数控机床的基本工作原理

第4章　先进制造技术简介

4.1　光整加工

光整加工是指研磨、珩磨、超精加工和抛光等。其目的是提高工件的精度（可达IT6～IT5或更高）、降低表面粗糙度（R a为0．1～0．01）。一般安排在精车、精镗、精铰和精磨之后进行。其特点是切除的金属余量极小。

4.1.1　研磨

（1）基本原理和方法

研磨是用研具和磨料从工件表面磨去一层极薄的金属层，从而达到很高的尺寸精度（IT6～IT3）、形状精度（如圆度可达0．001 mm）和很低的粗糙度（R a可达0．1～0．01）的一种加工方法。由于工件与研具只在高点接触，且接触点具有很大的随机性，研磨的实质是通过不断的去除“高点”逐步提高加工质量。在研磨过程中，要适时的检测工件，有针对性地变动研磨位置，掌握研磨时间，逐步消除工件上微观和宏观的多余部分。

在车床上研磨外圆和内圆的方法如图5．4．1所示。首先在工件和研具之间涂上研磨剂，由车床主轴带动工件（或磨具）以20～40 m／min的速度旋转，手持研具（或工件）作轴向移动进行研磨。并经常检测工件，直至合格为止。

（2）特点与应用

①研磨剂由磨料和研磨液混合而成。磨料用微粉，粗研的磨料粒度用280＃（W14），精研用W14～W5。研磨液可用煤油、植物油或煤油加机油，再加入适量化学活性较强的油酸、硬脂酸或工业用甘油，使工件表面产生一层氧化膜以加速研磨过程。

②最常用的材料为铸铁，其硬度比工件材料软一些，有利于磨料嵌入其表面，较好地发挥切削作用；同时具有一定的耐磨性，有利于保持研具的几何形状，从而能保证研磨精度。

③研磨余量一般为0．005～0．02 mm。研磨一般不能提高表面之间的位置精度，生产率低，但不需要复杂或高精度的设备，方法简便可靠，容易保证质量。

④研磨是一种应用比较广泛的光整加工方法。单件小批生产中用手工进行，大批量生产中可在研磨机或简易专用设备上进行。

图5．4．1　外圆和内圆的研磨方法

4.1.2　珩磨

（1）基本原理和方法

珩磨是研磨的发展，是用具有若干油石条的珩磨头代替切削作用很弱的研具，对工件上的孔表面进行精密切削的一种方法。

图5．4．2　珩磨方法

珩磨方法如图5．4．2所示。工件安放在珩磨机的工作台上或安装在夹具上。珩磨头由机床主轴带动旋转并作往复轴向移动。油石以一定的压力与孔壁接触，即可切去一层极薄的金属。为了获得较低的粗糙度，切削轨迹应成均匀而不重复的交叉网纹。为了使油石与孔壁均匀接触，获得较高的形状精度，珩磨头与机床主轴一般应浮动连接，以便珩磨头沿孔壁自行导向。

（2）特点和应用

①珩磨用于孔加工，在磨削或精镗的基础上进行。尺寸公差等级可达IT6～IT4，表面粗糙度R a为0．2～0．05，孔的形状精度亦相应提高，但不能提高孔的位置精度。

②珩磨时应加切削液以冲走破碎的磨粒和屑末，并起冷却润滑作用。一般使用煤油，工件精度要求更高时，可加入20%～30%锭子油。

③珩磨的加工余量一般为0．02～0．15 mm，孔径范围为φ15～φ500 mm，孔的长径比可以达到10，广泛用于大批量生产中加工发动机的汽缸、液压油缸以及各种炮筒。

4.1.3　超精加工

（1）基本原理和方法

超精加工是用极细磨粒的油石进行光磨的一种光整加工。其加工对象多为轴类零件的外圆，亦可加工滚动轴承沟道及平面等。如图5．4．3所示，加工时，装有油石条的磨头以恒定压力P轻压于工件表面。工件以v= 10～15 m／min的速度旋转，磨头以0．1～0．15 mm／s的速度纵向进给，同时作往复振动，振动频率为1 000～1 400 s／min，振幅为3～5 mm。磨粒在工件上的运动轨迹应纵横交错而不重复。油石条与工件之间要注入润滑油（一般为煤油加锭子油），以清除屑末并形成油膜。工件表面微观凸峰首先被磨去，随着各处凸峰高度的减低，油石与工件的接触面积逐步加大，单位面积承受压力随之减小，当压力小于油膜表面张力时，油石与工件将被油膜分离，切削作用自行停止超精加工生产率很高。

