轴类零件的数控车削工艺与编程Word文件下载.docx

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2数控车床的常见结构与发展方向3

2.1数控车床的现状3

2.2数控车床发展趋势8

3数控车削的加工工艺与工装10

3.1零件图分析10

3.2数控加工工艺设计11

3.3数控加工的注意事项11

3.4刀具的选择与方法13

3.5对刀的方法16

3.6夹具的选择18

3.7螺纹车削23

4数控车床坐标系的确定27

4.1规定原则27

4.2坐标轴确定的方法及步骤28

4.3数控机床的两种坐标系28

5典型零件编程与加工实例31

总结41

致谢42

参考文献43

1数控车床的简介

1.1数控的前景

数控技术，简称数控（NumericalControl）。

利用数字化的信息对机床运

动及加工过程进行控制的一种方法。

用数控技术实施加工控制的机床，或者说装备了数控系统的机床称为数控（NC）机床。

数控系统包括：

数控装置、可编程控制器、主轴驱动器及进给装置等部分•数控机床是机、电、液、气、光高度一体化的产品。

要实现对机床的控制，需要用几何信息描述刀具和工件间的相对运动以及用工艺信息来描述机床加工必须具备的一些工艺参数。

例如：

进给速度、主轴转速、主轴正反转、换刀、冷却液的开关等。

这些信息按一定的格式形成加工文件（即正常说的数控加工程

序）存放在信息载体上（如磁盘、穿孔纸带、磁带等），然后由机床上的数控系统读入（或直接通过数控系统的键盘输入，或通过通信方式输入），通过对其译码，从而使机床动作和加工零件•现代数控机床是机电一体化的典型产品，是新一代生产技术、计算机集成制造系统等的技术基础。

现代数控机床的发展趋向是高速化、高精度化、高可靠性、多功能、复合化、智能化和开放式结构。

主要发展动向是研制开发软、硬件都具有开放式结构的智能化全功能通用数控装置。

数控技术是机械加工自动化的基础，是数控机床的核心技术，其水平高低关系到国家战略地位和体现国家综合实力的水平.它随着信息技术、微电子技术、自动化技术和检测技术的发展而发展。

数控加工中心是一种带有刀库并能自动更换刀具，对工件能够在一定的范围内进行多种加工操作的数控机床。

在加工中心上加

工零件的特点是：

被加工零件经过一次装夹后，数控系统能控制机床按不同的工序自动选择和更换刀具；

自动改变机床主轴转速、进给量和刀具相对工件的运动轨迹及其它辅助功能，连续地对工件各加工面自动地进行钻孔、锪孔、铰孔、镗孔、攻螺纹、铣削等多工序加工。

由于加工中心能集中地、自动地完成多种工序，避免了人为的操作误差、减少了工件装夹、测量和机床的调整时间及工件周转、搬运和存放时间，大大提高了加工效率和加工精度，所以具有良好的经济效益。

加工中心按主轴在空间的位置可分为立式加工中心与卧式加工中心。

1.2数控车床的分类

随着数控车床制造技术的不断发展，形成了产品繁多、规格不一的局面。

对数控

车床的分类可以采用不同的方法。

1.2.1按数控系统的功能分类

⑴全功能型数控车床。

如配有FANUC-6係统、FANUC-OT系统的数控车床都是全功能型的。

⑵经济型数控车床。

经济型数控车床是在普通车床基础上进行改进设计的，一般

采用步进电动机驱动的开环伺服系统，其控制部分通常采用单片机实现。

1.2.2按主轴的配置形式分类

⑴卧式数控车床。

主轴轴线处于水平位置的数控车床。

⑵立式数控车床。

主轴轴线处于垂直位置的数控车床。

还有具有两根主轴的车床，称为双轴卧式数控车床或双轴立式数控车床。

1.2.3按数控系统控制的轴数分类

⑴两轴控制的数控车床。

机床上只有一个回转刀架，可实现两坐标轴控制。

⑵四轴控制的数控车床。

机床上有两个独立的回转刀架，可实现四轴控制。

对于车削中心或柔性制造单元，还要增加其它的附加坐标轴来满足机床的功能。

目前，我国使用较多的是中小规格的两坐标连续控制的数控车床。

1.3数控机床的工作原理

数控机床的工作原理，首先根据被加工零件的形状、尺寸及工艺要求等，采用手工或计算机进行零件加工的程序编制，把加工零件所需机床的各种动作及工艺参数变成数控装置所能接收的程序代码，并将这些程序代码储存在控制介质（穿孔带、磁带、光盘等）上，然后经输入装置读出信息并送入数控装置。

