第一节 数控车削加工工艺的制订-“1+X证书”制度下的数控加工理论与实践

第四章 数控车削技术分析 􀤞􀤞􀤞􀤞􀤞􀤞􀤞􀤞􀤞􀤞􀤞􀤞􀤞􀤞􀤞􀤞􀤞􀤞􀤞􀤞􀤞􀤞􀤞􀤞􀤞􀤞􀤞􀤞􀤞􀤞􀤞􀤞􀤞􀤞􀤞􀤞􀤞􀤞􀤞􀤞 第一节　 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重要技术准备工作。 工艺制订得合理与否，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。 数控车削工艺相对普通车削工艺的特点：工序的内容更复杂；工序的安排更为详尽。 其 主要内容有：分析零件图纸、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、夹具和切削用量等。 一、零件图结构工艺分析 数控车床所能加工零件的复杂程度比数控铣床低，数控车床最多能控制 ３ 个轴（即 Ｘ、Ｚ、 Ｃ 轴），加工出的曲面是刀具（包括成型刀具）的平面运动和主轴的旋转运动共同形成的，所以 数控车床的刀具轨迹不会太复杂，其难点主要在于加工效率、加工精度的提高，特别是对切削 性能差的材料或切削工艺差的零件，例如小深孔、薄壁件、窄深槽等，这些结构的零件允许刀 具运动的空间狭小、工件结构刚性差，安排工序时要特殊考虑。 下面以数控车床加工的典型 结构为例，进行相应的工艺分析。 （１）零件的配合表面和非配合表面 一般零件包括配合表面和非配合表面。 配合表面标注有尺寸公差、形位公差以及表面粗 糙度等要求，这些部位的加工包括三部分工艺安排：首先去除余量以接近工件形状，然后半精 车至留有余量的工件轮廓形状，最后精加工完成。 在实际生产中为提高效率、延长刀具使用寿命，精加工时往往只对有精度要求的部位进 行精加工，也就是说粗加工时只对需要精加工的部位留余量。 为达到此目的需要人为地在编 制加工工艺时改变被加工件的结构尺寸，具体来讲就是改变需要精加工部位的尺寸。 设改变 后的尺寸为 Ｄ１，图纸标注尺寸中值为 Ｄ，则： Ｄ１ ＝ Ｄ ＋ 精加工余量 ９８ 　 　 采用改变工件结构尺寸的方法可以避免对工件不必要的部位进行精加工，特别是在大批 量生产中可有效地提高生产率、减小刀具损耗、提高产品合格率。 （２）悬伸结构 大部分车床在切削时是在零件悬伸状态下进行的。 悬伸件的加工分两种形式，一种是尾 端无支撑，另一种是尾端有顶尖支撑。 尾端用顶尖支撑是为了避免工件悬伸过长时，造成刚 性下降，在切削过程引起工件变形。 工件切削过程中的变形与悬伸长度成正比，可以采取几种方式减小工件悬伸过长造成的 变形。 ①合理选择刀具角度。 主偏角：刀具要求径向切削力越小越好，因为造成工件悬伸部分弯曲的主要是径向力。 刀具主偏角常选用 ９３°。 前角：为减小切削力和切削热，应选用较大的前角（１５°～３０°）。 刃倾角：选择正刃倾角＋３°，使切屑流向未加工表面，并使卷屑效果更好，避免产生切屑 缠绕。 刀尖圆弧半径：为减小径向切削力应选用较小的刀尖圆弧半径（Ｒ＜０．３ ｍｍ）。 ②选择循环去除余量方式。 此方式适用于悬伸较长、尾端无支撑、径向变形较小的台阶轴。 数控车床在粗加工时 （料）要去除较多的余量，其合理的方法是循环去除余量。 循环去余量的方式有两种，一种是 局部循环去余量，如图 ４⁃１（ａ）所示，另一种是整体循环去余量，如图 ４⁃１（ｂ）所示。 图 ４⁃１　 循环去余量 整体循环去余量方式的径向进刀次数少、效率高，但会在切削开始时就减小工件根部尺 寸，从而削弱了工件抵抗切削力变形的能力；局部循环去余量方式从被加工件的悬臂端依次 向卡盘方向循环去除余量，此种方式虽然增加了径向进刀次数、降低了加工效率，但工件可获 得更好的抵抗切削力变形的能力。 ③改变刀具轨迹补偿切削力引起的变形。 ０９ “１＋Ｘ 证书”制度下的数控加工理论与实践 􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍 随工件悬伸量的加大，工件因切削力产生的变形将增大，在很多情况下采用上述方法仍 不能解决问题。 因切削力产生变形的规律是离固定端越远、变形越大，在尾端无支撑情况下形成所谓的 倒锥形；在尾端有支撑的情况形成所谓的腰鼓形。 遇到这种情况时，可以改变刀具轨迹来补 偿因切削力引起的工件变形，加工出符合图纸要求的工件。 刀具轨迹的修改要根据实际测得 的工件变形量设计。 （３）内腔狭小类结构 某些套类零件直径较小、长度较长、内表面起伏较大，使得切削空间狭小、刀具动作困难。 针对这类结构的工件在设定刀具切削运动轨迹时，不能完全按照工件的结构形状编程，必须 留出退刀空间。 当孔深而且长时，为增强镗刀杆的刚性，刀杆在型腔的允许空间内应尽可 能粗。 （４）台阶式曲线深孔结构 此类结构与空间狭小类结构有相似之处，不同的是内孔曲面自端面向内逐渐缩小，且大 小端直径尺寸相差较大，此类结构的典型模具是圆瓶形型腔。 加工这类结构零件的主要问题 是刀杆刚性、刀头合理的悬伸长度及刀具的切削角度。 加强刀杆刚性可根据被加工型腔曲线 设计变截面刀杆，材料可选用合金钢加淬火处理，如仍不能满足使用要求，可采用硬质合金刀 杆（如瑞士山特维克生产的刀杆），但成本相对较高，常被一些专业生产厂家采用。 （５）薄壁结构 薄壁类零件自身结构刚性差，在切削过程中易产生振动和变形，承受切削力和夹紧力能 力差，容易引起热变形，在编制加工此类结构工件的程序时要注意以下几方面的问题： ①增加切削次数以逐步修正由于材料去除所引起的工件变形。 对于结构刚性较好的轴类零件，因去除多余材料而产生变形的问题不严重，一般只安排 粗车和精车两道工序。 但对于薄壁类零件至少要安排粗车→半精车→精车甚至更多道工序。 在半精车工序中修正因粗车引起的工件变形，如果还不能消除工件变形，要根据具体变形情 况适当再增加切削工序。 从理论上讲，工件被去除的金属越多引起的变形量也越大，反之亦然。 对薄壁零件前道 工序加工给后续加工所留的加工余量是可以计算的，但引起薄壁件切削变形的因素较多且十 分复杂，如材料、结构形状、切削力、切削热等，预先往往很难估计，通常是在实际加工中测量， 根据实际测量值安排最佳切削工序和合理的后道工序余量。 以半精加工工序为例，计算后续 加工余量的公式为 半精加工余量＝粗加工后工件变形量＋精加工余量 如果采用更多的加工工序，计算方法依此类推。 ②工序分析。 薄壁类零件应按粗、精加工分序，以降低粗加工对变形的影响。 薄壁件通常需要加工工 件的内、外表面，内表面的粗加工和精加工都会导致工件变形，所以应按粗、精加工分序。 首 先内、外表面粗加工，然后内、外表面半精加工，依此类推，均匀地去除工件表面多余部分，这 样有利于消除切削变形。 此种方法虽然增加了走刀路线、降低了加工效率，但提高了加工 １９ 第四章　 数控车削技术分析 􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍 精度。 ③加工薄壁结构件的顺序安排。 薄壁类零件的加工要经过内、外表面的粗加工、半精加工、精加工等多道工序，工序间的 顺序安排对工件变形量的影响较大，一般应做如下考虑： ａ．粗加工时优先考虑去除余量较大的部位。 因为余量去除大工件变形量就大，两者成正 比。 如果工件外圆和内孔需去除的余量相同，则首先进行内孔粗加工，因为先去除外表面余 量时，工件刚性降低较大，而在内孔加工时，排屑较困难，使切削热和切削力增加，两方面的因 图 ４⁃２　 开缝套筒 素会使工件变形扩大。 ｂ．精加工时优先加工精度等级低的表面（虽然精加工切削 余量小，但也会引起被切削工件微小变形），然后再加工精度等 级高的表面（精加工可以再次修正被切削工件的微小变形量）。 