§5.数控车床及车削加工工艺

第5章数控车床及车削加工工艺•5.1数控车床简介•5．2数控车床加工工艺分析•5．3数控车床加工工艺路线的拟订•5．4典型零件的数控车削加工工艺分析5.1数控车床简介5.1.1数控车床的组成（1）车床主机即数控车床的机械部件，主要包括床身、主轴箱、刀架、尾座、进给传动机构等。（2）数控系统即控制系统，是数控车床的控制核心，其中包括CPU、存储器、CRT等部分。（3）驱动系统即伺服系统，是数控车床切削工作的动力部分，主要实现主运动和进给运动。（4）辅助装置是为加工服务的配套部分，如液压、气动装置，冷却、照明、润滑、防护和排屑装置。（5）机外编程器是在普通的计算机上安装一套编程软件，使用这套编程软件以及相应的后置处理软件，就可以生成加工程序。通过车床控制系统上的通信接口或其他存储介质(如软盘、光盘等)，把生成的加工程序输入到车床的控制系统中，完成零件的加工。图5—1数控车床的组成5.1.2数控车床的布局1．床身和导轨的布局图5—2数控车床的布局形式a)平床身b)斜床身c)平床身斜滑板d)立床身a)工艺性好，便于导轨面的加工。水平床身配上水平放置的刀架可提高刀架的运动精度，一般可用于大型数控车床或小型精密数控车床的布局。但由于下部空间小，故排屑困难。c)这种布局形式一方面有水平床身工艺性好的特点，另一方面机床宽度方向的尺寸较水平配置滑板的要小，且排屑方便。b).c)布局形式排屑容易，热铁屑不会堆积在导轨上，也便于安装自动排屑器；操作方便，易于安装机械手，以实现单机自动化；机床占地面积小，外形简洁、美观，容易实现封闭式防护等特点，所以中、小型数控车床普遍采用这两种布局形式。d)导轨倾斜的角度分别为30°、45°、60°、75°，当角度为90°时称为立式床身。倾斜角度小，排屑不便；倾斜角度大，导轨的导向性差，受力情况也差。中小规格的数控车床，其床身的倾斜度以60°为宜。2．刀架的布局数控车床的刀架分为回转式和排刀式刀架两大类。排刀式刀架主要用于小型数控车床，适用于短轴或套类零件的加工(图5—3)。回转式刀架是普遍采用的刀架形式，它通过回转头的旋转、分度、定位来实现机床的自动换刀工作(图5—4)。图5—3排刀式刀架应用图5—4回转式刀架5.1.3数控车床的用途数控车床自动完成内外圆柱面、圆锥面、圆弧面、端面、螺纹等工序的切削加工，并能进行切槽、钻孔、镗孔、扩孔、铰孔等加工。此外，数控车床还特别适合加工形状复杂、精度要求高的轴类或盘类零件。图5—5车床加工的典型表面5.1.4数控车床的分类1．按数控系统的功能和机械结构的档次分（1）经济型数控车床:一般采用步进电动机驱动的开环控制系统，结构简单，价格低廉,一般只能进行两个平动坐标(刀架的移动)的控制和联动。(图示）（2）全功能型数控车床:采用闭环或半闭环控制的伺服系统，可以进行多个坐标轴的控制。具有高刚度、高精度和高效率等特点。（图示）（3）车削中心:车削中心是一种复合加工机床，工件在一次装夹后，它不但能完成对回转型面的加工，还能完成回转零件上个各表面加工，如圆柱面或端面上铣槽或平面等（如图5－6所示）（4）FMC车床:一个由数控车床、机器人等构成的柔性加工单元系统（图5—7）2．按主轴的配置形式分（1）卧式数控车床：主轴轴线处于水平位置的数控车床。（双轴卧式数控车床）（2）立式数控车床：主轴轴线处于垂直位置的数控车床。（双轴立式数控车床）3．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或两个排刀架，多采用水平导轨，可实现两坐标轴控制。（2）四轴控制的数控车床：机床上有两个独立的回转刀架，多采用斜置导轨，可实现四坐标轴控制。