煤礦用刮板機(jī)機(jī)頭架聯(lián)接墊板數(shù)控加工前的工藝設(shè)計(jì)

摘要：隨著我國機(jī)械制造業(yè)不斷發(fā)展，數(shù)控技術(shù)的地位變得日益突出。在加工過程中，工藝設(shè)計(jì)的合理與否，對提高生產(chǎn)效率意義顯著。因此，以車間中生產(chǎn)的零件為研究對象，首先了解工藝設(shè)計(jì)的原則和工藝設(shè)計(jì)中需要考慮的因素，結(jié)合生產(chǎn)實(shí)例，采用不同工藝類比、計(jì)算機(jī)輔助制造（ComputerAidedManufacturing，CAM）技術(shù)優(yōu)化刀具路徑等方法，對零件進(jìn)行工藝優(yōu)化，提高了生產(chǎn)效率，有利于節(jié)能降耗。

關(guān)鍵詞：制造業(yè)數(shù)控技術(shù)加工工藝CAM技術(shù)

ProcessDesignofCoalMineScraperHeadFrameConnectingPadBeforeNumericalControlMachining

CAOLei

PingmeiShenmaMachineryEquipmentGroupHenanHeavyMachineryCo.，Ltd.，Pingdingshan，He’nan Province，467000China

Abstract：WiththecontinuousdevelopmentofChina’smachinerymanufacturingindustry，thestatusofNumericalControltechnologyhasbecomeincreasinglyprominent.Intheprocessofprocessing，thereasonablenessofprocessdesignissignificantforimprovingproductionefficiency.Therefore，thisarticletakesthepartsproducedintheworkshopastheresearchobject，firstlyunderstandstheprinciplesofprocessdesignandthefactorsneedtobeconsideredinprocessdesign，combinedwithproductionexamples，usingdifferentprocessanalogies，ComputerAidedManufacturing（CAM）technologytooptimizethetoolpath，theprocessofpartsisoptimized，whichimprovestheproductionefficiency，isconducivetoenergysavingandconsumptionreduction.

KeyWords：Manufacturing;NumericalControltechnology;Processingtechnology;CAMtechnology

隨著我國的工業(yè)化和制造業(yè)水平的不斷提高，數(shù)控技術(shù)作為一項(xiàng)現(xiàn)代化的先進(jìn)制造技術(shù)，在船舶、航空航天、煤礦裝備等領(lǐng)域的應(yīng)用已經(jīng)越來越廣泛。數(shù)控技術(shù)不僅能夠通過自動(dòng)化控制、精確輸出，完成精密零件的加工；而且在一定程度上減少勞動(dòng)力，提高加工質(zhì)量、工作效率[1]。然而，數(shù)控加工工藝作為數(shù)控加工過程中的一部分，一直是生產(chǎn)加工中不容忽視的環(huán)節(jié)，直接影響零件的加工質(zhì)量和生產(chǎn)進(jìn)度，甚至關(guān)系到后期裝備的正常運(yùn)作。因此，如何設(shè)計(jì)數(shù)控加工工藝，已成為現(xiàn)今制造業(yè)探究的焦點(diǎn)之一。

本文旨在研究數(shù)控加工工藝，并結(jié)合現(xiàn)有車間生產(chǎn)的零件，進(jìn)行工藝方面的探討，希望能夠?qū)?shù)控機(jī)床加工工藝和仿真、試驗(yàn)研究的相關(guān)領(lǐng)域提供一定的理論和實(shí)踐指導(dǎo)。

