第七章機(jī)械制造技術(shù)的發(fā)展1數(shù)控加工技術(shù)1．?dāng)?shù)控機(jī)床的基本概念1）數(shù)控（NumericalControl，NC）數(shù)控是采用數(shù)字化信息對(duì)機(jī)床的運(yùn)動(dòng)及其加工過(guò)程進(jìn)行控制的方法。2）計(jì)算機(jī)數(shù)控（ComputerNumericalControl，CNC）計(jì)算機(jī)數(shù)控是指采用微處理器或?qū)Ｓ梦C(jī)的數(shù)字控制方法。3）數(shù)控機(jī)床（NumericallyControlledMachineTool）數(shù)控機(jī)床是指裝備了計(jì)算機(jī)數(shù)控系統(tǒng)的機(jī)床。4）數(shù)控技術(shù)（NumericalControlTechnology）數(shù)控技術(shù)是指用數(shù)字化的信息對(duì)某一對(duì)象進(jìn)行控制的技術(shù)，控制對(duì)可以是位移、角度及速度等機(jī)械量，也可以是溫度、壓力、流量及顏色等物理量，這些量的大小不僅是可以測(cè)量的，而且可以經(jīng)A/D或D/A轉(zhuǎn)換，用數(shù)字信號(hào)來(lái)表示。數(shù)控技術(shù)是機(jī)械加工現(xiàn)代化的重要基礎(chǔ)與關(guān)鍵技術(shù)。

2．?dāng)?shù)控機(jī)床的組成數(shù)控機(jī)床由輸入輸出裝置、計(jì)算機(jī)數(shù)控裝置（簡(jiǎn)稱CNC裝置）、伺服系統(tǒng)和機(jī)床本體等部分組成，其組成框圖如圖7-1所示。其中輸入輸出裝置、CNC裝置、伺服系統(tǒng)合起來(lái)就是計(jì)算機(jī)數(shù)控系統(tǒng)。1）輸入輸出裝置在數(shù)控機(jī)床上加工零件時(shí)，首先根據(jù)零件圖樣上的零件形狀、尺寸和技術(shù)條件，確定加工工藝，然后編制出加工程序，程序通過(guò)輸入裝置，輸送給機(jī)床數(shù)控系統(tǒng)，機(jī)床內(nèi)存中的零件加工程序可以通過(guò)輸出裝置輸出。2）計(jì)算機(jī)數(shù)控裝置計(jì)算機(jī)數(shù)控（CNC）裝置是數(shù)控機(jī)床的核心，它接受輸入裝置送來(lái)的數(shù)字信息，經(jīng)過(guò)控制軟件和邏輯電路進(jìn)行譯碼、運(yùn)算和邏輯處理后，將各種指令信息輸出給伺服系統(tǒng)，使設(shè)備按規(guī)定的動(dòng)作執(zhí)行。現(xiàn)在的CNC裝置通常由一臺(tái)通用或?qū)Ｓ梦⑿陀?jì)算機(jī)構(gòu)成。3）伺服系統(tǒng)伺服系統(tǒng)是數(shù)控機(jī)床的執(zhí)行部分，其作用是把來(lái)自CNC裝置的脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)換成機(jī)床的運(yùn)動(dòng)，使機(jī)床移動(dòng)部件精確定位或按規(guī)定的軌跡做嚴(yán)格的相對(duì)運(yùn)動(dòng)，最后加工出符合圖樣要求的零件。每一個(gè)脈沖信號(hào)使機(jī)床移動(dòng)部件產(chǎn)生的位移量稱作脈沖當(dāng)量（也稱最小設(shè)定單位），常用的脈沖當(dāng)量為10μm/脈沖。