任务1.2.2 机床调整与加工
一、机床传动系统分析
数控车床的传动系统图如图1.2.1 所示，和普通车床相比，传动系统有了较大的简化。主电动机M1 是直流电动机，也可安装交流变频调速电动机。主电动机经带轮副和多速变速机构驱动主轴，使主轴得到多段转速。在切削端面和阶梯轴时，随着切削直径的变化，主轴转速也随之而变化，以维持切削速度不变。这时切削不能中断，滑移齿轮不能移动，可以在任意一段转速内由电动机无级变速来实现。
图1.2.1 数控车床的传动系统
数控车床切削螺纹时，主轴与刀架间为内联系传动链。数控车床是用电脉冲实现的。主轴经一对齿轮驱动主轴脉冲发生器G，经数控系统根据加工程序处理后，输出一定数量的脉冲，再通过伺服系统，经伺服电动机M2（Z 轴）或M3（X 轴）、联轴节1 或6 以及滚珠丝杠Ⅴ或Ⅵ，驱动刀架的纵向或横向运动。这就可切削任意导程的螺纹或进行进给量以mm／min 计的车削。如果根据加工程序，主轴每转数控系统输出的脉冲数是变动的，就可切削变导程螺纹。如果脉冲同时输往X 和Z 轴，脉冲频率又根据加工程序是变化的，则可加工任意回转曲面。螺纹往往需多次车削，一刀切完后刀架退回原处，下一刀必须在上次的起点处开始才不会乱扣。因此，脉冲发生器还发出另一组脉冲，每转一个脉冲，显示工件旋转的相位，以避免乱扣。
二、机床的调整与操作
金属切削理论
使用CAK6150D 型数控车床、三爪自定心卡盘、93°机夹可转位车刀，对本项目零件进行加工，具体步骤如下：
1.工件的安装
在工件安装时，首先根据加工工件尺寸选择三爪自定心卡盘，再根据其材料及切削余量的大小调整好卡盘卡爪夹持直径、行程和夹紧力。如有需要，可在工件尾端打中心孔，用顶尖顶紧。使用尾座时，应注意其位置、套筒行程和夹紧力的调整。工件夹紧时，夹紧力要合适，以防夹紧力不够而使工件在车削过程中受力产生位移。装夹完工件后，卡盘扳手随手取下，以防开车后飞出伤人。
2.刀具的安装
根据零件的加工要求选择93°机夹可转位车刀和切断刀进行安装。
93°机夹可转位车刀安装要领：车刀装夹在刀架上的伸出部分应尽量短，以增强其刚性，伸出长度约为刀柄厚度的1～1.5 倍；车刀下面垫片的数量要尽量少，并与刀架边缘对齐；车刀刀杆至少用两个螺钉平整压紧，以防振动；主偏角：91°≤κr≤93°；车刀刀尖应与工件中心等高。
切断刀安装要领：切断刀装夹在刀架上的伸出部分不宜过长，以增强其刚性；车刀下面垫片的数量要尽量少，并与刀架边缘对齐；车刀刀杆至少用两个螺钉平整压紧，以防振动；切断刀的中心线必须与工件中心线垂直，以保证两个副偏角对称；切槽刀的主切削刃必须与工件中心等高。
安装过程中要注意的是：安装刀具的刀具位置编号一定要与程序中的调用刀具号相对应，以防自动加工中换刀时发生刀具错误调用。
3.对刀
在这里选用刀具试切对刀法进行对刀。其通过对刀将刀偏值写入参数，从而获得工件坐标系。这种方法操作简单，可靠性好，通过刀偏与机械坐标系紧密地联系在一起，只要不断电、不改变刀偏值，工件坐标系就会存在且不会变，即使断电，重启后回参考点，工件坐标系还在原来的位置。
对刀过程如下：
①选择实际使用的刀具，用手轮0.1 方式将刀具快速靠近工件，然后用手轮0.01 方式继续靠近工件，用0.001 方式切削工件右端面；
②不移动Z 轴，仅X 方向退刀，主轴停止；
③测量从工件坐标系的原点到端面的距离，把该值作为Z 轴的测量值，设定到指定号的刀偏存储器中，Z 轴即完成对刀。
X 轴对刀过程与Z 轴相似。要注意的是，X 轴为直径测量值，若把测量值作为几何形状补偿量输入，所有的偏置量都变为几何补偿量，与之相应磨损补偿量为“零”；加工中，刃磨刀具和更换刀具后，要重新对刀。
