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1、第第4 4章章 数控车削加工工艺数控车削加工工艺【案例引入】典型轴类零件如图4-1所示，毛坯为44mm124mm棒料，材料为45钢。试按单件生产对该零件进行数控车削工艺分析。 任务制订该零件的数控加工加工工艺规程本章知识（或技能）要点1.数控车削加工特点；2.数控车削加工工艺主要内容；3.数控车削加工工艺文件编制；4.制订数控车削加工工艺规程。图4-1 典型轴类零件 4.1 数控车削简介 4.1.1 数控车床的组成及布局 1.数控车床的组成 数控车床与普通车床相比较，其结构上仍然是由床身、主轴箱、刀架、进给传动系统、液压、冷却、润滑系统等部分组成。在数控车床上由于实现了计算机数字控制，伺服电动
2、机驱动刀具作连续纵向和横向进给运动，所以数控车床的进给系统与普通车床的进给系统在结构上存在着本质的差别。普通车床主轴的运动经过挂轮架、进给箱、溜板箱传到刀架实现纵向和横向进给运动；而数控车床是采用伺服电动机经滚珠丝杠，传到滑板和刀架，实现纵向(Z向)和横向(X向)进给运动。可见数控车床进给传动系统的结构大为简化。 2.数控车床的布局 数控车床的主轴、尾座等部件相对床身的布局形式与普通车床基本一致。因为刀架和导轨的布局形式直接影响数控车床的使用性能及机床的结构和外观，所以刀架和导轨的布局形式发生了根本的变化。另外，数控车床上一般都设有封闭的防护装置，有些还安装了自动排屑装置。（1）床身和导轨的布
3、局 数控车床床身导轨与水平面的相对位置如图4-2所示，它有5种布局形式。一般来说，中、小规格的数控车床采用斜床身和卧式床身斜滑板的居多，只有大型数控车床或小型精密数控车床才采用平床身，立床身采用的较少。 a) b) c)d) e)图4-2 床身和导轨的布局a)后斜床身斜滑板 b)立床身立滑板 c)卧式床身平滑板d)前斜床身平滑板 e) 卧式床身斜滑板（2）刀架的布局 刀架作为数控车床的重要部件之一，它对机床整体布局及工作性能影响很大。按换刀方式的不同，数控车床的刀架主要有回转刀架和排式刀架。回转刀架 回转刀架是数控车床最常用的一种典型刀架系统。回转刀架在机床上的布局有两种形式。一种是适用于加工
4、轴类和盘类零件的回转刀架，其回转轴与主轴平行；另一种是适用于加工盘类零件的回转刀架，其回转轴与主轴垂直，如图4-3所示。 图4-3 回转刀架排式刀架 排式刀架一般用于小规格数控车床，以加工棒料或盘类零件为主。刀具的典型布置形式如图4-4所示。 图4-4 排式刀架4.1.2 数控车床的分类 1.按主轴的配置形式分1）卧式数控车床 卧式数控车床的主轴轴线处于水平设置。卧式数控车床又可分为数控水平导轨卧式车床和数控倾斜导轨卧式车床。倾斜导轨结构可以使数控车床具有更大的刚度，并易于排除切屑。2）立式数控车床 立式数控车床的主轴轴线垂直于水平面。主要用于加工径向尺寸大、轴向尺寸相对较小的大型复杂零件。2
5、.按数控系统控制的轴数分1）两轴控制的数控车床：机床上只有一个回转刀架，可实现两坐标轴联动。2）四轴控制的数控车床：机床上有两个回转刀架，可实现四坐标轴联动。3）多轴控制的数控车床：机床上除了控制X、Z两个坐标外，还可控制其它坐标轴，实现多轴控制，如具有C轴控制功能。车削加工中心或柔性制造单元，都具有多轴控制功能。 3.按数控系统的功能分1）经济型数控车床：一般采用步进电机驱动的开环伺服系统，具有CRT显示、程序存储、程序编辑等功能，加工精度较低，功能较简单。2）全功能型数控车床：较高档次的数控车床，具有刀尖圆弧半径自动补偿功能、恒线速、倒角、固定循环、螺纹切削、图形显示、用户宏程序等功能。加
