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刹车盘材料对比和加工技术

近年来，能源，环境和安全问题受到普遍关注，汽车行业尤为突出。减轻汽车自重是提高汽车燃油经济性、降低能耗、提高安全性能的重要措施之一。汽车自重减轻10%，燃油效率即可提高15%。汽车自重每减轻100kg，百公里油耗可减少0.7L左右，每节省1L燃料可减少CO2排放2.5g。降低燃油消耗、减少向大气排出CO2和有害气体及颗粒已成为汽车工程界主攻的方向。轮毂作为汽车一个重要部件，对汽车节能、环保、安全性、操控性都有重要的影响，因此如何选材及加工成型，达到轻量化，意义深远。优质汽车轮毂包括以下基本条件：①质量轻，价格低，表面质量高，易于成型；②具有良好的静力学、动力学以及耐腐蚀特性；③具有良好的回转特性和导热特性；④具有良好的回收能力，符合环保要求。对于性能例如强度，目前可以采用专业工具进行分析，如美国MSC公司的MSC.NASTRAN，同时进行尺寸优化，但所有这些都基于选材。轮毂材料可以粗略分为钢铁材料、合金材料、复合材料等三大类别，同时结构上分为一件式、两件式、三件式，因此其加工制备工艺多种多样，本文将做详细论述。

1 钢铁材料
钢制辐板式轮毂的最早记录是1905年，由于其强度高、散热性能好、耐磨损等特性，在很长时间里被轿车采用。尽管70年代以来，各种新型材料如轻质合金等相继问世，但该种轮毂仍以其成熟简单的工艺，低廉的成本和优良的性能在汽车市场占据一定的份额。
1.1 碳素钢
碳素钢主要用于规则成型钢轮毂，该轮毂是由坚固的圆柱形轮辋和碳素钢轮盘焊接而成。为了改善刹车轮盘的通风情况，在轮毂上加工一定数量的圆孔，但这不会降低使用期内对外来受力的抵抗程度。尽管具有价格优势以及一般动力性能机车上的满意度，但对于一些特定类型的汽车而言，仍然具有许多缺点，故不推荐使用。
首先，由于该轮毂是由廉价的低抵抗力的碳素钢制作而成，对于刹车盘不能大面积冷却，因此，在高性能和安全性的车辆中
第二，由于该轮是由低强度材料制造而成，轮盘和轮辋的厚度要达到相当大的程度，导致重量增加。在现有制造工艺中，几乎不可能满足良好性能要求，更为重要的是，冷却刹车盘不会制作更多大面积的圆孔，而这又降低了减重的可能性。由于重量增加，轮毂具有较大的惯性，对于无悬浮结构支持的轮子来说，无疑增加了刹车和操控系统的阻力，难以掌握车子的运动方向，结果使刹车系统、悬浮系统、操控系统的改进尽数消除。因此，在高性能车中不使用该种轮毂。
第三，该轮毂生产构成不允许在表面之上装饰各种精美的图案，使其不可能装备豪华车和运动跑车，因为购买者不会接受因装该轮而缺乏美感。
1.2 球墨铸铁
球墨铸铁以其优良的综合力学性能应用在轮毂上，如铁素体球墨铸铁、高韧性球墨铸铁等。但是，由于类似碳素钢轮毂的缺点，以及铸造过程的复杂性和铸造模型所限，轮毂形状难于控制，限制了其应用。

1.3 其他钢铁材料
一些合金钢如加入钛元素的低合金钢，合金元素可以细化晶粒，提高钢的力学性能，使钢具有强度高、塑韧性好、加工成形性和焊接性良好，可以作为轮毂用钢；此外，低合金高强度F B双相钢，如低碳含铌钢，提高贝氏体含量，可以提高屈服强度，提高扩孔率，也可以用作轮辐和轮辋用钢。
在实际应用中的多数钢制轮毂是通过已成型的轮缘和轮盘焊接而成，尽量使自重降低。国外许多发明创新采用钢板冷变形加工而成轮辋与轮盘，并且在焊接方法上采用了一定的技术创新，如：US6052901等专利。

