车床数控加工基础.docx
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车床数控加工基础
车床数控加工基础
作者：
郑文虎
1数控车床外径端面刀的快速高精度对刀法传统车床主要通过试切工件的方法对刀，即车削工件，精测车削处尺寸，计算实测值与目标值之差，按差值的大小和正负进行进刀或退刀。
对于数控车床，除了少数配有对刀功能的之外，主要用对刀仪、对刀块或试切工件对刀。
用专用的对刀仪作机外对刀，虽然精度较高，但刀具必须连同刀夹一起对。
可刀夹一般较重，拆装较为费劲。
尤其在只更换刀片时，用此法比用试切对刀还要慢。
用对刀块对刀，由于多种误差的影响，对刀精度不高。
因此，目前大多数数控车床仍用试切工件对刀。
步骤的前三步与车床传统对刀相同，只是把摇手把看刻度进退刀改为用按钮输入刀具补偿值了。
试切工件对刀的优点是费用低、精度高；缺点是费时间，而且有些刀具（如油沟槽刀）很难用此法对刀。
因此在实践中摸索出一种适用于外经、端面刀或类似油沟槽刀的快速、高精度对刀方法。
这是一种不用试切的手动对刀方法。
此法可在不用对刀仪、对刀块或对刀标准件的前提下，把试切对刀时间缩短60％。
此法可保持试切对刀的优点，克服试切对刀的缺点。
（1）原理。
卡盘外径可作为横向（X向）对刀的现成基准，而定位块外端面又是纵向（Z向）对刀的极好基准。
卡盘外径精测一次所得的尺寸是个不变值。
程序的Z向原点又常常在定位块外端面上，所以两个方向都免除了先试切、再精测量、最后算出刀的补偿值后再输入的常规对刀手续。
特别是纵向由于不受试切件测量误差的影响，所以对刀精度比试切法对刀精度高；由于不受安装精度的影响，其对刀精度比标准件对刀法高。
（2）方法。
由于车床的数控装置分两大类，所以方法要分两种进行分别叙述。
①对用绝对位置检测器的数控车床
横向对刀步骤：
a将相应补偿号的X向补偿值清零；b精测卡盘吊环孔附近的外径尺寸，记下此D1，值（此步只要换卡盘时作一次，以后可直接用记下的D1值）；c将卡盘用手转到吊环孔对着刀尖方向；左手将一条报纸放在刀尖与卡盘之间并不断拉动，右手用手动操作先快后慢地将刀尖向卡盘外径靠近，直到报纸拉不动为止，设此时光屏上X向显示值为D2；d如果随后的加工吃刀量小，可不考虑让刀量。
将光屏显示值减去卡盘直径后再减去两倍报纸厚度就是刀的补值。
报纸的平均厚度为0.08mm，局部压缩后为0.05mm.所以，X向刀补值=D2,一D1—0.1。
将计算值输入此刀相应补偿号的X位置。
如果以后的加工吃刀量大，应将上述值减去经验让刀量再输入。
纵向对刀步骤：
a将相应补偿号的Z向补偿值清零；b将卡盘用手转到定位块对着刀尖方向；c左手将一条报纸放在刀尖与定位块端面之间，并不断拉动。
右手用手动操作先快后慢地将刀尖定位块端面接近，直到报纸拉不动为止，设此时光屏上Z向显示值为Z1，则Z向刀补值=Z1-0.05。
再将计算值输入此刀相应补偿号的Z位置即可。
如果以后加工吃刀量大，应将上述值减去经验让刀量后再输入。
②对用相对位置检测器的数控车床横向对刀步骤：
a、b、c、d四步与上述用绝对位置检测器的数控车床相同；e“锁紧”机械部分，用手动操作将光屏的X显示值摇到与（D1+0.10）值相同；f解除上述“机械锁紧”，用手动操作，将刀架升到横向起始位置；g将程序中G50程序段内的X值减去此时光屏显示的X值，这就是刀具补偿值，将它输入此刀相应补偿号的X位置即可。
如果以后加工的吃刀量较大，应将上述值减去经验让刀量后再输入。
纵向对刀步骤：
a、b、c三步与前述用绝对位置检测器的数控车床相同；d“锁紧”机械部分，用手动操作将光屏上的Z显示值摇到+0.05；e解除上述“机械锁紧”，用手动操作将刀架升到纵向起始位置；f将程序中G50程序段内的z值减去此时光屏上显示的Z值，就是刀具补偿值，将它输入此刀相应补偿号的Z位置即可。
