项目1 数控车床及附件认识Word格式.docx

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（1）主轴与主轴箱

主轴：

主轴是带动工件旋转，实现切削运动的主要部件。

数控车床主轴的回转精度，直接影响到工件的加工精度；

其功率大小、回转速度影响到加工的效率；

其同步运行、自动变速及定向准停等要求，影响到车床的自动化程度。

主轴箱：

数控车床主轴箱和普通车床主轴箱有较大的差别。

具有有级自动调速功能的数控车床，其主轴箱内的传动机构已经大大简化；

具有无级自动调速（包括定向准停）的数控车床，起机械传动变速和变向作用的机构已经不复存在了，其主轴箱也成了“轴承座”及“润滑箱”的代名词；

至于用普通车床改造的（具有手动操作和自动控制加工双重功能）数控车床，则基本上保留其原有的主轴箱。

（2）导轨

数控车床的导轨是保证进给运动准确性的重要部件。

它在很大程度上影响车床的刚度、精度及低速进给时的平稳性，是影响工件加工质量的重要因素之一。

除部分数控车床仍沿用传统的滑动导轨（金属型）外，定型生产的数控车床已较多地采用贴塑导轨。

这种新型滑动导轨的摩擦系数小，其耐磨性、耐腐蚀性及吸震性好，润滑条件也比较优越。

（3）机械传动机构

除了部分主轴箱内的齿轮传动等机构外，数控车床已在原普通车床传动链的基础上，作了大幅度的简化。

如取消了交换齿轮（挂轮）箱、进给箱、溜板箱及其绝大部分传动机构，而仅保留了纵、横向进给的螺旋传动机构，并在驱动电动机至丝杠间增设了（少数车床未增设）可消除其侧隙的齿轮副。