6、工能力强，适于加工精度高、形状复杂、循环周期长、品种多变的单件或中小批量零件的加工。3）精密型数控车床：采用闭环控制，不但具有全功能型数控车床的全部功能，而且机械系统的动态响应较快，在数控车床基础上增加其它附加坐标轴。适于精密和超精密加工。 4.1.3 数控车削的加工对象 数控车削是数控加工中用的最多的加工方法之一。同常规加工相比，数控车削加工对象具有下面特点：（1）轮廓形状特别复杂的回转体零件加工 车床数控装置都具有直线和圆弧插补功能，还有部分车床数控装置有某些非圆曲线的插补功能，所以能车削任意平面曲线轮廓所组成的回转体零件，包括通过拟合计算处理后的、不能用方程描述的列表曲线类零件。 图4-
7、5所示壳体零件封闭内腔的成型面，“口小肚大”，在普通车床上是较难加工的，而在数控车床上则很容易加工出来。 图4-5 成型内腔壳体零件示例 （2）高精度零件的加工 零件的精度要求主要指尺寸、形状、位置、表面精度要求，其中表面精度主要指表面粗糙度。例如：尺寸精度高（达0.001mm或更小）的零件；圆柱度要求高的圆柱体零件；素线直线度、圆度和倾斜度均要求高的圆锥体零件；线轮廓要求高的零件（其轮廓形状精度可超过用数控线切割加工的样板精度）；在特种精密数控车床上，还可以加工出几何轮廓精度极高（达0.0001mm）、表面粗糙度极小（Ra达0.02m）的超精零件,以及通过恒线速切削功能,加工表面质量要求高的
8、各种变径表面类零件等。（3）特殊的螺旋零件 这些螺旋零件是指特大螺距（或导程）、变（增/减）螺距、等螺距与变螺距或圆柱与圆锥螺旋面之间作平滑过度的螺旋零件，以及高精度的模数螺旋零件（如圆柱、圆弧蜗杆）和端面（盘形）螺旋零件等。 （4）淬硬工件的加工 在大型模具加工中，有不少尺寸大而形状复杂的零件。这些零件热处理后的变形量较大，磨削加工有困难，而在数控车床上可以用陶瓷车刀对淬硬后的零件进行车削加工，以车代磨，提高加工效率。（5）高效率加工 为了进一步提高车削加工效率，通过增加车床的控制坐标轴，就能在一台数控车床上同时加工出两个多工序的相同或不同的零件。 4.2 数控车削加工工艺的主要内容 4.2
9、.1 零件的工艺性分析1.零件图分析 零件图分析是制定数控车削工艺的首要工作，主要应考虑以下几个方面。（1）尺寸标注方法分析 在数控车床的编程中，点、线、面的位置一般都是以工件坐标原点为基准的。因此，零件图中尺寸标注应根据数控车床编程特点尽量直接给出坐标尺寸，或采用同一基准标注尺寸，减少编程辅助时间，容易满足加工要求。（2）零件轮廓几何要素分析 在手工编程时需要知道几何要素各基点和节点坐标，在CADCAM编程时，要对轮廓所有的几何要素进行定义。因此，在分析零件图样时，要分析几何要素给定条件是否充分。尽量避免由于参数不全或不清，增加编程计算难度，甚至无法编程。（3）精度和技术要求分析 保证零件精
