加工中心机床加工复杂轴工艺研究

2024-06-08尚进白新恒

中国设备工程 2024年10期

尚进，白新恒

（中国航发动力股份有限公司，陕西西安 710021）

随着现代制造业的不断发展，对高精度、高效率零部件的需求日益增加。而复杂轴工艺作为一种能够生产出航空航天、汽车、机械制造等领域精细零部件的加工工艺，是否能够利用好这一加工工艺进行工业生产对于整个制造业的进步至关重要。加工中心机床作为一种高精度、高效率的数控机床，如果可以利用好复杂轴工艺进行机床的改造，可以加工出更多更加复杂的机械零件，有效提高加工质量和效率。

1 加工中心机床的特点

1.1 多功能性

加工中心机床以其卓越的多功能性而在现代制造业中占据重要地位，加工中心机床集成了铣削、钻削、攻丝等多种加工功能于一体，使其具备广泛而灵活的加工能力。多功能性使加工中心机床能够应对多样化的加工需求，通过切换不同的工具和调整加工程序，该机床可以适应各种零部件的复杂形状和特殊要求。不同的加工功能的集成为制造商提供了更大的灵活性，使其能够处理多样化的工件，从而满足市场上对于各种产品的需求。而且加工中心机床的多功能性对于提高生产效率具有显著的优势，传统的机床往往只能执行特定的加工操作，而加工中心机床的多功能性使其能够在一个设备上完成多道工序，避免了零部件在不同机床之间的转移，从而减少了制造周期，提高了加工效率。此外，多功能性也对资源的合理利用起到了积极的作用，一台加工中心机床能够替代多台传统机床，减少了生产线上的设备数量，降低了设备维护和占地成本，这不仅减少了生产线的投资成本，还提高了生产线的整体资源利用效率。

1.2 高精度

高精度是加工中心机床的显著特征，加工中心机床的数控系统为实现零部件的高精度、高重复性加工提供了可靠的保障。采用先进的数控技术，加工中心机床在整个加工过程中能够实时、准确地控制工具的位置、速度和切削深度等参数。数控系统确保了高度准确的位置控制，通过预先设定的数学模型和加工程序，机床能够将工具定位到目标位置，实现微米级别的位置精度。这对于复杂零部件中细小特征和复杂曲面的加工至关重要。而且数控技术使加工中心机床具备高重复性，一旦正确的数控程序被设定，机床可以反复执行相同的加工过程，保持高度一致的加工质量，这对于批量生产和要求产品一致性的行业尤为重要。除此以外，数控系统还可实时监测和调整加工过程中的参数，从而对切削速度、进给速度等进行精确控制，可以避免因材料特性、刀具磨损等因素引起的加工误差，提高了零部件的精度和表面质量。

1.3 加工效率较高

加工中心机床以其高度自动化的特性，有效的提升了加工效率，可以更好的实现批量生产和大规模制造。加工中心机床实现了高度的自动化程度，加工中心机床的数控系统和自动换刀系统等先进技术的应用，使得整个加工过程实现了自动控制和自动化操作。操作人员只需设定好加工程序和相关参数，机床即可自动进行连续的加工操作，减少了人工的直接干预，提高了生产效率。而且加工中心机床能够实现连续、自动加工，一旦加工程序设定完成机床能够在不间断的情况下进行连续加工，不需要人工干预和停机换刀，从而大幅缩短了生产周期，提高了生产效率，这对于大规模、高产量的制造任务而言，是非常具有竞争力的优势。同时自动换刀系统的应用也是加工中心机床高效率的重要保障。通过自动换刀系统，机床能够根据加工需要自动更换不同功能的刀具，而无需停机。不仅节省了换刀时间，还确保了在不同工序中使用最合适的刀具，提高了切削效率和加工质量。在现代制造业中，加工中心机床的高加工效率为企业应对市场需求变化、提高生产能力提供了重要支持。

