提升數(shù)控機床加工效率經(jīng)驗談

中航工業(yè)常州蘭翔機械有限責任公司（江蘇 213022） 牟宗平

隨著機床等基礎(chǔ)制造技術(shù)的快速發(fā)展，數(shù)控機床的使用越來越廣泛。尤其是針對某些復雜曲面或者精度非常高的機械產(chǎn)品，加工中心的大面積覆蓋將其數(shù)控加工推廣得越來越普遍。在國防工業(yè)系統(tǒng)中，比較前沿的加工中心（多軸）一直處在發(fā)達國家技術(shù)堡壘的控制下。但是隨著我國工業(yè)技術(shù)的飛速發(fā)展，如今我國已經(jīng)成為全世界舉足輕重的制造業(yè)大國，如果具備了對高精、高速、高效的加工技術(shù)制造和創(chuàng)新能力，未來我國在數(shù)控加工技術(shù)上一定會走在世界的前沿。很多數(shù)控機床都具備高精、高速加工能力，但對于一般生產(chǎn)企業(yè)來說如何提升數(shù)控機床的高效加工是一個很實在的問題。

零件是千變?nèi)f化的，而數(shù)控機床設(shè)備加工的種類卻是有限的。深刻理解零件整個加工思路，刀位軌跡的算法，以及對CAD/CAM巧妙的組合，并針對性地提出提高加工效率的解決方案，是每一位工藝工程師必須具備的技能之一。

作為數(shù)控加工初學者，因為缺乏實際經(jīng)驗及數(shù)控加工的常用技巧與技能，很難在短時間內(nèi)做到提升數(shù)控機床的加工效率。網(wǎng)上的資料理論多于實踐應用，相關(guān)實例很少，下面筆者結(jié)合實際的加工案例，通過編程、夾具及刀具優(yōu)化入手進行講解，將其加工經(jīng)驗與大家一起分享，同時對自己也是一種經(jīng)驗的總結(jié)。

案例分析

某汽車零配件，材質(zhì)AlSi12Cu1（Fe），毛坯壓鑄成型，布氏硬度≥70HBS，具有復雜的外形，整體結(jié)構(gòu)緊湊，制造形位公差多，部分內(nèi)腔尺寸精度要求高，加工成形難度大，尺寸如圖1所示。

需要機加工的部位如圖2綠色顯示部分，三面加工，由于此零件批量大，時產(chǎn)要求18件，也就是3min20s要完成一件，用傳統(tǒng)的加工方法難度可想而知。因此，我廠根據(jù)零件的特點，在進行數(shù)控加工工藝設(shè)計時，除正常的加工優(yōu)化外，著重考慮在程序編制的技巧、夾具的設(shè)計以及在加工刀具設(shè)計上進一步優(yōu)化。

圖1

圖2

程序編制的技巧

數(shù)控程序的編制必須結(jié)合具體的環(huán)境，包括數(shù)控機床、刀具、零件材質(zhì)、精度要求，以及操作者的習慣等而靈活運用。對于一個零件來說，并非所有的數(shù)控加工程序都適合在電腦上來編制完成，而往往有其中的一部分程序需要在機床上隨時調(diào)試來適合零件的數(shù)控加工狀態(tài)，如多模數(shù)、多穴位、多工位坐標系的快速輸入或偏置調(diào)整；同一把刀具在不同模穴上穿插加工；成形專用刀具與普通標準刀具的轉(zhuǎn)換運用等。因此，數(shù)控機床的加工工藝與通用機床的加工工藝有許多不同之處，數(shù)控機床上加工零件有時比通用機床加工零件的工藝要復雜得多。

在數(shù)控加工前，要將機床的運動過程、零件的工藝過程、刀具的形狀、切削用量和走刀路線等都編入程序，這就要求程序設(shè)計人員具有多方面的知識基礎(chǔ)。合格的程序員首先是一個合格的工藝人員，否則就無法做到全面周到地考慮零件加工的全過程，以及正確、合理地編制零件的加工程序。

如此零件由于有三個方向的尺寸要加工，一個程序需要有三個加工坐標系，而有的零件甚至有十二個坐標系原點，如圖3所示。

圖3

如在機床控制面板偏置寄存器中輸入X、Y數(shù)值，當多模穴有部分零件尺寸發(fā)生變異（偏移）時，調(diào)整加工坐標系或程序很是繁瑣，可能有的程序段要重新生成，甚至其他調(diào)試人員有可能誤刪其機床偏置寄存器中的坐標值；為了提高加工效率，我廠將此類零件多模穴、多工位的加工程序進行電腦及手工結(jié)合編制，并將其坐標系的偏置放在程序中，如下程序段所示，當部分零件尺寸發(fā)生變異時，可快速及時地對相應的坐標值進行調(diào)整，既方便、又靈活。

夾具的設(shè)計

要想確定夾具設(shè)計的方案，首先要確定零件加工所選的設(shè)備、加工部位、尺寸公差，這是夾具制作最基本的原則。此零件有三面尺寸需要加工，采用五軸設(shè)備加工是首選方案，但由于不好定位、裝夾，加之考慮到加工成本、生產(chǎn)效率、資源占用以及綜合效益等各方面的因素，我廠選用比較經(jīng)濟實惠的三軸加工中心設(shè)備來完成加工。

