1.3 车削数控加工基本知识

数控车削是数控加工中用得最多的加工方法之一，由于数控车床具有加工精度高、能做直线和圆弧插补及在加工过程中能自动变速的特点，因此，凡是能在数控车床上装夹的回转体零件都能在数控车床上加工。

1.3.1 车削数控加工原理

数控车床主要由5部分组成，如图1-16所示。

（1）机床主机：即数控车床的机械部分，主要包括床身、主轴箱、刀架、尾座、进给传动机构等。

（2）数控系统：即控制系统，是数控车床的控制核心，其中包括CPU、存储器、CRT等部分。

（3）驱动系统：即伺服系统，是数控车床切削工作的动力部分，主要实现主运动和进给运动。

（4）辅助装置：是为加工服务的配套部分，如液压、气动装置，冷却、照明、润滑、防护和排屑装置。

（5）机外编程器：是在普通的计算机上安装一套编程软件，使用这套编程软件及相应的后置处理软件，就可以生成加工程序。通过车床控制系统上的通信接口或其他存储介质，把生成的加工软件输入到车床的控制系统中，完成零件的加工。

普通车床与数控车床相比，其结构基本相同。但是，在普通车床中，主运动和进给运动的动力都来源于同一台电机，它的运动是由电机经过主轴箱变速，传动至主轴，实现主轴的转动，同时经过交换齿轮架、进给箱、光杠或丝杠、溜板箱传动到刀架，实现刀架的纵向进给移动和横向进给移动。主轴转动与刀架移动的同步关系依靠齿轮传动链来保证。而数控车床则与之完全不同，其主运动和进给运动是由不同的电机来驱动的，即主运动由主轴电机驱动，主轴采用变频无级调速的方式进行变速，驱动系统采用伺服电机驱动，经过滚珠丝杠传送到机床滑板和刀架，以连续控制的方式，实现刀具的纵向进给运动（Z向）和横向进给运动（X向）。数控车床主运动和进给运动的同步信号来源于安装在主轴上的脉冲编码器，当主轴旋转时，脉冲编码器便向数控系统发出检测脉冲信号，数控系统对脉冲编码器的检测信号进行处理后传给伺服系统中的伺服控制器，伺服控制器再去驱动伺服电机移动，从而使主运动与刀架的切削进给保持同步。

1.3.2 数控车削加工的用途和加工对象

数控车削能够加工轴类或盘类的回转体零件，如图1-17所示。由于数控车床能自动完成内外圆柱面、圆锥面、圆弧面、端面、螺纹等工序的切削加工，并能进行切槽、钻孔、铰孔等加工。所以，除此之外，数控车床还特别适合加工形状复杂、精度要求高的轴类或盘类零件。

数控车削是数控加工中用得最多的加工方法之一，由于数控车床具有加工精度高、能做直线或圆弧及在加工过程中能自动变速等特点，因此，其工艺范围较普通车床宽得多。针对数控车床的特点，下列几种零件最适合数控车削加工。

1）轮廓形状复杂的回转体零件

由于数控车床具有直线和圆弧插补功能，部分车床数控装置还有某些非圆曲线插补功能，所以，能车削由任意直线和平面曲线组成的形状复杂的回转体零件和难于控制尺寸的零件，如具有封闭内成形面的壳体零件。

组成零件轮廓的曲线可以是数控方程式描述的曲线，也可以是列表曲线。对于由直线或圆弧组成的轮廓，直接利用机床的直线或圆弧插补功能。对于由非圆曲线组成的轮廓，可以用非圆曲线插补功能；若所选机床没有非圆曲线插补功能，则应先用直线或圆弧逼近，然后再用直线或圆弧插补功能进行插补切削。

2）精度要求高的回转体零件

由于数控车床的刚性好，制造和对刀精度高，以及能方便和精确地进行人工补偿，甚至自动补偿，所以能够加工尺寸精度要求高的零件。一般来说，车削IT7级尺寸精度的零件应该没有什么困难。在有些场合可以以车代磨。此外，由于数控车削时刀具运动是通过高精度插补运算和伺服驱动来实现的，再加上机床的刚性好和制造精度高，所以它能加工对素线直线度、圆度、圆柱度要求高的零件。对圆弧及其他曲线轮廓的形状，加工出的形状和图样上的目标几何形状的接近程度，比仿形车床要好得多。数控车削对提高位置精度特别有效，不少位置精度要求高的零件用传统的车床车削达不到要求，只能用磨削或其他方法弥补。车削零件位置精度的高低主要取决于零件的装夹次数和机床的制造精度，在数控车床上加工，如果发现要求位置精度较高，可以用修改程序内数据的方法来校正，这样可以提高其位置精度，而用传统车床加工是无法做这种校正的。

