第四章 典型数控机床加工

4.1.1车削的定义：普通车削也叫单点车削，基本定义是用单点刀具生成圆柱形状，车削是刀具的进给运动和工件旋转运动的组合。单点切削的许多原理也适用于其他切削刀具，如镗削和多点的旋转的铣削；刀具的进给沿着工件的轴向进行移动，意味着零件的直径变小，刀具在零件的末端超中心方向移动，意味着零件的长度变短，有时进给是这两种运动方向的组合，其结果是形成曲线表面。因此可分为纵向切削、端面切削和仿形切削。4.1.2数控车床的加工对象：1.表面形状复杂的回转体零件

例如：非圆曲线轮廓可用二次曲线插补功能，或者先用直线、圆弧去逼近，然后再用直线或圆弧功能进行插补；2.精度要求高的回转体零件例如：尺寸精度达到1um的零件，圆度、直线度和倾斜度均要求高的圆锥体零件，通过恒线速度加工的表面精度要求高的各种变径表面类零件等；3.带特殊螺纹的回转体零件一台传统车床只能加工限定的若干种等节距螺纹，数控车床则能加工任何等节距的直、锥、端面螺纹及变节距螺纹的加工；4.淬硬工件的加工某些大尺寸、形状复杂的零件热处理后的变形量较大，磨削加工困难，可以车代磨，提高加工效率；4.1.3数控车床加工工艺的制定：1.零件图工艺分析

手工编程时，要计算每个节点的坐标；自动编程时，要对构成零件轮廓的所有几何元素进行定义；对一些尺寸进行必要的数学计算，如转弯半径的轨迹插补，增量尺寸与绝对尺寸及尺寸链计算。2.精度、粗糙度要求分析分析各项技术要求，判断能否实现，并确定控制精度、粗糙度等工艺方法；对尺寸精度有要求的尺寸一般取最大和最小极限尺寸的平均值，以此作为编程尺寸；待加工材料、加工精度、表面粗糙度的要求，是选择车床型号、刀具、切削用量的主要依据，需查阅相关的加工手册进行确定。3.尺寸标注方法分析应以同一基准标注尺寸或直接给出坐标尺寸。4.1.3数控车床加工工艺的制定：1.零件图工艺分析(1)构成零件轮廓的几何要素分析