当控制介质为穿孔带时，用光电读带机输入；

若控制介质为磁带或光盘时，可用驱动器输入，或用计算机和数控机床的接口直接进行通信。

进入数控装置的信息经一系列的处理和运算转变成脉冲信号，有的脉冲信号被传送到机床的伺服系统，经传动装置驱动机床有关的运动部件；

有的脉冲信号则被传送到可编程控制器中，按顺序控制机床的其它辅助动作，如工件夹紧、松开，冷却液的开闭，刀具的自动更换等。

2数控车床的常见结构与发展方向

2.1数控车床的现状

2.1.1床身

机床的床身是整个机床的基础支承件，是机床的主体，一般用来放置导轨、主轴箱等重要部件。

床身的结构对机床的布局有很大的影响。

按照床身导轨面与水平面的相对位置，床身有图1所示的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平床身斜滑板的居多，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。

平床身工艺性好，易于加工制造。

由于刀架水平放置，对提高刀架的运动精度有好处，但床身下部空间小，排屑困难；

刀架横滑板较长，加大了机床的宽度尺寸，影响外观。

平床身斜滑板结构，再配置上倾斜的导轨防护罩，这样既保持了平床身工艺性好的优点，床身宽度也不会太大。

斜床身和平床身斜滑板结构在现代数控车床中被广泛应用，是因为这种布局形式具有以下特点：

☆容易实现机电一体化；

☆机床外形整齐、美观，占地面积小；

☆容易设置封闭式防护装置；

☆容易排屑和安装自动排屑器；

☆从工件上切下的炽热切屑不至于堆积在导轨上影响导轨精度；

☆宜人性好，便于操作；

☆便于安装机械手，实现单机自动化。

例如，宝鸡机床厂设计生产的CJK6140療列简式数控车床采用的是平床身平滑板结构；

CK75系列全功能数控车床采用的是后斜床身斜滑板结构。

而我们刚刚研制开发完成的CK535血功能数控倒置立式车床，采用的是直立床身直立滑板结构。

该机床采用大功率内藏式电主轴结构，主轴可沿X和Z轴移动，以实现自动上下料功能。

该机床配置有自动回转料库，从而实现单机自动化，同时该机床也很容易被加入生产线。

a）后斜床身-斜滑板b）直立床身-直立滑板

c）平床身-平滑板d）前斜床身-平滑板

e）平床身-斜滑板

图2.1床身布局

2.1.2导轨

车床的导轨可分为滑动导轨和滚动导轨两种。

滑动导轨具有结构简单、制造方便、接触刚度大等优点。

但传统滑动导轨摩擦阻力大，磨损快，动、静摩擦系数差别大，低速时易产生爬行现象。

目前，数控车床已不采用传统滑动导轨，而是采用带有耐磨粘贴带覆盖层的滑动导轨和新型塑料滑动导轨。

它们具有摩擦性能良好和使用寿命长等特点。

导轨刚度的大小、制造是否简单、能否调整、摩擦损耗是否最小以及能否保持导轨的初始精度，在很大程度上取决于导轨的横截面形状。

