數(shù)控車床加工工藝流程優(yōu)化策略

李光華

（金肯職業(yè)技術(shù)學(xué)院，南京 211156）

數(shù)控機(jī)床誕生于20世紀(jì)50年代，最初的為三坐標(biāo)立式銑床，可以加工連續(xù)空間曲面。近幾年，計(jì)算機(jī)、傳感等技術(shù)不斷完善和發(fā)展，并在工業(yè)生產(chǎn)中廣泛應(yīng)用，數(shù)控加工技術(shù)也隨之逐漸優(yōu)化和改進(jìn)。數(shù)控加工包含很多內(nèi)容，如CAD、CAPP、CAM等，該技術(shù)不僅可以提升生產(chǎn)效率，還能滿足更多復(fù)雜零件的加工需求，融合CAD、CAM等技術(shù)，增強(qiáng)機(jī)械加工的自動(dòng)化、柔性化水平。總體來(lái)看，我國(guó)數(shù)控車床技術(shù)發(fā)展較快，但仍舊與先進(jìn)國(guó)家有一定的差距，主要體現(xiàn)在加工經(jīng)驗(yàn)、技術(shù)規(guī)范、工藝水平等方面。為了促進(jìn)數(shù)控車床加工水平的提升，首先要對(duì)工藝流程進(jìn)行優(yōu)化。

1 數(shù)控車床加工工藝的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)

數(shù)控車床是一種安裝了控制程序的自動(dòng)化機(jī)床，可以自動(dòng)生產(chǎn)和加工，利用程序控制系統(tǒng)處理具有控制編碼或符號(hào)指令規(guī)定的程序，通過(guò)譯碼的方式來(lái)加工零件，其具有以下特點(diǎn)。第一，加工精度很高，加工質(zhì)量比較穩(wěn)定，不會(huì)出現(xiàn)過(guò)大的浮動(dòng)；第二，可以多極坐標(biāo)聯(lián)動(dòng)，能夠進(jìn)行復(fù)雜零件的加工；第三，如果加工零件改變，只需更改數(shù)控程序即可，不需要變動(dòng)其他環(huán)節(jié)，節(jié)省了較多的生產(chǎn)準(zhǔn)備時(shí)間，有助于效率的提升；第四，機(jī)床本身就有很高的精度和剛性，可以選擇加工量，與普通車床相比，數(shù)控車床的生產(chǎn)效率高出3～5倍；第五，數(shù)控車床具有較高的自動(dòng)化水平，可以減少勞動(dòng)力的投入，進(jìn)而控制生產(chǎn)成本；第六，數(shù)控車床需要操作人員具有較高的素質(zhì)能力，尤其對(duì)維修人員要求更高，不僅要掌握先進(jìn)的維修技術(shù)，還要具有責(zé)任心和良好的職業(yè)素養(yǎng)。從數(shù)控車床的特點(diǎn)可以看出，與傳統(tǒng)的加工工藝相比，數(shù)控車床加工工藝的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)十分明顯。二者最明顯的不同在于基準(zhǔn)和誤差，只有掌控這些不同之處，才能保障加工質(zhì)量。在數(shù)控加工的過(guò)程中，雖然定位基準(zhǔn)和設(shè)計(jì)基準(zhǔn)無(wú)法完全重合，但通過(guò)零位補(bǔ)償，可以保障測(cè)量和工序基準(zhǔn)與設(shè)計(jì)基準(zhǔn)的一致性，從而簡(jiǎn)化編程，降低計(jì)算誤差。不僅如此，數(shù)控車床采用數(shù)字編程的方式，伺服系統(tǒng)具有較高的精度定位，產(chǎn)品加工有很高的精度，可以確保形狀位置公差符合要求[1]。所以，基準(zhǔn)不重合、不統(tǒng)一的問(wèn)題并不會(huì)對(duì)零件精度造成過(guò)大的影響。

