《数控车削编程和加工技术》部分习题答案
第一章 数控车床的工件原理和组成
1．数控车床和普通车床相比，具有哪些加工特点？
答：数控车床主要用于轴类和盘类回转体零件的加工，能够通过程序控制自动完成内外圆柱面、圆锥面、圆弧面、螺纹等工序的切削加工，并可进行切槽、钻、扩、铰孔和各种回转曲面的加工。数控车床加工效率高，精度稳定性好，操作劳动强度低，特别适用于复杂形状的零件或中、小批量零件的加工。 数控车床和普通车床相比，具有三个方面的特色。
（1）高难度加工。如 “口小肚大”的内成型面零件，在普通车床上不仅难以加工，并且还难以检测。采用数控车床加工时，其车刀刀尖运动的轨迹由加工程序控制，“高难度”由车床的数控功能可以方便地解决.
（2）高精度零件加工。复印机中的回转鼓、录像机上的磁头及激光打印机内的多面反射体等超精零件，其尺寸精度可达0.01?m，表面粗糙度值可达Ra0.02?m，这些高精度零件均可在高精度的特殊数控车床上加工完成。
（3）高效率完成加工。为了进一步提高车削加工的效率，通过增加车床的控制坐标轴，就能在一台数控车床上同时加工出两个多工序的相同或不同的零件，也便于实现一批复杂零件车削全过程的自动化。 2．试简述数控车床工作时的控制原理。
答：数控车床是一种高度自动化的机床，是用数字化的信息来实现自动化控制的，将和加工零件有关的信息——工件和刀具相对运动轨迹的尺寸参数（进给执行部件的进给尺寸）、切削加工的工艺参数（主运动和进给运动的速度、切削深度等），以及各种辅助操作（主运动变速、刀具更换、冷却润滑液关停、工件夹紧松开等）等加工信息——用规定的文字、数字和符号组成的代码，按一定的格式编写成加工程序单，将加工程序通过控制介质输入到数控装置中，由数控装置经过分析处理后，发出各种和加工程序相对应的信号和指令控制机床进行自动加工。数控车床的数字控制的原理和过程通过下述的数控车床组成可得到更明确的说明。 3．数控车床一般由哪几部分组成？各有何作用？
答：数控车床是由数控程序及存储介质、输入/输出设备、计算机数控装置、伺服系统、机床本体组成。
数控程序是数控车床自动加工零件的工作指令，程序必须存储在某种存储介质中，如纸带、磁带或磁盘等，采用哪一种存储载体，取决于数控装置的设计类型。
输入/输出装置：是机床和外部设备的接口，目前输入装置主要有纸带阅读机、软盘驱动器、RS232C串行通信口、MDI方式等，存储介质上记载的加工信息需要通过输入装置输送给机床数控系统，机床内存中的零件加工程序可以通过输出装置传送到存储介质上。
CNC装置：是数控加工中的专用计算机，是数控机床的“大脑”，CNC装置由硬件和软件组成，软件在硬件的支持下运行。
数控车床的进给传动系统常用伺服进给系统来工作，数控车床伺服系统是以车床移动部件的位置和速度为控制量的自动控制系统，又称随动系统、拖动系统或伺服系统。
车床本体是加工运动的实际机械部件，主要包括：主运动部件、进给运动部件（如工作台、刀架）和支承部件（如床身、立柱等），还有冷却、润滑、转位部件，如夹紧、换刀机械手等辅助装置。 5．数控车床开环、半闭环和闭环控制系统各有何特点？
按照伺服系统的结构特点，伺服单元或驱动器通常有四种基本结构类型：开环、闭环、半闭环及混合闭环。开环伺服机构，即无位置反馈的系统，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，操作方法容易掌握，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、伺服电机、速度检测器和位置检测器组成，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车床所采用。闭环伺服机构的工作原理和组成和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车床。 6．数控车床对进给伺服系统有哪些要求？
