1.4　数控车削中工件的定位与装夹

1.4.1　车削中工件的定位

车削的零件大多数为回转体类,由于数控车削编程和加工的特点,通常工件径向定位后要保证工件坐标系Z轴与机床主轴轴线同轴,可采用通用夹具装夹工件,如三爪自动定心卡盘、顶尖等。

如果工件加工表面中心线与工件上某轴线有偏心(如曲轴),则必须采用偏心卡盘、偏心顶尖或专用夹具装夹,使加工表面中心线位于机床主轴回转轴线上,这时偏心卡盘、偏心顶尖或专用夹具的定位中心线应是工件上某轴线,定位中心线到主轴回转中心线的距离等于加工表面中心线与工件某轴线偏心距离,这时工件坐标系Z轴是加工表面中心线。

为了充分发挥数控车床的高速度、高精度和自动化的特点,必须有相应的数控夹具与之配合。数控车床夹具除了使用通用三爪自定心卡盘、顶尖等,还常使用自动化的液压、电动和气动卡盘与顶尖等。

1.4.2　定位基准的选择

(1)基准重合原则

选用设计基准(工序基准)作为工件的定位基准,称为基准重合,即定位基准与设计基准重合。数控加工应使设计基准、定位基准、编程原点三者统一,这是最优方案。因为当加工面的设计基准与定位基准不重合,且加工面与工序基准不在一次安装中同时加工出来时,将产生基准不重合误差。

(2)基准统一原则

基准统一指在多个工序或多次安装中,选用同一个定位基准。基准统一有利于保证工件加工的位置精度。

(3)便于装夹原则

所选择的定位基准应能保证定位准确、可靠,定位、夹紧机构简单,敞开性好,操作方便,能加工尽可能多的表面。

(4)便于对刀原则

定位基准应便于对刀操作。如果所选定位基准通过对刀建立工件坐标系,影响对刀的方便性,有时甚至无法对刀,应考虑重新设定工件坐标系。

1.4.3　工件的装夹

(1)用三爪自定心卡盘装夹工件

三爪自定心卡盘能自动定心,一般不需找正,装夹工件方便、省时,但夹紧力较小,所以适用于装夹外形规则的中、小型工件。三爪自定心卡盘的卡爪可采用正爪或反爪两种安装形式,反爪安装用来装夹直径较大的工件。数控车床多采用气动或液动卡盘,如图1⁃11所示,通过调整液压缸的压力,可改变卡盘的夹紧力,以满足夹持各种薄壁和易变形工件的特殊需要。用三爪自定心卡盘装夹精加工表面(精基准),可使用软爪夹持工件,软爪弧面由操作者随机配制,可获较高的定位精度。采用三爪自定心卡盘夹持较长轴类工件时还可使用尾座顶尖支持工件(一夹一顶的安装方式)。为减少细长轴加工时的受力变形、提高加工精度,以及在加工带孔轴类工件内孔时,还可使用数控自动定心中心架。

① 装夹工件。三爪自定心卡盘张开卡爪(张开量大于工件直径),把工件安放在卡盘内,在加工需要的情况下尽量减少工件伸出长度。装夹工件时,右手持稳工件,使工件轴线与卡爪保持平行,脚踏卡盘开关将卡爪夹紧,如图1⁃12(a)所示。

② 检查工件的径向跳动。三爪自定心卡盘能自动定心,采用毛坯面装夹一般不必找正,但当装夹长度较短而伸出长度较长时,远端因重力等作用,会“下垂”,远端同轴度很差,需要找正;当三爪自定心卡盘使用时间较长,已失去应有精度,而工件的加工精度要求又较高时,也需要找正。通常在离卡盘最远处的跳动量最大,跳动量若大于加工余量,也必须找正后再加工。找正的方法如图1⁃12(b)所示,先轻夹工件,将划针尖靠近工件轴端外圆,慢速转动卡盘,右手移动划线盘,使针尖与外圆的最高点刚好未接触到。然后目测外圆与划针尖之间的间隙变化,当出现最大间隙时,用锤子将工件轻轻向划针方向敲击,要求间隙约缩小1/2。然后再重复检查和找正,直至跳动量小于加工余量时为止。操作熟练时可用目测法进行找正,找正后夹紧工件。

