第1章 数控车削加工概述

1.1 数控车床概述

数控机床是集机械、电气、液压、气动、微电子和信息等多项技术为一体的机电一体化产品，是机械制造设备中具有高精度、高效率、高自动化和高柔性化等优点的工作母机。数控机床的技术水平高低及其在金属切削加工机床产量和总拥有量的百分比是衡量一个国家国民经济发展和工业制造整体水平的重要标志之一。数控车床是数字程序控制车床的简称，它集通用性好的万能型车床、加工精度高的精密型车床和加工效率高的专用型普通车床的特点于一身，是目前国内使用量最大、覆盖面最广的一种数控机床，占数控机床总数的25 %左右。

1.1.1 数控车床分类

数控车床在数控机床中占有非常重要的位置，几十年来一直受到世界各国的普遍重视并得到了迅速的发展。随着数控机床制造技术的不断发展，为了满足不同用户的加工需要，数控车床的品种规格繁多，功能愈来愈强，从数控系统控制功能看，数控车床可分为以下几种。

1. 按控制功能分类

(1) 全功能型数控车床。它一般采用交、直流伺服电机驱动形成闭环或半闭环控制系统，主电机一般采用交流伺服电机，具有CRT图形显示、人机对话、自诊断等功能；具有高刚度、高精度和高效率等优点。其外形如图1-1所示。

(2) 经济型数控车床。早期的经济型数控车床是在普通车床基础上改造而来的，其功能较简单；现在的经济型数控车床的功能有了较大的提升。出于经济因素考虑，经济型数控车床并不过于追求机床功能，与全功能型数控车床相比，其主运动、进给伺服控制相对简单，数控系统档次较低，主体刚度及制造精度较全功能型数控车床低，它结构简单，功能较少。其外形如图1-2所示。

(3) 车削中心。车削中心是以全功能型数控机床为主体，并配置刀库、换刀装置、分度装置、铣削动力头和机械手等，实现多工步复合加工的机床。其外形如图1-3所示。

(4) FMC车床。它是一种由数控车床、机器手或机器人等构成的柔性加工单元。它能实现工件搬运、装卸的自动化和加工调整准备的自动化。其外形如图1-4所示。

2. 按车床主轴位置分类

(1) 立式数控车床。立式数控车床简称为数控车床，其车床主轴垂直于水平面，并有一个直径很大的圆形工作台，供装夹工件用，其外形如图1-5所示。这类机床主要用于加工径向尺寸大、轴向尺寸相对较小的大型复杂零件。

(2) 卧式数控车床。卧式数控车床又分为数控水平导轨卧式车床和数控倾斜导轨卧式车床，其外形如图1-6所示。倾斜导轨结构可以使车床具有更大的刚性，并易于排除切屑。

3. 按加工零件的基本类型分类

(1) 卡盘式数控车床。这类车床未设置尾座，适合车削盘类 (含短轴类) 零件。其夹紧方式多为电动或液动控制，卡盘结构多具有可调卡爪或不淬火卡瓜 (即软卡爪)。

(2) 顶尖式数控车床。这类数控车床配置有普通尾座或数控尾座，适合车削较长的轴类零件及直径不太大的盘、套类零件。

4. 按刀架数量分类

(1) 单刀架数控车床。普通数控车床一般都配置有各种形式的单刀架，如四工位卧式自动转位刀架或多工位转塔式自动转位刀架，如图1-7所示。

(2) 双刀架数控车床。这类车床其双刀架的配置 (即移动导轨分布) 可以是如图1-8 (a)所示的平行分布，也可以是如图1-8 (b) 所示的相互垂直分布，以及同轨结构。

1.1.2 典型的数控车床组成

虽然数控车床种类较多，但一般均由车床主体、数控装置和伺服系统三大部分组成。图1-9是数控车床的基本组成方框图。

1. 车床主体

车床本体与传统车床相似，由主轴传动装置、进给传动装置、床身、工作台以及辅助运动装置、液压气动装置、润滑系统、冷却装置等组成。但数控车床特别是车削中心在整体布局、外观造型、传动系统、刀具系统的结构以及操作机构等方面都已发生了较大的变化。数控车床结构如图1-10所示。

