高速數(shù)控機床在機械加工中的應(yīng)用分析

鞠曉光

摘要： 伴隨機械制造行業(yè)的深入發(fā)展，機械自動化技術(shù)在飛速進步，這在一定程度上提高機械加工的速度和質(zhì)量。為了能夠更好地提高數(shù)控機床的加工速度，高速數(shù)控機床應(yīng)運而生，通過該技術(shù)能夠更好地提高數(shù)控機床的工作速度，有利于提高產(chǎn)品品質(zhì)。本文首先針對高速數(shù)控機床的概念、原理和特點進行闡述，然后對高速數(shù)控機床的分類進行論述，并且對數(shù)控機床的工藝以及高速數(shù)控機床的應(yīng)用進行整體分析。

Abstract： With the in-depth development of the machinery manufacturing industry， mechanical automation technology is advancing rapidly， which improves the speed and quality of machining to a certain extent. In order to better improve the processing speed of CNC machine tools， high-speed CNC machine tools came into being. Through this technology， the working speed of CNC machine tools can be better improved， which is conducive to improving product quality. This article first describes the concepts， principles and characteristics of high-speed CNC machine tools， then discusses the classification of high-speed CNC machine tools， and analyzes the technology of CNC machine tools and the application of high-speed CNC machine tools as a whole.

關(guān)鍵詞： 高速數(shù)控機床;機械加工;原理分析;工藝技術(shù)

Key words： high-speed CNC machine tools;machining;principle analysis;process technology

中圖分類號：TG659 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標識碼：A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號：1674-957X（2022）05-0076-03

0 ?引言

高速數(shù)控機床是現(xiàn)代機械化生產(chǎn)加工作業(yè)中的重要設(shè)備，通過該設(shè)備能夠在很大程度上提升企業(yè)生產(chǎn)效率，有效促進數(shù)控機床高效工作。與此同時，還能夠更有效地提高生產(chǎn)質(zhì)量，能推動機械制造行業(yè)更好地發(fā)展。與此同時，高速數(shù)控機床還具有智能化和集成化的優(yōu)勢，從而實現(xiàn)對整個機械加工過程的控制。接下來，本文將對高速數(shù)控機床進行具體分析和探究。

1 ?高速數(shù)控機床概述

1.1 高速數(shù)控機床概念

在我國工業(yè)化快速發(fā)展的背景下，數(shù)控機床技術(shù)在機械制造領(lǐng)域占據(jù)難以取替的地位，一方面可以推動國家經(jīng)濟發(fā)展，另一方面促進機械制造業(yè)朝著智能化方向發(fā)展。數(shù)控機床能夠?qū)崿F(xiàn)機械制造業(yè)的高效生產(chǎn)加工作業(yè)，能夠?qū)⑿畔⒓夹g(shù)與機械設(shè)備進行完美融合，從而有效促進自動化技術(shù)的發(fā)展。

1.2 高速數(shù)控機床原理

有關(guān)高速數(shù)控機床，其包括主軸系統(tǒng)、電動機系統(tǒng)、數(shù)控系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)、支撐部件以及監(jiān)控設(shè)備等;通過各個系統(tǒng)之間的運行，能夠很好地進行高速數(shù)控機床的綜合控制，確保高速數(shù)控機床正常運轉(zhuǎn)。這種高速數(shù)控機床具有高精度的特點，而系統(tǒng)所具備的給速度最高能夠達到250m/min，其中加速度最高能夠達到10g。而且這種數(shù)控機床的精度十分高，能夠保證精度在0.1～0.01um。

1.3 高速數(shù)控機床加工特點

1.3.1 高效性

高速數(shù)控機床作業(yè)具有高效性的特點，此種技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)多種技術(shù)的結(jié)合，不但需要計算機技術(shù)作為整個數(shù)控機床操作的核心技能，還需要在此基礎(chǔ)上接惡化機械學和電子學相關(guān)技術(shù)，從而有效實現(xiàn)企業(yè)的機械加工作業(yè)。通過這種自動化技術(shù)依托相關(guān)程序?qū)崿F(xiàn)數(shù)控機床的高速生產(chǎn)，在單位時間內(nèi)能夠生產(chǎn)出更多的產(chǎn)品，有利于促進整個機械加工作業(yè)效率的提升，也能夠在一定程度上提高加工精度。在提高產(chǎn)品品質(zhì)的同時，讓機械更多地代替人力，降低人為原因的失誤，為企業(yè)實現(xiàn)高效生產(chǎn)提供保障。