每個(gè)進(jìn)給運(yùn)動(dòng)的執(zhí)行部件都有相應(yīng)的伺服系統(tǒng)，伺服系統(tǒng)的精度及動(dòng)態(tài)響應(yīng)決定了數(shù)控機(jī)床加工零件的表面質(zhì)量和生產(chǎn)率。伺服系統(tǒng)一般包括驅(qū)動(dòng)裝置和執(zhí)行機(jī)構(gòu)兩大部分，常用執(zhí)行機(jī)構(gòu)有步進(jìn)電動(dòng)機(jī)、直流伺服電動(dòng)機(jī)、交流伺服電動(dòng)機(jī)等。4）檢測(cè)元件（用于反饋信息）（1）要求：①高可靠性，高抗干擾性。②適應(yīng)精度和速度的要求。③符合機(jī)床使用條件。④安裝維護(hù)方便。⑤成本低。（2）種類及分類5）機(jī)床本體機(jī)床本體是數(shù)控機(jī)床的機(jī)械結(jié)構(gòu)實(shí)體，主要包括主運(yùn)動(dòng)部件、進(jìn)給運(yùn)動(dòng)部件（如工作臺(tái)、刀架）、支承部件（如床身、立柱等）。除此之外，數(shù)控機(jī)床還配備有冷卻、潤(rùn)滑、轉(zhuǎn)位部件、對(duì)刀及測(cè)量等配套裝置。與普通機(jī)床相比，數(shù)控機(jī)床在整體布局、外觀造型、傳動(dòng)機(jī)構(gòu)、工具系統(tǒng)及操作機(jī)構(gòu)等方面都發(fā)生了很大的變化，目的是為了滿足數(shù)控技術(shù)的要求和充分發(fā)揮數(shù)控機(jī)床的特點(diǎn)。（6）采用全封閉罩殼。由于數(shù)控機(jī)床是自動(dòng)完成加工，為了操作安全，一般采用移動(dòng)門結(jié)構(gòu)的全封閉罩殼，對(duì)機(jī)床的加工部件進(jìn)行全封閉。3．?dāng)?shù)控機(jī)床的分類數(shù)控機(jī)床的分類方法很多，根據(jù)數(shù)控機(jī)床的功能、結(jié)構(gòu)，可以大致從加工方式、運(yùn)動(dòng)控制方式、伺服控制方式和系統(tǒng)功能水平等幾個(gè)方面進(jìn)行分類，

1）金屬切削類數(shù)控機(jī)床指采用車、銑、鏜、鉸、鉆、磨及刨等各種切削工藝的數(shù)控機(jī)床，包括數(shù)控車床、數(shù)控鉆床、數(shù)控銑床、數(shù)控磨床、數(shù)控鏜床以及加工中心。2）金屬成形類數(shù)控機(jī)床指采用擠、沖、壓及拉等成形工藝的數(shù)控機(jī)床，包括數(shù)控折彎?rùn)C(jī)、數(shù)控組合沖床、數(shù)控彎管機(jī)及數(shù)控壓力機(jī)等。這類機(jī)床起步晚，但目前發(fā)展很快。3）數(shù)控特種加工機(jī)床如數(shù)控線切割機(jī)床、數(shù)控電火花加工機(jī)床、數(shù)控火焰切割機(jī)床及數(shù)控激光切割機(jī)床等。4）其他類型的數(shù)控機(jī)床如數(shù)控三坐標(biāo)測(cè)量?jī)x、數(shù)控對(duì)刀儀及數(shù)控繪圖儀等。2我國(guó)數(shù)控機(jī)床的現(xiàn)狀與特點(diǎn)我國(guó)出口額增幅較大的數(shù)控機(jī)床有數(shù)控車床、數(shù)控磨床、數(shù)控特種加工機(jī)床、數(shù)控剪板機(jī)、數(shù)控成形折彎?rùn)C(jī)及數(shù)控壓鑄機(jī)等，普通機(jī)床有鉆床、鋸床、插床、拉床、組合機(jī)床、液壓壓力機(jī)及木工機(jī)床等。