數(shù)控技術(shù)在精密零件加工中的應(yīng)用與優(yōu)化研究

訾康迪

（周口技師學(xué)院,周口 466000）

1 前言

隨著現(xiàn)代制造業(yè)的迅速發(fā)展，精密零件在各個(gè)領(lǐng)域中的重要性日益凸顯。而在精密零件的制造過(guò)程中，數(shù)控技術(shù)作為一種高效、精準(zhǔn)的加工手段，為實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量、高精度的零件生產(chǎn)提供了強(qiáng)大支持。數(shù)控技術(shù)以其靈活的加工方式、精確的控制能力以及自動(dòng)化程度高的特點(diǎn)，已經(jīng)在精密零件加工領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。它不僅提高了零件的加工精度和生產(chǎn)效率，還為制造業(yè)轉(zhuǎn)型升級(jí)、推動(dòng)工業(yè)智能化提供了重要推動(dòng)力。本文旨在深入探討數(shù)控技術(shù)在精密零件加工中的應(yīng)用與優(yōu)化研究，以期揭示數(shù)控技術(shù)在提升精密零件加工質(zhì)量和效率方面的潛力。

2 數(shù)控技術(shù)在精密零件加工中的應(yīng)用

2.1 加工過(guò)程控制

數(shù)控技術(shù)在精密零件加工中的應(yīng)用不僅極大地提高了零件加工的精度和效率，同時(shí)也為加工過(guò)程的控制提供了更高的靈活性和精確性。通過(guò)數(shù)控技術(shù)，加工過(guò)程可以實(shí)現(xiàn)更精細(xì)的控制，從而確保零件的尺寸和形狀符合設(shè)計(jì)要求。首先，數(shù)控技術(shù)通過(guò)精密的運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)，能夠精確地控制加工工具在多個(gè)坐標(biāo)軸上的運(yùn)動(dòng)軌跡和速度，實(shí)現(xiàn)復(fù)雜形狀零件的加工[1]。這種高度的運(yùn)動(dòng)控制能力使得加工過(guò)程更加穩(wěn)定，減少了操作人員的操作誤差，從而保障了零件的加工質(zhì)量。其次，數(shù)控技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)加工過(guò)程的自動(dòng)化和批量生產(chǎn)，大大提高了生產(chǎn)效率。操作人員只需編寫好加工程序并進(jìn)行適當(dāng)?shù)脑O(shè)置，數(shù)控機(jī)床便可以自動(dòng)地執(zhí)行加工過(guò)程，不僅減少了人力投入，還降低了人為因素對(duì)加工精度的影響，從而確保了零件的穩(wěn)定質(zhì)量。

2.2 工藝參數(shù)優(yōu)化

工藝參數(shù)優(yōu)化首先涉及切削速度、進(jìn)給速度和切削深度等參數(shù)的調(diào)整。通過(guò)數(shù)控技術(shù)，這些參數(shù)可以進(jìn)行精細(xì)的調(diào)節(jié)和控制，從而實(shí)現(xiàn)最佳的切削效果。合理的工藝參數(shù)可以降低切削力和溫度，減輕刀具磨損，從而延長(zhǎng)刀具的使用壽命，并保證加工零件的尺寸精度和表面質(zhì)量。

與此同時(shí)，工藝參數(shù)優(yōu)化還包括材料選擇和刀具設(shè)計(jì)方面的考慮。數(shù)控技術(shù)可以根據(jù)不同材料的物理特性和切削要求，自動(dòng)調(diào)整加工參數(shù)，以實(shí)現(xiàn)更佳的加工效果。同時(shí)，針對(duì)不同形狀和尺寸的精密零件，數(shù)控技術(shù)可以根據(jù)刀具的特性和加工路徑，進(jìn)行智能化的刀具設(shè)計(jì)，以確保加工過(guò)程的穩(wěn)定性和一致性。

2.3 表面質(zhì)量提升

數(shù)控技術(shù)在表面質(zhì)量提升方面的應(yīng)用主要體現(xiàn)在切削工藝的優(yōu)化。通過(guò)精密的切削軌跡規(guī)劃和刀具路徑控制，數(shù)控機(jī)床可以實(shí)現(xiàn)更加均勻的切削，減少表面的起伏和毛刺，從而提高表面的光滑度和平整度[2]。這種精細(xì)的切削控制不僅能夠改善零件的外觀質(zhì)量，還能夠降低后續(xù)加工的難度。數(shù)控技術(shù)在表面質(zhì)量提升中的應(yīng)用還包括先進(jìn)的冷卻與潤(rùn)滑技術(shù)。通過(guò)精確控制切削液的供應(yīng)和噴灑，可以有效降低切削區(qū)域的溫度，減少刀具磨損和零件變形的風(fēng)險(xiǎn)，從而提高表面的加工質(zhì)量。此外，適當(dāng)?shù)臐?rùn)滑和冷卻還可以減少切削過(guò)程中的摩擦和熱變形，進(jìn)一步提升表面的光滑度和精度。

