数控加工及数控机床

东芝事件与考克斯报告

20世纪有两件事刺痛了国内机械制造者的神经：一个是东芝事件；一个是考克斯报告。两个事件都与发达国家禁止向社会主义国家出口高新技术（特别是高精度多轴数控机床）有关。现在由于我国在五轴联动加工中心等先进机床制造技术上的突破，迫使西方发达国家放松对多轴加工中心的出口限制。但不可否认，我们在当代最先进制造技术上仍与发达国家有着不小的差距，所以国外发达国家对向我国出口这些技术装备仍然有着严格的限制。这激励着我们要在先进制造技术、先进制造装备上不断创新，从制造大国向创造大国迈进，打破国外的技术封锁。

数控加工是指采用数控机床加工零件的方法。数控机床是为了解决普通加工机床不易加工的单件、小批工件而发展起来的，特别适宜于复杂型面的零件加工。

9.1.1 数控机床及其特点

数控机床，也称数字程序控制机床（利用电子管、晶体管、大规模集成电路进行控制的机床，简称NC机床）或计算机数字控制机床（利用计算机进行控制的机床，简称CNC机床）。它是采用数控系统，利用数字化信号对机床的运动及其加工过程进行控制的高效能、自动化加工机床，它综合应用了电子计算机、伺服驱动、自动控制、精密测量、液压气动和新型机械结构等多方面的技术成果。自1952年美国PARSONS公司与麻省理工学院（MIT）合作研制出第一台三坐标数控铣床以来，数控机床发展十分迅速，使机械制造业进入了一个又一个新的阶段。目前几乎所有机床品种都实现了数控化，而数控机床的生产量和应用程度也已成为衡量一个国家工业化程度和技术水平的重要标准之一。

1.数控机床的结构

1）数控车床的结构

图9－1所示为MJ－50数控车床。它在结构上仍然是由主轴箱、刀架、进给传动系统、床身和尾座等主要部件组成。但其进给系统与卧式车床的进给系统在结构上有本质区别。卧式车床主轴经过主轴箱里面的进给换向机构、挂轮变速机构、进给箱、光杠或丝杠带动刀架实现纵向和横向进给运动。而数控车床的x轴伺服电机经滚珠丝杠传动x向滑板、带动回转刀架实现x轴进给运动；同理，z轴的伺服电动机经滚珠丝杠、传动z向滑板、带动回转刀架实现z轴进给运动。可见数控车床的进给传动系统较普通车床大为简化。数控车床主要用于复杂、高精度的回转体零件的加工。

图9－1 MJ－50数控车床

1—脚踏开关；2—对刀仪；3—主轴卡盘；4—主轴箱；5—机床防护门；6—压力表；7—对刀仪防护罩；8—防护罩；9—对刀仪转臂；10—操作面板；11—回转刀架；12—尾座；13—滑板；14—床身

2）数控铣床的结构

图9－2所示为立式数控铣床。主轴安装刀具作旋转的主运动。工件装夹在工作台上，工作台作进给运动。当工作台完成纵向、横向、竖向三个方向的进给运动，主轴只作旋转运动时，机床属于升降台铣床。为了提高刚度，目前多采用主轴既做旋转主运动，又随主轴箱作垂直方向的进给运动，工作台作纵、横两个方向的进给运动，这时机床属于工作台不升降的结构。在数控铣床上，可以完成各类复杂平面、曲面和壳体类零件的加工，如各种模具、样板、箱体等。

图9－2 立式数控铣床

1—工作台；2—手摇脉冲发生器；3—主轴；4—操作面板

3）加工中心的结构

图9－3所示为JCS－018立式加工中心。加工中心是在数控铣床的基础上发展起来的，它与数控铣床的区别在于加工中心还有刀库和自动换刀装置（ATC）。由于加工中心具有自动换刀功能，因此能一次装夹后，完成铣、钻、镗、攻螺纹等多道工序的加工。