数控车床相对普通车床有以下几个方面的变化。

(1) 采用高性能主传动及主轴部件。具有传递功率大、刚度高、抗振性好及热变形小等特点。

(2) 进给传动采用高效传动件。具有传动链短、结构简单、传动精度高等特点，传动件一般采用滚珠丝杠副、直线滚动导轨副等。

(3) 具有完善的刀具自动变换和管理系统。

(4) 车床本身具有很高的动、静刚度。

(5) 采用全封闭罩壳。由于数控车床是自动完成加工，为了操作安全，一般采用移动门结构的全封闭罩壳，对车床的加工部件进行全封闭。

其具体组成如下：

(1) 主轴与主轴箱。

① 主轴。数控车床主轴的回转精度直接影响到零件的加工精度；其功率大小、回转速度快慢将影响加工的效率；其同步运行、自动变速及定向准停等要求，影响到车床的自动化程度。

② 主轴箱。具有有级自动调速功能的数控车床，其主轴箱内的传动机构已经大大简化；具有无级自动调速 (包括定向准停) 的数控车床，起机械传动变速和变向作用的机构已经不复存在了，其主轴箱也成了“轴承座”及“润滑箱”的代名词；对于改造式 (具有手动操作和自动控制加工双重功能) 数控车床，则基本上保留其原有的主轴箱。主轴箱外形如图1-11所示。

(2) 导轨。数控车床的导轨是保证进给运动准确性的重要部件。它在很大程度上影响车床的刚度、精度及低速进给时的平稳性，是影响零件加工质量的重要因素之一。除部分数控车床仍沿用传统的滑动导轨 (金属型) 外，定型生产的数控车床已较多地采用贴塑导轨。这种新型滑动导轨的摩擦系数小，其耐磨性、耐腐蚀性及吸震性好，润滑条件也比较优越。

(3) 机械传动机构。除了部分主轴箱内的齿轮传动等机构外，数控车床已在原普通车床传动链的基础上做了大幅度的简化，如取消了挂轮箱、进给箱、溜板箱及其绝大部分传动机构，而仅保留了纵、横进给的螺旋传动机构，并在驱动电动机至丝杠间增设了 (少数车床未增设) 可消除其侧隙的齿轮副。

① 螺旋传动机构。数控车床中的螺旋副，是将驱动电动机所输出的旋转运动转换成刀架在纵、横方向上直线运动的运动副。构成螺旋传动机构的部件一般为滚珠丝杠副，如图1-12所示。

滚珠丝杠副的摩擦阻力小，可消除轴向间隙及预紧，故传动效率及精度高，运动稳定，动作灵敏；但结构较复杂，制造技术要求较高，所以成本也较高。另外，自行调整其间隙大小时，难度亦较大。

② 齿轮副。在较多数控车床的驱动机构中，其驱动电动机与进给丝杠间设置有一个简单的齿轮箱 (架)。齿轮副的主要作用是，保证车床进给运动的脉冲当量符合要求，避免丝杠可能产生的轴向窜动对驱动电动机的不利影响。

(4) 自动转动刀架。除了车削中心采用随机换刀 (带刀库) 的自动换刀装置外，数控车床一般带有固定刀位的自动转位刀架，如图1-13所示。有的车床还带有各种形式的双刀架。

(5) 检测反馈装置。检测反馈装置是数控车床的重要组成部分，它对加工精度、生产效率和自动化程度有很大影响。检测装置包括位移检测装置和工件尺寸检测装置两大类，其中工件尺寸检测装置又分为机内尺寸检测装置和机外尺寸检测装置两种。工件尺寸检测装置仅在少量的高档数控车床上配用。

(6) 对刀装置。除了极少数专用性质的数控车床外，普通数控车床几乎都采用了各种形式的自动转位刀架，以进行多刀车削，这样每把刀的刀位点在刀架上安装的位置，或相对于车床固定原点的位置，都需要对刀、调整和测量，并以确认，以保证零件的加工质量。

2. 数控装置和伺服系统

数控车床与普通车床的主要区别就在于是否具有数控装置和伺服系统这两大部分。如果说，数控车床的检测装置相当于人的眼睛，那么数控装置就相当于人的大脑，伺服系统则相当于人的双手。这就不难看出这两大部分在数控车床中所处的重要位置了。

(1) 数控装置。数控装置的核心是计算机及其软件，它在数控车床中起“指挥”作用：数控装置接收由加工程序送来的各种信息，并经处理和调配后，向驱动机构发出执行命令；在执行过程中，其驱动、检测等机构同时将有关信息反馈给数控装置，以便经处理后发出新的执行命令。

