機械零件數(shù)控加工工藝探析

謝祖華 李云妹

摘要： 本文對機械零件數(shù)控加工工藝展開分析，主要闡述包括工裝設(shè)計、參數(shù)設(shè)置和數(shù)控仿真的機械零件數(shù)控加工件質(zhì)量控制技術(shù)與包括數(shù)控編程、數(shù)控工藝規(guī)劃原則的工藝技術(shù)方案以及刀具注意事項。通過分析可知，必要采用仿真軟件來校驗設(shè)計成果的有效性。

關(guān)鍵詞： 數(shù)控加工工藝;數(shù)控仿真

在機械零件制造中，用普通機床加工零件效率低、精度不高而且勞動強度大，有的復雜零件甚至無法加工。數(shù)控加工就是應(yīng)用數(shù)字化控制系統(tǒng)在加工機床上完成零件的加工，尤其是曲面零件的加工，而且加工的精度和效率可以得到很好的保證。數(shù)控加工技術(shù)是實現(xiàn)自動加工的基礎(chǔ)，也是一個國家制造業(yè)發(fā)展的標志。數(shù)控加工工藝是影響機械零件加工精度的主要因素，為了保證零件加工質(zhì)量，應(yīng)該合理選擇數(shù)控加工工藝，并嚴格控制加工過程。

機械零件數(shù)控加工工藝通常由加工件質(zhì)量控制技術(shù)、工藝技術(shù)方案組成，兩者將直接決定加工件質(zhì)量。

數(shù)控加工件質(zhì)量控制技術(shù)

加工件質(zhì)量控制技術(shù)主要用于加工準備階段，主要可以分為三個部分，分別為工裝設(shè)計、參數(shù)設(shè)置、數(shù)控仿真。本節(jié)將對各部分技術(shù)類型、應(yīng)用方法等內(nèi)容進行分析。

工裝設(shè)計

工裝設(shè)計與加工件的加工精度有直接關(guān)系，由于精度是數(shù)控加工中的核心質(zhì)量指標，在數(shù)控零件加工中應(yīng)當高度重視工裝設(shè)計。工裝設(shè)計的關(guān)鍵技術(shù)要點在于工裝本身的加工精度設(shè)置、加工位置確認。

加工精度設(shè)置：加工精度設(shè)置是指加工前通過參數(shù)設(shè)置控制加工刀具的加工角度、加工路徑，在參數(shù)準確的條件下可以生成良好的加工規(guī)劃方案，確保加工件與設(shè)計要求吻合;

加工位置確認：加工位置確認主要以加工區(qū)域與加工件為目標，通過設(shè)計設(shè)定一個精度范圍，在這一范圍內(nèi)加工刀具就可以重復鎖定加工位置，即使加工件或刀具本身更變也不會出現(xiàn)太大誤差。

良好的工裝設(shè)計可以有效避免加工件出現(xiàn)質(zhì)量問題，同時縮短加工時間，具有突出的經(jīng)濟性表現(xiàn)[1]。

參數(shù)設(shè)置

參數(shù)設(shè)置是加工件質(zhì)量控制技術(shù)中必須重視的步驟，加工精度設(shè)置就是參數(shù)設(shè)置的內(nèi)容之一，此外，在整個加工過程當中還有很多其他的參數(shù)設(shè)置需求，例如刀具參數(shù)、機床參數(shù)等。同時，由于刀具、機床等型號的差異，其參數(shù)設(shè)置需求也會發(fā)生變化，例如在球頭刀、立銑刀上，其刀位軌跡、刀軸方式的參數(shù)設(shè)置都存在差別，因此參數(shù)設(shè)置必須根據(jù)實際情況來進行設(shè)置，較為復雜。

數(shù)控仿真

數(shù)控仿真是在上述兩個部分基礎(chǔ)上利用仿真軟件對技術(shù)方案進行模擬運作，即刀具加工軌跡仿真、刀具加工過程仿真和刀具加工過程中的干涉碰撞檢查，以此校驗方案指導下的加工成果是否符合設(shè)計要求、具體加工效率等，因此也是加工件質(zhì)量的保證因素之一。目前常用的數(shù)控仿真軟件一般包括線框仿真、實體模擬仿真、機床模擬仿真三個層次。

