加工中心機(jī)床加工復(fù)雜軸工藝研究

尚進(jìn)，白新恒

（中國航發(fā)動力股份有限公司，陜西 西安 710021）

隨著現(xiàn)代制造業(yè)的不斷發(fā)展，對高精度、高效率零部件的需求日益增加。而復(fù)雜軸工藝作為一種能夠生產(chǎn)出航空航天、汽車、機(jī)械制造等領(lǐng)域精細(xì)零部件的加工工藝，是否能夠利用好這一加工工藝進(jìn)行工業(yè)生產(chǎn)對于整個(gè)制造業(yè)的進(jìn)步至關(guān)重要。加工中心機(jī)床作為一種高精度、高效率的數(shù)控機(jī)床，如果可以利用好復(fù)雜軸工藝進(jìn)行機(jī)床的改造，可以加工出更多更加復(fù)雜的機(jī)械零件，有效提高加工質(zhì)量和效率。

1 加工中心機(jī)床的特點(diǎn)

1.1 多功能性

加工中心機(jī)床以其卓越的多功能性而在現(xiàn)代制造業(yè)中占據(jù)重要地位，加工中心機(jī)床集成了銑削、鉆削、攻絲等多種加工功能于一體，使其具備廣泛而靈活的加工能力。多功能性使加工中心機(jī)床能夠應(yīng)對多樣化的加工需求，通過切換不同的工具和調(diào)整加工程序，該機(jī)床可以適應(yīng)各種零部件的復(fù)雜形狀和特殊要求。不同的加工功能的集成為制造商提供了更大的靈活性，使其能夠處理多樣化的工件，從而滿足市場上對于各種產(chǎn)品的需求。而且加工中心機(jī)床的多功能性對于提高生產(chǎn)效率具有顯著的優(yōu)勢，傳統(tǒng)的機(jī)床往往只能執(zhí)行特定的加工操作，而加工中心機(jī)床的多功能性使其能夠在一個(gè)設(shè)備上完成多道工序，避免了零部件在不同機(jī)床之間的轉(zhuǎn)移，從而減少了制造周期，提高了加工效率。此外，多功能性也對資源的合理利用起到了積極的作用，一臺加工中心機(jī)床能夠替代多臺傳統(tǒng)機(jī)床，減少了生產(chǎn)線上的設(shè)備數(shù)量，降低了設(shè)備維護(hù)和占地成本，這不僅減少了生產(chǎn)線的投資成本，還提高了生產(chǎn)線的整體資源利用效率。

1.2 高精度

高精度是加工中心機(jī)床的顯著特征，加工中心機(jī)床的數(shù)控系統(tǒng)為實(shí)現(xiàn)零部件的高精度、高重復(fù)性加工提供了可靠的保障。采用先進(jìn)的數(shù)控技術(shù)，加工中心機(jī)床在整個(gè)加工過程中能夠?qū)崟r(shí)、準(zhǔn)確地控制工具的位置、速度和切削深度等參數(shù)。數(shù)控系統(tǒng)確保了高度準(zhǔn)確的位置控制，通過預(yù)先設(shè)定的數(shù)學(xué)模型和加工程序，機(jī)床能夠?qū)⒐ぞ叨ㄎ坏侥繕?biāo)位置，實(shí)現(xiàn)微米級別的位置精度。這對于復(fù)雜零部件中細(xì)小特征和復(fù)雜曲面的加工至關(guān)重要。而且數(shù)控技術(shù)使加工中心機(jī)床具備高重復(fù)性，一旦正確的數(shù)控程序被設(shè)定，機(jī)床可以反復(fù)執(zhí)行相同的加工過程，保持高度一致的加工質(zhì)量，這對于批量生產(chǎn)和要求產(chǎn)品一致性的行業(yè)尤為重要。除此以外，數(shù)控系統(tǒng)還可實(shí)時(shí)監(jiān)測和調(diào)整加工過程中的參數(shù)，從而對切削速度、進(jìn)給速度等進(jìn)行精確控制，可以避免因材料特性、刀具磨損等因素引起的加工誤差，提高了零部件的精度和表面質(zhì)量。

