機械數(shù)控加工技術(shù)水平有效提升的實踐研究

吳積成

摘要： 機械數(shù)控加工技術(shù)出現(xiàn)為工業(yè)的發(fā)展帶來了重大機遇，其與傳統(tǒng)的技術(shù)相比，機械數(shù)控加工技術(shù)運用，可有效提高機械行業(yè)的相關(guān)工作效率與精度，并促使機械制造業(yè)實現(xiàn)良好發(fā)展。基于此，本文主要對機械數(shù)控加工技術(shù)的內(nèi)涵及其提升的影響因素進(jìn)行分析，并提出機械數(shù)控的加工技術(shù)水平提高策略及其應(yīng)用策略。

Abstract： The emergence of mechanical numerical control processing technology has brought significant opportunities for the development of the industry. Compared with traditional technologies， the use of mechanical numerical control processing technology can effectively improve the relevant work efficiency and accuracy of the machinery industry and promote the realization of good mechanical manufacturing develop. Based on this， this article mainly analyzes the connotation of mechanical numerical control processing technology and the influencing factors of its improvement， and proposes the strategy of improving the level of mechanical numerical control processing technology and its application strategy.

關(guān)鍵詞： 機械;數(shù)控加工;技術(shù);水平;提升;實踐

Key words： machinery;CNC machining;technology;level;improvement;practice

中圖分類號：TG659 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號：1674-957X（2022）05-0067-03

0 ?引言

隨著社會經(jīng)濟以及科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，我國的工業(yè)領(lǐng)域也出現(xiàn)了許多新型技術(shù)，在工業(yè)生產(chǎn)中廣泛運用數(shù)控加工技術(shù)則是該背景的產(chǎn)物，數(shù)控加工的技術(shù)既符合我國當(dāng)前的生產(chǎn)與發(fā)展需要，又對學(xué)生工業(yè)生產(chǎn)的效率提高有著重要促進(jìn)作用。目前，我國所用到的數(shù)控加工的技術(shù)可以使機械生產(chǎn)中相對復(fù)雜的生產(chǎn)加工的工作得到有效完成，但我國當(dāng)前正位于發(fā)展時期，有關(guān)技術(shù)水平與發(fā)達(dá)的西方國家相比，還是有一定差距的，因此，我國需加強數(shù)控加工的技術(shù)研究力度，并制定相應(yīng)的科學(xué)策略，促進(jìn)機械數(shù)控加工技術(shù)水平的提高。

1 ?數(shù)控加工技術(shù)的內(nèi)涵及影響因素

1.1 數(shù)控加工技術(shù)內(nèi)涵

目前，機械業(yè)的數(shù)控加工技術(shù)更多是運用于工業(yè)生產(chǎn)中，有效應(yīng)用數(shù)控技術(shù)，通常能夠使工業(yè)生產(chǎn)的效率得到全面提升，并促進(jìn)生產(chǎn)效率得以擴大的基礎(chǔ)上，實現(xiàn)難度相對較大的精密化機械加工。目前的數(shù)控加工的技術(shù)和信息技術(shù)、計算機的通信技術(shù)等各領(lǐng)域?qū)嵤┝嘶ハ嗦?lián)系與合作，并為其在各領(lǐng)域合作奠定了夯實的基礎(chǔ)[1]。數(shù)控加工的技術(shù)和傳統(tǒng)化生產(chǎn)模式對比，其呈現(xiàn)出更多生產(chǎn)中的靈活性，有關(guān)工作者在實際工作中的操作也更為便捷。尤其是科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，各種微電子技術(shù)得到不斷提高，數(shù)控加工的生產(chǎn)中，微電子技術(shù)滲透當(dāng)中，不僅能促使工業(yè)上產(chǎn)的發(fā)展，而且還能實現(xiàn)生產(chǎn)各環(huán)節(jié)的工作效率提高。

