毕业设计-数控机床的应用和发展.doc

甘肃有色冶金职业技术学院2016届毕业论文

毕 业 论 文

专 业：机电一体化
班级学号 :
学生姓名：
指导教师：

二〇一六 年 五 月

甘肃有色冶金职业技术学院毕业论文

数控机床的应用和发展

专业班级：机电一体化
学生姓名：孙磊
指导教师：李双艳
系 别：机电工程系

2016 年 5 月

摘 要

随着数控加工的日益成熟越来越多的零件产品都用数控机床来加工,因此如何改进数控加工的工艺问题就越来越重要。在数控机床上由于机床空间及机床的其他局限了数控加工的灵活性，这样就要求我们要懂得如何改进加工工艺，提高数控机床的应用范围和加工性能。从而达到提高生产效率和产品质量。
数控加工作为一种高效率高精度的生产方式，尤其是形状复杂精度要求很高的模具制造行业，以及成批大量生产的零件。因此数控加工在航空业、电子行业还有其他各行业都广泛应用。然而在数控加工从零件图纸到做出合格的零件需要有一个比较严谨的工艺过程，必须合理安排加工工艺才能快速准确的加工出合格的零件来，否则不但浪费大量的时间，而且还增加劳动者的劳动强度，甚至还会加工出废品来。
一般数控机床的加工工艺和普通机床的加工工艺是大同小异的，只是数控机床能够通过程序自动完成普通机床的加工动作，减轻了劳动者的劳动强度，同时能比较精准的加工出合格的零件。由于数控加工整个加工过程都是自动完成的，因此要求我们在加工零件之前就必须把整个加工过程有一个比较合理的安排，其中不能出任何的差错，否则就会产生严重的后果。

关键词：数控加工； 加工工艺； 车孔； 护轴

目 录

绪论..................................................... ........................ ........................ .........................(1)
第一章 数控车床的基本组成和工作原理.............................. ............................ (2)
1.1 任务准备.......................... ............................................................... .................(2)
1.1.1 机床结构........................... ........ ........ ........ ........ ........ ........ .........................(2)
1.2 工作原理............................ ......... ............ ........ ........ ........ ........ ........ .............(3)
1.3 数控车床的分类.............................. ........ ........ ........ ........ ........ ......................(3)
1.4 数控车床的性能指标................... ........ ........ ........ ........ ........ .........................(3)
1.5 数控车床的特点............................... ........ ........ ........ ........ ........ .....................(5)
第二章 数控车床加工工艺分析.................. ........ ........ ........ ........ ....................(13)
2.1 零件图样分析..................... ........ ........ ........ ........ ........ ......................... ...... (13)
2.2 工艺分析.......... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...............................................(13)
2.3 车孔的关键技术..... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ..............................................(13)
2.4 解决排屑问题........... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... .......................................(14)
2.5 加工方法................ ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... .........................................(14)
第三章 当前数控机床技术发展趋势................ ...... ...... ...... ...... ......................(15)
4.1 是精密加工技术有所突破..................... ...... ...... ...... ...... ...... ......................(15)
4.2 是技术集成和技术复合趋势明显.............. ...... ...... ...... ...... ..... ...................(15)
结束语..................... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... .........................................(17)
参考文献.......... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ................................................(18)
致谢.............. ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ....................................................(19)

绪 论

高速加工技术发展迅速，在高档数控机床中得到广泛应用。应用新的机床运动学理论和先进的驱动技术。
优化机床结构，采用高性能功能部件，移动部件轻量化，减少运动惯性。在刀具材料和结构的支持下，从单一的刀具切削高速加工，发展到机床加工全面高速化，如数控机床主轴的转速从每分钟几千转发展到几万转、几十万转；快速移动速度从每分钟十几米发展到几十米和超过百米；换刀时间从十几秒下降到10秒、3秒、1秒以下，换刀速度加快了几倍到十几倍。应用高速加工技术达到缩短切削时间和辅助时间，从而实现加工制造的高质量和高效率。

