1.3 車削數控加工基本知識

數控車削是數控加工中用得最多的加工方法之一，由于數控車床具有加工精度高、能做直線和圓弧插補及在加工過程中能自動變速的特點，因此，凡是能在數控車床上裝夾的回轉體零件都能在數控車床上加工。

1.3.1 車削數控加工原理

數控車床主要由5部分組成，如圖1-16所示。

（1）機床主機：即數控車床的機械部分，主要包括床身、主軸箱、刀架、尾座、進給傳動機構等。

（2）數控系統：即控制系統，是數控車床的控制核心，其中包括CPU、存儲器、CRT等部分。

（3）驅動系統：即伺服系統，是數控車床切削工作的動力部分，主要實現主運動和進給運動。

（4）輔助裝置：是為加工服務的配套部分，如液壓、氣動裝置，冷卻、照明、潤滑、防護和排屑裝置。

（5）機外編程器：是在普通的計算機上安裝一套編程軟件，使用這套編程軟件及相應的后置處理軟件，就可以生成加工程序。通過車床控制系統上的通信接口或其他存儲介質，把生成的加工軟件輸入到車床的控制系統中，完成零件的加工。

普通車床與數控車床相比，其結構基本相同。但是，在普通車床中，主運動和進給運動的動力都來源于同一臺電機，它的運動是由電機經過主軸箱變速，傳動至主軸，實現主軸的轉動，同時經過交換齒輪架、進給箱、光杠或絲杠、溜板箱傳動到刀架，實現刀架的縱向進給移動和橫向進給移動。主軸轉動與刀架移動的同步關系依靠齒輪傳動鏈來保證。而數控車床則與之完全不同，其主運動和進給運動是由不同的電機來驅動的，即主運動由主軸電機驅動，主軸采用變頻無級調速的方式進行變速，驅動系統采用伺服電機驅動，經過滾珠絲杠傳送到機床滑板和刀架，以連續控制的方式，實現刀具的縱向進給運動（Z向）和橫向進給運動（X向）。數控車床主運動和進給運動的同步信號來源于安裝在主軸上的脈沖編碼器，當主軸旋轉時，脈沖編碼器便向數控系統發出檢測脈沖信號，數控系統對脈沖編碼器的檢測信號進行處理后傳給伺服系統中的伺服控制器，伺服控制器再去驅動伺服電機移動，從而使主運動與刀架的切削進給保持同步。

1.3.2 數控車削加工的用途和加工對象

數控車削能夠加工軸類或盤類的回轉體零件，如圖1-17所示。由于數控車床能自動完成內外圓柱面、圓錐面、圓弧面、端面、螺紋等工序的切削加工，并能進行切槽、鉆孔、鉸孔等加工。所以，除此之外，數控車床還特別適合加工形狀復雜、精度要求高的軸類或盤類零件。

數控車削是數控加工中用得最多的加工方法之一，由于數控車床具有加工精度高、能做直線或圓弧及在加工過程中能自動變速等特點，因此，其工藝范圍較普通車床寬得多。針對數控車床的特點，下列幾種零件最適合數控車削加工。

1）輪廓形狀復雜的回轉體零件

由于數控車床具有直線和圓弧插補功能，部分車床數控裝置還有某些非圓曲線插補功能，所以，能車削由任意直線和平面曲線組成的形狀復雜的回轉體零件和難于控制尺寸的零件，如具有封閉內成形面的殼體零件。

組成零件輪廓的曲線可以是數控方程式描述的曲線，也可以是列表曲線。對于由直線或圓弧組成的輪廓，直接利用機床的直線或圓弧插補功能。對于由非圓曲線組成的輪廓，可以用非圓曲線插補功能；若所選機床沒有非圓曲線插補功能，則應先用直線或圓弧逼近，然后再用直線或圓弧插補功能進行插補切削。

