第七节 数控车削加工工艺

一、数控车削加工工艺概述

数控车削加工工艺以普通车削加工工艺为基础，结合数控车床的特点，综合运用多方面的知识解决数控车削加工过程中面临的工艺问题。在数控加工前，要将车床的运动过程、零件的工艺过程、刀具的选用、切削用量和走刀路线等都编入程序，这就要求程序设计人员具有多方面的知识基础。合格的程序员首先是一个合格的工艺人员，否则就无法做到全面周到地考虑零件加工的全过程，以及正确、合理地编制零件的加工程序。

（一）数控车削加工的主要对象

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（高档车床数控系统还有非圆曲线插补功能）以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。

对于一个零件来说，并非全部加工工艺过程都适合在数控车床上完成，而往往只是其中的一部分工艺内容适合数控加工。这就需要对零件图样进行仔细的工艺分析，选择那些最适合、最需要进行数控加工的内容和工序。在考虑选择内容时，应结合本企业设备的实际，立足于解决难题、攻克关键问题和提高生产效率，充分发挥数控加工的优势。

1.适于数控车削加工的内容

普通车床上无法加工的内容应作为选择的内容；普通车床难加工、质量也难保证的内容应作为重点选择的内容；普通车床加工效率低、工人手工操作劳动强度大的内容，可在数控车床尚存在富余加工能力时选择。

针对数控车床的特点，最适合数控车削加工的几种零件，见表2-60。

2.不适合数控加工的内容

一般来说，上述这些加工内容采用数控加工后，在产品质量、生产效率与综合效益等方面都会得到明显提高。相比之下，下列一些内容不宜采用数控加工。

① 占机调整时间长。例如：以毛坯的粗基准定位加工第一个精基准，需用专用工艺装备（简称工装）协调的内容。

② 加工部位分散，需要多次安装、设置原点。不能在一次安装中加工完成的其他零星部位，采用数控加工很麻烦，效果不明显，可安排普通车床补加工。

③ 按某些特定的制造依据（如样板、样件、模胎等）加工的型面轮廓。主要原因是获得数据困难，易于与检验依据发生矛盾，增加了程序编制的难度。

④ 必须按专用工装协调的孔及其他加工内容（主要原因是采集编程用的数据有困难，协调效果也不一定理想）。

此外，在选择和决定加工内容时，也要考虑生产批量、生产周期、工序间周围情况等。总之，要尽量做到合理，达到多、快、好、省的目的，防止把数控车床降格为通用车床使用。

（二）数控车削加工工艺的主要内容

数控车削加工工艺是指从工件毛坯（或半成品）的定位、装夹开始，至工件正常车削加工完毕，机床复位的整个工艺执行过程。该过程又汇集在加工程序单及其说明的工艺文件中。

普通车床上用的工艺规程是工人在加工时的指导性文件。由于普通车床受控于操作工人，因此，在普通车床上用的工艺规程实际上只是一个工艺过程卡，切削加工中的切削用量、进给路线、工序的工步等往往都由操作工人自行选定。而数控车床加工程序是数控车床加工中的指令性文件。数控车床受控于程序指令，加工的全过程都是按程序指令自动执行的。因此，数控车床加工程序与普通车床工艺规程有较大的差别，涉及的内容比较广。数控车床加工程序不仅要包括零件的工艺过程，而且还要包括切削用量、进给路线、刀具、夹具以及车床的运动过程等。因此，数控车削加工工艺主要包括以下内容。

① 选择适合在数控车床上加工的零件，确定工序内容。

② 根据加工表面的特点和数控车床的功能，对零件进行加工工艺分析。

③ 进行数控加工的工艺设计。

④ 根据编程的需要，对零件图形进行数学处理和计算。

⑤ 编写加工程序单（自动编程时为源程序，由计算机自动生成目标程序即加工程序）。

⑥ 检验与修改加工程序。

⑦ 首件试切以进一步修改加工程序，并对现场问题进行处理。

⑧ 编制数控加工工艺文件，如数控加工工序卡、数控加工刀具明细表、数控车床调整单、进给路线图以及数控加工程序单等。

（三）数控车削加工工艺的基本特点

数控车削加工与一般车床加工相比较，许多方面遵循的原则基本一致。但由于数控车床本身自动化程度较高，控制方式不同，设备费用也高，使数控加工工艺相应形成了以下几个特点，见表2-61。