手工编程时，要计算每个节点的坐标；自动编程时，要对构成零件轮廓的所有几何元素进行定义；对一些尺寸进行必要的数学计算，如转弯半径的轨迹插补，增量尺寸与绝对尺寸及尺寸链计算。(2)精度、粗糙度要求分析分析各项技术要求，判断能否实现，并确定控制精度、粗糙度等工艺方法；对尺寸精度有要求的尺寸一般取最大和最小极限尺寸的平均值，以此作为编程尺寸；待加工材料、加工精度、表面粗糙度的要求，是选择车床型号、刀具、切削用量的主要依据，需查阅相关的加工手册进行确定。(3)尺寸标注方法分析应以同一基准标注尺寸或直接给出坐标尺寸。4.1.3数控车床加工工艺的制定：2.加工作业的划分车削加工作业基本上可分为四种类型，大致如下4.1.3数控车床加工工艺的制定：3.装夹方法选择(1)在三爪自定心卡盘上装夹其特点是不需要找正，装夹快，自动定心好，但夹紧力较小，适用于装夹外形规则的中小型工件。数控车床主轴转速较高，多采用液压高速动力卡盘。这种卡盘具有高转速、高夹紧力、高精度、调爪方便、通孔、使用寿命长等优点。通过调整油缸的压力，可改变卡盘的夹紧力，以满足夹持各种薄壁和易变形工件的特殊需要。为减少细长轴加工时的受力变形，提高加工精度，在加工带孔轴类工件内孔时，可采用液压自动定心架。(2)在两顶尖之间装夹对于长度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。两顶尖装夹工件方便，不需找正，装夹精度高，但必须先在工件的两端面钻出中心孔。(3)用卡盘和顶尖装夹车削质量较大工件时要一端用卡盘夹住，另一端用后顶尖支撑。为了防止工件由于切削力的作用而产生轴向位移，必须在卡盘内装一限位支撑，或利用工件的台阶面限位。其特点是能承受较大的轴向切削力，安装刚性好，轴向定位精确，应用广泛。4.1.3数控车床加工工艺的制定：3.装夹方法选择(4)用四爪卡盘单动卡盘装夹四爪单动卡盘的四个卡爪是各自独立运动的，可以调整工件夹持部位在主轴上的位置，使工件加工面的回转中心与车床主轴的回转中心重合，四爪单动卡盘夹紧力较大，装夹精度高，但找正比较费时，适用于大型或形状不规则的单件小批量生产。4.1.3数控车床加工工艺的制定：4.加工顺序原则(1)先粗后精用较短的时间将精加工前大量的加工余量去掉，同时尽量满足精加工的余量均匀性要求，可提高生产效率，并保证零件的精加工质量。若粗车后留余量的均匀性满足不了精加工的要求，则要安排半精车，为精车做准备。为保证加工精度，精车要一刀切出图样要求的零件轮廓。此原则实质是在一个工序内分阶段加工，这样有利于保证零件的加工精度，适用于精度要求高的场合。(2)先近后远远与近，是按加工部位相对于对刀点的距离而言的。通常安排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，减少空车行程时间，同时有利于保持毛坯或者半成品的刚性，改善切削条件。4.1.3数控车床加工工艺的制定：4.加工顺序原则(3)内外交叉对内、外表面均需加工的零件，应先进行、外表面的粗加工，后进行内外表面的精加工，不可将零件上一部分表面加工完成后，再进行另一部分的加工。(4)基面先行定位基准的表面越精确，装夹误差就越小。车削时先加工中心孔，再以中心孔为精基准加工外圆表面和端面。4.1.3数控车床加工工艺的制定：5.加工进给路线的确定进给路线是刀具在整个加工工序中相对于工件的运动轨迹，是编程的依据。加工路线的确定首先必须保持被加工零件的精度和表面质量，其次应考虑数值计算简单、走刀路线尽量短、效率高的原则。因精加工的进给路线基本上都是沿着零件轮廓顺序进行的，所以确定进给路线的工作重点是确定粗加工及空行程的路线。(1)对大余量毛坯进行多次切削时，可以是常用的阶梯车削法，也可采用依次从轴向和径向进刀、顺着工件毛坯轮廓走刀的路线。(2)当某表面的余量较多，需分层多次走刀切削时，从第二刀开始就要注意防止走刀到终点时切削深度的猛增。这对延长粗加工刀具的寿命是有利的。4.1.3数控车床加工工艺的制定：5.加工进给路线的确定(3)确定最短的空行程路线。1)巧用对刀点。将起刀点与对刀点分离，以减少空行程路线。2)巧设换刀点。为了考虑换刀的安全，有时将换刀点设置在离坯件较远的位置处，造成当换第二把刀后，进行精车的空行程路线必然也长；如果将第二把刀的换刀设置在离工件较近的位置上，则可缩短空行程距离。3)合理安排“回零”路线。初学者为使计算过程简化、不易出错，往往将每一刀加工完成后的刀具终点通过执行“回零”指令，使其全都返回到对刀点位置，然后再进行后续程序。这样增加走刀路线的距离，应使其前一刀终点与后一刀起点间的距离缩短，或者为零。4.1.3数控车床加工工艺的制定：7.切削用量的选择数控车削加工中的切削用量包括背吃刀量ap、切削速度vc和进给量f。粗车时，首先考虑选择一个尽可能大的背吃刀量ap，其次选择一个较大的进给量f，最后确定一个合适的切削速度vc。增大背吃刀量ap可使走刀次数减少，增大进给量f有利于断屑，根据以上原则选择粗车切削用量，有利于提高生产效率，降低加工成本。精车时，选用较小的背吃刀量ap和进给量f，并选用切削性能高的刀具材料和合理的几何参数，以尽可能提高切削速度vc，保证产品精度和表面粗糙度。4.1.3数控车床加工工艺的制定：7.切削用量的选择(1)背吃刀量ap尽可能选取较大的背吃刀量，以减少进给次数。当零件精度要求较高时，则应考虑留出精车余量，其所留的精车余量一般比普通车削时所留余量小，常取0.1~0.5mm。(2)进给量f进给量f的选取应该与背吃刀量和主轴转速相适应。在保证加工质量前提的条件下，可以选择较高的进给速度。在切断、车削深孔或精车时，应选择较低的进给速度。当刀具空车行程特别是远距离“回零”时，可以设定尽量高的进给速度。车削加工进给量选取4.1.3数控车床加工工艺的制定：7.切削用量的选择(3)主轴转速n根据零件上被加工部位的直径，并按零件和刀具材料以及加工性质等条件所允许的切削速度来定。切削速度定下后，用下面公式计算主轴转速：n=1000vc/（πD）硬质合金外圆车刀切削速度参考值现要完成图4-1所示联接轴加工案例零件的数控车削加工，具体设计该联接轴的数控加工工艺。该联接轴材料45钢，批量3件。如何设计该联接轴加工案例的数控车削加工工艺？

