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第二章 数控车床结构

第一节数控车床简介
车削加工是机械加工中应用最为广泛的方法之一，主要用于回转体零件的加工。数控车床的加工工艺类型主要包括：钻中心孔、车外圆、车端面、钻孔、镗孔、铰孔、切槽 、车螺纹、滚花、车锥面、车成形面、攻螺纹，此外借助于标准夹具（如四爪单动卡盘）或专用夹具，在车床上还可完成非回转体零件上的回转表面加工。
根据被加工零件的类型及尺寸不同，车削加工所用的车床有卧式、立式、仿形、仪表等多种类型。按被加工表面不同，所用的车刀也有外圆车刀、端面车刀、镗孔刀、螺纹车刀、切断刀等不同类型。此外，恰当地选择和使用夹具，不仅可以可靠地保证加工质量，提高生产率，还可以有效地拓展车削加工工艺范围。
一、数控车床的类型
1、按结构分类
数控车床分为立式数控和卧式数控车床两种类型。
1） 立式数控车床
用于回转直径较大的盘类零件的车削加工。
2） 卧式数控车床
用于轴向尺寸较大或较小的盘类零件加工。相对与立式数控车床来说，卧式数控车床的结构形式较多、加工功能丰富、使用的面积较广。本章主要是对卧式数控车床结构进行介绍。如图2-1-1所示两种不同的车床
卧式数控车床按功能来说可分为：经济型数控车床、普通型数控车床和车削加工中心。
A） 经济型数控车床
采用的是步进电动机和单片机，是通过对普通的车床的车削进给系统改善后形成的简易型数控车床，成本较低，但是自动化程度和功能都比较差，加工的精度也不高，适用于要求不太高的回转类零件的车削加工。
B） 通数控车床
根据车削加工要求在结构上进行专门设计并配备通用数控系统而形成的数控车床，数控系统功能强，自动化程度和加工精度也比较高，适用于一般回转类零件的车削加工。这种数控车床加工可以同时控制两个坐标轴，即X轴和Z轴。
C） 车削加工中心
在普通数控车床的基础上，增加了C轴和动立头，更高级的机床还带有刀库，可控制X、Z和C三个坐标轴，联动控制可以是（X、Z）、（Z、C）、或（X、C）。由于增加了C轴和铣削动力头，这种数控车床的加工功能大大的增强，除可以进行一般车削外，还可以进行径向和轴向铣削、曲面铣削、中心线不在零件回转中心的孔和径向孔的钻削等加工。
2、按导轨分类
水平床身的工艺性好，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，一般可用于大型数控车床或小型精密数控车床的布局。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，刀架水平放置使得滑板横向尺寸较长，从而加大了机床宽度方向的结构尺寸。
水平床身配上倾斜放置的滑板，并配置倾斜式导轨防护罩，这种布局形式一方面有水平床身工艺性好的特点，另一方面机床宽度方向的尺寸较水平配置滑板的要小，且排屑方便。

