第二章数控车削加工工艺分析

数控车削加工工艺分析苏建修机电学院一、数控车削加工工艺范围二、数控车削的主要加工对象（1）轮廓形状特别复杂或难于控制尺寸的回转体零件数控车较适合车削普通车床难于实现的由任意直线和平面曲线（圆弧和非圆曲线类）组成的形状复杂的回转体零件，斜线和圆弧均可直接由插补功能实现，非圆曲线可用数学手段转化为小段直线或小段圆弧后作插补加工得到。对于一些具有封闭内成型面的壳体零件，如“口小肚大”的孔腔，在普通车床上是无法加工的，而在数控车床上则很容易加工出来。（2）精度要求高、表面粗糙度要求较低的回转体零件数控车床系统的控制分辨率一般为0.01~0.001mm。在特种精密数控车床上，还可加工出几何轮廓精度达0.0001mm、表面粗糙度Ra达0.02μm的超精零件（如复印机中的回转鼓及激光打印机上的多面反射体等），数控车床通过恒线速度切削功能，可加工表面精度要求高的各种变径表面类零件。由于数控车床刚性好，制造精度高，加工过程中运动部件的运动精度高，并且利用对刀仪对刀精度高，可方便和精确地实现人工补偿和自动补偿，因此能加工尺寸精度要求高的零件。同时，由于刀具运动是通过高精度的插补运算和伺服驱动装置来控制的，因此它能加工对母线，直线度、圆度、圆柱度等形状精度要求高的零件。二、数控车削的主要加工对象（3）带特殊螺纹的回转体零件普通车床只能车等导程的直、锥面公英制螺纹，而且一台车床只能限定加工若干种导程的螺纹。数控车床则还能车削变导程的螺纹、高精度的模数螺旋零件（如蜗杆）及端面盘形螺旋零件等。由于数控车床进行螺纹加工不需要挂轮系统，因此对任意导程的螺纹均不受限制，且其加工多头螺纹比普通车床要方便得多。二、数控车削的主要加工对象数控车加工尺寸范围车削零件的尺寸范围指的是加工零件的有效车削直径和有效切削长度，而不是车床标牌中标明的车削直径和加工长度。车床标牌中车削直径是指主轴轴线（回转中心）到拖板导轨距离的两倍；加工长度是指主轴卡盘到尾座顶尖的最大装卡长度。但实际加工时往往不能真正达到上述尺寸，车床的实际加工范围常受车床结构（刀架位置、刀盘大小）和加工时所用刀具种类（镗刀类或内外圆车刀）等因素影响。二、数控车削加工常用刀具及选择刀具的选择是数控加工工艺中的重要内容之一。刀具选择得合理与否不仅影响机床的加工效率，而且还直接影响加工质量。选择刀具通常要考虑机床的加工能力、工序内容以及工件材料等因素。由于工件材料、生产批量、加工精度以及机床类型、工艺方案的不同，车刀的种类繁多。1．焊接式车刀1一切断刀2—90°左偏刀3—90°右偏刀4--弯头车刀5--直头车刀6--成形车刀7--宽刃精车刀8--外螺纹车刀9--端面车刀10--内螺纹车刀11一内槽车刀12--通孔车刀13一不通孔车刀焊接式车刀的优缺点：一般将硬质台金刀片用焊接的方法固定在刀体上即为焊接式车刀。这种车刀结构简单，制造方便，刚性较好，通过刃磨可形成所需的几何参数，使用灵活。刀片经高温焊接和刃磨后，易产生热应力和裂纹，会降低刀具材料的切削性能。另外，当刀片磨完或崩坏后，刀杆也不能再用，造成了浪费。2．机夹可转位车刀1-刀杆，2-刀片，3-刀垫，4-夹紧元件几种常见的可转位车刀的刀片(a)T型，（b）F型,(c)W型,(d)S型,(e)P型,(f)D型,(g)R型,(h)C型刀片及型号刀片是可转位车刀的重要元件。按照GB2076—1987，刀片可分为带圆孔、带沉孔以及无孔三大类，形状有三角形、正方形、五边形、六边形、圆形以及菱形等共17种。可转位刀片型号由代表一给定意义的字母和数字代号按一定顺序位置排列所组成，共有十个号位，各号位代号表示规则(GB／T2076--1987)。刀片型号示例刀片型号示例三、数控车削加工工艺的制订制定加工工艺的主要内容有：分析零件图样，确定工件在车床上的装夹方式，各表面的加工顺序、刀具的进给路线以及刀具、夹具和切削用量的选择等。1.零件图工艺分析（1）构成零件轮廓的几何条件在车削加工中手工编程时，要计算每个节点坐标；在自动编程时，要对构成零件轮廓所有几何元素进行定义。