(2) 伺服系统。伺服系统准确地执行数控装置发出的命令，通过驱动电路和执行元件(如步进电机等)，完成数控装置所要求的各种位移。

1.1.3 数控车床加工特点与技术参数

1. 数控车床的加工特点

数控机床与传统机床相比，具有以下一些加工特点。

(1) 具有高度柔性。在数控车床上加工零件，主要取决于加工程序，它与普通机床不同，不必制造、更换许多工具、夹具，不需要经常重新调整机床。因此，数控车床适用于零件频繁更换的场合，即单件、小批量生产及新产品的开发，它的应用缩短了生产准备周期，节省了大量工艺装备的费用。

如图1-14所示“口小肚大”的内成形面零件的局部视图，不仅在普通车床上难以加工，而且还难以检测。采用数控车床加工则很方便，其车刀刀尖运动的轨迹由加工程序控制。

对由非圆线或列表曲线 (如流线形曲线) 构成其旋转面的零件，各种非标准螺距的螺纹或变螺距螺纹等多种特殊螺旋类零件，以及表面粗糙度要求非常均匀、且表面粗糙度值又较小的变径表面类零件，都可通过车床数控系统所具有的同步运行及恒线速度等功能保证其精度要求。

(2) 加工精度高。数控车床的加工精度一般可达0.005～0.1 mm之间。数控车床是按数字信号形式控制的，数控装置每输出一个脉冲信号，则机床移动部件移动一个脉冲当量 (一般为0.001 mm)，而且机床进给传动链的反向间隙与丝杆螺距平均误差可由数控装置进行补偿，所以数控车床定位精度比较高。

(3) 加工质量稳定、可靠。加工同一批零件，在同一机床、在相同加工条件下，使用相同刀具和加工程序，刀具的走刀轨迹完全相同，零件的一致性好，质量稳定。

(4) 生产率高。数控车床可有效地减少零件的加工时间和辅助时间，数控车床的主轴转速和进给量的范围大，允许机床进行大切削量的强力切削，数控车床目前正进入高速加工时代，机床移动部件的快速移动和定位及高速切削加工，极大地提高了生产率；另外配合车削中心的刀库使用，实现了在一台机床上进行多道工序的连续加工，减少了半成品的工序间周转时间，提高了生产率。

为了进一步提高车削加工的效率，通过增加车床的控制坐标轴，就能在一台数控车床上同时加工两个多工序的相同或不同的零件，也可实现一批工序特别复杂零件车削加工过程的自动化。

图1-15所示为在一台六轴控制的数控车床上，有同轴线的左、右两个主轴和前后配置的两个刀架，并在一台数控系统的控制之下进行各种车削加工的示意图。其中，图 (a) 表示前后两个刀架同时车削左、右主轴上的两个相同零件；图 (b) 表示其两个刀架分别车削两个主轴上的不同零件；图 (c) 表示在车床左端主轴 (第一主轴C1) 上装夹有待车削零件的坯件 (棒料)，先由前置刀架车出有复杂外 (内) 形轮廓的右端后，通过自动送料机构(图中未画出) 将其半成品件连同棒料一起转送到右主轴 (第二主轴C2) 定位并装夹，然后由后置刀架按所需总长要求切断，这时切断后的棒料由自动送料机将其送回左主轴上的适当位置并夹紧，再重复前述零件右端外 (内) 形轮廓的左端，从而实现一个复杂零件全部车削过程的不间断加工，大大提高了加工效率。

(5) 改善劳动条件。数控车床加工前经调整好后，输入程序并启动，机床就能自动连续地进行加工，直至加工结束。操作者主要进行程序的输入、编辑、装卸零件、刀具准备、加工状态的观测，零件的检验等工作，劳动强度大为降低，机床操作者的劳动趋于智力型工作。另外，机床一般是封闭加工，既清洁，又安全。

(6) 利于现代化生产管理。数控车床的加工，以标准代码为控制信息，易于实现加工信息的标准化，目前已与计算机辅助设计与制造 (CAD/CAM) 系统有机地结合起来，是先进制造技术的基础。

2. 数控车床的主要技术参数

数控车床的主要技术参数包括最大回转直径、最大车削长度、各坐标轴行程、主轴转速范围、切削进给速度范围、定位精度、刀架定位精度等，见表1-1所列。