新時(shí)期高效加工技術(shù)在數(shù)控銑床中的應(yīng)用探索與實(shí)踐

李雙晶

（寧夏工業(yè)職業(yè)學(xué)院，銀川 750000）

數(shù)控銑床是機(jī)械制造產(chǎn)業(yè)的重點(diǎn)設(shè)備，具有速度快、精度高和質(zhì)量輕巧等特征。它的結(jié)構(gòu)涉及比較典型繁雜的多學(xué)科知識(shí)，需要注重靜態(tài)剛度、動(dòng)態(tài)剛度以及質(zhì)量等問題。使用以往的主觀優(yōu)化方式或者目標(biāo)優(yōu)化方式優(yōu)化處理功能難度較大，而多學(xué)科設(shè)計(jì)優(yōu)化方式可以最大化呈現(xiàn)出協(xié)同效應(yīng)的優(yōu)勢，綜合各個(gè)目標(biāo)，取得了最優(yōu)處理策略。

1 數(shù)控銑床構(gòu)成和加工特征

數(shù)控銑床又稱為CNC銑床，是一類在傳統(tǒng)人工銑床基礎(chǔ)上優(yōu)化出現(xiàn)的數(shù)控加工設(shè)備。數(shù)控銑床與傳統(tǒng)人工銑床的加工原理相同，結(jié)構(gòu)也較為類似。數(shù)控銑床一般劃分為帶刀庫與不帶刀庫兩種。帶刀庫的數(shù)控銑床即為數(shù)控銑床加工中心。數(shù)控銑床一般由床身部分、銑頭部分、工作操作臺(tái)、橫進(jìn)給部分、升降臺(tái)部分、冷卻部分以及潤滑部分等構(gòu)成[1]。數(shù)控銑床加工具有適應(yīng)性強(qiáng)、尺寸較多以及精度高等特征，施工操作臺(tái)寬度約在400 mm以下，適用于中小零件的加工和復(fù)雜形面的輪廓銑削加工。

2 國內(nèi)外高效加工技術(shù)在數(shù)控銑床中的使用情況

銑削高效加工技術(shù)的發(fā)展，進(jìn)一步提高了數(shù)控銑床的實(shí)際使用效果，逐漸實(shí)現(xiàn)了其生產(chǎn)流程的自動(dòng)化和智能化。高效加工手段在數(shù)控銑床中的使用日益廣泛。各類新型的數(shù)控刀具、涂層數(shù)控銑床以及超硬刀數(shù)控銑床等，依靠設(shè)備自身的精密度、加工速度以及高生產(chǎn)效率等特點(diǎn)，在汽車制造和航空航天器制造等方面取得了良好的成效，快速提升了數(shù)控銑床的加工成效和質(zhì)量。

近年來，我國數(shù)控銑床技術(shù)發(fā)展迅速，在提高移動(dòng)速度和工作溫度把控方面取得了明顯進(jìn)步。數(shù)控銑床切削加工時(shí)，工作溫度會(huì)隨切削速度的進(jìn)一步加快而升高。當(dāng)工作溫度升高到最終界限后，切削速度會(huì)逐步減小[2]。

3 數(shù)控機(jī)床的加工優(yōu)勢

3.1 自動(dòng)化程度高，生產(chǎn)效率高

除需要手工裝夾毛坯外，其他加工過程都能由數(shù)控機(jī)床自動(dòng)完成。若加上自動(dòng)裝卸技術(shù)的協(xié)助，便能夠基本實(shí)現(xiàn)工廠的無人化管理。數(shù)控加工減少了工作者的勞動(dòng)量，提升了工作速度[3]，省去了劃線、多次裝夾定位以及檢測等流程，進(jìn)一步提升了工作效率。

3.2 對加工對象適應(yīng)性強(qiáng)

改變加工對象時(shí)，機(jī)床除了需要改變刀具和處理毛坯裝夾手段之外，僅需再次編程便能實(shí)現(xiàn)工件的自動(dòng)化生產(chǎn)，進(jìn)一步縮小了生產(chǎn)準(zhǔn)備時(shí)間。

3.3 加工精度高，質(zhì)量穩(wěn)定

工件加工尺寸精度在0.005～0.010 mm，不會(huì)受零件繁雜程度的影響。絕大多數(shù)的工作由設(shè)備自行完成，減少了人為原因出現(xiàn)的偏差，使同一批生產(chǎn)零件尺寸保持相同[4]。