螺旋传动机构，数控车床中的螺旋副，是将驱动电动机所输出的旋转运动转换成刀架在纵、横方向上直线运动的运动副。

构成螺旋传动机构的部件，一般为滚珠丝杠副，如图1-2所示。

滚珠丝杠副的摩擦阻力小，可消除轴向间隙及预紧，故传动效率及精度高，运动稳定，动作灵敏。

但结构较复杂，制造技术要求较高，所以成本也较高，调整其间隙大小时，难度亦较大。

1螺母2丝杠3滚珠4滚珠循环装置

图1-2滚珠丝杠副

齿轮副：

在较多数控车床的驱动机构中，其驱动电动机与进给丝杠间设置有一个简单的齿轮箱（架）。

齿轮副的主要作用是，保证车床进给运动的脉冲当量符合要求，避免丝杠可能产生的轴向窜动对驱动电动机的不利影响。

（4）自动转动刀架

除了车削中心采用随机换刀（带刀库）的自动换刀装置外，一般的数控车床带有固定刀位的自动转位刀架，有的车床还带有各种形式的双刀架、斜刀架等。

经济型数控车床一般配备的是四刀位自动回转刀架。

本教材以配备四刀位自动回转刀架的数控车床为基本设备。

（5）检测反馈装置

检测反馈装置是数控车床的重要组成部分，对加工精度、生产效率和自动化程度有很大影响。

检测装置包括位移检测装置和工件尺寸检测装置两大类，其中工件尺寸检测装置又分为机内尺寸检测装置和机外尺寸检测装置两种。

工件尺寸检测装置仅在少量的高档数控车床上配用。

（6）对刀装置

除了极少数专用性质的数控车床外，普通数控车床几乎都采用了各种形式的自动转位刀架，以进行多刀车削。

这样，每把刀的刀位点在刀架上安装的位置，或相对于车床固定原点的位置，都需要通过对刀调整和测量，并以确认，以保证工件的加工顺利进行。

2．数控装置和伺服系统

数控车床与普通车床的主要区别就在于是否具有数控装置和伺服系统这两大部分。

如果说，数控车床的检测装置相当于人的眼睛，那么，数控装置相当于人的大脑，伺服系统则相当于人的双手。

这样，就不难看出这两大部分在数控车床中所处的重要位置了。

（1）数控装置

数控装置的核心是计算机及其软件，它在数控车床中起“指挥”作用：

数控装置接收由加工程序送来的各种信息，并经处理和调配后，向驱动机构发出执行命令；

在执行过程中，其驱动、检测等机构同时将有关信息反馈给数控装置，以便经处理后发出新的执行命令。

（2）伺服系统

伺服系统准确地执行数控装置发出的命令，通过驱动电路和执行组件（如步进电动机、主轴电动机、伺服电动机等），完成数控装置所要求的各种位移。

1.3数控车床的分类

1．按车床主轴的配置形式分类

（1）卧式数控车床：

机床主轴轴线处于水平位置。

卧式数控车床又分为数控水平导轨卧式车床和数控倾斜导轨卧式车床（如图1-3所示）。

倾斜导轨结构可以使车床具有更大的刚性，并易于排除切屑。

档次较高的数控卧车一般都采用倾斜导轨。

数控车床又有单刀架和双刀架之分，前者是2坐标控制，后者是4坐标控制。

双刀架卧车多数采用倾斜导轨。

图1-3倾斜导轨卧式数控车床

（2）立式数控车床：

机床主轴轴线垂直于水平面。

主要用于加工径向尺寸大、轴向尺寸相对较小的大型复杂工件。

2．按数控系统控制的轴数分类

（1）两轴控制的数控车床：

机床上只有一个回转刀架，可实现两坐标轴联动控制。

（2）四轴控制数控车床：

机床上有两个回转刀架，可实现四坐标轴联动控制。

（3）多轴控制数控机床：

机床上除了控制X、Z两坐标轴外，还可控制其它坐标轴，实现多轴控制，如具有C轴控制功能。

车削加工中心或柔性制造单元，都具有多轴控制功能。

3．按数控系统的功能分类

（1）经济型数控车床（简易数控车床）：

一般采用步进电动机驱动的开环伺服系统，具有CRT显示、程序存储、程序编辑等功能，加工精度较低，功能较简单。

（2）全功能型数控车床：

较高档次的数控车床，具有刀尖圆弧半径自动补偿、恒线速、倒角、固定循环、螺纹切削、图形显示、用户宏程序等功能，加工能力强，适宜于加工精度高、形状复杂、循环周期长、品种多变的单件或中小批量工件的加工。

（3）精密型数控车床：

采用闭环控制，不但具有全功能型数控车床的全部功能，而且机械系统的动态响应较快，在数控车床基础上增加其它附加坐标轴。

适用于精密和超精密加工。

4．按伺服系统的控制方式分类

（1）开环伺服系统

开环伺服系统一般由环形分配器、步进电动机功率放大器、步进电动机、齿轮箱和丝杠螺母传动副等组成。

如图1-4所示。

图1-4开环伺服系统示意图

工作原理：

每当数控装置发出一个指令脉冲信号，就使步进电动机的转子旋转一个固定角度，机床工作台移动一定的距离。

特点：

开环伺服系统没有工作台位移检测装置，对机械传动精度误差没有补偿和校正，工作台的位移精度完全取决于步进电动机的步距角精度、齿轮箱中齿轮副和丝杠螺母副的精度与传动间隙等，所以这种系统很难保证较高的位置控制精度。

同时由于受步进电动机性能的影响，其速度也受到一定的限制。

但这种系统的结构简单、调试方便、工作可靠、稳定性好、价格低廉，因此被广泛用于精度要求不太高的经济型数控机床上。

（2）闭环伺服系统

闭环伺服系统主要是由比较环节（位置比较和放大组件、速度比较和放大组件）、驱动组件、机械传动装置、测量装置等组成。

如图1-5所示。

图1-5闭环伺服系统示意图

数控装置发出位移指令脉冲，经电动机和机械传动装置使机床工作台移动，安装在工作台上的位置检测器把机械位移变成电学量，反馈到输入端与输入信号相比较，得到的差值经过放大和变换，最后驱动工作台向减少误差的方向移动。

如果输入信号不断地产生，则工作台就不断地跟随输入信号运动。

闭环伺服系统的位置检测装置安装在机床工作台上，将工作台的实际位置检测出来并与CNC装置的指令进行比较，用差值进行控制，因而可以达到很高的定位精度，同时还能达到较高的速度。