2）精度要求高的回轉體零件

由于數控車床的剛性好，制造和對刀精度高，以及能方便和精確地進行人工補償，甚至自動補償，所以能夠加工尺寸精度要求高的零件。一般來說，車削IT7級尺寸精度的零件應該沒有什么困難。在有些場合可以以車代磨。此外，由于數控車削時刀具運動是通過高精度插補運算和伺服驅動來實現的，再加上機床的剛性好和制造精度高，所以它能加工對素線直線度、圓度、圓柱度要求高的零件。對圓弧及其他曲線輪廓的形狀，加工出的形狀和圖樣上的目標幾何形狀的接近程度，比仿形車床要好得多。數控車削對提高位置精度特別有效，不少位置精度要求高的零件用傳統的車床車削達不到要求，只能用磨削或其他方法彌補。車削零件位置精度的高低主要取決于零件的裝夾次數和機床的制造精度，在數控車床上加工，如果發現要求位置精度較高，可以用修改程序內數據的方法來校正，這樣可以提高其位置精度，而用傳統車床加工是無法做這種校正的。

3）表面粗糙度要求高的回轉體零件

數控車床具有恒線速度切削功能，能加工出表面粗糙度值小而均勻的零件。因為在材質、精車余量和刀具已定的情況下，表面粗糙度取決于進給量和切削速度。切削速度變化，致使車削后的表面粗糙度不一致。使用數控車床的恒線速度切削功能，就可選用最佳線速度來切削錐面、球面和端面等，使車削后的表面粗糙度值小而均勻。

4）帶橫向加工的回轉體零件

帶有鍵槽或徑向孔，或端面有分布的孔系，以及由曲面的盤套或軸類零件，如帶有法蘭的軸套、帶有鍵槽或方頭的軸類零件等，這類零件適合選擇車削加工中心加工。當然端面有分布的孔系、曲面的盤類零件也可以選擇立式加工中心加工。這類零件如果采用普通機床加工，工序分散，工序數目多。采用加工中心后，由于有自動換刀系統，使得一次裝夾即可完成普通車床的多個工序的加工，減少了裝夾次數，實現了工序集中的原則，保證加工質量的穩定性，提高生產率，降低生產成本。

5）帶特殊螺紋的回轉體零件

普通車床所能車削的螺紋相當有限，它只能車削等導程的直、錐面米制或英制螺紋，而且一臺車床只能限定加工若干導程的螺紋。數控車床不但能車削任何等導程的直、錐和端面螺紋，而且能車增導程、減導程及要求等導程與變導程之間平滑過渡的螺紋，還具有高精密螺紋切削功能。再加上一般采用硬質合金成形刀具及可以使用較高的轉速，所以車削出來的螺紋精度高，表面粗糙度小。

1.3.3 數控車削加工工藝制定

數控車床是按事先編制好的加工程序對零件進行自動加工的，對于手工編制的加工程序，其水平的高低將直接影響零件的加工質量、生產率和刀具壽命。數控車床是一種高效率的自動化設備，它的效率高于普通機床的2～3倍，所以要充分發揮數控機床的這一特點，必須熟練掌握其性能、特點、使用操作方法，同時還必須在編程之前正確地確定加工方案。

1．加工方案的確定

在數控車床上，能夠完成內外回轉體表面的車削、鉆孔、鏜孔、鉸孔和攻螺紋等加工操作，具體選擇時要根據零件的加工精度、表面粗糙度、材料、結構形狀、尺寸及生產類型等因素，選擇相應的加工方法和加工方案。