3.4 易于創(chuàng)建機(jī)床和計(jì)算機(jī)之間的通信聯(lián)絡(luò)

機(jī)床借助數(shù)字信息進(jìn)行控制，有助于計(jì)算機(jī)復(fù)制設(shè)計(jì)系統(tǒng)之間的相互關(guān)聯(lián)，變?yōu)镃AD/CAM一體化系統(tǒng)，進(jìn)而建立各個(gè)機(jī)床之間的關(guān)聯(lián)，達(dá)成群控的目的，確保工作順利開展。

4 數(shù)控銑床的結(jié)構(gòu)和控制要求

數(shù)控銑床在運(yùn)行中使用的數(shù)控手段一般具有操作精準(zhǔn)度高、速度快以及復(fù)合化等特征，因此在制造加工行業(yè)被廣泛使用[5]，為了詳細(xì)掌握數(shù)控銑床技術(shù)，必須對數(shù)控銑床的構(gòu)造有基本的認(rèn)知，理解其詳細(xì)運(yùn)作方式。那

4.1 數(shù)控銑床的結(jié)構(gòu)

所有數(shù)控機(jī)床都具備基礎(chǔ)構(gòu)成，且所有結(jié)構(gòu)在系統(tǒng)運(yùn)行中都具備積極作用。數(shù)控銑床的一般能夠劃分為伺服驅(qū)動(dòng)器、工控機(jī)、數(shù)控機(jī)床（Computer Numerical Control，CNC）控制器、變頻器以及可編程控制器（Programmable Logic Controller，PLC）等有關(guān)零件。所有零件具備自身獨(dú)特的優(yōu)勢。例如：伺服驅(qū)動(dòng)器的目的是進(jìn)一步達(dá)成G功能；工控機(jī)是為了完成狀態(tài)顯示；變頻器的功能是完成S部分；可編程控制器（PLC）的功能是將整個(gè)系統(tǒng)在運(yùn)行時(shí)檢查電氣控制和系統(tǒng)問題。CNC控制器的優(yōu)勢較多，重點(diǎn)任務(wù)是進(jìn)一步呈現(xiàn)位置、參數(shù)設(shè)置以及調(diào)控等。這些結(jié)構(gòu)相互合作，確保整個(gè)數(shù)控系統(tǒng)順利運(yùn)轉(zhuǎn)。

4.2 數(shù)控機(jī)床的詳細(xì)控制要求

詳細(xì)掌握數(shù)控結(jié)構(gòu)對分析數(shù)控機(jī)床極為關(guān)鍵。為了深層掌握數(shù)控結(jié)構(gòu)，必須知曉數(shù)控機(jī)床的控制方式。數(shù)控機(jī)床在控制上一般劃分為主控和輔助控制兩個(gè)方面。主控方面一般是銑床對銑床主軸的控制，使用先進(jìn)的控制技術(shù)手段代替以往的繼電器控制方式，有助于主控順利運(yùn)轉(zhuǎn)。輔助控制一般是將控制系統(tǒng)中的輸入接口和輸出接口連接在一起，其中輸出接口一般是各項(xiàng)功能的接口項(xiàng)目。此外，它還具備多種作用，如控制冷卻泵、潤滑油泵等輔助功能。詳細(xì)掌握數(shù)控結(jié)構(gòu)，便可以進(jìn)一步理解并掌握主控制和輔助控制，提高操作便捷性。

5 數(shù)控銑床中的加工特點(diǎn)

數(shù)控加工是采用數(shù)字信息定義零件的加工過程，并控制銑床進(jìn)行自動(dòng)加工的一種加工方法，具有以下特點(diǎn)。

5.1 具有復(fù)雜形狀加工能力

復(fù)雜形狀零件的加工在飛機(jī)、汽車、船舶、模具、動(dòng)力設(shè)備和國防軍工等產(chǎn)品的制造過程中占有重要地位。復(fù)雜形狀零件的加工質(zhì)量直接影響產(chǎn)品的整體性能。數(shù)控銑床加工過程中，刀具運(yùn)動(dòng)的任意可控性，使得數(shù)控加工能完成普通加工難以完成或者根本無法進(jìn)行的復(fù)雜曲面加工。