2 合金材料
2.1 铝合金
1923年，赛车开始使用砂模铸造铝合金车轮毂。第二次世界大战后，铝合金轮毂用于普通汽车。1958年，有了铸造整体铝合金轮毂，以后不久又有了锻造铝合金轮毂。1979年，美国把铝带成型车轮作为标准车轮。1980年，联邦德国奔驰公司开始成批采用带材成型铝合金轮毂装备240D型轿车。日本是世界上生产铝合金轮毂最多的国家，1973年，成批生产轿车铝合金车轮；1977年，成批生产载货车与大客车铝合金车轮；1979年，成批生产复杂摩托车铝合金车轮。在过去的10年，全球铝合金汽车轮毂产量的年平均增长率达71.6%。时至今日，世界上几个主要汽车生产大国已经将铝合金轮毂作为车辆的标准配置。
中国铝合金轮毂制造业发起于20世纪80年代末期。20世纪90年代中期，出现兴建汽车铝轮毂厂的投资高潮；1998-2001年期间，由于国内汽车铝轮毂产能远远大于国内汽车行业要求，进入了缓慢发展阶段；2002年至今，中国汽车制造业快速发展，出现新一轮投资汽车铝轮毂行业强劲势头。
与钢制汽车轮毂相比，铝合金汽车轮毂具有如下优点：①重量轻，可比钢制车轮毂重量减轻30%-40%，通常使用1 kg铝合金，汽车自重要下降2.25kg。美国目前每辆轿车用铝合金至少100kg，可减重225kg，按一辆轿车使用10年、行驶400km计算，可节约6.3t汽油，效益可观。铝合金汽车轮毂有明显的减重效果，见表1；②减震性能好，吸收冲击能量强，从而可以改善车辆的行驶性能，提高安全性；③导热性好，热导率约为钢的3倍，可以降低轮胎的工作温度，提高轮胎的使用寿命；④外形美观，采用不同工艺生产铝合金轮毂的结构可以多样化，可以很好地满足各类使用者的审美要求。
随着汽车安装ABS普及率的提高，为了减轻非悬挂件质量和减轻刹车系统的负荷，铝合金轮毂的使用正变得越来越普及。据统计，轻型车上铝合金轮毂的使用率现已达到50%左右，有的国家已经超过60%。轿车用铝合金轮毂大致可分为一体式和组合式两类。一体式可用铸造或锻造两种工艺生产，适用的铝合金有A356.2、AC4C、H5052等。组合式（二片型或三片型）轮毂的轮辋多由板材成型，轮辐则由板材成型或锻造成型，适用的铝合金有5054-O、5052-O和6063-O等。
汽车采用铝合金轮毂后件重效果明显，轻型车使用铝合金轮毂比传统钢制轮毂轻30%-40%，中型汽车可轻30%左右。美国森特来因·图尔公司用分离旋压法制出的整体板材（6061合金）车轮，比钢板冲压车轮重量减轻达50%，旋压加工时间不到90s/个，不需要组装作业，适宜大批量生产。另外，相同外径尺寸的轮毂使用铝合金轮毂抗压强度还有所提高。
表1　铝合金轮毂的减重效果