10、度和各项技术要求是最终目标，只有在分析零件有关精度要求和技术要求的基础上，才能合理选择加工方法、装夹方法、刀具及切削用量等。如对于表面质量要求高的表面，应采用恒线速度切削；若还要采用其它措施（如磨削）弥补，则应给后续工序留有余量。对于零件图上位置精度要求高的表面，应尽量把这些表面在同一次装夹中完成。2.结构工艺性分析 零件结构工艺性分析是指零件对加工方法的适应性，即所设计的零件结构应便于加工成形。在数控车床上加工零件时，应根据数控车床的特点，认真分析零件结构的合理性。在结构分析时，若发现问题应及时与设计人员或有关部门沟通并提出相应修改意见和建议。4.2.2 确定数控车削加工内容 在分析零件形状
11、、精度和其它技术要求的基础上，选择在数控车床上加工的内容。选择数控车床加工的内容，应注意以下几个方面：优先考虑普通车床无法加工的内容作为数控车床的加工内容。重点选择普通车床难加工、质量也很难保证的内容作为数控车床加工内容。在普通车床上加工效率低，工人操作劳动强度大的加工内容可以考虑在数控车床上加工。4.2.3 数控车削加工工艺方案的拟订 l.拟定工艺路线（1）加工方法的选择 回转体零件的结构形状虽然是多种多样的，但它们都是由平面、内、外圆柱面、圆锥面、曲面、螺纹等组成。每一种表面都有多种加工方法，实际选择时应结合零件的加工精度、表面粗糙度、材料、结构形状、尺寸及生产类型等因素全面考虑。 （2）
12、加工顺序的安排 在选定加工方法后，就是划分工序和合理安排工序的顺序。零件的加工工序通常包括切削加工工序、热处理工序和辅助工序。工序安排一般有两种原则，即工序分散和工序集中。在数控车床上加工零件，应按工序集中的原则划分工序。 安排零件车削加工顺序一般遵循下列原则：先粗后精。按照粗车半精车精车的顺序进行。先近后远。通常在粗加工时，离换刀点近的部位先加工离换刀点远的部位后加工，以便缩短刀具移动距离，减少空行程时间，并且有利于保持坯件或半成品件的刚度，改善其切削条件。如图4-6所示的零件，对这类直径相差不大的台阶轴，当第一刀的切削深度未超限时，刀具宜按40mm42mm44mm的顺序加工。如果按44mm
13、42mm40mm的顺序安排车削，不仅会增加刀具返回换刀点所需的空行程时间，而且还可能使台阶的外直角处产生毛刺。 图4-6 先近后远内外交叉。对既有内表面（内型、腔），又有外表面的零件，安排加工顺序时，应先粗加工内外表面，然后精加工内外表面。加工内外表面时，通常先加工内型和内腔，然后加工外表面。 刀具集中。尽量用一把刀加工完相应各部位后，再换另一把刀加工相应的其它部位，以减少空行程和换刀时间。 基面先行。用作精基准的表面应优先加工出来。 2.确定走刀路线 确定走刀路线的主要工作在于确定粗加工及空行程的进给路线等，因为精加工的进给路线基本上是沿着零件轮廓顺序进给的。走刀路线一般是指刀具从起刀点开始
14、运动起,直至返回该点并结束加工程序所经过的路径为止,包括切削加工的路径及刀具引入、切出等非切削空行程。（1）刀具引入、切出 在数控车床上进行加工时，尤其是精车，要妥当考虑刀具的引入、切出路线，尽量使刀具沿轮廓的切线方向引入、切出，以免因切削力突然变化而造成弹性变形，致使光滑连接轮廓上产生表面划伤、形状突变或滞留刀痕等疵病。尤其是车螺纹时，必须设置升速进刀段（空刀导入量）1和减速退刀段（空刀导出量）2（如图4-7），这样可避免因车刀升降而影响螺距的稳定。1、2一般按下式选取：11导程；20.75导程 图4-7 螺纹加工的导入、导出量（2）确定最短的空行程路线 确定最短的走刀路线，除了依靠大量的实
