第四章 典型數控機床加工

4.1.1車削的定義：普通車削也叫單點車削，基本定義是用單點刀具生成圓柱形狀，車削是刀具的進給運動和工件旋轉運動的組合。單點切削的許多原理也適用于其他切削刀具，如鏜削和多點的旋轉的銑削；刀具的進給沿著工件的軸向進行移動，意味著零件的直徑變小，刀具在零件的末端超中心方向移動，意味著零件的長度變短，有時進給是這兩種運動方向的組合，其結果是形成曲線表面。因此可分為縱向切削、端面切削和仿形切削。4.1.2數控車床的加工對象：1.表面形狀復雜的回轉體零件

例如：非圓曲線輪廓可用二次曲線插補功能，或者先用直線、圓弧去逼近，然后再用直線或圓弧功能進行插補；2.精度要求高的回轉體零件例如：尺寸精度達到1um的零件，圓度、直線度和傾斜度均要求高的圓錐體零件，通過恒線速度加工的表面精度要求高的各種變徑表面類零件等；3.帶特殊螺紋的回轉體零件一臺傳統(tǒng)車床只能加工限定的若干種等節(jié)距螺紋，數控車床則能加工任何等節(jié)距的直、錐、端面螺紋及變節(jié)距螺紋的加工；4.淬硬工件的加工某些大尺寸、形狀復雜的零件熱處理后的變形量較大，磨削加工困難，可以車代磨，提高加工效率；4.1.3數控車床加工工藝的制定：1.零件圖工藝分析

手工編程時，要計算每個節(jié)點的坐標；自動編程時，要對構成零件輪廓的所有幾何元素進行定義；對一些尺寸進行必要的數學計算，如轉彎半徑的軌跡插補，增量尺寸與絕對尺寸及尺寸鏈計算。2.精度、粗糙度要求分析分析各項技術要求，判斷能否實現，并確定控制精度、粗糙度等工藝方法；對尺寸精度有要求的尺寸一般取最大和最小極限尺寸的平均值，以此作為編程尺寸；待加工材料、加工精度、表面粗糙度的要求，是選擇車床型號、刀具、切削用量的主要依據，需查閱相關的加工手冊進行確定。3.尺寸標注方法分析應以同一基準標注尺寸或直接給出坐標尺寸。4.1.3數控車床加工工藝的制定：1.零件圖工藝分析(1)構成零件輪廓的幾何要素分析

