【導讀】machinist.technology.machinetool.

　　

【正文】 ）所具有的加工能力。 在這個部分我們來看數(shù)控機床切削使用的工具。 CNC 控制器能被用來驅動和控制多種機床和機構。舉幾個例子，如刳刨機進行木料加工；激光、離子弧、火焰切削、噴水切削鋼板；在制造和裝配中機器人的控制等。本書的這個部分僅是一般介紹 而不能作為專業(yè)機床的設計手冊。由于計算機能力和容量的巨大增長，機床的控制技術很頻繁地發(fā)生著變化。在機床控制發(fā)展中的精彩部分是在每個先進技術上的使用變得很容易了。 NC 的優(yōu)勢 人工操作機床可能有和 CNC 機床一樣的物理特性，例如馬力和尺寸，其金屬切削原理也是一樣的。 CNC 最大的好處是通過計算機控制機床刀具的運動， CNC控制的機床可能簡單得象 2 刀鉆床或復雜得象 5 刀的加工中心（如圖 O1）。兩軸的加工機床，其特點是低轉速、高馬力軸有高進給率，高轉速軸允許高效的高速切削刀具如鉆石和小直徑的刀具的使用（如圖 O2）。 它的切削刀具是標準的刀具如磨床的刀具、鉆子、鉆探工具或車刀，這些刀具依賴于所使用的機床型號。切削速度和進給量要象在其他操作機床中一樣是正確的。 CNC 機床的最大優(yōu)勢來自無錯的和快速的可能運動的控制。數(shù)控機床不會在一次加工完成后停下來計劃下一次的運動，它不會疲勞，它是不中斷的機床，機床只有在它切削的時候才有生產性。 當切削過程被適當?shù)倪M給量和切削速度控制時，時間的節(jié)約可以通過快速的進給率來完成?？焖龠M給從 60發(fā)展到 200到 400到現(xiàn)在已接近每分 1000英寸了。這樣高的進給率對在機床工作區(qū)的任何人構成了安全威 脅。 在 CNC 機床之前，復雜形狀的加工是極困難的。 CNC 使這些形狀的加工制造在經(jīng)濟上是可行的。零件的設計變化通過改變控制機床的程序而相對容易實現(xiàn)。 CNC 機床不需要額外的時間和特別的預防就可生產高精度的嚴格公差的零件。 CNC 使機床不需要復雜的夾具，這使零件很快被加工從而節(jié)約了時間。一旦程序準備好并加工零件，每個零件都將花與第一個一樣的時間。這個一致性允許很精確地控制加工成本。數(shù)控機床的另一個優(yōu)勢是大量存貨的減少，零件可以在需要時再被加工。在傳統(tǒng)制造中，為了增加效率，通常一大批零件被同時加工。有了 CNC 即 使一件也能夠被經(jīng)濟地加工。在很多情況下，一個 CNC 機床完成了要建立幾臺相同傳統(tǒng)機床才能做的操作。 CAM 和 CNC CAM 系統(tǒng)改變了 CNC 程序員的工作，即從手工編制 CNC 代碼到 CNC 機床的輸出最大值。自從手工 CNC 機床被一大批廠家生產以來，許多不同的 CNC 控制單元就被使用了。各個不同的廠家的控制單元使用各個不相同的程序與代碼。許多CNC 代碼語句可被不同的控制器識別。但其間還有眾多的區(qū)別。為了在有著不同控制器（如 FAWC、 OKUMA、或 DYNAPATH）生產一個可互換的零件，將需要完全不同的 CNC 代碼 。每個制造商在不斷地提高和更新其 CNC 控制。這些改進通常包括附加的代碼語句在已有代碼如何工作上的變化。 CAM 系統(tǒng)允許 CNC 程序員在高效的加工過程的建立上濃縮、精選、而不重新學習已改變的代碼格式。一個 CNC程序員看著一個零件的圖紙，并且設計必要的機床操作來制造這個零件（如圖O3）。這個設計包括以下每個因素，從可能使用的 CNC 機床的選擇，到機床的使用選擇，再到加工時的零件裝夾的選擇。 