第1章 多轴数控加工专业知识

1.1 数控加工基本原理

采用数控加工能高效、高精度地加工复杂的零件，特别是曲面较为复杂的型芯和型腔零件。数控的英文全称为Numerical Control，简称NC。由数控系统发出的数字脉冲信号经变换放大后变成脉冲电流，脉冲电流通过伺服电动机能产生运动距离。伺服电动机可以做成旋转和直线运动两种形式，因此一个脉冲信号能实现一个旋转步距角或一个直线移动步距。在一个时段内连续发送脉冲信号，脉冲信号的数量就能精确对应旋转电动机转子的转数。单位时间内的脉冲数量称为脉冲频率，控制脉冲频率就能控制转子的转速，所以脉冲信号和能根据脉冲信号做定量运动的伺服电动机是实现数控加工的基本条件。

普通车床是固定在三爪卡盘上的工件随主轴做旋转主运动，固定在刀架溜板上的刀具由手工操作做相对工件的二维进给运动进行切削。普通铣床是固定在主轴上的刀具随主轴做旋转主运动，装夹在工作台上的工件由手工操作相对刀具做三维进给运动进行切削。为了实现数控加工，就按普通机床切削模式用旋转伺服电动机通过传动精度较高的同步带直接驱动主轴做回转主运动，通过控制脉冲频率来控制主运动的转速，从而省去了结构复杂的靠手工操作的变速齿轮箱等。同样用旋转伺服电动机传动精度较高的滚珠丝杠螺母副，把旋转运动变成直线运动；精度很高的数控机床和高速数控机床直接用直线伺服电动机产生直线运动，把中间环节减至最少。

数控系统由加工程序输入工具、译码器、数据处理器和处理软件、数据存储器和脉冲电流输出工具等组成。加工程序用输入工具输入到数控系统，由译码器翻译成处理系统能识别的数据，经软件分析计算变成智能加工数据，存放在存储器中。加工时用输出工具将加工数据变成脉冲电流，输送给X、Y、Z方向的伺服电动机和主轴伺服电动机，伺服电动机通过传动机构形成切削主运动和进给运动。测量装置随时监测实际主运动和进给运动与加工程序所要求的运动量之间的误差，并反馈到数控系统，及时修正伺服电动机的转速，从而精确控制刀具和工件之间的切削运动，这样就实现了自动切削，使平时由半人工操作的金属切削变成了用程序控制的切削，这就是数控加工的原理。

在数控机床上加工零件时，首先要将被加工零件的几何信息和工艺信息数字化。先根据零件加工图样的要求确定零件加工的工艺过程、工艺参数、刀具参数，再按数控机床规定采用的代码和程序格式，将与加工零件有关的信息如工件的尺寸、刀具运动中心轨迹、位移量、切削参数（主轴转速、切削进给量、背吃刀量），以及辅助操作（换刀、主轴的正转和反转、切削液的开和关）等编制成数控加工程序，然后将程序输入到数控装置中，经数控装置分析处理后，发出指令控制机床进行自动加工，其过程如图1-1所示。

数控加工与普通机床加工在方法与内容上有许多相似之处，其不同点主要表现在控制方式上。在普通机床上加工零件时，是用工艺规程、工艺卡片来规定每道工序的操作程序，操作人员按规定的步骤加工零件。而在数控机床上加工零件时，要把被加工的全部工艺过程、工艺参数和位移数据编制成程序，并以数字信息的形式记录在控制介质（如穿孔纸带、磁盘等）上，用它来控制机床加工。因此，与普通机床相比，数控加工具有以下特点。

1. 数控加工工艺内容要求具体而详细

在使用普通机床加工时，许多具体的工艺问题，如工艺中各工步的划分与安排、刀具的几何形状及尺寸、走刀路线、加工余量、切削用量等，在很大程度上都是由操作人员根据自己的实践经验和习惯自行考虑和决定的，一般不需要工艺人员在设计工艺规程时进行过多的规定，零件的尺寸精度也可由试切削来保证。而在数控加工时，原本在普通机床上由操作人员灵活掌握并可通过适时调整来处理的上述工艺问题，不仅成为数控工艺设计时必须认真考虑的内容，而且编程人员必须事先设计和安排好并做出正确的选择，编入加工程序中。数控工艺不仅包括详细描述的切削加工步骤，而且还包括夹具型号、规格、切削用量和其他特殊要求的内容。在自动编程中更需要详细地确定各种工艺参数。

2. 数控加工工艺要求更严密、精确

数控机床虽然自动化程度高，但自适应性差。它不像普通机床加工那样，可以根据加工过程中出现的问题比较灵活自由地进行人为调整。如在攻螺纹时，数控机床不知道孔中是否已挤满切削，是否需要退刀清理切削再继续进行，这种情况必须事先由工艺员精心考虑，否则可能导致严重的后果。在普通机床上加工零件时，通常是经过多次“试切削”过程来满足零件的精度要求，而数控加工过程是严格按程序规定的尺寸进给的，因此在对图形进行数学处理、计算和编程时一定要准确无误，以使数控加工顺利进行。

3. 制定数控加工工艺要进行零件图形的数学处理和编程尺寸设定值的计算

编程尺寸并不是零件图上设计尺寸的简单再现，在对零件进行数学处理和计算时，编程尺寸设定值要根据零件的形状几何关系重新调整计算，才能确定合理的编程尺寸。

4. 选择切削用量时要考虑进给速度对加工零件形状精度的影响

数控加工时，刀具怎么从起点沿运动轨迹走向终点是由数控系统的插补装置或插补软件来控制的。根据插补原理可知，在数控系统已定的条件下，进给速度越快，插补精度越低；插补精度越低，工件的轮廓形状越差。因此，选择数控加工切削用量时要考虑进给速度对加工零件形状精度的影响，特别是高精度加工时影响非常明显。