定位誤差可以分為兩個(gè)部分，分別為基準(zhǔn)不重合誤差和定位誤差。在傳統(tǒng)加工工藝中，基準(zhǔn)定位誤差主要受到夾具的影響，在批量生產(chǎn)的過(guò)程中難免會(huì)產(chǎn)生誤差。而在數(shù)控加工的過(guò)程中，夾具基本上不會(huì)反復(fù)使用，在加工之前要對(duì)零件對(duì)刀，且加工途中無(wú)需反復(fù)裝夾，進(jìn)而降低了基準(zhǔn)定位誤差的情況。可見(jiàn)，采用數(shù)控加工工藝可以降低定位誤差，也能減少基準(zhǔn)不重合誤差的情況，從而提升生產(chǎn)加工的精度和效率。

2 數(shù)控車床的選用原則

2.1 前期準(zhǔn)備

在應(yīng)用數(shù)控車床進(jìn)行生產(chǎn)加工之前，要先明確零件的工藝要求和生產(chǎn)批量，擬定相應(yīng)的功能，做好前期準(zhǔn)備工作。在數(shù)控車床選擇的過(guò)程中，要以滿足典型零件工藝要求為基本標(biāo)準(zhǔn)。典型零件工藝要求包括結(jié)構(gòu)尺寸、加工范圍、精度要求3個(gè)方面[2]。精度要求是指要根據(jù)工件的尺寸、定位精度、零件的粗糙度選擇車床的控制精度。在實(shí)際生產(chǎn)的過(guò)程中，可靠性可以確保產(chǎn)品的質(zhì)量和生產(chǎn)效率，所以選擇車床時(shí)還要對(duì)可靠性進(jìn)行分析。可靠性是指在規(guī)定條件下，數(shù)控車床執(zhí)行功能時(shí)可以保持長(zhǎng)時(shí)間的正常運(yùn)行，不會(huì)出現(xiàn)故障問(wèn)題，也就是具有較長(zhǎng)的平均無(wú)故障時(shí)間，即使出現(xiàn)故障，經(jīng)過(guò)短時(shí)間的調(diào)整也可以重新使用。總的來(lái)說(shuō)，在數(shù)控車床前期準(zhǔn)備的過(guò)程中，要從結(jié)構(gòu)、制造等角度進(jìn)行分析，選擇符合生產(chǎn)要求的數(shù)控車床，確保車床的可靠性。

2.2 機(jī)床附件及刀具

數(shù)控車床如圖1所示，要確保數(shù)控車床的生產(chǎn)效率和質(zhì)量，就要保障附件和刀具的質(zhì)量。在實(shí)際選用的過(guò)程中，要詳細(xì)檢查機(jī)床的附件、備件、供應(yīng)能力、刀具等，這些構(gòu)件對(duì)于已經(jīng)用于生產(chǎn)的車床有很大的影響，一定要確認(rèn)刀具和附件是否配套，否則會(huì)直接影響生產(chǎn)質(zhì)量和效率。

圖1 數(shù)控車床

2.3 控制系統(tǒng)

生產(chǎn)廠家通常會(huì)在相同的廠商中選擇產(chǎn)品，至少控制系統(tǒng)要在同一個(gè)廠商中進(jìn)行選擇，避免維修時(shí)出現(xiàn)不必要的麻煩。對(duì)于生產(chǎn)單位來(lái)說(shuō)，要從性價(jià)比、機(jī)床防護(hù)兩個(gè)方面著手分析。一方面，要確保車床具有良好的功能性和精度，避免車床出現(xiàn)閑置、浪費(fèi)的情況，要根據(jù)需求進(jìn)行選擇，不能選擇與生產(chǎn)需求無(wú)關(guān)的車床[3]。另一方面，在必要的情況下，應(yīng)為機(jī)床配備全封閉或半封閉的防護(hù)裝置、自動(dòng)排屑裝置。在數(shù)控車床和車削中心選擇時(shí)，要全面考慮各項(xiàng)因素，確保選擇的合理性。