15、践经验外，还善于分析，必要时可辅以一些简单计算。灵活设置程序循环起点。在车削加工编程时，许多情况下采用固定循环指令编程，如图4-8所示，是采用矩形循环方式进行外轮廓粗车的一种情况示例。考虑加工中换刀的安全，常将起刀点设在离坯件较远的位置A点处，同时，将起刀点和循环起点重合，其走刀路线如图4-8a）图所示。若将起刀点和循环起点分开设置，分别在A点和B点处，其走刀路线如图4-8b）图所示。显然，b）图所示走刀路线短。 a) b) 图4-8 起刀点和循环起点a）起刀点和循环起点重合 b)起刀点和循环起点分离合理安排返回换刀点。在手工编制较复杂轮廓的加工程序时，编程者有时将每一刀加工完后的刀具通过执行
16、返回换刀点，使其返回到换刀点位置，然后再执行后续程序。这样会增加走刀路线的距离，从而降低生产效率。因此，在不换刀的前提下，执行退刀动作时，应不用返回到换刀点。安排走刀路线时，应尽量缩短前一刀终点与后一刀起点间的距离，方可满足走刀路线为最短的要求。（3）确定最短的切削进给路线 切削进给路线短可有效地提高生产效率、降低刀具的损耗。在安排粗加工或半精加工的切削进给路线时，应同时兼顾到被加工零件的刚度及加工的工艺性要求。图4-9所示是几种不同切削进给路线的安排示意图，其中，图4-9a）表示封闭轮廓复合车削循环的进给路线，图14-9b）表示“三角形”进给路线，图4-9c）表示“矩形”进给路线。 对以上三
17、种切削进给路线分析和判断可知：矩形循环进给路线的走刀长度总和为最短，即在同等条件下，其切削所需的时间（不含空行程）为最短，刀具的损耗小。另外，矩形循环加工的程序段格式较简单，所以，在制定加工方案时，建议采用“矩形”走刀路线。 a) b) c)图4-9 走刀路线a)沿工件轮廓走刀 b)三角形走刀 c)矩形走刀（4）零件轮廓精加工一次走刀完成 在安排可以一刀或多刀进行的精加工工序时，零件轮廓应由最后一刀连续加工而成，此时，加工刀具的进、退刀位置要考虑妥当，尽量不要在连续轮廓中安排切人、切出、换刀及停顿，以免因切削力突然变化而造成弹性变形，致使光滑连续的轮廓上产生表面划伤、形状突变或滞留刀痕等缺陷。
18、 总之，在保证加工质量的前提下，使加工程序具有最短的进给路线，不仅可以节省整个加工过程的执行时间，还能减少不必要的刀具耗损及机床进给滑动部件的磨损等。4.2.4 数控车削加工工序划分与设计1.数控车削加工工序划分方法 数控车削加工工序划分常有以下几种方法：按安装次数划分工序。以每一次装夹作为一道工序，这种划分方法主要适用于加工内容不多的零件。按加工部位划分工序。按零件的结构特点分成几个加工部分，每个部分作为一道工序。按所用刀具划分工序。刀具集中分序法是按所用刀具划分工序，即用同一把刀或同一类刀具加工完成零件所有需要加工的部位，以达到节省时间、提高效率的目的。按粗、精加工划分工序。对易变形或精度
19、要求较高的零件常用这种方法。这种划分工序一般不允许一次装夹就完成加工，而是粗加工时留出一定的加工余量，重新装夹后再完成精加工。 2.数控车削加工工序设计 数控车削加工工序划分后，对每个加工工序都要进行设计。（1）确定装夹方案 在数控车床上根据工件结构特点和工件加工要求，确定合理装夹方式，选用相应的夹具。如轴类零件的定位方式通常是一端外圆固定，即用三爪自定心卡盘、四爪单动卡盘或弹簧套固定工件的外圆表面，但此定位方式对工件的悬伸长度有一定的限制。工件的悬伸长度过长在切削过程中会产生较大的变形，严重时将无法切削。对于切削长度过长的工件可以采用一夹一顶或两顶尖装夹。 数控车床常用的装夹方法有以下几种。