出口的數(shù)控機(jī)床品種以中低檔為主。3數(shù)控加工的工序設(shè)計(jì)數(shù)控加工工序設(shè)計(jì)的主要任務(wù)是擬定本工序的具體加工內(nèi)容、確定加工余量和切削用量、定位夾緊方式及刀具運(yùn)動(dòng)軌跡，選擇刀具、夾具、量具等工藝裝備，為編制加工程序作好充分準(zhǔn)備。1．工序劃分、加工余量的選擇與工序尺寸公差1）工序劃分工序的劃分通常采用兩種不同原則，即工序集中原則和工序分散原則。在數(shù)控機(jī)床上加工零件的工序劃分方法有：①刀具集中分序法。該法是按所用刀具劃分工序，用同一把刀完成零件上所有可以完成的部位。再用第二把刀、第三把刀完成它們可以完成的部位。這樣可以減少換刀次數(shù)，壓縮空行程時(shí)間，減少不必要的定位誤差。②粗、精加工分序法。對(duì)單個(gè)零件要先粗加工、半精加工，而后精加工。對(duì)于一批零件，先全部進(jìn)行粗加工、半精加工，最后再進(jìn)行精加工。粗、精加工之間，最好隔一段時(shí)間，以使粗加工后零件的變形得到充分的恢復(fù)，再進(jìn)行精加工，以提高零件的加工精度。③按加工部位分序法。一般先加工平面、定位面，后加工孔；先加工簡(jiǎn)單的幾何形狀，再加工復(fù)雜的幾何形狀；先加工精度較低的部位，再加工精度要求較高的部位。2）工序余量和總余量在機(jī)械加工過(guò)程中，為了使毛坯變成成品而從加工表面上切去的一層金屬稱為總余量。為完成某一工序所必須切除的一層金屬稱為工序余量。工序完成后的工件尺寸稱為工序尺寸。對(duì)于回轉(zhuǎn)表面（外圓和內(nèi)孔）而言，加工余量是在直徑上考慮的，即所切除的金屬層厚度是加工余量的一半，稱這種余量為雙邊余量，3）工序尺寸公差由于在毛坯制造和各工序加工中都不可避免地存在誤差，因而使實(shí)際的加工余量成為一個(gè)變值。從圖7-7中可以看出，對(duì)于外表面來(lái)說(shuō)，公稱余量z是上工序和本工序基本尺寸（公稱尺寸）之差。2．加工路線的確定走刀路線是刀具在整個(gè)加工工序中相對(duì)于零件的運(yùn)動(dòng)軌跡，它不但包括了工步的內(nèi)容，也反映出工步的順序。走刀路線是編寫程序的依據(jù)之一。因此，在確定走刀路線時(shí)最好畫一張工序簡(jiǎn)圖，將已經(jīng)擬定出的走刀路線畫上去（包括進(jìn)、退刀路線），這樣可為編程帶來(lái)不少方便。工步順序是指同一道工序中，各個(gè)表面加工的先后次序。它對(duì)零件的加工質(zhì)量、加工效率和數(shù)控加工中的走刀路線有直接影響，應(yīng)根據(jù)零件的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和工序的加工要求等合理安排。工步的劃分與安排，一般可隨走刀路線來(lái)進(jìn)行，在確定走刀路線時(shí)，主要遵循以下原則。1）應(yīng)能保證零件的加工精度和表面粗糙度要求。2）應(yīng)使走刀路線最短，減少刀具空行程時(shí)間，提高加工效率。3）應(yīng)使數(shù)值計(jì)算簡(jiǎn)單，程序段數(shù)量少，以減少編程工作量。4數(shù)控系統(tǒng)1.數(shù)控系統(tǒng)的工作過(guò)程及功能數(shù)控系統(tǒng)的工作過(guò)程如下：（1）輸入輸入給數(shù)控系統(tǒng)的有零件加工程序、控制參數(shù)和補(bǔ)償數(shù)據(jù)等。