数控车削加工工艺的制订

时间：2024-10-10 百科知识版权反馈

【摘要】：制订工艺是数控车削加工的前期工艺准备工作。在数控车床上加工零件时，应根据数控车削的特点，认真审视零件结构的合理性。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。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。

3.1.2　数控车削加工工艺的制订

制订工艺是数控车削加工的前期工艺准备工作。工艺制订的合理与否，对程序编制、机床的加工效率和零件的加工精度都有重要影响。因此，应遵循一般的工艺原则并结合数控车床的特点认真而详细地制订好零件的数控车削加工工艺。其主要内容有：分析零件图样，确定工件在车床上的装夹方式、各表面的加工顺序和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

分析零件图样是工艺制订中的首要工作，它主要包括以下内容。

（1）结构工艺性分析

零件的结构工艺性是指零件对加工方法的适应性，即所设计的零件结构应便于加工成型。在数控车床上加工零件时，应根据数控车削的特点，认真审视零件结构的合理性。如图3-1（a）所示零件，需用三把不同宽度的切槽刀切槽，如无特殊需要，显然是不合理的，若改成图3-1（b）所示结构，只需一把刀即可切出三个槽，既减少了刀具数量，少占了刀架刀位，又节省了换刀时间。

图3-1　结构工艺性

（2）尺寸标注方法分析

零件图上尺寸标注方法应适应数控车床加工的特点，如图3-2所示，应以同一基准标注尺寸或直接给出坐标尺寸。这种标注方法既便于编程，又有利于设计基准、工艺基准、测量基准和编程原点的统一。

图3-2　零件尺寸标注分析

（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分析精度及各项技术要求是否齐全、是否合理；

②分析本工序的数控车削加工精度能否达到图样要求，若达不到，需采取其他措施（如磨削）弥补时，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对表面粗糙度要求较高的表面，应确定用恒线速切削。

（4）轮廓几何要素分析

在分析零件图时，要分析几何要素的给定条件是否充分。

2.加工工艺路线的制定

由于生产规模的差异，对于同一零件的车削工艺有所不同，根据具体条件，选择合理、经济的车削工艺方案。

（1）工序和装夹方式的确定

①工序划分原则

在数控机床上加工零件，工序可以比较集中，一次装夹应尽可能完成全部工序。与普通机床加工相比，加工工序划分有其自己的特点，常用的工序划分原则有以下两种。

a.保持精度原则。数控加工要求工序尽可能集中。通常粗、精加工在一次装夹下完成，为减少热变形和切削力变形对工件的形状、位置精度、尺寸精度和表面粗糙度的影响，应将粗、精加工分开进行。对轴类或盘类零件，将待加工面先粗加工，留少量余量精加工，来保证表面质量要求。对轴上有孔、螺纹加工的工件，应先加工表面而后加工孔、螺纹。

b.提高生产效率的原则。数控加工中，为减少换刀次数，节省换刀时间，应将需用同一把刀加工的加工部位全部完成后，再换另一把刀来加工其他部位。同时应尽量减少空行程，用同一把刀加工工件的多个部位时，应以最短的路线到达各加工部位。

实际生产中，数控加工工序的划分要根据具体零件的结构特点、技术要求等情况综合考虑。

②常用划分工序方法

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、端面装夹，并力求设计基准、工艺基准和编程原点的统一。在批量生产中，常用下列两种方法划分工序。

a.按零件加工表面划分。将位置精度要求较高的表面安排在一次安装下完成，以免多次安装所产生的安装误差影响位置精度。

b.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，划分成两道或更多的工序。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。

③零件安装方式的选择

在数控车床上零件的安装方式与普通车床一样，要合理选择定位基准和夹紧方案，主要注意以下两点。

a.力求设计、工艺与编程计算的基准统一，这样有利于提高编程时数值计算的简便性和精确性。

b.尽量减少装夹次数，尽可能在一次装夹后，加工出全部待加工面。

（2）加工路线的确定

在数控加工中，刀具（严格说是刀位点）相对于工件的运动轨迹和方向称为加工路线，即刀具从对刀点开始运动起，直至加工结束所经过的路径，包括切削加工的路径及刀具引入、返回等非切削空行程。加工路线的确定首先必须保持被加工零件的尺寸精度和表面质量，其次考虑数值计算简单、走刀路线尽量短、效率较高等。

