试论数控机床对机械加工工艺规程的影响

试论数控机床对机械加工工艺规程的影响

高亮

中国航发哈尔滨东安发动机有限公司黑龙江省哈尔滨市150060

摘要：随着数控技术的发展，生产力，数控机床的加工精度和生活提出了更高的要求，传统的机械结构的缺点暴露无疑，一些结构甚至限制数控高新技术的性能，这是一个重大区别现代数控机床和普通机床机械结构。数控机床主轴驱动系统和进给驱动系统，分别采用交流、直流主轴电机和伺服电机直接驱动，这两种电机调速范围大，并可无级调速，使主轴箱、进给齿轮箱和驱动系统大大简化。传动链大大缩短，齿轮、轴承和轴的数目大大减少。即使没有齿轮，电机也直接驱动主轴或进给滚珠丝杠，传动精度提高了一个尺寸级。

关键词：数控机床；机械加工工艺；影响

数控技术的出现使传统的加工方式发生了很大的变化，数控机床技术可以使加工质量高、效率高。此外，数控机床技术与传统零件加工技术在加工工艺上也存在较大的差异。

一、概述

数控机床是按照预先编好的程序进行加工的，在加工过程中不需要人工干预，数控机床的结构要求精密、完善且能长时间稳定可靠地工作，以满足重复加工的需要。随着数控技术的发展，对数控机床的生产率、加工精度和寿命提出了更高的要求，因此传统机床结构上的缺点暴露无疑，有些结构甚至限制了数控高技术高性能的发挥，因此现代数控机床在机械结构与普通机床存在着显著差异。数控机床的主轴驱动系统和进给驱动系统，分别采用交流、直流主轴电动机和伺服电动机直接驱动，这两类电动机调速范围大，并可无级变速，因此使主轴箱、进给变速箱及传动系统大为简化，传动链大大缩短，齿轮、轴承、轴的结构数量大为减少，甚至不用齿轮，由电机直接驱动主轴或进给滚珠丝杆，传动精度上升了一个量纲的级别。数控机床常有配有自动换刀装置、回转工作台（实现分度转位、圆周进给）、工件交换系统、对刀装置、排屑装置等，柔性制造系统还配有自动上下料系统等。数控加工所用的数控机床及其以整体硬质合金、可转位刀具为代表的技术一起构成了金属切削发展史上的一次重要变革，数控技术给传统的机械加工带来了革命性的变化，引领机械加工向着高质量、高效率方向前进，产生了与传统零件加工工艺方法明显不同的数控加工新工艺。

二、数控车床对工艺规程的改变

数控车床的主传动系统一般采用交流主轴电动机，通过同步带传动或主轴箱内2～4级齿轮换档传动主轴，主轴电动机在额定转速时可输出全部功率和最大转矩，随着转速的变化，功率和转矩将发生变化；也有的主轴由交流调速电动机通过两级塔轮直驱，并由电气系统无级调速，由于主传动链没有齿轮，噪声很小。数控车床主传动由电气系统按程序指令自动控制变速及换向，变速及换向无需停车，为工序集成提供了基础保证。比如粗精加工可集中工序，传统机床加工因为粗精加工转速不同，需要停车变速导致工序划断；再如内外轮廓加工与切槽、车螺纹可集中工序，传统机床加工因为各工艺转速不同，且要换刀，必须停车调整导致工序划断。数控车床没有传统的进给箱和交换齿轮架，它是直接采用伺服电动机经滚珠丝杠，传到滑板和刀架，实现Z向（纵向）和X向（横向）进给运动，数控车床所用的伺服电动机除有较宽的调速范围并能无级调速外，还能实现准确定位；普通卧式车床是把主轴的运动经过挂轮架、进给箱、溜板箱传到刀架实现纵向和横向进给运动的。数控车床主轴与纵向丝杠虽然没有机械传动联结，但同样具有加工各种螺纹的功能，主轴由伺服电动机驱动旋转，但在主轴箱内安装有脉冲编码器，主轴的运动通过齿轮或同步齿形带1：1地传到脉冲编码器。当主轴旋转时，脉冲编码器便发出检测脉冲信号给数控系统，使主轴电动机的旋转与刀架的切削进给保持同步关系，即实现加工螺纹时主轴转一圈，刀架Z向移动工件一个导程的运动关系，主轴脉冲编码器代替了传统机床螺纹加工冗长的进给传动链，传动链大大缩短，机床加工精度提高，由于数控车床采用了脉宽调速伺服电动机及伺服系统，因此进给和车螺纹范围很大。数控车床进给传动系统也是由电气系统按程序指令自动控制进给速度，进给方向由数字坐标信息控制，背吃刀量由程序指令信息控制，切削用量的变化均无需停车调整，为工序集成提供了技术保证。比如车螺纹，普通车床要调整切换成丝杆模式，造成工序划断，但数控机床是应用主轴脉冲编码器代替螺纹加工进给传动链，不需要停车调整机床，只需要程序指令控制，这样工序就可以打包集成，不需要把车螺纹工序单独分出，只需划成工步。再比如车锥度，普通车床要转动小滑板，造成工序划断，但对数控机床而言，数控加工直线、圆弧、异型曲线难度是一样的，而且不需要靠模等任何工艺辅助措施，不需要停车调整机床，只需按照程序指令的数字坐标走刀，这样工序也可以打包集成，不需要把车锥度工序单独分出，只需划成工步。再比如车曲面、车圆球，只要刀具的副偏角选择合适，不需要停车更换成形车刀，按照程序指令的数字坐标走刀，用车外圆的刀具就可以加工出曲面、圆球，工序同样可以打包集成，不需要把车曲面、圆球工序单独分出，只需划成工步。以锥套球体零件为例说明传统机床加工工艺与数控机床加工工艺的区别，图1为锥套球体零件图。