（2）譯碼輸入的程序段含有以下信息，零件的輪廓信息（零件幾何元素的起點(diǎn)、終點(diǎn)、圓弧的圓心或半徑、直線或圓弧等）；要求的切削用量、使用的刀具、工具等；主軸的轉(zhuǎn)速大小、及轉(zhuǎn)速控制等信息；其他一些輔助信息如：冷卻液的開關(guān)、用正反轉(zhuǎn)等。（3）數(shù)據(jù)處理數(shù)據(jù)處理程序一般包括刀具半徑補(bǔ)償、速度計(jì)算和輔助功能的處理。（4）插補(bǔ)所謂插補(bǔ)就是根據(jù)給定的曲線類型（如直線、圓弧、或高次曲線）、起點(diǎn)、終點(diǎn)、以及速度，在起點(diǎn)和終點(diǎn)之間進(jìn)行數(shù)據(jù)點(diǎn)的密化，增加若干點(diǎn)的數(shù)據(jù)。計(jì)算機(jī)數(shù)控系統(tǒng)的插補(bǔ)功能主要由軟件實(shí)現(xiàn)，（5）伺服控制計(jì)算機(jī)送出的信號(hào)是非常微弱的，不能直接驅(qū)動(dòng)數(shù)控機(jī)床的電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)運(yùn)。這一步是將計(jì)算機(jī)送出的位置進(jìn)給脈沖或進(jìn)給速度指令，經(jīng)變換和放大后驅(qū)動(dòng)伺服電機(jī)（步進(jìn)電機(jī)或交直流伺服電機(jī)），從而帶動(dòng)機(jī)床工作臺(tái)移動(dòng)。（6）管理程序當(dāng)一個(gè)數(shù)據(jù)段開始插補(bǔ)時(shí)，管理程序即著手準(zhǔn)備下一個(gè)數(shù)據(jù)段的讀入、譯碼、數(shù)據(jù)處理。即由它調(diào)用各個(gè)功能子程序，且保證一個(gè)數(shù)據(jù)段加工過(guò)程中將下一個(gè)程序段準(zhǔn)備就緒。5數(shù)控編程基礎(chǔ)加工程序編制可分為手工編制和自動(dòng)編程兩類。手工編程：整個(gè)加工程序的編制過(guò)程是由人工完成的。要求編程人員不僅要熟悉數(shù)控代碼及編程規(guī)則，而且還必須具備機(jī)械加工工藝知識(shí)和數(shù)值計(jì)算能力。這種方法適用較簡(jiǎn)單零件的數(shù)控編程。自動(dòng)編程：借助CAD/CAM軟件，構(gòu)造CAD加工模型，再利用CAM進(jìn)行數(shù)據(jù)處理后自動(dòng)生成加工編程，經(jīng)仿真模擬檢測(cè)修正無(wú)誤傳輸給數(shù)控加工機(jī)床。這種方法適用復(fù)雜零件的數(shù)控編程。數(shù)控加工的工藝文件主要有工序卡、刀具調(diào)整單、機(jī)床調(diào)整單、零件的加工程序單。2）刀具調(diào)整單數(shù)控加工對(duì)刀具要求比較嚴(yán)格，一般都要在對(duì)刀儀上預(yù)先調(diào)整好。應(yīng)將工序卡中選用的刀具及其編號(hào)、型號(hào)、參數(shù)填入刀具調(diào)整單中，作為調(diào)整刀具的依據(jù)。調(diào)整結(jié)果的實(shí)際參數(shù)也記入刀具調(diào)整單中，供確定刀具補(bǔ)償值之用。4）加工程序單記錄工藝過(guò)程、工藝參數(shù)和位移數(shù)據(jù)的表格，稱為零件加工程序單。加工程序是制作控制介質(zhì)的依據(jù)。