3）表面粗糙度要求高的回转体零件

数控车床具有恒线速度切削功能，能加工出表面粗糙度值小而均匀的零件。因为在材质、精车余量和刀具已定的情况下，表面粗糙度取决于进给量和切削速度。切削速度变化，致使车削后的表面粗糙度不一致。使用数控车床的恒线速度切削功能，就可选用最佳线速度来切削锥面、球面和端面等，使车削后的表面粗糙度值小而均匀。

4）带横向加工的回转体零件

带有键槽或径向孔，或端面有分布的孔系，以及由曲面的盘套或轴类零件，如带有法兰的轴套、带有键槽或方头的轴类零件等，这类零件适合选择车削加工中心加工。当然端面有分布的孔系、曲面的盘类零件也可以选择立式加工中心加工。这类零件如果采用普通机床加工，工序分散，工序数目多。采用加工中心后，由于有自动换刀系统，使得一次装夹即可完成普通车床的多个工序的加工，减少了装夹次数，实现了工序集中的原则，保证加工质量的稳定性，提高生产率，降低生产成本。

5）带特殊螺纹的回转体零件

普通车床所能车削的螺纹相当有限，它只能车削等导程的直、锥面米制或英制螺纹，而且一台车床只能限定加工若干导程的螺纹。数控车床不但能车削任何等导程的直、锥和端面螺纹，而且能车增导程、减导程及要求等导程与变导程之间平滑过渡的螺纹，还具有高精密螺纹切削功能。再加上一般采用硬质合金成形刀具及可以使用较高的转速，所以车削出来的螺纹精度高，表面粗糙度小。

1.3.3 数控车削加工工艺制定

数控车床是按事先编制好的加工程序对零件进行自动加工的，对于手工编制的加工程序，其水平的高低将直接影响零件的加工质量、生产率和刀具寿命。数控车床是一种高效率的自动化设备，它的效率高于普通机床的2～3倍，所以要充分发挥数控机床的这一特点，必须熟练掌握其性能、特点、使用操作方法，同时还必须在编程之前正确地确定加工方案。

1．加工方案的确定

在数控车床上，能够完成内外回转体表面的车削、钻孔、镗孔、铰孔和攻螺纹等加工操作，具体选择时要根据零件的加工精度、表面粗糙度、材料、结构形状、尺寸及生产类型等因素，选择相应的加工方法和加工方案。

1）数控车削外回转表面及端面的加工方案确定

加工精度为IT7～IT8级，表面粗糙度Ra0.8～1.6um的除淬火钢以外的常用金属，可采用普通型数控车床，按粗车、半精车、精车的方案进行。

加工精度为IT5～IT6级，表面粗糙度Ra0.2～0.63um的除淬火钢以外的常用金属，可采用精密型数控车床，按粗车、半精车、精车、精细车的方案进行。

加工精度高于IT5级，表面粗糙度Ra小于0.08um的除淬火钢以外的常用金属，可采用高档精密型数控车床，按粗车、半精车、精车、精密车的方案进行。

对于淬火钢等难车削材料，其淬火前可采用粗车、半精车的方法，淬火后安排磨削加工。

2）数控车削内回转表面的加工方案确定

加工精度为IT8～IT9级，表面粗糙度Ra1.6～3.2um的除淬火钢以外的常用金属，可采用普通型数控车床，按粗车、半精车、精车的方案进行。

加工精度为IT6～IT7级，表面粗糙度Ra0.2～0.63um的除淬火钢以外的常用金属，可采用精密型数控车床，按粗车、半精车、精车、精细车的方案进行。

加工精度高于IT5级，表面粗糙度Ra小于0.08um的除淬火钢以外的常用金属，可采用高档精密型数控车床，按粗车、半精车、精车、精密车的方案进行。

对于淬火钢等难车削材料，其淬火前可采用粗车、半精车的方法，淬火后安排磨削加工。

2．加工工序划分

对于需要多台不同的数控机床、多道工序才能完成加工的零件，工序划分自然以机床为单位来进行。而对于需要很少的数控机床就能加工完零件全部内容的情况，数控加工工序的划分一般可按下列方法进行。

1）以一次安装所进行的加工作为一道工序

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。

2）以一个完整数控程序连续加工的内容为一道工序

有些零件虽然能在一次安装中加工出很多待加工面，但考虑到程序太长，会受到某些限制。

3）以工件上的结构内容组合用一把刀具加工为一道工序

有些零件结构较复杂，既有回转表面也有非回转表面，既有外圆、平面也有内腔、曲面。对于加工内容较多的零件，按零件结构特点将加工内容组合分成若干部分，每一部分用一把典型刀具加工。这时可以将组合在一起的所有部位作为一道工序。

4）以粗、精加工划分工序

对于容易发生加工变形的零件，通常粗加工后需要进行矫形，这时粗加工和精加工作为两道工序，可以采用不同的刀具或不同的数控车床加工。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。

