數控技術在機械制造業中的應用及發展研究

陳元博

(河南工業職業技術學院,河南 南陽 473000)

0 引言

隨著信息化和自動化技術的快速發展,數控技術在近幾十年來得到了迅猛進步,該技術融入了計算機、機械電子、自動控制系統等,是一種新型的現代化加工制造技術。相對于傳統機械制造行業,現代化加工制造技術具有高生產率、高質量、高精度等優點。數控技術涉及多個領域的專業知識,融合了UG、Hypermill、Mastercam等建模及加工軟件,一定程度上提高了生產力,同時數控技術加工出來的產品美觀、精準且耐用。

1 數控技術概述及現狀分析

1.1 概述

數控技術是通過數字信息轉換技術控制機器工作過程,再通過編程技術將信號輸入計算機設備,實現自動控制,設計參數包含角度、位置、速度等[1]。在國家標準《工業自動化系統 機床數值控制》(GB/T 8129—1997)中,也明確定義了機床數字控制概念,即在數字控制運行中不斷引入數字代碼,完成自動控制,叫數字控制(numerical control);計算機數控(computerized numerical control,CNC),就是借助電腦系統控制工件的加工[2]。數控技術可實現產品批量化、自動化生產,數控技術作為當今制造業高集成應用,智能化、開放式、網絡化將成為當代數控系統發展的主要趨勢,融合了加工制造業、電子化技術、新型材料等,未來有更大的應用價值[2]。

1.2 數控技術特點

1.2.1 高效性

1)能夠快捷有效地進行生產參數的修改,為生產創新提供可能。2)能夠更好地按照生產要求進行產品加工,生產更精確。3)在生產中使用的工具都趨于標準化,加速了機械生產標準化進程。4)能快速、高效地實現對復雜零部件的加工。數控技術的高效性同樣體現在安裝和換刀時間的長短上,一體化成型大大提高了加工產品的生產效率,更能保證工件的精度要求[3]。

1.2.2 經濟性

機械制造產品采用數控技術進行批量生產加工時,其工件更加標準化、規范化,提高單位時間內生產率的同時,還能縮短工作時間,大大降低了操作過程中的故障率[4]。此外,數控技術在汽車、電子等自動化行業中的應用,已經基本實現了無人化或半無人化加工,降低了生產成本,產生更高的經濟效益,使得企業利潤最大化。

1.3 發展現狀

數控機床誕生于20世紀40—50年代,歷經70年的發展變化,數控技術已具備高集成化、高智能化、高效率、高精度、高便捷性等方面的特點。此技術最早應用于航空領域,由美國帕森斯公司提出,為研究飛機螺旋槳葉片而提出的一種控制機床的設想,后來成為現實,直至20世紀60年代生產出的第四代機床,就可以基本實現計算機對機床的控制,推動了數控技術的進一步升級[5]。20世紀80年代初,研制了自動編程數控系統裝置,使數控產品有了檢測的功能。20世紀末隨著網絡信息化、智能化的發展,數控機床技術有了質的飛躍,空前解放了生產力。

我國數控技術發展與西方發達國家相比仍然較為落后,缺乏自主創新能力。自20世紀80年代初開始,隨著我國改革開放的推進,在國家的大力發展支持下,數控機床技術有了較快地發展,如武漢華中數控、廣州數控設備公司、北京機床研究所等,已經有了較大的技術進步,研制的機床具有質量可靠、經濟實用等特點,但與國外相比,技術精度不高[6]。直到2000年,在我國寧夏銀川和北京建立了中日合資數控機床設備廠,生產的數控機床達到當時國內甚至世界先進水平。近年來,我國自主研發能力有所提高,擁有自己的數控機床技術,但仍有較大差距,國內一些技術人員認為,通過進口設備同樣可以達到世界先進加工水平,但國外的技術壟斷會長期影響我國自主機床的發展。此外,我國缺乏技術創新環境,短時間內謀求效益最大化,不太注重人才及技術的支持,導致我國數控技術創新性水平不強,很長一段時間存在發展緩慢的現象。

截至2023年,我國數控機床有了飛速的發展,研制出七軸六聯動機床,代表了當今世界機床的頂尖水平,也標志著我國數控機床企業已具備和歐美國家抗衡的實力,但在高端機床的精度、質量和穩定性方面,與日本、德國還有一定差距,這些都是未來需要努力追趕的方向。

2 數控技術在機械加工技術中的價值分析

2.1 加快機械加工技術的發展

我國當前進入了信息化社會,為符合現代化社會的發展要求,在工業技術領域,信息技術的應用范圍也不段加大。將數控技術合理地應用到機械加工領域中,可全面提高我國工業領域的技術水平,保障工業領域技術的前沿性、先進性,促進我國工業穩定、持續性發展。高精尖零部件生產加工時,應用數控技術可顯著提高生產質量及效率,簡化機械加工流程,對機械加工技術的發展有一定的促進作用。

2.2 增強機床的控制力

機械加工過程中,機床設備占比較高,將數控技術科學合理地應用到機械加工中,可增強對機床的控制力,減少加工過程中的安全隱患。因此,通過應用數控技術對傳統機械加工流程進行簡化,提高機械加工技術的同時,安全性也得到了有效保障,使設備能夠安全、穩定、高效的運轉。

