數(shù)控機械加工全面解析

一、數(shù)控機械加工的基礎(chǔ)概念

數(shù)控機械加工是一種借助數(shù)字化信息對機械運動及加工過程實施控制的方法。在現(xiàn)代化制造領(lǐng)域，它扮演著極為關(guān)鍵的角色。與傳統(tǒng)機械加工相比，數(shù)控機械加工具備高精度、高效率、高自動化等顯著優(yōu)勢。傳統(tǒng)加工方式依賴工人的經(jīng)驗和手動操作，不僅精度難以保證，而且生產(chǎn)效率較低。而數(shù)控機械加工通過預先編制好的程序來控制機床的運動和加工過程，能夠?qū)崿F(xiàn)精確的尺寸控制和復雜形狀的加工。例如，在航空航天領(lǐng)域，對于一些高精度的零部件，如發(fā)動機葉片，其形狀復雜，精度要求極高，傳統(tǒng)加工方法很難滿足要求，而數(shù)控機械加工則可以輕松應對。

數(shù)控機械加工系統(tǒng)主要由數(shù)控裝置、伺服系統(tǒng)、機床主體和輔助裝置等部分構(gòu)成。數(shù)控裝置是整個系統(tǒng)的核心，它負責接收和處理輸入的程序指令，并將其轉(zhuǎn)化為機床各坐標軸的運動指令。伺服系統(tǒng)則根據(jù)數(shù)控裝置發(fā)出的指令，精確控制機床各坐標軸的運動，確保加工精度。機床主體是進行實際加工的部分，包括床身、主軸、進給機構(gòu)等。輔助裝置則為機床的正常運行提供必要的支持，如冷卻系統(tǒng)、潤滑系統(tǒng)等。

二、數(shù)控機械加工的工藝要素

切削參數(shù)對加工的影響

切削參數(shù)主要包括切削速度、進給率和背吃刀量。這些參數(shù)對切削溫度、切削力和刀具耐用度有著重要影響。切削速度對切削溫度的影響最為顯著，隨著切削速度的提高，切削溫度會迅速上升。進給率和背吃刀量的增加也會使切削溫度升高，但相對切削速度而言，影響程度較小。在切削力方面，背吃刀量對切削力的影響最大，當背吃刀量增大一倍時，切削力也會增大一倍。進給率增大一倍時，切削力大概增大70%，而切削速度增大一倍時，切削力逐漸減小。刀具耐用度同樣受到切削參數(shù)的影響，切削速度越高，刀具磨損越快，耐用度越低。進給率和背吃刀量的增加也會使刀具磨損加劇，但相對切削速度而言，影響程度較小。

刀具的選擇與應用

刀具的選擇是數(shù)控機械加工中的重要環(huán)節(jié)，直接影響加工質(zhì)量和效率。不同的加工材料和加工要求需要選擇不同類型的刀具。例如，對于金屬材料的加工，常用的刀具有硬質(zhì)合金刀具、高速鋼刀具等。硬質(zhì)合金刀具具有高硬度、高耐磨性和良好的熱穩(wěn)定性，適用于高速切削和粗加工。高速鋼刀具則具有較好的韌性和切削性能，適用于低速切削和精加工。在刀具的應用方面，要注意刀具的幾何參數(shù)和刃磨質(zhì)量。刀具的幾何參數(shù)包括前角、后角、主偏角等，這些參數(shù)會影響切削力、切削溫度和加工表面質(zhì)量。刃磨質(zhì)量則直接影響刀具的切削性能和耐用度，因此要定期對刀具進行刃磨和檢查。

工件材料的特性

工件材料的特性對數(shù)控機械加工也有著重要影響。不同的材料具有不同的硬度、強度、韌性和切削加工性。例如，鋁合金材料具有密度小、強度高、切削加工性好等優(yōu)點，是航空航天、汽車等領(lǐng)域常用的材料。但鋁合金材料的硬度較低，容易產(chǎn)生粘刀現(xiàn)象，因此在加工時需要選擇合適的刀具和切削參數(shù)。鋼鐵材料則具有較高的硬度和強度，切削加工性相對較差，需要采用較大的切削力和較低的切削速度。在加工工件材料時，要充分考慮其特性，選擇合適的加工工藝和刀具，以提高加工質(zhì)量和效率。

三、數(shù)控機械加工的對刀方法

對刀的原理與目的

對刀是數(shù)控加工中的主要操作和重要技能。其目的是為了建立工件坐標系，確定工件在機床工作臺中的位置。在數(shù)控車床上，加工前首先要選擇對刀點，對刀點可以設(shè)在工件上，也可以設(shè)在夾具或機床上，但必須與工件的定位基準保持一定精度的尺寸關(guān)系。對刀時，要使刀位點與對刀點重合，刀位點是指刀具的定位基準點，對于車刀來說，其刀位點是刀尖。通過對刀操作，可以確定對刀點在機床坐標系中的絕對坐標值，測量刀具的刀位偏差值。對刀點找正的準確度直接影響加工精度。在使用多把刀具進行加工時，還需要利用機床數(shù)控系統(tǒng)的刀具幾何位置補償功能，補償不同刀具之間的位置偏差。