a) 水平床身 b) 斜车床身
图2-11两种数控车床
。 水平床身配上倾斜放置的滑板和斜床身配置斜滑板布局的形式被中、小型数控车床所普遍采用。这是由于此种布局形式排屑容易，热铁屑不会堆积在导轨上，也便于安装自动排屑器，操作方便，易于安装机械手 ，以实现单机自动化；机床占地面积小，外形简洁、美观，容易实现封闭式防护。
倾斜床身多采用30°、45°、60°、75°和90°角，常用的有45°、60°和75°。
数控车床的主传动系统一般采用直流或交流无级调速电动机，通过皮带传动，带动主轴旋转，实现自动无级调速及恒线速度控制。
主轴部件是机床实现旋转运动的执行件，结构如图2-1-2 所示。
其工作原理如下： 交流主轴电动机通过带轮 15 把运动传给主轴 7。 主轴有前后两个支承。前支承由一个圆锥孔双列圆柱滚子轴承 11 和一对角接触球轴承 10 组成，轴承 11 用来承受径向载荷，两个角接触球轴承一个大口向外（ 朝向主轴前端 ），另一个大口向里（朝向主轴后端），用来承受双向的轴向载荷和径向载荷。前支撑轴的间隙用螺母 8 来支撑。螺钉 12 用来防止螺母 8 回松。主轴的后支承为圆锥孔双列圆柱滚子轴承 14 ，轴 承间隙由螺母 1 和 6 来调整。螺钉 17 和 13 是防止螺母 1 和 6 回松的。主轴的支承形式为前端定位，主轴受热膨胀向后伸长。前后支承所用圆锥孔双列圆柱滚子轴承的支承刚性好，允许的极限转速高。 前支承中的角接触球轴承能承受较大的轴向载荷，且允许的极限转速高。主轴所采用的支承结构适宜低速大载荷的需要。主轴的运动经过同步带轮 16 和 3 以及同步带 2 带动脉冲编码器 4，使其与主轴同速运转。脉冲编码器用螺钉 5 固定在主轴箱体 9 上。
二、数控车床的基本原理
普通车床是靠手工操作机床来完成各种切削加工，而数控车床是将遍好的加工程序输入到数控系统中，由数控系统通过控制车床 X 、 Z 坐标轴的伺服电机去控制车床运动部件的动作顺序,移动量和进给速度，再配以主轴的转速和转向，便能加工出各种不同形状的轴类和盘类回转体零件。
三、数控车床的组成
数控车床由数控系统和机床本体组成，数控系统包括控制电源，伺服控制器，主机，主轴编码器,图像管显示器等组成。机床本体包括床身、电动机、主轴箱、电动回转刀架、进给传动系统、冷却系统、润滑系统、安全保护系统等组成。

如图2-1-2数控车床主轴部件

四、数控车床结构特点：
1、由于数控车床刀架的两个方向运动分别由伺服电动机驱动，所以它的传动链短。不必使用挂链、光杆等传动部件，用伺服电动机直接与丝杆联结带动刀架运动。伺服电动机丝杆间也可以用同步皮带副或齿轮副联结。
2、多功能数控车床是采用直流或交流主轴控制单元来驱动主轴，按控制指令作无级变速，主轴之间不必用多级齿轮副来进行变速。为扩大变速范围，现在一般还通过一级齿轮副，以实现分段无级调速，即使这样，床头箱内的结构已比传统车床简单得多。数控车床的另一个结构特点是刚度大，这是为了与数控系统高精度控制相匹配，以便适应高精度的加工。
3、数控车床的第三个结构特点是轻拖动。 刀架移动一般采用滚珠丝杆副，滚珠丝杆副是数控车床的关键机械部件之一，滚珠丝杆两端安装的滚动轴承要大的多，这种专用轴承配对安装，是选配的，最好在轴承出厂时就是成对的。
4、为了拖动轻便，数控车床的润滑都比较充分，大部分采用油雾自动润滑。
5、由于数控车床的价格较高、控制系统的寿命较长，所以数控车床的滑动导轨也要求耐磨性好。数控车床一般采用的是镶刚导轨，这样精度保持比较长、使用是寿命也加长。
6、数控车床还具有加工冷却充分、防护较严密等特点。自动运转时一般都处于全封闭或半封闭状态。
7、数控车床一般还配有自动排屑装置。

第二节 数控车床的卡盘和尾架
一、卡盘
数控车床一般用液压卡盘来夹持工件。液压卡盘是数控车削加工时加紧工件的重要附件，对一般回转类零件可采用普通液压卡盘；对零件被夹持部位不是圆柱形的零件，则需要采用专用的卡盘；用棒料直接加工时需要采用弹簧卡盘。液压卡盘通常都配备有未经淬火的卡爪，即所谓软爪。软爪分为内夹和外夹两种形式，卡盘闭合时夹紧工件的软爪为内夹式软爪，卡盘张开时撑紧工件的软爪为外夹式软爪。如图2-2-1所示卡盘.

a) b)
图2-2-1 普通的液压卡盘
二、尾座
尾座安装在床身导轨上，它可以根据工件的长短调节纵向位置。它的作用是利用套筒安装顶尖，用来支承较长工件的一端，也可以安装钻头、铰刀等刀具进行孔加工。
尾座的外型美观，与机床设计风格相称，尾座材料用1级铸铁，并经过时效处理，尾座可沿床身导轨移动，同时也可以利用偏心机构将尾座固定在需要的位置上，尾座和床头箱顶尖水平面的偏移，可借横向调节螺丝调节如图2-2-2所示为数控车床标准尾座结构简图。