二、数控车削加工工艺的制订

数控车削加工工艺制订的合理与否，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。在选择并决定数控车床加工零件及其加工内容后，应对零件的数控车床加工工艺进行全面、认真、仔细的分析。首先应熟悉零件在产品中的作用、位置、装配关系和工作条件，搞清楚各项技术要求对零件装配质量和使用性能的影响，找出主要的、关键的技术要求，然后再对零件图样、零件结构与毛坯等进行工艺性分析。

（一）零件图样分析

分析零件图样是工艺准备中的首要工作，它包括工件轮廓的几何条件、尺寸、形状位置公差要求，表面粗糙度要求，毛坯、材料与热处理要求及件数要求的分析，这些都是制订合理工艺方案必须考虑的，也直接影响到零件加工程序的编制及加工的结果。分析零件图样主要包括的内容见表2-62。

（二）工序和装夹方式的确定

数控加工工艺路线制订与通用车床加工工艺路线制订的主要区别，在于它往往不是指从毛坯到成品的整个工艺过程，而仅是几道数控加工工序工艺过程的具体描述。在工艺路线制订中一定要注意，由于数控加工工序一般都穿插于零件加工的整个工艺过程中，因此要与其他加工工艺衔接好。常见加工流程为：毛坯→热处理→通用车床加工→数控车床加工→通用车床加工→成品。

1.选择加工方法

进行数控加工的零件的结构形状是多种多样的，但它们都是由平面、外圆柱面、内圆柱面或曲面、成形面等基本表面组成的。在决定某个零件进行数控加工后，并不等于要把它所有的加工内容都包下来，而可能只是其中的一部分进行数控车削加工，为此必须对零件图样进行仔细的工艺分析，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，选用相应的加工方法和加工方案，选择那些适合、需要进行数控车削加工的内容和工序。

2.加工阶段的划分

当零件的加工质量要求较高时，往往不可能用一道工序来满足其要求，而要用几道工序逐步达到所要求的加工质量。为保证加工质量，合理地使用设备、人力。零件的加工过程通常按工序性质不同，可分为粗加工、半精加工、精加工和光整加工四个阶段，见表2-63。

划分粗、精加工阶段的目的如下。

① 保证加工质量。工件在粗加工时，切除的金属层较厚，切削力和夹紧力都比较大，切削温度也比较高，会引起较大的变形。如果不划分加工阶段，粗、精加工混在一起，就无法避免上述原因引起的加工误差。按加工阶段加工，粗加工造成的加工误差可以通过半精加工和精加工来纠正，从而保证零件的加工质量。

② 合理使用设备。粗加工余量大，切削用量大，可采用功率大、刚度好、效率高而精度低的车床。精加工切削力小，对车床破坏小，采用高精度车床。这样发挥了设备的各自特点，既能提高生产率，又能延长精密设备的使用寿命。

③ 便于及时发现毛坯缺陷。

④ 便于安排热处理工序。

3.工序的划分

工序的划分可以采用两种不同原则，即工序集中原则和工序分散原则。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的表面加工。根据零件的结构形状不同，通常选择外圆、端面或内孔装夹，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，常用表2-64所示方法划分工序。

（三）加工顺序的安排

在分析了零件图样并确定了工序、装夹方式之后，接着要确定零件的加工顺序。制订零件车削加工顺序一般应遵循表2-65给出的原则。

（四）进给路线的确定

进给路线是刀具在整个加工工序中的运动轨迹，即刀具从对刀点（或机床固定点）开始进给运动起，直到结束加工程序后退刀返回该点及所经过的路径，包括了切削加工的路径及刀具切入、切出等非切削空行程。加工路线是编写程序的重要依据之一。在确定加工路线时最好画一张工序简图，将已经拟定出的加工路线画上去（包括进、退刀路线），这样可为编程带来不少方便。表2-66给出了常用的进给路线方法的选择。

目前数控车床的编程功能日益完善，许多仿形、循环车削指令的车削线路是按最便捷的方式运行的。例如FANUC中G70、G71、G73等指令，在加工中都非常实用。选择正确加工工序、合理地运用各种指令，可大大简化程序编制工作。对重复的加工动作，可编写成子程序，由主程序调用，以简化编程，缩短程序长度。

（五）定位与夹紧方案的确定

在零件加工的工艺过程中，合理选择定位基准对保证零件的尺寸和相互位置精度起着决定性的作用。定位基准有两种，一种是以毛坯表面作为基准面的粗基准，另一种是以已加工表面作为基准面的精基准。在确定定位基准与夹紧方案时，应注意以下几点。