常見的對刀方法

數(shù)控加工中常見的對刀方法有試切法、對刀儀對刀和自動對刀等。試切法是一種簡單方便的對刀方法，但會在工件表面留下切削痕跡，且對刀精度較低。對刀儀對刀則可以提高對刀精度，減少對刀時間，但設(shè)備成本較高。自動對刀是一種先進的對刀方法，它可以實現(xiàn)刀具的自動測量和補償，提高加工效率和精度。不同的對刀方法適用于不同的加工場合和要求，在實際應用中要根據(jù)具體情況選擇合適的對刀方法。

四、數(shù)控機械加工的操作流程

開機準備

機床在每次開機或按急停復位后，首先要回機床參考零位，使機床對其以后的操作有一個基準位置。回零操作可以確保機床的坐標軸回到初始位置，為后續(xù)的加工操作提供準確的定位。在回零過程中，要注意觀察機床的運行狀態(tài)，確保回零操作的順利進行。

裝夾工件

工件裝夾前要先清潔好各表面，不能粘有油污、鐵屑和灰塵，并用銼刀或油石去掉工件表面的毛刺。裝夾用的等高鐵要經(jīng)磨床磨平各表面，使其光滑、平整。碼鐵、螺母要堅固，能可靠地夾緊工件。對于一些難裝夾的小工件，可直接夾緊在虎鉗上。機床工作臺應清潔干凈，無鐵屑、灰塵、油污。墊鐵一般放在工件的四角，對跨度過大的工件需要在中間加放等高墊鐵。裝夾工件時，要根據(jù)編程作業(yè)指導書的裝夾擺放方式，考慮避開加工的部位和在加工中刀頭可能碰到夾具的情況。工件擺放在墊鐵上以后，要根據(jù)圖紙要求對工件基準面進行拉表，對于已經(jīng)六面都磨好的工件要校檢其垂直度是否合格。工件拉表完畢后一定要擰緊螺母，以防止裝夾不牢固而使工件在加工中移位的現(xiàn)象，再拉表一次，確定夾緊好后誤差不超差。

工件碰數(shù)

對裝夾好的工件可利用碰數(shù)頭進行碰數(shù)定加工參考零位，碰數(shù)頭可用光電式和機械式兩種。方法有分中碰數(shù)和單邊碰數(shù)兩種。分中碰數(shù)時，光電式靜止，機械式轉(zhuǎn)速450 - 600rpm。通過碰數(shù)操作，可以確定工件的加工參考零位，為后續(xù)的加工編程提供準確的位置信息。

編程與輸入程序

根據(jù)工件的加工要求和工藝參數(shù)，編寫數(shù)控加工程序。編程時要考慮刀具的路徑、切削參數(shù)、加工順序等因素。編寫好的程序可以通過手動輸入或通過計算機傳輸?shù)綑C床的數(shù)控裝置中。在輸入程序時，要仔細檢查程序的正確性，確保程序能夠準確控制機床的運動和加工過程。

加工過程監(jiān)控

在加工過程中，要密切監(jiān)控機床的運行狀態(tài)和加工質(zhì)量。觀察機床的各坐標軸運動是否正常，切削聲音是否平穩(wěn)，鐵屑排出情況是否良好等。同時，要定期測量工件的尺寸和形狀，檢查加工精度是否符合要求。如果發(fā)現(xiàn)問題，要及時調(diào)整切削參數(shù)或采取其他措施進行解決。

加工結(jié)束與清理

加工結(jié)束后，要及時清理機床和工件。將刀具從機床中取出，清理機床的刀庫和主軸。清理機床工作臺上的鐵屑和油污，保持機床的清潔。對加工好的工件進行清洗和防銹處理，確保工件的質(zhì)量。同時，要對機床進行定期的維護和保養(yǎng)，延長機床的使用壽命。

五、數(shù)控機械加工的質(zhì)量控制

影響加工質(zhì)量的因素

影響數(shù)控機械加工質(zhì)量的因素有很多，主要包括機床精度、刀具性能、切削參數(shù)、工件材料和加工工藝等。機床精度是保證加工質(zhì)量的基礎(chǔ)，機床的定位精度、重復定位精度、運動精度等都會影響工件的加工精度。刀具性能直接影響切削力、切削溫度和加工表面質(zhì)量，刀具的磨損和破損會導致加工精度下降。切削參數(shù)的選擇不當會使切削力過大、切削溫度過高，從而影響加工質(zhì)量。工件材料的特性不同，其加工性能也不同，會對加工質(zhì)量產(chǎn)生影響。加工工藝的合理性也會影響加工質(zhì)量，如加工順序、裝夾方式等。