铝合金轮毂由环状轮圈与盘状轮盘即辐板两部分组成，其制造方法总体上分为焊接法、铸造法和锻造法3种。
（1）焊接法　
这种方法是将板材卷成圆筒，焊接后，对其进行简单处理或者用模具压制成轮辋，然后将事先铸出的轮辋焊接，从而生产出车轮毂一般须采用专用生产线，生产效率相当高，虽然生产线的投资十分昂贵，在大批量生产的情况下，其生产成本较低。但由于外观稍差及其他原因，这种方法尚不多用。焊接方法可以采用激光焊、电子束焊、或者同时采用激光焊和等离子焊。由于以上焊接焊缝很窄并且几乎不会影响到临近区域的强度性能，因此，焊接处适宜冷变形加工。为了避免厚度不同引起焊缝处焊接时发生的突变，靠近焊缝区的厚材料与薄材料相接时应有一定的坡度。同时，在制造一些大尺寸的轮毂时，也会采用焊接法，但也存在技术问题，如焊接的两端如何对齐等。
（2）铸造法
由于铸造法生产铝合金轮毂具有适应性强、花色品种多样、生产成本较低等优点，铸造法仍是生产铝轮毂最普遍的方法，在目前全世界生产的铝轮毂中，铸造的占80%以上。
●金属型重力铸造法　
常压下，液体金属靠重力作用充填金属铸型而获得铸件的一种铸造方法，也是一种古老的铸造方法。由于金属液在金属铸型中冷却速度较快，因而铸件比砂型铸造的组织致密，该法工序简单，设备投资少，生产成本较低，适用于中小规模生产。但此方法生产的铝轮毂内部质量较差，缩孔缩松严重，浇注过程中氧化膜和熔渣等夹杂物易卷入铸件，有时也会卷入气体而形成气孔缺陷，同时金属液的收得率也较低。国外铝轮毂生产此工艺已趋于淘汰，但国内有一些厂家仍在采用此工艺。
●金属型低压铸造法　
低压铸造是用干燥、洁净的压缩空气将保温炉中的铝液自下而上通过升液管和浇注系统平稳地上压到铸造机模具型腔中，保持一定压力（一般为20-60 kPa）直到铸件凝固后释放压力。因在压力下充型和凝固，所以充填性好，铸件缩松少，致密性高。该法中，坩埚表面的氧化膜不会被破坏，与其它铸造方法比较，气孔和夹渣缺陷少，产品内部质量好。由于低压铸造利用压力充型和补充，大大简化了浇冒系统的结构，使金属液收得率大大提高，一般可达90%，而金属型重力铸造仅40%-60%。目前低压铸造已成为铝轮毂生产的首选工艺，日本的丰田汽车公司、东京轻合金制作所、美国福特汽车公司的Wiru厂和Amcast工业有限公司的WWheelTek分公司等均采用此工艺生产铝轮毂，国内的铝合金轮毂制造企业多数也采用此工艺生产，现有数十家企业用低压铸造工艺生产铝合金汽车及摩托车轮毂。低压铸造法的缺点是铸造时间较长，加铝料、更换模具费时间，设备投资大，低压铸造机使用的升液管成本较高且易损坏。但是较采用其它铸造方法生产的同类产品重量减少了15%，机加工切削量由原来的2-3mm减少到0.75mm，轮毂价格降低了10%。
●压力铸造法　
压力铸造使液态金属在高压作用下以极高的速度充填型腔，并在压力作用下凝固而获得铸件。该工艺生产的铸件组织致密，力学性能好，强度和表面硬度较高，铸件的尺寸精确、表面光洁。但传统压铸工艺生产的铝轮毂最大的缺点是不能通过热处理来进一步提高性能，由于液体金属充型速度极快，型腔中气体很难完全排除，常以气孔形式存留铸件中，这些铸件孔隙中气体在热处理过程中会发生膨胀，使得铸件“起泡”。
为使压铸件也能适用于汽车保安件，近年来出现无气孔压铸新工艺，最有代表的是充氧压铸法。充氧压铸法是使压室和压型型腔内的金属液相间的空间充氧置换，并在高速高压下进行压铸，当液体金属充填时，一方面排气槽排出氧气，另一方面喷散的铝液与未排出的氧气发生反应，形成氧化铝小微粒，这种Al2O3质点颗粒细小，约在1μm以下，其质量占铸件总质量的0.1%-0.2%，不影响力学性能和加工性能，并分散在铸件内部，使铸件内不产生气孔。用充氧压铸法生产的铸件，可进行固溶处理和焊接。与传统压铸法相比，充氧压铸具有以下特点：①消除或减少了压铸件内部气孔，提高了铸件致密度；②充氧压铸件比普通压铸件铸态强度可提高10%，伸长率增加30%-50%。并可对充氧压铸件进行热处理进一步提高力学性能，热处理后强度能提高30%以上，伸长率增加80%-100%，屈服极限及冲击韧性也有显著提高；③充氧压铸件可在200-300℃的环境中工作；④充氧压铸对合金成分烧损甚微；⑤充氧压铸需附加充氧控制装置，给压铸型充氧不但消耗氧气，也会增加压铸循环时间，这将使充氧压铸件比普通压铸件的成本要高10%-15%。但对质量要求较高的铸件，采用充氧压铸后降低了铸件废品率和减少了质量控制费用，综合起来考虑，成本反而可以降低。
●挤压铸造法　