ｃ．保证刀具锋利，加注切削液。 ｄ．增加装夹接触面积。 增加接触面积可使夹紧力均布在工 件上，使工件不易变形。 通常采用开缝套筒（图 ４⁃２）和特殊软 卡爪。 （６）螺纹加工 螺纹的车削是数控车床常见的加工任务。 螺纹种类按牙型分有三角、梯形、矩形等，按螺 纹在零件中的部位有轴向直螺纹、锥面螺纹、端面螺纹等。 螺纹实际上是由刀具的直线运动 和主轴按预先输入的比例转数同时运动而形成的。 切削螺纹使用的是成型刀具，螺距和尺寸 精度受机床精度影响，牙型精度由刀具精度保证。 常见螺纹介绍及加工工艺： ①轴向直螺纹。 轴向直螺纹在加工中最为常见，通常在切削螺纹时需要多次进刀才能完成。 由于螺纹刀 具是成型刀具，所以刀刃与工件接触线较长，切削力较大。 切削力过大会损坏刀具或在切削 中引起震颤，在这种情况下为避免切削力过大可采用斜进法，如图 ４⁃３ 所示。 一般情况下，当 螺距小于 １．５ ｍｍ 时可采用直进法，如图 ４⁃４ 所示。 图 ４⁃３　 斜进法 　 　 图 ４⁃４　 直进法 ２９ “１＋Ｘ 证书”制度下的数控加工理论与实践 􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍 直进法与斜进法在数控车床编程系统中一般有相应的指令，也有的数控系统根据螺距的 大小自动选择直进法或斜进法，轴向螺纹进刀方向垂直于主轴轴线。 轴向螺纹有内螺纹和外 螺纹两种形式。 直进法切削方法，由于两侧刃同时工作，切削力较大，而且排屑困难，因此在切削时，两切 削刃容易磨损。 在切削螺距较大的螺纹时，由于切削深度较大，刀刃磨损较快，从而造成螺纹 中径产生误差；但是其加工的牙形精度较高，因此一般多用于小螺距螺纹加工。 由于其刀具 移动切削均靠编程来完成，所以加工程序较长；由于刀刃容易磨损，因此加工中要做到勤 测量。 斜进法切削方法，由于为单侧刃加工，加工刀刃容易损伤和磨损，使加工的螺纹面不直， 刀尖角发生变化，而造成牙形精度较差。 但由于其为单侧刃工作，刀具负载较小，排屑容易， 并且切削深度为递减式。 因此，此加工方法一般适用于大螺距螺纹加工。 由于此加工方法排 屑容易，刀刃加工工况较好，在螺纹精度要求不高的情况下，此加工方法更为方便。 在加工较 高精度螺纹时，可采用两刀加工完成，即先用斜进法进行粗车，然后用直进法进行精车。 但注 意刀具起始点要准确，不然容易乱扣，造成零件报废。 ②轴向锥螺纹。 轴向锥螺纹在机械结构中经常采用，数控车床一般都具有加工轴向锥螺纹的功能，如图 ４⁃５ 所示。 加工轴向锥螺纹时机床 Ｘ、Ｚ、Ｃ 轴按比例联动，进刀方向垂直于主轴轴线。 轴向锥螺纹 也有内螺纹和外螺纹两种形式。 ③端面螺纹。 端面螺纹进刀方向平行于主轴轴线，端面螺纹切削方向一般由外向内，如图 ４⁃６ 所示。 端 面螺纹没有内、外之分。 图 ４⁃５　 轴向锥螺纹 　 　 图 ４⁃６　 端面螺纹 ④锥面螺纹。 如图 ４⁃７ 所示，送料器为锥面螺纹，锥面螺纹与轴向锥螺纹车削的区别在于进刀方向，锥 面螺纹进刀方向同端面螺纹一样平行于机床主轴轴线，在编制这类加工工艺时要特别注意螺 纹的切深进给方向，根据进刀方向的不同采用相应指令。 ３９ 第四章　 数控车削技术分析 􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍 图 ４⁃７　 送料器示意图 二、工序和装夹方式的确定 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。 （１）按零件加工表面的位置精度高低划分 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。 