第1章 數控車削加工概述

1.1 數控車床概述

數控機床是集機械、電氣、液壓、氣動、微電子和信息等多項技術為一體的機電一體化產品，是機械制造設備中具有高精度、高效率、高自動化和高柔性化等優點的工作母機。數控機床的技術水平高低及其在金屬切削加工機床產量和總擁有量的百分比是衡量一個國家國民經濟發展和工業制造整體水平的重要標志之一。數控車床是數字程序控制車床的簡稱，它集通用性好的萬能型車床、加工精度高的精密型車床和加工效率高的專用型普通車床的特點于一身，是目前國內使用量最大、覆蓋面最廣的一種數控機床，占數控機床總數的25 %左右。

1.1.1 數控車床分類

數控車床在數控機床中占有非常重要的位置，幾十年來一直受到世界各國的普遍重視并得到了迅速的發展。隨著數控機床制造技術的不斷發展，為了滿足不同用戶的加工需要，數控車床的品種規格繁多，功能愈來愈強，從數控系統控制功能看，數控車床可分為以下幾種。

1. 按控制功能分類

(1) 全功能型數控車床。它一般采用交、直流伺服電機驅動形成閉環或半閉環控制系統，主電機一般采用交流伺服電機，具有CRT圖形顯示、人機對話、自診斷等功能；具有高剛度、高精度和高效率等優點。其外形如圖1-1所示。

(2) 經濟型數控車床。早期的經濟型數控車床是在普通車床基礎上改造而來的，其功能較簡單；現在的經濟型數控車床的功能有了較大的提升。出于經濟因素考慮，經濟型數控車床并不過于追求機床功能，與全功能型數控車床相比，其主運動、進給伺服控制相對簡單，數控系統檔次較低，主體剛度及制造精度較全功能型數控車床低，它結構簡單，功能較少。其外形如圖1-2所示。

(3) 車削中心。車削中心是以全功能型數控機床為主體，并配置刀庫、換刀裝置、分度裝置、銑削動力頭和機械手等，實現多工步復合加工的機床。其外形如圖1-3所示。

(4) FMC車床。它是一種由數控車床、機器手或機器人等構成的柔性加工單元。它能實現工件搬運、裝卸的自動化和加工調整準備的自動化。其外形如圖1-4所示。

2. 按車床主軸位置分類

(1) 立式數控車床。立式數控車床簡稱為數控車床，其車床主軸垂直于水平面，并有一個直徑很大的圓形工作臺，供裝夾工件用，其外形如圖1-5所示。這類機床主要用于加工徑向尺寸大、軸向尺寸相對較小的大型復雜零件。

(2) 臥式數控車床。臥式數控車床又分為數控水平導軌臥式車床和數控傾斜導軌臥式車床，其外形如圖1-6所示。傾斜導軌結構可以使車床具有更大的剛性，并易于排除切屑。

3. 按加工零件的基本類型分類

(1) 卡盤式數控車床。這類車床未設置尾座，適合車削盤類 (含短軸類) 零件。其夾緊方式多為電動或液動控制，卡盤結構多具有可調卡爪或不淬火卡瓜 (即軟卡爪)。

(2) 頂尖式數控車床。這類數控車床配置有普通尾座或數控尾座，適合車削較長的軸類零件及直徑不太大的盤、套類零件。

4. 按刀架數量分類

(1) 單刀架數控車床。普通數控車床一般都配置有各種形式的單刀架，如四工位臥式自動轉位刀架或多工位轉塔式自動轉位刀架，如圖1-7所示。

(2) 雙刀架數控車床。這類車床其雙刀架的配置 (即移動導軌分布) 可以是如圖1-8 (a)所示的平行分布，也可以是如圖1-8 (b) 所示的相互垂直分布，以及同軌結構。

1.1.2 典型的數控車床組成

雖然數控車床種類較多，但一般均由車床主體、數控裝置和伺服系統三大部分組成。圖1-9是數控車床的基本組成方框圖。

1. 車床主體

車床本體與傳統車床相似，由主軸傳動裝置、進給傳動裝置、床身、工作臺以及輔助運動裝置、液壓氣動裝置、潤滑系統、冷卻裝置等組成。但數控車床特別是車削中心在整體布局、外觀造型、傳動系統、刀具系統的結構以及操作機構等方面都已發生了較大的變化。數控車床結構如圖1-10所示。