1.2 機械數(shù)控加工技術(shù)水平提高的影響因素

1.2.1 人工因素

與西方的發(fā)達(dá)國家對比，我國機械的數(shù)控加工相關(guān)技術(shù)發(fā)展較晚，應(yīng)用的范圍也需要不斷擴大，且運用效果不夠成熟，在該情形下，將其運用于工業(yè)領(lǐng)域，就會對企業(yè)生產(chǎn)造成相應(yīng)的影響。數(shù)控加工的相關(guān)技術(shù)運用過程中，因為技術(shù)具有較強專業(yè)性，這就需工作人員需具備較高綜合素質(zhì)以及專業(yè)性[2]。但是，大多數(shù)的工作人員對數(shù)控加工的技術(shù)及設(shè)備熟悉度不夠，還位于懵懂狀態(tài)，在具體操作時不夠?qū)I(yè)與規(guī)范，這不僅會影響到數(shù)控設(shè)備的作用發(fā)揮，而且還會影響到設(shè)備的應(yīng)用壽命，甚至造成安全隱患，從而對人員安全造成威脅。

1.2.2 操刀問題

企業(yè)對相關(guān)產(chǎn)品實施加工與制造中，想要確保加工與制造的質(zhì)量與效率，就需選擇好操刀路線與換刀方法，特別是大規(guī)模生產(chǎn)與制造中，若操刀的線路缺乏合理性、操刀的位置不夠準(zhǔn)確，就會導(dǎo)致?lián)Q刀的時間延長，影響到生產(chǎn)的效率提高。鑒于此，在操作中，需確保操作的熟練度，做好操刀線路的控制，對刀具與換刀的順序進(jìn)行合理選擇，以確保機械加工的效率，并實現(xiàn)企業(yè)的生產(chǎn)效益提升。

1.2.3 機械程序的編寫不合理

機械的數(shù)控加工技術(shù)的運用，通常與計算機技術(shù)具有密切關(guān)聯(lián)，經(jīng)過機械程序的編寫，對數(shù)控機床實施操控，從而確保數(shù)控機床的高效且安全運轉(zhuǎn)。機械編程的編寫過程中，編寫的科學(xué)合理性，通常會對數(shù)控機床的產(chǎn)品工作的質(zhì)量以及工作效率造成直接影響[3]。但是，我國機械的數(shù)控機床運用中，仍舊存有編寫不合理狀況，編程人員在實際工作中，對機床的操作方法以及相關(guān)指令不夠熟悉，專業(yè)水平不足，這就導(dǎo)致程序的編寫缺乏實用性，無法有效滿足生產(chǎn)加工的實際需求。

1.2.4 設(shè)備老化

目前，機械的數(shù)控加工技術(shù)依據(jù)其自身具備的優(yōu)勢，在各機械制造行業(yè)中得到了廣泛應(yīng)用。數(shù)控加工的設(shè)備通過了長期的運轉(zhuǎn)，難免會出現(xiàn)些老化現(xiàn)象，并對設(shè)備加工的精度造成相應(yīng)的影響，并影響到數(shù)控加工的技術(shù)發(fā)揮。目前，大部分的制造企業(yè)雖然十分重視加工設(shè)備的運用，但卻忽略了相應(yīng)的維護與保養(yǎng)，缺乏完善、健全的維護方案，這就造成了故障的發(fā)生率增長。

2 ?機械數(shù)控加工技術(shù)水平有效提升的策略

2.1 規(guī)范管理機械數(shù)控設(shè)備

機械的數(shù)控加工技術(shù)應(yīng)用中，需注重管理工作的規(guī)范化，這通常是數(shù)控加工相關(guān)技術(shù)水平得以提升的重要措施。數(shù)控設(shè)備屬于其重要組成部分，規(guī)范管理中需要確保應(yīng)用的靈活性，定期的開展保養(yǎng)與維護工作，以促使機械加工的切削性能的穩(wěn)定性得到有效保證，并實現(xiàn)加工精度的最佳化[4]。同時，需注重培養(yǎng)技術(shù)人員，讓技術(shù)人員充分明白管理維護相關(guān)工作的開展必要性與重要性，并制定有可行性且規(guī)范化的管理方案，對機械數(shù)控的加工設(shè)備進(jìn)行定期檢驗，對其中的問題進(jìn)行及時發(fā)現(xiàn)，注重問題的分析，以制定出具有針對性的解決措施，明確數(shù)控設(shè)備的具體管理內(nèi)容，從而最大程度的保證機械設(shè)備的安全穩(wěn)定性。