2 加工中心机床应用复杂轴工艺时的机床调整策略

2.1 做好工艺规划与仿真

详细的工艺规划和先进的仿真软件的运用可以为整个加工过程提供重要的指导和优化。进行详细的工艺规划是确保整个加工过程顺利进行的关键，技术人员需要对复杂轴的几何结构、加工要求、材料特性等进行全面了解。在此基础上，规划合理的加工路径、切削顺序以及刀具选择等，确保每一步都符合产品设计要求，并最大程度地提高加工效率。同时通过先进的仿真软件，可以模拟复杂轴工艺加工过程，实现对整个加工过程的虚拟展示。通过仿真，可以预先检查加工路径是否合理、切削是否充分、是否存在潜在的碰撞风险等，进而在实际加工中避免一些可能导致机床调整和二次加工的问题，提前优化加工过程。在仿真中，还可以进行工艺参数的调整和优化，以达到最佳的加工效果。通过实时观察仿真结果，可以及时发现潜在问题并进行调整，保障加工过程的顺利进行。

2.2 进行夹具设计与优化

夹具的设计与优化在复杂轴工艺加工中具有关键性作用，它直接影响到工件在加工中的稳定性和精度。夹具设计需要全面考虑复杂轴的几何形状、尺寸以及表面特征，通过充分了解工件的结构，设计师可以确定夹具的夹持点、夹持方式和夹紧力度。考虑到复杂轴通常具有不规则的外形，夹具的设计必须能够充分适应并牢固固定工件，避免在加工过程中发生振动和位移，而且夹具的设计还需要考虑到工艺特点，比如切削力的方向和大小。合理的夹具设计可以通过分析切削力的作用方向来确定夹持点和夹持方式，以提供足够的支撑和稳定性，避免在高切削力作用下工件的位移或者变形。同时夹具的优化也包括材料的选择，夹具的材料应具有足够的强度和刚性，以承受加工中的各种力和压力。在设计的同时，夹具的制造工艺也需要考虑，以确保夹具的制造成本和周期不会影响整个加工过程。通过应用先进的制造技术如数控加工和3D 打印，可以提高夹具的精度和复杂性。

2.3 工件测量与校准

在进行复杂轴工艺加工之前，进行工件测量与校准是确保加工精度和产品质量的关键步骤。通过高精度的测量仪器对工件的几何形状和位置进行检查，然后根据测量结果对机床进行校准调整，以确保实际加工结果与设计要求一致。技术人员需要采用高精度的测量仪器对复杂轴的几何形状进行详细测量，进行直径、长度、轴向偏差、圆度等多个方面的测量。使用三坐标测量机、激光测量仪等设备，能够精确获取工件的各项尺寸数据。而且根据测量结果分析，确定工件的几何误差和位置偏差。这些误差可能是由于材料特性、刀具磨损、机床磨损等因素引起的。在确定了误差的具体来源后，可以有针对性地进行校准和调整。同时在对机床进行校准调整时还需进行机床坐标系的调整、数控系统参数的优化等，通过调整机床的位置、速度、切削深度等参数，使其更好地适应实际工件的特性。在进行校准调整时，可以采用实时反馈的方式。即时监测加工过程中的工件尺寸和形状，通过传感器或激光测量仪器获取实时数据，反馈至数控系统，从而及时调整机床的运行参数，保持加工精度。通过工件测量与校准，可以确保复杂轴工艺加工的每个工件都能够满足设计要求的精度和质量标准。这种全面的测量和校准流程对于提高生产效率、降低废品率，具有显著的意义。

2.4 刀具选择与调试

在复杂轴工艺加工中，刀具选择与调试是确保高效、精准加工的关键步骤。选择合适的刀具并进行有效调试和优化，能够最大程度地发挥机床的性能，确保切削质量和工件精度。进行刀具选择时需要充分考虑复杂轴的形状和材料特性，由于复杂轴通常具有曲线和不规则的外形，因此刀具的选择需要适应工件的特殊形状。考虑工件的几何特性，选择合适的切削工具，如球头刀具、圆柱刀具等，以确保能够有效地切削复杂轴的各个部位。而且选择刀具时还需要考虑到切削力、切削速度等因素。不同形状和材料的复杂轴在切削时会产生不同的切削力，因此需要选择具有足够刚性和耐磨性的刀具，以满足切削要求。同时，根据不同工艺和材料，调整刀具的切削速度，保证切削效果的同时延长刀具寿命。除此以外，在进行加工前还应进行刀具的调试和优化，通过实际加工试验，调整刀具的切削参数，包括切削速度、进给速度、切削深度等，以获得最佳的切削效果。同时，检查刀具的磨损情况，确保刀具在加工过程中保持良好的切削状态。