• 工藝設(shè)計(jì)遵循的原則

在數(shù)控加工前，需要技術(shù)人員進(jìn)行零件的工藝設(shè)計(jì)。工藝設(shè)計(jì)的好壞將直接影響零件的加工質(zhì)量和車間的生產(chǎn)進(jìn)度。在工藝設(shè)計(jì)時(shí)，需要遵循以下幾個(gè)原則：（1）基準(zhǔn)先行；（2）先粗后精；（3）先主后次；（4）先面后孔。另外，在劃分加工階段，需要考慮尺寸精度、加工質(zhì)量和加工效率，通常情況下，整個(gè)加工過程大致可以劃分3個(gè)階段：粗加工、半精加工、精加工。粗加工主要是開粗，提高加工效率，如銑削時(shí)，會優(yōu)先考慮直徑大的面銑刀和端頭立銑刀，達(dá)到快速切削的目的。半精加工是為精加工留余量，一般為0.2～0.5mm，具體留量根據(jù)加工者經(jīng)驗(yàn)確定。通過精加工，完成最后的加工精度，達(dá)到所要求的表面粗糙度。

• 工藝設(shè)計(jì)中需要考慮的主要因素

2.1數(shù)控機(jī)床

數(shù)控機(jī)床分類很多，常見的有數(shù)控車床、數(shù)控鉆床、數(shù)控雕刻機(jī)、數(shù)控銑床等。數(shù)控機(jī)床的選擇要與數(shù)控機(jī)床的功能、零件特征與尺寸、生產(chǎn)進(jìn)度相匹配。例如：數(shù)控車床加工復(fù)雜的軸類零件、盤類等回轉(zhuǎn)體零件；數(shù)控鉆床可在縱梁、管型件、箱體類零件上進(jìn)行鉆、擴(kuò)、攻、鉸；數(shù)控雕刻機(jī)可用于金屬、木材、亞克力板等進(jìn)行鏤空加工；數(shù)控銑床可用于復(fù)雜曲面、型腔類零件的銑削加工。

2.2刀具

刀具大致可以分為三類：（1）孔加工刀具，如中心鉆、麻花鉆、鉸刀等；（2）數(shù)控車刀，如外圓車刀、切槽刀、螺紋刀等；（3）數(shù)控銑刀，如T型銑刀、面銑刀、球頭銑刀等。合適的刀具是加工零件質(zhì)量的保證，在選用刀具時(shí)，要注意以下幾點(diǎn)[2]：（1）數(shù)控刀具的選擇需要匹配工件材料及數(shù)控機(jī)床；（2）選擇合適的刀具結(jié)構(gòu)。刀具包括整體式的和帶硬質(zhì)合金刀片的，其中整體式又包括高速鋼和合金鋼；（3）根據(jù)工件加工形狀選擇合適的刀具規(guī)格。

2.3夾具類型

以板類零件的夾具為例，常用的有兩種。一是虎鉗夾緊。虎鉗作為一種常用的夾具，一般針對板件、異性類零件，操作方便，但是加工過程中容易出現(xiàn)一些問題：諸如加持力度過大導(dǎo)致工件變形、加持面積過小引起工件松動(dòng)、長時(shí)間使用夾緊力下降[3]等。一般情況下，鋁件的夾持深度要保持在1.5～2mm，鋼件的夾持深度要維持在2.5～3mm[4]。二是壓板壓緊。壓板夾緊裝置成本低，結(jié)構(gòu)簡單，缺點(diǎn)是容易出現(xiàn)壓板規(guī)格型號和螺桿長度不合適、安裝費(fèi)時(shí)費(fèi)力、技術(shù)要求高等問題[5-6]。傳統(tǒng)的長條形壓板需要結(jié)合螺桿螺母，導(dǎo)軌滑塊等完成裝夾，當(dāng)夾緊力過大容易引起壓板變形等情況發(fā)生，另外壓板壓緊位置、數(shù)量等也需要結(jié)合工藝及操作者經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行綜合考慮。