1）數控車削外回轉表面及端面的加工方案確定

加工精度為IT7～IT8級，表面粗糙度Ra0.8～1.6um的除淬火鋼以外的常用金屬，可采用普通型數控車床，按粗車、半精車、精車的方案進行。

加工精度為IT5～IT6級，表面粗糙度Ra0.2～0.63um的除淬火鋼以外的常用金屬，可采用精密型數控車床，按粗車、半精車、精車、精細車的方案進行。

加工精度高于IT5級，表面粗糙度Ra小于0.08um的除淬火鋼以外的常用金屬，可采用高檔精密型數控車床，按粗車、半精車、精車、精密車的方案進行。

對于淬火鋼等難車削材料，其淬火前可采用粗車、半精車的方法，淬火后安排磨削加工。

2）數控車削內回轉表面的加工方案確定

加工精度為IT8～IT9級，表面粗糙度Ra1.6～3.2um的除淬火鋼以外的常用金屬，可采用普通型數控車床，按粗車、半精車、精車的方案進行。

加工精度為IT6～IT7級，表面粗糙度Ra0.2～0.63um的除淬火鋼以外的常用金屬，可采用精密型數控車床，按粗車、半精車、精車、精細車的方案進行。

加工精度高于IT5級，表面粗糙度Ra小于0.08um的除淬火鋼以外的常用金屬，可采用高檔精密型數控車床，按粗車、半精車、精車、精密車的方案進行。

對于淬火鋼等難車削材料，其淬火前可采用粗車、半精車的方法，淬火后安排磨削加工。

2．加工工序劃分

對于需要多臺不同的數控機床、多道工序才能完成加工的零件，工序劃分自然以機床為單位來進行。而對于需要很少的數控機床就能加工完零件全部內容的情況，數控加工工序的劃分一般可按下列方法進行。

1）以一次安裝所進行的加工作為一道工序

將位置精度要求較高的表面安排在一次安裝下完成，以免多次安裝所產生的安裝誤差影響位置精度。

2）以一個完整數控程序連續加工的內容為一道工序

有些零件雖然能在一次安裝中加工出很多待加工面，但考慮到程序太長，會受到某些限制。

3）以工件上的結構內容組合用一把刀具加工為一道工序

有些零件結構較復雜，既有回轉表面也有非回轉表面，既有外圓、平面也有內腔、曲面。對于加工內容較多的零件，按零件結構特點將加工內容組合分成若干部分，每一部分用一把典型刀具加工。這時可以將組合在一起的所有部位作為一道工序。

4）以粗、精加工劃分工序

對于容易發生加工變形的零件，通常粗加工后需要進行矯形，這時粗加工和精加工作為兩道工序，可以采用不同的刀具或不同的數控車床加工。對毛坯余量較大和加工精度要求較高的零件，應將粗車和精車分開，劃分成兩道或更多的工序。

3．加工順序的確定

在數控車床上加工零件，應按照工序集中的原則劃分工序，在一次安裝下盡可能完成大部分或全部表面的加工。根據零件的結構形狀不同，通常選擇外圓、端面或內孔、端面裝夾，并力求設計基準、工藝基準和編程原點的統一。在對零件圖進行認真和仔細的分析后，制定加工方案的一般原則為先粗后精、先近后遠、先內后外、程序段最少、走刀路線最短。

1）先粗后精

為了提高生產效率并保證零件的精加工質量，在切削加工時，應先安排粗加工工序，在較短的時間內，將精加工前的大部分加工余量去除，同時盡量滿足精加工余量均勻性要求。當粗加工工序安排完后，接著安排換刀后進行的半精加工和精加工。其中安排半精加工的目的是：當粗加工后所留余量的均勻性滿足不了精加工要求時，則可安排半精加工作為過渡性工序，以便使精加工余量小而均勻。

在安排可以一刀或多刀進行的精加工工序時，其零件的最終加工輪廓應由最后一刀連續加工而成。這時，刀具的進、退刀位置要考慮妥當，盡量不要在連續的輪廓中安排切入和切出或換刀及停頓，以免因切削力突然變化而造成彈性變形，致使光滑連接輪廓上產生表面劃傷、形狀突變或滯留刀痕等。

2）先近后遠

先近后遠是指加工部位與對刀點的距離大小而言的。一般情況下，特別是在粗加工時，通常安排離對刀點近的部位先加工，離對刀點遠的部位后加工，以便于縮短刀具移動距離，減少空行程時間。