图9－3 JCS－018立式加工中心

1—床身；2—滑座；3—工作台；4—电控柜；5—立柱；6—机械手；7—刀座（库）；8—主轴箱；9—操作面板

2.数控机床的特点

（1）具有高柔性化。即具有较强的适应性和灵活性，即能适应不同零件的自动加工及不同尺寸、不同精度的同类工件系列，当加工对象、加工要求改变时，只需重新编制新程序并输入到计算机就可自动完成加工新工件的操作。

（2）加工精度高，加工质量稳定可靠。数控机床是按数字形式给出的指令脉冲进行加工的，加工误差一般能控制在0.005～0.01mm之间。工件的加工尺寸是按预先编排好的程序由数控机床自动保证的，可避免人为操作误差，使同一批加工零件的尺寸一致，重复精度高，加工质量稳定。

（3）工序集中，一机多用，生产效率高。数控机床，尤其是自动换刀的数控机床，在一次装夹的情况下，几乎可完成零件的全部加工，免去了划线、运输、装夹、测量等辅助准备时间。数控机床刚度大，功率大，每个工序均能选择较大的、合理的切削用量，大大缩短了机加工时间。一台数控机床可代替数台普通机床，节省了机床占地面积，带来较高的经济效益。

（4）具备一定智能化，能减轻劳动强度，改善劳动条件。运用数控机床进行加工时，不需要工作人员直接操作机床，只需输入程序，调整好机床后由数控系统来完成对机床的控制，在加工过程中自动选刀、换刀、松夹工件、不停车变速、启停切削液以及进行快速空行程运动等均以数值数据的形式通过计算机的运算，并将输入的指令变为数控机床的各种操作。在一些数控加工车间，一个操作人员可同时管理几台数控机床，提高了劳动生产率。

（5）便于计算机网络控制和管理。数控机床使用数字信号和标准代码输入，宜于计算机网络连接，为计算机管理生产创造了有利条件，是实现计算机辅助设计、计算机辅助制造和管理一体化的基础。

9.1.2 数控机床的应用范围及其分类

1.应用范围

尽管数控机床有许多优点，其应用范围也在不断扩大，但数控机床并不能代替所有其他类型的机床。根据其自身的特点，数控机床比较适合于加工以下特点的零件，从而取得较好的经济效益。

（1）多品种中小批量生产的零件。

（2）需要频繁改型的零件。

（3）精度要求高，空间形状较复杂的零件。

（4）生产周期短且急需的关键零件。

（5）加工要求不能通过传统加工方式保障、价格昂贵的零件。

2.数控机床的分类

数控机床按加工特点不同可分为数控车床、数控铣床、数控磨床、数控加工中心等；按联动轴的数目可分为二轴数控机床、二轴半数控机床、三轴数控机床、多轴联动数控机床等；按功能水平可分经济型数控机床、普及型数控机床、高级型数控机床；按运动方式可分为点位控制、直线控制、轮廓控制数控机床。

数控机床通常由控制系统、伺服系统、检测系统、机械传动系统及其他辅助系统组成。控制系统用于数控机床的运算、管理和控制，通过输入介质得到数据，对这些数据进行解释和运算并对机床产生作用；伺服系统根据控制系统的指令驱动机床，使刀具和零件执行数控代码规定的运动；检测系统则是用来检测机床执行件（工作台、转台、滑板等）的位移和速度变化量，并将检测结果反馈到输入端，与输入指令进行比较，根据其差值调整机床运动；机床传动系统是由进给伺服驱动元件至机床执行件之间的机械进给传动装置组成；辅助系统种类繁多，如自动换刀系统（可交换指定刀具）、传动间隙补偿系统（补偿机械传动系统产生的间隙误差）、排屑系统、切削液系统等。

数控机床的具体结构、原理请参见“数控机床与数控原理”方面的书籍。

9.1.3 数控加工工艺

数控加工，就是泛指在数控机床上进行零件加工的工艺过程。数控系统的指令是由程序员根据工件的材质、加工要求、机床的特性和系统所规定的指令格式（数控语言或符号）编制的。数控系统根据程序指令向伺服装置和其他功能部件发出运动或中断信息来控制机床的各种运动。当零件的加工程序结束时，机床便会自动停止。任何一种数控机床，在其数控系统中若没有输入程序指令，数控机床就不能工作。

