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1、- 1 - 加工中心培训教材（基本理论和工艺）一、 数控机床刀柄标准及种类目前，数控铣床和镗铣加工中心使用最多的仍是724工具锥柄。但在高速加工机床上， 110 空心短锥柄的使用正日益增多。手动换刀用 724工具锥柄的常见标准有国家标准GB 3837.383和国际标准 ISO 29782，以及机械行业标准 JB 3381.1 83。1 10空心工具锥柄目前已有国家标准GB 19449.12004“ 带有法兰接触面的空心圆锥接口第 1部分：柄部 -尺寸” 。它等同采用了国际标准 ISO 121641：2001的内容。原德国标准 DIN 698931：1996已被新的标准 DIN 698731：2
2、003代替，新的德国标准也等同采用了国际标准 ISO 121641：2001的内容。其它常见结构的 110工具锥柄基本采用企业标准，具有垄断性，如美国肯纳公司的KM 型系列、瑞典山特维克公司的Capto系列、德国瓦尔特公司的NOVEX系列等。自动换刀机床用 724工具锥柄的 中国国家标准 GB 1094489是参照采用国际标准ISO 7388/1 ：1983制定的，除对极个别项目数据进行了圆整（如尾部螺纹底孔深度13）或未规定数据（如法兰上的键槽根底倒角）外，其它数据完全相同。而国际标准ISO 7388/1：1983又是参照德国标准 DIN 698711的A型工具锥柄制定的，所以这三个标准的外
3、形尺寸相同。在国内，其工具锥柄的代号为“ JT” 。其特征是：法兰厚度较小；有一装刀用的定位缺口；两个端键槽为不对称分布。自动换刀机床用 724工具锥柄在 德国标准 DIN 698711中分为A型、AD 型和B型三种： A型为螺纹底孔不通的； AD 型为螺纹底孔贯通的； B型为法兰端面供水的。 而DIN 698712则只有 C型一种，为双平行法兰、无V型槽的，现在已很少采用。其工具锥柄代号虽然标准中未作规定，但在德国其代号通常称为“ SK ” 。自动换刀机床用 724工具锥柄的 日本标准 JIS B 6339：1998虽已替代了日本工作机械工业会标准 MAS 403：1975，但由于其主要外形
4、尺寸相同，对使用基本没有影响，所以在不少制造商的样本上仍然标注MAS 403标准代号，而未标注 JIS B 6339 。但应注意，这两个标准所用的拉钉是不同的。其工具锥柄代号为 “ BT” ，特征为：法兰厚度较大；V型槽非对称分布，靠近工作部分一侧；两个端键槽对称分布；端键槽不铣通。自动换刀机床用 724工具锥柄的 美国标准 AMSE B5.50 1994已替代了 ANSI/AMSE B5.501985，同样，由于外形尺寸相同， 很多制造商在样本上仍标注ANSI/AMSE B5.50，- 2 - 或只标注 ANSI。其工具锥柄代号虽然标准中未作规定，但通常称为“ CAT ” ，其特征为：法兰厚
5、度较小；两个端键槽为非对称分布；在一个端键槽的底面上钻有识别孔，用于刀具定位。其尾部螺纹应为UNC 制螺纹，国内制造商为方便用户使用，改为对应的公制螺纹，其它尺寸不变。手动换刀用 724工具锥柄的中国国家标准GB 3837.383是等同采用国际标准 ISO 29782制订的，其特征为：法兰上无V型槽，两个端键槽为对称分布，锥柄小端带圆柱尾，工具锥柄部分的长度较大。在国内，其工具锥柄代号为“ ST ” 。用于通用铣床。手动换刀用 724工具锥柄的机械行业标准 JB 3381.183是用于无机械手和刀库的数控铣床的工具锥柄。其特征为：法兰上无V型槽，两个端键槽对称分布，锥柄小端不带圆柱尾。在国内，