3 數(shù)控車床加工工藝流程優(yōu)化方式

3.1 確認(rèn)工件加工部位和內(nèi)容

在實(shí)際生產(chǎn)的過(guò)程中，要明確加工工件的生產(chǎn)工序，確保數(shù)控車床上的工序和其他加工工序的有效銜接。大部分工程圖紙只會(huì)明確工件完成后的形狀、大小，對(duì)毛坯材料并沒(méi)有具體明確的要求。在編程的過(guò)程中，要深入了解材料的規(guī)格，包括材料大小、材料形狀、熱處理情況等。對(duì)于工件來(lái)說(shuō)，不論是工程圖紙中的內(nèi)容，還是材料的數(shù)據(jù)信息，都屬于原始信息，只有把控這些數(shù)據(jù)內(nèi)容，才能做好規(guī)劃設(shè)計(jì)，從而確保加工的合理有效。此外，工件原始信息還包括一些圖紙以外的要求，如在工件加工前的形狀、尺寸、鍛件等信息。在上一道工序完成之后，加工部位形狀、尺寸等會(huì)受到上一道工序中基準(zhǔn)面、基準(zhǔn)孔等方面的影響，只有掌握這些信息內(nèi)容，才能確保流程規(guī)劃的合理有效，為后續(xù)工藝展開(kāi)奠定良好的基礎(chǔ)。

3.2 確認(rèn)車床類型和控制系統(tǒng)

數(shù)控車床并不適用于所用工件的加工和生產(chǎn)，對(duì)于不適合的生產(chǎn)類型，即使進(jìn)行全面的前期準(zhǔn)備，也沒(méi)有任何意義。在生產(chǎn)規(guī)劃的過(guò)程中，工作人員要時(shí)刻關(guān)注加工系統(tǒng)，確保工件安裝在夾具中。首先，要確定車床的類型和規(guī)格。在工藝規(guī)劃的過(guò)程中，要明確車床的使用空間和具體的生產(chǎn)區(qū)域，需要確認(rèn)的特征包括額定功率、進(jìn)給率范圍、換刀系統(tǒng)和各種附件等[4]。通常，會(huì)采用主軸速度較高、額定功率較低的數(shù)控車床。大車床則正好相反，額定功率較高，但主軸速度并不高。其次，要合理選擇控制系統(tǒng)。對(duì)于數(shù)控車床來(lái)說(shuō)，控制系統(tǒng)是最核心的組成內(nèi)容，要確保控制器的功能性。選擇科學(xué)有效的編程方式，包括子程序、加工循環(huán)等功能。

3.3 確認(rèn)工件的安裝方式

在工件安裝方式確認(rèn)之前，要先根據(jù)具體的加工部位、定位基準(zhǔn)、夾緊要求等條件選擇夾具和輔助工裝。夾具設(shè)計(jì)的合理性會(huì)直接影響加工效率，也會(huì)影響工件加工的質(zhì)量。在批量生產(chǎn)的過(guò)程中，夾具起到了十分關(guān)鍵的作用，可以確保加工的質(zhì)量和一致性。數(shù)控車床普遍采用三爪自定心卡盤夾持工件，采用尾座頂尖支持的軸類工件。數(shù)控車床主軸的轉(zhuǎn)速較高，可以滿足工件夾緊的要求，所以普遍采用液壓高速動(dòng)力卡盤。該卡盤在生產(chǎn)的過(guò)程中即已進(jìn)行了有效的平衡，轉(zhuǎn)速可以達(dá)到4000～6000r/min，夾緊力也比較高，可以達(dá)到2000～8000N。此外，還具備高精度、便于調(diào)爪、使用壽命長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)。軟爪夾持工件也比較常用，操作者可以隨機(jī)配置軟爪弧面，進(jìn)而調(diào)控夾持精度，通過(guò)對(duì)油缸壓力的調(diào)整，可以使卡盤夾緊力發(fā)生改變，從而滿足不同的生產(chǎn)要求。為了避免細(xì)長(zhǎng)軸在加工的過(guò)程中出現(xiàn)變形的情況，同時(shí)保障加工的精度，在帶孔軸類工件加工的過(guò)程中，可以選用液壓自動(dòng)定心中心架，定心精度較高，達(dá)到0.03mm。