挤压铸造也称为液态模锻，是一种集铸造和锻造特点于一体的新工艺，该工艺是将一定量的金属液体直接浇入敞开的金属型内，通过冲头以一定的压力作用于液体金属上，使之充填、成形和结晶凝固，并在结晶过程中产生一定量的塑性变形。挤压铸造充型平稳，没有湍流和不包卷气体，金属直接在压力下结晶凝固，所以铸件不会产生气孔、缩孔和缩松等铸造缺陷，且组织致密、晶粒细化，力学性能比低压铸造件高产品既有接近锻件的优良力学性能，又有精铸件一次精密成形的高效率、高精度，且投资大大低于低压铸造法。
挤压铸造特别适合于生产汽车工业中的安全性零件，汽车铝轮毂是一种要求较高的保安件，金属型重力铸造、低压铸造、压力铸造工艺生产的产品虽能满足使用要求，但整体质量比挤压铸造铝轮毂相差一个档次。
（3）锻造法　
分常规锻造法、铸造锻造法和半固态模锻法。
●常规锻造法　
锻造是铝轮毂应用较早的成形工艺之一。锻造铝轮毂具有强度高、抗蚀性好、尺寸精确、加工量小等优点，一般情况其重量仅相当于同尺寸钢轮的1/2或更低。锻造铝轮毂的晶粒流向与受力的方向一致，其强度、韧性与疲劳强度均显著优于铸造铝轮毂。同时，性能具有很好地再现性，几乎每个轮毂具有同样的力学性能。锻造铝轮毂的典型伸长率为12%-17%，因而能很好的吸收道路的震动和应力。通常铸造轮毂具有相当强的承受压缩力的能力，但承受冲击、剪切与拉伸载荷的能力则远不如锻造铝轮毂。锻造轮毂具有更高的强度重量比。另外，锻造铝轮毂表面无气孔，因而具有很好的表面处理能力，不但能保证涂层均匀一致，结合牢靠，而且色彩也好。锻造铝轮毂的最大缺点是生产工序多，生产成本比铸造的高得多。
●铸造锻造法
该法是将铸造件作为锻造工序的坯料使用，对其进行塑性加工形变，由于将锻造作为零件最终成形的程序，因此可以消除铸造缺陷，改善制品的组织结构，使产品的力学性能比铸件大大提高，同时又充分发挥铸造工艺在成形复杂方面的优势，使形状复杂的产品锻造工序减少，材料利用率大大提高，生产成本降低。该技术生产铝轮毂，其性能完全可以达到锻件的力学性能指标，生产成本却可以比普通锻造件下降30%。目前，该工艺自1996年9月成功地应用到批量生产中以来，已被多家日本公司采用经济效果良好。国内在铸造锻造成形工艺方面虽有一些研究和应用，但还未见应用到铝轮毂的生产中。
●半固态模锻法
20世纪70年代初美国麻省理工学院M.C.Flemings教授等开发出的一种新型的金属加工工艺—半固态金属成形工艺。由于金属凝固过程中，固相率达到20%左右时，枝晶就形成连续网络骨架，失去宏观流动性，在此过程中施以强烈搅拌，可使常规凝固时易于形成的树枝晶网络骨架被打碎而成为分散的颗粒悬浮在剩余液相中，这种经搅动制备的合金一般称为非枝晶半固态坯料，这种半固态坯料在固相率达到50%-60%时仍具有很好的流动性，可以采用常规的成形工艺如压铸、模锻、挤压等实现金属的成形。所谓半固态模锻，就是将半固态坯料加热到有50%左右体积液相的半固态状态后一次模锻成形，获得所需的接近尺寸成品零件的工艺，这是一种介于固态成形和液态成形之间的崭新工艺。
半固态模锻具有许多独特的优点:零件在模内收缩较小，易于近终化成形，机械加工量减少，半固态模锻件表面平整光滑、内部组织致密，晶粒细小，力学性能高于压铸和挤压铸造件;成形不易裹气，宏观气孔和显微疏松比常规铸件中的少得多;成形温度低，模具寿命长。近10年来，半固态成形技术在国外获得了广泛的应用，已逐步成为各先进工业国家竞相发展的一个新领域，被专家学者称为21世纪新一代新兴的金属成形技术。预计在相当长的一段时期内，半固态成形的主要市场是汽车工业，应用最成功和最广泛的是汽车铝合金零件。美国已建成数家铝合金半固态模锻工厂。国内对这种技术的研究起步较晚，实际应用得很少。
以上对轮毂的制造方法作了具体介绍，总体来看，原有的基础上进行技术创新和发展新的加工成型技术是必然趋势。
压力铸造虽然效率高，成本低，但铸件不宜进行热处理，采用真空压铸工艺生产的轮毂具有一定的竞争力；金属型铸造法工艺最成熟，具有良好的力学性能，但加工余量大，浇注时容易产生疏松和裂纹缺陷等，应用最为广泛；低压铸造法铸件合格率高，但铸机和模具造价较高，且设计麻烦，具有一定市场，适合大尺寸轮毂；挤压铸造法铸件力学性能好，但挤压机较大，模具较为复杂和贵重，制造和维修费用较高，拥有一定的市场；锻造法轮毂轻量化，具有良好的综合性能，制造成本较高，但是，从长远来看，是一种经济的轮毂，发展空间很大。
2.2 镁合金
镁在世界汽车工业中的年增长率平均每年递增15%以上，该增长趋势预计至少会持续到2010年以后，见表2。
表2　汽车上镁合金用量的发展趋势（kt）