6、其工具锥柄代号也为“ ST” ，因此很容易与带圆柱尾的724工具锥柄相互混淆，因此用户在订货时必须说明是否带圆柱尾（哈量集团样本规定为“ WST ” ，以示区别）。虽然该标准已被国家标准GB 1094489替代，但用户仍有需求，因此建议在以后的标准修订或制定时，解决该标准的合法性及其工具锥柄代号命名问题。除带圆柱尾的手动换刀用 724工具锥柄不用拉钉外， 上述其它 724工具锥柄均需安装拉钉才能使用，其外形尺寸取决于所采用的标准。国家标准 GB 10945 89“ 自动换刀机床用 724圆锥工具柄部 40、45和50号圆锥柄用拉钉 ” 是参照国际标准 ISO 7388/21984制订的，外形尺
7、寸相同，分为A型和B型两种：A型拉钉的拉紧面斜角为 15，用于不带钢球的拉紧装置，代号为“ LDA ” ；B型拉钉的拉紧面斜角为 45，用于带钢球的拉紧装置，代号为“ LDB ” 。二者均带贯通孔，用于冷却液流通。德国标准 DIN 69881987的拉钉有 A型和B型两种， A型带贯通孔； B型不带贯通孔，但有密封圈用环形槽，以防止冷却液从尾部泄漏。两种拉钉的拉紧面斜角均为15，用于不带钢球的拉紧装置。日本标准 JIS B 6339 ：1998的拉钉只有一种型式，拉钉的拉紧面斜角为15，用于不带钢球的拉紧装置，代号为“ xxP” 。日本工作机械工业会标准MAS 403的拉钉则有型和型两种：型拉
8、钉的拉紧面斜角为30，用于不带钢球的拉紧装置；型拉钉的拉紧面斜角为 45，用于带钢球的拉紧装置。使用时应注意，这两种拉钉的头部长度比JIS B 6339 ：1998标准的拉钉头部直径小，颈部长度长，其代号为“ PxxT” 。美国标准 AMSE B5.50 1994的拉钉只有一种型式，拉钉的拉紧面斜角为45，且- 3 - 凸缘与螺纹之间无定心圆柱。螺纹应为UNC 制螺纹，国内制造商为方便用户使用，也改为对应的公制螺纹，其它尺寸不变。1 10空心短圆锥柄的国际标准 ISO 121641：2001基本采用了德国标准 DIN 698731的方案。主要不同之处是：将柄部锥度由110改为19.98，以确保
9、锥柄与安装孔配合时大端直径先接触；只规定了大端直径的理论正确尺寸，取消了大、小端直径及其公差；取消了大、小端直径间的距离尺寸；改变了尾部端键槽倒圆角的标注方法；在规范性附录中规定了锥柄与法兰端面的空刀槽的型式和尺寸；在资料性附录中建议了平衡区域。遗憾的是没有规定锥柄的锥度公差和大端直径公差。它分为A型和C型两种： A型用于自动或手动换刀； C型只能用于手动换刀。由于采用锥面和端面双重定位，轴向和径向定位精度较高；通过尾端的键与锥面、端面的摩擦传递扭矩大；锥柄长度短、重量轻、换刀快；由于适合高速机床使用，因此得到迅速推广。虽然美国肯纳公司的 KM 型110空心短圆锥柄出现较早， 但由于存在结构和
10、工艺缺陷，因此未能被采用为 ISO标准，目前在数控车床上应用较多。瑞典山德维克公司的 Capto系列、德国瓦尔特公司的 NOVEX系列等属于企业性标准，其应用有一定局限性。另外，我们的 BT刀柄再细分又划分为 BT30 （40/50 ）-ER16、BT30 （40/50 ）-ER25、BT30 （40/50）-ER32等等，筒夹（夹心）也随之更改配套使用。二、 刀具补偿原理1、刀具补偿的定义：数控机床在加工过程中， 是通过控制刀具中心或刀架参考点来实现加工轨迹的。但刀具实际参与切削的部位只是刀尖或刀刃边缘，它们与刀具中心或刀架参考点之间存在偏差。 因此，需要通过数控系统计算偏差值，并将控制对象
11、由刀具中心或刀架参考点变换到刀尖或刀刃边缘上，以满足加工需要。 这种变换过程就称为刀具补偿 。2、在零件加工过程中， 若采用刀具补偿功能， 可以大大简化数控加工程序的编写工作，提高该程序的利用率。主要表现在一下两个方面：1）由于刀具磨损、更换等原因引起的刀具相关尺寸变化不必重新编写程序，只需修改相应的刀补参数即可；2）当被加工零件在同一机床上经历粗加工、半精加工、精加工多道工序时，不- 4 - 必编写三种加工程序，可将各工序预留的加工余量加入刀补参数即可。3、刀具补偿一般可分为刀具长度补偿（G43 ）和刀具半径补偿（ G41 、G42 ） 。1）刀具半径补偿原理及类型：数控机床在连续轮廓加工过