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甘肃有色冶金职业技术学院2016届毕业论文

第一章 数控车床的基本组成和工作原理
1.1任务准备
1.1.1 机床结构
数控机床一般由输入输出设备、CNC装置（或称CNC单元）、伺服单元、驱动装置（或称执行机构）、可编程控制器PLC及电气控制装置、辅助装置、机床本体及测量反馈装置组成。
（1）床本体
数控机床的机床本体与传统机床相似，由主轴传动装置、进给传动装置、床身、工作台以及辅助运动装置、液压气动系统、润滑系统、冷却装置等组成。但数控机床在整体布局、外观造型、传动系统、刀具系统的结构以及操作机构等方面都已发生了很大的变化，这种变化的目的是为了满足数控机床的要求和充分发挥数控机床的特点。
⑵CNC单元
CNC单元是数控机床的核心，CNC单元由信息的输入、处理和输出三个部分组成。CNC单元接受数字化信息，经过数控装置的控制软件和逻辑电路进行译码、插补、逻辑处理后，将各种指令信息输出给伺服系统，伺服系统驱动执行部件作 进给运动。
⑶输入/输出设备
输入装置将各种加工信息传递于计算机的外部设备。在数控机床产生初期，输入装置为穿孔纸带，现已淘汰，后发展成盒式磁带，再发展成键盘、磁盘等便携式硬件，极大方便了信息输入工作，现通用DNC网络通讯串行通信的方式输入。
输出指输出内部工作参数（含机床正常、理想工作状态下的原始参数，故障诊断参数等），一般在机床刚工作状态需输出这些参数作记录保存，待工作一段时间后，再将输出与原始资料作比较、对照，可帮助判断机床工作是否维持正常。
⑷伺服单元
伺服单元由驱动器、驱动电机组成，并与机床上的执行部件和机械传动部件组成数控机床的进给系统。它的作用是把来自数控装置的脉冲信号转换成机床移动部件的运动。对于步进电机来说，每一个脉冲信号使电机转过一个角度，进而带动机床移动部件移动一个微小距离。每个进给运动的执行部件都有相应的伺服驱动系统，整个机床的性能主要取决于伺服系统。

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（5）驱动装置
驱动装置把经放大的指令信号变为机械运动，通过简单的机械连接部件驱动机床，使工作台精确定位或按规定的轨迹作严格的相对运动， 最后加工出图纸所要求的零件。和伺服单元相对应，驱动装置有步进电机、直流伺服电机和交流伺服电机等。
伺服单元和驱动装置可合称为伺服驱动系统，它是机床工作的动力装置，CNC装置的指令要靠伺服驱动系统付诸实施，所以，伺服驱动系统是数控机床的重要组成部分。
⑹可编程控制器
可编程控制器 (PC，Programmable Controller) 是一种以微处理器为基础的通用型自动控制装置，专为在工业环境下应用而设计的。由于最初研制这种装置的目的是为了解决生产设备的逻辑及开关控制， 故把称它为可编程逻辑控制器( PLC， Programmable Logic Controller)。当PLC用于控制机床顺序动作时，也可称之为编程机床控制器( PMC， Programmable Machine Controller )。PLC己成为数控机床不可缺少的控制装置。CNC和PLC协调配合，共同完成对数控机床的控制。
⑺测量反馈装置
测量装置也称反馈元件，包括光栅、旋转编码器、激光测距仪、磁栅等。通常安装在机床的工作台或丝杠上，它把机床工作台的实际位移转变成电信号反馈给CNC装置，供CNC装置与指令值比较产生误差信号，以控制机床向消除该误差的方向移动。
1.2 工作原理
使用数控机床时，首先要将被加工零件图纸的几何信息和工艺信息用规定的代码和格式编写成加工程序; 然后将加工程序输入到数控装置，按照程序的要求，经过数控系统信息处理、 分配，使各坐标移动若干个最小位移量，实现刀具与工件的相对运动，完成零件的加工。
1.3 数控车床的分类

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数控车床的品种和规格繁多，一般可以用下面三种方法分类。目前市面上占有率较大的有法拉克、华中、广数、西门子、三菱等。按运动方式分类
①点位控制数控机床
②点位/直线控制数控机床
③连续控制数控机床
⑶按控制方式分类
按控制方式分类可以分为开环控制数控机床、闭环控制数控机床和半闭环控制数控机床。
1.4 数控车床的性能指标
⑴主要规格尺寸
数控车床主要有床身与刀架最大回转直径、最大车削长度、最大车削直径等。 ⑵主轴系统
数控车床主轴采用直流或交流电动机驱动，具有较宽调速范围和较高回转精度，主轴本身刚度与抗振性比较好。现在数控机床主轴普遍达到5000～10000r／min甚至更高的转速，对提高加工质量和各种小孔加工极为有利；主轴可以通过操作面板上的转速倍率开关调整转速；在加工端面时主轴具有恒线切削速度(恒线速单位：mm/min)，是衡量车床的重要性能指标之一。
⑴ 给系统
该系统有进给速度范围、快速(空行程)速度范围、运动分辨率(最小移动增量)、定位精度和螺距范围等主要技术参数。
进给速度是影响加工质量、生产效率和刀具寿命的主要因素，直接受到数控装置运算速度、机床动特性和工艺系统刚度限制。数控机床的进给速度可达到10～30m／min其中最大进给速度为加工的最大速度，最大快进速度为不加工时

