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1、数控机床科普知识数字控制机床是用数字代码形式的信息（程序指令），控制刀具按给定的 工作程序、运动速度和轨迹进行自动加工的机床，简称数控机床。数控机床具有广泛的适应性，加工对象改变时只需要改变输入的程序指 令；加工性能比一般自动机床高，可以精确加工复杂型面，因而适合于 加工中小批量、改型频繁、精度要求高、形状又较复杂的工件，并能获 得良好的经济效果。随着数控技术的发展，采用数控系统的机床品种日益增多，有车床、铣 床、镗床、钻床、磨床、齿轮加工机床和电火花加工机床等。此外还有 能自动换刀、一次装卡进行多工序加工的加工中心、车削中心等。1948年，美国帕森斯公司接受美国空军委托，研制飞机螺旋桨叶片轮
2、 廓样板的加工设备。由于样板形状复杂多样，精度要求高，一般加工设 备难以适应，于是提出计算机控制机床的设想。1949年，该公司在美 国麻省理工学院伺服机构研究室的协助下，开始数控机床研究，并于1 952年试制成功第一台由大型立式仿形铣床改装而成的三坐标数控铣 床，不久即开始正式生产。当时的数控装置采用电子管元件，体积庞大，价格昂贵，只在航空工业 等少数有特殊需要的部门用来加工复杂型面零件；1959年，制成了晶 体管元件和印刷电路板，使数控装置进入了第二代，体积缩小，成本有 所下降；1960年以后，较为简单和经济的点位控制数控钻床，和直线 控制数控铣床得到较快发展，使数控机床在机械制造业各部门逐
3、步获得 推广。1965年，出现了第三代的集成电路数控装置，不仅体积小，功率消耗 少，且可靠性提高，价格进一步下降，促进了数控机床品种和产量的发 展。60年代末，先后出现了由一台计算机直接控制多台机床的直接数 控系统（简称DNC），又称群控系统；采用小型计算机控制的计算机数控 系统（简称CNC）,使数控装置进入了以小型计算机化为特征的第四代。1974年，研制成功使用微处理器和半导体存贮器的微型计算机数控装 置（简称MNC），这是第五代数控系统。第五代与第三代相比，数控装置 的功能扩大了一倍，而体积则缩小为原来的1/20，价格降低了 3/4,可 靠性也得到极大的提高。80年代初，随着计算机软、硬件
4、技术的发展，出现了能进行人机对话 式自动编制程序的数控装置；数控装置愈趋小型化，可以直接安装在机 床上；数控机床的自动化程度进一步提高，具有自动监控刀具破损和自 动检测工件等功能。数控机床主要由数控装置、伺服机构和机床主体组成。输入数控装置的 程序指令记录在信息载体上，由程序读入装置接收，或由数控装置的键 盘直接手动输入。数控装置包括程序读入装置和由电子线路组成的输入部分、运算部分、 控制部分和输出部分等。数控装置按所能实现的控制功能分为点位控 制、直线控制、连续轨迹控制三类。点位控制是只控制刀具或工作台从一点移至另一点的准确定位，然后进 行定点加工，而点与点之间的路径不需控制。采用这类控制的
5、有数控钻 床、数控镗床和数控坐标镗床等。直线控制是除控制直线轨迹的起点和终点的准确定位外，还要控制在这 两点之间以指定的进给速度进行直线切削。采用这类控制的有平面铣削 用的数控铣床，以及阶梯轴车削和磨削用的数控车床和数控磨床等。 连续轨迹控制（或称轮廓控制）能够连续控制两个或两个以上坐标方向 的联合运动。为了使刀具按规定的轨迹加工工件的曲线轮廓，数控装置 具有插补运算的功能，使刀具的运动轨迹以最小的误差逼近规定的轮廓 曲线，并协调各坐标方向的运动速度，以便在切削过程中始终保持规定 的进给速度。采用这类控制的有能加工曲面用的数控铣床、数控车床、 数控磨床和加工中心等。伺服机构分为开环、半闭环和闭