在精度要求高的大型和精密机床上应用十分广泛。

由于系统增加了检测、比较和反馈装置，所以结构比较复杂，不稳定因素多，调试维修比较困难。

（3）半闭环伺服系统

半闭环控制系统也有位置检测反馈装置，但检测组件安装在电动机轴端或丝杠轴端处，通过检测伺服机构的滚珠丝杠转角，间接计算移动部件的位移，然后反馈到数控装置的比较器中，与输入原指令位移值进行比较，用比较后的差值进行补偿控制，使移动部件补充位移，直到差值消除为止。

如图1-6所示。

图1-6半闭环伺服系统示意图

半闭环控制系统伺服机构没有将丝杠螺母机构、齿轮机构等传动机构包括在闭环中，所以这些传动机构的传动误差仍然会影响移动部件的位移精度。

但半闭环伺服系统将惯性大的工作台安排在闭环之外，系统调试较容易，稳定性好。

所能达到的精度、速度和动态特性优于开环伺服机构，为大多数中小型数控机床所采用。

1.4数控车床的工作过程

数控车床的工作过程如图1-7所示。

图1-7数控车床的工作过程

1）首先根据工件加工图样进行工艺分析，确定加工方案、工艺参数和位移数据。

2）用规定的程序代码和格式规则编写工件加工程序单，或用自动编程软件进行CAD/CAM工作，直接生成工件的加工程序文件。

3）将加工程序的内容以代码形式完整记录在信息介质（如穿孔带或磁带）上。

4）通过阅读机把信息介质上的代码转变为电信号，并输送给数控装置。

由手工编写的程序，可以通过数控机床的操作面板输入程序；

由编程软件生成的程序，通过计算机的串行通信接口直接传输到数控机床的数控单元（MCU）。

5）数控装置将所接受的信号进行一系列处理后，再将处理结果以脉冲信号形式向伺服系统发出执行的命令。

6）伺服系统接到执行的信息指令后，立即驱动车床进给机构严格按照指令的要求进行位移，使车床自动完成相应工件的加工。

1.5数控车床的结构特点

数控车床已越来越多的应用于现代制造业，并发挥出普通车床无法比拟的优势，典型的数控车床主要有以下几个特点：

（1）传动链短与普通车床相比，主轴驱动不再是电动机皮带齿轮副机构变速；

进给运动采用横向和纵向进给分别由两台伺服电动机驱动运动完成。

不再使用挂轮、离合器等传统部件，传动链大大缩短。

（1）刚性高为了与数控系统的高精度相匹配，数控车床的刚性高，以便适应高精度、高效率的加工要求。

（1）轻拖动刀架（工作台）移动采用滚珠丝杠副，摩擦小，移动轻便。

丝杠两端的支承式专用轴承，其压力角比普通轴承大，在出厂时便选配好；

数控车床的润滑部分采用油雾自动润滑，这些措施都使得数控车床移动轻便。

1.6数控车床的加工特点

（1）自动化程度高，可以减轻操作者的体力劳动强度。

数控加工过程是按输入的程序自动完成的，操作者只需起始对刀、装卸工件、更换刀具，在加工过程中，主要是观察和监督车床运行。

但是，由于数控车床的技术含量高，操作者的脑力劳动相应提高。

（2）加工工件精度高、质量稳定数控车床的定位精度和重复定位精度都很高，较容易保证一批工件尺寸的一致性，只要工艺设计和程序正确合理，加之精心操作，就可以保证工件获得较高的加工精度，也便于对加工过程实行质量控制。

（3）生产效率高数控车床加工是能再一次装夹中加工多个加工表面，一般只检测首件，所以可以省区普通车床加工时的不少中间工序，如划线、尺寸检测等，减少了辅助时间，而且由于数控加工出的工件质量稳定，为后续工序带来方便，其综合效率明显提高。

