淺析影響數(shù)控加工質(zhì)量的因素

王波 李小鋒 慈國強(qiáng)

摘 要：數(shù)控加工作為一種先進(jìn)的加工方法，被廣泛地用于航空工業(yè)、艦船工業(yè)以及電子工業(yè)等高精度、復(fù)雜零件的加工生產(chǎn)。在數(shù)控加工中，影響數(shù)控加工質(zhì)量的因素很多，即工藝系統(tǒng)中的各組成部分，包括機(jī)床、刀具、夾具的制造誤差、安裝誤差以及刀具使用中的磨損等都直接影響工件的加工精度。

關(guān)鍵詞：刀具 機(jī)床 加工質(zhì)量 刀柄 編寫程序

一、機(jī)床的合理選用環(huán)節(jié)

數(shù)控加工在中國制造業(yè)中已經(jīng)有了較長的使用時(shí)間，雖然有嚴(yán)格的數(shù)控機(jī)床操作規(guī)范、良好的機(jī)床維護(hù)保養(yǎng)，但是其本身的精度損失是不可避免的。為了控制產(chǎn)品的加工質(zhì)量，我們定期對數(shù)控設(shè)備進(jìn)行檢測維修，明確每臺設(shè)備的加工精度，明確每臺設(shè)備的加工任務(wù)。對于大批量成批生產(chǎn)的零件加工工廠，應(yīng)嚴(yán)格區(qū)分粗、精加工的設(shè)備使用，因?yàn)榇旨庸r(shí)追求的是高速度、高的去除率、低的加工精度，精加工則相反，要求高的加工精度。

二、刀柄的合理選用環(huán)節(jié)

當(dāng)我們的機(jī)床不可改變時(shí)，與機(jī)床相關(guān)的刀柄、刀具對數(shù)控加工質(zhì)量的影響又變得突出了。在任何旋轉(zhuǎn)刀具加工系統(tǒng)中，主軸與夾頭（或其組合體）的聯(lián)結(jié)是刀具加工性能實(shí)現(xiàn)的基石。

1.刀柄與機(jī)床的聯(lián)結(jié)

目前企業(yè)常用刀柄與機(jī)床的接口主要有BT刀柄和HSK刀柄，刀柄結(jié)構(gòu)如圖1所示。BT刀柄與機(jī)床主軸的接口錐柄錐度為7∶24，這種方式的刀柄只適合于低速加工，因BT刀柄與主軸只是錐面配合，當(dāng)轉(zhuǎn)速太高，由于離心力的作用會使錐面配合間隙增大，從而影響數(shù)控加工質(zhì)量。當(dāng)機(jī)床最高轉(zhuǎn)速達(dá)到15000轉(zhuǎn)/分時(shí)，通常需要采用HSK型刀柄，HSK刀桿為過定位結(jié)構(gòu)，提供與機(jī)床標(biāo)準(zhǔn)聯(lián)結(jié)，在機(jī)床拉力作用下，保證刀桿短錐和端面與機(jī)床緊密配合。

2.刀柄與刀具的聯(lián)結(jié)

對刀柄另一個(gè)重要的技術(shù)要求就是刀柄與刀具的聯(lián)結(jié)方式，包括加工時(shí)的夾持力度、徑向跳動(dòng)精度和平衡質(zhì)量，刀柄的徑向跳動(dòng)精度要小于0.003mm。為支持機(jī)床的線性傳動(dòng)，主軸、刀柄和刀具的總重量越小，對獲得優(yōu)良切削效果越有利。刀柄對刀桿、刀具的夾緊方式主要有4種刀柄：側(cè)固式刀柄、彈性夾緊式刀柄、液壓刀柄和熱脹冷縮刀柄等。