例如，图 ４⁃８ 所示的轴承内圈，其内孔对小端面的垂直度、滚道和大挡边对内孔 回转中心的角度差及滚道与内孔间的壁厚差均有严格的要求，精加工时划分成两道工序，用 两台数控车床完成。 第一道工序采用图 ４⁃８（ａ）所示的以大端面和大外径装夹的方案，将滚 道、小端面及内孔等安排在一次安装下完成，很容易保证上述的位置精度。 第二道工序采用 图 ４⁃８（ｂ）所示的以内孔和小端面装夹方案，车削大外圆和大端面。 （２）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。 如图 ４⁃８ 所示的轴承内圈就是按粗、精加工划分工序的。 图 ４⁃８　 轴承内圈 （３）按所用刀具划分 数控车削加工中，为减少换刀次数，节省换刀时间，应尽量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。 下面以车削图 ４⁃９（ａ）所示手柄零件为例，说明工序的划分及装夹方式的选择。 该零件加工所用毛坯料为 ϕ３２ ｍｍ 棒料，批量生产，加工时用一台数控车床。 工序的划 分及装夹方式如下： 第一道工序按图 ４⁃９（ｂ）所示将一批工件全部车出，包括切断夹棒料外圆柱面，工序内容 有：先车出 ϕ１２ ｍｍ 和 ϕ２０ ｍｍ 两圆柱面及圆锥面（粗车掉 Ｒ４２ ｍｍ 圆弧的部分余量），然后按 ４９ “１＋Ｘ 证书”制度下的数控加工理论与实践 􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍 总长要求留下加工余量切断。 第二道工序［图 ４⁃９（ｃ）］，用ϕ１２ ｍｍ 外圆及ϕ２０ ｍｍ 端面装夹，工序内容有：先车削 ＳＲ７ ｍｍ 球面的 ３０°圆锥面，然后对全部圆弧表面半精车（留少量的精车余量），最后换精车刀将全部 圆弧表面一刀精车成形。 图 ４⁃９　 手柄加工工序示意图 三、加工工序的安排 在分析了零件图样和确定了工序、装夹方式之后，接下来即要确定零件的加工顺序。 制 订零件车削加工顺序一般遵循下列原则。 图 ４⁃１０　 粗、精加工区示意图 （１）先粗后精 数控车削加工应按照粗车→半精车→精车的顺 序进行。 ①粗车切余量：在较短的时间内将工件表面上 大部分余量去掉。 ②半精车做准备：当粗车后所余余量的均匀性 满足不了精加工要求时，要安排半精车，为精车做 准备。 ③精车保证精度：在粗车、半精车的基础上，精 车可一刀切出零件轮廓，保证加工精度。 粗、精加工区示意图如图 ４⁃１０ 所示。 （２）先近后远 加工原则为：先加工离对刀点距离近的部位，后加工离对刀点距离远的部位，如图 ４⁃１１ 所 示。 如此考虑问题的原因有两个： ①缩短刀具移动距离，减少空行程。 ５９ 第四章　 数控车削技术分析 􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍 ②有利于保持坯件或半成品的刚性，改善切削条件。 例如：当加工图 ４⁃１１ 所示零件时，如果按 ϕ３８ ｍｍ→ϕ３６ ｍｍ→ϕ３４ ｍｍ 的次序安排车削， 不仅会增加刀具返回对刀点所需的空行程时间，而且一开始就削弱了工件的刚性，还可能使 台阶的外直角处产生毛刺（飞边）。 对这类直径相差不大的台阶轴，第一刀的最大背吃刀量可 为 ３ ｍｍ 左右，未超限时宜按 ϕ３４ ｍｍ→ϕ３６ ｍｍ→ϕ３８ ｍｍ 的次序先近后远地安排车削。 图 ４⁃１１　 先近后远加工原则示意图 （３）内外交叉 内外交叉是相对既有内表面（内型、腔）又有外表面需要加工的零件而言的。 加工这类零 件时，不可先将内表面加工完毕再加工外表面，也不可先将外表面加工完毕再加工内表面，要 对内表面和外表面交叉加工。 安排加工时要先进行内、外表面粗加工，后进行内、外表面精 加工。 四、加工路线的确定 数控车削加工路线指车刀从起刀点（或机床固定原点）开始运动，直至返回该点并结束加 工程序所经过的路径，包括切削加工的路径及刀具切入、切出等非切削空行程路径。 