① 力求设计基准、工艺基准与编程原点统一，以减小基准不重合误差和数控编程中的计算工作量。

② 选择粗基准时，应尽量选择不加工表面或能牢固、可靠地进行装夹的表面，并注意粗基准不宜进行重复使用。

③ 选择精基准时，应尽可能采用设计基准或装配基准作为定位基准，并尽量与测量基准重合，基准重合是保证零件加工质量最理想的工艺手段。精基准虽可重复使用，但为了减小定位误差，仍应尽量减少精基准的重复使用（即多次调头装夹等）。

④ 设法减少装夹次数，尽可能做到一次定位装夹后能加工出工件上全部或大部分待加工表面，以减小装夹误差，提高加工表面之间的相互位置精度，充分发挥机床的效率。

⑤ 避免采用占机人工调整式方案，以免占机时间太多，影响加工效率。

（六）夹具的选择

要充分发挥数控车床的加工效能，工件的装夹必须快速，定位必须准确，数控车床对工件的装夹要求：首先应具有可靠的夹紧力，以防止在加工过程中工件松动；其次应具有较高的定位精度，并便于迅速和方便地装、拆工件。

数控车床主要用三爪卡盘装夹，其定位方式主要采用心轴、顶块、缺牙爪等方式，与普通车床的装夹定位方式基本相同。采用心轴的方式进行工件的装夹，由于工件内孔较小，在心轴上做一个定位销与工件固定，通过销钉来传递车削时的切削力，增大扭矩并防止工件打滑。

工件的装夹方式可根据加工对象的不同灵活选用，除此之外，数控车床加工还有许多相应的夹具，主要分为轴类和盘类夹具两大类：用于轴类工件的夹具有自动夹紧拨动卡盘、拔齿顶尖、三爪拨动卡盘等；用于盘类工件装夹的主要有可调卡爪式卡盘和快速可调卡盘。

在数控车削加工中，除了可使用多种与普通车削加工所用的相同夹具（如三爪自定心卡盘、四爪单动卡盘和前、后顶尖等）外，还可使用拔齿顶尖和可调卡爪式卡盘等诸多夹具。

（七）切削用量的选择

数控车削加工中的切削用量是机床主运动和进给运动速度大小的重要参数，包括切削深度ap、主轴转速S （n）或切削速度vc、进给量f或进给速度vf，并与普通车床加工中所要求的各切削用量基本一致。

加工程序的编制过程中，选择好切削用量，使切削深度、主轴转速和进给速度三者间能互相适应，形成最佳切削参数，是工艺处理的重要内容之一。

1.切削深度ap的确定

在车床主体—夹具—刀具—零件这一系统刚性允许的条件下，尽可能选取较大的切削深度，以减少走刀次数，提高生产效率。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小，常取0.2～0.5mm。

2.主轴转速S （n）或切削速度vc的确定

（1）非车削螺纹时主轴转速S （n）

主轴转速的确定方法，除螺纹加工外，其他与普通车削加工时一样，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。在实际生产中，主轴转速为：

S （n） ＝1000vc/（πd）

式中 S （n） ——主轴转速，r/min；

vc ——切削速度，m/min；

d ——零件待加工表面的直径，mm。

在确定主轴转速时，需要首先确定其切削速度，而切削速度又与切削深度和进给量有关。

（2）车螺纹时的主轴转速S （n）

在加工螺纹时，因为传动链的改变，原则上转速只要能保证每转一周时，刀具沿主进给轴（多为Z轴）方向位移一个螺距即可，不受到限制。但数控车床车螺纹时，会受到以下几方面的影响。

① 螺纹加工程序段中指令的螺距值，相当于以进给量f （mm/r）表示的进给速度vf，如果将机床的主轴转速选择过高，其换算后的进给速度（mm/min）则必定大大超过正常值。

② 刀具在其位移过程的始终，都将受到伺服驱动系统升降频率和数控装置插补运算速度的约束，由于升降频率特性满足不了加工需要等原因，则可能因主进给运动产生的“超前”和“滞后”而导致部分螺纹的螺距不符合要求。

③ 车削螺纹必须通过主轴的同步运行功能来实现，即车削螺纹需要有主轴脉冲发生器（编码器）当其主轴转速选择过高，通过编码器发出的定位脉冲（即主轴每转一周时所发出的一个基准脉冲信号）将可能因“过冲”（特别是当编码器的质量不稳定时）而导致工件螺纹产生“乱牙”。

