非單調(diào)軸類零件的數(shù)控加工工藝研究

唐毅青

內(nèi)江師范學(xué)院 經(jīng)濟與管理學(xué)院，四川內(nèi)江，641112

0 引言

隨著機械生產(chǎn)制造類企業(yè)的不斷發(fā)展，基礎(chǔ)零部件的加工模式呈現(xiàn)高精度、高效率的需求。數(shù)控加工工藝的應(yīng)用及實現(xiàn)，通過數(shù)控機床對部件進行一體化、智能化加工，刀具選取程序設(shè)定以及切削用量參數(shù)設(shè)定，能夠保證零部件在生產(chǎn)加工過程中的可靠性，防止出現(xiàn)加工誤差的問題。對于非單調(diào)軸類零件加工來講，此類數(shù)控加工工藝的實現(xiàn)機理較為復(fù)雜，需針對不同加工模式進行分析，合理選取刀具，確保換刀以及走刀的過程中不會產(chǎn)生誤差現(xiàn)象，保證零部件在加工生產(chǎn)期間，不同軸距以及直徑的尺寸加工是符合零件預(yù)期設(shè)計訴求的，真正從工藝路線選取、刀具選取以及加工方式選取方面形成固定基準(zhǔn)，提高生產(chǎn)精度。本文則是針對非單調(diào)軸類零件的數(shù)控加工工藝進行探討，僅供參考。

1 數(shù)控加工工藝方法及原則

1.1 數(shù)控加工工藝方法

（1）局部分散標(biāo)注法。數(shù)控加工作為機械化、自動化加工的一種形式，其借助數(shù)控加工機床以及程序軟件等，完成對既定加工軌跡的處理。但是在此過程中，如果加工方法選取不當(dāng)，極易在后期部件精細(xì)化測定過程中存在較高的誤差。局部分散標(biāo)注法在數(shù)控編程中的實現(xiàn)，采取多個引注標(biāo)線的形式，完成對既定坐標(biāo)、既定尺寸的測量。在零件設(shè)計圖中，通過點、線、面等，對各類編程程序設(shè)定基準(zhǔn)點，保證后續(xù)加工過程中不會因為模塊化的加工組成產(chǎn)生誤差。但是此類技術(shù)方法在實現(xiàn)時需要保證前期設(shè)計、中期工藝實現(xiàn)以及編程原點之間具有可協(xié)調(diào)性，才可在設(shè)計與實際加工期間找到均衡點，防止出現(xiàn)加工誤差[1]。

（2）簡單刀路法。簡單刀路法是采用X軸與Y軸的形式，在0°與90°的方向?qū)α悴考M行切削處理，此類路徑的選取是按照刀具進給方向作為切入邊，在夾具夾取以及刀具進給期間，降低因輪廓外表面區(qū)域而產(chǎn)生的誤差。如果在實際加工期間，軸類部件本身不存在輪廓誤差時，則可以將零部件的一個邊緣區(qū)域置于X軸或許Y軸上，刀路在路徑選擇過程中，將呈現(xiàn)單一走向，便于操控，提高數(shù)據(jù)原點與數(shù)據(jù)軌跡之間的對接性。

1.2 數(shù)控加工工藝設(shè)計原則

（1）劃分工序。數(shù)控加工工藝具有繁瑣性與模塊性特征，需針對材料部件的尺寸參數(shù)及其具體加工形式進行分析，保證每一項數(shù)據(jù)信息在加工程序中進行表示時，可按照不同類別的加工方式進行測定處理。集中劃分工序原則通過對整項工序的模塊化劃分處理，增加其具體施工及加工方案的基準(zhǔn)定值。例如，在零部件加工期間，不同部件屬性、粗細(xì)、長度尺寸標(biāo)注等方面存在差異的問題，決定著零部件需要先進行磨角處理、粗加工處理，然后再進行精加工處理。此部分則可作為一個加工基準(zhǔn)，并對其進行后續(xù)施工工藝的一個參數(shù)考量，在實際加工過程中，通過模塊化測定，保證每一項技術(shù)參數(shù)的應(yīng)用不會產(chǎn)生變形問題，提高零部件的加工精度及剛性。與此同時，零部件安裝過程中，也應(yīng)做好配合形式，即零部件先加工哪一部分、然后加工哪一部分，確保零部件在加工與裝夾的過程中，不會因為部件自身承受性的問題造成外力損耗的現(xiàn)象，提高整個加工過程中的穩(wěn)固性[2]。

（2）設(shè)計工藝。設(shè)計工藝原則是指在加工過程中，將設(shè)計形式與加工參數(shù)進行精準(zhǔn)對接，保證部件在不同加工工藝下可以符合基準(zhǔn)設(shè)定。通常情況下，一個零件在加工過程中，需通過不同部件配合才可完成對零部件基礎(chǔ)屬性的契合。對此，零部件加工及組裝過程中必須符合一定精度，避免因為公差值較大產(chǎn)生部件組合松動的問題。在此期間，數(shù)控加工工藝設(shè)計工藝原則保證每一項零部件的精度調(diào)控功能，通過指標(biāo)數(shù)據(jù)的核定，使零部件在加工期間一次成型，且在二次組裝過程中不會因為前期零部件誤差產(chǎn)生松動現(xiàn)象。設(shè)計工藝需針對零部件進行深度切削、粗加工與精加工相結(jié)合的形式，借助先近后遠的原則，對部件刀口距離以及進刀量等進行測定，保證零部件生產(chǎn)制作過程中的精度。