为了提高数控车床的性能，对车床进给伺服系统提出了很高的要求。由于各种数控车床所完成的加工任务不同，所以对进给伺服系统的要求也不尽相同，但大致可概括为以下几个方面：高精度，快速响应，宽调速范围，低速大转矩，好的稳定性。
7．数控车床常用的位置检测装置有哪些？
不同类型的数控车床对于检测系统的精度和速度有不同的要求，一般来说，大型数控车床以满足速度要求为主，而
中小型和高精度数控车床以满足精度要求为主。位置检测装置的分类如下表所示。
数 字 式 增 量 式 脉冲编码器 圆光栅 长光栅 直线型 激光干涉仪 编码尺 绝 对 式 增 量 式 旋转变压器 旋转型 编码盘 圆感应同步器 圆磁栅 直线感应同步器 磁栅 多极旋转变压器 三速圆感应同步器 绝对值式磁尺 三速感应同步器 模 拟 式 绝 对 式 8．数控车床的传动系统和普通车床的传动系统有哪些主要的差别？
数控车床主轴变速分为有级变速、无级变速及分段无级变速三种形式，其中有级变速仅用于经济型数控车床上，大多数数控车床均采用无级变速或分段无级变速。
主轴传动和进给传动一样，经历了从普通三相异步电动机传动到直流主轴传动，而随着微处理器技术和大功率晶体管技术的使用，现在又进入了交流主轴伺服系统的时代，目前已很少见到在数控车床上使用直流主轴伺服系统。 9．试简述数控车床的刀架转位换刀过程。
在数控车床上，刀架转换刀具的过程是：接受转刀指令→松开夹紧机构→分度转位→粗定位→精定位→锁紧→发出动作完成后的回答信号。驱动刀架工作的动力有电力和液力两类。
10．车床数控系统有哪些基本功能？其特别功能对数控车削加工有何作用？
数控装置的功能通常包括基本功能和选择功能。基本功能是数控系统的必备功能，选择功能是供用户根据机床特点和用途进行选择的功能。CNC装置的功能主要反映在准备功能G指令代码和辅助功能指令代码上。 主轴功能：除对车床进行无级调速外，还具有同步进给控制、恒线速度控制及主轴最高转速控制等功能。
多坐标控制功能：控制系统可以控制坐标轴的数目，指的是数控系统最多可以控制多少个坐标轴，其中包括平动轴和回转轴。
自动返回参考点功能：该系统规定有刀具从当前位置快速返回至参考点位置的功能，其指令为G28。该功能既适用于单坐标轴返回，又适用于X和Z两个坐标轴同时返回。
螺纹车削功能：该功能可控制完成各种等螺距（米制或英制）螺纹的加工，如圆柱（右、左旋）、圆锥及端面螺纹等。 固定循环功能：固定循环中的G代码指令的动作程序要比一般的G代码所指令的动作要多得多，因此使用固定循环功能，可以大大简化程序编制。
插补功能：CNC装置是通过软件进行插补计算，连续控制时实时性很强，计算速度很难满足数控车床对进给速度和分辨率的要求。因此实际的CNC装置插补功能被分为粗插补和精插补。
进行轮廓加工的零件的形状，大部分是由直线和圆弧构成，有的是由更复杂的曲线构成，因此有直线插补、圆弧插补、抛物线插补、极坐标插补、螺旋线插补、样条曲线插补等。
辅助功能：是数控加工中不可缺少的辅助操作，用地址M和它后续的数字表示。在ISO标准中，可有M00~M99共100种。辅助功能用来规定主轴的起、停，冷却液的开、关等。
