精密零件的數(shù)控加工工藝及加工策略

王磊

[摘 要] 21世紀(jì)，我國經(jīng)濟(jì)迅猛發(fā)展，科學(xué)技術(shù)水平也在不斷增強(qiáng)。隨著我國不斷推進(jìn)的現(xiàn)代化建設(shè)進(jìn)程，數(shù)控高速加工工藝憑借著較高的自動化程度、高精度和高效率的優(yōu)勢，成為機(jī)械制造行業(yè)的關(guān)鍵技術(shù)和重要基礎(chǔ)。科技的進(jìn)步對機(jī)械產(chǎn)品的生產(chǎn)率和質(zhì)量要求越來越高。為了提高制造企業(yè)的競爭力，就必須要將加工成本降低，縮短產(chǎn)品周期，促進(jìn)產(chǎn)品質(zhì)量的進(jìn)一步提高。對精密零件的數(shù)控加工工藝進(jìn)行了分析，通過分析高速加工技術(shù)的特點，提出了精密零件的具體加工策略。

[關(guān) 鍵 詞] 數(shù)控加工；精密零件；加工工藝；策略

[中圖分類號] TG659 [文獻(xiàn)標(biāo)志碼] A [文章編號] 2096-0603（2017）31-0206-02

在精密模具零件加工中，通過高速加工技術(shù)的運用，能避免電極制造，將磨削拋光工序和電火花所取代。能夠?qū)哂休^高系統(tǒng)剛性要求、復(fù)雜曲面和大型覆蓋件的高淬硬模具鋼件進(jìn)行加工，并且能使拋光量和鉗工打磨大幅度降低。高速加工的數(shù)控機(jī)床刀具等裝備，具有較大的投資、極高的技術(shù)含量。在高速加工精密模具零件的過程中，需要對高速加工工藝和策略準(zhǔn)確把握，對高速加工機(jī)床和切削刀具合理選擇。同時對加工路線和走刀方式合理選擇，才能對精密模具工作零件進(jìn)行準(zhǔn)確可靠的制作。

一、精密模具零件的高速加工工藝

（一）高速加工機(jī)床

高速切削機(jī)床通常具有較高的技術(shù)性能，主軸轉(zhuǎn)速高達(dá)20000～40000r/min，最大進(jìn)給速度達(dá)120m/min。采用運動機(jī)構(gòu)和主軸系統(tǒng)等高性能的功能部件，相比于傳統(tǒng)普通數(shù)控機(jī)床，國內(nèi)外高速加工中心具有更加良好的加工速度、性能和臨床機(jī)構(gòu)。高速機(jī)床要求的冷卻系統(tǒng)和主軸單元具有極高的性能。同時，需要優(yōu)良的動力特性、監(jiān)控系統(tǒng)和安全裝置，其特點是機(jī)床具有較大的制造難度和極高的技術(shù)含量。相比于國外，目前國內(nèi)的高速機(jī)床在技術(shù)上還有一定差距存在。為了使數(shù)控機(jī)床的試制周期和開發(fā)時間有效縮短，需要新型功能部件，具有極高的可靠性和性能。

目前，以下幾種新型功能部件比較具有代表性：

1.機(jī)床支撐部件

在高速切削機(jī)床的床身等支撐部件，無論是靜剛度還是熱剛度都比較好，其支撐部件主要是采用高剛性和高質(zhì)量的灰鑄鐵。為了促進(jìn)熱穩(wěn)定性和抗振性的增加，有的還將高阻尼特性的聚合物混凝土添加其中，不單單能給機(jī)床剛度的穩(wěn)定性提供保障，還可對切削時刀具振顫進(jìn)行預(yù)防，以此對機(jī)床精度的穩(wěn)定提供保障。

為了提高機(jī)床的穩(wěn)定性，還可采取對稱床身結(jié)構(gòu)并配有密布的加強(qiáng)筋、整體鑄造床身、封閉式床身設(shè)計等手段。采用模態(tài)分析，能提供可靠和穩(wěn)定的機(jī)床支撐部件，促進(jìn)了機(jī)床結(jié)構(gòu)的優(yōu)化。

2.高頻電主軸

具有一系列的優(yōu)點，既無級調(diào)速、較高的轉(zhuǎn)速和較小的體積，集成了高頻電動機(jī)與主軸，目前已經(jīng)廣泛的應(yīng)用于各種新型數(shù)據(jù)機(jī)床中。電主軸具有非常緊湊的結(jié)構(gòu)，一般情況下是在高速下運轉(zhuǎn)，如何解決發(fā)熱問題是其關(guān)鍵技術(shù)。首先是軸承材料和精度，其次是潤滑技術(shù)、冷卻技術(shù)等，主要是將電動機(jī)的發(fā)熱減少。