數控車床相對普通車床有以下幾個方面的變化。

(1) 采用高性能主傳動及主軸部件。具有傳遞功率大、剛度高、抗振性好及熱變形小等特點。

(2) 進給傳動采用高效傳動件。具有傳動鏈短、結構簡單、傳動精度高等特點，傳動件一般采用滾珠絲杠副、直線滾動導軌副等。

(3) 具有完善的刀具自動變換和管理系統。

(4) 車床本身具有很高的動、靜剛度。

(5) 采用全封閉罩殼。由于數控車床是自動完成加工，為了操作安全，一般采用移動門結構的全封閉罩殼，對車床的加工部件進行全封閉。

其具體組成如下：

(1) 主軸與主軸箱。

① 主軸。數控車床主軸的回轉精度直接影響到零件的加工精度；其功率大小、回轉速度快慢將影響加工的效率；其同步運行、自動變速及定向準停等要求，影響到車床的自動化程度。

② 主軸箱。具有有級自動調速功能的數控車床，其主軸箱內的傳動機構已經大大簡化；具有無級自動調速 (包括定向準停) 的數控車床，起機械傳動變速和變向作用的機構已經不復存在了，其主軸箱也成了“軸承座”及“潤滑箱”的代名詞；對于改造式 (具有手動操作和自動控制加工雙重功能) 數控車床，則基本上保留其原有的主軸箱。主軸箱外形如圖1-11所示。

(2) 導軌。數控車床的導軌是保證進給運動準確性的重要部件。它在很大程度上影響車床的剛度、精度及低速進給時的平穩性，是影響零件加工質量的重要因素之一。除部分數控車床仍沿用傳統的滑動導軌 (金屬型) 外，定型生產的數控車床已較多地采用貼塑導軌。這種新型滑動導軌的摩擦系數小，其耐磨性、耐腐蝕性及吸震性好，潤滑條件也比較優越。

(3) 機械傳動機構。除了部分主軸箱內的齒輪傳動等機構外，數控車床已在原普通車床傳動鏈的基礎上做了大幅度的簡化，如取消了掛輪箱、進給箱、溜板箱及其絕大部分傳動機構，而僅保留了縱、橫進給的螺旋傳動機構，并在驅動電動機至絲杠間增設了 (少數車床未增設) 可消除其側隙的齒輪副。

① 螺旋傳動機構。數控車床中的螺旋副，是將驅動電動機所輸出的旋轉運動轉換成刀架在縱、橫方向上直線運動的運動副。構成螺旋傳動機構的部件一般為滾珠絲杠副，如圖1-12所示。

滾珠絲杠副的摩擦阻力小，可消除軸向間隙及預緊，故傳動效率及精度高，運動穩定，動作靈敏；但結構較復雜，制造技術要求較高，所以成本也較高。另外，自行調整其間隙大小時，難度亦較大。

② 齒輪副。在較多數控車床的驅動機構中，其驅動電動機與進給絲杠間設置有一個簡單的齒輪箱 (架)。齒輪副的主要作用是，保證車床進給運動的脈沖當量符合要求，避免絲杠可能產生的軸向竄動對驅動電動機的不利影響。

(4) 自動轉動刀架。除了車削中心采用隨機換刀 (帶刀庫) 的自動換刀裝置外，數控車床一般帶有固定刀位的自動轉位刀架，如圖1-13所示。有的車床還帶有各種形式的雙刀架。

(5) 檢測反饋裝置。檢測反饋裝置是數控車床的重要組成部分，它對加工精度、生產效率和自動化程度有很大影響。檢測裝置包括位移檢測裝置和工件尺寸檢測裝置兩大類，其中工件尺寸檢測裝置又分為機內尺寸檢測裝置和機外尺寸檢測裝置兩種。工件尺寸檢測裝置僅在少量的高檔數控車床上配用。

(6) 對刀裝置。除了極少數專用性質的數控車床外，普通數控車床幾乎都采用了各種形式的自動轉位刀架，以進行多刀車削，這樣每把刀的刀位點在刀架上安裝的位置，或相對于車床固定原點的位置，都需要對刀、調整和測量，并以確認，以保證零件的加工質量。

2. 數控裝置和伺服系統

數控車床與普通車床的主要區別就在于是否具有數控裝置和伺服系統這兩大部分。如果說，數控車床的檢測裝置相當于人的眼睛，那么數控裝置就相當于人的大腦，伺服系統則相當于人的雙手。這就不難看出這兩大部分在數控車床中所處的重要位置了。

(1) 數控裝置。數控裝置的核心是計算機及其軟件，它在數控車床中起“指揮”作用：數控裝置接收由加工程序送來的各種信息，并經處理和調配后，向驅動機構發出執行命令；在執行過程中，其驅動、檢測等機構同時將有關信息反饋給數控裝置，以便經處理后發出新的執行命令。

