基于數(shù)控加工的工藝設(shè)計(jì)原則和方法

張建新

（沙洲職業(yè)工學(xué)院，江蘇 張家港 215600）

基于數(shù)控加工的工藝設(shè)計(jì)原則和方法

張建新

（沙洲職業(yè)工學(xué)院，江蘇 張家港 215600）

現(xiàn)代自動(dòng)化的數(shù)控機(jī)床比傳統(tǒng)加工在諸多方面存在差異，其數(shù)控加工工藝更加需要注重零部件工藝的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)與工藝分析，而實(shí)現(xiàn)其設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)的關(guān)鍵在于編程。但是僅依靠編程的效果實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)依然存在不足，必須遵循相應(yīng)的設(shè)計(jì)原則，進(jìn)而完成優(yōu)化的設(shè)計(jì)方案。文章通過對(duì)數(shù)控加工的工藝設(shè)計(jì)原則歸納，總結(jié)了相應(yīng)的數(shù)控加工的工藝設(shè)計(jì)方法。

數(shù)控加工；工藝設(shè)計(jì)；原則方法

1 數(shù)控加工的基本原則

數(shù)控加工的過程必須遵循先粗后精的基本原則，依據(jù)加工零件的精密度與變形剛度區(qū)分工序。那么應(yīng)當(dāng)先將零部件雛形進(jìn)行粗略設(shè)計(jì)，再針對(duì)精細(xì)部分進(jìn)行加工。粗加工的設(shè)計(jì)中，需要先保證刀具耐用度與加工質(zhì)量，進(jìn)而提升加工部件的系統(tǒng)剛性符合設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，才能以最大切削深度為基礎(chǔ)，減少切削次數(shù)為精細(xì)加工做鋪墊。在精細(xì)加工的階段，需要對(duì)其設(shè)計(jì)表面進(jìn)行質(zhì)量評(píng)定，也要保障加工部件的標(biāo)準(zhǔn)精度，因此需要在整體輪廓中設(shè)計(jì)為連續(xù)精加工的程序。通常精加工余量不超過0.59mm的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)指標(biāo)，才能形成較高的工藝設(shè)計(jì)質(zhì)量。在粗加工到精細(xì)加工的階段，必須停留一定時(shí)間，以便零部件在粗加工后能夠得到材質(zhì)的恢復(fù)，再進(jìn)行精細(xì)加工時(shí)才能保障其加工標(biāo)準(zhǔn)的精密度。

2 數(shù)控加工的工藝設(shè)計(jì)原則

（1）工序集中的一次定位原則。在數(shù)控加工的工藝設(shè)計(jì)中，所有加工部件都由數(shù)控機(jī)床完成，在工藝設(shè)計(jì)時(shí)需要對(duì)所有部件完成加工程序，那么在多次加工的過程內(nèi)就容易引起分段工序的失誤，因此在最初設(shè)計(jì)中必須將所有工序進(jìn)行集中，以便于后期操作，減少相應(yīng)的誤差才能提高生產(chǎn)效率。針對(duì)零部件的加工同軸度要求很高的孔系加工，必須設(shè)置為一次成型的生產(chǎn)工藝，采取連續(xù)換刀的方式加工同軸孔系，進(jìn)而在坐標(biāo)位置加工其他孔，才能降低因?yàn)橹貜?fù)定位而產(chǎn)生的誤差，也就提升了同軸度的高孔系。

（2）先面后孔與先近后遠(yuǎn)設(shè)計(jì)原則。在數(shù)控加工的過程中，其對(duì)刀點(diǎn)的大小設(shè)計(jì)必須選擇較近的加工位置，而較遠(yuǎn)的位置需要選擇后續(xù)加工，才能保障其加工過程的刀具移動(dòng)具備相應(yīng)的時(shí)間優(yōu)勢(shì)，減少相對(duì)的空行程時(shí)間。并且在鏜孔和銑平面的零件設(shè)計(jì)中，應(yīng)當(dāng)先以銑平面的加工設(shè)計(jì)優(yōu)先，再進(jìn)行鏜孔的后續(xù)加工。其根本原因在于銑平面切削力加多，其設(shè)計(jì)部件容易在加工過程變形，因此需要一定的恢復(fù)時(shí)間，再完成鏜孔的加工有利于相對(duì)的加工精密度。此外，多數(shù)鏜孔加工中會(huì)產(chǎn)生飛邊與毛刺，那么再進(jìn)行銑平面加工就容易產(chǎn)生加工誤差，甚至影響到孔的裝配環(huán)節(jié)。