车床滑动导轨的横截面形状常采用山形截面和矩形截面。

山形截面导轨导向精度高，导轨磨损后靠自重下沉自动补偿。

下导轨用凸形有利于排污物，但不易保存油液。

矩形截面导轨制造维修方便，承载能力大，新导轨导向精度高，但磨损后不能自动补偿，需用镶条调节，影响导向精度。

宝鸡机床厂生产的CJK6140H系列简式数控车床床身采用的是山形贴塑导轨，CK75系列全功能数控车床采用的是矩形贴塑导轨。

滚动导轨的优点是摩擦系数小，动、静摩擦系数很接近，不会产生爬行现象，可以使用油脂润滑。

数控车床导轨的行程一般较长，因此滚动体必须循环。

根据滚动体的不同，滚动导轨可分为滚珠直线导轨和滚柱直线导轨。

后者的承载能力和刚度都比前者高，但摩擦系数略大。

宝鸡机床厂生产的CK75係列全功能数控车床采用的是滚珠直线导轨，CK535D全功能数控倒置立式车床X向导轨采用的是滚柱直线导轨。

2.1.3主轴变速系统

经济型数控车床大多数是不能自动变速的，需要变速时，只能把机床停止，然后手动变速。

而全功能数控车床的主传动系统大多采用无级变速。

目前，无级变速系统

主要有变频主轴系统和伺服主轴系统两种，一般采用直流或交流主轴电机，通过带传动带动主轴旋转，或通过带传动和主轴箱内的减速齿轮（以获得更大的转矩）带动主轴旋转。

由于主轴电机调速范围广，又可无级调速，使得主轴箱的结构大为简化。

主轴电机在额定转速时可输出全部功率和最大转矩。

2.1.4刀架系统

数控车床的刀架是机床的重要组成部分。

刀架用于夹持切削用的刀具，因此其结构直接影响机床的切削性能和切削效率。

在一定程度上，刀架的结构和性能体现了机床的设计和制造技术水平。

随着数控车床的不断发展，刀具结构形式也在不断翻新。

刀架是直接完成切削加工的执行部件，所以，刀架在结构上必须具有良好的强度和刚度，以承受粗加工时的切削抗力。

由于切削加工精度在很大程度上取决于刀尖位置，所以要求数控车床选择可靠的定位方案和合理的定位结构，以保证有较高的重复

定位精度。

此外，刀架的设计还应满足换刀时间短、结构紧凑和安全可靠等要求。

按换刀方式的不同，数控车床的刀架系统主要有回转刀架、排式刀架和带刀库的自动换刀装置等多种形式。

（1）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。

它的结构形式为，夹持着各种不同用途刀具的刀夹沿着机床的X坐标轴方向排列在横向滑板上。

刀具的典型布置方式如图2.2所示。

这种刀架在刀具布置和机床调整等方面都较为方便，可以根据具体工件的车削工艺要求，任意组合各种不同用途的刀具，一把刀具完成车削任务后，横向滑板只要按程序沿X轴移动预先设定的距离后，第二把刀就到达加工位置，这样就完成了机床的换刀动作。