更為重要的是，數(shù)控技術(shù)在表面質(zhì)量提升方面實(shí)現(xiàn)了全過(guò)程的智能監(jiān)測(cè)與控制。通過(guò)傳感器和實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，可以對(duì)加工過(guò)程中的關(guān)鍵參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，如切削力、溫度、振動(dòng)等，一旦出現(xiàn)異常情況，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)調(diào)整切削參數(shù)，以確保表面質(zhì)量的穩(wěn)定性和一致性。

3 數(shù)控技術(shù)在精密零件加工中的優(yōu)化研究

3.1 加工路徑優(yōu)化

3.1.1 最優(yōu)路徑算法

數(shù)控技術(shù)在精密零件加工中的優(yōu)化研究是現(xiàn)代制造業(yè)中的一個(gè)關(guān)鍵領(lǐng)域，旨在提高加工效率、減少生產(chǎn)成本以及提高零件質(zhì)量。在精密零件加工中，最優(yōu)路徑算法是一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)，它的主要任務(wù)是確定零件上的最佳切削路徑，以最大程度地減少加工時(shí)間、刀具磨損和能源消耗，同時(shí)確保加工質(zhì)量達(dá)到所需標(biāo)準(zhǔn)。

最優(yōu)路徑算法的核心思想是通過(guò)考慮各種因素，如切削速度、切削深度、切削軌跡等，來(lái)確定最佳的加工路徑。這些算法可以分為多種類型，包括啟發(fā)式算法、遺傳算法、模擬退火算法等。啟發(fā)式算法通過(guò)基于經(jīng)驗(yàn)和規(guī)則的方法來(lái)尋找最優(yōu)路徑，它們?cè)谔幚硇⌒土慵秃?jiǎn)單幾何形狀時(shí)通常表現(xiàn)出色。然而，對(duì)于復(fù)雜的零件和多軸加工任務(wù)，遺傳算法和模擬退火算法等元啟發(fā)式算法可能更為有效，因?yàn)樗鼈兛梢运阉鞲鼜V泛的解空間，并找到全局最優(yōu)解。

最優(yōu)路徑算法的應(yīng)用可以顯著提高精密零件加工的效率和質(zhì)量，通過(guò)選擇合適的切削路徑，可以減少切削時(shí)間和刀具磨損，降低生產(chǎn)成本。此外，最優(yōu)路徑算法還可以優(yōu)化切削力的分布，減小振動(dòng)和加工變形，從而提高零件的表面質(zhì)量和精度?？梢姡瑪?shù)控技術(shù)在精密零件加工中的優(yōu)化研究不僅有助于提高生產(chǎn)效率，還可以提高零件的競(jìng)爭(zhēng)力和市場(chǎng)價(jià)值。

3.1.2 避免共振和振動(dòng)

共振和振動(dòng)往往源于不合理的切削路徑或加工參數(shù)設(shè)置，導(dǎo)致機(jī)床和工件之間的機(jī)械振動(dòng)受到外界激勵(lì)的影響而產(chǎn)生共振效應(yīng)。這些振動(dòng)不僅降低了加工的精度和表面質(zhì)量，還可能引發(fā)零件的損壞和刀具的磨損。為了避免這些問題，數(shù)控技術(shù)在加工路徑優(yōu)化中發(fā)揮了重要作用。

加工路徑優(yōu)化可以考慮工件的幾何特性、材料性質(zhì)和切削參數(shù)等多方面因素，通過(guò)合理規(guī)劃切削路徑和避免零件的過(guò)度定位，降低機(jī)床的振動(dòng)敏感性，從而減少共振和振動(dòng)的發(fā)生。此外，數(shù)控技術(shù)還可以根據(jù)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)加工過(guò)程進(jìn)行動(dòng)態(tài)調(diào)整，及時(shí)防止振動(dòng)情況的惡化。

3.2 刀具軌跡規(guī)劃

3.2.1 刀具運(yùn)動(dòng)軌跡優(yōu)化

通過(guò)精心設(shè)計(jì)和優(yōu)化刀具的運(yùn)動(dòng)軌跡，可以顯著提高加工精度、降低能耗以及減少零件加工時(shí)間。這一優(yōu)化過(guò)程包括多方面的考慮，例如減少切削沖擊、最小化加工中的振動(dòng)和殘余應(yīng)力，以及確保刀具與工件之間的最佳接觸。