1.3 加工效率較高

加工中心機(jī)床以其高度自動化的特性，有效的提升了加工效率，可以更好的實(shí)現(xiàn)批量生產(chǎn)和大規(guī)模制造。加工中心機(jī)床實(shí)現(xiàn)了高度的自動化程度，加工中心機(jī)床的數(shù)控系統(tǒng)和自動換刀系統(tǒng)等先進(jìn)技術(shù)的應(yīng)用，使得整個(gè)加工過程實(shí)現(xiàn)了自動控制和自動化操作。操作人員只需設(shè)定好加工程序和相關(guān)參數(shù)，機(jī)床即可自動進(jìn)行連續(xù)的加工操作，減少了人工的直接干預(yù)，提高了生產(chǎn)效率。而且加工中心機(jī)床能夠?qū)崿F(xiàn)連續(xù)、自動加工，一旦加工程序設(shè)定完成機(jī)床能夠在不間斷的情況下進(jìn)行連續(xù)加工，不需要人工干預(yù)和停機(jī)換刀，從而大幅縮短了生產(chǎn)周期，提高了生產(chǎn)效率，這對于大規(guī)模、高產(chǎn)量的制造任務(wù)而言，是非常具有競爭力的優(yōu)勢。同時(shí)自動換刀系統(tǒng)的應(yīng)用也是加工中心機(jī)床高效率的重要保障。通過自動換刀系統(tǒng)，機(jī)床能夠根據(jù)加工需要自動更換不同功能的刀具，而無需停機(jī)。不僅節(jié)省了換刀時(shí)間，還確保了在不同工序中使用最合適的刀具，提高了切削效率和加工質(zhì)量。在現(xiàn)代制造業(yè)中，加工中心機(jī)床的高加工效率為企業(yè)應(yīng)對市場需求變化、提高生產(chǎn)能力提供了重要支持。

2 加工中心機(jī)床應(yīng)用復(fù)雜軸工藝時(shí)的機(jī)床調(diào)整策略

2.1 做好工藝規(guī)劃與仿真

詳細(xì)的工藝規(guī)劃和先進(jìn)的仿真軟件的運(yùn)用可以為整個(gè)加工過程提供重要的指導(dǎo)和優(yōu)化。進(jìn)行詳細(xì)的工藝規(guī)劃是確保整個(gè)加工過程順利進(jìn)行的關(guān)鍵，技術(shù)人員需要對復(fù)雜軸的幾何結(jié)構(gòu)、加工要求、材料特性等進(jìn)行全面了解。在此基礎(chǔ)上，規(guī)劃合理的加工路徑、切削順序以及刀具選擇等，確保每一步都符合產(chǎn)品設(shè)計(jì)要求，并最大程度地提高加工效率。同時(shí)通過先進(jìn)的仿真軟件，可以模擬復(fù)雜軸工藝加工過程，實(shí)現(xiàn)對整個(gè)加工過程的虛擬展示。通過仿真，可以預(yù)先檢查加工路徑是否合理、切削是否充分、是否存在潛在的碰撞風(fēng)險(xiǎn)等，進(jìn)而在實(shí)際加工中避免一些可能導(dǎo)致機(jī)床調(diào)整和二次加工的問題，提前優(yōu)化加工過程。在仿真中，還可以進(jìn)行工藝參數(shù)的調(diào)整和優(yōu)化，以達(dá)到最佳的加工效果。通過實(shí)時(shí)觀察仿真結(jié)果，可以及時(shí)發(fā)現(xiàn)潛在問題并進(jìn)行調(diào)整，保障加工過程的順利進(jìn)行。