CNC 程序員必須對這個即將寫入程序的CNC 機床的能力和局限有一個完全的了解。機床主參數(shù)如馬力主軸馬力、最大轉速、工作臺的重量、工 具的尺寸限制、加工變化能力等只是值得考慮的影響程序的因素中的一些。對程序員要求的另一個最重要領域是制造過程的知識。舉例如選擇最佳的切削工具來完成零件圖上所標的公差和表面光潔度。這個加工過程的程序是吹毛求疵地獲得符合的結果。機床極限能力必須考慮全面，這就需要刀具材料，刀具類型，和其推薦應用的知識。一個優(yōu)秀的程序員將花相當數(shù)量的時間來研究關于新的、改進的刀具和刀具材料的快速設計者發(fā)表的書籍。通常在切削方面使用兩年前的技術的刀具現(xiàn)在就是落后的。新刀具的信息來自手冊或刀具制造商的刀具之資料。刀具選擇或最佳刀具工作條 件的幫助同樣可在刀具制造商的軟件中獲得。例如： Kennametal’ s 被設計來幫助不同的使用其車間的工廠選擇最佳的機床；“ TOOCPRO”的另一個很重要的特征是為每個機床選擇馬力需求等等這些就允許設計者選擇一個結合了切削速度、進給率和切削深度等因素的機床。這就勝任于粗選中最佳馬力的選擇。對于光潔度的加工，零件在加工中最小進給量被選定，接著切削速度直到轉速與機床的最佳轉速相等時才不變。這就幫助最大提高了機床效率。如果不只一臺機床在同時工作的話了解一臺機床的功率需求是必要的。 為加工中心使用的軟件是 ENGERSOLL CUTTING TOOL 公司的 ACTUAL CHIP THICKNESS。程序被用來計算磨床每次進的給量，特別是在微量的光潔度加工中。ENGERSOLL 的“精密分析”軟件作為機床剛度和機床力的功能來。在這一點上我們觀察一些廣泛的設計人員應掌握的規(guī)格?，F(xiàn)在我們測試 CAM 系統(tǒng)怎樣工作。點控公司（ POINT CPNTROLL COMPANY）的 SMARTCAM 系統(tǒng)使用接下來的手段：首先設計人員使用一個金屬零件模型去加工。這包括的加工方式是 車或磨。接著這個零件圖被研究來做成機床加工工序，粗加工 或精加工、鉆、沖、磨等操作。被使用的裝夾夾具是虎鉗，抓盤還是卡盤？這些考慮之后，計算機輸出就可開始了。首先還是工藝卡的建立。這個工藝卡由各種記錄（例如：英制或公制，機床類型、零件卡、切削材料類型、安裝記錄、和所需要機床的描述 其第二個編程的步驟是零件的制造。這描述了一個所設計機床操作的生動模型。從已準備好的 JOBPLAN 中選好機床后，切削加工的參數(shù)就被編入。對鉆床而言，一旦孔的位置坐標和深度被給出，一個孔就給出現(xiàn)在那點。如果其位置是錯的，其撤消命令選擇這一記錄，并允許你給這個工序新的值。當端面磨時，切削運動通常被定義為弧。當一條直線被編入程序， TOOLPATH 就會生動的顯示，其錯誤也可立即被糾正。 在程序運行的任意時刻，命令 SHOWPATH 會顯示當前的刀具軌跡，也會顯示刀具在實際加工時的使用順序。當?shù)毒哌\動順序需要改變時，可 用一個按鍵來實現(xiàn)它。 有時， CAM 的程序順序和實際加工的順序是各不相同的。某部件的孔的加工就是一個例子。首先，在 CAM 中編譯已加工孔的外部輪廓，再把外部輪廓當成粗基準來加工內孔。根據(jù)輸入切削的寬和深以及完成切削需切去的材料，計算機產生粗切削的加工程序。程序員嘗試各種粗基準，以便選出最有效的切削加工方法。由于用不同的顏色代表不同的刀具，所以觀察不同刀具的軌跡是很容易的。一個CAM 系統(tǒng)可讓程序員從不同的角度觀察圖形，比如說從頂部、正面、側面或立體圖。