5. 数控加工工艺的特殊要求

● 由于数控机床较普通机床的刚度高，所配的刀具也较好，因而在同等情况下，所采用的切削用量比普通机床大，加工效率也高。选择切削用量时要充分考虑这些特点。

● 由于数控机床的功能复合化程度越来越高，因此，工序相对集中是现代数控加工工艺的特点，明显表现为工艺数目少，工艺内容多，并且由于在数控机床上尽可能安排较复杂的工序，所以数控加工的工序内容要比普通机床加工的工序内容复杂。

● 由于数控加工的零件比较复杂，因此在确定装夹方式和设计夹具时，要特别注意刀具与夹具、工件的干涉问题。

6. 程序的编写、校验与修改是数控加工工艺的一项特殊内容

普通机床加工工艺中划分工序、选择设备等重要内容对数控加工工艺来说属于基本确定的内容，所以制定数控加工工艺的重点在于整个数控加工过程的分析，关键在确定进给路线及生成刀具运动轨迹。

1.2 数控铣削加工基本知识

数控铣削是机械加工中最常用和最主要的数控加工方法之一，它除了能铣削普通铣床所能铣削的各种零件表面外，还能铣削普通铣床不能铣削的需要2～5轴坐标联动的各种平面轮廓和立体轮廓。

1.2.1 三轴数控加工原理

数控铣床的基本组成如图1-2所示。它由床身、立柱、主轴箱、工作台、滑鞍、滚珠丝杠、伺服电动机、伺服装置、数控系统等组成。

床身用于支撑和连接机床各部件。主轴箱用于安装主轴。主轴下端的锥孔用于安装铣刀。当主轴箱内的主轴电动机驱动主轴旋转时，铣刀能够切削工件。主轴箱还可沿立柱上的导轨在Z向移动，使刀具上升或下降。工作台用于安装工件或夹具。工作台可沿滑鞍上的导轨在X向移动，滑鞍可沿床身上的导轨在Y向移动，从而实现工件在X和Y向的移动。无论是X、Y向，还是Z向的移动都是靠伺服电动机驱动滚珠丝杠来实现的。伺服装置用于驱动伺服电动机。控制器用于输入零件加工程序和控制机床工作状态。控制电源用于向伺服装置和控制器供电。

1. 数控铣床的工作原理

根据零件形状、尺寸、精度和表面粗糙度等技术要求制定加工工艺，选择加工参数。通过手工编程或利用CAM软件自动编程，将编好的加工程序输入到控制器。控制器对加工程序处理后，向伺服装置传送指令。伺服装置向伺服电动机发出控制信号。主轴电动机使刀具旋转，X、Y和Z向的伺服电动机控制刀具和工件按一定的轨迹相对运动，从而实现工件的切削。

2. 数控铣床加工的特点

● 用数控铣床加工零件，精度很稳定。如果忽略刀具的磨损，用同一程序加工出的零件具有相同的精度。

● 数控铣床尤其适合加工形状比较复杂的零件，如各种模具等。

● 数控铣床自动化程度很高，生产率高，适合加工批量较大的零件。

1.2.2 五轴数控加工原理

要学习五轴数控加工技术，首先需要了解五轴数控加工的原理和特点，所以本节介绍五轴数控加工的原理和应用范围、特点等。

五轴数控加工就是指在一台机床上至少有5个坐标轴（3个直线坐标和2个旋转坐标），而且可在计算机数控系统控制下同时协调运动进行加工。如图1-3所示为典型的五轴联动数控机床。

1. 五轴数控加工特点

五轴数控加工中一台机床至少有5个坐标轴，可在计算机控制下联合工作，它具有以下特点：

● 可以加工一般三轴数控机床不能加工或很难一次装夹完成加工的连续、平滑的自由曲面，如航空发动机和汽轮机的叶片、螺旋推进器等，如图1-4所示。如采用三轴数控机床加工，由于其刀具相对于工件的姿态在加工过程中不能改变，加工某些复杂曲面时，就可能产生干涉和欠加工。而用五轴加工由于刀具的轴线可随时调整，避免刀具与工件的干涉，并能一次装夹完成全部加工。

● 可以提高空间自由曲面的加工精度、质量和效率。例如，三轴加工复杂曲面时，多采用球头铣刀，球头铣刀以点接触，切削效率低，刀具/工件姿态在加工过程中不能调整，一般很难保证用球头上的最佳切削点（即球头上线速度最高点）进行切削。如果采用五轴机床加工，由于刀具/工件姿态在加工过程中能随时调整，可获得更高的切削速度、切削效率和切削质量。

● 符合工件一次装夹便可完成全部或大部分加工的机床特点。当前，为了进一步提高产品性能和质量，现代产品，不仅航空、航天产品和运载工具，而且包括精密仪器、仪表、运动器械等产品的零件，都越来越多地采用整体材料铣成，而且其上面还有许多各式各样的复杂曲面和斜孔，如果采用三轴加工，必须经过多次定位安装才能完成，而采用五轴加工可一次装夹完成大部分工作。

2. 五轴数控加工机床

和三轴联动数控机床相比，五轴联动数控机床多了两个转动轴。但是在结构布置方面，往往不仅仅是在三轴联动数控机床上添加两个转动轴就可以的。按照主轴的位置关系五轴数控加工机床可分为以下两大类。

1）立式五轴加工中心

如图1-5所示是工作台回转的立式五轴加工中心，设置在床身上的工作台可以环绕X轴回转，定义为A轴，A轴一般工作范围为+30°～-120°。工作台的中间还设有一个回转台，在图示的位置上环绕Z轴回转，定义为C轴，C轴都是360°回转。这样通过A轴与C轴的组合，固定在工作台上的工件除了底面之外，其余的5个面都可以由立式主轴进行加工。A轴和C轴最小分度值一般为0.001°，这样又可以把工件细分成任意角度，加工出倾斜面、倾斜孔等。A轴和C轴如与X、Y、Z三直线轴实现联动，就可加工出复杂的空间曲面，当然这需要高档的数控系统、伺服系统，以及软件的支持。这种设置方式的优点是主轴的结构比较简单，主轴刚性非常好，制造成本比较低。但一般工作台不能设计太大，承重也较小，特别是当A轴回转大于等于90°时，工件切削时会对工作台带来很大的承载力矩。