手工編程時，要計算每個節(jié)點的坐標；自動編程時，要對構成零件輪廓的所有幾何元素進行定義；對一些尺寸進行必要的數學計算，如轉彎半徑的軌跡插補，增量尺寸與絕對尺寸及尺寸鏈計算。(2)精度、粗糙度要求分析分析各項技術要求，判斷能否實現，并確定控制精度、粗糙度等工藝方法；對尺寸精度有要求的尺寸一般取最大和最小極限尺寸的平均值，以此作為編程尺寸；待加工材料、加工精度、表面粗糙度的要求，是選擇車床型號、刀具、切削用量的主要依據，需查閱相關的加工手冊進行確定。(3)尺寸標注方法分析應以同一基準標注尺寸或直接給出坐標尺寸。4.1.3數控車床加工工藝的制定：2.加工作業(yè)的劃分車削加工作業(yè)基本上可分為四種類型，大致如下4.1.3數控車床加工工藝的制定：3.裝夾方法選擇(1)在三爪自定心卡盤上裝夾其特點是不需要找正，裝夾快，自動定心好，但夾緊力較小，適用于裝夾外形規(guī)則的中小型工件。數控車床主軸轉速較高，多采用液壓高速動力卡盤。這種卡盤具有高轉速、高夾緊力、高精度、調爪方便、通孔、使用壽命長等優(yōu)點。通過調整油缸的壓力，可改變卡盤的夾緊力，以滿足夾持各種薄壁和易變形工件的特殊需要。為減少細長軸加工時的受力變形，提高加工精度，在加工帶孔軸類工件內孔時，可采用液壓自動定心架。(2)在兩頂尖之間裝夾對于長度尺寸較大或加工工序較多的軸類工件，為保證每次裝夾時的裝夾精度，可用兩頂尖裝夾。兩頂尖裝夾工件方便，不需找正，裝夾精度高，但必須先在工件的兩端面鉆出中心孔。(3)用卡盤和頂尖裝夾車削質量較大工件時要一端用卡盤夾住，另一端用后頂尖支撐。為了防止工件由于切削力的作用而產生軸向位移，必須在卡盤內裝一限位支撐，或利用工件的臺階面限位。其特點是能承受較大的軸向切削力，安裝剛性好，軸向定位精確，應用廣泛。4.1.3數控車床加工工藝的制定：3.裝夾方法選擇(4)用四爪卡盤單動卡盤裝夾四爪單動卡盤的四個卡爪是各自獨立運動的，可以調整工件夾持部位在主軸上的位置，使工件加工面的回轉中心與車床主軸的回轉中心重合，四爪單動卡盤夾緊力較大，裝夾精度高，但找正比較費時，適用于大型或形狀不規(guī)則的單件小批量生產。4.1.3數控車床加工工藝的制定：4.加工順序原則(1)先粗后精用較短的時間將精加工前大量的加工余量去掉，同時盡量滿足精加工的余量均勻性要求，可提高生產效率，并保證零件的精加工質量。若粗車后留余量的均勻性滿足不了精加工的要求，則要安排半精車，為精車做準備。為保證加工精度，精車要一刀切出圖樣要求的零件輪廓。此原則實質是在一個工序內分階段加工，這樣有利于保證零件的加工精度，適用于精度要求高的場合。(2)先近后遠遠與近，是按加工部位相對于對刀點的距離而言的。通常安排離對刀點近的部位先加工，離對刀點遠的部位后加工，以便縮短刀具移動距離，減少空車行程時間，同時有利于保持毛坯或者半成品的剛性，改善切削條件。4.1.3數控車床加工工藝的制定：4.加工順序原則(3)內外交叉對內、外表面均需加工的零件，應先進行、外表面的粗加工，后進行內外表面的精加工，不可將零件上一部分表面加工完成后，再進行另一部分的加工。(4)基面先行定位基準的表面越精確，裝夾誤差就越小。車削時先加工中心孔，再以中心孔為精基準加工外圓表面和端面。4.1.3數控車床加工工藝的制定：5.加工進給路線的確定進給路線是刀具在整個加工工序中相對于工件的運動軌跡，是編程的依據。加工路線的確定首先必須保持被加工零件的精度和表面質量，其次應考慮數值計算簡單、走刀路線盡量短、效率高的原則。因精加工的進給路線基本上都是沿著零件輪廓順序進行的，所以確定進給路線的工作重點是確定粗加工及空行程的路線。(1)對大余量毛坯進行多次切削時，可以是常用的階梯車削法，也可采用依次從軸向和徑向進刀、順著工件毛坯輪廓走刀的路線。(2)當某表面的余量較多，需分層多次走刀切削時，從第二刀開始就要注意防止走刀到終點時切削深度的猛增。這對延長粗加工刀具的壽命是有利的。4.1.3數控車床加工工藝的制定：5.加工進給路線的確定(3)確定最短的空行程路線。1)巧用對刀點。將起刀點與對刀點分離，以減少空行程路線。2)巧設換刀點。為了考慮換刀的安全，有時將換刀點設置在離坯件較遠的位置處，造成當換第二把刀后，進行精車的空行程路線必然也長；如果將第二把刀的換刀設置在離工件較近的位置上，則可縮短空行程距離。3)合理安排“回零”路線。初學者為使計算過程簡化、不易出錯，往往將每一刀加工完成后的刀具終點通過執(zhí)行“回零”指令，使其全都返回到對刀點位置，然后再進行后續(xù)程序。這樣增加走刀路線的距離，應使其前一刀終點與后一刀起點間的距離縮短，或者為零。4.1.3數控車床加工工藝的制定：7.切削用量的選擇數控車削加工中的切削用量包括背吃刀量ap、切削速度vc和進給量f。粗車時，首先考慮選擇一個盡可能大的背吃刀量ap，其次選擇一個較大的進給量f，最后確定一個合適的切削速度vc。增大背吃刀量ap可使走刀次數減少，增大進給量f有利于斷屑，根據以上原則選擇粗車切削用量，有利于提高生產效率，降低加工成本。精車時，選用較小的背吃刀量ap和進給量f，并選用切削性能高的刀具材料和合理的幾何參數，以盡可能提高切削速度vc，保證產品精度和表面粗糙度。4.1.3數控車床加工工藝的制定：7.切削用量的選擇(1)背吃刀量ap盡可能選取較大的背吃刀量，以減少進給次數。當零件精度要求較高時，則應考慮留出精車余量，其所留的精車余量一般比普通車削時所留余量小，常取0.1~0.5mm。(2)進給量f進給量f的選取應該與背吃刀量和主軸轉速相適應。在保證加工質量前提的條件下，可以選擇較高的進給速度。在切斷、車削深孔或精車時，應選擇較低的進給速度。當刀具空車行程特別是遠距離“回零”時，可以設定盡量高的進給速度。車削加工進給量選取4.1.3數控車床加工工藝的制定：7.切削用量的選擇(3)主軸轉速n根據零件上被加工部位的直徑，并按零件和刀具材料以及加工性質等條件所允許的切削速度來定。切削速度定下后，用下面公式計算主軸轉速：n=1000vc/（πD）硬質合金外圓車刀切削速度參考值現要完成圖4-1所示聯接軸加工案例零件的數控車削加工，具體設計該聯接軸的數控加工工藝。該聯接軸材料45鋼，批量3件。如何設計該聯接軸加工案例的數控車削加工工藝？