6、环三种类型。开环伺服机构是由步进电 机驱动线路，和步进电机组成。每一脉冲信号使步进电机转动一定的角度，通过滚珠丝杠推动工作台移动一定的距离。这种伺服机构比较简单， 工作稳定，容易掌握使用，但精度和速度的提高受到限制。半闭环伺服机构是由比较线路、伺服放大线路、伺服马达、速度检测器 和位置检测器组成。位置检测器装在丝杠或伺服马达的端部，利用丝杠 的回转角度间接测出工作台的位置。常用的伺服马达有宽调速直流电动 机、宽调速交流电动机和电液伺服马达。位置检测器有旋转变压器、光 电式脉冲发生器和圆光栅等。这种伺服机构所能达到的精度、速度和动 态特性优于开环伺服机构，为大多数中小型数控机床所采用。闭环伺服机
7、构的工作原理和组成与半闭环伺服机构相同，只是位置检测 器安装在工作台上，可直接测出工作台的实际位置，故反馈精度高于半 闭环控制，但掌握调试的难度较大，常用于高精度和大型数控机床。闭 环伺服机构所用伺服马达与半闭环相同，位置检测器则用长光栅、长感 应同步器或长磁栅。为了保证机床具有很大的工艺适应性能和连续稳定工作的能力，数控机 床结构设计的特点是具有足够的刚度、精度、抗振性、热稳定性和精度 保持性。进给系统的机械传动链采用滚珠丝杠、静压丝杠和无间隙齿轮 副等，以尽量减小反向间隙。机床采用塑料减摩导轨、滚动导轨或静压 导轨，以提高运动的平稳性并使低速运动时不出现爬行现象。由于采用了宽调速的进给伺服
8、电动机和宽调速的主轴电动机，可以不用 或少用齿轮传动和齿轮变速，这就简化了机床的传动机构。机床布局便 于排屑和工件装卸，部分数控机床带有自动排屑器和自动工件交换装 置。大部分数控机床采用具有微处理器的可编程序控制器，以代替强电 柜中大量的继电器，提高了机床强电控制的可靠性和灵活性。随着微电子技术、计算机技术和软件技术的迅速发展，数控机床的控制 系统日益趋向于小型化和多功能化，具备完善的自诊断功能；可靠性也 大大提高；数控系统本身将普遍实现自动编程。未来数控机床的类型将更加多样化，多工序集中加工的数控机床品种越 来越多；激光加工等技术将应用在切削加工机床上，从而扩大多工序集 中的工艺范围；数控机
9、床的自动化程度更加提高，并具有多种监控功能， 从而形成一个柔性制造单元，更加便于纳入高度自动化的柔性制造系统 中。在铣削加工中心上铣削复杂工件时，数控立铣刀的使用应注意以下问题：1. 立铣刀的装夹加工中心用立铣刀大多采用弹簧夹套装夹方式，使用时处于悬臂状态。 在铣削加工过程中，有时可能出现立铣刀从刀夹中逐渐伸出，甚至完全 掉落，致使工件报废的现象，其原因一般是因为刀夹内孔与立铣刀刀柄 外径之间存在油膜，造成夹紧力不足所致。立铣刀出厂时通常都涂有防 锈油，如果切削时使用非水溶性切削油，刀夹内孔也会附着一层雾状油 膜，当刀柄和刀夹上都存在油膜时，刀夹很难牢固夹紧刀柄，在加工中 立铣刀就容易松动掉落
10、。所以在立铣刀装夹前，应先将立铣刀柄部和刀 夹内孔用清洗液清洗干净，擦干后再进行装夹。当立铣刀的直径较大时，即使刀柄和刀夹都很清洁，还是可能发生掉刀 事故，这时应选用带削平缺口的刀柄和相应的侧面锁紧方式。立铣刀夹紧后可能出现的另一问题是加工中立铣刀在刀夹端口处折 断，其原因一般是因为刀夹使用时间过长，刀夹端口部已磨损成锥形所 致，此时应更换新的刀夹。2. 立铣刀的振动由于立铣刀与刀夹之间存在微小间隙，所以在加工过程中刀具有可能出 现振动现象。振动会使立铣刀圆周刃的吃刀量不均匀，且切扩量比原定 值增大，影响加工精度和刀具使用寿命。但当加工出的沟槽宽度偏小 时，也可以有目的地使刀具振动，通过增大切