如果以后加工的Z向吃刀量较大,应将上述值减去经验让刀量再输入。
（3）注意事项①如果程序原点位于距定位块端面Z处，那么前述的Z向刀补值应再加上Z值，两种类型都是如此。
②如刀尖因卡爪原因到不了定位块端面，Z向可用卡盘端面对刀，这时刀补值要进行一次换算。
2用一把刀车削工件回转中心两边的方法图8—1是一种远程传感器上用的法兰简图，要车削A、B、C、D、E五个面。
除A面外，其它各面尺寸精度、位置精度和表面粗糙度的要求都比较高。
毛坯是锻件。
为保证精度，分粗车、精车来完成。
采用安装55。
等边菱形刀片的外圆刀，按图示的方向安装在刀台上。
车削方法：
如按常规的方法，车A、B面用一把刀，车C、D、E面用另一把刀，这样粗车和精车要用4把刀，而且用这种方法加工很难使B、E面之间的尺寸误差不超过公差（0．02ram）范围。
采用一把刀车削工件回转中心两边的方法，解决了上述问题。
此方法是粗车、精车分别用一把刀，两把刀除刀尖圆弧不同外，其它都相同，连走刀路线都相同。
下面只介绍精车刀的车削过程。
先让刀尖快速到达m’点，让工件正转（M03）的同时，再使刀尖到达切削起始点m，依次切削C、D、E面，直到f点。
接着让工件停转（M05），同时让刀尖到达n’点，让工件逆转（M04．）的同时，让刀尖到达另一侧切削起始点n，依次切削B面和A面，直到刀尖到达g点。
至此，切削已全部完成，退刀、停转和结束程序。
采用此方法，已成功地加工了万余件，效果很好，可供车削类似的工件参考。
3不让拐角处出毛刺的数控车削方法有些钢质工件要求拐角为直角，且不能有毛刺，采用数控车床加工，就能做到这点。
车刀刀尖放大看多呈圆弧型，见图8—2。
K是假想刀尖点，E、F分别是刃口圆弧与水平线和垂直线的切点。
如按图8—3和图8—4安排切削路线，会分别在外径和端面拐角处出毛刺。
如按图8—5安排，车完后工件上的毛刺与图8-4基本一样。
可见，以上三种常规的车削方法均出毛刺。
这三种车削的共同特点：
切削刃有段时间离开工件轮廓线，这就给出毛刺提供了机会。
按图8—5车削此部分的程序为N4G01X100F0．3：
N5Z-50：
光看程序，似乎刀尖一直在工件轮廓线上，但程序中指令的是假想刀尖的位置。
从图8—5可以看到，在实际切削中，刀刃上的F点在工件上A到B点、E点在工件上C到A点间移动时，切削刃就离开了工件轮廓线。
以先车端面后车外径为例，看出毛刺的过程。
图8-6所示是刀尖向左切削，其上的E点接近A点时的状况。
这时A点上侧的金属受到刃口向下的挤压，部分被挤到已车过的端面外侧，而成为毛刺。
毛刺的大小和刃口锋利的程度有关。
为了不让工件出毛刺，就采用了如图8-7所示的切削路线，其程序相应改变为N4G01X96．8F0．3；N44G03X100Z-1．6K-1．6：
N5Z-50：
这样，切削完后角部两侧就不会有毛刺。
程序虽比图8-5多了一段，但刀尖移动总距离反而短，即切削时间比图8-5少。
这当中，为保证工件拐角处车削无毛刺的效果好，车削前应选精密级的刀片。
若用自动编程机编程，即使规定了端面处向上、外径处向左的连续切削，它也只编（输）出图8-5路线的程序。
要想不让出毛刺，只有对输出的程序作人为的修改：
将N4段中的X指令值改为96.8，并加入N44段。
要作图8-7的无毛刺切削，严格地说，在此处就不能使用刀尖R补偿机能，即不能用C42指令，可用如下编程：
N3G42x45Z0：
N4G01x100F0．5：
N5Z-50：
则执行时仍按图8-5走而不会按图8-7走。
如这一程序段前后的程序都使用了G42，而编程员又不想在此处去掉G42，重算其它许多处的指令值，可编如下程序：
N3G42X45Z0：
N4G01X99．998F0．3：