图4-1联接轴加工案例1．零件图纸工艺分析：

该联接轴加工案例零件加工表面由圆柱、圆锥、顺圆弧、逆圆弧及双头螺纹等表面组成。圆柱面直径、球面直径及凹圆弧面的直径尺寸和大锥面的锥角等的精度要求较高；球径SΦ50mm的尺寸公差还兼有控制该球面形状（线轮廓）误差的作用，大部分的表面粗糙度为Ra3.2μm。尺寸标注完整，轮廓描述清楚。零件的材料为45钢，无热处理和硬度要求，切削加工性能较好。通过上述分析，可采用以下几点工艺措施：（1）零件图形的数学处理及编程尺寸设定值的确定：①对零件图上几个精度要求较高的尺寸，将基本尺寸换算成平均尺寸；②保持零件图上原重要的几何约束关系，如角度、相切等不变；③调整零件图上精度低的尺寸，通过修改一般精度尺寸保持零件原有几何约束关系，使之协调；④节点坐标尺寸的计算，按调整后的尺寸计算有关未知节点的坐标尺寸。（2）在轮廓曲线上，有三处为圆弧，其中两处为既过象限又改变进给方向的轮廓曲线，因此在加工时应进行进给传动系统反向间隙补偿，以保证轮廓曲线的准确性。（3）为便于装夹，毛坯选用Φ60mm×180mm棒料，毛坯左端先用普通车床车出夹持部位，如下图双点画线所示，右端面也先用普通车床车好保证总长165mm，并钻好中心孔。

联接轴数控车削前工序图2．机床选择：该案例零件规格不大，除尺寸精度要求稍高外，加工表面粗糙度要求不高，故数控车床选用规格不大的全功能型数控车床即可。3．装夹方案及夹具选择：为便于装夹，案例零件毛坯的左端可在普通车床上预先车出夹持部分（如联接轴数控车削前工序图的双点划线部分），右端面也在普通车床上先车好保证总长165mm,并钻好中心孔。装夹时以零件的轴线和左端大端面（设计基准）为定位基准。用三爪自定心卡盘定心夹紧左端，右端采用活动顶尖作辅助支承（一夹一顶）。4．加工工艺路线设计：（1）确定加工顺序

加工顺序为先粗车后精车，粗车给精车单边留0.25mm的余量；工步顺序按由近到远（由右至左）的原则进行，即先从右到左进行粗车（单边留0.25mm精车余量），然后从右到左进行精车，最后车削螺纹。1）粗车分以下两步进行：①粗车外圆，基本采用阶梯切削路线，粗车￠56mm、S￠50mm、￠36mm、M30mm各外圆段以及锥长为10mm的圆锥段，留1mm的余量。②自右向左粗车R15mm、R25mm、S￠50mm、R15mm各圆弧面及30°±3′的圆锥面。2）自右向左精车:螺纹右端倒角→车削螺纹段外圆￠30mm→螺纹左端倒角→5mm×￠26mm螺纹退刀槽→锥长10mm的圆锥→￠36mm圆柱段→R15mm、R25mm、S￠50mm、R15mm各圆弧面→5mm×￠34mm的槽→30°±3′的圆锥面→￠56mm圆柱段。3）车螺纹（2）确定进给加工路线

数控车床数控系统具有粗车循环和车螺纹循环功能，只要正确使用编程指令，机床数控系统就会自行确定其进给路线，因此，该案例零件的粗车循环和车螺纹循环不需要人为确定其进给加工路线，但精车的进给加工路线需要人为确定。该案例零件精车的进给加工路线是从右到左沿零件表面轮廓精车进给，如图所示：精车轮廓进给加工路线

5．刀具选择：（1）选用￠5mm中心钻钻削中心孔；（2）粗车及车端面选用硬质合金主偏角90°右偏刀，为防止副后刀面与工件轮廓发生干涉，副偏角不能太小，选副偏角κr′＝35°。（3）精车轮廓选用带涂层硬质合金主偏角90°右偏刀，车螺纹选用带涂层硬质合金60°外螺纹车刀，刀尖圆弧半径应小于轮廓最小圆角半径，取刀尖圆弧半径r＝0.15~0.2mm。数控加工刀具卡片6．切削用量选择：（1）背吃刀量的选择：轮廓粗车循环时选ap＝3mm，精车时ap＝0.25mm；螺纹粗车时选ap＝0.4mm，逐刀减少，精车ap＝0.1mm。（2）主轴转速n的选择：车直线和圆弧轮廓时，查项目一硬质合金外圆车刀切削速度的参考数值，选粗车的切削速度vc＝90m／min，精车的切削速度vc＝120m／min，然后利用公式n=（1000×