圖4-1聯接軸加工案例1．零件圖紙工藝分析：

該聯接軸加工案例零件加工表面由圓柱、圓錐、順圓弧、逆圓弧及雙頭螺紋等表面組成。圓柱面直徑、球面直徑及凹圓弧面的直徑尺寸和大錐面的錐角等的精度要求較高；球徑SΦ50mm的尺寸公差還兼有控制該球面形狀（線輪廓）誤差的作用，大部分的表面粗糙度為Ra3.2μm。尺寸標注完整，輪廓描述清楚。零件的材料為45鋼，無熱處理和硬度要求，切削加工性能較好。通過上述分析，可采用以下幾點工藝措施：（1）零件圖形的數學處理及編程尺寸設定值的確定：①對零件圖上幾個精度要求較高的尺寸，將基本尺寸換算成平均尺寸；②保持零件圖上原重要的幾何約束關系，如角度、相切等不變；③調整零件圖上精度低的尺寸，通過修改一般精度尺寸保持零件原有幾何約束關系，使之協(xié)調；④節(jié)點坐標尺寸的計算，按調整后的尺寸計算有關未知節(jié)點的坐標尺寸。（2）在輪廓曲線上，有三處為圓弧，其中兩處為既過象限又改變進給方向的輪廓曲線，因此在加工時應進行進給傳動系統(tǒng)反向間隙補償，以保證輪廓曲線的準確性。（3）為便于裝夾，毛坯選用Φ60mm×180mm棒料，毛坯左端先用普通車床車出夾持部位，如下圖雙點畫線所示，右端面也先用普通車床車好保證總長165mm，并鉆好中心孔。

聯接軸數控車削前工序圖2．機床選擇：該案例零件規(guī)格不大，除尺寸精度要求稍高外，加工表面粗糙度要求不高，故數控車床選用規(guī)格不大的全功能型數控車床即可。3．裝夾方案及夾具選擇：為便于裝夾，案例零件毛坯的左端可在普通車床上預先車出夾持部分（如聯接軸數控車削前工序圖的雙點劃線部分），右端面也在普通車床上先車好保證總長165mm,并鉆好中心孔。裝夾時以零件的軸線和左端大端面（設計基準）為定位基準。用三爪自定心卡盤定心夾緊左端，右端采用活動頂尖作輔助支承（一夾一頂）。4．加工工藝路線設計：（1）確定加工順序

