數(shù)控機(jī)械加工中工藝及夾具設(shè)計主要問題研究

劉家倫

（大連科技學(xué)院，遼寧 大連116052）

1 概述

隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)水平的不斷提升，數(shù)控加工方式獲得了大范圍普及，逐步取代了傳統(tǒng)加工設(shè)備，成為了機(jī)械加工中不可或缺的一部分。數(shù)控加工方式與傳統(tǒng)機(jī)械加工方式具有較大的相似點，但是在加工效率、加工精度等方面要遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于傳統(tǒng)機(jī)械設(shè)備。

數(shù)控加工過程中，制定合理的加工工藝非常重要，不僅有利于提高數(shù)控加工的安全性，也能夠有效提高數(shù)控加工品質(zhì)與效率，要充分認(rèn)識到數(shù)控加工工藝的特殊性，合理規(guī)劃數(shù)控加工工藝。此外數(shù)控夾具也是影響零部件加工精度的重要部分，設(shè)計合理的夾具是保證零部件正確加工的前提。為此，本文從數(shù)控機(jī)械加工工藝與夾具設(shè)計兩個方面進(jìn)行研究，對相關(guān)問題進(jìn)行探討，促使數(shù)控加工水平能夠獲得進(jìn)一步發(fā)展。

2 數(shù)控加工工藝設(shè)計

數(shù)控加工中很多工藝的設(shè)定可以依照傳統(tǒng)的工藝方法進(jìn)行，比如說加工流程、基準(zhǔn)面選擇以及熱處理工序等，但是在刀具進(jìn)給路線的選擇、加工安全性等方面必須要給予高度關(guān)注。

2.1 數(shù)控加工進(jìn)給路線設(shè)計

數(shù)控進(jìn)給路線圖表示用行業(yè)統(tǒng)一的符號準(zhǔn)確體現(xiàn)出刀具的運動軌跡，主要包含有刀具運動軌跡、起點位置、切削位置、切削量、起刀點以及起刀高度等[1]。數(shù)控進(jìn)給路線圖是開展數(shù)控編程工作的主要載體，數(shù)控加工人員也能夠依照數(shù)控進(jìn)給路線圖提前預(yù)知刀具的運動情況。嚴(yán)格遵照數(shù)控進(jìn)給路線圖進(jìn)行編程，可以很好的預(yù)防切削刀具與工件、夾具等產(chǎn)生碰撞，引起加工設(shè)備的損壞?，F(xiàn)階段不同的數(shù)控技術(shù)人員繪制的數(shù)控加工進(jìn)給路線圖有一定的差異，如圖所示為某個要求加工不規(guī)則外形的數(shù)控加工進(jìn)給線路圖。

不規(guī)則外形的零件數(shù)控加工進(jìn)給線路圖

2.2 切削安全性問題

數(shù)控加工中，機(jī)械動作都是依照數(shù)控程序逐步進(jìn)行的，現(xiàn)階段數(shù)控加工速度非?？欤ㄟ^人工干預(yù)難防范緊急情況。所以，在使用數(shù)控設(shè)備進(jìn)行加工過程中，必須要格外重視設(shè)備安全與操作者安全。數(shù)控加工中任何加工速度的提升都必須建立在安全的基礎(chǔ)上，這也是數(shù)控加工安全的基本守則。數(shù)控機(jī)床運行中相關(guān)部件運行速度較快，產(chǎn)生的慣性也相應(yīng)增大，即便是運動部件微小的碰撞也會影響到機(jī)床的整體運行[2]。

首先，數(shù)控切削進(jìn)給量不能太大。在傳統(tǒng)觀念中，數(shù)控設(shè)備中加工三要素的數(shù)值要比普通機(jī)床要大，這是沒有任何科學(xué)依據(jù)的。在實際加工過程中，進(jìn)給量以及進(jìn)給速度的選取要結(jié)合待加工零件材質(zhì)、機(jī)床、刀具以及夾具的強度等。數(shù)控加工效率的提升，一方面要優(yōu)化數(shù)控程序，盡可能的降低刀具空走時間，另一方面要保證滿足加工精度要求的前提下，盡可能的提升切削量。但是切削量的增加也要在合理的范圍內(nèi)，防止出現(xiàn)崩刀、工件被擊落等問題，避免由于設(shè)備故障耽誤更長的加工時間[3]。