图5．4．3　外圆的超精加工

（2）特点与应用

超精加工主要用于降低表面粗糙度，其值R a可达0．1～0．01，不能提高工件的尺寸精度和形位精度。因此，前工序无须留出余量。超精加工可在车床或外因磨床上安置专用磨头进行。大批量生产中，可在超精加工机床上进行。

4.1.4　抛光

（1）基本原理和方法

抛光是在抛光机上，用涂有抛光膏的软轮在一定压力下，以很高的速度（30～40 m／s）对工件进行微弱的切削，从而降低工件表面粗糙度，提高光亮度的一种光整加工方法。

软轮用皮革、毛毡、帆布等材料叠制而成，具有一定的弹性，以便抛光时能按工件形状而变形，增加抛光面积或加工曲面。抛光膏由磨料与油脂（包括硬脂酸、石蜡、煤油等）调制而成。磨料的种类取决于工件材料，抛光钢件可用氧化铁及刚玉，抛光铸铁件可用氧化铁及碳化硅，抛光铜铝件可用氧化铬。

抛光时，硬脂酸在金属表面形成氧化膜以加速抛光时的切削作用。抛光产生大量的摩擦热，使工件表层出现极薄的熔流层，可对原有表面的微观不平度起填平作用。

（2）特点与应用

抛光是在磨削、精车、精铣、精刨的基础上进行的。经过抛光，工件的表面粗糙度R a可达0．1～0．012，并明显增加光亮度，但不能提高甚至不能保持原有的精度。抛光主要用做表面的修饰加工以及电镀前的预加工。

4.2　特种加工

相对于传统的切削方法而言，特种加工是直接利用电能、声能、光能和电化学能等能量形式进行加工的总称。其具有两个特点：①加工过程中工具与工件之间没有显著的机械切削力；②加工用的工具材料的硬度可以低于被加工材料的硬度。特种加工的种类很多，其主要用于加工难切削材料以及精密细小和形状复杂的零件。

4.2.1　电火花加工

（1）基本原理

在日常生活中使用电闸开关时，经常看到蓝白色的电火花，使开关接触处的金属表面烧损而出现缺口或凹坑，这就是电腐蚀现象。电火花加工的基本原理就是利用工具电极和工件之间脉冲火花放电所产生的电腐蚀现象来去除工件上多余的金属。

图5．4．4　电火花加工原理示意图

如图5．4．4所示，工具电极和工件电极浸在具有一定绝缘性能的液体介质（多用煤油）中。从脉冲电源发出的脉冲电压加到工具电极和工件电极上。由于电极的微观表面是凸凹不平的，高凸点处的电场强度很大，足以击穿极间的绝缘液体产生火花放电现象，放电电流的密度会高达104～107 A／cm2，同时产生大量的热量和达10 000℃左右的高温，使电极上放电处的金属迅速熔化甚至汽化，这一过程极为短促，具有爆炸性质。爆炸力把熔化和汽化了的金属微粒抛离电极表面。金属微粒被液体介质迅速冷却、凝固继而从间隙中被冲走。每次火花放电后，在工件表面上形成一个小凹坑，无数个脉冲放电所腐蚀的小凹坑重叠在工件上，即可把工具电极的轮廓形状相当精密地“复印”在工件上，从而实现一定尺寸和形状的加工。由此可见，电火花的加工过程大致可分为液体绝缘介质击穿电离、脉冲火花放电、金属热熔汽化、金属抛离电极表面4个阶段。

在电火花加工过程中，不仅工件电极被蚀除，工具电极也同样遭到蚀除，但两极的蚀除量是不一样的，工具应接在蚀除量小的电极上。在短脉冲精加工时工件接正极，并称之为正极性加工；在长脉冲粗加工时工件接负极，并称之为负极性加工。