2.4切削用量

切削用量三要素包括吃刀深度、進(jìn)給速度、刀具轉(zhuǎn)速。對于數(shù)控機(jī)床而言，切削用量的三要素密切聯(lián)系，改變其中的一個(gè)參數(shù)，另外兩個(gè)均會發(fā)生相應(yīng)的改變。切削用量的選擇要結(jié)合機(jī)床性能、尺寸公差、刀具、零件材質(zhì)等進(jìn)行綜合考慮，編程人員在長期的加工過程中，積累起來的加工經(jīng)驗(yàn)可以對切削參數(shù)進(jìn)行快速粗略的確定，然后在試加工過程中，通過觀察切削聲音、切屑、表面粗糙度等，再進(jìn)行切削參數(shù)的微調(diào)，從而達(dá)到合理的參數(shù)選擇。一般情況下，切削參數(shù)的確定遵循以下原則：在滿足零件尺寸、表面粗糙度、形位公差等的前提條件下，按照吃刀深度、進(jìn)給速度、刀具轉(zhuǎn)速的順序依次調(diào)大參數(shù)，確保每個(gè)參數(shù)達(dá)到最優(yōu)[7]。現(xiàn)如今，很多科研人員開始把注意力集中在優(yōu)化算法上，通過建立目標(biāo)函數(shù)，采用遺傳算法等進(jìn)行目標(biāo)最優(yōu)的求解，最后應(yīng)用到實(shí)際生產(chǎn)中，做到理論與實(shí)踐的融合。無論最終如何獲得，切削用量的選擇都應(yīng)以最大限度地降低加工成本，獲取經(jīng)濟(jì)效益為前提，同時(shí)使獲得較好的加工質(zhì)量和生產(chǎn)效率為目標(biāo)。

2.5合理安排加工計(jì)劃

傳統(tǒng)的機(jī)加工車間屬于離散型車間，在一定的范圍內(nèi)布置不同或功能相似的機(jī)床。在加工一個(gè)零件不同特征時(shí)，可能會用到多個(gè)機(jī)床，這樣就會形成加工等待時(shí)間和零件轉(zhuǎn)運(yùn)時(shí)間。一般情況下，車間的零件會存在少品種大批量、多品種小批量等多種情況，這樣就會造成加工等待時(shí)間和零件轉(zhuǎn)運(yùn)時(shí)間的累積延長，造成工藝加工方案與加工計(jì)劃的分離，進(jìn)而影響加工進(jìn)度和生產(chǎn)周期。在工期緊張的情況下，針對現(xiàn)場不同的零件，利用現(xiàn)有機(jī)床，合理的安排機(jī)床加工順序和編排工藝顯得尤為重要。合理安排零件的加工計(jì)劃，兼顧加工工藝規(guī)劃，對于提高生產(chǎn)進(jìn)度效果顯著。編排加工計(jì)劃的方法很多，諸如利用線性規(guī)劃模型求解、采用計(jì)算機(jī)語言進(jìn)行編程求解等。

• 案例分析：加工大型的板式零件
  • 案例背景

此工程項(xiàng)目針對一批特殊形式的板式零件，用于連接機(jī)械設(shè)備中的減速機(jī)。該板式零件較以往加工的零件，特殊之處在于其較大的外形尺寸：長1700mm、寬1000mm、厚度133mm。材料為Q355，具有良好的切削性能和焊接性能。考慮零件的尺寸特殊性，因此，選用龍門式數(shù)控銑鏜床。

• 準(zhǔn)備工作

在開始加工前，需要針對零件進(jìn)行分析，做好工藝設(shè)計(jì)。

3.2.1加工順序

在加工過程中，嚴(yán)格按照如下順序進(jìn)行：下料—火焰切割（外形及兩個(gè)長槽）—銑面（厚度留量）—銑鍵槽—銑開口槽—鉆孔—攻絲—銑背面保厚度—鉗毛

3.2.2刀具選擇

在刀具選擇方面，依托于加工中經(jīng)常使用的刀具。選擇的刀具有：φ160銑刀、U鉆（φ33、φ39、φ45、φ50、φ55）、φ40玉米銑刀、φ50端面立銑刀、φ20合金立銑刀、φ50合金立銑刀。

φ160銑刀對工件表面進(jìn)行粗加工，采用橫向式往復(fù)運(yùn)動(dòng)。

待加工通孔有φ33、φ39、φ45、φ55，這樣的孔數(shù)量較多，且鉆孔深度大，起初考慮使用普通麻花鉆，通過鉆擴(kuò)來完成通孔的加工，但在加工過程中，鐵屑不能隨著鉆頭帶出，導(dǎo)致鉆頭磨損較快，同時(shí)加工效率低下。通過改進(jìn)，采用帶高壓內(nèi)噴式的U鉆，能夠很好的解決這些問題。

