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车床数控加工基础(图)
作者:本站  来源:网络  点击:2353 次  发布时间:2010-10-13

1 数控车床外径端面刀的快速高精度对刀法

传统车床主要通过试切工件的方法对刀,即车削工件,精测车削处尺寸,计算实测值与目标值之差,按差值的大小和正负进行进刀或退刀。对于数控车床,除了少数配有对刀功能的之外,主要用对刀仪、对刀块或试切工件对刀。用专用的对刀仪作机外对刀,虽然精度较高,但刀具必须连同刀夹一起对。可刀夹一般较重,拆装较为费劲。尤其在只更换刀片时,用此法比用试切对刀还要慢。用对刀块对刀,由于多种误差的影响,对刀精度不高。因此,目前大多数数控车床仍用试切工件对刀。步骤的前三步与车床传统对刀相同,只是把摇手把看刻度进退刀改为用按钮输入刀具补偿值了。

试切工件对刀的优点是费用低、精度高;缺点是费时间,而且有些刀具(如油沟槽刀)很难用此法对刀。因此在实践中摸索出一种适用于外经、端面刀或类似油沟槽刀的快速、高精度对刀方法。这是一种不用试切的手动对刀方法。此法可在不用对刀仪、对刀块或对刀标准件的前提下,把试切对刀时间缩短60%。此法可保持试切对刀的优点,克服试切对刀的缺点。

(1)原理。卡盘外径可作为横向(X向)对刀的现成基准,而定位块外端面又是纵向(Z向)对刀的极好基准。卡盘外径精测一次所得的尺寸是个不变值。程序的Z向原点又常常在定位块外端面上,所以两个方向都免除了先试切、再精测量、最后算出刀的补偿值后再输入的常规对刀手续。特别是纵向由于不受试切件测量误差的影响,所以对刀精度比试切法对刀精度高;由于不受安装精度的影响,其对刀精度比标准件对刀法高。

(2)方法。由于车床的数控装置分两大类,所以方法要分两种进行分别叙述。

①对用绝对位置检测器的数控车床

横向对刀步骤:a将相应补偿号的X向补偿值清零;b精测卡盘吊环孔附近的外径尺寸,记下此D1,值(此步只要换卡盘时作一次,以后可直接用记下的 D1值);c将卡盘用手转到吊环孔对着刀尖方向;左手将一条报纸放在刀尖与卡盘之间并不断拉动,右手用手动操作先快后慢地将刀尖向卡盘外径靠近,直到报纸拉不动为止,设此时光屏上X向显示值为D2;d如果随后的加工吃刀量小,可不考虑让刀量。将光屏显示值减去卡盘直径后再减去两倍报纸厚度就是刀的补值。报纸的平均厚度为0.08mm,局部压缩后为0.05mm.所以,X向刀补值=D2,一D1—0.1。将计算值输入此刀相应补偿号的X位置。如果以后的加工吃刀量大,应将上述值减去经验让刀量再输入。

纵向对刀步骤:a将相应补偿号的Z向补偿值清零;b将卡盘用手转到定位块对着刀尖方向;c左手将一条报纸放在刀尖与定位块端面之间,并不断拉动。右手用手动操作先快后慢地将刀尖定位块端面接近,直到报纸拉不动为止,设此时光屏上Z向显示值为Z1,则Z向刀补值=Z1-0.05。再将计算值输入此刀相应补偿号的Z位置即可。如果以后加工吃刀量大,应将上述值减去经验让刀量后再输入。

②对用相对位置检测器的数控车床

横向对刀步骤:a、b、c、d四步与上述用绝对位置检测器的数控车床相同;e“锁紧”机械部分,用手动操作将光屏的X显示值摇到与 (D1+0.10)值相同;f解除上述“机械锁紧”,用手动操作,将刀架升到横向起始位置;g将程序中G50程序段内的X值减去此时光屏显示的X值,这就是刀具补偿值,将它输入此刀相应补偿号的X位置即可。如果以后加工的吃刀量较大,应将上述值减去经验让刀量后再输入。