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移动的最快速度，进给速度可通过操作面板上的进给倍率开关调整。脉冲当量(分辨率)是CNC重要的精度指标。有其两个方面的内容，一是机床坐标轴可达到的控制精度(可以控制的最小位移增量)，表示CNC每发出一个脉冲时坐标轴移动的距离，称为实际脉冲当量或外部脉冲当量；二是内部运算的最小单位，称之为内部脉冲当量，一般内部脉冲当量比实际脉冲当量设置得要小，为的是在运算过程中不损失精度，数控系统在输出位移量之前，自动将内部脉冲当量转换成外部脉冲当量。
实际脉冲当量决定于丝杠螺距、电动机每转脉冲数及机械传动链的传动比，
其计算公式为：
实际脉冲当量＝传动比*丝杠螺距电动机每转脉冲数
数控机床的加工精度和表面质量取决于脉冲当量数的大小。普通数控机床的脉冲当量—，般为0.001mm，简易数控机床的脉冲当量一般为0.01mm，精密或超精密数控机床的脉冲当量一般为0.0001mm，脉冲当量越小，数控机床的加工精度和表面质量越高。
定位精度和重复定位精度，定位精度是指数控机床各移动轴在确定的终点所能达到的实际位置精度，其误差称为定位误差。定位误差包括伺服系统、检测系统、进给系统等的误差，还包括移动部件导轨的几何误差等。它将直接影响零件加工的精度。
重复定位精度是指在数控机床上，反复运行同一程序代码，所得到的位置精度的一致程度。重复定位精度受伺服系统特性、进给传动环节的间隙与刚性以及摩擦特性等因素的影响。一般情况下，重复定位精度是呈正态分布的偶然性误差，它影响一批零件加工的一致性，是一项非常重要的精度指标。一般数控机床的定位精度为0.001mm，重复定位精度为0.005mm。
⑵ 具系统
数控车床包括刀架工位数、工具孔直径、刀杆尺寸、换刀时间、重复定位精度各项内容。加工中心刀库容量与换刀时间直接影响其生产率，换刀时间是指自动换刀系统，将主轴上的刀具与刀库刀具进行交换所需要的时间，换刀一般可在5～20s的时间内完成。数控机床性能指标还有电机、冷却系统、机床外形尺寸、机床重量等

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1.5 数控车床的特点
与普通车床相比，数控车床具有以下几个特点：
⑴ 应性强
由于数控机床能实现多个坐标的联动，所以数控机床能加工形状复杂的零件，特别是对于可用数学方程式和坐标点表示的零件，加工非常方便。更换加工零件时，数控机床只需更换零件加工的NC程序。
⑵ 工质量稳定
对于同一批零件，由于使用同一机床和刀具及同一加工程序，刀具的运动轨迹完全相同这就保证了零件加工的一致性好，且质量稳定。
⑶ 率高
数控机床的主轴转速及进给范围比普通机床大。目前数控机床最高进给速度可达到100m/min以上，最小分辨率达0.01um。一般来说，数控机床的生产能力约为普通机床的三倍，甚至更高。数控机床的时间利用率高达90％，而普通机床仅为30％～50％。
⑷精度高
数控机床有较高的加工精度，一般在0.005mm～0.1mm之间。数控机床的加工精度不受零件复杂程度的影响，机床传动链的反向齿轮间隙和丝杠的螺距误差等都可以通过数控装置自动进行补偿。因此，数控机床的定位精度比较高。
⑸减轻劳动强度
在输入程序并启动后，数控机床就自动地连续加工，直至完毕。这样就简化了工人的操作，使劳动强度大大降低。 还有能实现复杂的运动、产生良好的经济效益、利于生产管理现代化等特点。