图经济型数控车床return图全功能型数控车床return图5－6车削中心主轴的C轴功能（a）C轴定向时，在圆柱面和端面上铣槽（b）C轴、Z轴联动进给插补，在圆柱面上铣螺旋槽（c）C轴、X轴联动进给插补，在端面上铣螺旋槽（d）C轴、X轴联动进给插补，铣直线和平面return图5—7FMC车床return5.1.5数控车床的传动与主要机械结构图5—8MJ-50数控车床的外观图1-主轴卡盘夹紧与松开的脚踏开关2-对刀仪3-主轴卡盘4-主轴箱5-机床防护门6-液压系统压力表7-对刀仪防护罩8-机床防护罩9-对刀仪转臂10-操作面板11-回转刀架12-尾座13-30°倾斜布置的滑板14-平床身1．主传动系统和主轴部件（1）主运动传动系统图5—9MJ-50数控车床传动系统图（2）主轴部件图5—10MJ-50数控车床主轴箱结构简图1-螺母2-同步带3-同步带轮4-脉冲编码器5-螺钉6-螺母7-主轴8-螺母9-主轴箱体10-角接触球轴承11-圆锥孔双列圆柱滚子轴承12-螺钉13-螺钉14-圆锥孔双列圆柱滚子轴承15-带轮16-同步带轮17-螺钉2．进给传动机构及传动装置（1）进给传动系统（图5—9）(2)横向（X轴）进给传动装置(之一)图5—11MJ-50数控车床X轴进给装置简图（之一）1-滑板2-螺母3-前支承4-轴承座5-缓冲块6-滚珠丝杠7-螺母8-缓冲块9-后支承10-同步带轮11-螺母12-同步齿形带13-键14-同步带轮15-交流伺服电机16-脉冲编码器17-镶条18-镶条19-镶条20-螺钉(2)横向（X轴）进给传动装置（之二）图5—11MJ-50数控车床X轴进给装置简图（之二）21-刀架22-导轨护板23-镶条24-镶条25-镶条26-机床参考点的限位开关27-机床参考点的挡块（3）纵向（Z轴）进给传动装置图5—11MJ-50数控车床X轴进给装置简图（之二）21-刀架22-导轨护板23-镶条24-镶条25-镶条26-机床参考点的限位开关27-机床参考点的挡块3．刀架图5—13MJ-50数控车床回转刀架结构简图4．机床尾座图5—14MJ-50数控车床尾座结构简图5．卡盘图5—15MJ-50数控车床的液压卡盘结构简图1-驱动器2-卡爪3-卡盘4-活塞杆5-液压缸6、7-行程开关5．2数控车床加工工艺分析5.2.1数控车床的主要工对象1．精度要求高的回转体零件(图5—16）2．表面粗糙度要求高的回转体零件3．表面形状复杂的回转体零件（图5—17）4．带特殊螺纹的回转体零件图5－16轴承内圈示意图图5－17成型内腔零件示例5.2.2数控车床加工零件的工艺性分析1．零件图样分析（1）尺寸标注方法分析由于数控加工精度及重复定位精度都很高，不会因产生较大的积累误差而破坏使用特性，因此可将局部的尺寸分散标注法改为以集中引注或坐标式的尺寸标注法。（图5—18）（2）零件轮廓的几何要素分析要分析几何元素的给定条件是否充分、正确。（图5—19、图5—20）（3）精度及技术要求分析①分析精度及各项技术要求是否齐全、是否合理。对采用数控加工的表面，其精度要求应尽量一致，以便最后能一刀连续加工。②分析本工序的数控车削加工精度能否达到图纸要求，若达不到，需采用其他措施（如磨削）弥补的话，注意给后续工序留有余量。③找出图样上有较高位置精度要求的表面，这些表面应在一次安装下完成。④对表面粗糙度要求较高的表面，应确定用恒线速切削。2．零件结构工艺性分析(图5—21)图5－18局部分散标注与坐标式标注return图5－19几何要素缺陷示例一图5－20几何要素缺陷示例二图5－21结构工艺性示例return5．3数控车床加工工艺路线的拟订5.3.1工序的划分在批量生产中，常用下列两种方法进行工序的划分：1．按零件加工表面划分工序（图5—22）将位置精度要求较高的表面安排在一次安装下完成，以免多次安装所产生的安装误差影响位置精度。适用于加工内容不多的零件。2．按粗、精加工划分工序以粗加工中完成的那一部分工艺过程为一道工序，精加工中完成的那一部分工艺过程为一道工序。这法适用于零件加工后易变形或精度要求较高的零件。图5－22轴承内圈精车加工方案【例】加工如图5－23a所示手柄零件，该零件加工所用坯料为φ32mm，批量生产，加工时用一台数控车床。