線框仿真

通過工件的二維線框模型在計算機上進行刀路模擬和加工時間模擬，即模擬刀具沿著刀具路徑在工件上的加工過程，模擬仿真的結(jié)果是呈現(xiàn)出加工后工件的形狀和加工時間。數(shù)控車削和三軸銑削加工常用線框仿真。

實體模擬仿真

在實體三維造型的基礎(chǔ)上施行零件加工過程動態(tài)仿真，除了刀路模擬和加工時間模擬以外，還能模擬刀具和工件的干涉碰撞檢查?？梢酝ㄟ^修改參數(shù)設(shè)置和對加工方案進行多種實驗，確認方案是否可行。三軸銑削、加工中心四軸、五軸銑削常用。

機床模擬仿真

在實體模擬仿真基礎(chǔ)上，添加機床、夾具實體模型，可以模擬零件加工過程干涉碰撞檢查，即刀具與機床、刀具與夾具的干涉碰撞檢查，分析加工路徑安全性。特別是加工中心四軸、五軸銑削復雜零件時由于零件復雜、編程程序復雜，刀具路徑極其復雜，加工時容易發(fā)生過切、欠切現(xiàn)象，容易發(fā)生刀具與工件、刀具與機床、刀具與工裝夾具的干涉碰撞，機床模擬仿真十分必要，保證了加工質(zhì)量，避免不必要的試加工彎路和撞機斷刀事故。

數(shù)控加工工藝技術(shù)方案

工藝技術(shù)方案也是數(shù)控加工工件質(zhì)量的影響因素，制定合理的工藝技術(shù)方案是保證機械數(shù)控零件加工件質(zhì)量的重要環(huán)節(jié)。數(shù)控工藝技術(shù)方案在數(shù)控加工編程程序中體現(xiàn)。

數(shù)控加工編程

把根據(jù)零件圖進行三維實體建模的數(shù)字化模型文件導入CAM加工軟件中，確定模型收縮率就可以進行編程。通常使用的CAM軟件有：NX、CAXA、POWERMILL、MASTERCAM等等。

以CAXA軟件數(shù)控銑削為例闡述數(shù)控加工編程的過程。首先在三維實體模型上創(chuàng)建毛坯，創(chuàng)建刀具庫，選擇軟件中的“加工方式”并設(shè)置加工參數(shù)構(gòu)成加工策略然后生成相應(yīng)的加工程序。加工策略包括：主軸轉(zhuǎn)速、進給量、進退刀點位及方式、降刀抬刀位置、下刀方式、銑削步距、主軸轉(zhuǎn)動角度，必要時設(shè)置干涉面及安全平面。仿真加工后對刀具軌跡進行相應(yīng)的編輯修改確定加工策略，然后進行后處理，生成數(shù)控加工代碼并DNC傳輸?shù)綑C床以備數(shù)控加工。

數(shù)控加工工藝規(guī)劃

編程時要進行加工工藝分析。就是了解加工要求，安排加工順序。其具體安排應(yīng)該根據(jù)零件的結(jié)構(gòu)特點和材料特性，夾緊定位要求，機床功能，刀具數(shù)量以及裝夾次數(shù)等進行靈活劃分。一般可根據(jù)刀具集中分序原則、加工部位分序原則、粗精加工分序原則以及保證精度的原則進行劃分。

刀具集中分序原則

以應(yīng)用的刀具進行劃分，用同一把刀具加工完成所有可以加工的部位，再用第二把或第三把刀具完成它們各自可以完成的其他部位。這樣可減少換刀次數(shù)，減少走空程序的時間，避免不必要的定位誤差。

加工部位分序原則

在數(shù)控機床上加工零件，工序可以集中。對于加工部位很多的零件可一次裝夾并盡可能完成全部工序，可按其結(jié)構(gòu)特點將加工部位分成幾個部分，如內(nèi)輪廓、外輪廓、孔、曲面或平面等。但一般應(yīng)遵循下列原則：

