高效数控加工工艺设计研究

高效数控加工工艺设计研究

赵彦邦

西北机电工程研究所  多工序数控机床操作调整工     陕西咸阳   712099

摘要：数控加工工艺参数优化是实现数控智能加工环节中至为重要的一环，也是未来智能制造领域内亟需解决的关键性问题。针对数控加工工艺设计中参数优化问题，整体上从以加工效率、加工质量、机床运行平稳性为目标的进给参数离线优化、恒定切削力和恒定功率的自适应进给参数在线优化，本文详细阐述了高效数控加工工艺设计优化的研究现状和理论成果，总结了各种优化方法的应用效果和优势与缺点所在，并对工艺参数智能优化方法提出了数控加工的建设性意见和未来的发展趋势。本文在研究的过程中，针对数控加工工艺设计的主要内容实施系统且详细的分析，并对数控加工工艺在设计过程中，提及的方法实施深入的探讨，同时，针对精准的重量要求，提出了数控加工工艺设计方法。最后，应用上述方法，高效地加工出合格零件，为批量生产提供技术支撑。

关键词：高效；数控；加工工艺；工艺参数；参数优化

前言

随着我国制造业发展的脚步日益加快，数控加工的发展也呈现出显著的提升。 数控机床加工性能的因素很多，主要包括工艺系统设计、工艺过程设计、工艺过程管理和工艺参数选取与优化等几个方面，其中工艺参数选取与优化是提高数控 机床 加工性能的 关键因素。为了进一步提升机床的运行效率，在数控加工的工艺设计过程中，应该提出合理的建议以及有效的改善机制，以便在针对数据处理工作的过程中，达到提升生产效率与保证产品质量，逐步实现自动化、智能化。

1.关于数控加工工艺的分析

所加工内容的尺寸标准都应按照数控加工的标准实施，其特点主要集中在两个方面。首先，数控编程。在实际编程过程中，面的位置、点的位置、线的位置及其大小通常需要基于编程的“原点”。因此，在设计数控加工工艺时，最好为零件图纸提供特定的坐标尺寸。其次，几何元素必须准确完整。编程时，相关技术人员必须全面分析与零件轮廓相关的几何元素，并明确这些几何元素之间的关系。这是因为在具体编程过程中，需要定义零件轮廓的相关绑定元素，并且需要精确计算每个节点的坐标。如果其中一个不清楚，编程将无法继续

2.关于数控铣床孔加工工艺的设计方法

2.1明确“走刀”路线

在数控加工工艺设计环节中，“走刀”路线的确定是加工的基础，能够将整个工序之中的运动轨迹明确下来，为后续加工奠定基础。另外，“走刀”路线越短则意味着效率越高。

例如，图1（a）所展示的零件上的孔系；(b)所展示的走刀路线，即先将外圈孔加工完毕，再对内圈孔进行加工。此时，还可以尝试(c)的走刀路线，因为该路线可以最大限度减少空刀出现率，这样则可以有效减少定位的时间，从而实现高效生产的目标。

图1 最短的“走刀”路线

通常来讲，最终轮廓需要一次走刀将其完成，这样才能最大限度保障加工之后工件轮廓的粗糙度达到指定要求，因此，倘若要保障加工工件的效果，则需要在最后一刀设置轮廓切割，并通过连续走刀的方式一气呵成。

2.2定夹角曲面高效铣削

从图 2（a）来看，根据薄壁套的性质来看，它的轴向刚性较好，因此，需要通过卡爪径向将其夹紧，然后再进行对应的加工，其工件变形较大；此时，倘若还沿着轴向持续施压夹紧力度，可以让变形程度减小。之后，再将其夹紧，参考（b）可以看出夹紧力不应当在箱体的顶面产生作用力，而需要将作用力引向轴向位置，例如，凸边上，该位置的刚性最好；也可以在顶面上三个点进行夹紧，从而改变着力点的位置，将因为夹紧带来变形的程度降到最低，详情见（c）所示。