2.2 進(jìn)行夾具設(shè)計(jì)與優(yōu)化

夾具的設(shè)計(jì)與優(yōu)化在復(fù)雜軸工藝加工中具有關(guān)鍵性作用，它直接影響到工件在加工中的穩(wěn)定性和精度。夾具設(shè)計(jì)需要全面考慮復(fù)雜軸的幾何形狀、尺寸以及表面特征，通過充分了解工件的結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)師可以確定夾具的夾持點(diǎn)、夾持方式和夾緊力度。考慮到復(fù)雜軸通常具有不規(guī)則的外形，夾具的設(shè)計(jì)必須能夠充分適應(yīng)并牢固固定工件，避免在加工過程中發(fā)生振動和位移，而且夾具的設(shè)計(jì)還需要考慮到工藝特點(diǎn)，比如切削力的方向和大小。合理的夾具設(shè)計(jì)可以通過分析切削力的作用方向來確定夾持點(diǎn)和夾持方式，以提供足夠的支撐和穩(wěn)定性，避免在高切削力作用下工件的位移或者變形。同時(shí)夾具的優(yōu)化也包括材料的選擇，夾具的材料應(yīng)具有足夠的強(qiáng)度和剛性，以承受加工中的各種力和壓力。在設(shè)計(jì)的同時(shí)，夾具的制造工藝也需要考慮，以確保夾具的制造成本和周期不會影響整個(gè)加工過程。通過應(yīng)用先進(jìn)的制造技術(shù)如數(shù)控加工和3D 打印，可以提高夾具的精度和復(fù)雜性。

2.3 工件測量與校準(zhǔn)

在進(jìn)行復(fù)雜軸工藝加工之前，進(jìn)行工件測量與校準(zhǔn)是確保加工精度和產(chǎn)品質(zhì)量的關(guān)鍵步驟。通過高精度的測量儀器對工件的幾何形狀和位置進(jìn)行檢查，然后根據(jù)測量結(jié)果對機(jī)床進(jìn)行校準(zhǔn)調(diào)整，以確保實(shí)際加工結(jié)果與設(shè)計(jì)要求一致。技術(shù)人員需要采用高精度的測量儀器對復(fù)雜軸的幾何形狀進(jìn)行詳細(xì)測量，進(jìn)行直徑、長度、軸向偏差、圓度等多個(gè)方面的測量。使用三坐標(biāo)測量機(jī)、激光測量儀等設(shè)備，能夠精確獲取工件的各項(xiàng)尺寸數(shù)據(jù)。而且根據(jù)測量結(jié)果分析，確定工件的幾何誤差和位置偏差。這些誤差可能是由于材料特性、刀具磨損、機(jī)床磨損等因素引起的。在確定了誤差的具體來源后，可以有針對性地進(jìn)行校準(zhǔn)和調(diào)整。同時(shí)在對機(jī)床進(jìn)行校準(zhǔn)調(diào)整時(shí)還需進(jìn)行機(jī)床坐標(biāo)系的調(diào)整、數(shù)控系統(tǒng)參數(shù)的優(yōu)化等，通過調(diào)整機(jī)床的位置、速度、切削深度等參數(shù)，使其更好地適應(yīng)實(shí)際工件的特性。在進(jìn)行校準(zhǔn)調(diào)整時(shí)，可以采用實(shí)時(shí)反饋的方式。即時(shí)監(jiān)測加工過程中的工件尺寸和形狀，通過傳感器或激光測量儀器獲取實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，反饋至數(shù)控系統(tǒng)，從而及時(shí)調(diào)整機(jī)床的運(yùn)行參數(shù)，保持加工精度。通過工件測量與校準(zhǔn)，可以確保復(fù)雜軸工藝加工的每個(gè)工件都能夠滿足設(shè)計(jì)要求的精度和質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)。這種全面的測量和校準(zhǔn)流程對于提高生產(chǎn)效率、降低廢品率，具有顯著的意義。