加工程序單中的每個(gè)程序段，其信息給出順序和形式的規(guī)則就是程序段格式?，F(xiàn)在一般使用的程序段格式為可變程序段格式。7.2精密加工和超精密加工精密加工是指在精加工之后從零件上切除很薄的材料層，以提高零件精度和減小表面粗糙度為目的的加工方法。1．研磨研磨是用研磨工具和研磨劑，從零件上研去一層極薄表面層的精加工方法。1）加工原理：研磨是在研具與零件之間置以研磨劑，研具在一定壓力作用下與零件表面之間作復(fù)雜的相對(duì)運(yùn)動(dòng)，通過(guò)研磨劑的機(jī)械及化學(xué)作用，從零件表面上切除很薄的一層材料，從而達(dá)到很高的精度和很小的表面粗糙度。2）研磨分類研磨方法分手工研磨和機(jī)械研磨兩種。（1）手工研磨是人手持研磨具或零件進(jìn)行研磨的方法，如圖7-40所示，所用研具為研磨環(huán)。研磨時(shí)，將彈性研磨環(huán)套在零件上，并在研磨環(huán)與零件之間涂上研磨劑，調(diào)整螺釘使研磨環(huán)對(duì)零件表面形成一定的壓力。（2）機(jī)械研磨是在研磨機(jī)上進(jìn)行，如圖7.41所示為研磨小件外圓用研磨機(jī)的工作示意圖。2.珩磨1）加工原理珩磨是利用帶有磨條（由幾條粒度很細(xì)的磨條組成）的珩磨頭對(duì)孔進(jìn)行精整加工的方法。如圖7-42（a）所示為珩磨加工示意圖，珩磨時(shí)，珩磨頭上的油石以一定的壓力壓在被加工表面上，由機(jī)床主軸帶動(dòng)珩磨頭旋轉(zhuǎn)并沿軸向作往復(fù)運(yùn)動(dòng)（零件固定不動(dòng)）。3．超級(jí)光磨1）加工原理超級(jí)光磨是用細(xì)磨粒的磨具（油石）對(duì)零件施加很小的壓力進(jìn)行光整加工的方法。如圖7-44所示為超級(jí)光磨加工外圓的示意圖。4．拋光加工原理拋光是在高速旋轉(zhuǎn)的拋光輪上涂以拋光膏，對(duì)零件表面進(jìn)行光整加工的方法。拋光輪一般是用毛氈、橡膠、皮革、棉制品或壓制紙板等材料疊制而成，是具有一定彈性的軟輪。拋光膏由磨料（氧化鉻、氧化鐵等）和油酸、軟脂等配制而成。綜上所述，研磨、珩磨、超級(jí)光磨和拋光所起的作用是不同的，拋光僅能提高零件表面的光亮程度，而對(duì)零件表面粗糙度的改善并無(wú)益處。超級(jí)光磨僅能減小零件的表面粗糙度，而不能提高其尺寸和形狀精度。7.3超精密加工1.超精密加工的分類（1）超精密切削。是指用單晶金剛石刀具進(jìn)行的超精密加工。（2）超精密磨削。是指用精細(xì)修整過(guò)的砂輪或砂帶進(jìn)行的超精密加工。（3）超精密研磨。一般是指在恒溫的研磨液中進(jìn)行研磨的方法。2．超精密加工的基本條件超精密加工的核心，是切除μm級(jí)以下極微薄的材料。為了較好地解決這一問(wèn)題，機(jī)床設(shè)備、刀具、零件、環(huán)境和檢驗(yàn)等方面，應(yīng)具備如下基本條件。1）機(jī)床設(shè)備2）刀具或磨具3）零件4）環(huán)境5）檢驗(yàn)特種加工方法特種加工是指利用諸如化學(xué)的、物理的（電、聲、光、熱、磁）、電化學(xué)的方法對(duì)材料進(jìn)行的加工。與傳統(tǒng)的機(jī)械加工方法相比，它具有一系列的特點(diǎn)，能解決大量普通機(jī)械加工方法難以解決甚至不能解決的問(wèn)題，1電火花加工1．加工的基本原理電火花加工是利用工具電極和零件電極間脈沖放電時(shí)局部瞬間產(chǎn)生的高溫，將金屬腐蝕去除來(lái)對(duì)零件進(jìn)行加工的一種方法。