福特汽车公司研究实验室的Gerald.S.Cole于2000年10月在北京压铸镁国际研讨会上说，无论是美国或欧洲都将镁合金纳入重点研究，解决抗腐蚀能力、铸造工艺及装配和焊接工艺问题，最终将镁合金应用于车身和底盘零件上。Gerald.S.Cole在另一篇论文中提到，1990-1996年北美镁压铸件用量以每年20%递增。虽然当前镁用量大约是3.5kg/车，或占车自身质量的0.2%，但也有大量用镁的实例。如福特汽车公司1997年的“PNGV”P2000“mondeo-derivative”车上使用了39kg镁，占车重的2%。预计在今后的20年里，汽车上的镁用量将会超过100 kg/车（占总车的6% ），是当前使用量的30倍。按材料的这种用量，铸镁、铸铝、高强度钢及聚合物均将处于100-150kg的水平。镁必将成为一种适用于汽车大多数结构件的新颖材料。
镁作为有使用价值的材料始于1808年，直到1886年在德国首先开始应用于工业领域，1909年在德国法兰克福国际空展览会上，首次出现了用镁合金所铸的构件，1927年世界上出现高强度镁合金。我国是世界上镁矿资源最丰富的国家，是目前世界上最大的原镁生产国和出口国。我国镁合金的应用开发始于50年代末利用镁合金来制造飞机上的结构件，70年代初开始用于风动工具（凿岩机）上，80年代末上海桑塔纳轿车投产后，镁合金才开始用于汽车工业，但用量很少。国家的最终目标是充分发挥我国的镁资源优势，通过技术集成创新，加强镁合金应用开发，建立具有国际竞争力的镁合金高新技术产业群，将镁资源优势转化为经济优势。
镁合金优点：①镁合金是金属结构材料中最轻的金属，其屈服强度与铝合金的大体相当，与铝合金、钢、铁相比具有较低的弹性模量，在同样受力条件下，可消耗更大的变形功，具有降噪、减振功能，可承受较大的冲击震动负荷（表3）；②镁合金具有较好的铸造性能和加工性能，铸造镁合金的铸造性能良好，镁合金压铸件的最小壁厚可达0.6mm，而铝合金的为1.2-1.5mm。镁合金具有相当好的切削加工性能，镁合金、铝合金、铸铁、低合金钢切削同样零件消耗的功率比值为1.0∶1.8∶3.5∶6.3；③镁合金电磁屏蔽性能和导热性均较好，同时具有较好的耐磨性；④镁合金有较高的尺寸稳定性，稳定的收缩率，铸件和加工件尺寸精度高；⑤镁合金具有可回收性。
表3　各种材料的相关力学性能对比