刀具功能：刀具功能是用来选择刀具，用地址T和它后续的数值表示。刀具功能一般和辅助功能一起使用。 补偿功能：加工过程中由于刀具磨损或更换刀具，以及机械传动中的丝杠螺距误差和反向间隙，将使实际加工出的零件尺寸和程序规定的尺寸不一致，造成加工误差。因此数控车床CNC装置设计了补偿功能，它可以把刀具磨损、刀具半径的补偿量、丝杠的螺距误差和反向间隙误差的补偿量输入到CNC装置的存储器，按补偿量重新计算刀具的
运动轨迹和坐标尺寸，从而加工出符合要求的零件。
字符显示功能：CNC装置可以配置单色或彩色CRT，通过软件和接口实现字符和图形显示。可以显示加工程序、参数、各种补偿量、坐标位置、故障信息、零件图形、动态刀具运动轨迹等。
自诊断功能：CNC装置中设置了各种诊断程序，可以防止故障的发生或扩大。在故障出现后可迅速查明故障类型及部位，减少因故障而造成的停机时间。
通信功能：通常具有RS232C接口，有的还备有DNC接口。现在部分数控车床还具有网卡，可以接入因特网。
第二章 数控车削加工工艺基础
1．适于数控加工的内容主要有哪些？不适于数控加工的内容主要有哪些？ 答：适于数控加工的内容主要有：
（1）普通车床上无法加工的内容应作为优先选择的内容。
（2）普通车床难加工，质量也难以保证的内容应作为重点选择的内容。
（3）普通车床加工效率低、工人手工操作劳动强度大的内容，可在数控车床尚存在富余加工能力时选择。 数控车削加工的主要对象是：精度要求高的回转体零件；表面粗糙度要求高的回转体零件；轮廓形状特别复杂的零件；带特殊螺纹的回转体零件等。
不适于数控加工的内容：
（1）占机调整时间长。例如，以毛坯的粗基准定位加工第一个精基准，需用专用工装协调的内容。
（2）加工部位分散，需要多次安装、设置原点。不能在一次安装中加工完成的其他零星部位，采用数控加工很麻烦，效果不明显，可安排普通车床补加工。
（3）按某些特定的制造依据（如样板、样件、模胎等）加工的型面轮廓。主要原因是获取数据困难，易于和检验依据发生矛盾，增加了程序编制的难度。
（4）必须按专用工装协调的孔及其他加工内容（主要原因是采集编程用的数据有困难，协调效果也不一定理想）。 2．数控车削加工工艺主要包括哪些方面？数控加工工艺具备哪些特点？ 答：数控加工工艺主要包括以下几个方面的内容：
（1）通过数控加工的适应性分析选择并确定进行数控加工的零件内容。 （2）结合加工表面的特点和数控设备的功能对零件进行数控加工的工艺分析。 （3）进行数控加工的工艺设计。
（4）根据编程的需要，对零件图形进行数学处理和计算。
（5）编写加工程序单（自动编程时为源程序，由计算机自动生成目的程序——加工程序）。 （6）检验和修改加工程序。
（7）首件试加工以进一步修改加工程序，并对现场问题进行处理。
（8）编制数控加工工艺技术文件，如数控加工工序卡、程序说明卡，走刀路线图等。 数控加工工艺具备特点：工艺内容具体、工艺设计严密、注重加工的适应性。 3．数控车削加工阶段是怎样划分的？
答：当零件的加工质量要求较高时，往往不可能用一道工序来满足其要求，而要用几道工序逐步达到所要求的加工质量。为保证加工质量，合理地使用设备、人力。零件的加工过程通常按工序性质不同，可分为粗加工、半精加工、精加工和光整加工四个阶段。
4．为什么加工过程中要划分粗、精加工阶段？
答：（1）保证加工质量。工件在粗加工时，切除的金属层较厚，切削力和夹紧力都比较大，切削温度也比较高，会引起较大的变形。如果不划分加工阶段，粗、精加工混在一起，就无法避免上述原因引起的加工误差。按加工阶段加工，粗加工造成的加工误差可以通过半精加工和精加工来纠正，从而保证零件的加工质量。（2）合理使用设备。粗加工余量大，切削用量大，可采用功率大、刚度好、效率高而精度低的车床。精加工切削力小，对车床破坏小，