机床的受控动作大致包括机床的启动、停止；主轴的启停、旋转方向和转速的变换；进给运动的方向、速度、方式；刀具的选择、长度和半径的补偿；刀具的更换、切削液的开关等。当前的数控系统采用G代码和M代码来编写数控加工程序。其中G代码称为准备功能代码，它指定机床的坐标系、直线插补功能、圆弧插补功能、刀具补偿和一些固定循环功能等；M代码也称辅助功能代码，主要指定主轴的正反转和停止、换刀、切削液的开关、程序的停止等功能。

1.数控加工内容的选择

当选择并决定对某个零件进行数控加工后，并非其全部加工内容都采用数控加工，可能只是零件加工工序中的一部分需要采用数控加工。因此，有必要对零件图样进行仔细分析，立足于解决难题、提高生产效率，注意充分发挥数控的优势，选择那些最适合、最需要的内容和工序进行数控加工。一般可按下列原则选择数控加工内容。

（1）普通机床无法加工的内容，应作为优先选择内容。

（2）普通机床难加工、质量也难以保证的内容，应作为重点选择的内容。

（3）普通机床加工效率低、工人手工操作劳动强度大的内容，可在数控机床尚有加工能力的基础上进行选择。

此外，在选择数控加工内容时，还要考虑生产批量、生产周期、工序间周转情况等因素，要尽量合理利用数控机床，达到产品质量、生产率及综合经济效益等指标都明显提高的目的。

2.数控加工零件的工艺性分析

对数控零件的工艺性分析，主要包括产品的零件图样分析和结构工艺性分析两部分。如零件的内腔与外形应尽量采用统一的几何类型和尺寸，这样可以减少刀具规格和换刀次数，方便编程；应尽可能在一次装夹中完成所有能加工表面的加工，为此要选择便于各个表面都能加工的定位方式；为保证二次装夹加工后其相对位置的准确性，应采用统一的定位基准。

3.数控加工的工艺路线的设计

与常规工艺路线的拟订相似，数控加工工艺路线的设计，最初也要找出零件所有的加工表面，并逐一确定各表面的加工方法，其每一步相当于一个工步。然后将所有工步内容按一定原则排列成先后顺序，再确定哪些相邻工步可以划为一个工序，即进行工序的划分。最后将所需要的其他工序如常规工序、辅助工序、热处理工序等插入，衔接于数控加工工序序列中，就得到了要求的工艺路线。

4.数控加工工序的设计

数控加工工序设计的主要内容是为每一道工序选择机床、夹具、刀具及量具、确定定位夹紧方案、走刀路线、工步顺序、加工余量、工序尺寸及其公差、切削用量和工时定额等，为编制加工程序做好充分准备。

CNC机床是按照程序进行加工，加工过程是自动的，因此，在加工过程中的所有工序、工步，每道工序的切削用量、走刀路线、加工余量和所用刀具的尺寸、类型都要预先确定好并编入程序中。所以，要求一个合格的编程人员应该首先是一个优秀的工艺人员，对CNC机床的性能、特点和应用、切削规范和标准刀具系统都要非常熟悉。

1）CNC机床的选择

不同类型的零件应在不同的CNC机床上加工。CNC车床适于加工形状比较复杂的轴类零件和复杂曲线回转形成的模具内型腔。CNC立式镗铣床和立式加工中心适于加工箱体、箱盖、平面凸轮、样板、形状复杂的平面或立体零件以及模具的内、外型腔。卧式镗铣床和卧式加工中心适于加工复杂的箱体类零件及泵体、阀体、壳体等。多坐标联动的卧式加工中心还可以加工各种复杂的曲线、曲面、叶轮、模具等。总之，对不同类型的零件要选用相应的CNC机床，以发挥机床的效率和特点。