在刀具運(yùn)動(dòng)軌跡的優(yōu)化中，數(shù)學(xué)模型和算法的運(yùn)用變得尤為關(guān)鍵。通過(guò)數(shù)學(xué)建模和優(yōu)化算法，可以尋找到最佳的刀具路徑，以最小化切削力和切削溫度，從而減少工具磨損和延長(zhǎng)工具壽命。此外，考慮到工藝的可持續(xù)性，刀具軌跡的優(yōu)化也可以有助于減少材料浪費(fèi)，降低能源消耗，從而在環(huán)境和經(jīng)濟(jì)方面都具有積極的影響。

總之，刀具運(yùn)動(dòng)軌跡優(yōu)化是數(shù)控技術(shù)在精密零件加工中不可或缺的一部分，它為制造業(yè)帶來(lái)了更高的效率、更低的成本和更高的質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)。通過(guò)不斷改進(jìn)和研究刀具軌跡優(yōu)化方法，可以進(jìn)一步推動(dòng)數(shù)控技術(shù)的發(fā)展，使其在精密零件加工領(lǐng)域發(fā)揮更大的潛力。

3.2.2 避免切削過(guò)程中的干涉

由于切削干涉可能導(dǎo)致工具、工件或夾具的意外碰撞，從而造成嚴(yán)重的設(shè)備損壞、零件質(zhì)量問題以及生產(chǎn)延誤。因此，刀具軌跡規(guī)劃中的干涉檢測(cè)和避免成為保證加工成功的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。切削過(guò)程中的干涉主要包括刀具與工件干涉、刀具與夾具干涉以及工具軸向干涉。為了避免這些干涉，首先需要建立準(zhǔn)確的工件和夾具模型，以及刀具的幾何模型。這些模型可以基于CAD 數(shù)據(jù)或通過(guò)掃描測(cè)量工件來(lái)獲取，一旦建立了模型，就可以使用干涉檢測(cè)算法來(lái)分析刀具軌跡與工件、夾具以及工具軸向的關(guān)系，以識(shí)別潛在的干涉問題。

在識(shí)別了干涉問題后，可以采取一系列措施來(lái)避免干涉的發(fā)生。首先，可以通過(guò)調(diào)整刀具路徑或者改變工具的進(jìn)給方向來(lái)避免干涉；其次，可以優(yōu)化夾具設(shè)計(jì)，確保夾具不會(huì)妨礙刀具的運(yùn)動(dòng)。此外，還可以調(diào)整工件的位置或者旋轉(zhuǎn)工件，以最小化干涉的可能性。在一些情況下，可能需要采用自適應(yīng)控制策略，動(dòng)態(tài)調(diào)整刀具軌跡以避免干涉。

3.3 自適應(yīng)控制方法

3.3.1 動(dòng)態(tài)切削參數(shù)調(diào)整

動(dòng)態(tài)切削參數(shù)調(diào)整旨在根據(jù)實(shí)時(shí)的加工情況，自動(dòng)調(diào)整切削參數(shù)，以適應(yīng)加工過(guò)程中的變化。數(shù)控技術(shù)通過(guò)傳感器、監(jiān)測(cè)裝置等實(shí)時(shí)獲取加工數(shù)據(jù)，然后根據(jù)自適應(yīng)控制算法，對(duì)切削參數(shù)如切削速度、進(jìn)給速度等進(jìn)行實(shí)時(shí)調(diào)整，以保持加工過(guò)程的穩(wěn)定性和精度。

自適應(yīng)控制方法在動(dòng)態(tài)切削參數(shù)調(diào)整中的應(yīng)用，不僅能夠適應(yīng)零件材料、刀具磨損、加工環(huán)境等因素的變化，還可以針對(duì)不同工件的特性進(jìn)行優(yōu)化。通過(guò)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和反饋，自適應(yīng)控制方法能夠在加工過(guò)程中快速識(shí)別潛在問題，如振動(dòng)、共振等，并迅速作出相應(yīng)的切削參數(shù)調(diào)整，避免加工質(zhì)量的下降。

3.3.2 實(shí)時(shí)監(jiān)控與反饋控制

實(shí)時(shí)監(jiān)控與反饋控制的核心在于通過(guò)傳感器和監(jiān)測(cè)裝置，實(shí)時(shí)獲取加工過(guò)程中的關(guān)鍵數(shù)據(jù)，如切削力、溫度、振動(dòng)等，然后將這些數(shù)據(jù)反饋給數(shù)控系統(tǒng)，進(jìn)行實(shí)時(shí)調(diào)整和控制。這種反饋控制能夠在加工過(guò)程中不斷調(diào)整切削參數(shù)，使其始終保持在最佳狀態(tài)，從而實(shí)現(xiàn)加工的高精度和高質(zhì)量。