加工順序為先粗車后精車，粗車給精車單邊留0.25mm的余量；工步順序按由近到遠（由右至左）的原則進行，即先從右到左進行粗車（單邊留0.25mm精車余量），然后從右到左進行精車，最后車削螺紋。1）粗車分以下兩步進行：①粗車外圓，基本采用階梯切削路線，粗車￠56mm、S￠50mm、￠36mm、M30mm各外圓段以及錐長為10mm的圓錐段，留1mm的余量。②自右向左粗車R15mm、R25mm、S￠50mm、R15mm各圓弧面及30°±3′的圓錐面。2）自右向左精車:螺紋右端倒角→車削螺紋段外圓￠30mm→螺紋左端倒角→5mm×￠26mm螺紋退刀槽→錐長10mm的圓錐→￠36mm圓柱段→R15mm、R25mm、S￠50mm、R15mm各圓弧面→5mm×￠34mm的槽→30°±3′的圓錐面→￠56mm圓柱段。3）車螺紋（2）確定進給加工路線

數控車床數控系統(tǒng)具有粗車循環(huán)和車螺紋循環(huán)功能，只要正確使用編程指令，機床數控系統(tǒng)就會自行確定其進給路線，因此，該案例零件的粗車循環(huán)和車螺紋循環(huán)不需要人為確定其進給加工路線，但精車的進給加工路線需要人為確定。該案例零件精車的進給加工路線是從右到左沿零件表面輪廓精車進給，如圖所示：精車輪廓進給加工路線

5．刀具選擇：（1）選用￠5mm中心鉆鉆削中心孔；（2）粗車及車端面選用硬質合金主偏角90°右偏刀，為防止副后刀面與工件輪廓發(fā)生干涉，副偏角不能太小，選副偏角κr′＝35°。（3）精車輪廓選用帶涂層硬質合金主偏角90°右偏刀，車螺紋選用帶涂層硬質合金60°外螺紋車刀，刀尖圓弧半徑應小于輪廓最小圓角半徑，取刀尖圓弧半徑r＝0.15~0.2mm。數控加工刀具卡片6．切削用量選擇：（1）背吃刀量的選擇：輪廓粗車循環(huán)時選ap＝3mm，精車時ap＝0.25mm；螺紋粗車時選ap＝0.4mm，逐刀減少，精車ap＝0.1mm。（2）主軸轉速n的選擇：車直線和圓弧輪廓時，查項目一硬質合金外圓車刀切削速度的參考數值，選粗車的切削速度vc＝90m／min，精車的切削速度vc＝120m／min，然后利用公式n=（1000×

vc）/（3.14

×d)計算主軸轉速n得到：粗車500r/min、精車1200r/min，車螺紋時按公式n≤1200/P-K計算得到最高轉速為320r/min，因螺距為3mm稍大，為確保螺紋車刀片耐用度，選取250r/min。（其中p是螺距，k是系數，一般取80）（3）進給速度的選擇：根據項目一硬質合金車刀粗車外圓和端面的進給量和按表面粗糙度選擇進給量的參考值，再根據加工的實際情況，確定，粗車時，選取進給量f＝0.4mm／r；精車時，選取f＝0.15mm／r；車螺紋的進給量等于螺紋導程，即f＝3mm／r。加工工藝卡片現要完成圖4所示軸承套加工案例零件的數控車削加工，具體設計該軸承套的數控加工工藝。該軸承套材料為45鋼，毛坯Φ82mm×112mm棒料，單件小批生產。如何設計該軸承套加工案例的數控車削加工工藝？

圖4-軸承套加工案例1．零件圖紙工藝分析：

該軸承套加工案例零件表面由內外圓柱面、內圓錐面、順圓弧、逆圓弧及外螺紋等表面組成，其中多個直徑尺寸與軸向尺寸有較高的尺寸精度和表面粗糙度要求。零件圖尺寸標注完整，符合數控加工尺寸標注要求；輪廓描述清楚完整；零件材料45鋼，切削加工性能較好，無熱處理和硬度要求。通過上述分析，采取以下幾點工藝措施：