2.2 切削刀具的合理選擇

確?？茖W(xué)、合理的選擇切削刀具，通常是機械數(shù)控的加工技術(shù)水平得以提升的重要措施。新手期，不論是國內(nèi)，還是國外，機械的數(shù)控加工技術(shù)都展現(xiàn)出高功率、高速化、高剛性的發(fā)展形勢，這就對切削刀具選擇提出了高要求，需注重切削刀具的精心選擇，以保證其位于高強度切削環(huán)境中仍舊能保持相應(yīng)的完整性，并實現(xiàn)加工效率的高效

性[5]。在對刀具進(jìn)行選擇時，首先，因為高速鋼刀具的性能相對較差，這就使其在運用中逐漸被淘汰，而在必要的狀況下，可選擇些立方氮化硼刀具、陶瓷刀具，這些刀具通常更加耐磨，具有較高的性能質(zhì)量，因此，將其運用于數(shù)控加工技術(shù)中，可有效確保生產(chǎn)加工的工作效率，并促使機械制造業(yè)的數(shù)控加工相關(guān)技術(shù)水平提升。

2.3 數(shù)控編程的人員培訓(xùn)

數(shù)控編程者的技術(shù)水平通常會對機械數(shù)控的加工技術(shù)實際水平造成直接影響。因此，想要使機械數(shù)控的加工技術(shù)實際水平得到深入提升，就需注重數(shù)控編程者的培訓(xùn)，促進(jìn)其專業(yè)化技術(shù)水平提升的同時，確保程序編寫的科學(xué)性。通常而言，首先，機械制造的相關(guān)企業(yè)需充分認(rèn)識到培訓(xùn)工作開展的重要性，注重完善培訓(xùn)體系的建立健全，定期引導(dǎo)編程員參與學(xué)習(xí)，通過多元化培訓(xùn)方式，如實踐操作、專業(yè)講座等，對編寫人員在具體工作中的難題進(jìn)行解決，從而使學(xué)生充分了解與掌握先進(jìn)的編程技術(shù)，并為其后期的編程工作順利開展奠定夯實的基礎(chǔ)。編程的工作中，需注重計算機中仿真軟件的運用，以促使編程人員更精準(zhǔn)、高效的編制相關(guān)加工程序，從而使機械數(shù)控的加工效率得到顯著提升[6]。另外，編程工作完成后，需注重調(diào)試工作開展，盡量縮短具體調(diào)試時間，以促進(jìn)加工技術(shù)的水平提升。最后，相關(guān)工作者需充分認(rèn)識到數(shù)控機床具備的工作特性，確保編寫的程度能充分滿足機床應(yīng)用的需求，避免出現(xiàn)“走空刀”的不良現(xiàn)象發(fā)生。

2.4 數(shù)控的高端技術(shù)自主創(chuàng)新

目前，機械加工的相關(guān)企業(yè)都是引用外國的高端技術(shù)，加工水平雖然得到了相應(yīng)的保證，但卻造成了企業(yè)的成本投入增加，面對該狀況，中國企業(yè)需注重對與數(shù)控有關(guān)的高端技術(shù)進(jìn)行自主創(chuàng)新，政府部門也需做好相應(yīng)的引導(dǎo)工作，強化扶持力度，建立健全高端的數(shù)控技術(shù)的創(chuàng)新工作，加強研發(fā)與創(chuàng)新的力度，對高端的數(shù)控技術(shù)進(jìn)行自主研發(fā)與創(chuàng)新，必要時，政府部門需做好相應(yīng)的保護工作，申請專利，對于高端的數(shù)控技術(shù)的研發(fā)過程中具有突出貢獻(xiàn)的人或企業(yè)，需給予相應(yīng)的獎勵，最終使機械數(shù)控的加工技術(shù)水平得到切實提升。

2.5 機床的五軸聯(lián)動數(shù)控技術(shù)

復(fù)雜零件的加工過程中，機床的五軸聯(lián)動的技術(shù)運用效果顯著，加工的效率與質(zhì)量也比較高，依據(jù)其具備的優(yōu)勢，五軸聯(lián)動的技術(shù)逐漸成了企業(yè)進(jìn)行機械加工的首選技術(shù)。但是，需要注意的是，該技術(shù)的具體操作系統(tǒng)相對復(fù)雜，這就增加了企業(yè)具體操作與運用的難度，通過數(shù)控技術(shù)對五軸聯(lián)動的技術(shù)設(shè)備進(jìn)行操控，則能在確保制造工作質(zhì)量與效率提高的同時，實現(xiàn)生產(chǎn)操作的流程優(yōu)化，促進(jìn)操作難度及其成本的降低，從而使機械數(shù)控的加工技術(shù)運用水平得到顯著提升。