在精密零件加工中，實(shí)時(shí)監(jiān)控與反饋控制能夠迅速識(shí)別潛在問題，如刀具磨損、工件變形等，及時(shí)采取措施進(jìn)行調(diào)整，避免加工質(zhì)量的下降。此外，還可以有效地避免共振和振動(dòng)現(xiàn)象的發(fā)生，保障加工過(guò)程的穩(wěn)定性和安全性。

4 案例分析：數(shù)控車床加工軸承座零件

4.1 案例背景

此工程項(xiàng)目需要生產(chǎn)一種軸承座零件，用于支撐機(jī)械系統(tǒng)中的旋轉(zhuǎn)軸。這個(gè)零件對(duì)精度和質(zhì)量要求很高，因此采用數(shù)控車床進(jìn)行加工。

4.2 準(zhǔn)備工作

在開始加工之前，首先需要準(zhǔn)備以下內(nèi)容：零件圖紙和CAD 模型。

材料：選擇適合的金屬材料；

刀具：根據(jù)零件形狀和材料特性選擇合適的刀具；

刀具路徑規(guī)劃：通過(guò)CAM軟件生成數(shù)控刀具路徑。

4.3 數(shù)控編程

使用CAM軟件，根據(jù)零件圖紙和刀具路徑規(guī)劃，編寫數(shù)控程序。

程序包括：刀具選擇和刀具參數(shù)設(shè)置；

加工路徑：定義切削路徑、進(jìn)給速率、切削深度等；

補(bǔ)償：考慮刀具半徑補(bǔ)償、補(bǔ)償方向等。

4.4 數(shù)控機(jī)床設(shè)置

將編寫好的數(shù)控程序加載到數(shù)控車床控制系統(tǒng)中，并進(jìn)行機(jī)床設(shè)置。

定位工件：將工件正確固定在車床上，并用傳感器進(jìn)行定位；

刀具裝夾：安裝并調(diào)整刀具，確保刀具與工件對(duì)齊；

工件坐標(biāo)系設(shè)置：設(shè)置工件坐標(biāo)系原點(diǎn)，以確保加工路徑的準(zhǔn)確性。

4.5 加工過(guò)程

加工過(guò)程中，數(shù)控車床按照預(yù)先設(shè)定的數(shù)控程序進(jìn)行加工：

自動(dòng)操作：數(shù)控車床自動(dòng)執(zhí)行編寫好的刀具路徑，完成精密切削；

實(shí)時(shí)監(jiān)控：監(jiān)控加工過(guò)程中的刀具狀態(tài)、工件位置等，確保加工質(zhì)量。

4.6 在線監(jiān)測(cè)與調(diào)整

在加工過(guò)程中，一些傳感器和監(jiān)測(cè)系統(tǒng)可以實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)切削力、振動(dòng)等情況，如果出現(xiàn)異常，系統(tǒng)可以自動(dòng)調(diào)整切削參數(shù)，避免加工質(zhì)量下降。

4.7 加工完成

一旦加工完成，數(shù)控車床會(huì)停止運(yùn)行，工件可以取下進(jìn)行后續(xù)處理（如清潔、測(cè)量等）。

4.8 質(zhì)量檢驗(yàn)

最后，通過(guò)測(cè)量設(shè)備檢查加工后的零件尺寸和表面質(zhì)量，確保其滿足要求。

通過(guò)這個(gè)案例，可以看到數(shù)控技術(shù)在精密零件加工中的應(yīng)用過(guò)程：從準(zhǔn)備工作、數(shù)控編程，到機(jī)床設(shè)置、實(shí)際加工，再到在線監(jiān)測(cè)和質(zhì)量檢驗(yàn)。數(shù)控技術(shù)在這個(gè)過(guò)程中起到了關(guān)鍵作用，提高了加工的精度、效率和一致性，從而實(shí)現(xiàn)了高質(zhì)量的零件生產(chǎn)。

5 結(jié)論

在精密零件加工領(lǐng)域，數(shù)控技術(shù)以其精準(zhǔn)、高效的特點(diǎn)得到廣泛應(yīng)用，顯著提升了加工質(zhì)量和效率，這為制造業(yè)提供了強(qiáng)大的技術(shù)支持，推動(dòng)了精密零件制造向更高水平發(fā)展，促進(jìn)了制造業(yè)的可持續(xù)創(chuàng)新和競(jìng)爭(zhēng)力提升。