N44G03X100Z-0．001K-0．001：
N5Z-50：
别看只加入了半径为1gm这个微小的值、对车出轮廓没有影响的圆弧，执行时就会按图8-7的路线走，就车削出拐角处无毛刺的工件。
4防止切削凹拐角处刀具负荷骤升的方法如图8-8所示工件的精车加工，图中的虚线与实线分别为加工前、后的轮廓。
是大批量加工，要求表面不能有接刀印痕。
选用安装80°等边菱形涂层刀片的端面外径刀。
如果在单刀台数控车床上车削，若先车I部，在最后接近C点时，会出现很宽的切屑，刀片左侧刃负荷骤升，对刀具和机床都不利。
若这一刀在将要接触Ⅱ部时就结束，那么第2刀车Ⅱ部时就得这样车：
向下先切到C点，再向右至少走1.5mm才能退刀，这样切削的负荷就不会骤升了，但在外径上就出现一个接刀印痕，这不允许。
改用先车Ⅱ部再车I部的情况也一样。
可以采用I、Ⅱ部来回多车几次解决，但这样切削效率就降低了许多，小批量加工还可以，大批量加工就不合适了。
也可以用35°等边菱形刀片的外径刀来车削，使第一刀末尾的负荷不要增大太多，但35°菱形刀片的强度差，效果也不好。
最后采用双刀台数控车床上用下述办法解决。
用两把相同的安装80°等边菱形涂层刀片的端面外径刀，一把装在上刀台上，一把装在下刀台上。
加工时，让这两把刀同时车削到C点，当然也同时退刀。
通过分析可知，在两把刀同时接近C点时，切削负荷不会有较大的增加，实际切削下来的切屑也没有明显变宽，反而切削到C点时的切屑越来越窄。
余下的问题是如何让上、下两把刀同时切削到C点。
一种方法是用快进让上、下刀分别到达E、D点，再用同步指令同时开始工进，上、下刀的每转进给量指令相同值。
另一种方法是上刀先在F点等待，下刀从D点开始向左切削，到切削到距C点32mm时，再用同步指令让上刀开始工进。
第三种方法是先让上、下刀分别到达F点、D点，再在上刀台的程序中加一个暂停程序段（G04），在这个暂停程序段和下刀台程序的工进程序段中，分别加进相同的同步指令。
如果暂停时间通过精确计算选得合适，上、下刀也会同时到达C点。
不管用哪种方法，其效率和效果都是一样的。
不过，如果上、下刀切削要用不同的进给量时，只能采用上述第三种方法。
不要担心两把刀同时切削到C点会撞在一起，事实上，上、下刀分别切削工件回转中心的两个不同的侧面。
5缩短批量工件车削工艺流程的方法一种需要大批量车削的密封座，毛坯为锻件，其车完后的剖面形状如图8-10内虚线所示。
原来的工艺流程为3道粗车、1道半精车、2道精车、共6道工序。
采用C7620液压半自动车床和C7220仿形车床，加工后外径椭圆度有时达不到图纸0.12mm的要求。
通过分析和反复试验，缩短了工艺流程。
只用3道工序就完成全部粗、精加工，其加工精度也达到了图纸要求，而且只使用了一台数控车床。
第一道工序见图8-9，卡小内径，用C7620半自动车床，车削A、B面和C、D倒角。
第二道工序见图8-10，用一台双刀台数控车床，卡已经粗车过的外径。
上刀架安装两把80。
等边菱形刀片的端面外径刀，T1装边长16的刀片，用于F、E面和K倒角的粗车，图8-10第2工序装边长12的刀片，用于这3处的精车。
下刀架安装两个自制刀座W1和W2，在各自的头上安装55。
等边菱形刀片的端面外径刀，这两把刀的型号及刀片的边长相同。
只是T3用的刀片的刀尖圆弧半径为1.6mm，T4用的刀片的刀尖圆弧半径为1.2mm。
T3、T4分别作H、J面和L、M、N角的粗车和精车，编相应的数控加工程序后，就可以进行车削。
第三道工序，使用C7620半自动车床，用弹簧卡具卡小内径G，并用端面F定位，精车外径A、端面B和外角C。
通过大批量生产实践应用，采用上述方法把工艺流程缩短了一半，是成功的。
6平衡加工时间提高工效的措施在用双刀架车床加工同一种工件，如果使用不同的工艺，效率就会相差很多。