①制订零件车削加工顺序的一般原则

a.先粗后精。按照粗车—半精车—精车的顺序进行，逐步提高加工精度。粗车将在较短的时间内将工件表面上的大部分加工余量切掉，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要求时，则要安排半精车，以此为精车做准备。精车要保证加工精度，按图样尺寸一刀切出零件轮廓，如图3-3所示。

b.先近后远。在一般情况下，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，改善其切削条件。例如加工图3-4所示零件时，若第一刀吃刀量未超限，则应该按Ф34—Ф36—Ф38的次序先近后远地安排车削顺序。

图3-3　先粗后精

图3-4　先近后远

c.内外交叉。对既有内表面（内型腔），又有外表面需加工的零件，安排加工顺序时，应先进行内外表面粗加工，后进行内外表面精加工。切不可将零件上一部分表面（外表面或内表面）加工完毕后，再加工其他表面（内表面或外表面）。

d.基面先行原则。用作精基准的表面应优先加工出来，因为定位基准的表面越精确，装夹误差就越小。例如轴类零件加工时，总是先加工中心孔，再以中心孔为精基准加工外圆表面和端面。

②常用加工路线的确定

因精加工的进给路线基本上都是沿其零件轮廓顺序进行的，因此确定加工路线的工作重点是确定粗加工及空行程的进给路线。

下面举例分析数控车削加工零件时常用的加工路线。

a.车圆锥的加工路线分析

在车床上车外圆锥时可以分为车正锥和车倒锥两种情况，而每一种情况又有两种加工路线。图3-5所示为车正锥的两种加工路线。按图3-5（a）车正锥时，需要计算终刀距S。假设圆锥大径为D，小径为d，锥长为L，背吃刀量为α_p，则由相似三角形可得：

则S＝2Lα_p/（D-d），按此种加工路线，刀具切削运动的距离较短。

当按图3-5（b）的走刀路线车正锥时，则不需要计算终刀距S，只要确定背吃刀量，即可车出圆锥轮廓，编程方便。但在每次切削中，背吃刀量是变化的，而且切削运动的路线较长。

图3-5　车正锥的两种加工路线

b.车圆弧的加工路线分析

应用GO2（或GO3）指令车圆弧，若用一刀就把圆弧加工出来，这样吃刀量太大，容易打刀。所以，实际切削时，需要多刀加工，先将大部分余量切除，最后才车得所需圆弧。

图3-6所示为车圆弧的车圆法切削路线。即用不同半径圆来车削，最后将所需圆弧加工出来。此方法在确定了每次背吃刀量后，对90°圆弧的起点、终点坐标较易确定。图3-6（a）的走刀路线较短，图3-6（b）的空行程时间较长。此方法数值计算简单，编程方便，常采用，可适合于加工较复杂的圆弧。

图3-6　车圆弧切削路线

c.轮廓粗车加工路线分析

切削进给路线最短，可有效提高生产效率，降低刀具损耗。安排最短切削进给路线时，应同时兼顾工件的刚性和加工工艺性等要求，不要顾此失彼。

图3-7给出了三种不同的轮廓粗车切削进给路线，其中图3-7（a）表示利用数控系统具有的封闭式复合循环功能控制车刀沿着工件轮廓线进行进给的路线；图3-7（b）为三角形循环进给路线；图3-7（c）为矩形循环进给路线，其路线总长最短，因此在同等切削条件下的切削时间最短，刀具损耗最少。