（2）电火花加工的工艺特点

①可以加工任何硬、脆、软和高熔点的导电材料，如淬火钢、硬质合金等。

②加工时无切削力，有利于小孔、薄壁、窄槽以及各种复杂截面的型孔和型腔零件的加工，也通用于精密细微加工。

③电极材料多种多样，加工大孔时，工具电极的材料多用石墨；加工较小的孔时，多用铸铁或紫铜；加工小孔和微孔时，多用黄铜丝或钼丝；加工冲压模时，多用“钢打钢”，即用已加工的凸模作为工具电极来加工凹模，配合间隙依靠调节脉冲参数控制放电间隙来保证。最后将工具电极的损耗部分截去，仍可作凸模使用。

④脉冲参数可调，一台机床可连续进行粗加工、半精加工和精加工。精加工的表面粗糙度R a可达1．6～0．8，尺寸精度视加工方式而异，穿孔可达0．05～0．01 mm，型腔加工可达0．1 mm左右，线切割可达0．02～0．01 mm。

（3）电火花加工的应用

电火花的应用范围较广，它可以进行穿孔加工、型腔加工和线电极切割等。

1）穿孔

电火花可用于加工圆形、方形、多边形等各种型孔以及D=φ0．1～φ1 mm的小孔或D＜φ0．1 mm的微孔等，如冲压凹模以及拉丝模和喷丝孔等。

2）型腔加工

电火花可用于锻模、挤压模、压铸模等的型腔的加工。但因为型腔多属盲孔，加工时液体循环不畅、电蚀产物排除条件差，加之型腔形状复杂、各处深浅不一、金属蚀除量一般较大，使得工具电极损耗较大且各处不均匀。因此，在型腔加工时要注意采取措施排除电蚀产物，降低工具电极的损耗以及合理选择脉冲参数。

3）线电极切割

线电极切割简称线切割。其加工原理不是靠成形的工具电极把它的形状“复印”在工件上，而是利用细金属丝（多用φ0．02～φ0．3 mm的钼丝）作工件电极，按预定的轨迹进行切割加工。如图5．4．5所示，脉冲电源的一个电极接工件，另一个电极接电极丝（实际上是接在导电材料做的导轮上）。液体绝缘介质用乳化液，用油管将其喷射在切割部位（图中未画出），贮丝轮使电极丝作正、反向交替移动，工作台带动工件在水平面内两个坐标方向上作进给运动，合成各种曲线轨迹，把工件切割成形。由于电极丝不断上下移动，因而电极丝基本上不受电蚀损耗的影响，加工精度很高，尺寸精度可达0．02～0．01 mm，表面粗糙度R a为1．6或更小。线切割广泛用于加工冲模、样板、形状复杂的精密细小零件等，并能有效地加工淬火钢等难以加工的导电材料。

图5．4．5　线切割原理示意图

4.2.2　电解加工

（1）基本原理

电解加工利用金属在电解液中产生阳极溶解的电化学反应，对金属工件进行成形加工的一种方法。加工时，工件接直流电源的正极，工具接直流电源的负极，如图5．4．6所示。工件缓慢进给，使两极之间始终保持0．1～1 mm的狭小间隙，电解液从间隙中以5～60 m／s的高速流过，阳极工件表面的金属逐渐按阴极型面的形状溶解，电解产物被高速电解液带走，于是在工件表面上加工出与阴极型面基本相似的形状。

图5．4．6　电解加工原理示意图

电解加工时电化学反应比较复杂，随工件材料、电解液成分、工艺参数等加工条件不同而不同。当用氯化钠水溶液作电解液加工低碳钢时，其主要电化学反应如下：

水溶液中：

阳极反应：

阴极反应：

由此可见，在电解加工过程中，外电源不断从阳极上抽走电子，致使阳极铁不断以Fe+2的形式与水溶液中的OH-负离子化合生成Fe（OH）2而沉淀；外电源把从阳极抽来的电子不断供给阴极，水溶液中的H+不断被吸引到阴极表面，使阴极表面得到电子而游离出氢气。在这个过程中，工件阳极和水溶液逐渐消耗，而工具阴极和氯化钠并不消耗。因此，在理想的情况下，工具阴极可长期使用；电解液氯化钠只要过滤干净，并经常加入适置的水，亦可长期使用。

电解加工用直流稳压电源的工作电压为6～24 V，工作电流为500～20 000 A。工具电极常用黄铜和不锈钢等材料。用得较多的电解液是氯化钠、硝酸钠和氯酸钠的水溶液。