3）內外交叉

在加工既有內表面，又有外表面需加工的零件，應先安排進行內外表面粗加工，后進行內外表面精加工，易于控制其內外表面的尺寸和表面形狀的精度。切不可將零件上一部分表面（外表面或內表面）加工完畢后，再加工其他表面。

4）程序段最少

按照每個單獨的幾何要素（直線、斜線和圓弧等）分別編制出相應的加工程序，其構成加工程序的各條程序即程序段。在加工程序的編制工作中，總是希望以最少的程序段數即可實現對零件的加工，以使程序簡潔，減少出錯的幾率及提高編程工作的效率。

由于機床數控裝置普遍具有直線和圓弧插補運算的功能，除了非圓曲線外，程序段數可以由構成零件的幾何要素及由工藝路線確定的各條程序段得到。對于非圓曲線軌跡的加工，所需主程序段數要保證其加工精度的條件下，進行計算后才能得知。這時，一條非圓曲線應按逼近原理劃分成若干個主程序段（大多為直線或圓弧），當能滿足其精度要求時，所劃分的若干個主程序段的段數仍應為最少。這樣，不但可以大大減少計算的工作量，而且能減少輸入的時間及計算機內存容量的占有數。

5）走刀路線最短

確定走刀路線的工作重點，主要在于確定粗加工及空行程的走刀路線，因精加工切削過程的走到路線基本上都是沿其零件輪廓順序進行的。走刀路線泛指刀具從對刀點開始運動起，直至返回該點并結束加工程序所經過的路徑，包括切削加工的路徑及刀具引入、切出等非切削空行程。

1.3.4 數控車削用量的選擇

數控車削加工中的切削用量包括背吃刀量ap、主軸轉速n或切削速度vc（用于恒線速度切削）、進給速度vf或進給量f。

1．切削用量的選用原則

粗車時，應盡量保證較高的金屬切除率和必要的刀具耐用度。選擇切削用量時應首先選取盡可能大的背吃刀量ap，其次根據機床動力和剛性的限制條件，選取盡可能大的進給量f，最后根據刀具耐用度要求，確定合適的切削速度vc。增大背吃刀量ap可使走刀次數減少，增大進給量f有利于斷屑。

精車時，對加工精度和表面粗糙度要求較高，加工余量不大且較均勻。選擇精車的切削用量時，應著重考慮如何保證加工質量，并在此基礎上盡量提高生產率。因此，精車時應選用較?。ǖ荒芴。┑谋吵缘读亢瓦M給量，并選用性能高的刀具材料和合理的幾何參數，以盡可能提高切削速度。

2．切削用量的選取方法

1）背吃刀量的選擇

粗加工時，除留下精加工余量外，一次走刀盡可能切除全部余量；也可分多次走刀。精加工的加工余量一般較小，可一次切除。在中等功率機床上，粗加工的背吃刀量可達8～10mm；半精加工的背吃刀量取0.5～5mm；精加工的背吃刀量取0.2～1.5mm。

2）進給速度（進給量）的確定

粗加工時，由于對工件的表面質量沒有太高的要求，這時主要根據機床進給機構的強度和剛性、刀桿的強度和剛性、刀具材料、刀桿和工件尺寸及已選定的背吃刀量等因素來選取進給速度。精加工時，則按表面粗糙度要求、刀具及工件材料等因素來選取進給速度。

進給速度vf可以按下面公式計算：

vf=f×n

其中：f表示每轉進給量，粗車時一般取0.3～0.8mm/r；精車時常取0.1～0.3mm/r；切斷時常取0.05～0.2mm/r。

3）切削速度的確定

切削速度vc可根據已經選定的背吃刀量、進給量及刀具耐用度進行選取。在實際加工過程中，也可根據生產實踐經驗和查表的方法來選取。粗加工或工件材料的加工性能較差時，宜選用較低的切削速度。精加工或刀具材料、工件材料的切削性能較好時，宜選用較高的切削速度。切削速度Vc確定后，可根據刀具或工件直徑（D）按公式n=l 000Vc/πD來確定主軸轉速n（r/min）。