这里的核心是循环时间即加工时间的平衡问题。
这当中，一是前、后两道工序间加工时间平衡，二是每道工序上、下刀架间加工时间平衡。
如果措施合理，工效可提高许多。
如图8-11和图8-12所示是一种轴承内环车削时前、后两工序。
前工序中，T1、T2刀装在上刀架，T3、T4装在下刀架上；后工序，T1、T2、T3刀装在上刀架上，T4、T5、T6刀装在下刀架上。
原来按常规方法排工艺，前工序没有图中的T3刀，而后工序图中多了一把T7刀（实际是前工序T3刀移过来的），即大挡边③粗车部分放在后工序车削。
那时前工序的循环时间是61s，后工序的循环时间是89s。
此工件是大批量加工，前工序时问很松，后工序时间很紧，影响加工效率。
第一个措施是后工序移一把刀到前工序，如图所示。
原来前工序用3把刀，即是一个刀台装两把刀，另一个刀台上装一把刀，无论怎样安排，上、下刀架的加工时间都无法平衡。
现在上、下刀架各安装两把刀后，再合理安排切削路线，使上、下刀架差不多都同时结束切削，同时退刀。
这样使前工序的循环时间降至72s，这时后工序的循环时间是78s。
1-小油沟切削部和小外径精切部；2-滚道精切部；3-小端面粗切部；4-小外径和滚道粗切部；5-大油沟切削部；6-大挡边切削部和端面精切部。
至此，上工序的上、下刀架切工时间是平衡了，而前、后工序的加工时间仍不平衡。
观察得知，后工序的上、下刀架加工的时间，一个结束早，一个结束晚相差很大。
于是，在后工序6把刀中，3把装在上刀架，3把装在下刀架的前提下，做了四种切削方案，经计算和实际切削，选择了现在这个方案：
使上、下刀架基本同时结束切削与退刀，循环时间也是72s。
至此，不但前、后工序各自的上、下刀架加工时间达到平衡，而且前、后工序的循环时间也达到了平衡。
a也可以说，这就是最佳方案。
如果把前、后工序组成一条生产线，那末这一线的循环时间由原来的89s，降为现在的72s，缩短了19％的加工时间，使工效明显提高。
7使用恒线速度切削时应注意的问题
恒线速度切削也叫固定线速度切削，它的含意是在车削非圆柱形内、外径时，车床主轴转速可以连续变化，以保持实时切削位置的切削线速度不变（恒定）。
中挡以上的数控车床一般都有这个功能。
使用此功能不但可以提高工效，还可以提高加工表面的质量，即切削出的端面或锥面等的表面粗糙度一致性好。
这里以图8-13为例说明使用此功能时应注意的问题。
图8-13中刀具（尖）的轨迹虚线表示快速进给，实线表示工作进给，F点及其尺寸是为下面的说明加进去的。
一是要注意在使用该功能前一般应限制最高转速.如果刀具要行进到离工件回转中心很近，那么在恒线速度指令前必须限制最高转速，否则会出现“飞车”。
本例中按我们机床的说明书及具体的安装情况，确定最高转速不要超过3000r／min。
根据工件材料和所用刀具的情况，切削线速度决定选择200m／knin。
下列程序是图a示零件的实际加工程序。
0123；
N1G50X～Z～T0100：
N2G97G00XaZaS1000M04；
N3XbZbS1061T0101M08；
N4G50S3000：
N5G96G01XcZcF0．2$200；
N6G97G00Zd$746；
N7Xe
N8G96G01Xg$200；
N9G97COOXhZhS1500M09；
N10G28U0W0M05；
N11M02：
这里将3000r／min限速编入N4段内。
这个“G50S3000；”指令也可提前到前面任何位置，在本例中只要在N5段前都可以。
这样的结果是：
在做端面的恒线速度切削过程中，F点及其之上部分是$200恒线速度切削，从F点开始转速不再增加，即转成恒角速度（3000r／min）切削，直到G点。
如果没有N4段的转速限制指令，那么F点之下转速继续增加，到G点时理论上要达到6366r／min，这非常危险。