由于精加工切削过程的进给路线基本上都是沿零件轮廓顺序进行的，所以确定进给路线 的重点在于确定粗加工及空行程的进给路径。 在数控车削加工中，加工路线的确定一般要遵循以下几个原则： ①能保证被加工工件的精度和表面粗糙度。 ②使加工路线最短，减少空行程时间，提高加工效率。 ６９ “１＋Ｘ 证书”制度下的数控加工理论与实践 􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍 ③尽量简化数值计算的工作量，简化加工程序。 ④对某些重复使用的程序，应使用子程序。 其中，使加工路线最短不仅可以节省整个加工过程的执行时间，还能减少一些不必要的 刀具消耗及机床进给机构滑动部件的磨损等。 最短进给路线的类型及实现方法如下。 （１）最短的切削进给路线 使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，还 要保证工件的刚性和加工工艺性等符合要求。 图 ４⁃１２ 给出了三种不同的粗车切削进给路线，其 中图 ４⁃１２（ｃ）所示矩形路线最短，因此在同等切削条件下其切削时间最短，刀具损耗最少。 图 ４⁃１２　 粗车切削进给路线 （２）最短的空行程路线 ①巧用起刀点。 图 ４⁃１３（ａ）为采用矩形循环方式进行粗车的一般情况示例。 考虑到在精车等加工过程中 需要换刀方便，故将对刀点 Ａ 设置在离毛坯件较远的位置，同时将起刀点与对刀点重合在一 起。 图 ４⁃１３（ｂ）为另设起刀点的示例。 第一刀：Ａ→Ｂ→Ｃ→Ｄ→Ａ。 第一刀：Ｂ→Ｃ→Ｄ→Ｅ→Ｂ。 第二刀：Ａ→Ｅ→Ｆ→Ｇ→Ａ。 第二刀：Ｂ→Ｆ→Ｇ→Ｈ→Ｂ。 第三刀：Ａ→Ｈ→Ｉ→Ｊ→Ａ。 第三刀：Ｂ→Ｉ→Ｊ→Ｋ→Ｂ。 图 ４⁃１３　 采用矩形循环方式进行粗车 ７９ 第四章　 数控车削技术分析 􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍 显然，图 ４⁃１３（ｂ）所示的进给路线较短。 该路线也可以在其他循环切削加工（如螺纹车 削）中使用。 ②合理安排“回零”路线。 在手工编制复杂轮廓的加工程序时，为简化计算过程，便于校核，程序编制者有时通过执 行“回零”操作指令，使每一刀加工完成后的刀具终点全部返回对刀点位置，然后再执行后续 程序。 这样会增加进给路线的距离，降低生产效率。 因此，合理安排“回零”路线时，应使前一 刀的终点与后一刀的起点间的距离尽量短，或者为零，以满足进给路线最短的要求。 另外，选 择返回对刀点指令时，在不发生干涉的前提下，宜尽可能采用 Ｘ、Ｚ 轴双向同时“回零”指令。 （３）大余量毛坯的阶梯切削进给路线 图 ４⁃１４ 列出了两种大余量毛坯的粗加工切削进给路线。 在同样的背吃刀量下，图 ４⁃１４（ａ）所示的加工所剩余量过多，进给路线不合理；图 ４⁃１４（ｂ）所示的加工按 １ 至 ５ 的顺序 切削，每次切削所留余量相等，进给路线属合理的阶梯切削进给路线。 图 ４⁃１４　 大余量毛坯的粗加工切削进给路线 图 ４⁃１５　 顺着工件毛坯轮廓进给的路线 根据数控机床的加工特点，加工大余量毛坯时也可 不用阶梯切削法，可选择顺着工件毛坯轮廓进给，依次 从轴向和径向进刀，如图 ４⁃１５ 所示。 （４）圆弧粗加工进给路线 车外凸圆弧时可采用三角形走刀路线和同心圆走 刀路线，如图 ４⁃１６ 所示。 ①车锥法（斜线法）。 车锥法采用三角形走刀路线。 采用三角形走刀路 线车外凸圆时，要合理确定起点和终点坐标，否则可能 损伤圆弧表面，或者使余量太大。 在实际加工时，粗车走刀路线不能超过图４⁃１６（ａ）所示的 ＡＢ 线，否则就会导致圆弧表面受损。 由于 ＡＣ＝ ＢＣ＝ ０．５８６Ｒ，因此当 Ｒ 太大时，我们可取 ＡＣ＝ ＢＣ＝ ０．