另一种是依靠立式主轴头的回转，如图1-6所示。主轴前端是一个回转头，能自行环绕Z轴360°，称为C轴，回转头上还带可环绕X轴旋转的A轴，一般可达±90°以上，实现上述同样的功能。这种设置方式的优点是主轴加工非常灵活，工作台也可以设计得非常大，客机庞大的机身、巨大的发动机壳都可以在这类加工中心上加工。

2）卧式五轴加工中心

如图1-7所示为传统的工作台回转轴式五轴加工中心，设置在床身上的工作台A轴一般工作范围为+20°～-100°。工作台的中间也设有一个回转台B轴，B轴可双向360°回转。这种卧式五轴加工中心的联动特性比较好，常用于加工大型叶轮的复杂曲面。回转轴也可配置圆光栅尺反馈，分度精度达到几秒，当然这种回转轴结构比较复杂，价格也昂贵。

从旋转轴和直线运动轴之间的关系来看，五轴联动数控机床的结构形式主要有双旋转转台机床、双转主轴头机床和一个旋转工作台一个旋转主轴头机床这样三大类，如图1-8～图1-10所示。

1.2.3 控制轴和加工坐标系

进行数控加工首先要了解控制轴和加工坐标系的相关知识，下面进行简单介绍。

由数控系统控制的机床运动轴称为控制轴，如图1-11所示。数控机床通过各个移动件的运动产生刀具与工件之间的相对运动来实现切削加工。为表示各移动件的移动方位和方向（机床坐标轴），在ISO标准中统一规定采用右手直角坐标系对机床的坐标系进行命名，直线轴用X、Y、Z表示，用A、B、C分别表示绕X、Y、Z的旋转轴。

确定机床坐标轴时，一般是先确定Z轴，再确定X轴和Y轴。

1. 定Z轴

对于有主轴的机床，如车床、铣床等以机床主轴轴线方向作为Z轴方向。对于没有主轴的机床，如刨床，则以与装卡工件的工作台相垂直的直线作为Z轴方向。如果机床有几个主轴，则选择其中一个与机床工作台面相垂直的主轴作为主要主轴，并以它来确定Z轴方向。

2. 定X轴

X轴一般位于与工件安装面相平行的水平面内。对于机床主轴带动工件旋转的机床，如车床、磨床等，则在水平面内选定垂直于工件旋转轴线的方向为X轴，且刀具远离主轴轴线方向为X轴的正方向。对于机床主轴带动刀具旋转的机床，当主轴是水平的，如卧式铣床、卧式镗床等，则规定人面对主轴，选定主轴左侧方向为X轴正方向；当主轴是竖直时，如立式铣床、立式钻床等，则规定人面对主轴，选定主轴右侧方向为X轴正方向。对于无主轴的机床，如刨床，则选定切削方向为X轴正方向。

3. 定Y轴

Y轴方向可以根据已选定的Z轴、X轴方向，按右手直角坐标系来确定。

1.2.4 数控铣削加工工艺制定

1. 零件数控加工工艺分析

加工工艺分析就是指对零件的加工顺序进行规划，其具体安排应该根据零件的结构、材料特性、夹紧定位、机床功能、加工部位的数量，以及安装次数等进行灵活划分，一般可根据“粗精加工”进行划分。

● 粗加工阶段：粗加工阶段是为了去除毛坯上大部分的余量，使毛坯在形状和尺寸上基本接近零件的成品状态，这个阶段最主要的问题是如何获得较高的生产率。

● 半精加工阶段：半精加工阶段是使零件的主要表面达到工艺规定的加工精度，并保留一定的精加工余量，为精加工做好准备。半精加工阶段一般安排在热处理之前进行，在这个阶段，可以将不影响零件使用性能和设计精度的零件次要表面加工完毕。

● 精加工阶段：精加工阶段的目的是保证加工零件达到设计图样所规定的尺寸精度、技术要求和表面质量要求。零件精加工的余量都很小，主要考虑的问题是如何达到最高的加工精度和表面质量。

2. 设置加工工艺参数

加工工艺参数的选择是数控加工关键因素之一，它直接影响到加工效率、刀具寿命或零件精度等问题。合理的选择切削用量要有丰富的实践经验才行，在数控编程时，只能凭借编程者的经验和刀具切削用量的推荐值初步确定，而最终的切削用量将根据刀具数控程序的调试结果和实际加工情况来确定。

合理确定加工工艺参数的原则是粗加工时，为了提高效率，在保证刀具、夹具和机床刚性足够的条件下，切削用量选择的顺序是：首先把切削深度选大一些，其次选择较大的进给量，然后选择适当的切削速度。精加工时，加工余量小，为了保证工件的表面粗糙度，尽可能增加切削速度，这时可适当减少进给量。

● 粗加工：粗加工是大体积切除工件材料，表面质量要求很低。工件表面粗糙度Ra要达到12.5～25μm，可以取轴向切削深度为3～6mm，径向切深为2.5～5mm，为后续半精加工留1～2mm的加工余量。如果粗加工后直接精加工，则留0.5～1mm的加工余量。

● 半精加工：半精加工是把粗加工后的表面加工得光滑一点，同时切除凹角的残余材料，给精加工留厚度均匀的加工余量。半精加工后工件表面的粗糙度Ra要达到3.2～12.5μm，轴向切削深度和径向切削深度可取1.5～2mm，给后续精加工留0.3～0.5mm的加工余量。

● 精加工：精加工是最后达到尺寸精度和表面粗糙度要求的加工。工件的表面粗糙度Ra要达0.8～3.2μm，轴向切削深度可取0.5～1mm，径向切削深度可取0.3～0.5mm。