工序的划分及装夹方式如下：工序1：（如图5－23b所示将一批工件全部车出，包括切断），夹棒料外圆柱面，工序内容有：车出φ12mm和φ20mm两圆柱面→圆锥面（粗车掉R42mm圆弧的部分余量）→转刀后按总长要求留下加工余量切断。工序2：（见图5－23c），用φ12㎜外圆和φ20㎜端面装夹，工序内容有：车削包络SR7㎜球面的30°圆锥面→对全部圆弧表面半精车（留少量的精车余量）→换精车刀将全部圆弧表面一刀精车成形。图5—23手柄加工示意图a)b)c)5.3.2加工顺序的安排1．先粗后精（图5—24）对于粗精加工在一道工序内进行的，先对各表面进行粗加工，全部粗加工结束后在进行半精加工和精加工，逐步提高加工精度。2．先近后远（图5—25）在一般情况下，离对刀点近的部位先加工，离对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。3．内外交叉对既有内表面（内型、腔），又有外表面需加工的回转体零件，安排加工顺序时，应先进行外、内表面粗加工，后进行外、内表面精加工。4．基面先行用作精基准的表面应优先加工出来，因为定位基准的表面越精确，装夹误差就越小。图5－24先粗后精图5－25先近后远5.3.3进给路线的确定1．最短的空行程路线（1）巧用起刀点。（图5—26a为采用矩形循环方式进行粗车的一般情况示例）（2）巧设换（转）刀点.（图5—26a将换（转）刀点也设置在离坯件较远的位置处)（3）合理安排“回零”路线。（执行“回零”（即返回对刀点）指令）2．粗加工（或半精加工）进给路线（1）常用的粗加工进给路线。（图5—27为利用数控系统具有的矩形循环功能、三角形循环功能、封闭式复合循环功能的进给路线)（2）大余量毛坯的阶梯切削进给路线。（图5—28为车削大余量工件两种加工路线)（3）双向切削进给路线。（图5—29为轴向和径向联动双向进刀的路线)3．精加工进给路线（1）完工轮廓的连续切削进给路线。在安排一刀或多刀进行的精加工进给路线时，其零件的完工轮廓应由最后一刀连续加工而成。（2）各部位精度要求不一致的精加工进给路线。若各部位精度相差不是很大时，应以最严的精度为准，连续走刀加工所有部位；若各部位精度相差很大，则精度接近的表面安排同一把刀走刀路线内加工，并先加工精度较低的部位，最后再单独安排精度高的部位的走刀路线。4．特殊的进给路线（如图5—30-图5—32）在数控车削加工中，一般情况下，Z坐标轴方向的进给路线都是沿着坐标的负方向进给的，但有时按这种常规方式安排进给路线并不合理，甚至可能车坏工件。图5—26巧用起刀点a)将起刀点与对刀点重合在一起：第一刀为A→B→C→D→A；第二刀为A→E→F→G→A；第三刀为A→H→I→J→A。b)巧将起刀点与对刀点分离：起刀点与对刀点分离的空行程为A→B；第一刀为B→C→D→E→B；第二刀为B→F→G→H→B；第三刀为B→I→J→K→B。return图5—27常用的粗加工循环进给路线图5—27a为利用数控系统具有的矩形循环功能而安排的“矩形”循环进给路线。图5—27b为利用数控系统具有的三角形循环功能而安排的“三角形”循环进给路线。图5—27c为利用数控系统具有的封闭式复合循环功能控制车刀沿工件轮廓等距线循环的进给路线。对以上三种切削进给路线，经分析和判断后可知矩形循环进给路线的进给长度总和最短。因此，在同等条件下，其切削所需时间（不含空行程）最短，刀具的损耗最少。但粗车后的精车余量不够均匀，一般需安排半精车加工。return图5—28大余量毛坯的阶梯切削进给路线a)错误的阶梯切削路线b)正确的阶梯切削路线图5—29顺工件轮廓双向进给的路线returnreturn图5—30两种不同的进给方法图5—31嵌刀现象图5—32合理的进给方案5.3.4夹具的选择1．圆周定位夹具（1）三爪自定心卡盘：能自动定心，夹持范围大，一般不需找正，装夹速度较快。但夹紧力小，卡盘磨损后会降低定心精度。（图5—33）（2）软爪：软爪是在使用前配合被加工工件特别制造的，如加工成圆弧面、圆锥面或螺纹等形式，可获得理想的夹持精度。（图5—34）（