出于上述特点，在可持续发展的今天，镁合金轮毂应运而生，具有以下优点：①比强度高；②抗振性能好，铝合金轮毂无法比拟；③受外力退让性好，镁合金轮毂比铝合金轮毂可以承受更强烈的冲击载荷；④截面设计自由度大，镁合金截面刚度随起厚度的立方比而增加，利于调整和设计方案；⑤切削性能好，轮毂表面无须抛光；⑥受冲击摩擦不会起火花。
无论如何，镁合金还没有成为轮毂材料的主流。原因之一是材料的价格；另一个原因是材料生产中的延展性困难，在产品的锻造和铸造生产中，需要特殊技术；此外，限止镁合金实际应用的另一个重要因素是镁的低耐蚀性。与标准电位相比，镁是-2.37，而铝的是-1.66，铁的电位是-0.44。这表明在诸如水和盐溶液等介质中，镁容易腐蚀。在防腐蚀技术领域中，为了保护一种金属将镁与其并列放置，通过两种不同金属相接触产生的电位差，镁做为阳极，从而产生保护作用。
在此种情况下，含有镁成分的材料的表面处理是十分重要的，一般是化学处理和电化学处理。镁合金与其他金属相连接构成的轮毂结构中，要避免两种金属之间直接相互接触，在镁合金轮毂中，镁合金与钢铁相接触的地方应当采用绝缘材料，或者选择与镁的电位差较小的材料。习惯上，为了避免接触位差的产生，通常用的方法是在轮毂的一面应用与镁电位差接近的材料。然而，无论如何该方法的运用不能完全阻止接触腐蚀的发生。当轮毂在与干燥空气相接触的工作环境中，即使仅仅采用该防腐措施，也不会出现特殊的问题；当轮毂的工作环境有诸如水和盐溶液等电介质存在时，有助于不同种类材料接触腐蚀的发生，特别汽车轮毂存在如下问题：冬天里，汽车在喷洒有氯化钙或其他防冻剂的路面上行驶时，包含盐的水溶液等介质会通过其上的中心孔洞进入其中，出于轮毂结构的设计，这些介质会在其中保留很长一段时间而不会枯竭，这便加速了腐蚀过程。镁合金轮毂通过螺栓，铆钉，螺母等连接装置固定在一起，由于连接件是由合金钢或者不锈钢制造的，因此，之间会产生很大的电位差，加速轮毂的腐蚀，为此，常采用镀锌、镉等连接件，然而，由于受到摩擦力的作用以及在行驶中沙砾溅起碰撞，镀层很容易被损坏，从而受到腐蚀。
因此，新型镁合金材料开发主要包括高温抗蠕变镁合金、高韧性镁合金、高强度镁合金、高耐腐蚀性镁合金变形镁合金等。同时，镁合金熔炼、凝固和轮毂热处理过程中存在一系列问题，因此生产铝轮毂的工艺和结构制造镁合金轮毂是不现实的，但随着技术发展，各种问题会不断的得到解决。