车削螺纹时，车床的主轴转速的选取将考虑到螺纹的螺距（或导程）大小、驱动电机的升降频率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，推荐用不同的主轴转速范围。

（3）切削速度vc

切削时，车刀切削刃上某一点相对待加工表面在主运动方向上的瞬时速度（vc），单位为m/min，又称为线速度（恒线速度）。

如何确定加工时的切削速度，除了可参考如表2-68所示的数值外，主要根据实践经验进行确定。

3.进给量f或进给速度vf的确定

进给量是指工件旋转一周，车刀沿进给方向移动的距离（mm/r），它与切削深度有着较密切的关系。粗车时一般取为0.3～0.8mm/r，精车时常取0.1～0.3mm/r，切断时宜取0.05～0.2mm/r。

进给速度主要是指在单位时间内，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进给量（mm/r）表示进给速度。

（1）确定进给速度的原则

① 当工件的质量要求能够得到保证时，为提高生产效率，可选择较高（2000mm/min以下）的进给速度。

② 切断、车削深孔或用高速钢刀具车削时，宜选择较低的进给速度。

③ 刀具空行程，特别是远距离“回零”时，可设定尽量高的进给速度。

④ 进给速度应与主轴转速和切削深度相适应。

（2）进给速度的确定

① 每分钟进给速度的计算 进给速度（vf）包括纵向进给速度（vz）和横向进给速度（vx）。其每分钟进给速度的计算式为：

v＝S （n） f （mm/min）

② 合成进给速度的确定 合成进给速度是指刀具的进给速度由刀具做成（斜线及圆弧插补等）运动的速度决定，即：

式中 vH——合成进给速度，mm/min。

合成速度的值为：

由于计算合成进给速度的过程比较烦琐，所以，除特别需要外，在编制加工程序时，大多凭实践经验或通过试切确定其速度值。

（八）数控加工工艺与普通工序的衔接

数控加工工序前后一般都穿插有其他普通加工工序，如衔接不好就容易产生矛盾。因此在熟悉整个加工工艺内容的同时，要清楚数控加工工序与普通加工工序各自的技术要求、加工目的、加工特点，如要不要留加工余量、留多少，定位面与孔的精度要求及形位公差，对校形工序的技术要求，对毛坯的热处理状态等，这样才能使各工序相互满足加工需要，且质量目标及技术要求明确，交接有依据。

三、典型零件数控车削加工工艺分析

（一）轴类零件的数控车削加工工艺分析

轴类零件是各种机械设备中最主要和最基本的典型零件，主要用于支承传动件（如齿轮、带轮、凸轮等）和传递扭矩，除承受交变弯曲应力外，还受冲击载荷作用。因此，轴类零件除了要求具有较高的综合机械性能外，还需具有较高的疲劳强度。

轴类零件的结构特点是均为长度大于直径的回转体，长径比小于6的称为短轴，大于20的称为细长轴。轴类零件一般由同轴线的外圆柱面、圆锥面、圆弧面、螺纹及键槽等组成。按结构形状的不同，轴类零件可分为光轴、阶梯轴、空心轴和曲轴四种，如图2-82所示。

轴类零件的技术要求是设计者根据轴的主要功用以及使用条件确定的，通常有以下几方面的内容，见表2-69。

（二）轴类零件的材料、毛坯及热处理

轴类零件大都用优质中碳钢（如45钢）制造；对于中等精度而转速较高的轴，可选用40Cr、20CrMnTi等低碳合金钢，这类钢以渗碳淬火处理后，心部保持较高的韧性，表面具有较高的耐磨性和综合力学性能，但热处理变形大。若选用38CrMoAl经调质和表面渗碳，不仅具有优良的耐磨性和耐疲劳性，而且热处理变形小。常用的热处理工艺有正火、调质、表面淬火、渗碳淬火和氮化等。

轴类零件的毛坯类型和轴的结构有关。一般光轴或直径相差不大的阶梯轴可用热轧或冷拔的圆棒料；直径相差较大或比较重要的轴，大都采用锻件；少数结构复杂的大型轴，也有采用铸钢的。