（3）先內(nèi)后外的工序與內(nèi)外交叉的設(shè)計(jì)原則。部件加工多數(shù)為存在內(nèi)外表面的加工步驟，內(nèi)部表面加工的是零件內(nèi)腔與內(nèi)型，而外表面加工的是最后工序。這樣的流程安排，主要是因?yàn)槎鄶?shù)內(nèi)部表面加工工序繁瑣，如果先進(jìn)行外部加工設(shè)計(jì)時(shí)，而內(nèi)部加工失敗也就浪費(fèi)了前期設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)實(shí)際，而先進(jìn)行內(nèi)部加工就較為實(shí)現(xiàn)其設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)與功能，因此需要先進(jìn)行內(nèi)部表面加工。而內(nèi)外交叉的過程，也是在先粗后精的基本原則基礎(chǔ)上進(jìn)行設(shè)計(jì)。先將內(nèi)外表面的粗加工完成，再對(duì)內(nèi)部表面進(jìn)行精細(xì)加工，當(dāng)內(nèi)部表面的設(shè)計(jì)符合使用標(biāo)準(zhǔn)后，也就可以進(jìn)行外部表面的精細(xì)加工，進(jìn)而完成整體工序。

3 數(shù)控加工的工藝設(shè)計(jì)方法

（1）數(shù)控加工編程階段的設(shè)計(jì)方法。在數(shù)控加工工藝中設(shè)計(jì)編程環(huán)節(jié)決定了處理工藝的正確性，進(jìn)而關(guān)系到數(shù)控機(jī)床的應(yīng)用效率與加工部件質(zhì)量，同時(shí)也存在刀具數(shù)量的使用頻次，也就產(chǎn)生了相應(yīng)的成本造價(jià)與經(jīng)濟(jì)性問題。尤其是在較為復(fù)雜的零件設(shè)計(jì)中，其外觀輪廓形狀各有差異，選擇的毛坯大小與材料也各有區(qū)別，因此在編程階段，其設(shè)計(jì)人員必須針對(duì)零部件的具體造型做出全面規(guī)劃，保障其設(shè)計(jì)的材料使用趨于合理利用的最大限度，以及做出相應(yīng)的工藝分析，依據(jù)加工工藝的基本條件與原則，完善編程設(shè)計(jì)的標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)格。并且在設(shè)計(jì)階段，必須以設(shè)計(jì)需求為導(dǎo)向，同時(shí)保障工藝質(zhì)量與加工時(shí)間的相互補(bǔ)充，不能因?yàn)槊つ孔非蟾哔|(zhì)量的設(shè)計(jì)，而在多道工序中無(wú)形增加了加工程序，進(jìn)而導(dǎo)致人工成本與加工成本的增加，其必然結(jié)果也會(huì)無(wú)形增加部件的造價(jià)成本。因此需要設(shè)計(jì)者，在編程時(shí)以高效、優(yōu)質(zhì)、低耗能的方向進(jìn)行工藝完善，進(jìn)而設(shè)計(jì)出實(shí)用性更強(qiáng)的加工工藝方案。在加工設(shè)計(jì)的階段，編程人員必須充分考慮其加工零件的合理性，進(jìn)而從清晰的工序中設(shè)計(jì)出工藝路線，進(jìn)而在合理的加工步驟中選擇相應(yīng)的換刀點(diǎn)與對(duì)刀點(diǎn)位置，提升零件加工的便捷性與經(jīng)濟(jì)性。同時(shí)也需要對(duì)零件安裝方法進(jìn)行明確，在切削用量的刀具使用階段，必須明確工藝文件編寫指標(biāo)，進(jìn)而區(qū)分普通工序與數(shù)控工序的銜接，才能在相對(duì)工序集中的基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)出較低的機(jī)床輔助時(shí)間，制定出工藝路線最短的優(yōu)化設(shè)計(jì)方案。