1.3.2 高速性

在高速數(shù)控機床字面上，能夠體現(xiàn)出其高速性的特點。通過該技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)主軸轉(zhuǎn)速的提升，同時也可以實現(xiàn)進給速度的加大，從而能夠讓數(shù)控機床速度加大。要求主軸速度應(yīng)該大于36000r/min，而數(shù)控機床的電動機的功率具有嚴格的要求，一般都應(yīng)該大于14kW，需要符合技術(shù)要求。還有一些高速數(shù)控機床的主軸轉(zhuǎn)速可以達到60000r/min，這樣能夠更好地體現(xiàn)出高速數(shù)控機床的高速性特點。而且這種數(shù)控機船的精度非常高，能夠控制到納米級別的精細度。還能夠使整個數(shù)控機床在運行中變得更加穩(wěn)定、可靠，降低機床故障率，有利于企業(yè)經(jīng)濟利益的

提升。

1.3.3 智能化

高速數(shù)控機床具有智能化的特點，通過智能化系統(tǒng)來進行各個方面的控制。通過智能化的編程界面能夠很好地對數(shù)控機床機械手的操作流程、操作動作、位移距離、夾具變化等內(nèi)容進行輸入和調(diào)試，從而能夠讓整個機械加工的步驟變得更加協(xié)調(diào)，通過智能化控制來實現(xiàn)自動化生產(chǎn)加工作業(yè)，能夠?qū)崿F(xiàn)較快的速度進行機械化生產(chǎn)，進一步提高工作效率和工作質(zhì)量。另外，通過智能化的人機交互界面進行有效互動，可以實現(xiàn)對機械故障的修復(fù)，對整條生產(chǎn)線的監(jiān)控，進而可以保證維修效率的提升，全面實現(xiàn)高速數(shù)控機床的智能化運作。如表1所示。

2 ?高速數(shù)控機床分類

根據(jù)驅(qū)動裝置進行分類，包括開環(huán)控制數(shù)控機床、閉環(huán)控制數(shù)控機床、半閉環(huán)控制數(shù)控機床，其中開環(huán)控制數(shù)控機床系統(tǒng)中并沒有一定的檢測元件，一般都是混合形式的伺服步進電動機，從而更好地對系統(tǒng)所給出的指令進行一定的功率放大，然后能夠更好地對電機進行指令的傳輸，這樣就能夠更好地通過齒輪減速設(shè)備來進行絲杠旋轉(zhuǎn)的帶動。還可以通過脈沖的頻率來進行移動速度的控制，通過脈沖的數(shù)量來進行位移量的控制，這樣就能夠更好地進行數(shù)控床的控制。因為這種數(shù)控機床的控制是通過脈沖的形式來進行傳播的，一旦脈沖發(fā)出，就不會再有相關(guān)的參數(shù)反饋回來，所以這種情況的機床被稱為開環(huán)控制數(shù)控機床。這種機床具有結(jié)構(gòu)簡單的特點，而是生產(chǎn)成本非常低，能夠更好地提高企業(yè)的經(jīng)濟利益。

3 ?具體應(yīng)用分析

第一，與高速數(shù)控機床要求相符的小批量零件加工。因為制造數(shù)控機床的成本在不斷下降，能夠大幅度減少調(diào)試程序、準備工裝所需時間，所以這是提升綜合效益的重要方法。伴隨高速發(fā)展的機械加工技術(shù)，越來越多的小批量生產(chǎn)零件企業(yè)青睞于高速數(shù)控裝備。通過運用高速數(shù)控機床，能夠?qū)崿F(xiàn)規(guī)?；a(chǎn)從而為企業(yè)提供強大的發(fā)展動力支持。

第二，金屬切削機床的控制。此類設(shè)備集成了光電學、機械學等學科，這樣的數(shù)控加工技術(shù)擁有更高質(zhì)量、精度及效率。其將加工的精度質(zhì)量、材料性能等相關(guān)參數(shù)指標，依據(jù)技術(shù)需要、加工工位進行挨個分解，由于數(shù)控系統(tǒng)的可靠穩(wěn)定性，因此與金屬切削的具體技術(shù)要求相符。

