基于數控加工的工藝設計原則和方法

張建新

（沙洲職業工學院，江蘇 張家港 215600）

基于數控加工的工藝設計原則和方法

張建新

（沙洲職業工學院，江蘇 張家港 215600）

現代自動化的數控機床比傳統加工在諸多方面存在差異，其數控加工工藝更加需要注重零部件工藝的設計標準與工藝分析，而實現其設計標準的關鍵在于編程。但是僅依靠編程的效果實現設計標準依然存在不足，必須遵循相應的設計原則，進而完成優化的設計方案。文章通過對數控加工的工藝設計原則歸納，總結了相應的數控加工的工藝設計方法。

數控加工；工藝設計；原則方法

1 數控加工的基本原則

數控加工的過程必須遵循先粗后精的基本原則，依據加工零件的精密度與變形剛度區分工序。那么應當先將零部件雛形進行粗略設計，再針對精細部分進行加工。粗加工的設計中，需要先保證刀具耐用度與加工質量，進而提升加工部件的系統剛性符合設計標準，才能以最大切削深度為基礎，減少切削次數為精細加工做鋪墊。在精細加工的階段，需要對其設計表面進行質量評定，也要保障加工部件的標準精度，因此需要在整體輪廓中設計為連續精加工的程序。通常精加工余量不超過0.59mm的設計標準指標，才能形成較高的工藝設計質量。在粗加工到精細加工的階段，必須停留一定時間，以便零部件在粗加工后能夠得到材質的恢復，再進行精細加工時才能保障其加工標準的精密度。

2 數控加工的工藝設計原則

（1）工序集中的一次定位原則。在數控加工的工藝設計中，所有加工部件都由數控機床完成，在工藝設計時需要對所有部件完成加工程序，那么在多次加工的過程內就容易引起分段工序的失誤，因此在最初設計中必須將所有工序進行集中，以便于后期操作，減少相應的誤差才能提高生產效率。針對零部件的加工同軸度要求很高的孔系加工，必須設置為一次成型的生產工藝，采取連續換刀的方式加工同軸孔系，進而在坐標位置加工其他孔，才能降低因為重復定位而產生的誤差，也就提升了同軸度的高孔系。

（2）先面后孔與先近后遠設計原則。在數控加工的過程中，其對刀點的大小設計必須選擇較近的加工位置，而較遠的位置需要選擇后續加工，才能保障其加工過程的刀具移動具備相應的時間優勢，減少相對的空行程時間。并且在鏜孔和銑平面的零件設計中，應當先以銑平面的加工設計優先，再進行鏜孔的后續加工。其根本原因在于銑平面切削力加多，其設計部件容易在加工過程變形，因此需要一定的恢復時間，再完成鏜孔的加工有利于相對的加工精密度。此外，多數鏜孔加工中會產生飛邊與毛刺，那么再進行銑平面加工就容易產生加工誤差，甚至影響到孔的裝配環節。

（3）先內后外的工序與內外交叉的設計原則。部件加工多數為存在內外表面的加工步驟，內部表面加工的是零件內腔與內型，而外表面加工的是最后工序。這樣的流程安排，主要是因為多數內部表面加工工序繁瑣，如果先進行外部加工設計時，而內部加工失敗也就浪費了前期設計的基礎實際，而先進行內部加工就較為實現其設計標準與功能，因此需要先進行內部表面加工。而內外交叉的過程，也是在先粗后精的基本原則基礎上進行設計。先將內外表面的粗加工完成，再對內部表面進行精細加工，當內部表面的設計符合使用標準后，也就可以進行外部表面的精細加工，進而完成整體工序。