一般先加工平面、定位面，后加工孔。

先加工形狀簡單的特征，再加工形狀復雜的特征。

先加工精度較低的部位，再加工精度要求較高的部位。

以粗、精加工分序原則

對于薄壁等易發(fā)生加工變形的零件，由于粗加工后可能發(fā)生變形，一般要分粗、精加工工序，粗加工時需要留足余量再精加工。

保證精度的原則

數(shù)控加工要求工序集中，通常粗、精加工在一次裝夾下完成，為減少熱變形和銑削力變形對工件的形狀、位置精度、尺寸精度和表面粗糙度的影響，應(yīng)將粗、精加工分開進行。對軸類或盤類零件，將各處先粗加工，留少量余量精加工，以保證表面質(zhì)量要求。同時，對一些箱體工件，為保證孔的加工精度，應(yīng)先加工表面而后加工孔。

在劃分工序時，一般綜合以上幾點原則，結(jié)合實際零件結(jié)構(gòu)合理確定。

數(shù)控加工刀具應(yīng)用

刀具在加工過程中的表現(xiàn)將直接影響到加工件的質(zhì)量。在刀具應(yīng)用中需要重視刀具選擇、刀具工藝編制兩個方面。

刀具選擇

刀具選擇有三個方面，即刀具材質(zhì)選擇、刀具類型選擇、刀具規(guī)格選擇。

刀具材質(zhì)選擇

刀具材質(zhì)關(guān)系到刀具切削時的剛度與耐磨性，當?shù)毒咝阅鼙憩F(xiàn)不佳，則很容易在加工過程中出現(xiàn)“事故”。比如硬質(zhì)合金刀具耐磨性是高速鋼刀具的10倍，前者切削速度是后者的3倍，目前國內(nèi)外數(shù)控加工刀具主要是硬質(zhì)合金刀具。

刀具類型選擇

在零件加工中，不同零件、不同部位的形狀存在差異，因此加工人員應(yīng)根據(jù)形狀要求來選擇刀具，例如常見的刀具有立銑刀、球頭刀等，其中立銑刀一般用于加工平面、臺階、溝槽等加工中，具有良好的通用性，而球頭刀一般用于曲面、圓弧溝槽，適用面相對較窄。另外，在一般情況下，建議優(yōu)先選擇立銑刀來進行加工，特別是精加工階段，因立銑刀在去除余量中有出色表現(xiàn)。

刀具規(guī)格選擇

刀具大小選擇與工件形狀、加工效率有關(guān)。以立銑刀為例，為了加工效率以及加工時刀具剛度，盡量選擇大的刀徑，但是要充分考慮零件形狀以免刀具直徑過大造成過切。

刀具工藝編制

在刀具應(yīng)用當中，刀具工藝編制是數(shù)控零件加工中起主要控制作用的組成部分，因此要給予重視。以數(shù)控銑為例，刀具工藝編程要點有六：①當根據(jù)加工件情況來安排刀具序號，確保走刀順序符合設(shè)計要求;②針對不同工序，需要及時切換刀具序號;③孔加工先鉆后銑擴;④刀具粗精加工分刀，先粗后精。

使用加工中心機床刀具庫時，一旦加工開始，人工盡可能不參與加工環(huán)節(jié)，以免造成刀具錯誤。

結(jié)語

綜上，在數(shù)控加工工藝下要保障機械零件的質(zhì)量，必須對數(shù)控系統(tǒng)進行編程，過程中需要先搜集加工件等加工條件信息，隨后進行工裝設(shè)計、參數(shù)設(shè)置、數(shù)控加工技術(shù)方案規(guī)劃等工作，且有必要采用仿真軟件來校驗設(shè)計成果的有效性。同時，由于刀具對加工質(zhì)量存在較大影響，因此加工中需要結(jié)合實際條件來選擇刀具以及編制刀具工藝。

參考文獻

曹偉，朱曉東.關(guān)于典型數(shù)控銑削零件加工工藝探析[J].時代農(nóng)機，2016（10）：55.

劉海東.復雜零件加工工藝設(shè)計及數(shù)控編制[J].中國機械，2014（10）：269–270.