图3-7　粗车进给路线示例

d.车螺纹时的轴向进给距离分析

在数控车床上车螺纹时，沿螺距方向的Z向进给应和车床主轴的旋转保持严格的速比关系，因此应避免在进给机构加速或减速的过程中切削。为此要有引入距离δ₁和超越距离δ₂。如图3-8所示，δ₁和δ₂的数值与车床拖动系统的动态特性、螺纹的螺距和精度有关。一般δ₁为2～5mm，对大螺距和高精度的螺纹取大值；δ₂一般为1～2mm。这样在切削螺纹时，δ₂能保证在升速后使刀具接触工件，刀具离开工件后再降速。

图3-8　车螺纹时的引入距离δ₁和超越距离δ₂

（3）工件在数控车床上的装夹

为充分发挥数控机床的高效率、高精度和自动化的效能，工件的定位夹紧需适应数控机床的要求。装夹方式的选择关键在于夹具的选用。数控加工用夹具应具有较高的定位精度和刚性，结构简单、通用性强，一次装夹加工多个表面，便于在机床上安装夹具及迅速装卸工件等特性。

除了使用通用的三爪自定心卡盘和四爪单动卡盘外，数控车床类夹具常分成两大类，即用于轴类零件加工的夹具和用于盘类零件加工的夹具。

①轴类零件加工的装夹

a.在两顶尖间安装工件

对于长度尺寸较大或加工工序较多的轴类零件，为保证每次装夹时的装夹精度，可用两顶尖装夹。中心孔是轴类零件的常用定位基准，在数控车床上加工轴类零件时，毛坯装在主轴顶尖和尾座顶尖之间，工件用主轴上的拨动卡盘或拨齿顶尖带动旋转。这类夹具在粗车时可传递足够大的转矩，以适应主轴高转速切削。

b.自定心中心架

数控自定心中心架，用以减少细长轴加工时的受力变形，并提高其加工精度。该件常作为机床附件提供。其工作原理为：通过安装架与机床导轨相连，工作时由主机发信号，通过液压或气动力源作夹紧或松开，其润滑则采用中心润滑系统。

c.一夹一顶安装工件

为保证加工过程中刚性较好，车削较重工件时采用一端夹住另一端用后顶尖的方法。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承，或利用工件的台阶限位，这样能承受较大的轴向力，轴向定位准确。

②盘类零件的装夹

用于盘类工件的夹具主要有液压动力卡盘、可调卡爪式卡盘和快速可调卡盘。

3.数控车削刀具的选择

（1）常用车刀种类及其选择

数控车削常用车刀一般分为尖形车刀、圆弧形车刀和成型车刀等三类。

①尖形车刀

以直线形切削刃为特征的车刀。这类车刀的刀尖（同时也为其刀位点）由直线形的主、副切削刃构成，如90°外圆车刀、左右端面车刀、切断（车槽）车刀以及刀尖倒棱很小的各种外圆和内孔车刀。

用这类车刀加工零件时，其零件的轮廓形状主要由一个独立的刀尖或一条直线形主切削刃位移后得到，它与另两类车刀加工时所得到零件轮廓形状的原理是截然不同的。

②圆弧形车刀

以一圆度误差或线轮廓误差很小的圆弧形切削刃为特征的车刀，如图3-9所示。该车刀圆弧刃上每一点都是圆弧形车刀的刀尖，因此，刀位点不在圆弧上，而在该圆弧的圆心上。

图3-9　圆弧形车刀

当某些尖形车刀或成型车刀（如螺纹车刀）的刀尖具有一定的圆弧形状时，也可作为这类车刀使用。

圆弧形车刀可用于车削内外表面，特别适合于车削各种光滑连接（凹形）的成形面。选择车刀圆弧半径时应考虑两点：一是车刀切削刃的圆弧半径应小于或等于零件凹形轮廓上的最小曲率半径，以免发生加工干涉；二是该半径不宜选择太小，否则不但制造困难，还会因刀具强度太弱或刀体散热能力差而导致车刀损坏。

③成型车刀

成型车刀俗称样板车刀，其加工零件的轮廓形状完全由车刀刀刃的形状和尺寸决定。数控车削加工中，常见的成型车刀有小半径圆弧车刀、非矩形槽车刀和螺纹车刀等。在数控加工中，应尽量少用或不用成型车刀，当确有必要选用时，则应在工艺准备文件或加工程序单上进行详细说明。