因此在分析零件图时应注意：①零件图上是否漏掉某尺寸，使其几何条件不充分，影响到零件轮廓的构成。②零件图上的图线位置是否模糊或尺寸标注不清，无法编程③零件图上给定的几何条件是否合理，造成数学处理困难。④零件图上尺寸标注方法应适应数控车床加工的特点，应以同一基准标注尺寸或直接给出坐标尺寸。（2）尺寸精度要求分析零件图样尺寸精度的要求，以判断能否利用车削工艺达到，并确定控制尺寸精度的工艺方法。在该项分析过程中，还可以同时进行尺寸的换算，如增量尺寸与绝对尺寸及尺寸链计算等。（3）形状和位置精度的要求零件图样上给定的形状和位置公差是保证零件精度的重要依据。加工时，要按照其要求确定零件的定位基准和测量基准，还可以根据数控车床的特殊需要进行一些技术性处理，以便有效地控制零件的形状和位置精度。（4）表面粗糙度要求表面粗糙度是保证零件表面微观精度的重要要求，也是合理选择数控车床、刀具及确定切削用量的依据。（5）材料与热处理要求零件图样上给定的材料与热处理要求，是选择刀具、数控车床型号、确定切削用量的依据。2.工序和装夹方式的确定在数控车床上加工零件，应按工序集中的原则划分工序，在一次安装下尽可能完成大部分甚至全部表面的加工。根据零件的结构形状不同，通常选择外圆、端面或内孔装夹，并力求设计基准、工艺基准和编程原点统一。2.工序和装夹方式的确定（1）按零件加工表面的位置精度划分将位置精度要求较高的表面安排在一次安装下完成，以免多次安装产生的安装误差影响位置精度。2．按粗、精加工划分对毛坯余量较大和加工精度要求较高的零件，应将粗车和精车分开，划分成两道或更多工序。一般将粗车安排在精度较低、功率较大的数控车床上，将精车安排在精度较高的数控车床上。该零件加工所用的坯料为Φ32mm棒料，批量生产，加工时用一台数控车床。第一道工序按图(b)所示将一批工件全部车出，工序内容有：先车出Φ12mm和Φ20mm两圆柱面及圆锥面(粗车掉R42圆弧的部分余量)，换刀后按总长要求留下加工余量切断。第二道工序用Φ12mm外圆及Φ20mm端面装夹，工序内容有：先车SR7mm球面的30°圆锥面，然后对全部圆弧表面半精车(留少量的精车余量)，最后换精车刀将全部圆弧表面一刀精车成形，见图(c)。3.加工顺序的确定(1)先粗后精先粗后精指按照粗车一半精车一精车的顺序进行加工，逐步提高加工精度。粗车可在较短的时间内将工件表面上的大部分余量(如图中的双点画线内所示部分)切掉，一方面提高金属切除率，另一方面满足精车的余量均匀性要求。若粗车后所留余量的均匀性满足不了精加工的精度要求，则要安排半精车，为精车作准备。精车要保证加工精度，按图样尺寸一刀车出零件轮廓。(2)先近后远这里说的远与近，是指加工部位相对于对刀点的距离大小而言的。在一般情况下，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。对于车削而言，先近后远还有利于保持坯件或半成品的刚性，可改善其切削条件。例如，当加工图所示的零件时，如果按Φ38mm、Φ36mm、Φ34mm的次序安排车削，不仅会增加刀具返回对刀点所需的空行程时间，而且一开始就削弱了工件的刚性，还可能使台阶的外直角处产生毛刺。对既有内表面(内型、内腔)又有外表面需要加工的零件安排加工顺序时，应先内后外(先加工内表面，后加工外表面)，即先进行内外表面粗加工，后进行内外表面的精加工。切不可将零件上一部分表面(外表面或内表面)加工完毕后，再加工其它表面(内表面或外表面)。(3)基面先行用作精基准的表面应先行加工出来，这是因为用作定位的基准越精确，装夹误差就越小。例如轴类工件加工时，总是先加工中心孔，再以中心孔定位加工外圆和端面。(4)先内后外对既有内表面又有外表面的零件，安排加工顺序时，通常先安排内型内腔，后安排外形表面的加工，不可将零件上的外表面加工完后再加工内表面，也不可将零件上的内表面加工完后再加工外表面。