这种换刀方式迅速省时，有利于提高机床的生产效率。

宝鸡机床厂生产的CK7620P全功能数控车床配置的就是排式刀架。

图2.2排式刀架

⑵回转刀架

回转刀架是数控车床最常用的一种典型换刀刀架，通过刀架的旋转分度定位来实

现机床的自动换刀动作，根据加工要求可设计成四方、六方刀架或圆盘式刀架，并相应地安装4把、6把或更多的刀架。

回转刀架的换刀动作可分为刀架抬起、刀架转位和刀架锁紧等几个步骤。

它的动作是由数控系统发出指令完成的。

回转刀架根据刀架回转轴与安装底面的相对位置，分为立式刀架和卧式刀架两种。

宝鸡机床厂生产的CJK6140H系列简式数控车床配置的是四工位立式刀架或六工位卧式刀架，CK75系列

全功能数控车床配置的是8工位或12工位卧式刀架，如图2.3所示。

图2.3卧式回转刀架

（3）带刀库的自动换刀装置

上述排刀式刀架和回转刀架所安装的刀具都不可能太多，即使是装备两个刀架，对刀具的数目也有一定限制。

当由于某种原因需要数量较多的刀具时，应采用带刀库的自动换刀装置。

带刀库的自动换刀装置由刀库和刀具交换机构组成。

（4）进给传动系统

数控车床的进给传动系统一般均采用进给伺服系统。

这也是数控车床区别于普通车床的一个特殊部分。

数控车床的伺服系统一般由驱动控制单元、驱动元件、机械传动部件、执行件和检测反馈环节等组成。

驱动控制单元和驱动元件组成伺服驱动系统。

机械传动部件和执行元件组成机械传动系统。

检测元件与反馈电路组成检测系统。

进给伺服系统按其控制方式不同可分为开环系统和闭环系统。

闭环控制方式通常

是具有位置反馈的伺服系统。

根据位置检测装置所在位置的不同，闭环系统又分为半闭环系统和全闭环系统。

半闭环系统具有将位置检测装置装在丝杠端头和装在电机轴端两种类型。

前者把丝杠包括在位置环内，后者则完全置机械传动部件于位置环之外。

全闭环系统的位置检测装置安装在工作台上，机械传动部件整个被包括在位置环之内。

开环系统的定位精度比闭环系统低，但它结构简单、工作可靠、造价低廉。

由于影响定位精度的机械传动装置的磨损、惯性及间隙的存在，故开环系统的精度和快速性较差。

全闭环系统控制精度高、快速性能好，但由于机械传动部件在控制环内，所以系统的动态性能不仅取决于驱动装置的结构和参数，而且还与机械传动部件的刚度、阻尼特性、惯性、间隙和磨损等因素有很大关系，故必须对机电部件的结构参数进行综合考虑才能满足系统的要求。

因此全闭环系统对机床的要求比较高，且造价也较昂贵。

闭环系统中采用的位置检测装置有：

脉冲编码器、旋转变压器、感应同步器、磁尺、光栅尺和激光干涉仪等。

数控车床的进给伺服系统中常用的驱动装置是伺服电机。

伺服电机有直流伺服电机和交流伺服电机之分。

交流伺服电机由于具有可靠性高、基本上不需要维护和造价低等特点而被广泛采用。

2.2数控车床发展趋势

数控技术的应用不但给传统制造业带来了革命性的变化，使制造业成为工业化的象征，而且随着数控技术的不断发展和应用领域的扩大，它对国计民生的一些重要行

业（IT、汽车、轻工、医疗等）的发展起着越来越重要的作用，因为这些行业所需装备的数字化已是现代发展的大趋势。

当前数控车床呈现以下发展趋势。

2.2.1高速、高精密化

高速、精密是机床发展永恒的目标。

随着科学技术突飞猛进的发展，机电产品更新换代速度加快，对零件加工的精度和表面质量的要求也愈来愈高。

为满足这个复杂多变市场的需求，当前机床正向高速切削、干切削和准干切削方向发展，加工精度也在不断地提高。

另一方面，电主轴和直线电机的成功应用，陶瓷滚珠轴承、高精度大导程空心内冷和滚珠螺母强冷的低温高速滚珠丝杠副及带滚珠保持器的直线导轨副等机床功能部件的面市，也为机床向高速、精密发展创造了条件。

数控车床采用电主轴，取消了皮带、带轮和齿轮等环节，大大减少了主传动的转动惯量，提高了主轴动态响应速度和工作精度，彻底解决了主轴高速运转时皮带和带轮等传动的振动和噪声问题。

采用电主轴结构可使主轴转速达到10000r/min以上。

直线电机驱动速度高，加减速特性好，有优越的响应特性和跟随精度。

用直线电机作伺服驱动，省去了滚珠丝杠这一中间传动环节，消除了传动间隙（包括反向间隙），运动惯量小，系统刚性好，在高速下能精密定位，从而极大地提高了伺服精度。

直线滚动导轨副，由于其具有各向间隙为零和非常小的滚动摩擦，磨损小，发热

可忽略不计，有非常好的热稳定性，提高了全程的定位精度和重复定位精度。

通过直线电机和直线滚动导轨副的应用，可使机床的快速移动速度由目前的

10〜20m/mim提高到60〜80m/min，甚至高达120m/min。

222高可靠性

数控机床的可靠性是数控机床产品质量的一项关键性指标。

数控机床能否发挥其高性能、高精度和高效率，并获得良好的效益，关键取决于其可靠性的高低。

2.2.3数控车床设计CAD化、结构设计模块化

随着计算机应用的普及及软件技术的发展，CAD技术得到了广泛发展。

CAD不仅可以替代人工完成繁琐的绘图工作，更重要的是可以进行设计方案选择和大件整机的静、动态特性分析、计算、预测及优化设计，可以对整机各工作部件进行动态模拟仿真。