3 ?機械數(shù)控加工技術(shù)的應(yīng)用策略

3.1 數(shù)控加工技術(shù)在自由曲面中的應(yīng)用

自由曲面在熱力學(xué)性能力要求比較高的行業(yè)有著廣泛的應(yīng)用，自由曲面的空間位置通常通過有限型值點確定，并不是由初等解析面組成，因此機械制圖的方式并不適合自由曲面的描述。自由曲面的外形細(xì)膩，在空氣動力學(xué)、熱力學(xué)性能等特殊行業(yè)有著廣泛的需求，一直以來都是機械數(shù)控加工的難點。數(shù)控加工技術(shù)在自由曲面加工中，無干涉是生成刀位的前提，干涉主要分為過切（圖

1a）、欠切（圖1b）和全局干涉（圖1c）三種情況：

過切的產(chǎn)生通常是由于刀具在切觸點位置的有效切削曲率半徑過大，除了切觸點外還與自由曲面的其它地方接觸，從而產(chǎn)生過切現(xiàn)象，在自由曲面的凹曲面或是馬鞍上容易發(fā)生欠切或是過切的現(xiàn)象，一般消除過切或欠切的方法是在切觸點將刀具的有效切削曲率半徑與自由曲面的曲率進(jìn)行匹配，找出無干涉的方向，對刀軸進(jìn)行調(diào)整，實現(xiàn)曲面的完全加工。全局干涉是刀具的非切削部分與自由曲面發(fā)生碰撞或干涉，常用的解決方法是C-space法。在數(shù)控機械加工中，出現(xiàn)以上三種干涉的任意一種或是多種，都會對自由曲面的加工質(zhì)量造成影響，甚至?xí)p壞加工零件。在自由曲面加工過程中，主要運用五軸數(shù)控進(jìn)行加工，三軸加工偶爾會用在一些特別開闊的曲面加工上，因此，在進(jìn)行自由曲面加工的時候，主要選用五軸數(shù)控進(jìn)行加工，研究各個要素之間的互相作用和影響，如刀軌的長度、參數(shù)，刀具的規(guī)格尺寸，刀軸的方向、光順等等。鑒于此，運用數(shù)控機械加工自由曲面主要考慮以下三方面的內(nèi)容：刀具形狀的選擇、刀具路徑的生成以及刀軸方向的計算和優(yōu)化。

①刀具形狀的選擇。

刀具磨損和加工時長是機械加工需要考慮的成本因素，在刀具形狀的選擇上，一般是選擇盡可能大的刀具，并減少刀具的替換次數(shù)，這樣能夠有效的提高加工效率，縮短加工時間。通常都是通過刀具的尺寸參數(shù)和類型來定義刀具的幾何形狀的，如APT刀具的參數(shù)見圖2。

在具體的刀具形狀選擇上，自由曲面的粗加工中一般采用逐層加工趨近的方法，在達(dá)到目標(biāo)層以后進(jìn)行刀具的更換，當(dāng)自由曲面的邊界限制了刀具的尺寸和形狀，則可以更換盡可能滿足條件的最大的刀具，這樣能夠更好的實現(xiàn)機械加工的效率。在機械數(shù)控加工技術(shù)中，對于不同的形狀的刀具，具有不同的算法，通過合理的刀具選擇，往往能夠起到事半功倍的效果。

②刀具路徑的生成優(yōu)化。

加工后的曲面殘高均勻并且滿足曲面的使用要求是刀具路徑的優(yōu)化方向，過度的追求更小的殘高會增加加工的整體實踐，因此并不是刀具路徑的最佳模式。所以，刀具的路徑優(yōu)化要平衡加工時間和殘高之間的關(guān)系，這樣才是最優(yōu)的刀具路徑。刀具路徑的生成主要考慮加工效率和精度兩個方面，最優(yōu)的路徑應(yīng)該是刀具軌跡無干涉，路徑生成算法考慮儲存空間和加工時間，算法是否適用其它加工設(shè)備和不同的曲面。在自由曲面的銑加工中，比較成熟的是行切法和環(huán)切法，依據(jù)不同的曲面要求，刀具路徑的生成優(yōu)化可以采用SFCs（Space Filling Curves）法、圓弧逼近法、最大弦高法、等殘高法、曲率匹配加工等方法。