纵向对刀步骤:a、b、c三步与前述用绝对位置检测器的数控车床相同;d“锁紧”机械部分,用手动操作将光屏上的Z显示值摇到+0.05;e解除上述“机械锁紧”,用手动操作将刀架升到纵向起始位置;f将程序中G50程序段内的z值减去此时光屏上显示的Z值,就是刀具补偿值,将它输入此刀相应补偿号的Z位置即可。如果以后加工的Z向吃刀量较大,应将上述值减去经验让刀量再输入。

(3)注意事项

①如果程序原点位于距定位块端面Z处,那么前述的Z向刀补值应再加上Z值,两种类型都是如此。

②如刀尖因卡爪原因到不了定位块端面,Z向可用卡盘端面对刀,这时刀补值要进行一次换算。

2 用一把刀车削工件回转中心两边的方法

图8—1是一种远程传感器上用的法兰简图,要车削A、B、C、D、E五个面。除A面外,其它各面尺寸精度、位置精度和表面粗糙度的要求都比较高。毛坯是锻件。为保证精度,分粗车、精车来完成。采用安装55。等边菱形刀片的外圆刀,按图示的方向安装在刀台上。

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车削方法:如按常规的方法,车A、B面用一把刀,车C、D、E面用另一把刀,这样粗车和精车要用4把刀,而且用这种方法加工很难使B、E面之间的尺寸误差不超过公差(0.02ram)范围。采用一把刀车削工件回转中心两边的方法,解决了上述问题。此方法是粗车、精车分别用一把刀,两把刀除刀尖圆弧不同外,其它都相同,连走刀路线都相同。下面只介绍精车刀的车削过程。

先让刀尖快速到达m’点,让工件正转(M03)的同时,再使刀尖到达切削起始点m,依次切削C、D、E面,直到f点。接着让工件停转(M05),同时让刀尖到达n’点,让工件逆转(M04.)的同时,让刀尖到达另一侧切削起始点n,依次切削B面和A面,直到刀尖到达g点。至此,切削已全部完成,退刀、停转和结束程序。

采用此方法,已成功地加工了万余件,效果很好,可供车削类似的工件参考。

3 不让拐角处出毛刺的数控车削方法

有些钢质工件要求拐角为直角,且不能有毛刺,采用数控车床加工,就能做到这点。

车刀刀尖放大看多呈圆弧型,见图8—2。K是假想刀尖点,E、F分别是刃口圆弧与水平线和垂直线的切点。如按图8—3和图8—4安排切削路线,会分别在外径和端面拐角处出毛刺。如按图8—5安排,车完后工件上的毛刺与图8-4基本一样。可见,以上三种常规的车削方法均出毛刺。

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这三种车削的共同特点:切削刃有段时间离开工件轮廓线,这就给出毛刺提供了机会。按图8—5车削此部分的程序为

N4 G01 X100 F0.3:
N5 Z-50:

光看程序,似乎刀尖一直在工件轮廓线上,但程序中指令的是假想刀尖的位置。从图8—5可以看到,在实际切削中,刀刃上的F点在工件上A到B点、E点在工件上C到A点间移动时,切削刃就离开了工件轮廓线。

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以先车端面后车外径为例,看出毛刺的过程。图8-6所示是刀尖向左切削,其上的E点接近A点时的状况。这时A点上侧的金属受到刃口向下的挤压,部分被挤到已车过的端面外侧,而成为毛刺。毛刺的大小和刃口锋利的程度有关。为了不让工件出毛刺,就采用了如图8-7所示的切削路线,其程序相应改变为

N4G01 X96.8 F0.3;
N44G03 X100 Z-1.6 K-1.6:
N5 Z-50:

这样,切削完后角部两侧就不会有毛刺。程序虽比图8-5多了一段,但刀尖移动总距离反而短,即切削时间比图8-5少。这当中,为保证工件拐角处车削无毛刺的效果好,车削前应选精密级的刀片。

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若用自动编程机编程,即使规定了端面处向上、外径处向左的连续切削,它也只编(输)出图8-5路线的程序。要想不让出毛刺,只有对输出的程序作人为的修改:将N4段中的X指令值改为96.8,并加入N44段。

要作图8-7的无毛刺切削,严格地说,在此处就不能使用刀尖R补偿机能,即不能用C42指令,可用如下编程:

N3G42 x45 Z0:
N4 G01 x100F0.5:
N5 Z-50:

则执行时仍按图8-5走而不会按图8-7走。如这一程序段前后的程序都使用了G42,而编程员又不想在此处去掉G42,重算其它许多处的指令值,可编如下程序:

N3G42 X45 Z0:
N4G01 X99.998 F0.3:
N44 G03 X100 Z-0.001 K-0.001:
N5 Z-50:

别看只加入了半径为1gm这个微小的值、对车出轮廓没有影响的圆弧,执行时就会按图8-7的路线走,就车削出拐角处无毛刺的工件。

4 防止切削凹拐角处刀具负荷骤升的方法

如图8-8所示工件的精车加工,图中的虚线与实线分别为加工前、后的轮廓。是大批量加工,要求表面不能有接刀印痕。

选用安装80°等边菱形涂层刀片的端面外径刀。如果在单刀台数控车床上车削,若先车I部,在最后接近C点时,会出现很宽的切屑,刀片左侧刃负荷骤升,对刀具和机床都不利。若这一刀在将要接触Ⅱ部时就结束,那么第2刀车Ⅱ部时就得这样车:向下先切到C点,再向右至少走1.5mm才能退刀,这样切削的负荷就不会骤升了,但在外径上就出现一个接刀印痕,这不允许。改用先车Ⅱ部再车I部的情况也一样。可以采用I、Ⅱ部来回多车几次解决,但这样切削效率就降低了许多,小批量加工还可以,大批量加工就不合适了。也可以用35°等边菱形刀片的外径刀来车削,使第一刀末尾的负荷不要增大太多,但35°菱形刀片的强度差,效果也不好。最后采用双刀台数控车床上用下述办法解决。用两把相同的安装80°等边菱形涂层刀片的端面外径刀,一把装在上刀台上,一把装在下刀台上。加工时,让这两把刀同时车削到C点,当然也同时退刀。通过分析可知,在两把刀同时接近C点时,切削负荷不会有较大的增加,实际切削下来的切屑也没有明显变宽,反而切削到C点时的切屑越来越窄。

余下的问题是如何让上、下两把刀同时切削到C点。一种方法是用快进让上、下刀分别到达E、D点,再用同步指令同时开始工进,上、下刀的每转进给量指令相同值。另一种方法是上刀先在F点等待,下刀从D点开始向左切削,到切削到距C点32mm时,再用同步指令让上刀开始工进。第三种方法是先让上、下刀分别到达 F点、D点,再在上刀台的程序中加一个暂停程序段(G04),在这个暂停程序段和下刀台程序的工进程序段中,分别加进相同的同步指令。如果暂停时间通过精确计算选得合适,上、下刀也会同时到达C点。不管用哪种方法,其效率和效果都是一样的。不过,如果上、下刀切削要用不同的进给量时,只能采用上述第三种方法。

不要担心两把刀同时切削到C点会撞在一起,事实上,上、下刀分别切削工件回转中心的两个不同的侧面。

5 缩短批量工件车削工艺流程的方法

一种需要大批量车削的密封座,毛坯为锻件,其车完后的剖面形状如图8-10内虚线所示。原来的工艺流程为3道粗车、1道半精车、2道精车、共6道工序。采用C7620液压半自动车床和C7220仿形车床,加工后外径椭圆度有时达不到图纸0.12mm的要求。

通过分析和反复试验,缩短了工艺流程。只用3道工序就完成全部粗、精加工,其加工精度也达到了图纸要求,而且只使用了一台数控车床。

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第一道工序见图8-9,卡小内径,用C7620半自动车床,车削A、B面和C、D倒角。第二道工序见图8-10,用一台双刀台数控车床,卡已经粗车过的外径。上刀架安装两把80。等边菱形刀片的端面外径刀,T1装边长16的刀片,用于F、E面和K倒角的粗车,图8-10 第2工序装边长12的刀片,用于这3处的精车。下刀架安装两个自制刀座W1和W2,在各自的头上安装55。等边菱形刀片的端面外径刀,这两把刀的型号及刀片的边长相同。只是T3用的刀片的刀尖圆弧半径为1.6mm,T4用的刀片的刀尖圆弧半径为1.2mm。T3、T4分别作H、J面和L、M、N角的粗车和精车,编相应的数控加工程序后,就可以进行车削。第三道工序,使用C7620半自动车床,用弹簧卡具卡小内径G,并用端面F定位,精车外径A、端面B和外角C。