俯視中正確的刀具軌跡，在正視圖中，切削的深度是不正確的，其變 化顯而易見。 當?shù)毒呗窂郊捌漤樞蚨ê煤?，機床的代碼應被做好。這和詳細指明加工這個部件的 CNC 機床一樣容易。運行時，指定機床的代碼發(fā)生器相當于四個不同的鍵。JOBPLAN 文件運行時，表示刀具信息， GRAPHICS 文件表示刀具路徑和切削順序。也用 MACHINE DEFINE 文件表示 CNC 代碼命令。這個文件可提供最大的進給速度、轉速、加工時間等等。當代碼發(fā)生器完成時，加工的計劃時間就確定了。這個時間是根據(jù)進給速度，運行的距離，兩點間在最大進給時間速度下無切削運動的時間，換刀時間等等確定的。這個計劃加工時間可通過 改變安裝后達到更智能的移動速度或創(chuàng)造一種更有效的刀具軌跡來調整。所需的總時間的確定可用來估計生產費用。若不只一個 CNC 機床可以來加工這工件，制作代碼和比較在加工總時間可以表示一個機床是否比另一個機床該更有效， CAM/CAD 另一個確立刀具路徑的方法是借助計算機輔助繪圖。大多數(shù)的機械繪圖使用電腦存儲了零件平面圖形及其注釋。格式化的 CAM 通過它的 CAM CONNECTION，可以讀一個 CAD 文件和轉移它的圖形到它的輪廓基準中去。這圖形可表示零件的外形輪廓、孔等等。程序員仍需準備一個工藝卡，含有所用需要的刀具 。但相對于用一排排程序來表示外形，現(xiàn)在刀具只用現(xiàn)有的輪廓來表示即可。另外，使用SHOWPATH 功能可以顯示每個刀具的路徑和他們的順序。 CAD/CAM 相互影響的方向的不斷探索和發(fā)展將會改變他們的工作方式。一些 CAD 和 CAM 程序，如果在相同的計算機上下載，可同時使用一些按鍵、圖紙和程序，使其能相互匹配。 機床周圍應該保持清潔，并且無導致絆倒或打滑的障礙物。機床表面不應該被用作工作臺。用正確的方法提升重的工作部件，或固定重的切削刀具。啟動機床之前，確定工作裝置和工件是否安全的固定了 。換刀時，保護工件不受 傷害，同時保護你的手不被鋒利的尖角弄傷。使用鋒利的切削刀具時，檢查切削刀具是否正確和安全的安裝。 直到你理解它們的功能和動作方可操作這臺機床。 數(shù)控機床刀具早期的發(fā)展 今天在機器化大生產領域中千形百態(tài)，結構復雜的刀具，起源于一些主要的工業(yè)國，開始很簡陋。這個領域中，最早的一些研究和發(fā)展完成于美國，并記載了 UK 關于數(shù)控發(fā)展方面的貢獻。第二次世界大戰(zhàn)后的一個主要問題是，商業(yè)和軍隊迅速發(fā)展，在勞動力密集的加工中，現(xiàn)代工業(yè)界所需的自動化與精確度不可獲得。問題是怎么樣來克服來自常規(guī)的加工方法和手工制作的不足。通常認 為，關于數(shù)控的研究是 1949 年美國政府的授權。結論就是致使美國空軍與 Parsons公司簽約，讓他們找到一種靈活的、有力的制造系統(tǒng)，它能擴大生產。麻省理工大學開始進入研究，而 Parsons 公司使之發(fā)展起來。在 1949— 1951 期間，他們聯(lián)合發(fā)明了一種可適合多種刀具的第一個數(shù)控系統(tǒng)。辛辛那提機床刀具公司把他們的一個 28 英寸的“ Hydro— Tel”軍用機床改裝為三軸自動機床，改變了它們的外部輪廓。在控制桌面位置，典型的機床是三軸連續(xù)曲線的機床刀具，它能產生一個所需要的形狀或曲線，可能的話，通過一個連續(xù)的滑移實現(xiàn)。 與美國機床刀具控制發(fā)展的同時， UK 中的 ALIFRED Herber 產生了第一臺 NC機床。 