在模块化的基础上在设计阶段就可以看出产品的三维几何模型和逼真的色彩。

采

用CAD还可以大大提高工作效率，提高设计的一次成功率，从而缩短试制周期，降低设计成本，提高市场竞争能力。

通过对机床部件进行模块化设计，不仅能减少重复性劳动，而且可以快速响应市场，缩短产品开发设计周期。

2.2.4功能复合化

功能复合化的目的是进一步提高机床的生产效率，使用于非加工辅助时间减至最

少。

通过功能的复合化，可以扩大机床的使用范围、提高效率，实现一机多用、一机多能，即一台数控车床既可以实现车削功能，也可以实现铣削加工；

或在以铣为主的机床上也可以实现磨削加工。

宝鸡机床厂已经研制成功的CX25Y数控车铣复合中心，

该机床同时具有X、Z轴以及C轴和丫轴。

通过C轴和丫轴，可以实现平面铣削和偏孔、槽的加工。

该机床还配置有强动力刀架和副主轴。

副主轴采用内藏式电主轴结构，通过数控系统可直接实现主、副主轴转速同步。

该机床工件一次装夹即可完成全部加工，极大地提高了效率。

3数控车削的加工工艺与工装

3.1零件图分析

数控加工的工艺分析是数控车削加工的前期工艺准备工作。

工艺制定的合理与否、对程序的编制、机床的加工效率和零件的加工精度都有重要影响。

加工零件及加工内容确定后，应对零件的数控车床加工工艺性进行全面分析。

主要内容包括产品的零件图样分析，零件结构工艺性分析与零件毛坯的工艺性分析等内容。

3.1.1零件图分析

熟悉零件在产品中的作用、位置、装配关系和工作条件，清楚各项技术要求对零件装配质量和使用性能的影响，找出主要的关键的技术要求、然后对图样进行分析。

1.尺寸标住方法分析。

零件图上的尺寸标注方法应适合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。

这种标注方法即便于编程、又有利于设计基准、工艺基准、测量基准和编程原点的统一。

2.轮廓几何要素分析。

在手工编程时，要计算每个节点坐标；

在自动编程时，要对构成零件轮廓的所有几何元素进行定义、因此在分析零件图时，要分析几何元素的给定条件是否充分。

3.精度及技术要求分析

对被加工零件的精度及技术要求进行分析，是零件工艺性分析的重要内容，只

有在分析零件尺寸精度和表面粗糙度的基础上，才能正确合理地选择加工方法、装夹方式、刀具及切削用量等。

精度及技术要求分析的主要内容如下：

（1）析精度及各项技术是否齐全，是否合理。

（2）析本工序的数控车削加工精度能否达到图样要求，如达不到，需采取其他措施（如磨削）弥补的话，则应给后续工序留有余量。

（3）找出图样上有位置精度要求的表面，这些表面应在一次安装下完成。

（4）对表面精度要求较高的表面，应采用恒线速切削。

3.1.2结构工艺分析

零件的结构工艺性实质零件对加工方法的适应性，即此零件结构应便于加

工成型。

在数控车上加工零件时，应根据数控车的特点认真审视零件结构的合理性。

3.2数控加工工艺设计

工艺设计是机械加工的基础。

他包括机械产品从零件的加工到产品的装配和生产规划的全过程。

零件工艺设计包含从毛坯选择到通过机械加工的手段使零件达到图纸设计要求的加工设备、刀具、量具、夹具及辅具的选择，以及安排整个零件加工工艺路线的全过程。

在数控加工中，

零件的工艺规程是编制其加工程序的依据和基础，

与常规

加工工艺设计不同，

它要求：

（1）工艺详细一-

-具体到每一个步骤。

（2）工艺准确一-