1.2.5 铣削加工刀具与材料

1. 刀具材料

刀具材料对刀具使用寿命、加工效率、加工质量和加工成本都有很大影响，因此必须合理选择。常用的刀具材料包括以下几种。

1）高速钢

高速钢全称高速合金工具钢，也称为白钢，19世纪研制而成。高速钢是含有较多钨、钼、铬、钒等元素的高合金工具钢。具有较高的硬度（热处理硬度达HRC62～67）和耐热性（切削温度可达550～600℃），切削速度比碳素工具钢和合金工具钢高1～3倍（因此而得名），刀具耐用度高10～40倍，甚至更多，可以加工从有色金属到高温合金范围的材料。

2）硬质合金

硬质合金是用高耐热性和高耐磨性的金属碳化物（碳化钨、碳化铁、碳化钽、碳化铌等）与金属粘结剂（钴、镍等）在高温下烧结而成的粉末冶金制品。常用的硬质合金有钨钴类（YG类）、钨钛钴类（YT类）和通用型硬质合金（YW类）3类。

● 钨钴类硬质合金（YG类）：主要由碳化钨和钴组成，抗弯强度和冲击韧性较好，不易崩刃，很适宜切削切屑呈崩碎状的铸铁等脆性材料；YG类硬质合金的刃磨性较好，刃口可以磨得较锋利，故切削有色金属及合金的效果也较好。

● 钨钛钴硬质合金（YT类）：主要由碳化钨、碳化钛和钴组成。由于YT类硬质合金的抗弯强度和冲击韧性较差，故主要用于切削切屑一般呈带状的普通碳钢及合金钢等塑性材料。

● 钨钛钽（铌）钴类硬质合金（YW类）：在普通硬质合金中加入了碳化钽或碳化铌，从而提高了硬质合金的韧性和耐热性，使其具有较好的综合切削性能，主要用于不锈钢、耐热钢、高锰钢的加工，也适用于普通碳钢和铸铁的加工，因此被称为通用型硬质合金。

3）涂层刀具

涂层刀具是在韧性较好的硬质合金或高速钢刀具基体上，涂覆一薄层耐磨性高的难熔金属化合物而获得的。常用的涂层材料有碳化钛、氮化钛、氧化铝等。碳化钛的硬度比氮化钛高，抗磨损性能好，对于会产生剧烈磨损的刀具，碳化钛涂层较好。氮化钛与金属的亲和力小，润湿性能好，在容易产生粘结的条件下，氮化钛涂层较好。在高速切削产生大量热量的场合，以采用氧化铝涂层为好，因为氧化铝在高温下有良好的热稳定性能。

涂层硬质合金刀片的耐用度至少可提高1～3倍，涂层高速钢刀具的耐用度则可提高2～10倍。加工材料的硬度越高，则涂层刀具的效果越好。

4）陶瓷材料

陶瓷材料是以氧化铝为主要成分，经压制成形后烧结而成的一种刀具材料。它的硬度可达到HRA91～95，在1200℃的切削温度下仍可保持HRA80的硬度。另外，它的化学惰性大，摩擦系数小，耐磨性好，加工钢件时的寿命为硬质合金的10～12倍。其最大缺点是脆性大，抗弯强度和冲击韧性低。因此，它主要用于半精加工和精加工高硬度、高强度钢和冷硬铸铁等材料。常用的陶瓷刀具材料有氧化铝陶瓷、复合氧化铝陶瓷及复合氧化硅陶瓷等。

5）人造金刚石

人造金刚石是通过合金催化剂的作用，在高温高压下由石墨转化而成的。人造金刚石具有极高的硬度（显微硬度可达HV10000）和耐磨性，其摩擦系数小，切削刃可以做的非常锋利。因此，用人造金刚石做刀具可以获得很高的加工表面质量，多用于在高速下精细车削或镗削有色金属及非金属材料。尤其是用它切削加工硬质合金、陶瓷、高硅铝合金及耐磨塑料等高硬度、高耐磨性的材料时，具有很大的优越性。

6）立方氮化硼（CBN）

立方氮化硼是由六方氮化硼在高温高压下加入催化剂转变而成的超硬刀具材料。它是20世纪70年代才发展起来的一种新型刀具材料，立方氮化硼的硬度很高（可达到HV8000～9000），并具有很高的热稳定性（在1370℃以上时才由立方晶体转变为六面晶体而开始软化），它最大的优点是在高温（1200～1300℃）时也不易与钛族金属起反应。因此，它能胜任淬火钢、冷硬铸铁的粗车和精车，同时还能高速切削高温合金、热喷涂材料、硬质合金及其他难加工材料。

2. 铣刀种类

数控加工中要选择合适的铣刀类型，刀具类型的选择直接影响到加工范围和加工质量，如图1-12所示。

1）端铣刀

端铣刀是数控铣加工中最常用的一种铣刀，广泛用于加工平面类零件，如图1-13所示为两种最常见的端铣刀。端铣刀除用其端刃铣削外，也常用其侧刃铣削，有时端刃、侧刃同时进行铣削，端铣刀也可称为圆柱铣刀。

2）成形铣刀

成形铣刀一般都是为特定的工件或加工内容专门设计制造的，适用于加工平面类零件的特定形状（如角度面、凹槽面等），也适用于特形孔或台。如图1-14所示为几种常用的成形铣刀。

3）球头铣刀

适用于加工空间曲面零件，有时也用于平面类零件较大的转接凹圆弧的补加工。如图1-15所示是一种常见的球头铣刀。

1.2.6 切削用量的确定

数控切削用量主要包括“进给速度”、“切削深度”和“切削速度”等。合理选择切削用量的原则是：粗加工时，一般以提高生产率为主，但也应考虑经济性和加工成本；半精加工和精加工时，应在保证加工质量的前提下，兼顾切削效率、经济性和加工成本。具体数值应根据机床说明书切削用量手册，并结合经验而定。

1. 进给速度

进给速度表示单位时间内刀具沿进给方向移动的距离，以vf表示。

vf应根据零件的加工精度和表面粗糙度要求，以及刀具和工件材料来选择。vf的增加也可以提高生产效率。加工表面粗糙度要求低时，vf可选择得大些。在加工过程中，vf也可通过机床控制面板上的修调开关进行人工调整，但是最大进给速度要受到设备刚度和进给系统性能等的限制。