采用高精度车床。这样发挥了设备的各自特点，既能提高生产率，又能延长精密设备的使用寿命。（3）便于及时发现毛坯缺陷。（4）便于安排热处理工序。
5．工序的划分原则是什么？数控车床上加工零件应按什么原则划分工序？
答：工序的划分可以采用两种不同原则，即工序集中原则和工序分散原则。在数控车床上加工零件，应按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甚至全部的表面加工。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。 6．制订零件车削加工顺序一般应遵循哪些原则？
答：制定零件车削加工顺序一般应遵循以下原则：先粗后精，先近后远，先内后外。 7．确定走刀路线的依据是什么？
答：最短的空行程路线、最短的切削进给路线、零件轮廓精加工一次走刀完成。 特殊处理：（1）先精后粗、（2）分序加工。（3）程序段最少。 8．在确定定位基准和夹紧方案时，应注意哪些问题？ 答：在确定定位基准和夹紧方案时，应注意以下几点：
（1）力求设计基准、工艺基准和编程原点统一，以减少基准不重合误差和数控编程中的计算工作量。
（2）选择粗基准时，应尽量选择不加工表面或能牢固、可靠地进行装夹的表面，并注意粗基准不宜进行重复使用。 （3）选择精基准时，应尽可能采用设计基准或装配基准作为定位基准，并尽量和测量基准重合，基准重合是保证零件加工质量最理想的工艺手段。精基准虽可重复使用，但为了减少定位误差，仍应尽量减少精基准的重复使用（即多次调头装夹等）。
（4）设法减少装夹次数，尽可能做到一次定位装夹后能加工出工件上全部或大部分待加工表面，以减少装夹误差，提高加工表面之间的相互位置精度，充分发挥机床的效率。
（5）避免采用占机人工调整式方案，以免占机时间太多，影响加工效率。 9．数控车削中常用的夹具有哪些？
答：数控车床主要用三爪卡盘装夹，除此之外，数控车床加工还有许多相应的夹具，主要分为轴类和盘类夹具两大类：用于轴类工件的夹具有自 `````````````````````````````````````````````````````````````````````````````动夹紧拔动卡盘、拔齿顶尖、三爪拔动卡盘等；用于盘类工件袋夹的主要有可调卡爪式卡盘和快速可调卡盘。 10．数控车床对刀具有哪些性能要求？对刀具材料性能有哪些要求？ 答：（1）刀具性能方面。
① 强度高。② 精度高。③ 切削速度和进给速度高。④ 可靠性好。⑤ 耐用度高。 ⑥ 断屑及排屑性能好。
（2） 刀具材料必须具备一些主要性能：较高的硬度和耐磨性；较高的耐热性；足够的强度和韧性；较好的导热性；良好的工艺性；较好的经济性。 11．目前常用的刀具材料有哪些？
① 高速钢。主要有通用型高速钢和高性能高速钢。高性能高速钢的耐用度是通用型的3～15倍，主要牌号为W18Cr4V和W6Mo5Cr4V2，后者在强度、韧性方面优于前者，但热稳定性稍差。
② 硬质合金。其常用牌号有：YG类， YT类， YW类，如YW1和YW2等，可广泛用于加工铸铁、有色金属、各种钢及其合金等。
③ 涂层刀具。涂层硬质合金刀片的耐用度至少可提高1～3倍，而涂层高速钢刀具的耐用度则可提高2～10倍。 ④ 非金属材料刀具。用作刀具的非金属材料主要有：陶瓷、金刚石及立方氮化硼等。 12．数控车削和普通车削所使用的刀具有哪些不同？如何正确选择数控车削用车刀？ 答：数控车床车削的常用车刀一般可分为三类，即尖形车刀、圆弧形车刀、成型车刀。 13．可转位车刀一般按照哪些特征选择刀具类型?