質(zhì)量檢測方法

為了保證數(shù)控機械加工質(zhì)量，需要采用有效的質(zhì)量檢測方法。常見的質(zhì)量檢測方法有尺寸測量、形狀誤差測量、表面粗糙度測量等。尺寸測量可以使用卡尺、千分尺、三坐標測量儀等工具，測量工件的長度、直徑、厚度等尺寸。形狀誤差測量可以使用圓度儀、圓柱度儀、輪廓儀等設(shè)備，測量工件的圓度、圓柱度、直線度等形狀誤差。表面粗糙度測量可以使用表面粗糙度儀，測量工件表面的粗糙度。通過定期對工件進行質(zhì)量檢測，可以及時發(fā)現(xiàn)加工過程中存在的問題，采取相應的措施進行調(diào)整和改進。

質(zhì)量改進措施

針對影響加工質(zhì)量的因素，可以采取相應的質(zhì)量改進措施。提高機床精度可以通過定期對機床進行維護和保養(yǎng)，調(diào)整機床的精度參數(shù)，更換磨損的零部件等方式來實現(xiàn)。優(yōu)化刀具性能可以選擇合適的刀具材料和幾何參數(shù)，定期對刀具進行刃磨和更換。合理選擇切削參數(shù)可以通過試驗和優(yōu)化，確定最佳的切削速度、進給率和背吃刀量。改進工件材料的加工性能可以通過對材料進行預處理，如熱處理等。優(yōu)化加工工藝可以調(diào)整加工順序、改進裝夾方式等。通過不斷地采取質(zhì)量改進措施，可以提高數(shù)控機械加工的質(zhì)量和效率。

六、數(shù)控機械加工的發(fā)展趨勢

智能化發(fā)展

隨著人工智能技術(shù)的不斷發(fā)展，數(shù)控機械加工正朝著智能化方向發(fā)展。智能化的數(shù)控加工系統(tǒng)可以實現(xiàn)自動編程、自動調(diào)整切削參數(shù)、自動診斷故障等功能。例如，通過人工智能算法對加工過程進行實時監(jiān)測和分析，系統(tǒng)可以自動調(diào)整切削參數(shù)，以提高加工質(zhì)量和效率。同時，智能化的數(shù)控加工系統(tǒng)還可以實現(xiàn)遠程監(jiān)控和操作，方便管理人員對生產(chǎn)過程進行實時管理和控制。

高速高精度加工

高速高精度加工是數(shù)控機械加工的重要發(fā)展趨勢之一。隨著航空航天、汽車、電子等行業(yè)的不斷發(fā)展，對零部件的加工精度和生產(chǎn)效率提出了更高的要求。高速高精度加工可以提高加工效率，減少加工時間，同時保證加工精度。為了實現(xiàn)高速高精度加工，需要采用高速主軸、高性能的伺服系統(tǒng)和先進的刀具技術(shù)等。

復合加工技術(shù)

復合加工技術(shù)是將多種加工工藝集成在一臺機床上，實現(xiàn)一次裝夾完成多個工序的加工。復合加工技術(shù)可以減少工件的裝夾次數(shù)，提高加工精度和生產(chǎn)效率。例如，車銑復合加工可以在一臺機床上實現(xiàn)車削和銑削加工，減少了工件在不同機床之間的搬運和裝夾時間。復合加工技術(shù)的發(fā)展將使數(shù)控機械加工更加高效、靈活。

綠色加工

綠色加工是指在加工過程中，采用環(huán)保型的加工工藝和設(shè)備，減少對環(huán)境的污染和資源的浪費。隨著人們環(huán)保意識的不斷提高，綠色加工已成為數(shù)控機械加工的發(fā)展趨勢之一。綠色加工可以采用干式切削、微量潤滑切削等環(huán)保型的切削技術(shù)，減少切削液的使用。同時，還可以采用節(jié)能型的機床設(shè)備，降低能源消耗。

數(shù)控機械加工在現(xiàn)代制造業(yè)中具有重要的地位和作用。通過深入了解數(shù)控機械加工的基礎(chǔ)概念、工藝要素、操作流程、質(zhì)量控制和發(fā)展趨勢等方面的知識，可以提高數(shù)控機械加工的質(zhì)量和效率，推動制造業(yè)的發(fā)展。未來，隨著科技的不斷進步，數(shù)控機械加工將朝著智能化、高速高精度、復合加工和綠色加工等方向不斷發(fā)展，為制造業(yè)的轉(zhuǎn)型升級提供有力支持。