通常根据主轴转速、刀具材料、切削毛坯材料等因素，选择较大的进给率以提高加工效率，一般设定为300～600mm/min。

2. 切削深度

切削时铣刀的端面和一个方向的侧面切入工件，端面切入工件的深度称为轴向切削深度，侧面切入工件的深度称为侧向切削深度。

在机床、工件和刀具刚度允许的情况下，背吃刀量就等于加工余量，这是提高生产率的一个有效措施。但是为了保证零件的加工精度和表面粗糙度，一般应留一定的余量进行精加工。在数控加工中，为保证零件必要的加工精度和表面粗糙度，建议留少量的余量（0.2～0.5mm），在最后的精加工中沿轮廓走一刀。粗加工时，除了留有必要的半精加工和精加工余量外，在工艺系统刚性允许的条件下，应以最少的次数完成粗加工。留给精加工的余量应大于零件的变形量和确保零件表面完整性。

3. 切削速度

切削速度表示铣刀的圆周切线速度称为切削速度，通常用主轴转速n表示。

提高切削速度也是提高生产率的一个措施，但切削速度与刀具耐用度的关系比较密切。随着切削速度的增大，刀具耐用度急剧下降，故切削速度的选择主要取决于刀具耐用度。

通常经验值高速钢φ3～φ16mm刀具，一般设置主轴转速为500～1800r/m，硬质合金刀具为1500～3000r/m（高速加工除外）。

1.3 车削数控加工基本知识

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、能作直线和圆弧插补，以及在加工过程中能自动变速的特点，因此凡是能在数控车床上装夹的回转体零件都能在数控车床上加工。

1.3.1 车削数控加工原理

数控车床主要由5部分组成，如图1-16所示。

● 机床主机：即数控车床的机械部分，主要包括床身、主轴箱、刀架、尾座、进给传动机构等。

● 数控系统：即控制系统，是数控车床的控制核心，其中包括CPU、存储器、CRT等部分。

● 驱动系统：即伺服系统，是数控车床切削工作的动力部分，主要实现主运动和进给运动。

● 辅助装置：为加工服务的配套部分，如液压、气动装置，冷却、照明、润滑、防护和排屑装置。

● 机外编程器：在普通的计算机上安装的一套编程软件，使用这套编程软件，以及相应的后置处理软件，就可以生成加工程序。通过车床控制系统上的通信接口或其他存储介质，把生成的加工软件输入到车床的控制系统中，完成零件的加工。

普通车床与数控车床相比，其结构基本相同。但是，在普通车床中，主运动和进给运动的动力都来源于同一台电动机，它的运动是由电动机经过主轴箱变速，传动至主轴，实现主轴的转动，同时经过交换齿轮架、进给箱、光杠或丝杠、溜板箱传动到刀架，实现刀架的纵向进给移动和横向进给移动。主轴转动与刀架移动的同步关系依靠齿轮传动链来保证。而数控车床则与之完全不同，其主运动和进给运动是由不同的电动机来驱动的，即主运动由主轴电动机驱动，主轴采用变频无级调速的方式进行变速，驱动系统采用伺服电动机驱动，经过滚珠丝杠传送到机床滑板和刀架，以连续控制的方式，实现刀具的纵向进给运动（Z向）和横向进给运动（X向）。数控车床主运动和进给运动的同步信号来源于安装在主轴上的脉冲编码器，当主轴旋转时，脉冲编码器便向数控系统发出检测脉冲信号，数控系统对脉冲编码器的检测信号进行处理后传给伺服系统中的伺服控制器，伺服控制器再去驱动伺服电动机移动，从而使主运动与刀架的切削进给保持同步。

1.3.2 数控车削加工的用途和加工对象

数控车削能够加工轴类或盘类的回转体零件，如图1-17所示。由于数控车床能自动完成内外圆柱面、圆锥面、圆弧面、端面、螺纹等工序的切削加工，并能进行切槽、钻孔、铰孔等加工。所以，除此之外，数控车床还特别适合加工形状复杂、精度要求高的轴类或盘类零件。

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、能做直线或圆弧，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。针对数控车床的特点，下列几种零件最适合数控车削加工。

1. 轮廓形状复杂的回转体零件

由于数控车床具有直线和圆弧插补功能，部分车床数控装置还有某些非圆曲线插补功能，所以能车削由任意直线和平面曲线组成的形状复杂的回转体零件和难于控制尺寸的零件，如具有封闭内成形面的壳体零件。

组成零件轮廓的曲线可以是数控方程式描述的曲线，也可以是列表曲线。对于由直线或圆弧组成的轮廓，直接利用机床的直线或圆弧插补功能。对于由非圆曲线组成的轮廓，可以用非圆曲线插补功能；若所选机床没有非圆曲线插补功能，则应先用直线或圆弧逼近，然后再用直线或圆弧插补功能进行插补切削。

2. 精度要求高的回转体零件

由于数控车床的刚性好，制造和对刀精度高，以及能方便和精确地进行人工补偿，甚至自动补偿，所以能够加工尺寸精度要求高的零件。一般来说，车削IT7级尺寸精度的零件应该没有什么困难。在有些场合可以以车代磨。此外，由于数控车削时刀具运动是通过高精度插补运算和伺服驱动来实现的，再加上机床的刚性好和制造精度高，所以它能加工对直线度、圆度、圆柱度要求高的零件。对圆弧及其他曲线轮廓的形状，加工出的形状和图样上的目标几何形状的接近程度，比仿形车床要好得多。数控车削对提高位置精度特别有效，不少位置精度要求高的零件用传统的车床车削达不到要求，只能用磨削或其他方法弥补。车削零件位置精度的高低主要取决于零件的装夹次数和机床的制造精度，在数控车床上加工，如果发现要求位置精度较高，可以用修改程序内数据的方法来校正，这样可以提高其位置精度，而传统车床上加工是无法做这种校正的。