（4）便于新产品研制和改型数控加工一般不需要很多复杂的工艺装备，通过编制加工程序就可把形状复杂和精度要求较高的工件加工出来，当产品改型，更改设计时，只要改变程序，而不需要重新设计工装。

所以，数控加工能大大缩短产品研制周期，为新产品的研制开发、产品的改进、改型提供了捷径。

（5）可向更高级的制造系统发展数控车床及其加工技术是计算机辅助制造的基础。

（6）初始投资较大这是由于数控车床设备费用高，首次加工准备周期较长，维修成本高等因素造成。

（7）维修要求高数控车床是技术密集型的机电一体化的典型产品，需要维修人员既懂机械，又要懂微电子维修方面的知识，同时还要配备较好的维修装备。

1.7数控车床的加工对象

（1）多品种中小批量工件随着数控车床制造成本的逐步下降，现在不管是国内还是国外，加工大批量工件的情况也已经出现。

加工很小批量和单件生产时，如能缩短程序的调试时间和工装的准备时间也是可以选用的。

（2）精度要求高的工件有于数控车床的刚性好，制造精度高，对刀精确，能方便地进行尺寸补偿，所以能加工尺寸精度要求高的工件。

（3）表面粗糙度值小的工件在工件和刀具的材料、精加工余量及刀具角度一定的情况下，表面粗糙度取决于切削速度和进给速度。

普通车床是恒定转速，直径不同切削速度就不同，而数控车床具有恒线速切削功能，车端面、不同直径外圆时可以用相同的线速度，保证表面粗糙度值一致。

在加工表面粗糙度不同的表面时，粗糙度小的表面选用小的进给速度，粗糙度大的表面选用大些的进给速度，可变性很好，这点在普通车床很难做到。

（4）轮廓形状复杂的工件任意平面曲线都可以用直线或圆弧来逼近，数控车床具有圆弧插补功能，可以加工各种复杂轮廓的工件。

如图1-8所示。

图1-8辅助轮廓的工件

1.8数控车床的刀具、刀架和刀具刃磨

1．数控车削刀具分类及用途

根据刀具结构的不同，数控车削刀具可分为整体式和镶嵌式。

镶嵌式刀具按车刀与刀体固定方式的不同又分为焊接式和机械夹紧式车刀。

（1）焊接式车刀焊接式车刀是将硬质合金刀片用焊接的方法固定在刀体上。

焊接式车刀的结构简单，制造方便，刚性好。

但由于存在焊接应力，使刀具材料的使用性能受到影响，甚至出现裂纹。

另外，刀杆不能重复利用，硬质合金刀片不能充分回收利用，造成材料的浪费。

根据加工表面及用途的不同，焊接式车刀分为切断刀、外圆刀、端面车刀、内孔车刀、螺纹车刀以及成形车刀等。

如图1-9所示。

1—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—内槽车刀；

12—通孔车刀；

13—铰不通孔（盲孔）车刀

图1-9焊接式车刀的种类、形状和用途

（2）机械夹紧式车刀机械夹紧式车刀分为不转位和可转位两种。

可转位车刀是使用可转位刀片的机夹车刀，把经过研磨的可转位多边形刀片用夹紧组件夹在刀杆上。

可转位车刀在使用过程中，切削刃磨钝后，通过刀片的转位，即可用新的切削刃继续加工，只有当多边形车刀所有的切削刃都磨钝后，才需要更换刀片。

数控车削加工时，为了减少换刀时间和方便对刀，尽量采用机夹车刀和机夹刀片，便于实现机械加工的标准化。

数控车床常用的机夹可转位式车刀刀片结构形式如图1-10所示。

数控车床常用的机夹可转位车刀常见刀片形式如图1-11所示。

1—刀杆；

2—刀垫；

3—刀片；

4—夹固组件

图1-10机夹可转位车刀的组成

图1-11机夹可转位车刀常见刀片

2．数控车削刀具的选用

（1）刀片材质的选择

常见刀片材料有高速钢、硬质合金、涂层硬质合金、陶瓷、立方氮化硼和金刚石等，其中应用最多的是硬质合金和涂层硬质合金刀片。