11、扩量来获得所需槽宽，但 这种情况下应将立铣刀的最大振幅限制在0.02mm以下,否则无法进行 稳定的切削。在正常加工中立铣刀的振动越小越好。当出现刀具振动时，应考虑降低切削速度和进给速度，如两者都已降低 40%后仍存在较大振动，则应考虑减小吃刀量。如加工系统出现共振，其原因可能是切削速度过大、进给速度偏小、刀 具系统刚性不足工件装夹力不够以及工件形状或工件装夹方法等因素 所致，此时应采取调整切削用量、增加刀具系统刚度、提高进给速度等 措施。3. 立铣刀的端刃切削在模具等工件型腔的数控铣削加工中，当被切削点为下凹部分或深腔时，需加长立铣刀的伸出量。如果使用长刃型立铣刀，由于刀具的挠度 较大，易产生
12、振动并导致刀具折损。因此在加工过程中，如果只需刀具 端部附近的刀刃参加切削，则最好选用刀具总长度较长的短刃长柄型立 铣刀。在卧式数控机床上使用大直径立铣刀加工工件时，由于刀具自重 所产生的变形较大，更应十分注意端刃切削容易出现的问题。在必须使 用长刃型立铣刀的情况下，则需大幅度降低切削速度和进给速度。4. 切削参数的选用切削速度的选择主要取决于被加工工件的材质；进给速度的选择主要取 决于被加工工件的材质及立铣刀的直径。国外一些刀具生产厂家的刀具 样本附有刀具切削参数选用表，可供参考。但切削参数的选用同时又受 机床、刀具系统、被加工工件形状以及装夹方式等多方面因素的影响， 应根据实际情况适当调整
13、切削速度和进给速度。当以刀具寿命为优先考虑因素时，可适当降低切削速度和进给速度；当 切屑的离刃状况不好时，则可适当增大切削速度。5. 切削方式的选择采用顺铣有利于防止刀刃损坏，可提高刀具寿命。但有两点需要注意：如采用普通机床加工，应设法消除进给机构的间隙；当工件表面残 留有铸、锻工艺形成的氧化膜或其它硬化层时，宜采用逆铣。6. 硬质合金立铣刀的使用高速钢立铣刀的使用范围和使用要求较为宽泛即使切削条件的选择略 有不当，也不至出现太大问题。而硬质合金立铣刀虽然在高速切削时具 有很好的耐磨性，但它的使用范围不及高速钢立铣刀广泛，且切削条件 必须严格符合刀具的使用要求。数控编程有很多软件，最常用的有P
14、RO / E软件,UG、CATIA、CIMATRON、DELCAM等软件。在我国的模具加工业，一般是几种软件 混合使用。取利补弊。我们铸造模具厂是金属模具和压铸模具的加工企 业。现在使用PRO / E软件进行设计，利用其实体参数化的功能。而数 控编程软件则使用CIMATRON和DELCAM。在实际工作中使用的效果 比较好。一、数据格式的转换：IGES是最通用的格式，出错机率比较少，即使转换成相应的图形有 错误，也能修改。不影响模具的编程质量。PRO / E的文件转换成 CIMATRON文件，出了这种IGES转换格式外，还有一种中性文件的转 换方式，即Neutral file ,后缀为NEU。效
15、果要比IGES的格式要好。DELCAM软件中的数控模块POWERMILL能直接读CIMATRON软件 的格式，但效果不太好，被修剪的曲面有一部分被修复了。最好使用 DELCAM软件中的PX-EXCHANGE进行转换，效果要好些。即使用IGES 转换格式，数据转换效果最理想。二、数控编程时，另一种校正程序的方法:程序编制好后，检验程序可用SIMULATOR和VERIFIER等方式进 行。其效果一般情况下还是可以的。但是在实际工作中，如果将铣刀刀 具设置错误，以上两种方式都不能检查出来。编制数控程序时，由于各种原因，经常将铣刀的直径设错、或者有 时将平头的铣刀设置成球头铣刀，即实际铣刀刀具与程序铣