側(cè)固式刀柄的特點(diǎn)是簡單容易操作、快速方便、安全性極高;彈性夾緊式刀柄的特點(diǎn)是刀具的夾緊或松開是在刀柄材料的彈性形變范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)的，不僅可以提供極高的刀柄回轉(zhuǎn)精度，而且對刀具使用壽命沒有限制;液壓刀柄特點(diǎn)為采用這一刀具夾緊系統(tǒng)，可使系統(tǒng)徑向跳動(dòng)誤差精度和重復(fù)定位精度控制在3μm以下。由于刀柄內(nèi)存在有高壓油液壓力，當(dāng)?shù)毒弑粖A緊時(shí)，內(nèi)藏的油腔結(jié)構(gòu)及高壓油的存在大大地增加了結(jié)構(gòu)阻尼，可有效防止刀具和機(jī)床主軸的振動(dòng);熱脹冷縮刀柄的優(yōu)點(diǎn)是徑向跳動(dòng)誤差小，精度很高，可達(dá)到3μm以下水平，傳動(dòng)扭矩大，而刀柄的設(shè)計(jì)相對比較小巧，但其缺陷在于，相比液壓刀柄或應(yīng)力鎖緊式刀柄來講，其防振性能較差。

三、刀具的準(zhǔn)確選擇和使用環(huán)節(jié)

硬質(zhì)合金刀具應(yīng)用范圍在企業(yè)越來越廣，硬質(zhì)合金將代替大部分高速鋼刀具，包括鉆頭、立銑刀和絲錐等簡樸通用刀具，使這一類刀具的切削速度有很大的提高，硬質(zhì)合金將在刀具材料中占主導(dǎo)地位，覆蓋大部分常規(guī)的加工領(lǐng)域。在粗加工中盡可能采用大直徑的牛鼻刀，使用R2左右的硬質(zhì)合金刀片，做到粗加工排屑“多”;半精加工選用高轉(zhuǎn)速高進(jìn)給R0.8左右的鑲片立銑刀，做到半精加工走刀“快”;精加工時(shí)盡量選用硬質(zhì)合金刀桿和高精度球頭鏡面刀片，這樣可在保證加工質(zhì)量的同時(shí)節(jié)省選用整體合金刀具的高昂費(fèi)用。

四、數(shù)控編程環(huán)節(jié)

程序是數(shù)控機(jī)床唯一能夠識別的語言，它向機(jī)床發(fā)出一條一條加工指令，控制著機(jī)床的每一步驟，程序的好壞直接影響到加工的質(zhì)量和效率。這就需要在全面了解機(jī)床性能、加工的每一環(huán)節(jié)以及必要的相關(guān)知識的基礎(chǔ)上，通過不斷的實(shí)踐，提高編程技能，從而達(dá)到提高數(shù)控加工質(zhì)量的要求。

1.數(shù)控編程的步驟

程序編制是數(shù)控加工中的一項(xiàng)重要工作，理想的加工程序應(yīng)保證加工出符合產(chǎn)品圖樣要求的合格工件，同時(shí)應(yīng)能使數(shù)控機(jī)床的功能得到合理的應(yīng)用與充分的發(fā)揮，使數(shù)控機(jī)床安全、可靠、高效地工作，加工出高質(zhì)量的產(chǎn)品。

2.數(shù)控編程的關(guān)鍵問題

（1）、加工零件及其工藝分析：加工零件及其工藝分析是數(shù)控編程的基礎(chǔ)，和手工編程、APT語言編程一樣，基于CAD/CAM的數(shù)控自動(dòng)編程首先也要進(jìn)行這項(xiàng)工作。在目前計(jì)算機(jī)輔助工藝過程設(shè)計(jì)（CAPP）技術(shù)尚不完善的情況下，該項(xiàng)工作還需人工完成。隨著CAPP技術(shù)及機(jī)械制造集成（CAMS）技術(shù)的發(fā)展與完善，這項(xiàng)工作必然會被計(jì)算機(jī)所代替。加工零件及其工藝分析的主要任務(wù)如下。（1）零件幾何尺寸、公差及精度要求的核準(zhǔn)。（2）確定加工方法，工具、夾具、量具及刀具。（3）確定編程原點(diǎn)及編程坐標(biāo)系。（4）確定走刀路線及其工藝參數(shù)。