20、 1）三爪自定心卡盘装夹 三爪自定心卡盘（如图4-10所示）是数控车床最常用的卡具。它的特点是可以自定心，夹持工件时一般不需要找正，装夹速度较快，但夹紧力较小，定心精度不高。适于装夹中小型圆柱形、正三边或正六边形工件，不适合同轴度要求高的工件的二次装夹。 三爪卡盘常见的有机械式和液压式两种。数控车床上经常采用液压卡盘，液压卡盘特别适合于批量生产。2）四爪单动卡盘装夹 用四爪单动卡盘装夹时，夹紧力较大，装夹精度较高，不受卡爪磨损的影响，但夹持工件时需要找正（如图4-11所示）。适于装夹偏心距较小、形状不规则或大型的工件等。 图4-10 三爪卡盘 图4-11 四爪卡夹3）软爪装夹 由于三爪自定心卡
21、盘定心精度不高，当加工同轴度要求高的工件二次装夹时，常常使用软爪（如图4-12所示）。软爪是一种可以加工的卡爪，在使用前配合被加工工件特别制造。 对刀基准面工件焊接图4-12 软爪装夹 4）中心孔定位装夹 两顶尖拔盘 对于轴向尺寸较大或加工工序较多的轴类工件，为保证每次装夹时的装夹精度，可用两顶尖装夹。如图4-13所示，其前顶尖为普通顶尖，装在主轴孔内，并随主轴一起转动，后顶尖为活顶尖装在尾架套筒内。工件利用中心孔被顶在前后顶尖之间，并通过鸡心夹头带动旋转。这种方式，不需找正，装夹精度高，适用于多工序加工或精加工。 图4-13 两顶尖装夹拨动顶尖。拨动顶尖有内、外拨动顶尖和端面拨动顶尖两种。内
22、、外拨动顶尖是通过带齿的锥面嵌入工件拨动工件旋转，端面拔动顶尖是利用端面的拨爪带动工件旋转，适合装夹直径在50mm150mm之间的工件。 一夹一顶 在车削较重、较长的轴体零件时，可采用一端夹持，另一端用后顶尖顶住的方式安装工件，这样会使工件更为稳固，从而能选用较大的切削用量进行加工。为了防止工件因切削力作用而产生轴向窜动，必须在卡盘内装一限位支承，或用工件的台阶作限位，如图4-14所示。此装夹方法比较安全，能承受较大的轴向切削力，故应用很广泛。 a) b) 图4-14 一夹一顶安装工件a) 用限位支承 b) 用工件台阶限位5）心轴与弹簧卡头装夹 以孔为定位基准，用心轴装夹来加工外表面。以外圆为
23、定位基准，采用弹簧卡头装夹来加工内表面。用心轴或弹簧卡头装夹工件的定位精度高，装夹工件方便、快捷，适于装夹内外表面的位置精度要求较高的套类零件。 6）利用其它工装夹具装夹 数控车削加工中有时会遇到一些形状复杂和不规则的零件，不能用三爪或四爪卡盘等夹具装夹，需要借助其它工装夹具装夹，如花盘、角铁等，对于批量生产时，还要采用专用夹具装夹。 （2）选用刀具 1) 常用数控车刀 刀具选择是数控加工工序设计中的重要内容之一。常用数控车刀的种类、形状和用途如图1-33所示。2）可转位车刀 为了充分利用数控设备、提高加工精度及减少辅助准备时间，数控车床上广泛使用机夹可转位车刀，如图4-15所示。 图4-15
24、机夹可转位车刀1-刀杆 2-刀片 3-刀垫 4-夹紧元件刀片形状 可转位车刀常用的刀片如图4-16所示。刀片的形状主要与被加工工件表面形状、切削方法、刀具寿命和有效刃数等有关。一般外圆和端面车削常用T型、S型、C型、W型刀片；成形加工常用D型、V型、R型刀片。图4-16 刀片形状刀杆头部形式 可转位车刀常见的刀杆头部形式和主偏角如图4-17所示。有直角台阶的工件，可选主偏角大于或等于90的刀杆；外圆粗车可选主偏角4590的刀杆，精车可选主偏角4575的刀杆；中间切入、成形加工可选主偏角大于或等于45107.5的刀杆。 图4-17刀杆头部形式与主偏角成形加工刀具的选择 在加工成形面时要选择副偏角