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第二章 数控车床加工工艺分析

2.1 零件图样分析
因为薄壁加工比较困难，尤其是内孔的加工，由于在切削过程中，薄壁受切削力的作用，容易产生变形。从而导致出现椭圆或中间小，两头大的“腰形”现象。另外薄壁套管由于加工时散热性差，极易产生热变形，使尺寸和形位误差。达不到图纸要求，需解决的重要问题，是如何减小切削力对工件变形的影响。薄壁零件的加工是车削中比较棘手的问题，原因是薄壁零件刚性差，强度弱，在加工中极容易变形，使零件的形位误差增大，不易保证零件的加工质量。可利用数控车床高加工精度及高生产效率的特点，并充分地考虑工艺问题对零件加工质量的影响，为此对工件的装夹、刀具几何参数、程序的编制等方 面进行试验，有效地克服薄壁零件加工过程中出现的变形，保证了加工精度,为今后更好的加工薄壁零件提供了好的依据及借鉴。
无论用什么形式加工零件，首先都必须从查看零件图开始。由图看见该薄壁零件加工，容易产生变形，这里不仅装夹不方便，而且所要加工的部位也那难以加工，需要设计一专用薄壁套管、护轴。
3.2 工艺分析
根据图纸提供的技术要求，工件采用无缝钢管进行加工，内孔和外壁的表面粗糙度为Ra1.6，用车削即可达到。但内孔的圆柱度为0.03对于薄壁零件来讲要求比较高，在批量生产中，工艺路线大致为：
下料—热处理—车端面—车外圆—车内孔—质检
前面所述，薄壁件加工特点得知“内孔加工”工序是质量控制的关键。我们抛开外圆，薄壁套管就内孔切削就难保证0.03mm的圆柱，经过我们多次加工和实验，采用刀具新磨法，较好地解决了这一问题材。
3.3 车孔的关键技术
车孔的关键技术是解决内孔车刀的刚性和排屑问题。增加内孔车刀的刚性，我采取了以下措施：
（1）尽量增加刀柄的截面积，通常内孔车刀的刀尖位于刀柄的上面，这样刀柄的截面积较少，还不到孔截面积的1/4， 若使内孔车刀的刀尖位于刀柄的中心线上，那么刀柄在孔中的截面积可大大地增加。
（2）刀柄伸出长度尽能做到同加工工件长度长5-8mm，以增加车刀刀柄刚性，减小切削过程中的振动。
3.4 解决排屑问题
主要控制切削流出方向，粗车刀要求切屑流向待加工表面（前排屑）为此。采用正刃倾角的内孔车刀。
精车时，要求切屑流向向心倾前排屑（孔心排屑）因此磨刀时要注意切削刃的磨削方向，要向前沿倾圆弧的排屑方法，精车刀合金用YA6,目前的M类型，它的抗弯强度、耐磨、冲击韧度以及与钢的抗粘和温度都较好刃磨时前角磨以圆以圆弧状角度10-15°后角根据加工圆弧离壁0.5-0.8mm（刀具底线顺弧度）如图4.c切削刃角k向为§0.5-1为沿切屑刃图4B点；修光刃为R1-1.5副后角磨成7-8°为适图4E内刃的A-A点磨成圆向外排屑。
3.5 加工方法
(1)加工前必须要做一件护轴；护轴主要目的：是把车好的薄壁套内孔以原尺寸套住，用前后顶尖固定使它在不变形的情况下加工外圆，保持外圆加工质量、精度。所以，护轴的加工对加工薄壁套管的工序是关键环节。 加工护轴毛胚用45﹟碳结构圆钢；车端面、开两头B型顶尖孔，粗车外圆，留余量1mm。经热处理调质定形、再精车留0.2mm余量研磨。重新热处理碎火表面，硬度HRC50，再经外圆磨床磨成如图5所示，精度达要求，完工后待用。
（2)为能使工件一次性加工完毕，毛胚留夹位和切断余量。
（3）先把毛胚作热处理调质定形，硬度为HRC28-30（可加工范围的硬度）。
(4)车刀采用C620，首先把前顶尖放进主轴锥位固定，为防止夹薄壁套时工件变形，增加一个开环厚套 为保持批量生产，薄壁套管外圆的一头经加工为统一尺寸d，t的尺是轴向夹位，个薄壁套管压紧，提高车内孔时的质量，保持尺寸。考虑到有切削热产生，工件膨胀尺寸难掌握。需要浇注充分的切削液，减少工件的热变形。
（5）用自动定心三爪卡盘将工件夹牢，车端面，粗车内圆。留余量0.1-0.2mm精车，换上精车刀把要切削余量加工到护轴满过度配合和粗糙度的要求。卸下内孔车刀，插入护轴至前顶尖，用尾座顶尖按长度要求夹紧，换外圆车刀粗车外圆，
再精车达图纸要求。经检验合格，用切断刀按长度要求尺寸切断。为使工件断开时的切口平整，刀刃口要斜磨，使工件端面平整；护轴磨小的一段就是为了切断留有空隙而磨小，护轴为减少工件变形，防止振动，以及切断时掉下碰伤原故。 以上方法加工薄壁套管，解决了变形或造成尺寸误差和形状误差而达不到要求的问题，实践证明加工效率较高、较快。易于操作，并且适合加工较长的薄壁零件，尺寸易掌握，次性完工，批量生产也较实际。