12、程中，数控系统所控制的运动轨迹不是零件的轮廓，而是加工刀具的中心轨迹。由于用户总是按零件的轮廓编写加工程序，因此，要加工出合格的零件，就必须使加工刀具中心在零件轮廓的法矢量方向上偏移一个刀具半径值，这种偏移就称为刀具半径补偿。对于同一条刀具中心轨迹， 刀具的运动方向有两个， 为了便于分析问题，ISO 标准规定：沿编程轨迹（零件轮廓）前进方向看去，当刀具中心轨迹始终在编程轨迹的左边时称为左刀补，用指令G41表示。反之，当刀具中心轨迹在编程轨迹的右边时称为右刀补，用指令G42表示。当不需要进行刀具补偿时，可用指令G40来撤消由 G41或 G42建立的刀具半径补偿。刀具半径补偿类型：在实际加工过程中
13、，随着前后两段编程轨迹的连接方式不同，所产生的刀具中心轨迹转接情况也不尽相同。大多数CNC 系统所处理的基本轮廓线型是直线与圆弧。因此，前后两段编程轨迹的连接方式有四种：直线接直线、直线接圆弧、圆弧接直线、圆弧接圆弧。根据拐角（指相邻两轮廓交接点出的切线在工件实体一侧的夹角，其变化范围为： 0360。其中，当 0180时， 称为外拐角；当 180360时， 称为内拐角。）2）刀具长度补偿： G43 三、 主轴准停功能主轴准停功能又称为主轴定位功能。 当主轴停止时，控制其停于固定位置（这个在 DMG 车削中心上用于加工254Ab02 、 350S01钻机的旋钮，可以省去一道工序），这是自动换刀所
14、必须的功能。在自动换刀的镗铣加工中心上，切削的扭矩通常是通过刀杆的端面键来传递的（BT刀柄） 。这就要求主轴具有准确定位于圆周上特定角度的功能，比如我们加工180 滑套的阶梯孔，在退刀时为了防止刀具与小阶梯孔碰撞或拉毛已精加工的孔表面而必须先让刀，再退刀。而要让刀，刀具必须具有准确功能。- 5 - 主轴准停功能分为机械准停和电气准停。机械准停控制典型的是V形槽轮定位盘准停结构，还有端面螺旋凸轮准停。目前国内外中高档数控系统均采用电气准停控制。有磁传感器准停、编码器主轴准停、数控系统准停三种方式。四、 浅析加工中心控制系统之进给伺服系统1、进给伺服系统， 是以移动部件的位置和速度作为控制量的自动
15、控制系统，是数控系统的主要子系统；如果把CNC 装置看作是数控系统的“大脑” ，则进给伺服系统可以认为是数控系统的“四肢” ，它绝对地执行由CNC 装置发来的运动命令，精确的控制执行部件的运动方向、进给速度及位移量。 主要由位置控制单元、 速度控制单元、驱动元件（电动机） 、检测与反馈单元和机械执行部件组成。2、分类：a、开环控制系统：典型的开环控制系统是采用步进电机的伺服系统，对于数控装置发来的每一个进给脉冲经驱动线路放大并驱动步进电动机转动每一个步距（及一个固定的角度如1.5 ） ，再经减速齿轮带动丝杠旋转，并通过丝杠螺母副传动工作台移动。 这种开环系统的精度完全依赖于步进电动机的步距精度
16、及齿轮、丝杠的传动精度， 它没有测量反馈矫正措施， 所以对高精度的数控机床往往不能满足要求。但开环系统的机构简单、调试容易、造价低，在数控机床的发展过程中有一定的重要地位，现在仍普遍采用。数控装置放大步进电动机减速齿轮丝杠螺母工作台开环伺服系统方框图b、半闭环控制系统：采用装在丝杠上或伺服电动机上的角位移测量元件测量丝杠或电动机轴的转动量间接地测量工作台的移动量。它的优点就是不论工作台位移的长短，角位移测量元件是制成360可循环使用。半闭环的意思就是用丝杠（或电动机轴）的转动量与数控装置的命令相比较（闭环），而另一部分丝杠 -螺母- 工作台的移动量不受闭环控制（开环） ，故称为半闭环。- 6 - 数控装置比较装置放大伺服电动机减速齿轮丝杠螺母工作台测量装置半闭环伺服系统方框图测量装置c、闭环控制系统：采用直线位移测量元件，测量机床移动部件工作台（或主轴箱）的位置并将测量结果送回与数控装置命令的移动量相比较，二