（2）Mastercam9.0數(shù)控編程方法。在加工零部件的模型完成后，需要對(duì)其加工數(shù)據(jù)進(jìn)行明確，主要是在編程數(shù)據(jù)中的測(cè)量環(huán)節(jié)，包括：加工區(qū)域設(shè)定、加工方式選擇、刀具標(biāo)準(zhǔn)設(shè)置、機(jī)床參數(shù)設(shè)置、以及相關(guān)的加工參數(shù)最終設(shè)置等。目前我國(guó)使用較為普遍的編程設(shè)計(jì)軟件為Mastercam9.0，其軟件的設(shè)計(jì)相當(dāng)便捷，僅需要對(duì)加工部件的三維圖或者二維圖進(jìn)行CAD繪制，就能夠在CAM中明確最終的刀具路徑，進(jìn)而再選擇相應(yīng)的加工模塊，以及工藝標(biāo)準(zhǔn)明確后的特性參數(shù)與刀具參數(shù)，以便于生成NCI文件的刀具路徑，其后置程序也能夠?qū)С鯪CI文件，也就是數(shù)控機(jī)床最后能夠識(shí)別的GM代碼，進(jìn)而產(chǎn)生了基于設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)的加工流程。但是此時(shí)的文件需要進(jìn)一步修改與編輯，才能傳輸給使用中的數(shù)控機(jī)床，以便于加裝刀具后加工不同規(guī)格的零部件。

（3）加工工藝中的數(shù)控編程基本流程。通過Mastercam9.0完成數(shù)控加工的編程設(shè)計(jì)，需要通過五個(gè)步驟的基本流程：首先，在初始階段需要根據(jù)零件設(shè)計(jì)的模型結(jié)構(gòu)，選擇合理的毛坯零件參數(shù)設(shè)置，其設(shè)置的基礎(chǔ)為零部件的外部尺寸以內(nèi)部結(jié)構(gòu)，并設(shè)置相應(yīng)的編程參數(shù)坐標(biāo)原點(diǎn)，以便后期加工時(shí)的參數(shù)標(biāo)準(zhǔn)明確。其次，也需要選取最為適宜的加工方式，同時(shí)定義出需要進(jìn)行精細(xì)加工的區(qū)域，進(jìn)而保障整體工業(yè)的完整性。再次，針對(duì)刀具進(jìn)行參數(shù)設(shè)置，同時(shí)將相應(yīng)的加工參數(shù)與方式再次明確，才能保障精細(xì)加中不存在設(shè)計(jì)漏洞。最后，需要進(jìn)行動(dòng)態(tài)模擬加工路徑的設(shè)計(jì)，其主要是明確加工設(shè)計(jì)的合理性，進(jìn)而明確相應(yīng)的參數(shù)修訂是否必要，剔除多余的加工程序，才能保障設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)中不存在多余步驟與工序。此外，后置處理中需要明確生成的NC加工程序是否合理，對(duì)其參數(shù)核對(duì)完成相應(yīng)的設(shè)計(jì)指標(biāo)，也就能夠最終通過NC代碼指導(dǎo)完成最終的零部件成品。

4 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，在實(shí)際加工設(shè)計(jì)的工藝中，設(shè)計(jì)者需要根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行編寫程序的修訂，然而零部件加工工藝的設(shè)計(jì)優(yōu)劣取決于兩個(gè)方面：一方面，CAM系統(tǒng)的功能性決定了較高的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，以目前Master cam的功能性而言，基本滿足了較多零部件的設(shè)計(jì)需求，但是在較為復(fù)雜的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)中，依然需要設(shè)計(jì)者進(jìn)行反復(fù)驗(yàn)證，以保障最終的設(shè)計(jì)規(guī)格標(biāo)準(zhǔn)性。另一方面，針對(duì)CAM系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，必須考慮相應(yīng)的加工條件，包括加工順序的優(yōu)化、加工方式合理配置、進(jìn)刀/退刀方式的合理性、加工順序便捷性、以及切削深度是否符合設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)等，因此也需要設(shè)計(jì)者根據(jù)自身的經(jīng)驗(yàn)不斷總結(jié)，結(jié)合現(xiàn)代化的工藝加工需求，將其設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)與加工方案進(jìn)行最優(yōu)化的合理配置。

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張建新（1970-），男，江蘇張家港人，大學(xué)本科，工程師，主要研究方向：機(jī)電一體化、數(shù)控加工技術(shù)，液壓傳動(dòng)技術(shù)，機(jī)械制造技術(shù)。