图2-2-2 数控车床的液压尾座

第三节 数控车床的刀架
刀架是数控车床非常重要的部件。数控车床根据其功能，刀架上可安装的刀具数量一般为8把、10把、12把、16把，有些数控车床可以安装更多的刀具。
一、 刀架的结构形式
刀架的结构形式一般为回转式，刀具沿圆周方向安装在刀架上，可以安装径向车刀、轴向车刀、钻头、镗刀。车削加工中心还可以安装轴向铣刀、径向铣刀。少数数控车床的刀架为直排式，刀具沿一条直线安装。如图2-3-1所示数控车床的自动刀架.
二、数控车床的刀架种类
数控车床可以配备两种刀架：
1、专用刀架 由车床生产厂商自己开发，所使用的刀柄也是专用的。这种刀架的优点是制造成本低，但缺乏通用性。
2、通用刀架 根据一定的通用标准而生产的刀架，数控车床生产厂商可以根据数控车床的功能要求进行选择配置。

图2-3-1数控车床的自动刀架
3、刀架安装各种切削加工刀具，其结构直接影响机床的切削性能和工作效率。数控车床的刀架分为转塔式和排刀式刀架两大类。转塔式刀架是普遍采用的刀架形式，它通过转塔头的旋转、分度、定位来实现机床的自动换刀工作。两坐标连续控制的数控车床，一般都采用 6～12 工位转塔式刀架。排刀式刀架主要用于小型数控车床，适用于短轴或套类零件加工。
第四节 数控车床的刀具
一、数控车刀的功能
数控车床能兼做粗、精加工。为了使粗加工能以较大的切削深度、较大的进给速度加工，要求粗车刀具强度要高、耐用度好精车首先是要保证精度，所以要求刀具精度高、耐用度好。为减少换刀时间和方便对刀，应可能的多采用机夹刀。
二、数控车刀的类型
数控车削的车刀一般分为三类，即尖形车刀、圆弧形车刀和成型车刀如图2-4-1 2-4-2 2-4-3所示。
1、 尖形车刀
一直线切削刃为特征的车刀一般称为尖形车刀。这类车刀（同时也为其刀位点）由直线形的主、副切削刃构成，如90°内、外圆车刀，左、右端面车刀，切槽（断）车刀及刀尖倒棱很小的各种外圆和内孔车刀。用这类车刀加工零件时，其零件的轮廓形状主要由一个独立的刀尖或一条直线型主切削刃位移后得到，它与另两类车刀加工时所得到零件轮廓形状的原理是截然不同的。

图2-4-1数控车床两种刀具
2、 圆弧形车刀
圆弧形车刀是较为特殊的数控加工用车刀。其特征是：构成主切削刃的刀刃形状为一圆度误差或线轮廓度误差很小的圆弧，该圆弧刃每一点都是圆弧形车刀的刀尖，因此刀位点不在圆弧上，而在该圆弧的圆心上，车刀圆弧半径理论上与被加工零件的形状无关，并可按需要灵活确定或测定后确认。当某些尖形车刀（如螺纹车刀）的刀尖具有一定的圆弧形状时，也可以作为这类车刀使用。圆弧车刀可以用于车削内、外表面，特别适宜于车削各种光滑连接（凹形）的成型面。
3、成型车刀俗称样板车刀，其加工零件的轮廓形状完全由车刀刀刃的形状和尺寸决定。数控车削加工中，常见的成型车刀有小半径圆弧车刀、非矩形车槽刀和螺纹车刀等。在数控加工中，应尽量少用或不用成型车刀，当确定有必要选用时应在工艺准备文件或加工单上进行详细说明。
三、为了适应数控机床自动化加工的需要（如刀具的对刀或预调、自动换刀、自动检测及管理工作等），并不断提高产品的加工质量和生产效率，节省刀具费用，应多使用模块化和标准化刀具。

图2-4-2数控车床各种车刀

图2-4-3数控车床的刀片