3 复合材料
复合材料是应现代科学技术发展而出现的具有强大生命力的材料。由于复合材料具有特殊的振动阻尼特性，可减振和降低噪声、抗疲劳性能好，损伤后易修理，便于整体成形，故可用于制造汽车车身、受力构件、传动轴、发动机架及其内部构件。
随着数控加工技术的普及，产品质量要求的不断提高，盘类零件已大量采用数控车床进行加工。正确的工艺、工装设计使数控车床呈现出加工精度高、加工灵活等众多特点。
发动机飞轮、刹车盘等是典型的汽车盘类零件。本文将通过加工实例来分析、阐述此类零件在工艺设计、工装设计上的一些关键点及常用设备的选择意见。
工艺设计
盘类零件的数控加工工艺设计，最重要的是将有相互行位公差要求的加工面安排在一道工序内，在一次装夹下完成加工，消除二次装夹误差。
1、精加工某发动机飞轮（图1）

图3.1 某发动机飞轮
若用图2所示的立式多刀自动车床加工，加工工艺为：
1） 精车大平面。安排左、右其中一个刀架车平面，另一个刀架车内孔（φ438mm、φ50mm）。
2）再精车基准A面。安排左、右其中一个刀架车平面，另一个刀架车内孔（φ128mm）和外圆（φ412mm）。

图3.2 立式多刀自动车床
该工艺受机床动作功能限制φ128mm孔与φ50mm孔不能在同一工序内完成，需正反两次装夹加工，由于重复定位误差及夹具制造误差的存在，很难稳定满足产品两孔的同轴度要求。
    为满足产品设计要求，稳定控制产品质量，可采用如图3的数控车床加工，工艺设计上利用数控车床的自动换刀功能采用内孔背镗刀用程序控制从A面加工φ50mm内孔，将φ128mm、φ50mm安排在同一道工序内加工完成。避免重复定位误差及夹具制造误差对加工精度的影响，保证产品φ0.03mm的同轴度要求。

图3.3 立式数控车床

2、精加工某发动机飞轮正反两个平面（图4）

图3.4 某发动机飞轮

图3.5 专用背镗刀
一般传统工艺是先精车一面，然后下道工序再精车另一面。第二序工件再次装夹的质量对加工精度（平行度）的影响非常大（用一般三爪卡盘夹紧，工件易产生夹紧抬起）。若采用数控车床，工艺设计上可根据工件的结构特点设计专用刀具（如图5）在一道工序上完成两面的精加工：大平面朝上，程序控制专用刀具背镗F面。因为内孔直径为φ48mm，F面最大加工直径φ100mm，切削宽度26mm，图示专用刀杆的强度最弱处尺寸为20mm，用于精加工强度足够。该工艺方案充分利用了产品的结构特点和数控设备动作控制灵活的特点，不但可减少一道加工工序，节约设备和加工成本，而且可稳定保证加工质量。

4 精加工某制动盘
精加工图6所示基准A面及上下制动面，要满足产品要求三个平面必须一次装夹在同一工序内完成加工，并且要采用图7所示专用刀夹和卡爪，同时精车上下制动面。这样加工并不完全是提高加工效率，更主要的是为了满足产品“两制动面一周厚度变化不大于0.01mm”的质量要求。虽然数控车可以采用两把刀具通过程序控制分别加工。

图4.1 某制动盘

图4.2 专用刀夹和卡爪
上下制动面受主轴的摆差、加工变形等因素的影响，很难满足上述要求，只能采用“同时”加工，将系统的误差“同时”反映在上下制动面上才能满足产品的质量要求。两把刀加工完毕后不能直接退刀，否则，将在制动面上留下退刀痕迹。因此，下面一把刀必须具备向下“让刀”动作，然后机床程序控制刀塔上移，使上面的刀具“让刀”后两把刀一起快退，最后，下面一把刀必须向上“复位”，以保证上下制动面尺寸。这样，数控车要配备专用“液压双面刀架”。
尽管数控车加工精度高、加工灵活，在进行工艺设计时仍要根据产品特点仔细分析，没有正确的工艺设计，再先进的设备也发挥不了它的价值。
工装设计
数控车床的主要装夹工具是卡盘，设计使用时应重点考虑卡盘的定心精度，避免工件夹紧变形和抬起现象。
1、保证定心精度的方法
当加工面与装夹面有较高的同轴度要求时，卡盘的卡爪一般要在设备本身经过“自车”来保证定位面与主轴轴线同心度。“自车”时应尽量模拟在加工状态下自车：例如“自车”正爪时，应在卡爪行程的中间位置卡紧一个辅具（如图8），并且“自车”时的油缸压力应与正常工作时压力一致。