选择刀片材质主要依据被加工工件的材料、被加工表面的精度、表面质量要求、切削载荷的大小以及切削过程有无冲击和振动等。

（2）刀片尺寸的选择

刀片尺寸的大小取决于必要的有效切削刃长度L。

有效切削刃长度与背吃刀量aP和车刀的主偏角kr有关，使用时可查阅有关刀具手册选取。

（3）刀片形状的选择

刀片形状主要依据被加工工件的表面形状、切削方法、刀具寿命和刀片的转位次数等因素选择。

被加工表面与适用的刀片形状可参考表1-1选取。

表1-1被加工表面与适用的刀片形状

车削外圆表面

主偏角

45°

60°

75°

95°

刀片形状及加工示意图

推荐选用刀片

SCMASPMR

SCMMSNMM-8

SPUNSNMM-9

SCMMSNMG

SPUNSPGR

TCMATNMM-8

TCMM

TPUN

SCMMSPUM

SNMA

CCMA

CCMM

CNMM-7

车削端面

90°

SCMMSPUR

SPUNCNMG

TNUNTNMA

TCMATPUM

TCMMTPMR

TPMR

车削成形面

15°

93°

RCMM

RNNG

TNMM-8

TNMG

TNMA

3.数控车床的刀架

刀架是数控车床非常重要的部件。

数控车床根据其功能，刀架上可安装的刀具数量—般为4把、6把、8把、10把、12把或16把，有些数控车床可以安装更多的刀具。

经济型或通用型数控车床常用四刀位回转方刀架，如图1-12所示。

图1-12回转方刀架

较完备的数控车床刀架的结构形式一般为回转式，刀具沿圆周方向安装在刀架上，可以安装径向车刀、轴向车刀、钻头、镗刀，如图1-13所示。

车削加工中心还可安装轴向铣刀、径向铣刀。

少数数控车床的刀架为直排式，刀具沿一条直线安装。

图1-13数控车床的刀架

数控车床可以采用两种方式配备刀架：

（1）专用刀架：

由车床生产厂商自己开发，所使用的刀柄也是专用的。

这种刀架的优点是制造成本低，但缺乏通用性。

（2）通用刀架：

根据一定的通用标准而生产的刀架，数控车床生产厂商可以根据数控车床的功能要求进行选择配置。

4.数控车床的铣削动力头

有些数控车床，配有铣削动力头附件。

数控车床刀架上安装铣削动力头可以大大扩展数控车床的加工能力，如图1-14所示。

图1-14铣削动力头

5．普通车刀的刃磨

车刀（指整体车刀与焊接车刀）用钝后重新刃磨是在砂轮机上刃磨的。

磨高速钢车刀用氧化铝砂轮（白色），磨硬质合金刀头用碳化硅砂轮（绿色）。

（1）砂轮的选择

砂轮的特性由磨料、粒度、硬度、结合剂和组织5个因素决定。

①磨料，常用的磨料有氧化物系、碳化物系和高硬磨料系3种。

工厂常用的是氧化铝砂轮和碳化硅砂轮。

氧化铝砂轮磨粒硬度低（HV2000-HV2400）、韧性大，适用刃磨高速钢车刀，其中白色的叫做白刚玉，灰褐色的叫做棕刚玉。

碳化硅砂轮的磨粒硬度比氧化铝砂轮的磨粒高（Hv2800以上）。

性脆而锋利，并且具有良好的导热性和导电性，适用刃磨硬质合金。

其中常用的是黑色和绿色的碳化硅砂轮。

而绿色的碳化硅砂轮更适合刃磨硬质合金车刀。

②粒度：

粒度表示磨粒大小的程度。

以磨粒能通过每英吋长度上多少个孔眼的数字作为表示符号。

例如60粒度是指磨粒刚可通过每英吋长度上有60个孔眼的筛网。

因此，数字越大则表示磨粒越细。

粗磨车刀应选磨粒号数小的砂轮，精磨车刀应选号数大（即磨粒细）的砂轮。

③硬度：

砂轮的硬度是反映磨粒在磨削力作用下，从砂轮表面上脱落的难易程度。

砂轮硬，即表面磨粒难以脱落；

砂轮软，表示磨粒容易脱落。

砂轮的软硬和磨粒的软硬是两个不同的概念，必须区分清楚。

刃磨高速钢车刀和硬质合金车刀时应选软或中软的砂轮.