4.程序输入
首先应根据加工要求确定各种工艺参数并合理编制加工程序，再把编制好的程序输入机床试加工并完善程序。可在数控车床的控制面板处手动输入程序，为了提高功效，也可利用计算机进行程序的导入。
需要使用到的各种工艺参数：粗车时，每次背吃刀量取1.5～2 mm，主轴转速800 r／min，进给量0.15～0.2 mm／r，给出径向精车余量0.5～1 mm，轴向精车余量0.2～0.3 mm。精车最后一次完成，线速度取100 m／min，主轴最高转速限定2 000 r／min，进给量为0.05～0.1 mm／r。切断工件时，主轴转速为300 r／min，进给量为0.05～0.1 mm／r。
圆弧轴加工参考程序（FANUC 系统）如下：
5.零件加工
和普通车床相比较而言，数控车床的操作比较简单，一切准备就绪后，只需按下控制面板上的程序启动键便可进行加工，整个加工过程基本不需要其他手动操作，这样就大大减轻了工人的劳动强度，并且提高了生产效率。
在加工过程中，还应时刻注意机床的报警信息和异常的声响、气味，以保障设备的正常运行。
6.零件检验
零件的轴向和径向尺寸可用游标卡尺进行检验测量。粗糙度的检验可用对照样板进行比对检验。球头和圆弧可用R 规进行检验。
三、机床的工装
1.刀具的安装
装刀与对刀是数控机床加工中极其重要并十分棘手的一项工艺准备工作。特别是对刀的好坏，将直接影响到加工程序的编制及零件的尺寸精度。通过对刀或刀具预调，还可同时测定各号刀的刀位偏差，有利于设定刀具补偿量。
（1）车刀的安装
可直接把车刀装入尾座锥孔内，当两者规格不同时，可在锥柄处装一个与尾座套筒相同的过渡锥套，再将其装入尾座中。
在实际切削中，车刀安装得高低、车刀刀杆轴是否垂直，对车刀工作角度有很大影响。以车削外圆（或横车）为例，当车刀刀尖高于工件轴线时，因车削平面与基面的位置发生变化，使前角增大，后角减小；反之，前角减小，后角增大。车刀安装歪斜，对主偏角、副偏角影响较大，特别是在车螺纹时，会使牙形半角产生误差。因此，正确地安装车刀，是保证加工质量，减少刀具磨损，提高刀具使用寿命的重要步骤。图1.2.2 所示为车刀安装角度。当车刀安装成负前角时，切削力较大；安装成正前角时，可减小切削力。
图1.2.2 车刀安装角度(https://www.daowen.com)
（a）负前角（切削力大）；（b）正前角（切削力小）
车刀组成
（2）刀位点
刀位点是指在加工程序编制中，用于表示刀具特征的点，也是对刀和加工的基准点。各类车刀的刀位点如图1.2.3 所示。
（3）对刀
在加工程序执行前，调整每把刀的刀位点，使其尽量重合于某一理想基准点，这一过程称为对刀。对刀是数控加工中的重要操作，结合机床操作说明，掌握有关对刀方法和技巧，具有十分重要的意义。
理想基准点可以设在基准刀的刀尖上，也可以设定在对刀仪的定位中心（如光学对刀镜内的十字刻线交点）上。绝大多数的数控机床（特别是车床）采用手动对刀，其基本方法有定位对刀法、光学对刀法和试切对刀法。
①定位对刀法。
图1.2.3 各类车刀的刀位点
定位对刀法的实质是按接触式设定基准重合原理而进行的一种粗定位对刀方法，其定位基准由预设的对刀基准点来体现。对刀时，只要将各号刀的刀位点调整至与对刀基准点重合即可。该方法简便易行，因而得到广泛的应用，但对刀精度受到操作人员技术熟练程度的影响，一般情况下精度都不高，还须在试切中修正。
②光学对刀法。
这是一种按非接触式设定基准重合原理而进行的对刀方法，其定位基准通常由光学显微镜（或投影放大镜）上的十字基准刻线交点来体现。这种对刀方法比定位对刀法的对刀精度高，并且不会损坏刀尖，是一种广泛采用的方法。