4.进给路线的确定确定进给路线主要在于确定粗加工及空行程的进给路线，精加工切削过程的进给路线基本上都是沿其零件轮廓顺序进行的。进给路线一般指刀具从起刀点(或机床固定原点)开始运动，直至返回该点并结束加工程序所经过的路径，包括切削加工的路径以及刀具切入、切出等非切削空行程。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，不仅可以节省加工过程的时间，还能减少一些不必要的刀具消耗及机床进给机构滑动部件的磨损等。实现最短切削路线，除了依靠大量的实践经验外，还应善于分析，必要时可辅以一些简单的计算。(1)循环切除余量数控车削加工过程一般要经过循环切除余量、粗加工和精加工三道工序。应根据毛坯类型和工件形状来确定循环切除余量的方式，以达到减少循环走刀次数，提高加工效率的目的。1)轴套类零件安排轴套类零件走刀路线的原则是轴向走刀，径向进刀，循环切除余量的循环终点在粗加工起点附近，这样可以减少走刀次数，避免不必要的空走刀，节省加工时间，2)轮盘类零件安排轮盘类零件走刀路线的原则是径向走刀，轴向进刀，循环切除余量的循环终点在粗加工起点。编制轮盘类零件的加工程序时，其走刀路线与轴套类零件相反，是从大直径端开始加工.3)铸锻件铸锻件毛坯形状与加工后零件形状相似，留有一定的加工余量。循环切除余量的方式是刀具轨迹按工件轮廓线运动，逐渐逼近图纸尺寸。这种方法实质上是采用轮廓车削的方式.(2)确定退刀路线在数控机床加工过程中，为了提高加工效率，刀具从起始点或换刀点运动到接近工件部位及加工完成后退回起始点或换刀点都是以快速运动方式运动的。数控机床系统的退刀路线，原则上首先要考虑安全性，即在退刀过程中不能与工件发生碰撞；其次要考虑使退刀路线最短。相比之下，安全是首要的。1)斜线退刀方式斜线退刀方式路线最短，适用于加工外圆表面的偏刀退刀.2)切槽刀退刀方式这种退刀方式是刀具先径向垂直退刀，到达指定位置时再轴向退刀.3)镗孔刀退刀方式这种退刀方式与切槽刀的退刀方式恰好相反，如图所示。粗镗孔即采用这种退刀方式。精镗孔通常先径向退刀再轴向退刀至孔外，再斜线退刀。(3)进给路线的选择1)最短的切削进给路线[粗加工（或半精加工）进给路线]切削进给路线最短，可有效地提高生产效率，降低刀具的损耗等。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性及加工的工艺性等要求，不要顾此失彼。图常用的粗加工循环进给路线图a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b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c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。A.常用的粗加工进给路线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B.大余量毛坯的阶梯切削进给路线C.双向切削进给路线图顺工件轮廓双向进给的路线(轴向和径向联动双向进刀的路线)2)完整轮廓的连续切削进给路线在安排可以一刀或多刀进行的精加工工序时，其零件的完整轮廓应由最后一刀连续加工而成，这时，所加工刀具的进、退刀位置要考虑妥当，尽量不要在连续的轮廓中安排切入、切出、换刀及停顿，以免因切削力突然变化而造成弹性变形，致使光滑连接的轮廓上产生表面划伤、形状突变或滞留刀痕等缺陷。3)特殊的进给路线在数控车削加工时，一般情况下，z坐标轴方向的进给运动都是沿着负方向进给的，但有时按其常规的负方向安排进给路线并不合理，甚至可能车坏工件。图5—16两种不同的进给方法对于图5—16(a)所示的第一种进给方法(负z走向)，因切削时尖形车刀的主偏角为100°～105°，这时切削力在x向的较大分力Fp将沿着图5—17所示的正工方向作用，当刀尖运动到圆