（2）电解加工的特点和应用

①可加工高硬度、高强度和高韧性的难切削金属材料，如淬火钢、耐热合金、不锈钢、钛合金等。主要用于加工型孔、型腔、复杂型面、深小孔以及去毛刺和刻印等方面。生产率比电火化加工高。

②加工时无切削力和切削热，不会产生残余应力、加工硬化或烧伤等缺陷。工件表面粗糙度R a可达0．8～0．2，比电火花加工要好。但尺寸精度低于电火花加工，且不易控制，其数值范围是：型孔加工为0．03～0．05 mm，型腔加工为0．05～0．2 mm。

③电解液对机床有腐蚀作用，电解加工机床需采取防蚀措施，机床费用高。此外，电解产物的处理和回收较困难，对环境有较严重的污染，必须予以认真处理。

由此可见，电解加工与电火花加工相比，二者的应用范围虽有许多相同之处，但前者的生产率较高，加工精度较低，机床费用较高，适用于成批生产和大量生产，而后者多应用于单件小批生产中。

4.2.3　超声波加工

（1）基本原理

频率超过16 000 Hz的声波称为超声波。超声波的能量比声波大得多，它可对传播方向的障碍物施以很大的压力，其能量强度可达几十瓦至几百瓦每平方厘米。如图5．4．7所示，超声发生器产生超声频振荡，通过换能器将超声频振荡转换成小振幅的机械振动，再借助于振幅放大棒将振幅放大到0．01～0．1 mm的范围内，并传给工具，驱动工具振动。当工具与工件紧密相靠时，工作液中的悬浮磨料在工具振动的作用下，以极大的速度不断冲击和琢磨工件表面，使工件局部材料破碎。此外，工作液受工具端部的超声频振动作用，产生小液压冲击和空化现象，促使液体钻入被加工材料的裂隙中，加速机械破碎作用；空化现象在工件表面形成液体空腔，闭合时引起的极强的液压冲击也使工件表面毁坏。在加工过程中，磨料悬浮液循环流动，使磨料不断更新，并带走被破碎下来的工件材料微粒，于是工具逐步深入到工件材料中，工具形状便“复印”在工件上。

图5．4．7　超声波加工原理示意图

工具材料常用不淬火的45钢。工具的形状和尺寸应比被加工表面的形状和尺寸相差一个“加工间隙”，加工间隙稍大于磨粒的平均直径。磨料常用碳化硼、碳化硅或氧化铝等。磨料粒度大，则生产率高，加工精度低；粒度小，则相反。超声波加工在超声波加工机床上进行。

（2）超声波加工的特点和应用

①超声波加工主要用于加工各种硬脆材料，尤其是电火花和电解无法加工的不导电材料和半导体材料，如玻璃、陶瓷、石英、玛瑙、宝石、金刚石、锗、硅等。对于韧性好的材料，由于它的缓冲作用则不易加工。

②超声波加工的生产率比电火花、电解加工低，但加工精度较高。加工孔时精度可达0．005 mm以上，表面粗糙度R a＜0．1。因此，对一些高精度的硬质合金冲压模、拉丝模等，常先用电火花粗加工和半精加工，最后用超声波精加工。

③超声波加工对工件材料的宏观作用力小，热影响小，可加工某些不能承受较大机械力的薄壁、窄缝和薄片零件等。

④超声波能加工出各种形状复杂的型孔、型腔和成形表面等。采用中空形状的工具，还可实现各种形状的套料。此外，超声波加工还可以进行雕刻等工作。

4.2.4　激光加工

激光是一种亮度高、方向性好、单色性好的相干光。由于激光发散角小和单色性好，可通过一系列的光学系统把激光聚焦成直径只有几十微米的极小光斑；又由于激光的亮度高，其焦点处的功率密度可达108～1010 W／cm2，温度高达上万摄氏度。在如此的高温下，任何坚硬的材料都将瞬时急剧熔化和汽化，并产生强烈的冲击波，使熔化和汽化的物质爆炸式地喷射出去。激光加工就是利用这种原理进行的。

激光几乎可以对所有的材料，如硬质合金、不锈钢、金刚石、宝石、陶瓷和玻璃等进行打孔和切割，尤其是在高硬材料上加工D=φ0．01～φ1 mm的微小孔更能显出它的优越性。激光打孔的长径比可达50～100，打孔速度极高。例如，钟表上的宝石轴承孔，直径φ0．12～φ0．18 mm，深0．6～1．2 mm，采用激光打孔，如果工件自动传送，每分钟可以加工数十个工件，这是切削加工无法比拟的。

