1.4　數控車削中工件的定位與裝夾

1.4.1　車削中工件的定位

車削的零件大多數為回轉體類,由于數控車削編程和加工的特點,通常工件徑向定位后要保證工件坐標系Z軸與機床主軸軸線同軸,可采用通用夾具裝夾工件,如三爪自動定心卡盤、頂尖等。

如果工件加工表面中心線與工件上某軸線有偏心(如曲軸),則必須采用偏心卡盤、偏心頂尖或專用夾具裝夾,使加工表面中心線位于機床主軸回轉軸線上,這時偏心卡盤、偏心頂尖或專用夾具的定位中心線應是工件上某軸線,定位中心線到主軸回轉中心線的距離等于加工表面中心線與工件某軸線偏心距離,這時工件坐標系Z軸是加工表面中心線。

為了充分發揮數控車床的高速度、高精度和自動化的特點,必須有相應的數控夾具與之配合。數控車床夾具除了使用通用三爪自定心卡盤、頂尖等,還常使用自動化的液壓、電動和氣動卡盤與頂尖等。

1.4.2　定位基準的選擇

(1)基準重合原則

選用設計基準(工序基準)作為工件的定位基準,稱為基準重合,即定位基準與設計基準重合。數控加工應使設計基準、定位基準、編程原點三者統一,這是最優方案。因為當加工面的設計基準與定位基準不重合,且加工面與工序基準不在一次安裝中同時加工出來時,將產生基準不重合誤差。

(2)基準統一原則

基準統一指在多個工序或多次安裝中,選用同一個定位基準。基準統一有利于保證工件加工的位置精度。

(3)便于裝夾原則

所選擇的定位基準應能保證定位準確、可靠,定位、夾緊機構簡單,敞開性好,操作方便,能加工盡可能多的表面。

(4)便于對刀原則

定位基準應便于對刀操作。如果所選定位基準通過對刀建立工件坐標系,影響對刀的方便性,有時甚至無法對刀,應考慮重新設定工件坐標系。

1.4.3　工件的裝夾

(1)用三爪自定心卡盤裝夾工件

三爪自定心卡盤能自動定心,一般不需找正,裝夾工件方便、省時,但夾緊力較小,所以適用于裝夾外形規則的中、小型工件。三爪自定心卡盤的卡爪可采用正爪或反爪兩種安裝形式,反爪安裝用來裝夾直徑較大的工件。數控車床多采用氣動或液動卡盤,如圖1?11所示,通過調整液壓缸的壓力,可改變卡盤的夾緊力,以滿足夾持各種薄壁和易變形工件的特殊需要。用三爪自定心卡盤裝夾精加工表面(精基準),可使用軟爪夾持工件,軟爪弧面由操作者隨機配制,可獲較高的定位精度。采用三爪自定心卡盤夾持較長軸類工件時還可使用尾座頂尖支持工件(一夾一頂的安裝方式)。為減少細長軸加工時的受力變形、提高加工精度,以及在加工帶孔軸類工件內孔時,還可使用數控自動定心中心架。

① 裝夾工件。三爪自定心卡盤張開卡爪(張開量大于工件直徑),把工件安放在卡盤內,在加工需要的情況下盡量減少工件伸出長度。裝夾工件時,右手持穩工件,使工件軸線與卡爪保持平行,腳踏卡盤開關將卡爪夾緊,如圖1?12(a)所示。

② 檢查工件的徑向跳動。三爪自定心卡盤能自動定心,采用毛坯面裝夾一般不必找正,但當裝夾長度較短而伸出長度較長時,遠端因重力等作用,會“下垂”,遠端同軸度很差,需要找正;當三爪自定心卡盤使用時間較長,已失去應有精度,而工件的加工精度要求又較高時,也需要找正。通常在離卡盤最遠處的跳動量最大,跳動量若大于加工余量,也必須找正后再加工。找正的方法如圖1?12(b)所示,先輕夾工件,將劃針尖靠近工件軸端外圓,慢速轉動卡盤,右手移動劃線盤,使針尖與外圓的最高點剛好未接觸到。然后目測外圓與劃針尖之間的間隙變化,當出現最大間隙時,用錘子將工件輕輕向劃針方向敲擊,要求間隙約縮小1/2。然后再重復檢查和找正,直至跳動量小于加工余量時為止。操作熟練時可用目測法進行找正,找正后夾緊工件。