2.4 刀具選擇與調(diào)試

在復(fù)雜軸工藝加工中，刀具選擇與調(diào)試是確保高效、精準(zhǔn)加工的關(guān)鍵步驟。選擇合適的刀具并進(jìn)行有效調(diào)試和優(yōu)化，能夠最大程度地發(fā)揮機(jī)床的性能，確保切削質(zhì)量和工件精度。進(jìn)行刀具選擇時(shí)需要充分考慮復(fù)雜軸的形狀和材料特性，由于復(fù)雜軸通常具有曲線和不規(guī)則的外形，因此刀具的選擇需要適應(yīng)工件的特殊形狀。考慮工件的幾何特性，選擇合適的切削工具，如球頭刀具、圓柱刀具等，以確保能夠有效地切削復(fù)雜軸的各個(gè)部位。而且選擇刀具時(shí)還需要考慮到切削力、切削速度等因素。不同形狀和材料的復(fù)雜軸在切削時(shí)會產(chǎn)生不同的切削力，因此需要選擇具有足夠剛性和耐磨性的刀具，以滿足切削要求。同時(shí)，根據(jù)不同工藝和材料，調(diào)整刀具的切削速度，保證切削效果的同時(shí)延長刀具壽命。除此以外，在進(jìn)行加工前還應(yīng)進(jìn)行刀具的調(diào)試和優(yōu)化，通過實(shí)際加工試驗(yàn)，調(diào)整刀具的切削參數(shù)，包括切削速度、進(jìn)給速度、切削深度等，以獲得最佳的切削效果。同時(shí)，檢查刀具的磨損情況，確保刀具在加工過程中保持良好的切削狀態(tài)。

3 加工中心機(jī)床應(yīng)用復(fù)雜軸工藝時(shí)的數(shù)控編程策略

3.1 準(zhǔn)確建立工件坐標(biāo)系

在復(fù)雜軸工藝的數(shù)控編程中，準(zhǔn)確建立工件坐標(biāo)系是確保加工精度和成功的關(guān)鍵步驟。應(yīng)用復(fù)雜軸工藝進(jìn)行加工時(shí)，需要加工的工件通常具有多個(gè)曲面和不規(guī)則的形狀。為了更好地描述工件的各個(gè)部位，需要采用多坐標(biāo)系的方法，這些坐標(biāo)系可以根據(jù)工件的幾何特征和加工要求進(jìn)行選擇，例如，某一特定曲面的切削可能需要單獨(dú)的坐標(biāo)系。建立坐標(biāo)系時(shí)，需要考慮到工件的幾何中心、軸線、特定表面等特征點(diǎn)，通過測量和計(jì)算，確定這些特征點(diǎn)的坐標(biāo)值，建立與之對應(yīng)的坐標(biāo)系。在這個(gè)過程中，使用高精度的測量設(shè)備和數(shù)學(xué)建模技術(shù)，確保坐標(biāo)系的建立準(zhǔn)確度。在數(shù)控編程中，工件坐標(biāo)系的建立要與數(shù)控機(jī)床的坐標(biāo)系相一致。這包括機(jī)床坐標(biāo)系與工件坐標(biāo)系之間的相對位置關(guān)系，以及機(jī)床的零點(diǎn)與工件坐標(biāo)系原點(diǎn)的對應(yīng)關(guān)系。確保這兩者之間的一致性，可以保證數(shù)控機(jī)床按照程序正確地定位和加工工件。此外，在建立坐標(biāo)系時(shí)，還需要考慮到工件的旋轉(zhuǎn)、翻轉(zhuǎn)等運(yùn)動，在復(fù)雜軸工藝中，通常會涉及到多軸聯(lián)動運(yùn)動。因此，需要清晰定義工件坐標(biāo)系與機(jī)床坐標(biāo)系之間的轉(zhuǎn)換關(guān)系，以確保機(jī)床能夠按照預(yù)定路徑正確執(zhí)行加工操作。