vc）/（3.14

×d)计算主轴转速n得到：粗车500r/min、精车1200r/min，车螺纹时按公式n≤1200/P-K计算得到最高转速为320r/min，因螺距为3mm稍大，为确保螺纹车刀片耐用度，选取250r/min。（其中p是螺距，k是系数，一般取80）（3）进给速度的选择：根据项目一硬质合金车刀粗车外圆和端面的进给量和按表面粗糙度选择进给量的参考值，再根据加工的实际情况，确定，粗车时，选取进给量f＝0.4mm／r；精车时，选取f＝0.15mm／r；车螺纹的进给量等于螺纹导程，即f＝3mm／r。加工工艺卡片现要完成图4所示轴承套加工案例零件的数控车削加工，具体设计该轴承套的数控加工工艺。该轴承套材料为45钢，毛坯Φ82mm×112mm棒料，单件小批生产。如何设计该轴承套加工案例的数控车削加工工艺？

图4-轴承套加工案例1．零件图纸工艺分析：

该轴承套加工案例零件表面由内外圆柱面、内圆锥面、顺圆弧、逆圆弧及外螺纹等表面组成，其中多个直径尺寸与轴向尺寸有较高的尺寸精度和表面粗糙度要求。零件图尺寸标注完整，符合数控加工尺寸标注要求；轮廓描述清楚完整；零件材料45钢，切削加工性能较好，无热处理和硬度要求。通过上述分析，采取以下几点工艺措施：

（1）对零件图上几个精度要求较高的尺寸，编程时将基本尺寸换算成平均尺寸；（2）左、右端面均为多个尺寸的设计基准，数控车床加工前，应该先用普通车床将左、右端面及总长加工好，并钻中心孔，再用立式钻床钻孔至￠26mm。

2．机床选择：该案例零件规格不大，尺寸精度要求不高，加工表面粗糙度要求稍高，故数控车床选用规格不大的全功能型数控车床即可。3．装夹方案及夹具选择：（1）内孔加工定位基准：内孔加工时以外圆定位。装夹方案：用三爪自定心卡盘夹紧（在卡盘内放置合适的圆盘件或隔套，工件装夹时只须靠紧圆盘件或隔套即可准确轴向定位）。（2）外轮廓加工定位基准：确定零件轴线为定位基准。装夹方案：加工外轮廓时，为保证一次安装加工出全部外轮廓，需要设一圆锥心轴装置，用三爪卡盘夹持心轴左端，心轴右端留有中心孔并用尾座顶尖顶紧以提高工艺系统的刚性。

如图所示：外轮廓车削装夹方案（3）内孔尺寸较小，车1:20锥孔与车￠32孔及15°锥面时需掉头装夹。4．加工工艺路线设计：加工顺序按由内到外、由粗到精、由近到远的原则确定，在一次装夹中尽可能加工出较多的工件表面。结合本案例零件的结构特征，可先加工内孔各表面，然后加工外轮廓各表面。由于该零件为单件小批量生产，加工进给路线设计不必考虑最短进给路线或最短空行程路线，外轮廓表面车削走刀路线可沿零件轮廓顺序进行，如图所示：外轮廓加工走刀路线5．刀具选择：具体所选刀具详见数控加工刀具卡，但注意：由于外轮廓表面是台阶，因而车刀的主偏角应为90°～93°，为防止副后刀面与工件表面发生干涉，应选择较大的副偏角，具体选副偏角κr′＝55°。轴承套数控加工刀具卡片6．切削用量选择：

根据被加工表面质量要求、刀具材料和工件材料，参考切削用量手册或有关资料选取切削速度与每转进给量，然后利用公式n=（1000×

vc）/（3.14×d)，计算主轴转速，计算结果填入数控加工工序卡中。具体切削用量详见数控加工工序卡。背吃刀量的选择因粗、精加工而有所不同。粗加工时，在工艺系统刚性和机床功率允许的情况下，尽可能取较大的背吃刀量，以减少进给次数；精加工时，为保证零件表面粗糙度要求，背吃刀量一般取0.l-0.2mm较为合适。加工工艺卡片加工工艺卡片13精车M45螺纹T0725*253201.5mm/r0.1自动工序号刀具规格主轴速度背吃刀量编制720*204000.2925*253201批准825*2532011125*254000.1年月日1025*254000.1工序内容精镗1:20锥孔心轴装夹从右至左粗外轮廓从左至右粗外轮廓从右至左精外轮廓从左至右精外轮廓12三爪卡盘25*253200.4页刀具号T04T05T06T05T06T07进给速度20404020201.5mm/r备注自动自动自动自动自动自动4.2数控铣床加工工艺6.1.1数控铣床的用途