3 數控技術在機械制造行業中的應用

3.1 汽車工業中應用數控技術

近年來,隨著經濟快速發展,我國汽車行業也保持了良好的發展勢頭,現在數控技術應用于完整的汽車生產線加工。在整車生產中,開設了4條生產線,通過融合數控技術來完成汽車零部件加工。數控技術也應用于焊接生產線和沖壓生產線中,工人師傅們通過沖壓工序完成各種汽配零件成型沖壓,在數控技術下通過各零件裝配協調完成總裝。這些工序應用數控技術,加入運動單元,編入加工制造程序,操控機械手按指定坐標運動,不需要人工干預便可完成整個汽車的生產制造,具有操控精準、高效的特點[7]。

此外,通過數控技術可以使小批量、小規模的產品完成生產目標,糅合現代柔性制造技術、虛擬仿真控制技術,為汽車制造工業提供進一步發展。例如,汽車發動機的缸體制造,作為發動機的重要支撐體,需要利用數控機床進行端面和孔的銑刻加工與拋光,再進行最后的細節加工與精磨。對于精度要求較高的凸輪軸,在制造中需要較高的平衡度,發動機的缸蓋、變速箱等重要零部件,尤其涉及較多曲面加工時,需要多軸復合數控機床來完成這些復雜的工藝加工,軸類零件已基本實現數控機床機械自動化的生產制造。

3.2 模具工業加工中應用數控技術

將模具數據融入數控程序,是一種新型加工方法,可借助Mastercam、UG等軟件進行加工應用,在電火花、線切割、數控加工編程方面具有很好的應用價值。通過模具加工軟件,導入螺旋加工工具,可有效降低刀具間的速度,提高刀具的使用壽命,對加工設備起到較好的保護作用。

3.3 機床設備中應用數控技術

目前,數控技術應用極為廣泛,各種機器零部件或機械產品的加工都可以通過數控技術完成,對生產制造起到至關重要的作用。借助計算機軟件加強系統的控制能力,對主軸轉速、刀具變換、工藝面切換等通過程序代碼輸入到計算機系統,通過計算機控制并操作機床加工工件。隨著機床設備不斷更新發展,數控技術應用逐漸成熟,生產加工精準度、精細化程度不斷提高,可以滿足更高的生產需求[8]。

3.4 航空工業中應用數控技術

21世紀以來,世界各國的工業技術有了突飛猛進的進步,信息技術、制造技術同樣有質的飛躍,極大地加快了航空工業的發展,數控技術已經廣泛應用于航空工業材料及零部件制造、航空模型制造,以及航空器結構制造。利用數控技術,可以制作帶有復雜幾何形狀的零部件和飛機模型,減少了制造過程中的人工干預,具有輕量化、高強度等特點。復雜幾何形狀的航天器結構,如外殼、機翼等也可進行特殊精細化加工。數控技術已經深度融合到航空制造領域,并發揮著不可代替的作用,通過不斷發展,數控技術將為航空制造業提供更多發展和機遇。

4 數控技術未來發展方向

4.1 高智能化

通常來說,數控加工的生產指標涉及生產速度、加工效率及精度,未來要想使數控技術朝著更高端的方向發展,就應圍繞這3個方面進行革新。未來機械制造行業以數控技術、計算機技術作為基礎,朝智能化生產線發展,對整個生產過程智能化遠程控制,隨時收集并處理信息。

在高端數控領域進行切削加工時,多軸數控機床通過多軸聯動、車銑復合加工等,使加工出來的零部件質量和加工效率有質的提高。應用多軸機床生產加工出的工件產品精度高、外觀好、光潔度高,多軸技術還可實現零件產品加工全過程的實時監測,一旦出現問題第一時間預警報告,便于及時解決。例如,我國自主研發的華中818系列數控機床,將PC總線技術應用于數控機床和PC通訊之中,極大加快了傳輸速度。

4.2 高精密化

在加工制造業中,精度水平是體現加工質量好壞的重要指標之一,是機床性能的集中體現。在數控機床制造同質化的現狀下,加工精度及穩定性越來越直觀地體現一個國家重型數控機床的制造水平,如今現代數控機床的加工精度將繼續朝著微米級、納米級前進。未來,提高數控機床的穩定性,將大規模采用混合式集成電路的方式或更高集成度的芯片控制,提高數控系統的集成度,滿足用戶的個性化需求。

4.3 高度一體化

借鑒當今機電一體化技術發展,數控技術未來也可能會朝著一體化方向發展,以此實現機械生產各個環節的有機統一,促進細小零件的精細加工,方便進行集中監督,讓數控機械加工過程在統一有效的管理中展開。此外,一體化方向也可促進未來開放式發展,適應不同的設備需求,實現更高效的生產。

5 結語

機械制造業的發展代表了一個國家的工業水平,數控技術將會有很大的發展前景,越來越向精準化、人性化、智能化發展,在各行各業中凸顯其優勢。隨著社會經濟的發展,對數控技術提出了更大挑戰。機械電子信息技術的融合將是數控技術未來的發展趨勢,不論是智能化、精準化、人性化,數控技術必須不斷提升自身控制能力,更好地服務于社會生產,以滿足市場的生產需要。