（1）對零件圖上幾個精度要求較高的尺寸，編程時將基本尺寸換算成平均尺寸；（2）左、右端面均為多個尺寸的設計基準，數控車床加工前，應該先用普通車床將左、右端面及總長加工好，并鉆中心孔，再用立式鉆床鉆孔至￠26mm。

2．機床選擇：該案例零件規(guī)格不大，尺寸精度要求不高，加工表面粗糙度要求稍高，故數控車床選用規(guī)格不大的全功能型數控車床即可。3．裝夾方案及夾具選擇：（1）內孔加工定位基準：內孔加工時以外圓定位。裝夾方案：用三爪自定心卡盤夾緊（在卡盤內放置合適的圓盤件或隔套，工件裝夾時只須靠緊圓盤件或隔套即可準確軸向定位）。（2）外輪廓加工定位基準：確定零件軸線為定位基準。裝夾方案：加工外輪廓時，為保證一次安裝加工出全部外輪廓，需要設一圓錐心軸裝置，用三爪卡盤夾持心軸左端，心軸右端留有中心孔并用尾座頂尖頂緊以提高工藝系統(tǒng)的剛性。

如圖所示：外輪廓車削裝夾方案（3）內孔尺寸較小，車1:20錐孔與車￠32孔及15°錐面時需掉頭裝夾。4．加工工藝路線設計：加工順序按由內到外、由粗到精、由近到遠的原則確定，在一次裝夾中盡可能加工出較多的工件表面。結合本案例零件的結構特征，可先加工內孔各表面，然后加工外輪廓各表面。由于該零件為單件小批量生產，加工進給路線設計不必考慮最短進給路線或最短空行程路線，外輪廓表面車削走刀路線可沿零件輪廓順序進行，如圖所示：外輪廓加工走刀路線5．刀具選擇：具體所選刀具詳見數控加工刀具卡，但注意：由于外輪廓表面是臺階，因而車刀的主偏角應為90°～93°，為防止副后刀面與工件表面發(fā)生干涉，應選擇較大的副偏角，具體選副偏角κr′＝55°。軸承套數控加工刀具卡片6．切削用量選擇：

根據被加工表面質量要求、刀具材料和工件材料，參考切削用量手冊或有關資料選取切削速度與每轉進給量，然后利用公式n=（1000×

vc）/（3.14×d)，計算主軸轉速，計算結果填入數控加工工序卡中。具體切削用量詳見數控加工工序卡。背吃刀量的選擇因粗、精加工而有所不同。粗加工時，在工藝系統(tǒng)剛性和機床功率允許的情況下，盡可能取較大的背吃刀量，以減少進給次數；精加工時，為保證零件表面粗糙度要求，背吃刀量一般取0.l-0.2mm較為合適。加工工藝卡片加工工藝卡片13精車M45螺紋T0725*253201.5mm/r0.1自動工序號刀具規(guī)格主軸速度背吃刀量編制720*204000.2925*253201批準825*2532011125*254000.1年月日1025*254000.1工序內容精鏜1:20錐孔心軸裝夾從右至左粗外輪廓從左至右粗外輪廓從右至左精外輪廓從左至右精外輪廓12三爪卡盤25*253200.4頁刀具號T04T05T06T05T06T07進給速度20404020201.5mm/r備注自動自動自動自動自動自動4.2數控銑床加工工藝6.1.1數控銑床的用途