答：可转位刀具按工艺类别已有相应ISO标准和GB国家标准，标准以若干位特定的英文字母代码和阿拉伯数字组合，表示该刀具的各项特征及尺寸，在选择之前需确定加工工艺类别，即外圆车削、内孔车削、切槽、铣削或是其他。从有效刃数来看，同等条件下，圆形刀片最多，菱形刀片最少，最近又现出了一种80°的四边形刀片（Q型），
这种刀片比80°菱形刀片的有效刃数增加了一倍。从切削力考虑，主编角越小，在车削中对工件的径向分力越大，越易引起切削振动。
此外，可转位车刀的选用还需根据加工对象、加工条件考虑选用刀片夹紧方式、刀杆头部形式、刀片后角、左右手刀柄的选择、切削刃长度、刀片精度等级、刀尖圆弧半径、断屑槽形状等方面。 14．可转位车刀和通用车床所使用的刀具相比具有哪些特点？
答：数控车床所采用的机夹可转位车刀，和通用车刀相比，一般无本质的区别，其基本结构、功能特点是相同的。但数控车床的加工工序是自动完成的，因此对可转位车刀的要求又有别于通用车床所使用的刀具，具体要求和特点如表2-1所示。
表2-1 数控车床选用机夹可转位车刀的要求和特点 要 求 特 点 刀片采用M级或更高精度等级的； 精度高 刀杆多采用精密级的； 用带微调装置的刀杆在机外预调好。 采用断屑可靠性高的断屑槽型或有断屑台和断屑可靠性高 换刀迅速 器的车刀； 采用结构可靠的车刀，采用复合式夹紧结构和夹紧可靠的其他结构。 可靠性高 换刀迅速 刀片材料 刀杆截形 采用车削工具系统； 采用快换小刀夹。 刀片较多采用涂层刀片。 刀杆较多采用正方形刀杆，但因刀架系统结构差异大，有的需采用专用刀杆。 目 的 保证刀片重复定位精度，方便坐标设定，保证刀尖位置精度。 断屑稳定，不能有紊乱和带状切屑； 适应刀架快速移动和换位以及整个自动切削过程中夹紧不得有松动的要求。 迅速更换不同形式的切削部件，完成多种切削加工，提高生产效率。 满足生产节拍要求，提高加工效率。 刀杆和刀架系统匹配。 15．选择切削用量的一般原则是什么？
答：（1）切削深度ap的确定：在车床主体—夹具—刀具—零件这一系统刚性允许的条件下，尽可能选取较大的切削深度，以减少走刀次数，提高生产效率。
（2） 主轴转速的确定方法：除螺纹加工外，其他和普通车削加工时一样，应根据零件上被加工部位的直径，并按零件和刀具的材料及加工性质等条件所允许的切削速度来确定。
（3）确定进给速度的原则：① 当工件的质量要求能够得到保证时，为提高生产效率，可选择较高（2 000mm/min以下）的进给速度。② 切断、车削深孔或用高速钢刀具车削时，宜选择较低的进给速度。
③ 刀具空行程，特别是远距离“回零”时，可设定尽量高的进给速度。④ 进给速度应和主轴转速和切削深度相适应。
16．数控加工中大批量生产、小批量生产、单件加工在加工工艺安排上有何不同？
答：如表所示是大批量生产时加工CA6140型车床主轴的工艺过程，但对于小批量生产大体上也是适用的，区别较大的地方一般在于定位基准面、加工方法以及加工装备的选择。
表3 不同生产类型的主轴加工基准面的选择 工 序 名 称 加工中心孔 粗车外圆 钻深孔 半精车和精车 粗、精车外锥 粗、精车外圆 粗、精磨锥孔 毛坯外圆 中心孔 粗车后的支承轴颈 两端锥堵的中心孔 两端锥堵的中心孔 两端锥堵的中心孔 两支承轴颈外表面或靠近两支承轴颈的外圆表面 定 位 基 准 大 批 生 产 画线 中心孔 夹一端，托另一端 夹一端，顶另一端 两端锥堵的中心孔 两端锥堵的中心孔 夹小端，托大端 小 批 生 产 在大批量生产时，主轴的工艺过程基本体现了基准重合、基准统一和互为基准的原则，而在单件小批生产时，按具体情况有较多的变化。同样一种类型主轴的加工，当生产类型不同时，定位基准面的选择也会不一样，如表2-3
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