3 數控加工的工藝設計方法

（1）數控加工編程階段的設計方法。在數控加工工藝中設計編程環節決定了處理工藝的正確性，進而關系到數控機床的應用效率與加工部件質量，同時也存在刀具數量的使用頻次，也就產生了相應的成本造價與經濟性問題。尤其是在較為復雜的零件設計中，其外觀輪廓形狀各有差異，選擇的毛坯大小與材料也各有區別，因此在編程階段，其設計人員必須針對零部件的具體造型做出全面規劃，保障其設計的材料使用趨于合理利用的最大限度，以及做出相應的工藝分析，依據加工工藝的基本條件與原則，完善編程設計的標準和規格。并且在設計階段，必須以設計需求為導向，同時保障工藝質量與加工時間的相互補充，不能因為盲目追求高質量的設計，而在多道工序中無形增加了加工程序，進而導致人工成本與加工成本的增加，其必然結果也會無形增加部件的造價成本。因此需要設計者，在編程時以高效、優質、低耗能的方向進行工藝完善，進而設計出實用性更強的加工工藝方案。在加工設計的階段，編程人員必須充分考慮其加工零件的合理性，進而從清晰的工序中設計出工藝路線，進而在合理的加工步驟中選擇相應的換刀點與對刀點位置，提升零件加工的便捷性與經濟性。同時也需要對零件安裝方法進行明確，在切削用量的刀具使用階段，必須明確工藝文件編寫指標，進而區分普通工序與數控工序的銜接，才能在相對工序集中的基礎上設計出較低的機床輔助時間，制定出工藝路線最短的優化設計方案。

（2）Mastercam9.0數控編程方法。在加工零部件的模型完成后，需要對其加工數據進行明確，主要是在編程數據中的測量環節，包括：加工區域設定、加工方式選擇、刀具標準設置、機床參數設置、以及相關的加工參數最終設置等。目前我國使用較為普遍的編程設計軟件為Mastercam9.0，其軟件的設計相當便捷，僅需要對加工部件的三維圖或者二維圖進行CAD繪制，就能夠在CAM中明確最終的刀具路徑，進而再選擇相應的加工模塊，以及工藝標準明確后的特性參數與刀具參數，以便于生成NCI文件的刀具路徑，其后置程序也能夠導出NCI文件，也就是數控機床最后能夠識別的GM代碼，進而產生了基于設計標準的加工流程。但是此時的文件需要進一步修改與編輯，才能傳輸給使用中的數控機床，以便于加裝刀具后加工不同規格的零部件。

（3）加工工藝中的數控編程基本流程。通過Mastercam9.0完成數控加工的編程設計，需要通過五個步驟的基本流程：首先，在初始階段需要根據零件設計的模型結構，選擇合理的毛坯零件參數設置，其設置的基礎為零部件的外部尺寸以內部結構，并設置相應的編程參數坐標原點，以便后期加工時的參數標準明確。其次，也需要選取最為適宜的加工方式，同時定義出需要進行精細加工的區域，進而保障整體工業的完整性。再次，針對刀具進行參數設置，同時將相應的加工參數與方式再次明確，才能保障精細加中不存在設計漏洞。最后，需要進行動態模擬加工路徑的設計，其主要是明確加工設計的合理性，進而明確相應的參數修訂是否必要，剔除多余的加工程序，才能保障設計標準中不存在多余步驟與工序。此外，后置處理中需要明確生成的NC加工程序是否合理，對其參數核對完成相應的設計指標，也就能夠最終通過NC代碼指導完成最終的零部件成品。

4 結語

綜上所述，在實際加工設計的工藝中，設計者需要根據實際情況進行編寫程序的修訂，然而零部件加工工藝的設計優劣取決于兩個方面：一方面，CAM系統的功能性決定了較高的設計標準，以目前Master cam的功能性而言，基本滿足了較多零部件的設計需求，但是在較為復雜的設計標準中，依然需要設計者進行反復驗證，以保障最終的設計規格標準性。另一方面，針對CAM系統進行設計時，必須考慮相應的加工條件，包括加工順序的優化、加工方式合理配置、進刀/退刀方式的合理性、加工順序便捷性、以及切削深度是否符合設計標準等，因此也需要設計者根據自身的經驗不斷總結，結合現代化的工藝加工需求，將其設計標準與加工方案進行最優化的合理配置。

［1］唐健鈞，賈曉亮，田錫天，等.面向MBD的數控加工工藝三維工序模型技術研究［J］.航空制造技術，2012，（16）：62-66.

［2］韋靖，馬柯，南博儒.數控加工過程質量控制的關鍵環節研究［J］.現代制造工程，2014，（6）：58-63.

［3］胡權威，喬立紅，樊景松，等.基于MBD的數控工藝設計及快速編程方法研究［J］.航空制造技術，2016，（3）：102-105+109.

張建新（1970-），男，江蘇張家港人，大學本科，工程師，主要研究方向：機電一體化、數控加工技術，液壓傳動技術，機械制造技術。