如圖7-46所示為電火花加工裝置原理圖。脈沖發(fā)生器1的兩極分別接在工具電極3與零件4上，當(dāng)兩極在工作液5中靠近時(shí)，極間電壓擊穿間隙而產(chǎn)生火花放電，在放電通道中瞬時(shí)產(chǎn)生大量的熱，達(dá)到很高的溫度（10000℃以上），使零件和工具表面局部材料熔化甚至氣化而被蝕除下來(lái)，形成一個(gè)微小的凹坑。多次放電的結(jié)果，就使零件表面形成許多非常小的凹坑。電極不斷下降，工具電極的輪廓形狀便復(fù)印到零件上，這樣就完成了零件的加工。2．電火花及線切割加工機(jī)床的組成電火花加工機(jī)床一般由脈沖電源、自動(dòng)進(jìn)給調(diào)節(jié)裝置、機(jī)床本體及工作液循環(huán)過(guò)濾系統(tǒng)等部分組成。電火花線切割是利用連續(xù)移動(dòng)的金屬絲作為工具電極，與零件間產(chǎn)生脈沖放電時(shí)形成的電腐蝕來(lái)切割零件。線切割用電極絲是直徑非常小的（φ0.04mm～0.25mm）鉬絲、鎢絲或銅絲。加工精度可達(dá)±（0.01mm～0.005mm），粗糙度Ra為3.2μm～1.6μm?？杉庸ぞ?、狹窄、復(fù)雜的型孔，常用于模具、樣板或成形刀具等的加工。3.電解加工1.電解加工原理電解加工是利用金屬在電解液中發(fā)生陽(yáng)極溶解的電化學(xué)反應(yīng)原理，將金屬材料加工成形的一種方法。如圖7-48所示為電解加工的示意圖。零件接直流電源的正極，工具接負(fù)極，兩極間保持較小的間隙（通常為0.02mm～0.7mm），電解液以一定的壓力（0.5MPa～2MPa）和速度（5m/s～50m/s）從間隙間流過(guò)。當(dāng)接通直流電源時(shí)（電壓約為5V～25V，電流密度為10A/cm2～100A/cm2），零件表面的金屬材料就產(chǎn)生陽(yáng)極溶解，溶解的產(chǎn)物被高速流動(dòng)的電解液及時(shí)沖走。2．電解加工設(shè)備的組成電解加工設(shè)備主要由機(jī)床本體、電源和電解液系統(tǒng)等部分組成。（1）機(jī)床本體。主要用作安裝零件、夾具和工具電極，并實(shí)現(xiàn)工具電極在高壓電液作用下的穩(wěn)定進(jìn)給。電解加工機(jī)床應(yīng)具有良好的防腐、絕緣以及通風(fēng)排氣等安全防護(hù)措施。（2）電源。其作用是把普通50Hz的交流電轉(zhuǎn)換成電解加工所需的低電壓、大電流的直流穩(wěn)壓電源。（3）電解液系統(tǒng)。主要由泵、電解液槽、凈化過(guò)濾器、熱交換器、管道和閥等組成，要求該系統(tǒng)能連續(xù)而平穩(wěn)地向加工部件供給流量充足、溫度適宜、壓力穩(wěn)定、干凈的電解液，并具有良好的耐腐蝕性。4.超聲波加工利用工具端面作超聲頻振動(dòng)，使工作液中的懸浮磨粒對(duì)零件表面撞擊拋磨來(lái)實(shí)現(xiàn)加工，稱為超聲波加工。人耳對(duì)聲音的聽(tīng)覺(jué)范圍為16Hz～16000Hz。頻率低于16Hz的振動(dòng)波稱為次聲波，頻率超過(guò)16000Hz的振動(dòng)波稱為超聲波。加工用的超聲波頻率為16000Hz～25000Hz。超聲波加工原理如圖7-49所示。圖7-49超聲波加工原理示意圖1-超聲波發(fā)生器；2-換能器；3-幅擴(kuò)大棒；4-工作液；5-零件；6-工具5.激光加工1.