3.直線電動機(jī)

目前，直線電動機(jī)具有非常廣泛的應(yīng)用。盡管比傳統(tǒng)的伺服系統(tǒng)價格高，但卻能使機(jī)床的動態(tài)性能提高，并對機(jī)床傳動結(jié)構(gòu)進(jìn)行了簡化。具有完善的冷卻系統(tǒng)隔熱措施，并且具有良好的熱穩(wěn)定性，能夠與各種切削加工的環(huán)境相適應(yīng)，對聯(lián)動機(jī)床、高速銑床比較適用。

4.電滾珠絲桿

主要集成了伺服電動機(jī)與滾珠，其優(yōu)點是具有緊湊的結(jié)構(gòu)，能將傳動環(huán)節(jié)減少。并使數(shù)控機(jī)床的結(jié)構(gòu)極大的簡化。

二、數(shù)控高速加工技術(shù)應(yīng)用

（一）高速切削加工技術(shù)

作為一種先進(jìn)的切削加工技術(shù)，相比于傳統(tǒng)的切削加工，其切削速度、進(jìn)給速度都得到了大幅度提高，并且也從根本上改變了切削機(jī)理。因此，通過高速切削，能解決常規(guī)切削加工中備受困擾的一系列問題。相比于常規(guī)切削加工方式，高速切削具有它的特點：

1.具有較高的加工效率

隨著大幅度提高的切削速度，也相應(yīng)地提高了供給速度。相比于常規(guī)的切削速度，單位時間內(nèi)的材料切除率可達(dá)到常規(guī)切削的3～6倍。同時，因為提高了高速切削機(jī)床快速空行程速度，在促進(jìn)切削加工效率提高的同時，也使零件加工輔助時間極大地縮短了。

2.降低了切削力

切削熱對工件產(chǎn)生較小的影響。在切削速度達(dá)到一定值后，高速切削中能夠降低30%以上的切削力，特別是徑向切削力顯著降低。同時，切屑飛速帶走切削熱，工件僅接受了少量切削熱，工件基本上保持冷態(tài)。所以，它對加工容易變形的零件以及具有較差剛性的、薄壁類的零件比較適合。

3.具有較高的加工精度

加工刀具激振頻率遠(yuǎn)離工藝系統(tǒng)固有頻率，所以振動不容易產(chǎn)生。具有較小的殘余應(yīng)力和熱變形，自由切削能為加工質(zhì)量和加工精度提供保障。所以，采用高速切削能將銑削后的精加工工序省去。

4.可切削欽合金、高溫合金等各種難加工的材料

目前，一些難加工的材料被廣泛應(yīng)用于航空航天等尖端部門的零件制造中。例如欽合金，這種材料具有較小的彈性模量和導(dǎo)熱系數(shù)以及較大的化學(xué)活性。所以也具有較差的剛性，在加工時具有極高的切削溫度，并且容易變形。同時具有較大的單位切削面積，零件表面也有較為嚴(yán)重的冷硬現(xiàn)象。刀具后刀面出現(xiàn)嚴(yán)重的磨損。如果對涂層整體硬質(zhì)合金刀具高速切削欽合金采用高速切削，能極大地提高加工效率和零件表面加工質(zhì)量。

（二）數(shù)控車床加工技術(shù)

作為一種對零件進(jìn)行加工的工藝方法，數(shù)控加工比較常用。通常情況下，數(shù)控車床加工技術(shù)主要涵蓋兩個方面的內(nèi)容，即數(shù)控機(jī)床加工工藝和數(shù)控編程技術(shù)，同時其范圍還涉及數(shù)控加工中的刀具、夾具等工裝。數(shù)控加工是由數(shù)控機(jī)床運動的可控性所決定，數(shù)控機(jī)床的運動主要是執(zhí)行加工工序的指令。所以，實現(xiàn)數(shù)控加工的重要環(huán)節(jié)，就是編制零件加工工序和制定數(shù)控加工工藝，這是保障零件合格的關(guān)鍵。特別是加工相對繁雜的零件，其重要性要大于數(shù)據(jù)機(jī)床本身。基于此，作為一種優(yōu)質(zhì)和高效的實現(xiàn)產(chǎn)品加工技術(shù)，數(shù)控車床加工技術(shù)是敏捷化和數(shù)字化制造加工的基礎(chǔ)與關(guān)鍵，對促進(jìn)機(jī)械制造業(yè)的發(fā)展發(fā)揮著重要的作用。

（三）數(shù)控快速點磨削技術(shù)

作為一種先進(jìn)的加工工藝，數(shù)控快速點磨削技術(shù)高效率、高柔性，集超硬磨料、超高速磨削先進(jìn)技術(shù)于一體，主要是用于加工軸套類零件。高度結(jié)合了新一代數(shù)控車削和超高速磨削，采用超薄的人造金剛石超硬磨料砂輪和超薄層CBN，是目前高速磨削最先進(jìn)的技術(shù)形式之一。