５Ｒ。 采用三角形走刀路线车外凸圆弧面时，需要计算每次进刀起点，终点坐标，且精加 工余量不均匀。 车锥法一般适用于圆心角小于 ９０°的匾弧车削。 ②车圆法（同心圆法）。 车圆法采用同心圆走刀路线，用不同的半径切除毛坯余量。 此方法车削空行程时间较 长。 车圆法适用于圆心角大于 ９０°的圆弧粗车。 ８９ “１＋Ｘ 证书”制度下的数控加工理论与实践 􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍 图 ４⁃１６　 圆弧表面粗车方法 （５）精加工进给路线 精加工进给路线是指完工轮廓的进给路线。 零件的完工轮廓应由最后一刀连续加工而 成。 尽量不要在连续的轮廓中安排切入、切出、换刀及停顿，以免切削力突然变化造成弹性形 变，致使光滑连接的轮廓上产生表面划伤、形状突变或滞留刀痕等缺陷。 ①换刀加工时进给路线的安排。 换刀加工主要根据工步顺序要求确定各刀加工的先后 顺序及各刀进给路线的衔接方式。 ②切入、切出及接刀点位置的选择。 切入、切出及接刀点应选有空刀槽或表面有拐点、转 角的位置。 ③各部位精度要求不一致的精加工进给路线。 若各部位精度相差不是很大，则我们应以 最严的精度为准，安排连续走刀加工所有部位。 若精度相差很大，则应将精度接近的表面安 排在同一刀具走刀路线内加工，并先加工精度较低的部位，再单独安排精度较高的部位的走 刀路线。 五、换刀 （１）固定点换刀 数控车床的刀盘结构有两种：一是刀架前置，其结构同普通车床相似，经济型数控车床多 采用这种结构；另一种是刀盘后置，这种结构是中高档数控车床常采用的。 换刀点是一个实际上相对固定的点，它不随工件坐标系的位置改变而发生位置变化。 换 刀点最安全的位置是换刀时刀架或刀盘上的任何刀具不与工件发生碰撞的位置。 这种设置 换刀点方式的优点是安全、简便，在单件及小批量生产中经常采用；缺点是增加了刀具到零件 加工表面的运动距离，降低了加工效率，机床磨损也加大，批量生产时往往不采用这种设置换 刀点的方式。 （２）跟随式换刀 在批量生产时，为缩短走刀路线，提高加工效率，在某些情况下可以不设置固定的换刀 点，每把刀有其各自不同的换刀位置。 这里应遵循的原则是：第一，确保换刀时，刀具不与工 件发生碰撞；第二，力求最短的换刀路线，即采用所谓的“跟随式换刀”。 跟随式换刀不使用机床数控系统提供的回换刀点的指令，而使用快速定位。 这种换刀方 式的优点是能够最大限度地缩短换刀路线，但每一把刀具的换刀位置要经过仔细计算，以确 ９９ 第四章　 数控车削技术分析 􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍 保换刀时刀具不与工件碰撞。 跟随式换刀常应用于被加工工件有一定批量、使用刀具数量较 多、刀具类型多、径向及轴向尺寸相差较大时。 使用跟随式换刀方式，换刀点位置的确定与刀具的安装参数有关。 如果加工过程中更换 刀具，刀具的安装位置改变，程序中有关的换刀点也要修改。 （３）排刀法 在数控车削的生产实践中，为缩短加工时间、提高生产效率，针对特定几何形状和尺寸的 工件常采用所谓的排刀法。 这种刀具排列方式的好处是在换刀时，刀盘或刀塔不需要转动， 是一种加工效率很高的安排走刀路线的方法。 使用排刀法时，程序与刀具位置有关。 一种编程方法是使用变换坐标系指令，为每一把 刀具设立一个坐标系；另一种方法是所有刀具使用一个坐标系，刀具的位置差由程序坐标系 补偿，但刀具一旦磨损或更换就要根据刀尖实际位置重新调整程序，十分麻烦。 六、数控车削加工参数的确定 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。 切削用量的选择是否合理，对于能否充分发挥数控车床的潜力与刀具的切 削性能，实现优质、高产、降低成本和安全操作具有很重要的作用。 