夾持盤類零件,雖然靠近卡盤夾緊端,同心度較高,但是端面跳動(垂直度)會很大,也需要找正。

(2)用兩頂尖間裝夾工件

對于長度尺寸較大或加工部位較多的軸類工件,為保證裝夾時的裝夾精度,可用兩頂尖裝夾。兩頂尖裝夾工件方便,不需找正,裝夾精度高,但必須先在工件的兩端面鉆出中心孔。

① 所需工藝裝備

a.前頂尖。前頂尖有兩種,一種是將頂尖插入主軸錐孔內,使用時須卸下卡盤,換上撥盤來帶動工件旋轉,如圖1?13(a)所示,前頂尖每次安裝時都要把主軸孔和頂尖錐柄擦干凈。卸下前頂尖的方法是用一根棒料從主軸孔后稍用力頂出頂尖。另一種是在三爪自定心卡盤上夾一根帶臺階的棒料,然后把棒料車成60°頂尖,作為前頂尖,如圖1?13(b)所示。這種頂尖拆下后,再使用時,必須將錐面重車一刀,以保證60°圓錐軸線與主軸旋轉軸線同軸。采用三爪自定心卡盤裝夾頂尖,卡盤還起到了撥盤帶動工件旋轉的作用。

數控車床常用撥齒頂尖作為前頂尖,撥齒用于傳遞轉矩。撥齒頂尖結構如圖1?14所示。殼體1可通過標準變徑套或直接與車床主軸孔連接,殼體內裝有用于坯件定心的頂尖2,撥齒套5通過螺釘4與殼體連接,常采用此夾具加工?10~60mm直徑的軸類零件。

b.后頂尖。后頂尖也有兩種,一種是固定頂尖,如圖1?15(a)所示。使用時固定頂尖不轉動,因此與中心孔產生滑動摩擦,需要在工件中心孔內加潤滑脂,適用于低速車削加工精度要求較高的工件。另一種是回轉頂尖,如圖1?15(b)所示,在工作中回轉頂尖與工件中心孔一起轉動,適用于高速切削,在加工中廣泛使用。

后頂尖安裝前,必須把頂尖錐柄和尾座套筒的錐孔擦干凈。安裝時用力插入,使錐面緊密結合。拆卸后頂尖時,可移動尾座套筒,由絲杠前端將后頂尖頂出。

c.夾頭。夾頭分為雞心夾頭和對分夾頭,在兩頂尖裝夾時用于給工件傳遞轉矩,如圖1?16所示。

② 兩頂尖裝夾工件時注意事項

a.前、后頂尖的連線應與車床主軸回轉軸線同軸,否則車出的工件會產生錐度誤差。

找正后頂尖:在機床上安裝兩頂尖后要檢查后頂尖是否對準主軸中心,檢查方法如圖1?17所示,以前頂尖為基準使后頂尖與前頂尖輕微接觸,目測后頂尖是否與前頂尖對準,如有偏移,要調整尾座的橫向位置找正。