4.2.1銑削的定義銑削主要通過旋轉的多切削刃刀具，刀具的每個切削刃都可以去除一定數量的金屬，沿著工件的任何方向上執(zhí)行可編程的進給運動，從而使其成為切削。一般而言，銑削刀具使用一下基本切削中的一種或者多種組合：徑向進刀，以加工平面為主，面銑主要利用刀片的周邊刃口進行切削，端面刃口主要對加工表面進行修光作用，一般不形成切削；側面進刀，以加工槽寬為例，其主要以三面刃銑為主，進給方向與主軸垂直，槽的寬度由刀具調整的寬度決定；軸向進刀，以深度方向加工的插銑為主，利用刀具端面或末端的切削刃，并通過軸向進給來形成局部切削。4.2數控銑床加工工藝6.1.1數控銑床的用途一般的數控銑床是指規(guī)格較小的升降臺式數控銑床，其工作臺寬度多在400mm以下，規(guī)格較大的數控銑床（如工作臺寬度在500mm以上的），其功能已向加工中心靠近，進而演變成榮幸加工單元。數控銑床多為三坐標、兩軸聯動的機床，也稱兩軸半控制，即在X、Y、Z三個坐標軸中，任意兩軸都可以聯動。一般情況下，在數控銑床上只能用來加平面曲線的輪廓。對于有特殊要求的數控銑床，還可以加進一個回轉的A坐標或C坐標，即增加一個數控分度頭或數控回轉工作臺，它可安裝在機床工作臺的不同位置，這時機床的數控系統(tǒng)為四坐標的數控系統(tǒng)，可用來加工螺旋槽、葉片等立體曲面零件。與普通銑床相比，數控銑床的加工精度高，精度穩(wěn)定性好，適應性強，操作勞動強度低，特別適應于板類、盤類、殼具類、模具類等復雜形狀的零件或對精度保持性要求較高的中、小批量零件的加工。6．1．2數控銑床的分類1．數控銑床按其主軸位置的不同分三類（1）數控立式銑床其主軸垂直于水平面。小型數控銑床一般都采用工作臺移動、升降及主軸不動方式，與普通立式升降臺銑床結構相似；中型數控銑床一般采用縱向和橫向工作臺移動方式，且主軸沿垂直溜板上下運動；大型數控銑床因要考慮到擴大行程，縮小占地面積及剛性等技術問題，往往采用龍門架移動方式，其主軸可以在龍門架的縱向與垂直溜板上運動，而龍門架則沿床身作縱向移動，這類結構又稱之為龍門數控銑床。數控立式銑床可以附加數控轉盤，采用自動交換臺。增加靠模裝置等來擴大數控立式銑床的功能、加工范圍和加工對象，進一步提高生產效率。

（2）臥式數控銑床其主軸平行于水平面。為了擴大加工范圍和擴充功能，臥式數控銑床通常采用增加數控轉盤或萬能數控轉盤來實現4至5坐標，進行“四面加工”。（3）立、臥兩用數控銑床它的主軸方向可以更換（有手動與自動兩種），既可以進行立式加工，又可以進行臥式加工，其使用范圍更廣，功能更全。當采用數控萬能主軸頭時，其主軸頭可以任意轉換方向，可以加工出與水平面呈各種不同角度的工件表面。當增加數控轉盤后，就可以實現對工件的“五面加工”。2．從機床數控系統(tǒng)控制的坐標軸數量分類有2.5坐標聯動數控銑床（只能進行X、Y、Z三個坐標中的任意2個坐標軸聯動加工）、3坐標聯動數控銑床、4坐標聯動數控銑床、5坐標聯動數控銑床。6．2．2數控機床銑削加工內容的選擇1．采用數控銑削加工內容(1)工件上的曲線輪廓內、外形，特別是由數學表達式給出的非圓曲線與列表曲線等曲線輪廓。(2)已給出數學模型的空間曲線。(3)形狀復雜，尺寸繁多，劃線與檢測困難的部位。(4)用通用銑床加工時難以觀察、測量和控制進給的內、外凹槽。(5)以尺寸協(xié)調的高精度孔或面。(6)能在一次安裝中順帶銑出來的簡單表面或形狀。(7)采用數控銑削能成倍提高生產率，大大減輕體力勞動的一般加工內容。2．不宜采用數控銑削加工內容(1)需要進行長時間占機和進行人工調整的粗加工內容，如以毛坯粗基準定位劃線找正的加工。(2)必須按專用工裝協(xié)調的加工內容(如標準樣件、協(xié)調平板、模胎等)。(3)毛坯上的加工余量不太充分或不太穩(wěn)定的部位。(4)簡單的粗加工面。(5)必須用細長銑刀加工的部位，一般指