其次，提高換刀環(huán)節(jié)的安全性。加工中心設(shè)備能夠?qū)崿F(xiàn)刀具的自主切換，但是對加工中心設(shè)備故障情況進(jìn)行分析和歸納可以看出，有大約一半以上的問題都集中在換刀部位，所以在進(jìn)行數(shù)控加工中應(yīng)當(dāng)遵從科學(xué)換刀、盡可能少換刀的原則[4]。比如說在使用日內(nèi)瓦刀庫時，因為不具備自動換刀的機(jī)械手，一般將刀庫調(diào)整到和主軸距離較近位置時進(jìn)行換刀，在這個過程中要特別注意查看主軸上以及相對應(yīng)的刀位上不能同時有刀，否則會造成刀具的碰撞，損壞刀具部件。

3 數(shù)控加工夾具設(shè)計

在傳統(tǒng)機(jī)床上夾具的功能主要為夾緊、定位、導(dǎo)向以及對刀，在進(jìn)行數(shù)控機(jī)床夾具設(shè)計時，其夾緊與定位功能和傳統(tǒng)機(jī)床夾具差別不大，然而數(shù)控加工中需要基于工件坐標(biāo)系規(guī)劃工件與夾具的相對位置，這個方面和傳統(tǒng)機(jī)床夾具具有較大的區(qū)別。

3.1 夾具在機(jī)床中定位問題

數(shù)控夾具也是數(shù)控加工中不可或缺的一部分，不管是數(shù)控銑床、車床，還是加工中心，在進(jìn)行數(shù)控加工中都離不開夾具的使用。在進(jìn)行數(shù)控程序編寫時，通常以零部件坐標(biāo)系原點為參考點，而對零部件的定位以及夾緊操作都是在夾具上完成的。當(dāng)將夾具裝配到數(shù)控機(jī)床上時，就同時決定了零部件的坐標(biāo)系原點。然而這個坐標(biāo)系原點和機(jī)床本身的原點位置在x、y、z 軸三個方向存在一定的偏差。為了彌補這個位置偏差，可以通過G54-G59 這個數(shù)控指令來完成，即設(shè)置對刀點，在結(jié)束這部分工作后就明確了工件坐標(biāo)系與機(jī)床坐標(biāo)系之間的偏差，為程序正常運行奠定基礎(chǔ)[5]。然而當(dāng)需要將工件夾具拆卸下來重新安裝時，就會導(dǎo)致零部件坐標(biāo)系原點與機(jī)床原點相對位置出現(xiàn)變化，為了確保數(shù)控程序能夠熟練運行，必須要通過G54-G59 指令重新進(jìn)行對刀操作，使得工作更加繁瑣，也浪費了大量的時間。

為了解決上述問題，首先，在夾具中增設(shè)一個定位塊，并將定位塊與夾具放到指定的位置；其次，機(jī)床初始化以后，將定位塊的兩個基準(zhǔn)面分別對準(zhǔn)主軸下方與前方，準(zhǔn)確記錄定位塊相對位置尺寸；最后，在將數(shù)控夾具拆卸后進(jìn)行再次裝配時，確保定位塊的位置不發(fā)生變化，那么零部件坐標(biāo)系原點在x、y 軸方向與機(jī)床坐標(biāo)系原點的相對位置就不會發(fā)生變化，另外零部件z 軸方向的高度通常由夾具高度決定的，在夾具不變的情況下z軸方向與機(jī)床坐標(biāo)系原點的相對位置也不會產(chǎn)生變化，確保夾具拆卸前后零部件坐標(biāo)系原點與機(jī)床坐標(biāo)系原點的相對位置不會改變。

3.2 夾具設(shè)計其它問題

第一，在進(jìn)行數(shù)控夾具設(shè)計時，夾具剛性要預(yù)留較大的安全系數(shù)。數(shù)控加工過程中，往往是完成一整套加工環(huán)節(jié)，這就意味著在進(jìn)行粗加工與精加工時采用的夾具是一樣的，而在粗加工狀態(tài)下，刀具進(jìn)給量較大，夾具承受的力也更大，所以在進(jìn)行夾具設(shè)計時要充分考慮到強度因素[6]。

第二，夾具設(shè)計時盡可能實現(xiàn)多工件裝夾。當(dāng)加工的零部件外形尺寸不大時，可以同時夾持多個零部件，極大的縮減了零部件換裝時間，提高加工效率；此外相同的刀具能夠同時對多個零部件進(jìn)行加工，減少了不必要的換刀操作。

4 結(jié)論

數(shù)控加工在推動我國機(jī)械加工領(lǐng)域不斷發(fā)展上做出了重大貢獻(xiàn)，相比較于傳統(tǒng)機(jī)械加工，數(shù)控加工具有加工效率高、加工精度高等優(yōu)勢，適合大批量生產(chǎn)，在進(jìn)行數(shù)控加工時，要特別注意數(shù)控加工工藝的制定以及夾具的設(shè)計，明白與傳統(tǒng)加工之間的共同點與差異點，更好發(fā)揮出數(shù)控加工的優(yōu)勢。