-计算每一个坐标尺寸。

（3）工艺完整

-选择每一种刀具、辅具、安排其前后次序，设计每

一把刀

具的切削用量。

在审查零件的设计图纸并进行零件的工艺性分析、制定出零件的加工方案之后，就可以进行零件的工艺设计。

3.3数控加工的注意事项

数控车床加工的工艺与普通车床的加工工艺类似，但由于数控车床是一次装夹，连续自动加工完成所有车削工序，因而应注意以下几个方面。

3.3.1.合理选择切削用量

对于高效率的金属切削加工来说，被加工材料、切削工具、切削条件是三大要素。

这些决定着加工时间、刀具寿命和加工质量。

经济有效的加工方式必然是合理的选择了切削条件。

切削条件的三要素：

切削速度、进给量和切深直接引起刀具的损伤。

伴随着切削速度的提高，刀尖温度会上升，会产生机械的、化学的、热的磨损。

切削速度提高20%刀具寿命会减少1/2。

进给条件与刀具后面磨损关系在极小的范围内产生。

但进给量大，切削温度上升,后面磨损大。

它比切削速度对刀具的影响小。

切深对刀具的影响虽然没有切削速度和进给量大，但在微小切深切削时，被切削材料产生硬化层，同样会影响刀具的寿命。

用户要根据被加工的材料、硬度、切削状态、材料种类、进给量、切深等选择使用的切削速度。

最适合的加工条件的选定是在这些因素的基础上选定的。

有规则的、稳定的磨损

达到寿命才是理想的条件。

然而，在实际作业中，刀具寿命的选择与刀具磨损、被加工尺寸变化、表面质量、切削噪声、加工热量等有关。

在确定加工条件时，需要根据实际情况进行研究。

对于不锈钢和耐热合金等难加工材料来说，可以采用冷却剂或选用刚性好的刀刃。

332合理选择刀具

（1）粗车时，要选强度高、耐用度好的刀具，以便满足粗车时大背吃刀量、大进给量的要求。

（2）精车时，要选精度高、耐用度好的刀具，以保证加工精度的要求。

（3）为减少换刀时间和方便对刀，应尽量采用机夹刀和机夹刀片。

3.3.3合理选择夹具

（1）尽量选用通用夹具装夹工件，避免采用专用夹具；

（2）零件定位基准重合，以减少定位误差。

3.3.4确定加工路线

加工路线是指数控机床加工过程中，刀具相对零件的运动轨迹和方向。

（1）应能保证加工精度和表面粗糙要求；

（2）应尽量缩短加工路线，减少刀具空行程时间。

3.3.5加工路线与加工余量的联系

目前，在数控车床还未达到普及使用的条件下，一般应把毛坯上过多的余量，特别是含有锻、铸硬皮层的余量安排在普通车床上加工。

如必须用数控车床加工时，则需注意程序的灵活安排。

3.3.6夹具安装要点

目前液压卡盘和液压夹紧油缸的连接是靠拉杆实现的，液压卡盘夹紧要点如下：

首先用搬手卸下液压油缸上的螺帽，卸下拉管，并从主轴后端抽出，再用搬手卸下卡盘固定螺钉，即可卸下卡盘。

3.4刀具的选择与方法

现代制造技术的发展及数控加工设备的广泛使用，极大地推动了切削技术的进步。

随着生产加工过程数控化和自动化的需要，对金属切削刀具提出了高可靠度、高

精度、长寿命、快速转位更换、断屑良好等更高要求。

自80年代以来，可转位不重

磨刀具已被各国广泛应用，但是可转位不重磨刀片及刀具CAD/CA技术的应用和发

展，使刀具结构设计及切削部分的形状种类变得十分繁多，给机械加工和刀具设计人

员合理选择刀具带来一定困难。

同时，刀片型号的增加也给刀片采购和销售带来不便，为用户快速、高效及正确选择刀具增加困难。

为使企业对市场需求迅速做出响应，在切削加工中，快速高效选择刀具成为切削加工系