16、刀刀具不符 合。象R5的刀具设成R6，R6的刀具设成R5等。为了避免上述错误 的发生。经过长时间的研究、总结。将程序中的刀具参数，如刀具的名 称，刀具的直径，平头铣刀的刀尖半径等。都用后置处理的方法提出来， 将其放到刀具路经名称中。调用程序时可参考。在FANUC系统中，还 可以在数控程序内以括弧形式注解刀具参数 也能保证铣刀参数的正确 性。例如CIMATRON软件生成的刀具路经名称为：1002010-x2-sxh.caor3r0.D6.0-R0.0.hei 其中 1002010-x2-sxh 是模具零件名、caor3r0是程序名，其中r 3代表铣刀半径、D6.0是刀具的直 径R0.0是刀具的刀
17、尖圆角、hei是数控机床Heidenhain系统的缩写。三、DELCAM软件后编辑功能比较好：DELCAM软件后编辑功能相对来说是比较好的。可以在任意方向上 裁减。其赛车线加工方式对一些老式的机床操作系统更实用。加工中跳 刀现象比较少，节省了大量的辅助加工时间。且一次计算出的刀具路 经，可以任意编辑，不用再重复计算。节省了编制程序的计算时间。四、CIMATRON中一种清根方法的再完善：在CLEANUP清根方式中，将垂直区域和水平区域分别采用不同的刀具 加工。步骤如下：1、在水平区域，采用半径较大的平头带小圆弧角的刀具进行加工。 在垂直区域留下了与所用刀具半径圆弧相同的未加工区域。采用 REMA
18、CHIN中的ONLY VERT . CONS . Z方法加工。如图1。最下侧的 刀具路经a。采用刀具半径为R10，刀尖角为R32、在垂直区域，采用半径较小的平头带小圆弧角的刀具或者用半径 较小的球头刀具进行螺旋式加工。采用REMACHIN中的ONLY HOR Z . ON SRF .方法加工。如图1。上侧的刀具路经b。采用 刀具半径为R5的球头刀。3、在垂直区域最下边与水平区域交汇处有局部区域未加工，有残留 区域。此时采用WCUT只加工这个区域，高度采用水平区域的高度。 即刀具路经a的加工高度。如图1。最下侧的刀具路经c。采用刀具半 径为R5的球头刀。此方法适合零件形状较深，可保证刀具的刚度、
19、强度及零件加工质 量。制匕主题相关图片如下:图1 -清根方法的再完善五、实际工作中的一个实例：铸造模具厂在加工汽车制动盘模具时，如下图2。使用CIMATRON 软件，由于齿尖处R为R3.2使用半径R3的平头铣刀应该没什么问题。 但是使用CIMATRON软件的人都知道，当加工凹型时刀具尺寸与凹型 相差很小时，程序根本就不运行，或者运行也出错，如下图3：形成了 不同的刀具路径。如果将刀具半径缩小到R2.5时，加工的效果比较好， 但是刀具的刚度、强度都降低了，影响加工效率和质量。于是我们改用 DELCAM软件。将其用IGES格式转换到DELCAM，加工参数与 CIMATRON相同。如图4。将图3和图4的刀具路径进行比较，从图形 上看DELCAM软件加工的效果要比CIMATRON软件好得多，而且加工 出来的模具确实比较好。实际工作中可能遇到各种问题，利用软件的各自的优势互补，达到 加工出合格产品的目的 事匕主题相关图片如下:图2制动盘模具顶视图制匕主题相关图片如下:IFG图3 CIMATRON软件加工制动盘模具的实例制匕主题相关图片如下:图4 DELCAM软件加工制动盘模具的实例