3. 表面粗糙度要求高的回转体零件

数控车床具有恒线速度切削功能，能加工出表面粗糙度值小而均匀的零件。因为在材质、精车余量和刀具已定的情况下，表面粗糙度取决于进给量和切削速度。切削速度变化，致使车削后的表面粗糙度不一致。使用数控车床的恒线速度切削功能，就可选用最佳线速度来切削锥面、球面和端面等，使车削后的表面粗糙度值小而均匀。

4. 带横向加工的回转体零件

带有键槽或径向孔或端面有分布的孔系，以及有曲面的盘套或轴类零件，如带有法兰的轴套、带有键槽或方头的轴类零件等，这类零件适合选择车削加工中心加工。当然端面有分布的孔系、曲面的盘类零件也可以选择立式加工中心加工。这类零件如果采用普通机床加工，工序分散，工序数目多。采用加工中心后，由于有自动换刀系统，使得一次装夹可完成普通车床的多个工序的加工，减少了装夹次数，实现了工序集中的原则，保证了加工质量的稳定性，提高了生产率，降低了生产成本。

5. 带特殊螺纹的回转体零件

普通车床所能车削的螺纹相当有限，它只能车等导程的直、锥面米制或英制螺纹，而且一台车床只能限定加工若干导程的螺纹。数控车床不但能车削任何等导程的直、锥和端面螺纹，而且能车增导程、减导程及要求等导程与变导程之间平滑过渡的螺纹，还具有高精密螺纹切削功能，再加上一般采用硬质合金成形刀具，以及可以使用较高的转速，所以车削出来的螺纹精度高，表面粗糙度小。

1.3.3 数控车削加工工艺制定

数控车床是按事先编制好的加工程序对零件进行自动加工的，对于手工编制的加工程序，其水平的高低将直接影响零件的加工质量、生产率和刀具寿命。数控车床是一种高效率的自动化设备，它的效率是普通机床的2～3倍，所以要充分发挥数控机床的这一特点，必须熟练掌握其性能、特点、使用操作方法，同时还必须在编程之前正确地确定加工方案。

1. 加工方案的确定

在数控车床上，能够完成内外回转体表面的车削、钻孔、镗孔、铰孔和攻螺纹等加工操作，具体选择时要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，选择相应的加工方法和加工方案。

1）数控车削外回转表面及端面的加工方案确定

● 加工精度为IT7～IT8级，表面粗糙度Ra0.8～1.6μm的除淬火钢以外的常用金属，可采用普通型数控车床，按粗车、半精车、精车的方案进行。

● 加工精度为IT5～IT6级，表面粗糙度Ra0.2～0.63μm的除淬火钢以外的常用金属，可采用精密型数控车床，按粗车、半精车、精车、精细车的方案进行。

● 加工精度高于IT5级，表面粗糙度Ra小于0.08μm的除淬火钢以外的常用金属，可采用高档精密型数控车床，按粗车、半精车、精车、精密车的方案进行。

● 对于淬火钢等难车削材料，其淬火前可采用粗车、半精车的方法，淬火后安排磨削加工。

2）数控车削内回转表面的加工方案确定

● 加工精度为IT8～IT9级，表面粗糙度Ra1.6～3.2μm的除淬火钢以外的常用金属，可采用普通型数控车床，按粗车、半精车、精车的方案进行。

● 加工精度为IT6～IT7级，表面粗糙度Ra0.2～0.63μm的除淬火钢以外的常用金属，可采用精密型数控车床，按粗车、半精车、精车、精细车的方案进行。

● 加工精度高于IT5级，表面粗糙度Ra小于0.08μm的除淬火钢以外的常用金属，可采用高档精密型数控车床，按粗车、半精车、精车、精密车的方案进行。

● 对于淬火钢等难车削材料，其淬火前可采用粗车、半精车的方法，淬火后安排磨削加工。

2. 加工工序划分

对于需要多台不同的数控机床、多道工序才能完成加工的零件，工序划分自然以机床为单位来进行。而对于需要很少的数控机床就能加工完零件全部内容的情况，数控加工工序的划分一般可按下列方法进行。

1）以一次安装所进行的加工作为一道工序

将位置精度要求较高的表面安排在一次安装下完成，以免多次安装所产生的安装误差影响位置精度。

2）以一个完整数控程序连续加工的内容为一道工序

有些零件虽然能在一次安装中加工出很多待加工面，但考虑到程序太长，会受到某些限制。

3）以工件上的结构内容组合用一把刀具加工为一道工序

有些零件结构较复杂，既有回转表面也有非回转表面，既有外圆、平面也有内腔、曲面。对于加工内容较多的零件，按零件结构特点将加工内容组合分成若干部分，每一部分用一把典型刀具加工。这时可以将组合在一起的所有部位作为一道工序。

4）以粗、精加工划分工序

对于容易发生加工变形的零件，通常粗加工后需要进行矫形，这时粗加工和精加工作为两道工序，可以采用不同的刀具或不同的数控车床加工。对毛坯余量较大和加工精度要求较高的零件，应将粗车和精车分开，划分成两道或更多的工序。

3. 加工顺序的确定

在数控车床上加工零件，应按照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或全部表面的加工。根据零件的结构形状不同，通常选择外圆、端面或内孔、端面装夹，并力求设计基准、工艺基准和编程原点的统一。在对零件图进行认真和仔细的分析后，制定加工方案的一般原则为先粗后精、先近后远、先内后外、程序段最少、走刀路线最短。

1）先粗后精

为了提高生产效率并保证零件的精加工质量，在切削加工时，应先安排粗加工工序，在较短的时间内，将精加工前的大部分加工余量去除掉，同时尽量满足精加工余量均匀性要求。当粗加工工序安排完后，接着安排换刀后进行的半精加工和精加工，其中安排半精加工的目的是：当粗加工后所留余量的均匀性满足不了精加工要求时，则可安排半精加工作为过渡性工序，以便使精加工余量小而均匀。