第三，應(yīng)用于自動生產(chǎn)線。運用數(shù)控機床并非單一性的設(shè)備應(yīng)用，而是具備較強相繼屬性的應(yīng)用工程。針對機床產(chǎn)品，尤其是高速數(shù)控機床，可以看到自動化產(chǎn)品與技術(shù)會作用在控制機構(gòu)、測量以及反饋機構(gòu)每一部分。至于關(guān)鍵零件的很多加工工藝均會突破機械加工常規(guī)理念，而此類機床的設(shè)計便是突破常規(guī)的結(jié)構(gòu)形式。比如進行模具電機的加工，需要精度較高的電極并要求良好的表面質(zhì)量，特別是形狀繁瑣、加工薄壁的產(chǎn)品，將其用于加工環(huán)節(jié)能最大限度避免模具表面損傷。再比如，可以取替EDM加工模具，能夠?qū)㈦娀鸹C床80%左右的加工環(huán)節(jié)取替，在縮減加工周期的同時減少生產(chǎn)成本支出。

4 ?加工效率影響分析

第一，編程程序。和其他類型的機械設(shè)備相比，數(shù)控機床是依托設(shè)備自動化性能來控制產(chǎn)品的生產(chǎn)，針對加工效率造成產(chǎn)影響的一項主要因素便是編程程序，有關(guān)企業(yè)對此應(yīng)該持續(xù)改進和優(yōu)化編程程序?？蓮膶嶋H情況來看，忽視編程工作，程序只要沒有問題便不會改進和優(yōu)化程序，同時不會考慮其規(guī)格，當前大部分企業(yè)的高速數(shù)控機床的機械加工效率均相對平穩(wěn)，基本不會出現(xiàn)顯著的上升或是下降。在實際加工中不可避免會產(chǎn)生故障問題，以往采取的方法難以徹底處理整個問題，導(dǎo)致隱患沒有被充分消除，有關(guān)人員如果單純重視測試、尋找填補程序漏洞的方法，必然會遏制編程程序的改進及優(yōu)化，從而難以提升其加工效率。

第二，機械應(yīng)用。高速數(shù)控機床在管理與使用過程中，作為操作人員應(yīng)承擔起相應(yīng)的責任，唯有貫徹落實其本職工作，密切協(xié)調(diào)其他方面的工作，及時正確處理應(yīng)用數(shù)控機床中產(chǎn)生的各種問題，進而有效確保機械加工效率。在具體操作中，企業(yè)大部分員工沒有全面掌握相關(guān)企業(yè)規(guī)定，忽視自身的工作責任。高速數(shù)控機床在進行產(chǎn)品生產(chǎn)時，沒有具體詳細的操作流程、規(guī)章制度提供指導(dǎo)且隨意性較強，相關(guān)人員在具體操作機床時會存在較大的安全隱患。

5 ?加工效率提升建議

第一，選取合適的數(shù)控設(shè)備。機床性能會對機械加工效率造成直接影響?；诖耍绻岣邫C械加工效率，高速數(shù)控機床的各項性能應(yīng)能滿足企業(yè)具體發(fā)展需求，這也是提高機械加工效率的保障。在設(shè)備采購環(huán)節(jié)，首先應(yīng)充分了解對企業(yè)實際生產(chǎn)情況，選擇適合的硬件和軟件。合作廠商的選擇，挑選信譽良好的商家展開合作，完成機床調(diào)試且進行試運行之后才可以投產(chǎn)。此期間如果存在問題需要及時聯(lián)系廠商，尋找針對性的解決辦法，進而讓高速數(shù)控機床提高生產(chǎn)效率。

第二，提高思想認識水平。首先，數(shù)控技術(shù)的專業(yè)性和綜合性較強。刨除數(shù)控機床還要使用合適的配套技術(shù)，發(fā)揮其效用、提升其效率。其次，控設(shè)備都擁有指定的生命周期。在一定時間內(nèi)，無論是新技術(shù)還是新設(shè)備均擁有強大的生命力?？删枚弥畷蝗√嫫渌男略O(shè)備及技術(shù)。最后，應(yīng)將人員的綜合素質(zhì)充分發(fā)揮，本文主要是指管理人員、技術(shù)人員和維護人員等。

6 ?發(fā)展趨勢分析

第一，數(shù)控系統(tǒng)不斷完善。從我國現(xiàn)階段數(shù)控技術(shù)的使用情況分析，機械加工會涉獵很多方面，所以有必要對傳統(tǒng)的數(shù)控系統(tǒng)、技術(shù)不斷更新，將系統(tǒng)不足填補，從而設(shè)計更科學數(shù)控機械加工平臺，促進我國機械加工行業(yè)更好地發(fā)展。