3.4 確認(rèn)工件加工的工藝方案

在做好各項(xiàng)準(zhǔn)備之后，要明確具體的技工工藝方案。在實(shí)際加工的過(guò)程中，工藝方案要堅(jiān)持以下原則。

第一，先粗后精。為了提升生產(chǎn)效率，同時(shí)保障工件加工質(zhì)量，在切削加工的過(guò)程中，要對(duì)粗加工工序進(jìn)行合理安排，去掉精加工前的加工余量，保障余量均勻性符合精加工的要求。在明確的粗加工的工序之后，要先安排換刀，然后進(jìn)行半精加工和精加工。半精加工主要用于調(diào)整余量均勻性，屬于過(guò)渡性工序，可以為后續(xù)環(huán)節(jié)奠定基礎(chǔ)。在精加工工序安排的過(guò)程中，零件的最終輪廓要由最后一道連續(xù)加工而成。此時(shí)，要慎重考慮加工刀具的進(jìn)退刀位置，避免連續(xù)輪廓中出現(xiàn)切入、切出、換刀等情況，保障工件表面光滑連續(xù)，避免出現(xiàn)滯留刀痕等瑕疵問(wèn)題。

第二，先近后遠(yuǎn)。根據(jù)加工部位與對(duì)刀點(diǎn)距離確認(rèn)遠(yuǎn)近，通常要先加工與對(duì)刀點(diǎn)距離較近的部位，然后加工距離較遠(yuǎn)的部位，便于縮短刀具移動(dòng)距離，從而使空行程時(shí)間減少。針對(duì)車削加工，應(yīng)先加工距離較遠(yuǎn)的部分，確保毛坯件的剛性，從而為切削提供更好的條件。

第三，先內(nèi)后外。針對(duì)要內(nèi)表面和外表面都要加工的零件，在方案制定的過(guò)程中，要先從內(nèi)型和內(nèi)腔設(shè)計(jì)入手，然后對(duì)外表面進(jìn)行加工，這樣可以確保尺寸和形狀得到有效的控制，降低清除切屑的難度。

第四，確保走刀路線最短。在生產(chǎn)加工的過(guò)程中，控制走到路線是一項(xiàng)十分重要的任務(wù)，精加工切削過(guò)程的走刀路線以零件輪廓為主，所以主要對(duì)粗加工和空行程的走刀路線進(jìn)行確認(rèn)。也就是對(duì)刀具從對(duì)刀點(diǎn)出發(fā)到返回的過(guò)程中經(jīng)過(guò)的路徑進(jìn)行確認(rèn)，包括加工路徑、刀具引入、刀具切出等路徑。在確保加工質(zhì)量的同時(shí)，要控制走道路線的長(zhǎng)短，盡可能縮短路線，從而降低生產(chǎn)時(shí)間，減少不必要的消耗和磨損，以此提升生產(chǎn)效率和質(zhì)量，進(jìn)而達(dá)到工藝優(yōu)化的目的。

第五，在數(shù)控車床在沒(méi)有普及使用的情況下，會(huì)將毛坯件上的余量安排在普通車床中進(jìn)行加工，如果必須即采用數(shù)控車床進(jìn)行加工，則要合理安排加工程序，確保加工的效率和質(zhì)量。在實(shí)際加工的過(guò)程中，這些原則標(biāo)準(zhǔn)并不是一成不變的，應(yīng)根據(jù)具體的工件加工要求進(jìn)行靈活的調(diào)整和改動(dòng)，以提升質(zhì)量、保障精度、降低成本等為基本原則，全面進(jìn)行工藝流程的改進(jìn)和優(yōu)化，使數(shù)控車床可以充分發(fā)揮作用，從而提升生產(chǎn)的整體效益。

4 結(jié)語(yǔ)

在使用數(shù)控車床進(jìn)行生產(chǎn)加工的過(guò)程中，要明確數(shù)控車床的使用優(yōu)勢(shì)，然后采取有效的優(yōu)化措施來(lái)發(fā)揮數(shù)控車床的優(yōu)勢(shì)。與傳統(tǒng)的生產(chǎn)車床相比，數(shù)控車床的精度更高、效率更高、自動(dòng)化水平也比較高，為了發(fā)揮數(shù)控機(jī)床的這些優(yōu)勢(shì)，要堅(jiān)持相應(yīng)的工藝原則，根據(jù)實(shí)際生產(chǎn)情況和工件要求進(jìn)行工藝環(huán)節(jié)的優(yōu)化改進(jìn)，保障生產(chǎn)質(zhì)量，促進(jìn)行業(yè)進(jìn)步。