图1

三、数控机床加工中心对工艺规程的影响

加工中心与其它普通机床相比具有很多优点。（1）加工中心的建立，是以车床、镗床等为基础，对自动换刀设备进行合理设置，使工件在经过装夹后，能够直接完成许多加工工作，例如钻孔、镗孔等。传统需要众多机床才能完成的工作，在加工中心参与后，只经过加工中心这一台机床，就能直接完成。因此产生了数控机床工序集中化的特征。（2）加工中心中有可以回转的相关工作台，通过调整旋转角度，能够有效落实多角度加工工序的高效进行。（3）加工中心还可以实现加工机床的主轴运行的速度、进给量等方面的自动化控制。（4）加工中心具有可交换的加工工作台，这使工件在1台工作台进行加工时，将平台交换后，可使其他的工件在装卸位置上自动装卸。通过加工中心，能够在保证工件正常加工的基础上提高效率。通过加工中心的上述优点不难看出，加工中心在实际应用当中能减少工件的装夹等所需要的时间，使工件搬运、存储时间在不断缩短的同时，还能提高机床的利用率，并且实现数控机床技术较高的加工精度、效率。由于数控机床机械结构的不断进步，数控机床结构的不断调整，使得数控加工工序、工步的划分和传统机床加工标准有所不同。传统机床的工序划分包括：按装夹次数、使用机床、刀具、夹具，而工步是按照加工工艺的特点、粗精加工以及切削用量来划分，导致传统机床加工路由工序分散，而数控机床的工序是按照装夹次数来划分，按使用刀具来划分工步，这使得数控机床加工具有工序集中的特点。

总之，数控加工技术是基于数字信息控制零件刀具的动作、位移、速度的机械加工方法，数控机床的机械结构相对简单，但电气控制技术却相当专业复杂，以专业的数控系统为核心，通过数控程序控制刀具完成复杂的轨迹运动，并可在加工过程中运用数控系统改变参数。数控机床加工改变了传统机床加工以人工操作机床为主的模式，改变了在传统机床加工过程中停车调整机床的模式，比如车锥孔要转动小滑板，车螺纹要切换成丝杆传动，钻孔要安装钻模钻套，变速要搭挂轮，铣槽要安装对刀块对刀塞尺等，数控机床在机械电气信息结构上的技术进步，最终会映射到机械加工工艺规程上，引领数控加工工艺朝着高精度高质量、高效率低成本方向前进。

参考文献：

[1]张文.数控机床对机械加工工艺规程的影响.2017.

[2]李丹斌.数控机床对机械加工工艺规程的影响.2018.