③试切对刀法。
在前几种手动对刀方法中，均因可能受到手动和目测等多种误差的影响，对刀精度十分有限。实际加工中往往通过试切对刀，以得到更加准确和可靠的结果。
（4）对刀点、换刀点位置的确定
对刀点是数控车床加工时刀具相对于工件运动的起点。编程时，应首先选好对刀点的位置。选择对刀点的一般原则如下：
①尽量使加工程序的编制工作简单、方便。
②便于用常规量具在车床上进行测量，便于工件的装夹。
③对刀误差较小或可能引起的加工误差最小。
换刀点是指在编制数控车床多刀加工的加工程序时，相对于机床固定原点而设置的一个自动换刀或换工作台的位置。换刀的具体位置应根据工序内容而定。为了防止在换（转）刀时碰撞到被加工零件、夹具或尾座而发生事故，除特殊情况外，换刀点都设置在被加工零件的外面，并留有一定的安全区。
2.夹具的安装
（1）数控车床的定位及装夹要求
在数控车床上加工零件，应按工序集中的原则划分工序，在一次装夹下尽可能完成大部分甚至全部表面的加工。根据零件的结构形状不同，通常选择外圆、端面、内孔装夹，并力求设计基准统一，以减小定位误差，提高加工精度。
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是：首先应具有可靠的夹紧力，以防止工件在加工过程中松动；其次应具有较高的定位精度，并多采用气动或液压夹具，以便迅速、方便地进行装、卸工作。
（2）常用的夹具形式及定位方法
数控车床主要应用通用的三爪自定心卡盘、四爪单动卡盘和为大批量生产中使用的自动控制液压、电动及气动夹具，另外，还有多种相应的实用夹具。其定位主要采用心轴、顶块、缺牙爪等方式，与普通车床的装夹定位方式基本相同。夹具主要分为两大类，即用于轴类工件的夹具和用于盘类工件的夹具。
对于轴类零件，通常以零件外圆柱面和端面作为定位基准定位；对于套类零件，则多以内孔和端面作为定位基准。以下是几种常见的夹具形式。
①圆柱心轴定位夹具。加工套类零件时，常用工件的孔在圆柱心轴上定位，如图1.2.4（a）、（b）所示。
②小锥度心轴定位夹具。将圆柱心轴改成锥度很小的锥体时，就成了小锥度心轴。工件放在小锥度心轴定位，消除了径向间隙，提高了心轴的定心精度。定位时，工件楔紧在心轴上，靠楔紧产生的摩擦力带动工件，不需要再夹紧，且定心精度高；缺点是工件在轴向不能定位。这种方法适用于有较高精度定位孔的工件精加工。
③圆锥心轴定位夹具。当工件的内孔为锥孔时，可用与工件内孔锥度相同的锥度心轴定位。为了便于卸下工件，可在心轴大端配上一个旋出工件的螺母，如图1.2.4（c）、（d）所示。
④螺纹心轴定位夹具。当工件内孔是螺孔时，可用螺纹心轴定位夹具，如图1.2.4（d）、（e）所示。
图1.2.4 常用的心轴
（a）减小平面的圆柱心轴；（b）增加球面垫圈的圆柱心轴；（c）普通圆柱心轴；（d）带螺母的圆锥心轴；（e）简易螺纹心轴；（f）带螺母的螺纹心轴
⑤可调卡爪式卡盘夹具。可调卡爪式卡盘夹具的结构如图1.2.5 所示。每个基体卡座2 上都对应配有不淬火的卡爪1，其径向夹紧位置可以通过卡爪上的端齿和螺钉单独进行粗调整（错齿移动），或通过差动螺杆3 单独进行细调整。为了便于对较特殊的、批量大的盘类零件进行准确定位及装夹，还可按其实际需要，用车刀将不淬火卡爪的夹持面车至所需的尺寸。这种卡盘适合在没有尾座的卡盘式数控车床上使用。还可在车床主轴尾部设置拉紧机构，通过该卡盘上的拉杆4，实现对零件的自动快速松开和夹紧。
图1.2.5 可调卡爪式卡盘夹具
1—卡爪；2—卡座；3—差动螺杆；4—拉杆。