1956 年更可靠的曲線路徑控制系統(tǒng)開始使用。幾年后，在 USA 與歐洲開始了更深遠的研究。早期數(shù)控的發(fā)展主要為了航空業(yè)，它需要切削加工復雜的幾何形狀，如機件部件與渦輪機葉片。在航空所需要的復雜的控制系統(tǒng)發(fā)展的同時，點與點控制器發(fā)展起來，更廣泛的用于加工當中。較簡單的點與點機床比復雜的連續(xù)路徑的同類產品便宜一些，并在用于需要精確定位的加工中。作為一個鉆操作的機床刀具的點至點移動例子，典型的運動是快速經(jīng)過在鉆主軸下的工件，鉆空 后，迅速的滑移的運動可能過每軸以連續(xù)且獨立的方式獲得。分開的控制可由每軸完成，在早期的點到點機床中，選取路徑不很重要，但它必須避免在獲得多需要精度中所產生的沖擊。所以，趨勢下一點的方向必須是相同的。最早的這些點到點機床長循環(huán)的球行螺絲釘，這就意味著那些運動必須很緩慢，移動中遇到的沖擊不可避免，關于這個問題下章有更詳細的敘述。 早期的 NC 機床，主要的在磨床基礎發(fā)展起來的，控制的概念主要用于形成，打孔，磨削以及后來的大量的另外的機床刀具。 19 世紀 50 年代以來，流件滑動在高精度的機床中常被結合使用，它在某種程度上 克服了常規(guī)滑軌相關的問題，然而平均輸出導軌的不精確度對刀具要求更高并增加了它的控制特性。 加工中心的概念是早期工作的結果，它允許機床在一個安裝上對工件進行多種加工，而不需要把工件轉移到另外的刀具下。一個加工中心不同于一個磨床，相互要在于它能利用轉移裝置和分離器自動的把切削刀具從刀具庫中轉移到主軸上。用這種方式，自動換刀特性使這加工中心高效的加工多種部件，用新刀具代替舊刀具或預選刀具，使得現(xiàn)今的加工過程循環(huán)操作。 在 19 世紀 60 年代中時，一個 UK 公司， Molins 介紹他們獨特的“系統(tǒng) 24”意思是一天能加工 24 小時。它可被認為是系列但作用刀具通過計算機上控制的運輸系統(tǒng)連接起來的復合機床。這個運輸裝置讓工件放在托盤上送至所需的機床刀具下。這是早期情形，是值得欽佩的。靈活制作系統(tǒng)方面嘗試都失敗了，它的主要短處是僅僅一小部分的零件種類可隨時加工，而更少的工件需要完成于它相同的操作。事實上它的利用水平很低，機床刀具昂貴會導致加工頻繁時的“頸瓶”現(xiàn)象，于是進一步限制了整個操作。 13 世紀 70 年代初中葉，是機床刀具控制器變革時期，這個時期， CNC 成為了一個現(xiàn)實。新的控制器的產生便使公司可通過改變程序改變了一個工件外形。微型技 術的發(fā)展，可成功的加工一批或一個 2 全件。當兩個相關的因素存在后，在一個生產環(huán)境中，讓 CNC 實現(xiàn)靈活且輕松的編程的夢想變成為現(xiàn)實。這些現(xiàn)實是： 集成電路的發(fā)展，它減少了電路的尺寸，使得維護便利且有利于設計的標準化。 計算機的體積減小，從而它的生產費用也極大的降低。價格便宜，性能穩(wěn)定等多種優(yōu)點使得今天的 CNC 安裝在機床刀具上。隨著它的不斷發(fā)展成熟，使在高級的 CNC 系統(tǒng)上可安上人工智能。這些年來，刀具制作者已經(jīng)制作了多種多樣的刀具可用在 CNC 系統(tǒng)上，其中的一部分在第 3 冊中將被討論。 由資金耗費項目上的考慮，就 CNC 機床刀具而言，為了明確新計劃是否必要或證明在短期內實現(xiàn)資金回收，一個公司必須進行可行性分析。這些想法及重要的決定將會成為考慮 CNC 系統(tǒng)經(jīng)濟性調整問題的主題。