2 非單調(diào)軸類零件加工工藝分析

2.1 刀具選擇

刀具作為數(shù)控加工過程中的主體驅(qū)動裝置，刀具類型、刀具精度的選取直接決定數(shù)控加工工藝的精確度。期間，數(shù)控刀具應(yīng)具備較強的溫度抗性以及耐摩擦屬性，確保在長時間驅(qū)動過程中，不會因為刀具與零部件之間的摩擦問題造成刀具本身耗用現(xiàn)象。與此同時，刀具應(yīng)當(dāng)具備切屑與排屑功能，通過調(diào)整角度以及使用方法，完成對零部件自身的切削處理。例如，大偏角刀具主要是應(yīng)用于平面或者是圓弧面等，從工藝驅(qū)動角度來講，此類刀具的使用則可以有效規(guī)避因為圓弧切削時而產(chǎn)生的進給量過深現(xiàn)象。在部分內(nèi)孔加工工藝中，則應(yīng)選取相對應(yīng)的鏜刀刀具，在進行內(nèi)孔加工時，刀具刀桿應(yīng)當(dāng)為固定值，且不得過長，因為刀具在切削的過程中，刀具頭部與刀具裝夾裝置之間如果距離較大，在外部受力的作用下，將產(chǎn)生刀頭終端振蕩問題，產(chǎn)生較高誤差，不利于精度加工[3]。

2.2 裝夾方式選擇

裝夾工藝是指針對待夾零部件進行裝夾處理，此類裝夾工藝直接決定后期坐標(biāo)系及相關(guān)加工原點的數(shù)據(jù)值確定基準(zhǔn)。在實際加工期間，對刀點按照坐標(biāo)系原點驅(qū)動的位置進行進刀，對于編程來講，則應(yīng)測定裝夾零部件的空間位置，在編程期間將刀具的進給深度及進給速度進行路徑編設(shè)，保證刀具在最短時間內(nèi)完成高質(zhì)量切削。期間，對刀點設(shè)置，應(yīng)盡量遵循程序簡化與數(shù)值優(yōu)化的原則，防止出現(xiàn)刀具落點誤差問題。

2.3 切削量選擇

切削量是對零部件進行粗加工或精加工時刀具的切入深度，此過程中進給量數(shù)值的確定是保證加工工序在幾次循環(huán)周期下可以獲得精密部件的重要前提。但是在切削量設(shè)定過程中，應(yīng)綜合考慮到各類加工工藝或者進給深度值等，是否符合零部件的精度訴求，如果切削量過大，則極易產(chǎn)生吃刀的現(xiàn)象，而如果進給切削量不足，則需增加切削的循環(huán)周期，在一定程度上提高了生產(chǎn)制作成本。對此，在數(shù)控加工過程中應(yīng)針對材料以及刀具、加工場景等進行分析，確保加工工藝的穩(wěn)定性及持續(xù)性。

2.4 切削速度與進給速度選擇

切削速度與進給速度作為數(shù)控加工工藝中的一項重要參數(shù)，其本身是以最大切削速度以及刀具應(yīng)力承受極限值為核心確定切削速度以及進給速度。例如，加工材料為銅材料部件時，粗加工參數(shù)應(yīng)為維系在500r/min，精加工則應(yīng)在700r/min。在對進給速度進行擇取時，主要是以經(jīng)濟量及零部件表面的粗糙度為基準(zhǔn)，實現(xiàn)對刀具或者是材料的屬性界定，確保進給速度與零部件加工精度之間的關(guān)聯(lián)性。

2.5 數(shù)控加工的注意事項

數(shù)控加工工藝具有一定的繁瑣性與綜合性，在前期必須做好相應(yīng)的準(zhǔn)備工作，保證每一項不同指令操控及其驅(qū)動形式是符合實際加工需求的。（1）應(yīng)針對數(shù)控加工進行準(zhǔn)備處理，例如，各類數(shù)據(jù)參數(shù)分析，包含刀具類型、切削速度、進給速度以及裝夾類型，保證每一項加工過程之間的銜接性，確保零部件以最短的時間實現(xiàn)最優(yōu)質(zhì)的加工[4]。（2）針對數(shù)控機床進行定期運維處理，因為機床在運行過程中本身屬于一個持續(xù)性的損耗狀態(tài)，內(nèi)部刀具或者是裝夾結(jié)構(gòu)等均將產(chǎn)生不同程度的耗損，如果基礎(chǔ)架構(gòu)存在問題，將增加加工誤差，產(chǎn)生參數(shù)不對接的現(xiàn)象。對于此，必須進行定期的運維處理，保證數(shù)控加工中心運行的穩(wěn)定性。（3）在實際加工生產(chǎn)方面，應(yīng)綜合界定當(dāng)前驅(qū)動參數(shù)與實際加工之間呈現(xiàn)出的關(guān)系值，實時檢測系統(tǒng)驅(qū)動過程中是否按照既定程序執(zhí)行。當(dāng)然，此類智能驅(qū)動模式可起到預(yù)警調(diào)控的作用，但是生產(chǎn)加工期間，極易產(chǎn)生不可預(yù)見性的問題。對此，應(yīng)加強對機械生產(chǎn)制造環(huán)境的監(jiān)測，確保數(shù)控加工生產(chǎn)的穩(wěn)定性。