經(jīng)分析，此零件外形尺寸不大，但需要三次定位加工各尺寸，也就是說要完成此產(chǎn)品全部數(shù)控尺寸的加工至少需要有三道工序來完成；每個零件也需要三次定位安裝、壓緊；裝、卸零件及加工時間總共要求為3min20s內(nèi)完成，人工裝夾勞動強度大，質(zhì)量不易控制。如果考慮到此零件生產(chǎn)批量、生產(chǎn)周期、工序間周轉(zhuǎn)等情況，工人一天的勞動強度很難吃的消，甚至三道工序要三臺設(shè)備、三人操作才可完成。因此，要想提高生產(chǎn)效率，夾具制作及工藝安排很是關(guān)鍵，必須做到方便、實用、合理，又要減輕操作人員的勞動強度。

具體實施：考慮零件尺寸不大，在工藝安排上可以實現(xiàn)一臺機加工多個零件，也可多工序同時加工，也就是說在機床行程及工作臺面允許的范圍內(nèi)，盡量多模穴、多工位加工；與此同時，對于批量生產(chǎn)的零件，為了有效降低工人們的勞動強度，在夾具設(shè)計上盡量避免或減少人工擰緊壓板的方式裝夾，而采用氣動或液壓的方式裝夾。

本例中就采用雙模穴加工，三套夾具放在同一臺機上加工，結(jié)構(gòu)非常緊湊，采用氣動壓緊方式，裝6出2，如圖4所示。雙氣缸分別控制，頂緊φ28H7內(nèi)孔，先加工零件底面臺階孔φmm處尺寸及4處mm孔和端面；然后將兩零件松開，移位到第二工位，4處mm孔定位，加工φ28H7內(nèi)腔、φ6.4±0.05mm及側(cè)壁缺口尺寸；最后再次移位到第三工位（圖4右側(cè)），4處mm孔定位，加工φ15mm側(cè)壁孔處尺寸，此時第二及第三工位公用一個氣動開關(guān)即可。值得注意的是在此數(shù)控加工過程中，以同一基準定位十分重要，不要輕易變動基準，同時減少裝夾次數(shù)，盡可能在一次裝夾后能加工出全部待加工表面。

圖4

上述工藝路線安排及夾具設(shè)計方案在產(chǎn)品質(zhì)量、生產(chǎn)效率、加工成本以及勞動強度方面與以前分工序、分機床、壓板擰緊的方式相比都得到了顯著改善，真正做到了多、快、好、省的目的。

加工刀具設(shè)計

光有了程序的優(yōu)化、夾具的設(shè)計還不夠，加工刀具也是提升產(chǎn)品加工效率的一項不可或缺的環(huán)節(jié)。從圖2中綠色部分可以看出，需要加工的部分既要鉆孔、鏜臺階孔，又要銑端面及倒角，在編程時很是麻煩，需要用不同的刀具分多個程序段來完成加工。如果在刀具的設(shè)計或采購環(huán)節(jié)中考慮這些因素，采用整體專用刀具來加工，不僅編程能得到簡化，采用鉆加工快速成形，而且加工效率也能大大提升，這是刀具設(shè)計的一個方面。

對于此類零件材料AlSi12Cu1（Fe），在成形刀片材料的選擇上也很講究，不要認為鋁合金材質(zhì)軟，為了節(jié)約成本，用什么材質(zhì)的刀片都可以完成加工。要想真正提升加工效率，提高產(chǎn)品質(zhì)量，刀具的費用不能省，一把好的刀具不僅能使產(chǎn)品質(zhì)量可靠，而且也經(jīng)久耐用。PCD材質(zhì)的成形刀片是加工AlSi12Cu1（Fe）最好的選擇，如圖5所示，加工出來的零件表面非常光亮，像鏡面一般，而且尺寸一致性非常好，如圖6所示。

圖5 PCD材質(zhì)成形刀具

圖6 PCD材質(zhì)成形刀具加工的零件表面粗糙度情況

上述三個環(huán)節(jié)的優(yōu)化對于生產(chǎn)企業(yè)來說，很有代表性，但它只是提高數(shù)控機床加工效率的一個側(cè)重點，并不是很全面。要想提高數(shù)控機床加工效率有著很多方法及方案，而每一種方法和方案都必須結(jié)合具體的環(huán)境，具體的零件去實施，但不論何種工藝方案均必須符合數(shù)控加工的基本原則。有了對這些基本原則的正確理解，再結(jié)合CAD/CAM的靈活性，便可以得到符合企業(yè)要求的工藝方案與數(shù)控程序，做到“運用之妙、存乎一心”的狀態(tài)。

結(jié)語

現(xiàn)在，幾乎每一個生產(chǎn)制造企業(yè)都離不開數(shù)控設(shè)備。隨著對產(chǎn)品質(zhì)量要求的不斷提高，要高效地使用設(shè)備，就必須與工裝、夾具、刀具、CAM軟件、技術(shù)人員緊密結(jié)合起來，哪怕是其中一個環(huán)節(jié)得到優(yōu)化或改進，所產(chǎn)生的結(jié)果對企業(yè)來說都會帶來巨大的經(jīng)濟效益。