5.2 高精度

數(shù)控銑床加工使用數(shù)字程序控制刀具的運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)加工，排除了人為的誤差因素。此外，加工誤差還可以由數(shù)控系統(tǒng)通過軟件技術(shù)進(jìn)行補(bǔ)償校正。因此，采用數(shù)控加工可以極大地提高零件的加工精度。

5.3 高效率

數(shù)控銑床加工的生產(chǎn)效率一般比普通加工高2～3倍。在加工復(fù)雜零件時(shí)，生產(chǎn)效率可以提高十幾倍甚至幾十倍。采用五面體加工中心、柔性制造單元等數(shù)控加工設(shè)備進(jìn)行加工時(shí)，零件一次裝夾后可以完成幾乎所有部分的加工。不僅可以消除多次裝夾引起的定位誤矢量漢字?jǐn)?shù)控切削加工的刀具路徑規(guī)劃原理與方法差，而且可大大減少加工輔助操作，進(jìn)一步提高加工效率。

5.4 高柔性

只需改變加工程序即可適應(yīng)不同零件的加工要求，且?guī)缀醪恍枰圃鞂Ｓ玫墓ぱb夾具，因此加工柔性好，有利于縮短產(chǎn)品的研制與生產(chǎn)周期，適應(yīng)多品種、中小批量的現(xiàn)代生產(chǎn)需要。數(shù)控銑床加工是一種高效率、高精度、高柔性的自動(dòng)化加工。

6 高效加工技術(shù)在數(shù)控銑床中的使用實(shí)踐

6.1 基于CAD/CAM的曲面數(shù)控高速銑削加工技術(shù)的應(yīng)用實(shí)踐

數(shù)控銑床一般用來加工各類型號(hào)以及品質(zhì)要求的金屬零件，加工效率較高，加工質(zhì)量較好。在加工具有繁雜特征曲面的工件時(shí)，如柱面、掃描曲面和回轉(zhuǎn)面等，以往的數(shù)控銑床加工技術(shù)無法達(dá)到加工要求，須用到新型加工手段——基于CAD/CAM的曲面數(shù)控高速銑削加工手段，以獲取更高的加工效率，且工件加工表面的光滑度高。基于CAD/CAM的曲面數(shù)控高速銑削加工手段一般涵蓋曲面數(shù)控高速銑削技術(shù)和數(shù)控銑削加工刀具連接手段等。在加工一些比較繁雜且具有明顯曲面的工件時(shí)，數(shù)控銑床必須高速轉(zhuǎn)動(dòng)，并且對其硬度以及回轉(zhuǎn)進(jìn)度有著較高要求在數(shù)控銑床中使用曲面數(shù)控高速銑削加工手段，可進(jìn)一步提高數(shù)控銑床的速度和進(jìn)給速度。此外，數(shù)控銑床的刀具在強(qiáng)度、加工精度上明顯加強(qiáng)，刀具實(shí)用性較高。但是，使用曲面數(shù)控高速銑削加工手段后，數(shù)控銑床的刀具逐漸變得復(fù)雜，必須實(shí)施高速銑削的加工安全保護(hù)措施以及運(yùn)轉(zhuǎn)監(jiān)控工作，確保加工過程的安全。例如，自動(dòng)換刀臥式鏜銑床是由數(shù)控鏜銑床加上刀具自行交換系統(tǒng)構(gòu)成?？偛季直仨毧紤]如何將刀具自動(dòng)交換系統(tǒng)和數(shù)控銑床科學(xué)融合，構(gòu)建一臺(tái)完備的自動(dòng)化換刀數(shù)控鏜銑床。注意挑選合理的刀庫、換刀機(jī)械手和識(shí)刀裝置，盡可能要求結(jié)構(gòu)元件簡易、動(dòng)作少且高效。此外，機(jī)床的整體結(jié)構(gòu)尺寸必須緊湊，刀具存儲(chǔ)交換時(shí)必須確保刀具銑床元件之間互不影響。