激光切割的原理与激光打孔基本相同，所不同的是激光束与工件要相对移动，在生产中一般移动工件。切割速度一般超过机械切割。切割厚度：对金属材料目前可达10 mm，非金属材料可达几十毫米。线缝宽度一般为0．1～0．5 mm，也有达到1 mm左右的。

4.3　数控机床加工

数控机床是数字程序控制机床的简称。它于20世纪50年代初期问世，50年代末期进入实用阶段，目前已在许多领域得到较为广泛的推广和应用。

4.3.1　数控机床的基本工作原理

数控机床是根据零件图纸的加工要求，把机床加工中需要的各种运动（或动作）及其运动量的大小用数字代码的形式表示，再经过数控装置的变换并发出相应的指令对机床进行控制。

图5．4．8　数控加工机床的原理示意图

图5．4．8为数控机床的原理示意图，首先根据零件图的加工要求编制加工工艺，然后编制加工程序，再通过键盘或其他输入设备送入数控系统，经修改、调试后储存。加工时，数控装置按所编制的程序发出指令，通过步进电机转换成电机轴的旋转运动，经过扭矩放大装置和滚珠丝杠副驱动工作台和主轴箱及主轴按照加工所需要的运动规律运动，完成对工件的加工。其工作过程大致可分为3次转换。

第一次转换，是根据零件图的形状和尺寸，确定机床加工的全部动作，再把各个动作机所控制的尺寸等加工要求编写成程序。程序编制可通过键盘直接编写并送入数控装置，也可以通过CAD／CAM系统生成并送入数控装置，还可以在编程器上编写，再通过程序介质（如穿孔纸带、磁带、磁盘等）送入数控装置。

第二次转换，是数控装置把程序指令转换成各种控制信号，分别向3个坐标上的步进电机发出不同数量的电脉冲。

第三次转换，是随动系统（包括步进电机、扭矩放大器和滚珠丝杠副）把步进电机接收的电脉冲信号转换成机床的进给运动。步进电机是一种能将电脉冲信号转换成角度位移的电机。每当接受到数控装置发出的一个电脉冲信号，它的输出轴即可转动一定的角度，这个角度称为步距角。常用步进电机的步距角有0．75°，1．5°，3°等几种。步进电机的输出功率比较微弱，一般不能直接带动机床工作台和主轴箱，而要经过扭矩放大器将扭矩放大，然后带动滚珠丝杠使工作台或主轴箱移动。当数控装置依次协调地分别向3个坐标上的步进电机发出不同数量的电脉冲，就可使刀具与工件得到3个方向的相对运动，继而实现空间曲面的加工。每个电脉冲使工作台和主轴箱移动的距离称为脉冲当量，其大小与步进电机的步距角和滚珠丝杠的螺距等参数有关。数控机床常用的脉冲当量有0．005 mm，0．01 mm，0．02 mm等几种。

4.3.2　数控机床的特点和应用

数控机床的主要特点如下：

①生产准备时间短，适应性强。当加工对象改变时，只需要另行编写程序和更换刀具即可，不需要很长周期的生产准备和很大费用的工装投入。这对于更新频繁的小批量零件的加工尤其具有优越性。

②加工能力强，可以加工普通机床难以加工的、形状复杂的零件，如螺旋桨、锻模等。

③生产效率高。对于形状复杂的零件，使用数控机床比普通机床可提高工效5～10倍，有时甚至更高。

④机床利用率高。因为数控机床可以显著减少辅助时间。普通机床的净切削时间为15%～20%，而数控机床一般为65%～70%。

⑤加工精度高，可靠性高加工精度稳定。

数控机床主要应用于中、小批及单件生产中形状复杂的零件，或在新产品试制中需要多次修改设计的零件的加工。由数控机床组成的柔性生产线在中批量、多品种的摩托车生产中显示了巨大的优越性。

复习思考题

1．研磨和珩磨为什么不能提高孔的位置精度？孔的位置精度应如何保证？

3．什么是特种加工？它与传统的切削加工相比有何特点？

2．超精加工和抛光的主要目的是什么？

4．简述电火花、电解、超声波和激光加工的特点和应用，并比较它们的异同。

5．数控机床有何特点？多适用于什么场合？