在安排可以一刀或多刀进行的精加工工序时，其零件的最终加工轮廓应由最后一刀连续加工而成。这时，刀具的进、退刀位置要考虑妥当，尽量不要在连续的轮廓中安排切入和切出或换刀及停顿，以免因切削力突然变化而造成弹性变形，致使光滑连接轮廓上产生表面划伤、形状突变或滞留刀痕等。

2）先近后远

先近后远是指加工部位相对于对刀点的距离大小而言的，一般情况下，特别是在粗加工时，通常安排离对刀点近的部位先加工，离对刀点远的部位后加工，以便缩短刀具移动距离，减少空行程时间。

3）内外交叉

在加工既有内表面又有外表面需加工的零件时，应先安排进行内外表面粗加工，后进行内外表面精加工，易于控制其内外表面的尺寸和表面形状的精度。切不可将零件上一部分表面（外表面或内表面）加工完毕后，再加工其他表面。

4）程序段最少

按照每个单独的几何要素（直线、斜线和圆弧等）分别编制出相应的加工程序，其构成加工程序的各条程序即程序段。在加工程序的编制工作中，总是希望以最少的程序段数实现零件的加工，以使程序简洁，减少出错的几率及提高编程工作的效率。

由于机床数控装置普遍具有直线和圆弧插补运算的功能，除了非圆曲线外，程序段数可以由构成零件的几何要素及由工艺路线确定的各条程序段得到。对于非圆曲线轨迹的加工，所需主程序段数要在保证其加工精度的条件下，进行计算后才能得知。这时，一条非圆曲线应按逼近原理划分成若干个主程序段（大多为直线或圆弧），当能满足其精度要求时，所划分的若干个主程序段的段数仍应为最少。这样，不但可以大大减少计算的工作量，而且能减少输入的时间及计算机内存容量的占有数。

5）走刀路线最短

确定走刀路线的工作重点，主要在于确定粗加工及空行程的走刀路线，因精加工切削过程的走刀路线基本上都是沿其零件轮廓顺序进行的。走刀路线泛指刀具从对刀点开始运动起，直至返回该点并结束加工程序所经过的路径，包括切削加工的路径及刀具引入、切出等非切削空行程。

1.3.4 数控车削用量的选择

数控车削加工中的切削用量包括背吃刀量αp、主轴转速n或切削速度vc（用于恒线速度切削）、进给速度vf或进给量f。

1. 切削用量的选用原则

粗车时，应尽量保证较高的金属切除率和必要的刀具耐用度。选择切削用量时应首先选取尽可能大的背吃刀量αp，其次根据机床动力和刚性的限制条件，选取尽可能大的进给量 f，最后根据刀具耐用度要求，确定合适的切削速度 vc。增大背吃刀量 αp可使走刀次数减少，增大进给量f有利于断屑。

精车时，对加工精度和表面粗糙度要求较高，加工余量不大且较均匀。选择精车的切削用量时，应着重考虑如何保证加工质量，并在此基础上尽量提高生产率。因此，精车时应选用较小（但不能太小）的背吃刀量和进给量，并选用性能高的刀具材料和合理的几何参数，以尽可能地提高切削速度。

2.切削用量的选取方法

1）背吃刀量的选择

粗加工时，除留下精加工余量外，一次走刀尽可能切除全部余量，也可分多次走刀。精加工的加工余量一般较小，可一次切除。在中等功率机床上，粗加工的背吃刀量可达8～10mm；半精加工的背吃刀量取0.5～5mm；精加工的背吃刀量取0.2～1.5mm。

2）进给速度（进给量）的确定

粗加工时，由于对工件的表面质量没有太高的要求，这时主要根据机床进给机构的强度和刚性、刀杆的强度和刚性、刀具材料、刀杆和工件尺寸，以及已选定的背吃刀量等因素来选取进给速度。精加工时，则按表面粗糙度要求、刀具及工件材料等因素来选取进给速度。

进给速度vf可以按下面的公式计算：

vf=f×n

公式中，f表示每转进给量，粗车时一般取0.3～0.8mm/r；精车时常取0.1～0.3mm/r；切断时常取0.05～0.2mm/r。

3）切削速度的确定

切削速度vc可根据己经选定的背吃刀量、进给量及刀具耐用度进行选取。实际加工过程中，也可根据生产实践经验和查表的方法来选取。粗加工或工件材料的加工性能较差时，宜选用较低的切削速度。精加工或刀具材料、工件材料的切削性能较好时，宜选用较高的切削速度。切削速度vc确定后，可根据刀具或工件直径（D）按公式n=l000vc/πD来确定主轴转速n（r/min）。

1.4 数控线切割加工基本理论

1.4.1 线切割机床的加工原理

电火花切割加工简称“线切割”，它是利用移动着的细金属丝（铜丝或钼丝）作工具电极，并在金属丝与工件之间通以脉冲电流，利用脉冲放电的电腐蚀作用对工件进行切割加工的。其加工原理如图1-18所示，电极丝4穿过工件5上预先钻好的小孔，经导轮3由贮丝桶2带动做往复交替移动。工件通过绝缘板7安装在工作台上，由数控装置1按加工程序发出指令，控制两台步进电机11，以驱动工作台在水平面上沿X、Y两个坐标方向移动而合成任意平面曲线轨迹。由高频脉冲发生器8对电极丝与工件施加脉冲电压，喷嘴6将工作液以一定的压力喷向加工区，当脉冲电压击穿电极丝和工件之间的间隙时，两者之间随即产生电火花放电而切割工件，图中9、10分别为液压泵和油箱。

线切割有许多无可比拟的优点，如线切割具有加工余量小、加工精度高、生产周期短、制造成本低等突出优点，线切割已在生产中获得广泛的应用。电火花线切割加工能正常运行，必须具备下列条件：