25、合适的刀具，以免刀具的副切削刃与工件产生干涉，如图4-18所示。 a) b)图4-18 副偏角对加工的影响a)副偏角大，不干涉 b) 副偏角大，产生干涉 采用机夹车刀时，常通过选择合适的刀片形状和刀杆头部形式来组合形成所需要的刀具。图4-19所示为一些常用的成形加工机夹车刀。 c) d) e) 图4-19 常用的成形加工机夹车刀a)D-J形式 b)D-V形式 c)V-J形式 d)V-V形式 e)R-A形式a) b)（3）确定切削用量1）选择切削用量的一般原则粗车切削用量选择 粗车时一般以提高生产效率为主，兼顾经济性和加工成本。提高切削速度、加大进给量和背吃刀量都能提高生产效率，由于切削速度对刀
26、具使用寿命影响最大，背吃刀量对刀具使用寿命影响最小，所以，在考虑粗车切削用量时，首先尽可能选择大的背吃刀量，其次选择大的进给速度，最后，在保证刀具使用寿命和机床功率允许的条件下选择一个合理的切削速度。 精车、半精车切削用量选择 精车和半精车的切削用量选择要保证加工质量，兼顾生产效率和刀具使用寿命。精车和半精车的背吃刀量是由零件加工精度和表面粗糙度要求，以及粗车后留下的加工余量决定的，一般情况一刀切去余量。精车和半精车的背吃刀量较小。产生的切削力也较小，所以，在保证表面粗糙度的情况下，适当加大进给量。 2）背吃刀量ap的确定 在车床主体、夹具、刀具和零件这一系统刚度允许的条件下，尽可能选取较大的
27、背吃刀量，以减少走刀次数，提高生产效率。粗加工时，在允许的条件下，尽量一次切除该工序的全部余量，背吃刀量一般为25mm；半精加工时，背吃刀量一般为0.51mm；精加工时，背吃刀量为0.10.4mm。3）进给量f的确定 粗加工时，进给量根据工件材料、车刀刀杆直径、工件直径和背吃刀量按表4-1进行选取。从表中可以看出，在背吃刀量一定时，进给量随着刀杆尺寸和工件尺寸的增大而增大；加工铸铁时，切削力比加工钢件时小，可以选取较大的进给量。 精加工与半精加工时，进给量可根据加工表面粗糙度要求按表选取，同时考虑切削速度和刀尖圆弧半径因素，如表4-2所示。 实际加工时，也可根据经验确定进给量f。粗车时一般取0
28、.30.8mm/r，精车时常取0.10.3mm/r，切断时宜取0.050.2mm/r。4）主轴转速的确定 光车时主轴转速 光车时，主轴转速的确定应根据零件上被加工部位的直径，并按零件和刀具的材料及加工性质等条件所允许的切削速度来确定。在实际生产中，主轴转速计算公式为： 式中 n 主轴转速（r/min ）； c切削速度（m/min）； d 工件加工表面或刀具的最大直径（mm）。 在确定主轴转速时，首先需要确定其切削速度，而切削速度又与背吃刀量和进给量有关。切削速度确定方法有计算、查表和根据经验确定。切削速度参考值见表4-3。 车螺纹时主轴转速 车削螺纹时，车床的主轴转速将受到螺纹的螺距（或导程）大小、驱动电机的升降频特性及螺纹插补运算速度等多种因素影响，故对于不同的数控系统，推荐有不同的主轴转速选择范围。如大多数经济型车床数控系统推荐车螺纹的主轴转速计算公式为： 式中 n 主轴转速（r/min ）； P工件螺纹的导程（mm），英制螺纹为相应换算后的毫米值； k保险系数，一般取的为80。