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。 对于不同的加工方法，需要选用不同的切削用量，数控车床切削用量的选择原则如下： 粗车时，首先应选择一个尽可能大的背吃刀量 ａｐ，其次选择一个较大的进给量 ｆ，最后确 定一个合理的切削速度 ｖｅ。 增大背吃刀量可以减少进给次数，增大进给量有利于断屑。 根据 以上原则选择粗车切削用量，有利于提高生产效率，减少刀具损耗，降低加工成本。 精车时，对工件精度和表面粗糙度有着较高要求，加工余量不大且较均匀，因此选择精车 切削用量时，应着重考虑如何保证工件的加工质量，并在此基础上尽量提高生产效率。 因此 精车时，应选用较小（但不能太小）的背吃刀量 ａｐ（一般取 ０．１ ～ ０．５ ｍｍ）和进给量 ｆ，并选用切 削性能高的刀具材料和合理的几何参数，以尽可能提高切削速度 ｖｅ。 此外，在安排粗、精车削用量时，应注意机床说明书给定的允许切削用量范围，对主轴采用 交流变频调速的数控车床，由于主轴在低转速时扭矩降低，尤其应注意此时的切削用量的选择。 （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 ０．１～０．５ ｍｍ。 （２）主轴转速的确定 ①车外圆时的主轴转速。 车外圆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车螺纹时的主轴转速。 车螺纹时主轴转速将受到螺纹的螺距（即导程）大小、驱动电动 机的升降特性及螺纹插补运算速度等多种因素影响，故对于不同的数控系统，推荐不同的主 轴转速选择范围。 ００１ “１＋Ｘ 证书”制度下的数控加工理论与实践 􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍 （３）进给速度的确定 进给速度是指在单位时间内，刀具沿进给方向移动的距离（单位为 ｍｍ ／ ｍｉｎ）。 有些数控 车床规定可以选用进给量（单位为 ｍｍ ／ ｒ）表示进给速度。 确定进给速度的原则： 切削用量都应在机床说明书给定的允许范围内选择，并应考虑机床工艺系统的刚性和机 床功率的大小。 常用的切削用量选择见表 ４⁃１～表 ４⁃３。 表 ４⁃１　 硬质合金外圆车刀切削速度的参考数值 工件材料 热处理状态 ａｐ ＝ ０．３～２ ａｐ ＝ ２～６ ａｐ ＝ ６～１０ ｆ＝ ０．０８～０．３ ｍｍ ／ ｒ ｆ＝ ０．３～０．６ ｍｍ ／ ｒ ｆ＝ ０．６～１ ｍｍ ／ ｒ ｖｅ ／ （ｍ·ｍｉｎ －１） ｖｅ ／ （ｍ·ｍｉｎ －１） ｖｅ ／ （ｍ·ｍｉｎ －１） 低碳钢易切钢 热轧 １４０～１８０ １００～１２０ ７０～９０ 中碳钢 热轧 １３０～１６０ ９０～１１０ ６０～８０ 调质 １００～１３０ ７０～９０ ５０～７０ 合金结构钢 热轧 １００～１３０ ７０～９０ ５０～７０ 调质 ８０～１１０ ５０～７０ ４０～６０ 工具钢 退火 ９０～１２０ ６０～８０ ５０～７０ 灰铸铁 ＨＢＳ＜２２５ ９０～１２０ ６０～８０ ５０～７０ 高锰钢 １０～２０ 铜及铜合金 ２００～２５０ １２０～１８０ ９０～１２０ 铝及铝合金 ３００ ～６００ ２００～４００ １５０～２００ 铸铝合金 １００～１８０ ８０～１５０ ６０～１００ 注：切削钢及灰铸铁时刀具耐用度约为 ６０ ｍｉｎ。 表 ４⁃２　 硬质合金车刀粗车外圆及端面的进给量 工件材料 车刀刀杆尺寸 Ｂ×Ｈ ／ （ｍｍ×ｍｍ） 工件直径 ｄｍ ／ ｍｍ 背吃刀量 ≤３ ３～５ ５～８ ８～１２ ＞１２ 进给刀量 ｆ ／ （ ｍｍ ·ｒ－１） 碳素 结构钢、 合金 结构钢 及 耐热钢 １６×２５ ２０×３０ ２５×２５ ２０ ０．