3.2 合理選擇刀具路徑

在復(fù)雜軸工藝的數(shù)控編程中，合理選擇刀具路徑是確保加工效率和質(zhì)量的有效手段。使用復(fù)雜軸工藝加工的各種機(jī)械零部件通常具有曲線和不規(guī)則的外形，因此在數(shù)控編程中，刀具路徑的選擇需要充分考慮工件的幾何特征。采用先進(jìn)的刀具路徑規(guī)劃算法是至關(guān)重要的，這些算法可以根據(jù)工件的形狀自動生成最優(yōu)的切削路徑。常見的算法包括曲面刀軌生成算法、自適應(yīng)切削路徑規(guī)劃算法等。而且考慮到復(fù)雜軸可能存在凸凹不平的表面，應(yīng)該避免刀具在切削過程中的過度劇烈的轉(zhuǎn)動和進(jìn)給變化，以免引起振動和切削不穩(wěn)定。在刀具路徑的選擇中，需要平滑過渡，盡量減小刀具在表面上的運(yùn)動變化，確保切削過程的穩(wěn)定性。除此以外，考慮到工藝的加工要求，例如，表面光潔度和加工時(shí)間等，刀具路徑的選擇也要充分考慮。有時(shí)候需要進(jìn)行粗加工和精加工的切削路徑分離，以確保在最短的時(shí)間內(nèi)獲得所需的表面質(zhì)量。

3.3 優(yōu)化切削參數(shù)

在數(shù)控編程中，優(yōu)化切削參數(shù)是發(fā)揮復(fù)雜軸工藝應(yīng)用效果的基礎(chǔ)，而根據(jù)工件材料的特性選擇合適的切削速度是優(yōu)化切削參數(shù)的關(guān)鍵，切削速度直接影響到切削過程中的熱變形和刀具壽命。過高的切削速度可能導(dǎo)致刀具過度磨損，而過低則可能引起加工表面粗糙。通過實(shí)驗(yàn)和經(jīng)驗(yàn)，確定最適合工件材料的切削速度范圍，以達(dá)到切削效果的最佳平衡。同時(shí)進(jìn)給速度的選擇對于切削過程中的切屑排除、表面質(zhì)量以及加工效率都有顯著影響，適當(dāng)調(diào)整進(jìn)給速度可以控制切屑的形成和排除，避免過高的進(jìn)給速度引起切屑的斷裂。通過在不同工藝階段選擇合適的進(jìn)給速度，可以實(shí)現(xiàn)高效的切削。而切削深度也是需要優(yōu)化的參數(shù)，切削深度的選擇需要考慮到工件的硬度、刀具的強(qiáng)度以及切削時(shí)產(chǎn)生的熱量。通過適當(dāng)控制切削深度，可以避免刀具的過度磨損和提高切削效率。而且對于不同形狀的復(fù)雜軸，需要根據(jù)具體情況采用不同的切削策略。例如，對于凹槽等特殊形狀，可以采用多軸聯(lián)動，或者采用特殊刀具，以確保切削效果的最佳化。除此以外，在優(yōu)化切削參數(shù)時(shí)，還需要考慮到數(shù)控機(jī)床的性能和穩(wěn)定性。根據(jù)機(jī)床的加工能力和剛性設(shè)置合理的切削參數(shù)，以確保機(jī)床在加工過程中保持穩(wěn)定性和精度。

4 結(jié)語

加工中心機(jī)床中復(fù)雜軸工藝的應(yīng)用為制造業(yè)提供了一種高效、精密的加工解決方案，通過科學(xué)合理的工藝措施，可以更好地發(fā)揮加工中心機(jī)床的優(yōu)勢，滿足現(xiàn)代制造對于高精度加工的需求。在未來的發(fā)展中，隨著技術(shù)的不斷創(chuàng)新，加工中心機(jī)床將繼續(xù)發(fā)揮重要作用推動制造業(yè)向著更高水平邁進(jìn)。