图 2 夹紧力作用点与夹紧变形的关系

3.车削加工参数优化方法

优化切削加工的一般参数就是切削三要素，切削速度，进给量，以及切削深度。为了提高粗加工的加工效率和仿真过程，通常首先对切削深度或切削进给量等参数进行优化。在精加工过程中，在保证产品质量的前提下，应尽可能提高加工效率，以便同时优化两个或三个参数。优化目标方程包括基于三个切削元素定义优化目标函数，其中，以加工时间为优化目标，以三个切削要素为自变量考察工件的加工效率，以降低生产成本。那么单件的加工时间可以用以下函数表示：

   （1）

其中，表示加工工件所需的切削时间，表示空走刀时间，表示更换磨损后刀具所消耗的时间，表示一把新刀具最长加工时间，表示加工辅助时间。在车削过程中，在给定零件和毛坯的情况下，切削长度，进退刀行程，零件外径，工件余量是确定值，那么进给率，快进进给率，平均进到深度，设定转速作为优化的变量，根据以上参数可得单件切削时间为：

   （2）

那么，非切削空走到时间可表示为：

                （3）

根据刀具切削原理，刀具最长使用时间可表示为：

                              （4）

  其中，为常数，它与所用刀具的材料、工作价格的材料和切削条件有关。替换公式（1）中的公式（2）可以获得加工单个工件所需的总时间。总时间函数表达式表明，它是切削速度、进给量和切削深度的函数。在实际加工过程中，机床的最大速度、刀具能承载的最大速度、工件的表面质量、机床能提供的最大进给力等限制。在上述限制条件下，为了获得最小加工时间，可利用拉格朗日定理，利用总切削时间表达式（1）计算切削速度、进给速度和切削深度的偏导数，即在一定限制条件下的最小切削时间。

4.高效刀具在数控加工中的应用

4.1 微调镗刀

由于该钻头的径向尺寸可以在一定范围内进行微调，具有良好的通用性；由于钻孔比铰孔更能保证孔的位置和形状精度，因此在数控机床中得到了广泛的应用。图3显示了生产中广泛使用的微调镗刀。如果在螺母旋转时调整尺寸，则相应的螺钉（即切割头）将沿其轴方向移动。设定尺寸后，拧紧螺钉末端的螺钉。

图3微调镗刀

4.2可转位扩孔钻

孔加工工具中的可转位摩擦钻与平孔钻的区别在于，两个可转位刀片的外缘在同一个外圆上，刀片的径向可以很容易地调整（±0.1mm），以控制摩擦钻的直径。一般直径为20-60mm

4.3硬质合金螺旋齿立铣刀

这是在数控镗铣床及加工中心上使用非常普遍的刀具，通常有三种形式：焊接、机夹和可逆刀片。具有良好的刚性和排屑性能，可对工件平面、台阶面、内表面和坡口进行粗、精铣削。

4.4机夹硬质合金单刃铰刀

在数控机床和加工中心上加工（）精密孔时，除使用通用的标准铰刀外，还常采用机夹硬质合金刀片的单刃铰刀。用这种铰刀铰孔不仅刀具寿命长，而且所加工出来的孔精度很高（5-7 级），表面粗造度的数值很小（可达。机夹单刃铰刀刀片的刃磨质量是至关重要的，因为精密铰削时，半径上铰削余量是在 以下，所以刀片的切削口要磨得异常锋利（刀刃圆角半径 要小于）。如果用涂层刀片，涂层后前面需再把涂层磨掉，以保证刀片有锋利的刃口，即使这样，刀片寿命也要比非涂层高 L 倍左右。

4.5球头铣刀

在数控机床及加工中心上进行三维曲面的数控铣削时，经常要用球头铣刀。小规格的多制成整体的硬质合金结构；直径在16mm以上的，制成焊接或机夹可转位刀片结构。

总结

本文主要讨论了提高数控车削效率的一般优化方法，并通过实际验证进一步说明了这些优化方法。通过实例验证，可以确定优化机床速度、刀具进给量和切削深度后的切削工艺参数确实减少了数控加工时间，提高了单件和批量加工的生产效率，降低了企业的加工成本。最后，提高了公司的综合经济效益，对技术人员和操作人员优化工艺参数具有一定的指导作用和实际应用价值。

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