图4.3 自车卡爪

图4.4 某发动机用飞轮
卡爪“自车”后的圆弧面直径应与工件的卡紧外圆直径尽量一致。同样，“自车”反爪时，最好涨紧一个辅具。
2、保证端面跳动精度的方法
工件的轴向定位支撑可以通过调整或“自车”来保证定位点“共面”。但是传统结构的三爪卡盘，卡爪要在卡爪座内移动，必然要存在一定的滑动间隙。在夹紧过程中，不可避免的会产生 。
工件“抬起”现象。当工件要求加工面与定位面之间有较严的跳动要求时，统结构的三爪卡盘是很难保证装夹精度的。图9是某发动机用飞轮，为保证内孔、外圆的同轴度要求必须将它们安排在同一道工序内完成（大平面向上装夹）。可是工件翻面加工A面时，要保证图示跳动要求，加工时必须保证工件的定位面紧贴卡盘的轴向定位面。若采用传统结构的三爪盘装夹很难满足加工要求。因此，应采用带有“向下拉力”的卡盘，工件夹紧时，有一个向下的分力将工件紧贴定位面。另外，卡盘作为数控车床的关键部件，要按说明书指定的方法，按时润滑及拆解清洗，防止鉄屑加剧滑动面的磨损。
设备选择意见
1、机床结构的选择
(1) 卧式“简易数控车床”（如图10）。这种机床采用平床身的布局，机床的制造工艺性好，便于导轨面的加工。水平床身配上水平放置的刀架，可提高刀架的运动精度。但是水平床身由于下部空间小，故排屑困难。从结构尺寸上看，刀架水平放置使滑板横向尺寸较长，从而加大了机床宽度方向的结构尺寸。该设备的主要特点是具备两轴联动功能并且设备价格便宜。但是之所以称其为“简易数控车床”是因为它的主轴不能无级调速、刀架装刀数量较少、快移速度慢、无自动排屑机构，床身整体结构比数控卧式车床的刚性差、加工精度低。但是该设备经过多年改进，技术成熟、运转稳定，加工精度可达IT7～IT8，可用于零件的粗加工、半精加工和简单的型面加工。

图4.5 卧式简易数控车床

(2) 卧式数控车床（如图11）。这类机床结构一般有斜床身结构和平床身斜滑板结构两种布局。导轨倾斜的角度小，排屑不便；倾斜角度大，导轨的导向性及受力情况差。其倾斜角度的大小还直接影响机床外形尺寸高度与宽度的比例。综合考虑以上因素，中小规格的数控车床，其床身的倾斜度以60°为宜。其中平床身斜滑板结构。

图4.6 卧式数控车床
一方面具有水平床身工艺性好的特点，另一方面机床又具有斜床身结构宽度方向的尺寸小、排屑方便、机床占地面积小，外形美观，容易实现封闭式保护等优点。这两种布局形式被中、小型数控车床所普遍采用。在选择时，整体斜床身结构的刚性略高于平床身斜滑板结构，设备价格也略高一些。当存在重切削加工内容时最好选用整体斜床身结构。卧式数控车床比较适宜轴类零件及直径较小（<φ300mm）重量较轻（<10kg）的盘类零件的加工。
(3) 立式数控车床。与卧式数控车床最大的区别是主轴与水平方向垂直，适宜直径较大、较重的盘类、轮毂类工件，工件装卸方便、定位可靠，便于组成加工自动线。另外德国埃马克公司研制的倒置式数控车，是对传统结构的一种革新，它更有利于组成自动线，实现自动上下料。但是此类设备价格较高，一般轿车用的盘类零件由于批量大、直径小比较适宜选用。
2、刀塔结构的选择
图12为立式刀塔，该结构刀具的安装数量较多，适宜加工工件高度不高盘类零件。若加工类似轮毂这样需要镗深孔的工件，则适宜选择图13所示的卧式刀塔，因为刀具悬深较长，选择立式刀塔，刀具的干涉半径较小，装刀的数量将受到限制。为避免干涉，实际装刀数量将减少。

图4.7 立式刀塔

图4.8 卧式刀塔
另外在转位方式上有电动和液压两种方式。电动刀塔换刀快捷并且故障低、维修方便，但价格略高。
由于数控立车的投资比较大，在选择时，要广泛调研，结合加工工件特点及成本投入综合考虑。在选择数控系统时，应根据加工工件的复杂程度、工厂的应用习惯综合进行考虑。目前国产控制系统在一般加工应用中也很成熟和稳定。