（2）、零件數(shù)字化模型：加工部位建模是利用CAD/CAM集成數(shù)控編程軟件的圖形繪制、編輯修改、曲線曲面及實(shí)體造型等功能將零件被加工部位的幾何形狀準(zhǔn)確繪制在計(jì)算機(jī)屏幕上，同時(shí)在計(jì)算機(jī)內(nèi)部以一定的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)對該圖形加以記錄。加工部位建模實(shí)質(zhì)上是人將零件加工部位的相關(guān)信息提供給計(jì)算機(jī)的一種手段，它是數(shù)控自動(dòng)編程系統(tǒng)進(jìn)行自動(dòng)編程的依據(jù)和基礎(chǔ)。隨著建模技術(shù)和機(jī)械制造集成技術(shù)的發(fā)展，將來的數(shù)控編程軟件可直接從CAD模塊獲得相關(guān)信息，無須對加工部位再進(jìn)行建模。采用線框建模、特征建模和實(shí)體建模等不同方式，建立零件的幾何數(shù)字化模型。或者是采用無紙化設(shè)計(jì)制造技術(shù)，零件的幾何數(shù)字化模型直接由設(shè)計(jì)而來。

（3）加工方案的確定：主要針對產(chǎn)品結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、質(zhì)量要求選擇不同的加工方法，如：曲面加工是選擇投影加工還是放射加工。不同的加工方法對零件的表面質(zhì)量影響較大。

（4）加工參數(shù)的選擇：加工參數(shù)的選擇主要取決于工件材料、刀具形狀和材料、機(jī)床性能等因素。加工參數(shù)選擇的合理性對零件的表面質(zhì)量也有較大影響。

（5）刀具軌跡的生成：刀具軌跡生成是復(fù)雜零件、多軸數(shù)控加工中的重要內(nèi)容，有效的刀具軌跡直接決定了加工的可能性、質(zhì)量與效率。刀具軌跡（如圖2）的生成首要目標(biāo)是使所生成的刀具軌跡滿足平穩(wěn)、光滑、負(fù)荷變化小、軌跡連續(xù)，切入、切出次數(shù)少，無干涉及碰撞等要求。同時(shí)，刀具軌跡還需滿足穩(wěn)定性好、編程效率高等條件。

（6）數(shù)控加工仿真：由于零件形狀及加工環(huán)境的復(fù)雜性，要確保所生成的加工程序不存在任何質(zhì)量問題十分困難，其中最主要的是加工過程中的過切、機(jī)床各部件之間的干涉碰撞等問題。特別對于高速加工，這些問題常常是致命的。因此，在加工前對加工程序進(jìn)行仿真驗(yàn)證是十分必要的。數(shù)控加工仿真通過軟件模擬加工環(huán)境（如圖3），刀具軌跡與材料切除過程來檢驗(yàn)程序，具有成本低、效率高且安全可靠等特點(diǎn)，是提高數(shù)控編程質(zhì)量及加工質(zhì)量的重要手段。

數(shù)控程序編制步驟

（7）后置處理：后置處理是數(shù)控加工編程中的一項(xiàng)重要內(nèi)容，其技術(shù)內(nèi)容包括：機(jī)床運(yùn)動(dòng)學(xué)建模與求解、機(jī)床坐標(biāo)運(yùn)動(dòng)變換、非線性運(yùn)動(dòng)誤差校驗(yàn)、機(jī)床結(jié)構(gòu)誤差補(bǔ)償及數(shù)控代碼轉(zhuǎn)換等。因此，采用正確的后置處理對于保證加工質(zhì)量、效率與機(jī)床可靠運(yùn)行具有重要作用。

五、機(jī)床操作者環(huán)節(jié)

機(jī)床操作者是數(shù)控加工的執(zhí)行人，他們對數(shù)控加工質(zhì)量的控制也是很明顯的。他們在執(zhí)行加工任務(wù)的過程中對機(jī)床、刀柄、刀具、加工工藝和切削參數(shù)的實(shí)時(shí)狀態(tài)最了解，他們的各項(xiàng)操作對數(shù)控加工影響最直接，所以機(jī)床操作者的技能和責(zé)任心也是提高數(shù)控加工質(zhì)量的重要因素。

六、結(jié)束語

通過對數(shù)控加工中影響加工質(zhì)量因素的分析，為合理有效地提高數(shù)控機(jī)床的利用率提供了可行的依據(jù)。其應(yīng)用可有效保證數(shù)控機(jī)床的加工精度及良好的加工效果。

參考文獻(xiàn)：

[1]《數(shù)控加工工藝與編程》熊顯文主編，化學(xué)工業(yè)出版社;

[2]《數(shù)控加工工藝》賀曙新 張思弟 文少波主編，化學(xué)工業(yè)出版社。