另外，在选择砂轮时还应考虑砂轮的结合剂和组织。

工厂一般选用陶瓷结合剂（代号A）和中等组织的砂轮。

综上所述，应根据刀具材料正确选用砂轮。

刃磨高速钢车刀时，应选用粒度为46号到60号的软或中软的氧化铝砂轮。

刃磨硬质合金车刀时，应选用粒度为60号到80号的软或中软的碳化硅砂轮，两者不能搞错。

（2）车刀刃磨的步骤如下：

①磨主后刀面，同时磨出主偏角及主后角，如图图1-15（a）所示；

②磨副后刀面，同时磨出副偏角及副后角,如图图1-15（b）所示；

③磨前面，同时磨出前角,如图图1-15（c）所示；

④修磨各刀面及刀尖,如图图1-15（d）所示。

图1-15外圆车刀刃磨的步骤图

（3）刃磨车刀的姿势及方法是：

①人站立在砂轮机的侧面，以防砂轮碎裂时，碎片飞出伤人；

②两手握刀的距离放开，两肘夹紧腰部，以减小磨刀时的抖动；

③磨刀时，车刀要放在砂轮的水平中心，刀尖略向上翘约3°

~8°

，车刀接触砂轮后应作左右方向水平移动。

当车刀离开砂轮时，车刀需向上抬起，以防磨好的切削刃被砂轮碰伤；

④磨后刀面时，刀杆尾部向左偏过一个主偏角的角度；

磨副后刀面时，刀杆尾部向右偏过一个副偏角的角度；

修磨刀尖圆弧时，通常以左手握车刀前端为支点，用右手转动车刀的尾部。

（4）磨刀安全知识

①刃磨刀具前，应首先检查砂轮有无裂纹，砂轮轴螺母是否拧紧，并经试转后使用，以免砂轮碎裂或飞出伤人。

②刃磨刀具不能用力过大，否则会使手打滑而触及砂轮面，造成工伤事故。

③磨刀时应戴防护眼镜，以免砂砾和铁屑飞入眼中。

④磨刀时不要正对砂轮的旋转方向站立，以防意外。

磨小刀头时，必须把小刀头装入刀杆上。

砂轮支架与砂轮的间隙不得大于3mm，如发现过大，应调整适当。

1.9数控车床的夹具

1．数控车床的定位及装夹要求

在数控车床上加工工件，应按工序集中的原则划分工序，在一次装夹下尽可能完成大部分甚至全部表面的加工。

根据工件的结构形状不同，通常选择外圆、端面或端面、内孔装夹，并力求设计基准、工艺基准和编程基准统一。

做到工件的装夹方便，定位准确可靠，充分发挥数控车床的加工效能，提高加工精度。

选用夹具时，通常考虑以下几点。

①尽量选用可调整夹具，组合夹具及其它适用夹具，避免采用专用夹具，以缩短生产准备时间。

②在成批生产时，才考虑采用专用夹具，并力求结构简单。

③装卸工件要迅速方便，以减少机床的停机时间。

④夹具在机床上安装要准确可靠，以保证工件在正确的位置上加工。

2．常用的夹具形式

在数控加工中，为了充分发挥数控机床的高速度、高精度等特点，数控车床夹具除了使用通用的三爪自定心卡盘、四爪卡盘和为大批量生产中使用自动控制的液压电动及气动夹具外，还有多种相应的实用夹具。

它们主要分两类：

用于轴类工件的夹具和用于盘类工件的夹具。

（1）数控车床的卡盘

一般经济性数控车床使用普通的三爪或四爪卡盘。

而现在生产中为了提高效率，也广泛使用液压卡盘。

液压卡盘是数控车削加工时夹紧工件的重要附件，对一般回转类工件可采用普通液压卡盘；

对工件被夹持部位不是圆柱形的工件，则需要采用专用卡盘；

用棒料直接加工工件时需要