夹持盘类零件,虽然靠近卡盘夹紧端,同心度较高,但是端面跳动(垂直度)会很大,也需要找正。

(2)用两顶尖间装夹工件

对于长度尺寸较大或加工部位较多的轴类工件,为保证装夹时的装夹精度,可用两顶尖装夹。两顶尖装夹工件方便,不需找正,装夹精度高,但必须先在工件的两端面钻出中心孔。

① 所需工艺装备

a.前顶尖。前顶尖有两种,一种是将顶尖插入主轴锥孔内,使用时须卸下卡盘,换上拨盘来带动工件旋转,如图1⁃13(a)所示,前顶尖每次安装时都要把主轴孔和顶尖锥柄擦干净。卸下前顶尖的方法是用一根棒料从主轴孔后稍用力顶出顶尖。另一种是在三爪自定心卡盘上夹一根带台阶的棒料,然后把棒料车成60°顶尖,作为前顶尖,如图1⁃13(b)所示。这种顶尖拆下后,再使用时,必须将锥面重车一刀,以保证60°圆锥轴线与主轴旋转轴线同轴。采用三爪自定心卡盘装夹顶尖,卡盘还起到了拨盘带动工件旋转的作用。

数控车床常用拨齿顶尖作为前顶尖,拨齿用于传递转矩。拨齿顶尖结构如图1⁃14所示。壳体1可通过标准变径套或直接与车床主轴孔连接,壳体内装有用于坯件定心的顶尖2,拨齿套5通过螺钉4与壳体连接,常采用此夹具加工ϕ10~60mm直径的轴类零件。

b.后顶尖。后顶尖也有两种,一种是固定顶尖,如图1⁃15(a)所示。使用时固定顶尖不转动,因此与中心孔产生滑动摩擦,需要在工件中心孔内加润滑脂,适用于低速车削加工精度要求较高的工件。另一种是回转顶尖,如图1⁃15(b)所示,在工作中回转顶尖与工件中心孔一起转动,适用于高速切削,在加工中广泛使用。

后顶尖安装前,必须把顶尖锥柄和尾座套筒的锥孔擦干净。安装时用力插入,使锥面紧密结合。拆卸后顶尖时,可移动尾座套筒,由丝杠前端将后顶尖顶出。

c.夹头。夹头分为鸡心夹头和对分夹头,在两顶尖装夹时用于给工件传递转矩,如图1⁃16所示。

② 两顶尖装夹工件时注意事项

a.前、后顶尖的连线应与车床主轴回转轴线同轴,否则车出的工件会产生锥度误差。

找正后顶尖:在机床上安装两顶尖后要检查后顶尖是否对准主轴中心,检查方法如图1⁃17所示,以前顶尖为基准使后顶尖与前顶尖轻微接触,目测后顶尖是否与前顶尖对准,如有偏移,要调整尾座的横向位置找正。