③刀軸方向的計算和優(yōu)化。

刀軸方向主要由側(cè)偏角和前傾角進(jìn)行秒殺，在自由曲面加工中，一般選擇非球頭刀，這樣就可以在較低的主軸轉(zhuǎn)速下達(dá)到更好的材料切除效果。在傳統(tǒng)計算中，基本用刀軸傾斜法進(jìn)行，其不足則是前秦叫固定在3°到10°，適應(yīng)性不好，過大容易殘留多，過小則容易發(fā)生干涉。因此，在數(shù)控機械加工中，常常選擇主曲率匹配法，通過調(diào)整刀具姿態(tài)，來獲得刀具在自由曲面上的有效切削界面。此外，還可以依據(jù)自由曲面的要求，選擇多點加工法、滾動球法、廣域曲率吻合刀位算法等方面進(jìn)行刀軸方向的計算和

優(yōu)化。

3.2 五軸加工技術(shù)的應(yīng)用和提升

五軸聯(lián)動數(shù)控是應(yīng)用最為廣泛的一項技術(shù)，在復(fù)雜的曲面加工中能夠突顯出五軸數(shù)控技術(shù)的優(yōu)勢，實現(xiàn)加工的自動化和精密化。五軸加工技術(shù)的應(yīng)用和提升主要從以下幾個方面進(jìn)行：首先，選擇合理的加工參數(shù)，科學(xué)、有效的參數(shù)選擇不僅能夠滿足機械加工的實際需要，更能夠提高機械加工的效率，延長刀具的使用壽命。加工參數(shù)的選擇要結(jié)合加工對象、選用的加工方式、加工材料以及特殊要求等方面內(nèi)容，合理的選擇刀具類型、主軸轉(zhuǎn)速、下刀點、安全高度、加工余量、走刀方式、加工方式等，能夠有效提高數(shù)控加工的質(zhì)量和效率。目前，數(shù)控加工參數(shù)主要集中在刀具選擇、走刀路線、進(jìn)給速度等方面，隨著CAM、CAPP等技術(shù)的興起和發(fā)展，參數(shù)的智能化選擇極大的優(yōu)化了加工效果[7];其次，刀位軌跡的優(yōu)化，刀位軌跡是數(shù)控加工中刀具的實際走位，對于數(shù)控加工技術(shù)的精度、質(zhì)量和效率具有重要的影響。刀位軌跡分布均勻、效率高、誤差小，能夠滿足高質(zhì)量的加工需求，有效提高零件的表面光滑度和精度，而不合理的刀位軌跡則會大大降低良品率。刀位軌跡的優(yōu)劣決定了復(fù)雜曲面加工的可能性，因此，刀位軌跡的優(yōu)化應(yīng)該滿足加工過程中接觸面光滑、無碰撞、切削的行間距分布均勻，這樣的刀位軌跡不僅能夠達(dá)到最優(yōu)的加工質(zhì)量，同時數(shù)控的算法效率高、穩(wěn)定性好，具有通用性。最后，仿真應(yīng)用，在復(fù)雜的曲面加工中，由于加工零件的曲面復(fù)雜，加上各種環(huán)境因素的影響，使得實際加工中會出現(xiàn)一些意想不到的問題。因此，通過仿真技術(shù)的應(yīng)用，能夠?qū)?shù)控加工過程進(jìn)行模擬，既避免了實際加工中出現(xiàn)的問題，也不會造成實際的經(jīng)濟損失，有效的優(yōu)化了加工流程。

4 ?結(jié)束語

綜上所述，工業(yè)化進(jìn)程的持續(xù)發(fā)展，制造業(yè)等有關(guān)企業(yè)與當(dāng)前工業(yè)發(fā)展相結(jié)合，需注重數(shù)控加工的技術(shù)水平提升，對數(shù)控機床的相關(guān)設(shè)備實施定期維護，促進(jìn)工作人員處理信息的能力提高，選擇適合的數(shù)控機床刀具，確保生產(chǎn)工作有效開展，從而數(shù)控加工的技術(shù)水平得以提升的同時，確保企業(yè)甚至整個制造業(yè)、工業(yè)的持續(xù)、健康發(fā)展。

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