b.尾座套筒在不影響車刀切削的前提下,伸出長度應盡量短些,以增加剛性、減少振動。

c.中心孔應形狀正確,表面粗糙度值小。軸向精確定位時,中心孔倒角可加工成準確的圓弧形倒角,并以該圓弧形倒角與頂尖錐面的切線為軸向定位基準定位。

d.兩頂尖與中心孔的配合應松緊合適。

③ 兩頂尖間裝夾工件的操作步驟

a.在工件一端外圓上安裝雞心夾頭,擰緊固定螺釘,如后頂尖用固定頂尖,應在中心孔內加潤滑油。

b.移動尾座,套筒盡可能伸出短些,前、后頂尖之間距離接近工件長度時將尾座鎖緊。

c.裝夾工件。將有雞心夾頭一端裝在前頂尖上,手持穩工件,移動尾座,當工件中心孔與后頂尖靠近時,要使工件中心孔對準后頂尖,使頂尖進入中心孔將工件頂住。

d.移動刀架,使車刀刀尖離工件端面5~10mm,如刀架碰到尾座則應松開尾座重新調整套筒的伸出長度。

e.調整工件的頂緊程度。左手轉動工件,右手調整尾座套筒,使工件頂緊程度合適,達到既能轉動又無軸向間隙,然后鎖緊尾座套筒。

f.鎖緊雞心夾頭的固定螺釘,如工件裝夾面是已加工表面,要在工件與螺釘間墊銅片以防夾傷表面。前頂尖用卡盤裝夾時,還應注意雞心夾頭的撥桿不可碰卡盤面。

(3)一夾一頂裝夾工件

用兩頂尖裝夾工件雖然精度高,但剛性較差。因此,車削質量較大工件時一端用卡盤夾住,另一端用后頂尖支撐,后頂尖選用回轉頂尖,即一夾一頂裝夾。為了防止工件由于切削力的作用而產生軸向位移,可以在主軸孔中安裝限位裝置,如圖1?18(a)所示,也可以在工件上車一段10~15mm長的臺階圓用作限位,如圖1?18(b)所示。一夾一頂裝夾工件比較安全,能承受較大的軸向切削力,安裝剛性好,軸向定位準確,所以應用比較廣泛。其操作要點如下。

① 在棒料工件的一端車端面、鉆中心孔。工件的總長及另一端中心孔均不用車。

② 裝夾時頂尖不能過緊或過松,要求用手轉動工件時回轉頂尖隨之一起轉動。然后將工件夾緊,尾座套筒鎖緊。

(4)使用中心架

① 中心架結構。一夾一頂車外圓,調頭車端面、鉆中心孔時,須使用中心架作支承,中心架結構如圖1?19所示。圖中主體通過壓板和螺母緊固在床面上,上蓋和主體用銷子作活動連接,在裝卸工件時,上蓋可以打開和扣合,并用螺母固定。支承爪的移動可用螺母來調整,以適應不同直徑的工件,并用螺釘固定。

② 在中心架上車端面、鉆中心孔的方法

a.工件的裝夾。在工件已加工表面上墊銅片,用三爪自定心卡盤夾住,夾持長度為15~20mm。由于工件伸出長度較長,軸線會產生歪斜,應通過找正,使工件的軸線與主軸的軸線基本一致。

b.將尾座與床鞍移向機床導軌的尾端。將中心架置于機床導軌上,調整支承爪開度,使其大于工件直徑。

c.打開上蓋,將中心架移向工件軸端處,在不影響車削的情況下盡可能支承在工件軸端,位置確定后將中心架固定。

d.對正工件軸線,調整中心架下面靠近操作者的支承爪,當與工件靠近時,轉動卡盤,目測工件轉動時外圓與支承爪間的間隙是否保持一致,如間隙忽大忽小,應輕輕敲擊外圓,使其向間隙寬的一邊移動直至間隙達到基本一致為止。如果工件同軸度要求較高時,需用百分表找正工件的上素線和側素線。

e.開動機床,主軸轉速為150~200r/min。在工件運轉時,調整支承爪與工件的接觸程度,當支承爪與工件表面相接觸時,旋動支承爪的手指會有輕微的接觸感覺,當手指感覺到時即用緊固螺釘將支承爪緊固。然后用同樣的方法調整下面的另一支承爪。下面兩支承爪位置固定后,將中心架上蓋扣合,并用螺母緊固。最后調整上蓋上的支承爪。支承爪與工件間的接觸表面要加油潤滑。

f.車端面至工件總長尺寸。

g.工件在中心架上鉆中心孔,工件安裝如圖1?20所示。在試鉆時若發現工件中心不對,應松開中心架支承爪,重新調整,直至中心位置正確為止。

③ 數控自動定心中心架。為提高加工效率數控車床常采用數控自定心中心架。數控自定心中心架外形如圖1?21(a)所示。該中心架采用自動控制,作為機床附件提供。中心架通過安裝架與機床導軌相連[圖1?21(b)],工作時由主機發信號,通過液壓或氣壓驅動使其夾緊或松開。其潤滑則采用中心潤滑系統。

(5)用雙三爪自定心卡盤裝夾

對于精度要求高、變形要求小的細長軸類零件可采用雙主軸驅動式數控車床加工,機床兩主軸軸線同軸、轉動同步,零件兩端同時分別由三爪自定心卡盤裝夾并帶動旋轉,這樣可以減小切削加工時切削力矩引起的工件扭轉變形。