3 加工中心机床应用复杂轴工艺时的数控编程策略

3.1 准确建立工件坐标系

在复杂轴工艺的数控编程中，准确建立工件坐标系是确保加工精度和成功的关键步骤。应用复杂轴工艺进行加工时，需要加工的工件通常具有多个曲面和不规则的形状。为了更好地描述工件的各个部位，需要采用多坐标系的方法，这些坐标系可以根据工件的几何特征和加工要求进行选择，例如，某一特定曲面的切削可能需要单独的坐标系。建立坐标系时，需要考虑到工件的几何中心、轴线、特定表面等特征点，通过测量和计算，确定这些特征点的坐标值，建立与之对应的坐标系。在这个过程中，使用高精度的测量设备和数学建模技术，确保坐标系的建立准确度。在数控编程中，工件坐标系的建立要与数控机床的坐标系相一致。这包括机床坐标系与工件坐标系之间的相对位置关系，以及机床的零点与工件坐标系原点的对应关系。确保这两者之间的一致性，可以保证数控机床按照程序正确地定位和加工工件。此外，在建立坐标系时，还需要考虑到工件的旋转、翻转等运动，在复杂轴工艺中，通常会涉及到多轴联动运动。因此，需要清晰定义工件坐标系与机床坐标系之间的转换关系，以确保机床能够按照预定路径正确执行加工操作。

3.2 合理选择刀具路径

在复杂轴工艺的数控编程中，合理选择刀具路径是确保加工效率和质量的有效手段。使用复杂轴工艺加工的各种机械零部件通常具有曲线和不规则的外形，因此在数控编程中，刀具路径的选择需要充分考虑工件的几何特征。采用先进的刀具路径规划算法是至关重要的，这些算法可以根据工件的形状自动生成最优的切削路径。常见的算法包括曲面刀轨生成算法、自适应切削路径规划算法等。而且考虑到复杂轴可能存在凸凹不平的表面，应该避免刀具在切削过程中的过度剧烈的转动和进给变化，以免引起振动和切削不稳定。在刀具路径的选择中，需要平滑过渡，尽量减小刀具在表面上的运动变化，确保切削过程的稳定性。除此以外，考虑到工艺的加工要求，例如，表面光洁度和加工时间等，刀具路径的选择也要充分考虑。有时候需要进行粗加工和精加工的切削路径分离，以确保在最短的时间内获得所需的表面质量。

3.3 优化切削参数

在数控编程中，优化切削参数是发挥复杂轴工艺应用效果的基础，而根据工件材料的特性选择合适的切削速度是优化切削参数的关键，切削速度直接影响到切削过程中的热变形和刀具寿命。过高的切削速度可能导致刀具过度磨损，而过低则可能引起加工表面粗糙。通过实验和经验，确定最适合工件材料的切削速度范围，以达到切削效果的最佳平衡。同时进给速度的选择对于切削过程中的切屑排除、表面质量以及加工效率都有显著影响，适当调整进给速度可以控制切屑的形成和排除，避免过高的进给速度引起切屑的断裂。通过在不同工艺阶段选择合适的进给速度，可以实现高效的切削。而切削深度也是需要优化的参数，切削深度的选择需要考虑到工件的硬度、刀具的强度以及切削时产生的热量。通过适当控制切削深度，可以避免刀具的过度磨损和提高切削效率。而且对于不同形状的复杂轴，需要根据具体情况采用不同的切削策略。例如，对于凹槽等特殊形状，可以采用多轴联动，或者采用特殊刀具，以确保切削效果的最佳化。除此以外，在优化切削参数时，还需要考虑到数控机床的性能和稳定性。根据机床的加工能力和刚性设置合理的切削参数，以确保机床在加工过程中保持稳定性和精度。