b.尾座套筒在不影响车刀切削的前提下,伸出长度应尽量短些,以增加刚性、减少振动。

c.中心孔应形状正确,表面粗糙度值小。轴向精确定位时,中心孔倒角可加工成准确的圆弧形倒角,并以该圆弧形倒角与顶尖锥面的切线为轴向定位基准定位。

d.两顶尖与中心孔的配合应松紧合适。

③ 两顶尖间装夹工件的操作步骤

a.在工件一端外圆上安装鸡心夹头,拧紧固定螺钉,如后顶尖用固定顶尖,应在中心孔内加润滑油。

b.移动尾座,套筒尽可能伸出短些,前、后顶尖之间距离接近工件长度时将尾座锁紧。

c.装夹工件。将有鸡心夹头一端装在前顶尖上,手持稳工件,移动尾座,当工件中心孔与后顶尖靠近时,要使工件中心孔对准后顶尖,使顶尖进入中心孔将工件顶住。

d.移动刀架,使车刀刀尖离工件端面5~10mm,如刀架碰到尾座则应松开尾座重新调整套筒的伸出长度。

e.调整工件的顶紧程度。左手转动工件,右手调整尾座套筒,使工件顶紧程度合适,达到既能转动又无轴向间隙,然后锁紧尾座套筒。

f.锁紧鸡心夹头的固定螺钉,如工件装夹面是已加工表面,要在工件与螺钉间垫铜片以防夹伤表面。前顶尖用卡盘装夹时,还应注意鸡心夹头的拨杆不可碰卡盘面。

(3)一夹一顶装夹工件

用两顶尖装夹工件虽然精度高,但刚性较差。因此,车削质量较大工件时一端用卡盘夹住,另一端用后顶尖支撑,后顶尖选用回转顶尖,即一夹一顶装夹。为了防止工件由于切削力的作用而产生轴向位移,可以在主轴孔中安装限位装置,如图1⁃18(a)所示,也可以在工件上车一段10~15mm长的台阶圆用作限位,如图1⁃18(b)所示。一夹一顶装夹工件比较安全,能承受较大的轴向切削力,安装刚性好,轴向定位准确,所以应用比较广泛。其操作要点如下。

① 在棒料工件的一端车端面、钻中心孔。工件的总长及另一端中心孔均不用车。

② 装夹时顶尖不能过紧或过松,要求用手转动工件时回转顶尖随之一起转动。然后将工件夹紧,尾座套筒锁紧。

(4)使用中心架

① 中心架结构。一夹一顶车外圆,调头车端面、钻中心孔时,须使用中心架作支承,中心架结构如图1⁃19所示。图中主体通过压板和螺母紧固在床面上,上盖和主体用销子作活动连接,在装卸工件时,上盖可以打开和扣合,并用螺母固定。支承爪的移动可用螺母来调整,以适应不同直径的工件,并用螺钉固定。

② 在中心架上车端面、钻中心孔的方法

a.工件的装夹。在工件已加工表面上垫铜片,用三爪自定心卡盘夹住,夹持长度为15~20mm。由于工件伸出长度较长,轴线会产生歪斜,应通过找正,使工件的轴线与主轴的轴线基本一致。

b.将尾座与床鞍移向机床导轨的尾端。将中心架置于机床导轨上,调整支承爪开度,使其大于工件直径。

c.打开上盖,将中心架移向工件轴端处,在不影响车削的情况下尽可能支承在工件轴端,位置确定后将中心架固定。

d.对正工件轴线,调整中心架下面靠近操作者的支承爪,当与工件靠近时,转动卡盘,目测工件转动时外圆与支承爪间的间隙是否保持一致,如间隙忽大忽小,应轻轻敲击外圆,使其向间隙宽的一边移动直至间隙达到基本一致为止。如果工件同轴度要求较高时,需用百分表找正工件的上素线和侧素线。

e.开动机床,主轴转速为150~200r/min。在工件运转时,调整支承爪与工件的接触程度,当支承爪与工件表面相接触时,旋动支承爪的手指会有轻微的接触感觉,当手指感觉到时即用紧固螺钉将支承爪紧固。然后用同样的方法调整下面的另一支承爪。下面两支承爪位置固定后,将中心架上盖扣合,并用螺母紧固。最后调整上盖上的支承爪。支承爪与工件间的接触表面要加油润滑。

f.车端面至工件总长尺寸。

g.工件在中心架上钻中心孔,工件安装如图1⁃20所示。在试钻时若发现工件中心不对,应松开中心架支承爪,重新调整,直至中心位置正确为止。

③ 数控自动定心中心架。为提高加工效率数控车床常采用数控自定心中心架。数控自定心中心架外形如图1⁃21(a)所示。该中心架采用自动控制,作为机床附件提供。中心架通过安装架与机床导轨相连[图1⁃21(b)],工作时由主机发信号,通过液压或气压驱动使其夹紧或松开。其润滑则采用中心润滑系统。

(5)用双三爪自定心卡盘装夹

对于精度要求高、变形要求小的细长轴类零件可采用双主轴驱动式数控车床加工,机床两主轴轴线同轴、转动同步,零件两端同时分别由三爪自定心卡盘装夹并带动旋转,这样可以减小切削加工时切削力矩引起的工件扭转变形。