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通过大批量生产实践应用,采用上述方法把工艺流程缩短了一半,是成功的。

6 平衡加工时间提高工效的措施

在用双刀架车床加工同一种工件,如果使用不同的工艺,效率就会相差很多。这里的核心是循环时间即加工时间的平衡问题。这当中,一是前、后两道工序间加工时间平衡,二是每道工序上、下刀架间加工时间平衡。如果措施合理,工效可提高许多。

如图8-11和图8-12所示是一种轴承内环车削时前、后两工序。前工序中,T1、T2刀装在上刀架,T3、T4装在下刀架上;后工序,T1、T2、T3刀装在上刀架上,T4、T5、T6刀装在下刀架上。

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原来按常规方法排工艺,前工序没有图中的T3刀,而后工序图中多了一把T7刀(实际是前工序T3刀移过来的),即大挡边③粗车部分放在后工序车削。那时前工序的循环时间是61s,后工序的循环时间是89s。此工件是大批量加工,前工序时问很松,后工序时间很紧,影响加工效率。第一个措施是后工序移一把刀到前工序,如图所示。原来前工序用3把刀,即是一个刀台装两把刀,另一个刀台上装一把刀,无论怎样安排,上、下刀架的加工时间都无法平衡。现在上、下刀架各安装两把刀后,再合理安排切削路线,使上、下刀架差不多都同时结束切削,同时退刀。这样使前工序的循环时间降至72s,这时后工序的循环时间是78s。

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1-小油沟切削部和小外径精切部;2-滚道精切部;3-小端面粗切部; 4-小外径和滚道粗切部;5-大油沟切削部;6-大挡边切削部和端面精切部。

至此,上工序的上、下刀架切工时间是平衡了,而前、后工序的加工时间仍不平衡。观察得知,后工序的上、下刀架加工的时间,一个结束早,一个结束晚相差很大。于是,在后工序6把刀中,3把装在上刀架,3把装在下刀架的前提下,做了四种切削方案,经计算和实际切削,选择了现在这个方案:使上、下刀架基本同时结束切削与退刀,循环时间也是72s。至此,不但前、后工序各自的上、下刀架加工时间达到平衡,而且前、后工序的循环时间也达到了平衡。a也可以说,这就是最佳方案。

如果把前、后工序组成一条生产线,那末这一线的循环时间由原来的89s,降为现在的72s,缩短了19%的加工时间,使工效明显提高。

7 使用恒线速度切削时应注意的问题

恒线速度切削也叫固定线速度切削,它的含意是在车削非圆柱形内、外径时,车床主轴转速可以连续变化,以保持实时切削位置的切削线速度不变(恒定)。中挡以上的数控车床一般都有这个功能。使用此功能不但可以提高工效,还可以提高加工表面的质量,即切削出的端面或锥面等的表面粗糙度一致性好。这里以图8-13 为例说明使用此功能时应注意的问题。

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图8-13中刀具(尖)的轨迹虚线表示快速进给,实线表示工作进给,F点及其尺寸是为下面的说明加进去的。

一是要注意在使用该功能前一般应限制最高转速.如果刀具要行进到离工件回转中心很近,那么在恒线速度指令前必须限制最高转速,否则会出现“飞车 ”。本例中按我们机床的说明书及具体的安装情况,确定最高转速不要超过3000r/min。根据工件材料和所用刀具的情况,切削线速度决定选择 200m/knin。下列程序是图a示零件的实际加工程序。

0123;
N1 G50 X~Z~T0100:
N2 G97G00Xa Za S1000 M04;
N3 Xb Zb S1061 T0101 M08;
N4 G50 S3000:
N5 G96G01Xc ZcF0.2$200;
N6 G97G00Zd$746;
N7Xe
N8 G96G01 Xg$200;
N9 G97 COO Xh ZhS1500 M09;
N10 G28 U0 W0 M05;
N11 M02:

这里将3000r/min限速编入N4段内。这个“G50S3000;”指令也可提前到前面任何位置,在本例中只要在N5段前都可以。这样的结果是:在做端面的恒线速度切削过程中,F点及其之上部分是$200恒线速度切削,从F点开始转速不再增加,即转成恒角速度(3000r/min)切削,直到 G点。如果没有N4段的转速限制指令,那么F点之下转速继续增加,到G点时理论上要达到6366r/min,这非常危险。

二是要注意这个功能一般不能用在快进(G00)程序段内。换句话说,在G96程序段开始及之下、G97程序段之前,一般不能出现COO程序段。本例中,如果把N6中的G97和N8中的G96去掉,虽然锥面和端面仍可作恒线速度切削,但在执行N7段即从D点快速到达E点过程中主轴会突然加速,从 530r/min急升到909r/min。如果刀具已到达E点而主轴尚未升到909r/min,那么刀具就会在E点等待,直到主轴升到909r/min再开始切削端面。

三是最好算出G96起始点的主轴转速,然后把转速变化量分摊到前面的COO程序段中。本例中,可算得B、E点的转速分别为1061r/min和 909r/min。可见,B点前的转速变动量为1061r/min。由于起始点到A点间距离较长,把1000r/'rain的变动量安排在A点之前,只给 A、B间留61r/min变动量。N2段中的这个S值如要更精确,可根据上述距离与A、B间距离之比来算出。另外,可算得C点处为530r/min,这样 C到E间的转速变动量为379r/min,由于CD与DE的长度比约为4:3,所以我们安排CD问上升216r/min,DE间上升163r/min,这样可以减少甚至消除刀具的等待时间,进而提高加工效率。

8 圆倒角的数控车削技巧

零件的圆倒角一般有三种类型,图8-14是最常见的一种。图中的虚线是毛坯轮廓面。具体的零件图会给出a、b和R尺寸的数值。加工时,首选80。等边菱形刀片端面外径刀,刀片的刀尖圆弧半径r可根据加工情况选定。这里以刀片左侧的假想刀尖点为刀T的代表点。

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现在讨论车削方案。假定先车端面、后车外径。从A点开始,


用工进向下切削端面。切完端面后,让刀具快速到达B点,再用逆时针圆弧插补切削到C点,接着用工进向左切削外径。根据a、b、R值求B点相对于O 点坐标的顺序为:先算出圆心H点的坐标,再用r经过M点过渡就可算出B点的坐标。根据已算出的H点坐标可得出N点的坐标,然后C点的坐标就出来了。这种加工方法的优点一是省时间,端面不用向下切削后再向上吃小量拉一刀,二是编程简单:圆弧插补G03段内的I为零(可省略),K为负(R+r)值,不必做几何计算。如改成先车外径后车端面,也可用类似上述的方法来车削。

圆倒角的第二种类型如图8-15所示。图中给出口a、b、R、a、β值,刀尖圆弧半径r由工艺选定。为看得清楚,毛坯的外轮廓在图中未画出。这里选择先车端面后车外径。从毛坯之外的A点开始,向下切端面后,让刀具快速到达B点。B点与端面的距离L可自定。本方案的技巧就是在于添加一条距端面L距离的这条过渡线。刀具由B工进到C,再逆时针圆弧插补走到D,再工进到E,最后-向左切削外径。图中B、C、D、E相对于0点的坐标值,可用6个已知数求出,在此就不再详述。

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圆倒角的第三种类型,是要求圆角分别与端面、外径相加,如图8-16所示。

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如果精度要求一般,可用普通级刀片按左图所示方法加工。从毛坯外径的A点开始,向下切端面到B。AB与0C间留一个很小的量,如0.05mm或0.1mm。再用小进给量切削到C,工进向上拉到D,再切削圆角到E,再向左切削外径。如果圆角的精度要求高,应相应提高刀片的精度等级。如果这种圆倒角的精度要求不高,可按右图所示的方法加工。这里的技巧是对端面与圆角的相对位置作一些工艺修正,以达到端面不用车削两次的目的。具体切削步骤为:从毛坯外径之外的A点开始,向下切完端面后,快退到D,再切削圆弧到E,再向左切削外径。注意修正量L的选取。只要车削端面后快退时不拉伤端面,L值应尽可能取得小一些。这主要取决于机床导轨的间隙和刀架的刚性,具体值可通过试切来决定。

作者:郑文虎

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