三、數(shù)控高速加工技術(shù)的優(yōu)勢

（一）提高生產(chǎn)率

切削用量直接決定了產(chǎn)品的生產(chǎn)率，合理的切削用量能對生產(chǎn)率提供保障。高速加工的切削用量與傳統(tǒng)加工方式用大直徑的刀具、大切深、大切寬的切削用量相當(dāng)，在高速加工方式下，為提高加工效率，可采用小直徑的刀具、小切深、小切寬、快速多次走刀。相比于傳統(tǒng)的加工方式，高速加工的進(jìn)給速度能達(dá)到其的5～10倍，提高3～6倍材料去除率，能促進(jìn)生產(chǎn)效率極大提升。

（二）改善加工產(chǎn)品的質(zhì)量

因為大幅度減少了高速加工的切削力，刀具和被加工零件之間的具有很少的系統(tǒng)振動，能使表面加工質(zhì)量達(dá)到良好，可作為鏡面加工機(jī)械加工的最終精加工工序。同時，因為主軸具有較高的轉(zhuǎn)速，增加了工件的接觸頻率，導(dǎo)致高頻壓應(yīng)力在表面產(chǎn)生，使加工表面的表面粗糙度極大地減少，促進(jìn)加工表面接觸剛性和零件的耐磨性能的提高。特別是將高速加工工藝應(yīng)用在模具行業(yè)，模具的平均壽命可提高3倍。

四、精密零件的數(shù)控加工策略

（一）切削方式及走刀方式

順銑加工應(yīng)該是高速切削加工中盡量采用的方式。在順銑中刀刃主要受壓應(yīng)力，而在逆銑中刀刃受拉應(yīng)力，因為處于惡劣的受力狀態(tài)，進(jìn)而使刀具的使用壽命降低。

（二）加工順序的安排

對切除的材料和加工成形的幾何形狀同時考慮，盡可能減少加工步驟，使用連續(xù)的方法，例如相比于平衡路徑，偏置路徑更好，應(yīng)從材料的外部切入，避免垂直下刀。為了避免出現(xiàn)刀痕，在零件的臨界區(qū)域應(yīng)采用不同步驟的精加工路徑，使用單一刀具精加工臨界區(qū)域，盡量不換刀。精加工后的加工表面之所以出現(xiàn)刀痕，就是因為刀具設(shè)置錯誤；盡量使用短刀，以免使用長刀具產(chǎn)生磨損。在條件許可的情況下，需要對零件方向重新進(jìn)行定位，使用短刀具在難以加工的區(qū)域進(jìn)行加工。在實際加工的刀具路徑中，需要同時滿足其他要求和重要要求。在高速、高溫加工時，采用涂層硬質(zhì)合金刀具，可不對切削液體進(jìn)行運用，既可產(chǎn)生極高的切削效率。采用油+氣冷卻潤滑的干式切削方式，加工區(qū)產(chǎn)生的切屑可以利用高壓氣體迅速吹走，并帶著大量的切削熱，同時在刀具刃部和工件表面經(jīng)霧化的潤滑油可以形成一層極薄的微觀保護(hù)膜，既可使零件的表面質(zhì)量提高，還能使刀具壽命有效延長。

作為我國的一個最基本的行業(yè)，機(jī)械制造業(yè)的發(fā)展水平對我國經(jīng)濟(jì)水平產(chǎn)生了直接影響，能提高國家生產(chǎn)總值，并促進(jìn)我國經(jīng)濟(jì)質(zhì)的飛躍。目前，我國開始高度重視重大科技產(chǎn)業(yè)項目，并日益提高了科學(xué)技術(shù)綜合水平。目前在世界制造技術(shù)中，精密零件的高速加工技術(shù)已經(jīng)成為頂尖技術(shù)。高速加工不單單能使生產(chǎn)效率成倍的提高，還可對零件的表面質(zhì)量和加工精度進(jìn)行很好的改善，具有傳統(tǒng)加工無法比擬的優(yōu)勢，能夠高效解決常規(guī)加工中難以解決的某些特殊材料的加工問題。作為一項系統(tǒng)的工程，精密模具零件的高速加工將成為現(xiàn)代機(jī)械制造業(yè)發(fā)展的必然趨勢。隨著數(shù)控加工技術(shù)在國內(nèi)制造業(yè)中的廣泛普及和應(yīng)用，數(shù)控高速加工技術(shù)憑借著數(shù)控加工特點和高精度，而廣泛應(yīng)用于高精度模具行業(yè)、汽車行業(yè)、航天行業(yè)。

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