2）加工工序的划分

在CNC机床上特别是加工中心上加工零件，工序十分集中，许多零件只需在一次装夹中就能完成全部工序。但是零件的粗加工，特别是铸、锻毛坯零件的基准平面、定位面等的加工应在普通机床上完成之后，再装夹到CNC机床上进行加工。这样可以发挥CNC机床的特点，保持CNC机床的精度，延长CNC机床的使用寿命，降低CNC机床的使用成本。

常用的CNC机床加工零件的工序划分方法可分为：

（1）刀具集中分序法 就是按所用的刀具划分工序，用同一把刀加工完成零件上所有可以完成的部位，再用第二、第三把刀具完成其他部位的加工。这样可以减少换刀次数，压缩空程时间，减少不必要的定位误差。

（2）粗、精加工分序法 对单个零件或一批零件要先粗加工、半精加工，然后再精加工。粗、精加工之间，最好隔一段时间，以使粗加工后的零件得以充分时效，再进行精加工，以提高零件的加工精度。

（3）加工部位分序法 一般是先加工平面、定位面，后加工孔；先加工简单的几何形状，再加工复杂的几何形状；先加工精度较低的部位，再加工精度较高的部位。

总之，在CNC机床上加工零件，其加工工序的划分要视加工零件的具体情况做具体分析。许多工序的安排是按上述分序法进行综合安排的。

3）工件的装夹方式

在CNC机床上加工零件，其工序集中，往往在一次装夹中就能完成全部工序。因此，对零件的定位、夹紧要注意以下几个方面。

（1）应尽量采用组合夹具和标准通用夹具。当工件批量较大、精度要求较高时，可以设计专用夹具，但结构应尽可能简单。

（2）零件定位、夹紧部位应不妨碍零件各部位的加工、刀具更换以及重要部位的测量。尤其要避免刀具与工件、刀具与夹具干涉的现象。

（3）夹紧力应力求靠近主要支承点或在支承点所组成的三角形内，应力求靠近切削部位，并在刚度较好的地方，以减小零件的变形。

（4）零件的定位、装夹要考虑到重复安装的一致性，以减少对刀时间，提高同一批零件加工的一致性。一般对同一批零件采用同一定位基准、同一装夹方式。

4）选择走刀路线

走刀路线是指数控加工过程中刀具相对于工件的运动方向和轨迹。确定每道工序的走刀路线是很重要的，因为它与零件的加工精度和表面质量密切相关。

孔的加工属于点位控制，在设计加工路线时，要重视孔的位置精度。对位置精度要求较高的孔，应考虑采用单边定位的方法，否则可能把坐标轴的反向间隙带入，直接影响孔的位置精度；在车削或铣削零件时，要选择合理的进、退刀位置和方向，尽量避免沿零件轮廓的法向切入和进给中途停顿，进、退刀位置应选在不会产生干涉的位置；在铣削内圆时也应该遵循沿切向切入的原则，切出时也应多安排一段过渡圆弧再退刀以减少接刀处的接刀痕。

5）加工刀具的选择

数控机床，特别是加工中心，其主轴转速比普通机床高1～2倍，某些特殊用途的数控机床、加工中心，主轴转速高达数万转每分钟，因此数控刀具的强度与耐用度至关重要。目前涂镀刀具、立方氮化硼刀具等已广泛用于加工中心，陶瓷刀具和金刚石刀具也开始在加工中心上运用。一般说来，数控机床所用刀具应具有较高的耐用度和刚度，刀具材料应抗脆性好，有良好的断屑性能和可调、易更换等特点。

6）切削用量的确定

编程时必须确定每道工序的切削用量，它包括主轴转速、进给速度、切削深度和切削宽度等工艺参数。在确定切削用量时要根据机床说明书的规定和要求，以及刀具的耐用度去选择和计算，当然也可以结合实际经验，采用类比法来确定。

7）程序编制中的误差控制

数控加工误差是由多种原因造成的，包括控制系统误差、机床进给系统误差、零件定位误差、对刀误差、刀具磨损误差、工件变形误差以及编程误差等，其中影响较大的是进给误差和定位误差，因此允许的编程误差较小，通常为零件公差的10％～20％。