图3-10给出了常用车刀的种类、形状和用途。

图3-10　常用车刀的种类、形状和用途

（2）机夹可转位车刀的选用

目前，数控机床上大多使用系列化、标准化刀具，对可转位机夹外圆车刀、端面车刀等的刀柄和刀头都有国家标准及系列化型号。

对所选择的刀具，在使用前都需对刀具尺寸进行严格的测量以获得精确资料，并由操作

者将这些数据输入数控系统，经程序调用而完成加工过程，从而加工出合格的工件。为了减少换刀时间和方便对刀，便于实现机械加工的标准化，数控车削加工时，应尽量采用机夹刀和机夹刀片。数控车床常用的机夹可转位式车刀结构型式如图3-11所示。

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和车刀的主偏角有关（见图3-12），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。刀片型号组成见国家标准GB2076—87《切削刀具可转位刀片型号表示规则》，常见可转位车刀刀片形状及角度如图3-13所示。特别需要注意的是，加工凹形轮廓表面时，若主、副偏角选得太小，会导致加工时刀具主后刀面、副后刀面与工件发生干涉，因此，必要时需作图检验。

图3-11　机夹可转位式车刀结构型式

图3-12　切削刃长度、背吃刀量与主偏角的关系

图3-13　常见可转位车刀刀片

4.切削用量的确定

数控编程时，编程人员必须确定每道工序的切削用量，并以指令的形式写入程序中。切削用量包括主轴转速、背吃刀量及进给速度等。对于不同的加工方法，需要选用不同的切削用量。切削用量的选择原则是：保证零件加工精度和表面粗糙度，充分发挥刀具的切削性能，保证合理的刀具耐用度；并充分发挥机床的性能，最大限度提高生产率，降低成本。

数控车床加工中的切削用量包括：背吃刀量、主轴转速或切削速度（用于恒线速切削）、进给速度或进给量。上述切削用量应在机床说明书给定的允许范围内选取。

（1）背吃刀量的确定

在工艺系统刚性和机床功率允许的条件下，尽可能选取较大的背吃刀量，以减少进给次数。当零件的精度要求较高时，则应考虑适当留出精车余量，其所留精车余量一般比普通车削时所留余量少，常取0.1～0.5mm。

（2）主轴转速的确定

①光车时主轴转速

光车时主轴转速应根据零件上被加工部位的直径，并按零件和刀具的材料及加工性质等条件所允许的切削速度来确定。切削速度除了计算和查表选取外，还可根据实践经验确定。需要注意的是，交流变频调速数控车床低速输出力矩小，因而切削速度不能太低。

②车螺纹时主轴转速

数控车床加工螺纹时，因其传动链的改变，原则上其转速只要能保证主轴每转一周时，刀具沿主进给轴（多为Z轴）方向位移一个螺距即可，不应受到限制。但数控车床车螺纹时，会受到以下几方面的影响。

a.螺纹加工程序段中指令的螺距值，相当于以进给量f（mm/r）表示的进给速度F，如果将机床的主轴转速选择过高，其换算后的进给速度（mm/min）则必定大大超过正常值。

b.刀具在其位移过程始终都将受到伺服驱动系统升/降频率和数控装置插补运算速度的约束，由于升/降频特性满足不了加工需要等原因，则可能因主进给运动产生出的“超前”和“滞后”而导致部分螺牙的螺距不符合要求。

c.车削螺纹必须通过主轴的同步运行功能而实现，即车削螺纹需要有主轴脉冲发生器（编码器）。当其主轴转速选择过高时，通过编码器发出的定位脉冲（即主轴每转一周时所发出的一个基准脉冲信号）将可能因“过冲”（特别是当编码器的质量不稳定时）而导致工件螺纹产生乱纹（俗称“烂牙”）。

鉴于上述原因，不同的数控系统车螺纹时推荐使用不同的主轴转速范围。大多数经济数控车床的数控系统推荐车螺纹时主轴转速n为：