4.2.1铣削的定义铣削主要通过旋转的多切削刃刀具，刀具的每个切削刃都可以去除一定数量的金属，沿着工件的任何方向上执行可编程的进给运动，从而使其成为切削。一般而言，铣削刀具使用一下基本切削中的一种或者多种组合：径向进刀，以加工平面为主，面铣主要利用刀片的周边刃口进行切削，端面刃口主要对加工表面进行修光作用，一般不形成切削；侧面进刀，以加工槽宽为例，其主要以三面刃铣为主，进给方向与主轴垂直，槽的宽度由刀具调整的宽度决定；轴向进刀，以深度方向加工的插铣为主，利用刀具端面或末端的切削刃，并通过轴向进给来形成局部切削。4.2数控铣床加工工艺6.1.1数控铣床的用途一般的数控铣床是指规格较小的升降台式数控铣床，其工作台宽度多在400mm以下，规格较大的数控铣床（如工作台宽度在500mm以上的），其功能已向加工中心靠近，进而演变成荣幸加工单元。数控铣床多为三坐标、两轴联动的机床，也称两轴半控制，即在X、Y、Z三个坐标轴中，任意两轴都可以联动。一般情况下，在数控铣床上只能用来加平面曲线的轮廓。对于有特殊要求的数控铣床，还可以加进一个回转的A坐标或C坐标，即增加一个数控分度头或数控回转工作台，它可安装在机床工作台的不同位置，这时机床的数控系统为四坐标的数控系统，可用来加工螺旋槽、叶片等立体曲面零件。与普通铣床相比，数控铣床的加工精度高，精度稳定性好，适应性强，操作劳动强度低，特别适应于板类、盘类、壳具类、模具类等复杂形状的零件或对精度保持性要求较高的中、小批量零件的加工。6．1．2数控铣床的分类1．数控铣床按其主轴位置的不同分三类（1）数控立式铣床其主轴垂直于水平面。小型数控铣床一般都采用工作台移动、升降及主轴不动方式，与普通立式升降台铣床结构相似；中型数控铣床一般采用纵向和横向工作台移动方式，且主轴沿垂直溜板上下运动；大型数控铣床因要考虑到扩大行程，缩小占地面积及刚性等技术问题，往往采用龙门架移动方式，其主轴可以在龙门架的纵向与垂直溜板上运动，而龙门架则沿床身作纵向移动，这类结构又称之为龙门数控铣床。数控立式铣床可以附加数控转盘，采用自动交换台。增加靠模装置等来扩大数控立式铣床的功能、加工范围和加工对象，进一步提高生产效率。

（2）卧式数控铣床其主轴平行于水平面。为了扩大加工范围和扩充功能，卧式数控铣床通常采用增加数控转盘或万能数控转盘来实现4至5坐标，进行“四面加工”。（3）立、卧两用数控铣床它的主轴方向可以更换（有手动与自动两种），既可以进行立式加工，又可以进行卧式加工，其使用范围更广，功能更全。当采用数控万能主轴头时，其主轴头可以任意转换方向，可以加工出与水平面呈各种不同角度的工件表面。当增加数控转盘后，就可以实现对工件的“五面加工”。2．从机床数控系统控制的坐标轴数量分类有2.5坐标联动数控铣床（只能进行X、Y、Z三个坐标中的任意2个坐标轴联动加工）、3坐标联动数控铣床、4坐标联动数控铣床、5坐标联动数控铣床。6．2．2数控机床铣削加工内容的选择1．采用数控铣削加工内容(1)工件上的曲线轮廓内、外形，特别是由数学表达式给出的非圆曲线与列表曲线等曲线轮廓。(2)已给出数学模型的空间曲线。(3)形状复杂，尺寸繁多，划线与检测困难的部位。(4)用通用铣床加工时难以观察、测量和控制进给的内、外凹槽。(5)以尺寸协调的高精度孔或面。(6)能在一次安装中顺带铣出来的简单表面或形状。(7)采用数控铣削能成倍提高生产率，大大减轻体力劳动的一般加工内容。2．不宜采用数控铣削加工内容(1)需要进行长时间占机和进行人工调整的粗加工内容，如以毛坯粗基准定位划线找正的加工。(2)必须按专用工装协调的加工内容(如标准样件、协调平板、模胎等)。(3)毛坯上的加工余量不太充分或不太稳定的部位。(4)简单的粗加工面。(5)必须用细长铣刀加工的部位，一般指