● 钼丝与工件的被加工表面之间必须保持一定间隙，间隙的宽度由工作电压、加工量等加工条件而定。

● 电火花线切割机床加工时，必须在有一定绝缘性能的液体介质中进行，如煤油、皂化油、去离子水等，要求较高绝缘性是为了利于产生脉冲性的火花放电，液体介质还有排除间隙内电蚀产物和冷却电极的作用。钼丝和工件被加工表面之间保持一定间隙，如果间隙过大，极间电压不能击穿极间介质，则不能产生电火花放电；如果间隙过小，则容易形成短路连接，也不能产生电火花放电。

● 必须采用脉冲电源，即火花放电必须是脉冲性、间歇性，在脉冲间隔内，使间隙介质消除电离，使下一个脉冲能在两极间击穿放电。

1.4.2 线切割加工特点与应用范围

1. 线切割加工特点

线切割加工具有很多优点，发展速度很快，得到了广泛的应用，其优点如下。

1）加工精度高

线切割是通过高温熔化或气化局部金属而达到材料的切除，因此工件和电极之间没有切削力，工件不存在力学变形。线切割采用移动的电极丝进行加工，因此电极丝在单位长度上的损耗较少，对加工精度的影响也小。线切割加工自动化程度高，可以对影响加工精度的加工参数（脉冲宽度、脉冲间隙、加工电流）进行调节和控制，提高切割精度。

2）加工形状复杂的零件

线切割可以加工其他方法难以加工或根本无法加工的零件，如凸轮、异形槽、冲模等外形复杂的精密零件和狭缝，尺寸精度可达到±0.01mm，表面粗糙度Ra为1.25～2.5µm。

3）材料的利用率高

线切割加工的切缝很窄，只对工件进行轮廓切割加工，实际的金属的腐蚀量很小，材料的利用率高，适合于贵重金属的加工。

2. 线切割加工应用

线切割广泛应用于加工各种硬质合金和淬火钢格冲模、样板、各种外形复杂的精细小零件、窄缝等，并可多件叠加起来加工，能获得一致的尺寸。因此，线切割工艺为新产品试制、精密零件和模具的制造开辟了一条新的途径。具体的应用如下：

● 加工各种模具，如凸、凹模，粉末冶金。

● 加工成形工具，如加工带锥度型腔的电极板、微细复杂形状的电极和各种形状的样板、成形刀具。

● 加工微细孔、槽、窄缝、激光器件等。

● 各种稀有金属和贵重金属的加工。

● 加工各种由直线组成的直纹面，如圆锥面、螺旋面及各种二维曲面等。

● 同时切割凹凸模。利用线切割机的锥度切割功能，可一次加工出达到所需配合间隙的一幅冲裁模具。

1.4.3 四轴数控线切割加工原理

如图1-19所示为四轴线切割加工原理图，在NC控制装置的作用下，工作台做X-Y方向的移动，上、下导向器做U-V方向移动，构成四轴联动控制，使电极丝倾斜一定的角度，从而实现锥度切割和上、下异形截面形状的加工。

1.4.4 线切割加工工艺内容

利用线切割机床进行加工时，经常会遇到如何解决加工速度与表面粗糙度的矛盾、加工速度的提高与减少电极丝损耗的矛盾，以及如何避免断丝等。要正确解决这些问题，就必须制定出合理的线切割加工工艺。线切割加工工艺的制定包括以下内容。

1. 电极丝

电极丝的粗细影响切割缝隙的宽窄，电极丝直径越小，切缝越小。电极丝直径最小的可达φ0.05，但太小时，电极丝强度太低容易折断。一般采用直径为0.1～0.3mm的电极丝。

2. 电极丝移动速度

根据电极丝移动速度的大小分为高速走丝线切割和低速走丝线切割。低速走丝线切割的加工质量高，但设备费用、加工成本也高。高速走丝时，电极线采用高强度钼丝，钼丝以8～10m/s的速度做往复运动，加工过程中钼丝可重复使用。低速走丝时，多采用铜丝，电极丝以小于0.2m/s的速度做单方向低速移动，电极丝只能一次性使用。

3. 切割起点与切割路线的选择

切割起点是起始切割点，往往也是几何图形的终止点。起点选择不当会使工件切割表面留下痕迹。起始点应尽量选在几何图形的拐角处；起始点应尽量选在工件表面粗糙度值要求高的一侧，且尽可能选在工件切割后容易修磨的表面上。

切割路线的选择主要以防止或减少工件变形为原则，一般应考虑靠近装夹这一边图形为最后切割为宜。一般情况下，最好将工件与夹持部分分割的线段安排在切割路线的末端。

4. 穿丝孔的选择

穿丝孔是工件上为穿过电极丝而预先钻出的小孔。穿丝孔的大小应便于钻孔或镗孔加工，不宜过大或过小，一般在3～10mm范围内取整数值。穿丝孔常用做加工基准，因此，穿丝孔一般在较高精度的机床上进行，或采用电火花穿孔，以保证穿丝孔的位置、尺寸精度。

5. 电参数的选择

脉冲宽度越宽加工效率越高，加工越稳定，但表面粗糙度值会增大，反之亦然。因此，根据不同工件的加工要求选择合适的脉冲宽度。

脉冲间隔小，使切割速度提高，但会给排屑带来困难，加工不稳定。脉冲间隔大，使排屑有充裕的时间，使切割速度下降。

放电峰值的选择会影响切割速度和断丝。低速走丝机床峰值电流一般为100～150A，最大达1000A。工件较厚、粗切削时采用较大的放电峰值电流。

空载电压的大小会直接影响到放电间隙的大小，进而引起切割速度和加工精度的变化，对断丝影响也较大。当电极丝直径较小（0.1mm）、切缝较窄，或要减小加工面腰鼓形时，应选较低的空载电压。当要改善拐角的塌角时，应尽量选择较高的空载电压，一般低速走丝机床选150V。

1.5 本章小结

本章简要介绍了数控铣削、车削、线切割加工的基本原理，以及加工工艺参数的设置。读者通过学习，将对数控加工的专业知识有一个大致的了解，为后面的多轴数控加工学习打下基础。