第二，機械制造業(yè)行業(yè)實現(xiàn)效能與精準度的提高。高速發(fā)展的社會經(jīng)濟促進機械加工產(chǎn)業(yè)的進步，在未來數(shù)控技術(shù)的使用中應(yīng)進一步提高技術(shù)效能與精準性，以此為產(chǎn)品質(zhì)量和加工效率提供保障。

第三，提高信息化建設(shè)水平。機械加工業(yè)若要實現(xiàn)持續(xù)性發(fā)展，在需提高對信息化建設(shè)的重視，當前數(shù)控技術(shù)需加大信息化創(chuàng)新力度，讓行業(yè)整體提高數(shù)字化水平，促進機械行業(yè)的發(fā)展更加數(shù)字化、創(chuàng)新化以及高產(chǎn)能化。

7 ?高速數(shù)控機床的應(yīng)用實例

本次高速數(shù)控機床應(yīng)用以高速精密加工機床為例進行分析，該系統(tǒng)主要是通過4個高性能的高速陶瓷軸承組成，此系統(tǒng)具有一定的優(yōu)勢，因為是通過油脂來進行潤滑工作，不需要進行機械保養(yǎng)，這樣可以節(jié)省大量的保養(yǎng)時間和經(jīng)費。轉(zhuǎn)速范圍能夠達到5000～50000r/min，具有非常大的剛性能力和功率密度。此高速數(shù)控機床運用BLDC高速電機，轉(zhuǎn)子中不涉及傳感器，只需通過熱傳感器來進行溫度的檢測即可，從而能夠更好地進行溫度保護。具有高效率和發(fā)熱量小的優(yōu)勢，可以實現(xiàn)一定的過載保護功能。而且是一種外殼集成的水冷卻系統(tǒng)，能夠同時進行定轉(zhuǎn)子、軸承的冷卻工作，可以進行快速散熱，有效保證散熱均勻，不會出現(xiàn)內(nèi)部熱應(yīng)力的問題。同時可以實現(xiàn)對夾刀的監(jiān)控，這樣能夠更好地促進安全生產(chǎn)工作，提高生產(chǎn)效率，有效降低企業(yè)的生產(chǎn)成本，提升企業(yè)經(jīng)濟效益。

7.1 SKDX5060小型高速數(shù)控雕銑機床的應(yīng)用

7.1.1 機床特點

本機床主要運用了高精度的數(shù)字交流伺服驅(qū)動，同時還使用了比較高級的CNC數(shù)控系統(tǒng)提供服務(wù)，而其內(nèi)部的高速墊主軸的功率能夠達到2.2kW，受到市場的格外歡迎。此種機床主要采用桌面式樣的龍門結(jié)構(gòu)，具有比較高的剛度，同時所占用的空間相對較小，作業(yè)空間范圍較大，能夠滿足多種零件加工的要求。機床所使用的驅(qū)動電機主要是日本山洋品牌電動機，具有超高的質(zhì)量保證。此機床的主要加工范圍大概能夠在500mm～600mm之間，其中的抱閘電動機的行程大概為280mm，能夠?qū)崿F(xiàn)3軸和4軸的聯(lián)動。其中主軸的轉(zhuǎn)速最高能夠達到24000r/min。如圖1所示。

7.1.2 應(yīng)用效果分析

此機床主要應(yīng)用于比較復(fù)雜的模具加工作業(yè)之中，利用雙人圓鼻刀來進行初步加工作業(yè)，要求此刀具的直徑為10mm，線速度為380m/min。在經(jīng)過初步加工之后，還可以利用雙刃球刀來進行精細加工，要求刀具的直徑為8mm。在某展會上使用此機床去進行小型手機殼的模具加工作業(yè)，手機殼模型具有非常多的按鍵，同時在屏幕的邊上還存在著凹型腔，因此加工復(fù)雜程度較高。本次采用雙刃球頭刀來進行加工，要求線速度為200m/min，加工深度0.8mm，刀具間隔0.8mm，加工時間為1h，最終的加工效果相較理想。

