基本功能及其用法。

(2)会使用操控面板实现C轴、动力头及车铣转换的手动和程序自动控制。

(3)会在刀盘上装调车削刀具、铣削动力头及铣削刀具。

(4)会进行车削中心的对刀及坐标系设定，能使用机内对刀仪对刀和设置刀偏。

(5)能进行程序的输入、调试，以及DNC程序的传送。

(6)能利用车削中心实施零件的车铣复合加工。三、着重关注的引导性问题

(1)电主轴与一般有级传动的主轴有何不同?使用电主轴有何优缺点?

(2)使用可换式车铣刀座有什么好处?铣削动力头的动力是怎么产生的?动力刀座有哪几种类型?

(3) CH6145A车削中心操作面板有什么特点?面板上有哪些具特殊功能的操作键?

(4)机内对刀仪用途是什么?如何使用机内对刀仪采集刀具的位置坐标数据?为什么说它主要用于采集相对刀偏数据?

(5) FANUC0i-TB系统下如何进行手动对刀数据的设定?其坐标数据的提取和刀偏的自动计算与FANUC0TD有何不同?

(6)在车削中心上如何实现零件C轴零位的找正?什么性质类型的零件加工需要进行C轴零位的对刀找正?四、单元学习知识基础

本单元要求学习者熟悉各类数控机床的结构组成，具有熟练操控数控车床、数控铣床、加工中心等的经验，对FANUC数控系统较为熟悉，能进行零件加工的对刀调试设置及程序的自动加工控制。本单元将以沈阳一机生产的CH6145A车削中心为例介绍。

(一)车削中心机床的结构组成

车削中心是一种以车削加工模式为主、添加铣削动力刀头后又可进行铣削加工模式的车铣合一的切削加工机床类型。在回转刀盘上安装带动力电机的铣削动力头，装夹工件的回转主轴转换为进给C轴，便可对回转零件的圆周表面及端面等进行铣削类加工。图4.5.1所示CH6145A车削中心的回转主轴采用电主轴形式，无传动系统，结构紧凑、质量轻、惯量小，启停响应快；主轴工件装夹和尾座顶尖均采用液压控制；12位回转刀盘上的刀座采用可拆卸更换的结构形式，既可用以安装车削刀具，亦可安装铣削动力头，当动力头刀位被转至工作位置处才可获得回转动力；机内配有可折叠放置的对刀仪，对完刀后可翻转折叠收放于主轴旁。图4.5.1CH6145A单主轴卧式车削中心图4.5.2所示是车削中心电主轴的结构图，其回转主轴即为电