中間的大孔，因?yàn)橹安捎没鹧媲懈钪螅瑔芜吜袅?mm，如果采用普通的銑刀，加工時(shí)分層較多，并且耗時(shí)，因此改用φ40的玉米銑刀，刀片采用平行四邊形刀片，利用側(cè)刃開粗。鑒于工件材料良好的切削性能，因此，增加玉米銑刀的吃刀深度，適當(dāng)放慢轉(zhuǎn)速，最后采用φ50的合金立銑刀精銑，其中，φ50的合金立銑刀為定制刀具，需在特殊條件下使用，應(yīng)注意切削用量的選擇。

加工板上的鍵槽φ50x140時(shí)，選用鉆銑的方式，為提高加工效率，鉆頭改為φ50的U鉆，銑刀選用φ50的端面立銑刀，對鍵槽進(jìn)行直線往復(fù)運(yùn)動(dòng)的粗加工，刀片選用平行四邊形頂角85°的涂層硬質(zhì)合金刀片，最后采用φ20的合金立銑刀進(jìn)行清根處理。

3.2.3刀具路徑

通過使用CAM來完成刀具路徑的規(guī)劃，檢查刀具是否合適、刀具和工件是否干涉、加工周期等。由于帶有點(diǎn)位加工編碼，所以運(yùn)用CAM對工件進(jìn)行數(shù)控加工時(shí)，可以考慮多個(gè)環(huán)節(jié)，如行切、平面銑削、島嶼加工、輪廓加工等。另外，還能針對刀具的路徑進(jìn)行各種優(yōu)化，諸如，陡斜面、參數(shù)線加工、高等分層等。所以，運(yùn)用CAM對于刀具路徑的優(yōu)化具有很強(qiáng)的優(yōu)勢。

3.2.4切削參數(shù)

切削參數(shù)的設(shè)置對于加工效率、加工準(zhǔn)確度的影響最大。使用CAM對切削參數(shù)進(jìn)行設(shè)置時(shí)，多種參數(shù)都要考慮在內(nèi)，如走刀模式、切削區(qū)域、切削寬度、進(jìn)給速度、旋轉(zhuǎn)速度、驅(qū)動(dòng)模式等。

• 數(shù)控編程

通過CAM技術(shù)將加工區(qū)域生成路徑，并對路徑進(jìn)行優(yōu)化，最后將規(guī)劃好的路徑生成代碼。

• 機(jī)床設(shè)置

機(jī)床設(shè)置包括將生成的程序?qū)霗C(jī)床、工件定位、刀具裝夾、工件坐標(biāo)系設(shè)置等。

• 首件試加工

按照生成的程序，進(jìn)行慢速，單段運(yùn)行，觀察首件加工情況，包括刀具是否合適，切削用量是否合適等。調(diào)整部分刀具切削用量，如φ160銑刀，速度280mm/min，轉(zhuǎn)速470r/min，吃刀深度2mm；U鉆：φ55，轉(zhuǎn)速450r/min，速度40mm/min等。

• 質(zhì)量檢測

將加工完成的工件放在質(zhì)檢臺，對工件表面的平行度、垂直度、表面粗糙度、尺寸公差等進(jìn)行測量和檢查，確保加工件的指標(biāo)是否符合要求，同時(shí)對加工件進(jìn)行清理與包裝。

• 結(jié)語

數(shù)控技術(shù)中，采用CAM技術(shù)對數(shù)控加工工藝進(jìn)行優(yōu)化，可以極大地提高加工效率，避免工件與刀具發(fā)生干涉，同時(shí)為數(shù)控技術(shù)的高速發(fā)展提供支撐，進(jìn)一步推動(dòng)制造業(yè)的迭代和創(chuàng)新。

參考文獻(xiàn)

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