３～０．４ — — — — ４０ ０．４～０．５ ０．３～０．４ — — — ６０ ０．５～０．７ ０．４～０．６ ０．３～０．５ — — １００ ０．６～０．９ ０．５～０．７ ０．５～０．６ ０．４～０．５ — ４００ ０．８～１．２ ０．７～１．０ ０．６～０．８ ０．５～０．６ — ２０ ０．３～０．４ — — — — ４０ ０．４～０．５ ０．３～０．４ — — — ６０ ０． ５～０．７ ０．５～０．７ ０．４～０．６ — — １００ ０．８～１．０ ０．７～０．９ ０．６～０．８ ０．４～０．７ — ４００ １．２～１．４ １．０～１．２ ０．８～１．０ ０．６～０．７ ０．４～０．５ １０１ 第四章　 数控车削技术分析 􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍 续表 工件材料 车刀刀杆尺寸 Ｂ×Ｈ ／ （ｍｍ×ｍｍ） 工件直径 ｄｍ ／ ｍｍ 背吃刀量 ≤３ ３～５ ５～８ ８～１２ ＞１２ 进给刀量 ｆ ／ （ ｍｍ ·ｒ－１） 铸铁及 铜合金 １６×２５ ２０×３ ０２５×２５ ４０ ０．４～０．５ — — — — ６０ ０．５～０．８ ０．５～０．８ ０．４～０．６ — — １００ ０．８～１．２ ０．７～１．０ ０．６～０．８ ０．５～０．７ — ４００ １．０～１．４ １．０～１．２ ０．８～１．０ ０．６～０．８ — ４０ ０．４～０．５ — — — — ６０ ０．５～０．９ ０．５～０．８ ０．４～０．７ — — １００ ０．９～１．３ ０．８～１．２ ０．７～１．０ ０．５～０．８ — ４００ １．２～１．８ １．２～１．６ １．０～１．３ ０．９～１．１ ０．７～０．９ 注：１．加工端表面及有冲击的工件时，表内进给量应乘系数 ｋ＝ ０．７５～０．８５。 ２．在无外皮加工时，表内进给量应乘系数 ｋ＝ １．１。 ３．加工耐热钢时，进给量不大于 １ ｍｍ ／ ｒ。 ４．加工淬硬钢时，进给量应减小。 当钢的硬度为 ４４～５６ 时，乘系数 ｋ＝ ０．８；当钢的硬度为 ５７～６２ 时，乘系数 ｉ＝ ０．５。 表 ４⁃３　 按表面粗糙度选择进给量的参考值 工件 材料 表面粗糙度 Ｒａ ／ ｍｍ 切削速度范围 ｖｅ ／ （ｍ·ｍｉｎ －１） 刀尖圆弧半径 ｒｅ ／ ｍｍ ０．５ １．０ ２．０ 进给刀量 ｆ ／ （ｍｍ· ｒ －１） 铸铁、 青铜、 铝合金 ＞５～１０ ＞２．５～５ ＞１．２５～２．５ 不限 ０．２５～０．４０ ０．４０～０．５０ ０．５０～０．６０ ０．１５～０．２５ ０．２５～０．４０ ０．４０～０．６０ ０．１０～０．１５ ０．１５～０．２０ ０．２０～０．３５ 碳钢及 合金钢 ＞５～１０ ＞２．５～５ ＞１．２５～２．５ ＜５０ ０．３０～０．５０ ０．４５～０．６０ ０．５５～０．７０ ＞５０ ０．４０～０．５５ ０．５５～０．６５ ０．６５～０．７０ ＜５０ ０．１８～０．２５ ０．２５～０．３０ ０．３０～０．４０ ＞５０ ０．２５～０．３０ ０．３０～０．３５ ０．３０～０．５０ ＜５０ ０．１０ ０．１１～０．１５ ０．１５～０．２２ ５０～１００ ０．１１～０．１６ ０．１６～０．２５ ０．２５～０．３５ ＞１００ ０．１６～０．２０ ０．２０～０．２５ ０．２５～０．３５ 注：ｒｅ ＝ ０．５ ｍｍ，用于 １２ ｍｍ×１２ ｍｍ 以下刀杆； ｒｅ ＝ １ ｍｍ，用于 ３０ ｍｍ×３０ ｍｍ 以下刀杆； ｒｅ ＝ ２ ｍｍ，用于 ３０ ｍｍ×４５ ｍｍ 及以上刀杆。 ２０１ “１＋Ｘ 证书”制度下的数控加工理论与实践 􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