7.2 SKXD6070高速數(shù)控雕銑機床的應(yīng)用

7.2.1 機床特點

此機床能夠加工作業(yè)的范圍為600×700mm，具有非常高的精度和剛度，主要是用于精細加工作業(yè)。機床本身主要是龍門式樣結(jié)構(gòu)，具有受力比較均勻的特點。被加工的工件只能夠在軸向進行移動，具有很好的動態(tài)特征。而且其橫梁具有一定的傾斜度（角度是30°）?？梢酝ㄟ^對導(dǎo)軌間的間距拉大來提升主軸的穩(wěn)定性，可以提高加工質(zhì)量。底座主要是箱型結(jié)構(gòu)，擁有良好的穩(wěn)定性，可以有效進行上面結(jié)構(gòu)的支撐工作，對工件的變形量進行有效控制。機床的所有部件能夠形成一個金字塔形狀，為其主軸的高速運轉(zhuǎn)而提供保障。機床的三個軸都使用了伺服電機，而且導(dǎo)軌具有比較低的摩擦系數(shù)，能夠更好地提高加工效率，降低能量損耗，有效節(jié)省機床的維修保養(yǎng)費用。機床的主軸轉(zhuǎn)速最高能夠達到24000r/min，刀具的直徑也有多種選擇，具有非常好的應(yīng)用效果。如圖2所示。

7.2.2 應(yīng)用效果分析

在進行汽車燈具模具加工的過程中，通過使用本機床來進行半精細加工和精細加工。在半精細加工的過程中使用直徑為10mm的圓筆刀，精加工利用直徑為6mm的球頭刀，轉(zhuǎn)速為5m/min，刀具間隔為0.1mm，加工時間為10h，可以節(jié)約時間2h，具有非常高的加工精細度，不需要再次進行拋光。

7.3 SKDX5060小型高速數(shù)控精密加工機床應(yīng)用分析

該高速數(shù)控精密加工機床的軸承系統(tǒng)主要是由4個高性能高速陶瓷軸承進行組成，需要使用油脂來進行潤滑操作。在日常的設(shè)備使用中不需要進行保養(yǎng)工作，能夠省時省力。該數(shù)控機床的轉(zhuǎn)速一般在5000-50000轉(zhuǎn)每分鐘，具有非常高的效率。該機床具有一定的高剛性和高功率密度的特點，電機為BLDC高速電機。其轉(zhuǎn)子不需要進行位置傳感器的安裝，主要是通過熱傳感器來進行一定的溫度保護工作。此種高速加工機床具有高效率和發(fā)熱小的特點，能夠很方便地進行驅(qū)動控制，還具有一定的過載保護的特點。該機床主要是通過外殼來進行水冷系統(tǒng)的集成，還需要進行電機定轉(zhuǎn)子和前后軸承進行冷卻，不需要通過其它外加的設(shè)備來進行冷卻，這樣才能夠快速促進機床的散熱工作。夾刀系統(tǒng)能夠?qū)Φ毒哌M行一定的控制，包括刀具的松開和刀具的夾緊，還能夠?qū)τ袩o刀具進行一定的判讀，有效提高機械加工的安全性。每次進行換刀工作后能夠進行自動清潔工作，不需要其它信號進行控制，從而能夠有效促進其工作效率的提升。換刀系統(tǒng)能夠其重復(fù)精度能夠達到0.002mm以內(nèi)，具有一定的可靠性的方便性。而高速數(shù)控擊穿主軸的轉(zhuǎn)速一般在5000-8000轉(zhuǎn)每分鐘，最高可以達到10000轉(zhuǎn)每分鐘。而高速電主軸主要是集成在刀柄之中，能夠進行不同轉(zhuǎn)速和尺寸的使用，有利于進行各種機械加工作業(yè)。利用此種數(shù)控擊穿能夠提高生產(chǎn)效率，比正常的數(shù)控擊穿要提高三倍，而加工時間縮短了40%。平均每個另加的加工時間能夠縮短5分鐘，原來的維修費用在10000-20000歐元之間，而利用此種高速數(shù)控機床進行應(yīng)用，所需要的維修費用低于1000歐元。原來的維修時間大概需要2周，現(xiàn)在只需要10分鐘。

8 ?結(jié)語

綜上所述，在機械制造行業(yè)中高速數(shù)控機床的運用是十分重要的，不但能夠有效加快工業(yè)生產(chǎn)效率。與此同時，更好地彰顯高速數(shù)控機床的高效性、高速性、智能化、集成化以及經(jīng)濟性等優(yōu)勢，實現(xiàn)機械技工作業(yè)中各個階段的生產(chǎn)優(yōu)化，從而為企業(yè)的加工生產(chǎn)提供保障。在未來的發(fā)展中，數(shù)控技術(shù)會具有更高的加工精度，同時也會向著數(shù)字化的方向發(fā)展，實現(xiàn)多軸聯(lián)動，并且具有一定的網(wǎng)絡(luò)化智能控制，實現(xiàn)自動監(jiān)控和恢復(fù)，助力我國制造業(yè)的持續(xù)性發(fā)展。

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