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第三章 当前数控机床技术发展趋势
3.1 是精密加工技术有所突破
通过机床结构优化、制造和装配的精化，数控系统和伺服控制的精密化，高精度功能部件的采用和温度、振动误差补偿技术的应用等，从而提高机床加工的几何精度、运动精度，减少形位误差、表面粗糙度。加工精度平均每8年提高1倍，从1950年至2000年50年内提升100倍。目前，精密数控机床的重复定位精度可以达到1µm，进入亚微米超精加工时代。
3.2是技术集成和技术复合趋势明显
技术集成和技术复合是数控机床技术最活跃的发展趋势之一，如工序复合型——车、铣、钻、镗、磨、齿轮加工技术复合，跨加工类别技术复合——金切与激光、冲压与激光、金属烧结与镜面切削复合等，目前已由机加工复合发展到非机加工复合，进而发展到零件制造和管理信息及应用软件的兼容，目的在于实 现复杂形状零件的全部加工及生产过程集约化管理。技术集成和复合形成了新一类机床——复合加工机床，并呈现出复合机床多样性的创新结构。

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结 束 语

制定符合中国国情的总体发展战略，确立与国际接轨的发展道路，对21世纪我国数控技术与产业的发展至关重要。本文在对数控技术和发展趋势的分析，对我国数控领域存在的问题进行研究的基础上。对基础数控加工工艺的介绍，数控车床技术上的指导，对数控车床再加工零件中的所遇到问题加以解释。在础上，研究了发展新型数控系统、数控机床整机的具体技术途径。
我们衷心希望，我国科技界、产业界和教育界通力合作，把握好知识经济给我们带来难得机遇，迎接竞争全球化带来的严峻挑战，为在21实际是我国数控技术和产业走向世界的前列，使我国经济保持强劲的发展势头而共同努力奋斗！

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参 考 文 献

[1].狄瑞民、王学建.数控机床液压传动与气压传动.北京：国防工业出版社，2006
[2].王爱玲.数控机床加工工艺.北京：机械工业出版社，2006
[3].陈子银、徐鲲鹏.数控加工技术.北京：北京理工大学出版社，2006
[4].潘海丽.数控机床故障分析与维修.第1版.西安：西安电子科技大学出版社2006
[5].钱东东.使用数控编程与操作.第1版.北京：北京大学出版社，2007
[6].李佳.数控车床与应用.北京：国防工业出版社，2006
[7].陈志雄.数控机床与数控编程技术.北京：化学工业出版社，2007
[8].徐长寿、朱学超.数控车床[M].北京：化学工业出版社，2005
[9].蔡厚道.数控机床构造.北京：北京理工大学出版社，2006
[10].白恩远、王俊元、孙爱国.现代数控机床伺服及检测技术.北京：国防工业出版社，2002
[11].许祥泰、刘艳芳.数控加工编程实用技术.北京：机械工业出版社，2000
[12] 张耀宗.机械加工实用手册编写组.机械工业出版社，1997
[13] 李军.数控机床参考点的设定间.制造技术与机床，1994
[14] 许镇宇.机械零件.北京：高等教育出版社,1983
[15] 孔庆复.计算机辅助设计与制造.哈尔滨：哈尔滨工业大学出版社，1994
致 谢
时光匆匆如流水，转眼便是大学毕业时节，随着论文的终结，意味这我生命中最纯美的学生时代即将结束，尽管百般不舍，这一天终究会在熙熙攘攘的喧哗中决绝的来临。
首先，感谢我的老师们，你们无微不至的关怀是我三年来不断进步的最大动力。在写作初期，李双艳老师多次耐心的指导，细心帮助，使我的论文得以完善、定稿。在此，向李双艳老师致以诚挚的谢意和崇高的敬意。
此外，我还要感谢我的同学和朋友，感谢你们在我三年大学生活中给我的帮助和鼓励，让我的大学生活倍感温馨，感谢你们让我的大学记忆里的每个角落充满阳光和色彩。
最后，我还要感谢我的父母和家人。感谢您们，您们永远是我奋勇直前的坚强后盾。