二是要注意这个功能一般不能用在快进（G00）程序段内。
换句话说，在G96程序段开始及之下、G97程序段之前，一般不能出现COO程序段。
本例中，如果把N6中的G97和N8中的G96去掉，虽然锥面和端面仍可作恒线速度切削，但在执行N7段即从D点快速到达E点过程中主轴会突然加速，从530r／min急升到909r／min。
如果刀具已到达E点而主轴尚未升到909r／min，那么刀具就会在E点等待，直到主轴升到909r／min再开始切削端面。
三是最好算出G96起始点的主轴转速，然后把转速变化量分摊到前面的COO程序段中。
本例中，可算得B、E点的转速分别为1061r／min和909r／min。
可见，B点前的转速变动量为1061r／min。
由于起始点到A点间距离较长，把1000r／'rain的变动量安排在A点之前，只给A、B间留61r／min变动量。
N2段中的这个S值如要更精确，可根据上述距离与A、B间距离之比来算出。
另外，可算得C点处为530r／min，这样C到E间的转速变动量为379r/min，由于CD与DE的长度比约为4：
3，所以我们安排CD问上升216r／min，DE间上升163r／min，这样可以减少甚至消除刀具的等待时间，进而提高加工效率。
8圆倒角的数控车削技巧
零件的圆倒角一般有三种类型，图8-14是最常见的一种。
图中的虚线是毛坯轮廓面。
具体的零件图会给出a、b和R尺寸的数值。
加工时，首选80。
等边菱形刀片端面外径刀，刀片的刀尖圆弧半径r可根据加工情况选定。
这里以刀片左侧的假想刀尖点为刀T的代表点。
现在讨论车削方案。
假定先车端面、后车外径。
从A点开始，
用工进向下切削端面。
切完端面后，让刀具快速到达B点，再用逆时针圆弧插补切削到C点，接着用工进向左切削外径。
根据a、b、R值求B点相对于O点坐标的顺序为：
先算出圆心H点的坐标，再用r经过M点过渡就可算出B点的坐标。
根据已算出的H点坐标可得出N点的坐标，然后C点的坐标就出来了。
这种加工方法的优点一是省时间，端面不用向下切削后再向上吃小量拉一刀，二是编程简单：
圆弧插补G03段内的I为零（可省略），K为负（R+r）值，不必做几何计算。
如改成先车外径后车端面，也可用类似上述的方法来车削。
圆倒角的第二种类型如图8-15所示。
图中给出口a、b、R、a、β值，刀尖圆弧半径r由工艺选定。
为看得清楚，毛坯的外轮廓在图中未画出。
这里选择先车端面后车外径。
从毛坯之外的A点开始，向下切端面后，让刀具快速到达B点。
B点与端面的距离L可自定。
本方案的技巧就是在于添加一条距端面L距离的这条过渡线。
刀具由B工进到C，再逆时针圆弧插补走到D，再工进到E，最后-向左切削外径。
图中B、C、D、E相对于0点的坐标值，可用6个已知数求出，在此就不再详述。
圆倒角的第三种类型，是要求圆角分别与端面、外径相加，如图8-16所示。
如果精度要求一般，可用普通级刀片按左图所示方法加工。
从毛坯外径的A点开始，向下切端面到B。
AB与0C间留一个很小的量，如0.05mm或0.1mm。
再用小进给量切削到C，工进向上拉到D，再切削圆角到E，再向左切削外径。
如果圆角的精度要求高，应相应提高刀片的精度等级。
如果这种圆倒角的精度要求不高，可按右图所示的方法加工。
这里的技巧是对端面与圆角的相对位置作一些工艺修正，以达到端面不用车削两次的目的。
具体切削步骤为：
从毛坯外径之外的A点开始，向下切完端面后，快退到D，再切削圆弧到E，再向左切削外径。
注意修正量L的选取。
只要车削端面后快退时不拉伤端面，L值应尽可能取得小一些。
这主要取决于机床导轨的间隙和刀架的刚性，具体值可通过试切来决定。
（end）
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