在數(shù)控銑床中應(yīng)用基于CAD/CAM的曲面數(shù)控高速銑削加工手段，數(shù)控銑床的刀具可使用高效的連接手段。數(shù)控銑床的刀柄和刀具一般經(jīng)管熱縮式夾頭實(shí)施銜接，能夠在刀孔熱脹冷縮的情況下進(jìn)一步提升刀具的夾緊度，確保刀具的運(yùn)轉(zhuǎn)溫度。數(shù)控銑床刀具連接技術(shù)具有同心度好、夾緊力大和離心力低等優(yōu)勢。數(shù)控銑床刀具銜接必須運(yùn)用具備錐角的錐套，且將其當(dāng)作夾緊銜接裝置，使用旋轉(zhuǎn)螺母嵌入將刀具保持在錐套中，高效縮小錐套內(nèi)徑，加大彈簧夾頭的實(shí)際夾緊力，促使數(shù)控銑床的刀具在連接上更加牢固，從而進(jìn)一步提升銜接的精準(zhǔn)度。

6.2 數(shù)控高效放電銑加工手段的使用實(shí)踐

隨著我國加工制造手段的飛速進(jìn)步，航空航天和軍工制造產(chǎn)業(yè)中逐漸運(yùn)用高溫耐熱的合金材料，如鈦合金等。在材料的零部件加工過程中，以往的數(shù)控銑床無法發(fā)揮銑削作用，且零部件的空間構(gòu)造比較繁雜，運(yùn)用以往老舊的數(shù)控銑床，加工過程中會(huì)損害數(shù)控銑床刀具，且加工效率較低。經(jīng)過長時(shí)間的技術(shù)分析和實(shí)際實(shí)踐，目前逐漸研發(fā)出一類高效的加工手段——數(shù)控高效放電銑加工手段，將其應(yīng)用于數(shù)控銑床能夠極大提升加工成效和及加工質(zhì)量，且能夠節(jié)省資源。

數(shù)控高效放電銑加工手段的重點(diǎn)是電化學(xué)成型手段。利用電加工不怕材料硬、脆以及韌的優(yōu)勢，直接運(yùn)用較為簡易的超長銅管作為數(shù)控銑床的加工電機(jī)，并且使用導(dǎo)向器展開導(dǎo)向，在電極和被加工零部件中間添加一個(gè)高效的高頻脈沖電源，目的是實(shí)現(xiàn)對加工區(qū)中工作液的冷卻、排屑等。數(shù)控高效放電銑加工手段能夠通過控制被加工零部件以及電極之間的有關(guān)運(yùn)動(dòng)軌跡，在兩者之間進(jìn)行高脈沖放電，從而對被加工零件的繁雜曲面展開高效的余量銑削，做好預(yù)計(jì)的加工作業(yè)。此技術(shù)具有成本低、加工效率高、安全度高以及無污染等優(yōu)勢，是一類使用范圍較廣的高效銑削加工手段。

6.3 高效加工技術(shù)在數(shù)控銑床使用中的注意事項(xiàng)

高效加工技術(shù)是未來工業(yè)制造加工領(lǐng)域使用的重點(diǎn)銑削加工手段。高效加工手段是一種綜合性技術(shù)，必須在使用時(shí)做好刀具選型、銑削用量數(shù)據(jù)的參考。在挑選銑削刀具的過程中，必須基于技術(shù)手段和加工需求挑選合理的刀具，確保刀具的耐用度、加工效率以及質(zhì)量，還需要注重刀具的使用成本。使用高效加工技術(shù)的數(shù)控銑床通常必須挑選具有極強(qiáng)的耐磨性、耐熱性和韌性的刀具，并且進(jìn)行運(yùn)行檢查。使用高效加工手段的數(shù)控銑床理應(yīng)挑選具有較大進(jìn)給量的刀具，并逐步增加背吃刀量，運(yùn)用較高的銑削速度進(jìn)一步提升工作效率，完成銑削用量數(shù)據(jù)的最優(yōu)，進(jìn)一步提升銑床的使用成效。

7 結(jié)語

隨著我國綜合實(shí)力的不斷強(qiáng)化，經(jīng)濟(jì)實(shí)力不斷提升。高效加工技術(shù)在數(shù)控銑床中的使用，不僅能夠提升數(shù)控銑床的移動(dòng)速度，而且能夠進(jìn)一步強(qiáng)化數(shù)控銑床的加工精密度，提高數(shù)控銑床的工作效率和質(zhì)量，進(jìn)一步推進(jìn)我國在工業(yè)制造領(lǐng)域的飛速發(fā)展。