3 非單調(diào)軸類零件的數(shù)控加工工藝實例

如圖1所示，為非單調(diào)軸類零件的加工實例，零件為50鋼材質(zhì)，在生產(chǎn)加工中無需考慮熱處理工藝。從外結(jié)構(gòu)分析，零件由圓柱、曲面、螺紋等組成，在直徑變化區(qū)域，對操控精度提出更高要求。若以右端曲線為加工位置，則曲面的加工參數(shù)應(yīng)考慮到變量與自變量之間的關(guān)系，即為

圖1 非單調(diào)軸類零件尺寸參數(shù)

3.1 數(shù)控加工路線設(shè)計

待加工部件的裝夾形式如圖2所示，先夾住曲面位置，車削左側(cè)圓柱端面。車左端，軌跡從O至A，在外部車削循環(huán)時采用G71，精細(xì)加工時采用G70，中部螺紋加工時采用G92。待加工完圓柱表面時，調(diào)換裝夾工序，如圖3所示。裝夾固定端為直徑24mm的圓柱部位，可以承受更高的切削力，防止出現(xiàn)形變問題。利用外圓車刀，從E到A執(zhí)行切削工藝，期間應(yīng)注意D到B的轉(zhuǎn)換，因為C點加工過渡時，可能產(chǎn)生干預(yù)問題（經(jīng)計算，C點加工時最小副偏角應(yīng)大于30°，才可規(guī)避干預(yù)問題，測定C點的實際加工角為62°，故不存在加工問題），與圓柱加工模式相比，在外車粗加工中以G73為主，在精車加工中以G70為主。

圖2 左端加工

圖3 右端加工

3.2 刀具選取工藝

考慮到刀具切削過程中可能產(chǎn)生的過切問題，則應(yīng)選取大于30°的刀具。加工工藝分為粗加工與精加工兩部分，刀具型號與質(zhì)量應(yīng)當(dāng)滿足基礎(chǔ)加工訴求，經(jīng)過計算，最終選擇涂層刀片，尖角半徑為0.2mm。同時，在精加工期間，應(yīng)添設(shè)刀補工序，防止出現(xiàn)實際加工軌跡與預(yù)期加工軌跡不符的問題，提高加工精度[5]。

3.3 數(shù)控加工程序編寫

如下：

O0002; 程序名

G40 G99 G21; 程序開始

M03 S600;

T0202; 選擇刀具

G00 X32.0 Z5.0;

G73 U13.W0R5.;

G73 P1 Q4 U0.5.W0.F0.1;

N1 G01 X0 Z0 F0.1; 宏程序起點

#1 = 0;

#2 = 0; 步長值

N2 IF［#1GE-4.8］GOTO 3; 條件判斷

#2 = * SQRT［-30#1］/; 由曲線公式推導(dǎo)出，SQRT 為開平方

G01 X［2* #2］Z［#1］; 加工曲線

#1 = #1GOTO 2-0.1;

GOTO 1;

N3 G03 X15.W-6.R12.;

G01W-5.;

G02X21.W-3.R3;

N4 G01X23.;

G70 P1 Q4 F0.05 S800;

G00 X80.0 Z80.0;

M30; 程序結(jié)束

外螺紋切削加工期間，考慮到螺紋精度，需在切削期間給予一個循環(huán)余量，為1mm，在第二切削時，循環(huán)余量為0.7mm，第三次為0.25mm，第四次為0mm，這樣才可保證螺紋加工是符合工藝指標(biāo)的，數(shù)控加工程序如下：

T0303；

M03 S800；

G00 X30 Z3；

G92 X23 Z-20 F1.5；

X22.3；

X22.05；

X22.05；

G00 X200 Z200；

M05；

4 結(jié)語

綜上所述，非單調(diào)軸類零件在加工過程中，由于零部件自身的繁瑣性，在加工工藝擇取過程中，應(yīng)綜合分析不同驅(qū)動場景下零部件的組合模式，合理選定零部件的加工形式，提高加工精度。未來發(fā)展中，工業(yè)研發(fā)體系應(yīng)加強對數(shù)控加工工藝的研發(fā)，深度分析不同驅(qū)動場景下，技術(shù)工藝、數(shù)控設(shè)備與機械產(chǎn)品制造之間的關(guān)系，穩(wěn)固基礎(chǔ)生產(chǎn)鏈條，為企業(yè)創(chuàng)收更多的經(jīng)濟效益。