3．加工顺序的确定

在数控车床上加工零件，应按照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或全部表面的加工。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。在对零件图进行认真和仔细的分析后，制定加工方案的一般原则为先粗后精、先近后远、先内后外、程序段最少、走刀路线最短。

1）先粗后精

为了提高生产效率并保证零件的精加工质量，在切削加工时，应先安排粗加工工序，在较短的时间内，将精加工前的大部分加工余量去除，同时尽量满足精加工余量均匀性要求。当粗加工工序安排完后，接着安排换刀后进行的半精加工和精加工。其中安排半精加工的目的是：当粗加工后所留余量的均匀性满足不了精加工要求时，则可安排半精加工作为过渡性工序，以便使精加工余量小而均匀。

在安排可以一刀或多刀进行的精加工工序时，其零件的最终加工轮廓应由最后一刀连续加工而成。这时，刀具的进、退刀位置要考虑妥当，尽量不要在连续的轮廓中安排切入和切出或换刀及停顿，以免因切削力突然变化而造成弹性变形，致使光滑连接轮廓上产生表面划伤、形状突变或滞留刀痕等。

2）先近后远

先近后远是指加工部位与对刀点的距离大小而言的。一般情况下，特别是在粗加工时，通常安排离对刀点近的部位先加工，离对刀点远的部位后加工，以便于缩短刀具移动距离，减少空行程时间。

3）内外交叉

在加工既有内表面，又有外表面需加工的零件，应先安排进行内外表面粗加工，后进行内外表面精加工，易于控制其内外表面的尺寸和表面形状的精度。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。

4）程序段最少

按照每个单独的几何要素（直线、斜线和圆弧等）分别编制出相应的加工程序，其构成加工程序的各条程序即程序段。在加工程序的编制工作中，总是希望以最少的程序段数即可实现对零件的加工，以使程序简洁，减少出错的几率及提高编程工作的效率。

由于机床数控装置普遍具有直线和圆弧插补运算的功能，除了非圆曲线外，程序段数可以由构成零件的几何要素及由工艺路线确定的各条程序段得到。对于非圆曲线轨迹的加工，所需主程序段数要保证其加工精度的条件下，进行计算后才能得知。这时，一条非圆曲线应按逼近原理划分成若干个主程序段（大多为直线或圆弧），当能满足其精度要求时，所划分的若干个主程序段的段数仍应为最少。这样，不但可以大大减少计算的工作量，而且能减少输入的时间及计算机内存容量的占有数。

5）走刀路线最短

确定走刀路线的工作重点，主要在于确定粗加工及空行程的走刀路线，因精加工切削过程的走到路线基本上都是沿其零件轮廓顺序进行的。走刀路线泛指刀具从对刀点开始运动起，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引入、切出等非切削空行程。

1.3.4 数控车削用量的选择

数控车削加工中的切削用量包括背吃刀量ap、主轴转速n或切削速度vc（用于恒线速度切削）、进给速度vf或进给量f。

1．切削用量的选用原则

粗车时，应尽量保证较高的金属切除率和必要的刀具耐用度。选择切削用量时应首先选取尽可能大的背吃刀量ap，其次根据机床动力和刚性的限制条件，选取尽可能大的进给量f，最后根据刀具耐用度要求，确定合适的切削速度vc。增大背吃刀量ap可使走刀次数减少，增大进给量f有利于断屑。

精车时，对加工精度和表面粗糙度要求较高，加工余量不大且较均匀。选择精车的切削用量时，应着重考虑如何保证加工质量，并在此基础上尽量提高生产率。因此，精车时应选用较小（但不能太小）的背吃刀量和进给量，并选用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。

2．切削用量的选取方法

1）背吃刀量的选择

粗加工时，除留下精加工余量外，一次走刀尽可能切除全部余量；也可分多次走刀。精加工的加工余量一般较小，可一次切除。在中等功率机床上，粗加工的背吃刀量可达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）进给速度（进给量）的确定

粗加工时，由于对工件的表面质量没有太高的要求，这时主要根据机床进给机构的强度和刚性、刀杆的强度和刚性、刀具材料、刀杆和工件尺寸及已选定的背吃刀量等因素来选取进给速度。精加工时，则按表面粗糙度要求、刀具及工件材料等因素来选取进给速度。

进给速度vf可以按下面公式计算：

vf=f×n

其中：f表示每转进给量，粗车时一般取0.3～0.8mm/r；精车时常取0.1～0.3mm/r；切断时常取0.05～0.2mm/r。

3）切削速度的确定

切削速度vc可根据已经选定的背吃刀量、进给量及刀具耐用度进行选取。在实际加工过程中，也可根据生产实践经验和查表的方法来选取。粗加工或工件材料的加工性能较差时，宜选用较低的切削速度。精加工或刀具材料、工件材料的切削性能较好时，宜选用较高的切削速度。切削速度Vc确定后，可根据刀具或工件直径（D）按公式n=l 000Vc/πD来确定主轴转速n（r/min）。