（三）轴类零件的加工工艺分析

1.加工顺序的安排和工序的确定

具有空心和内锥特点的轴类零件，在考虑支承轴颈、一般轴颈和内锥等主要表面的加工顺序时，可有以下几种方案（深孔应在粗车外圆后进行加工）。

① 外表面粗加工→钻深孔→外表面精加工→锥孔粗加工→锥孔精加工。

② 外表面粗加工→钻深孔→锥孔表面粗加工→锥孔表面精加工→外表面精加工。

③ 外表面粗加工→钻深孔→锥孔粗加工→外表面精加工→锥孔精加工。

如图2-83所示，针对CA6140型车床主轴的加工顺序来说，可进行如下的分析比较。

方案①：在锥孔粗加工时，由于要用已精加工过的外圆表面作为精基准面，会破坏外圆表面质量，所以此方案不宜采用。

方案②：在精加工外圆表面时，还要再插上锥堵，这样会破坏锥孔精度。另外，在加工锥孔时不可避免地会有加工误差（锥孔的磨削条件比外圆磨削条件差），加上锥堵本身的误差等就会造成外圆表面和内锥面的同轴度误差增大，故此方案也不宜采用。

方案③：在锥孔精加工时，虽然也要用已精加工过的外圆表面作为精基准面，但由于锥面精加工的加工余量已很小，磨削力不大；同时锥孔的精加工已处于轴加工的最终阶段，对外圆表面的精度影响不大；加上这一方案的加工顺序，可以采用外圆表面和锥孔互为基准，交替使用，逐步提高同轴度。

经过比较可知，像CA6140型车床主轴一类的轴件加工顺序，以方案③为佳。

2.大批量生产和小批量生产工艺过程的比较

如表2-70所示是大批量生产时加工CA6140型车床主轴的工艺过程，但对于小批量生产基本上也是适用的，区别较大的地方一般在于定位基准面、加工方法以及加工装备的选择。

在大批量生产时，主轴的工艺过程基本体现了基准重合、基准统一与互为基准的原则，而在单件小批生产时，按具体情况有较多的变化。同样一种类型主轴的加工，当生产类型不同时，定位基准面的选择也会不一样，如表2-70所示。

轴端两中心孔的加工，在单件小批生产时，一般在车床上通过划线找正中心，并经两次安装才加工出来，不但生产效率低，而且精度也低。在成批生产时，可在中心孔钻床上，一次安装加工出两个端面上的中心孔，生产率高，加工精度也高。若采用专用机床（如双面铣床）加工，则能在同一工序中铣出两端面并钻好中心孔，更可应用于大批量生产中。

外圆表面的车削加工，在单件小批量生产时，一般在普通车床上进行；而在大批生产时，则广泛采用高生产率的多刀半自动车床或液压仿形车床等设备，其加工生产率高，但加工精度则要取决于调整精度（指多刀半自动车床加工）或机床本身的精度（如液压仿形车床，主要取决于液压仿形系统的精度及靠模的精度）。大批量的生产通常都组成专用生产线（用专用车床或组合车床组成流水线或自动线）。

深孔加工，在单件小批生产时，通常在车床上用麻花钻头进行加工，当钻头长度不够时，可用焊接的办法把钻头柄接长。为了防止引偏（钻歪），可以用几个不同长度的钻头分几次钻，先用短的后用长的。有时也可以从轴的两端分别钻孔，以减短钻孔深度，但在孔的接合部会产生台阶。在大批量生产中，可采用锻造的无缝钢管作为毛坯，从根本上免去了深孔加工工序；若是实心毛坯，可用深孔钻头在深孔钻床上进行加工；如果孔径较大，还可采用套料的先进工艺，不仅生产率高，还能节约大量金属材料。

花键轴加工，在单件小批生产时，常在卧式铣床上用分度头以圆盘铣刀铣削；而在成批生产（甚至小批生产）时，都广泛采用花键滚刀在专用花键铣床上加工。

前后支承轴颈以及与其有较严格的位置精度要求的表面精加工，在单件小批生产时，一般在普通外圆磨床上加工；而在成批大量生产中则采用高效的组合磨床加工。

3.锥堵和锥堵心轴的作用

对于空心的轴类零件，在深孔加工后，为了尽可能使各工序的定位基准面统一，一般都采用锥堵或锥堵心轴的中心孔作为定位基准。

当主轴锥孔的锥度比较小时，例如，CA6140型车床主轴的锥孔分别为1∶20和莫氏6号时就常用锥堵，如图2-84所示。

当锥堵较大时，例如，C6132型卧式铣床主轴锥孔是7∶24，就用带锥堵的拉杆心轴，如图2-85所示。