(2) 伺服系統。伺服系統準確地執行數控裝置發出的命令，通過驅動電路和執行元件(如步進電機等)，完成數控裝置所要求的各種位移。

1.1.3 數控車床加工特點與技術參數

1. 數控車床的加工特點

數控機床與傳統機床相比，具有以下一些加工特點。

(1) 具有高度柔性。在數控車床上加工零件，主要取決于加工程序，它與普通機床不同，不必制造、更換許多工具、夾具，不需要經常重新調整機床。因此，數控車床適用于零件頻繁更換的場合，即單件、小批量生產及新產品的開發，它的應用縮短了生產準備周期，節省了大量工藝裝備的費用。

如圖1-14所示“口小肚大”的內成形面零件的局部視圖，不僅在普通車床上難以加工，而且還難以檢測。采用數控車床加工則很方便，其車刀刀尖運動的軌跡由加工程序控制。

對由非圓線或列表曲線 (如流線形曲線) 構成其旋轉面的零件，各種非標準螺距的螺紋或變螺距螺紋等多種特殊螺旋類零件，以及表面粗糙度要求非常均勻、且表面粗糙度值又較小的變徑表面類零件，都可通過車床數控系統所具有的同步運行及恒線速度等功能保證其精度要求。

(2) 加工精度高。數控車床的加工精度一般可達0.005～0.1 mm之間。數控車床是按數字信號形式控制的，數控裝置每輸出一個脈沖信號，則機床移動部件移動一個脈沖當量 (一般為0.001 mm)，而且機床進給傳動鏈的反向間隙與絲桿螺距平均誤差可由數控裝置進行補償，所以數控車床定位精度比較高。

(3) 加工質量穩定、可靠。加工同一批零件，在同一機床、在相同加工條件下，使用相同刀具和加工程序，刀具的走刀軌跡完全相同，零件的一致性好，質量穩定。

(4) 生產率高。數控車床可有效地減少零件的加工時間和輔助時間，數控車床的主軸轉速和進給量的范圍大，允許機床進行大切削量的強力切削，數控車床目前正進入高速加工時代，機床移動部件的快速移動和定位及高速切削加工，極大地提高了生產率；另外配合車削中心的刀庫使用，實現了在一臺機床上進行多道工序的連續加工，減少了半成品的工序間周轉時間，提高了生產率。

為了進一步提高車削加工的效率，通過增加車床的控制坐標軸，就能在一臺數控車床上同時加工兩個多工序的相同或不同的零件，也可實現一批工序特別復雜零件車削加工過程的自動化。

圖1-15所示為在一臺六軸控制的數控車床上，有同軸線的左、右兩個主軸和前后配置的兩個刀架，并在一臺數控系統的控制之下進行各種車削加工的示意圖。其中，圖 (a) 表示前后兩個刀架同時車削左、右主軸上的兩個相同零件；圖 (b) 表示其兩個刀架分別車削兩個主軸上的不同零件；圖 (c) 表示在車床左端主軸 (第一主軸C1) 上裝夾有待車削零件的坯件 (棒料)，先由前置刀架車出有復雜外 (內) 形輪廓的右端后，通過自動送料機構(圖中未畫出) 將其半成品件連同棒料一起轉送到右主軸 (第二主軸C2) 定位并裝夾，然后由后置刀架按所需總長要求切斷，這時切斷后的棒料由自動送料機將其送回左主軸上的適當位置并夾緊，再重復前述零件右端外 (內) 形輪廓的左端，從而實現一個復雜零件全部車削過程的不間斷加工，大大提高了加工效率。

(5) 改善勞動條件。數控車床加工前經調整好后，輸入程序并啟動，機床就能自動連續地進行加工，直至加工結束。操作者主要進行程序的輸入、編輯、裝卸零件、刀具準備、加工狀態的觀測，零件的檢驗等工作，勞動強度大為降低，機床操作者的勞動趨于智力型工作。另外，機床一般是封閉加工，既清潔，又安全。

(6) 利于現代化生產管理。數控車床的加工，以標準代碼為控制信息，易于實現加工信息的標準化，目前已與計算機輔助設計與制造 (CAD/CAM) 系統有機地結合起來，是先進制造技術的基礎。

2. 數控車床的主要技術參數

數控車床的主要技術參數包括最大回轉直徑、最大車削長度、各坐標軸行程、主軸轉速范圍、切削進給速度范圍、定位精度、刀架定位精度等，見表1-1所列。