加工中心機床加工復雜軸工藝研究

尚進，白新恒

（中國航發(fā)動力股份有限公司，陜西 西安 710021）

隨著現(xiàn)代制造業(yè)的不斷發(fā)展，對高精度、高效率零部件的需求日益增加。而復雜軸工藝作為一種能夠生產出航空航天、汽車、機械制造等領域精細零部件的加工工藝，是否能夠利用好這一加工工藝進行工業(yè)生產對于整個制造業(yè)的進步至關重要。加工中心機床作為一種高精度、高效率的數(shù)控機床，如果可以利用好復雜軸工藝進行機床的改造，可以加工出更多更加復雜的機械零件，有效提高加工質量和效率。

1 加工中心機床的特點

1.1 多功能性

加工中心機床以其卓越的多功能性而在現(xiàn)代制造業(yè)中占據(jù)重要地位，加工中心機床集成了銑削、鉆削、攻絲等多種加工功能于一體，使其具備廣泛而靈活的加工能力。多功能性使加工中心機床能夠應對多樣化的加工需求，通過切換不同的工具和調整加工程序，該機床可以適應各種零部件的復雜形狀和特殊要求。不同的加工功能的集成為制造商提供了更大的靈活性，使其能夠處理多樣化的工件，從而滿足市場上對于各種產品的需求。而且加工中心機床的多功能性對于提高生產效率具有顯著的優(yōu)勢，傳統(tǒng)的機床往往只能執(zhí)行特定的加工操作，而加工中心機床的多功能性使其能夠在一個設備上完成多道工序，避免了零部件在不同機床之間的轉移，從而減少了制造周期，提高了加工效率。此外，多功能性也對資源的合理利用起到了積極的作用，一臺加工中心機床能夠替代多臺傳統(tǒng)機床，減少了生產線上的設備數(shù)量，降低了設備維護和占地成本，這不僅減少了生產線的投資成本，還提高了生產線的整體資源利用效率。

1.2 高精度

高精度是加工中心機床的顯著特征，加工中心機床的數(shù)控系統(tǒng)為實現(xiàn)零部件的高精度、高重復性加工提供了可靠的保障。采用先進的數(shù)控技術，加工中心機床在整個加工過程中能夠實時、準確地控制工具的位置、速度和切削深度等參數(shù)。數(shù)控系統(tǒng)確保了高度準確的位置控制，通過預先設定的數(shù)學模型和加工程序，機床能夠將工具定位到目標位置，實現(xiàn)微米級別的位置精度。這對于復雜零部件中細小特征和復雜曲面的加工至關重要。而且數(shù)控技術使加工中心機床具備高重復性，一旦正確的數(shù)控程序被設定，機床可以反復執(zhí)行相同的加工過程，保持高度一致的加工質量，這對于批量生產和要求產品一致性的行業(yè)尤為重要。除此以外，數(shù)控系統(tǒng)還可實時監(jiān)測和調整加工過程中的參數(shù)，從而對切削速度、進給速度等進行精確控制，可以避免因材料特性、刀具磨損等因素引起的加工誤差，提高了零部件的精度和表面質量。

1.3 加工效率較高

加工中心機床以其高度自動化的特性，有效的提升了加工效率，可以更好的實現(xiàn)批量生產和大規(guī)模制造。加工中心機床實現(xiàn)了高度的自動化程度，加工中心機床的數(shù)控系統(tǒng)和自動換刀系統(tǒng)等先進技術的應用，使得整個加工過程實現(xiàn)了自動控制和自動化操作。操作人員只需設定好加工程序和相關參數(shù)，機床即可自動進行連續(xù)的加工操作，減少了人工的直接干預，提高了生產效率。而且加工中心機床能夠實現(xiàn)連續(xù)、自動加工，一旦加工程序設定完成機床能夠在不間斷的情況下進行連續(xù)加工，不需要人工干預和停機換刀，從而大幅縮短了生產周期，提高了生產效率，這對于大規(guī)模、高產量的制造任務而言，是非常具有競爭力的優(yōu)勢。同時自動換刀系統(tǒng)的應用也是加工中心機床高效率的重要保障。通過自動換刀系統(tǒng)，機床能夠根據(jù)加工需要自動更換不同功能的刀具，而無需停機。不僅節(jié)省了換刀時間，還確保了在不同工序中使用最合適的刀具，提高了切削效率和加工質量。在現(xiàn)代制造業(yè)中，加工中心機床的高加工效率為企業(yè)應對市場需求變化、提高生產能力提供了重要支持。

2 加工中心機床應用復雜軸工藝時的機床調整策略

2.1 做好工藝規(guī)劃與仿真

詳細的工藝規(guī)劃和先進的仿真軟件的運用可以為整個加工過程提供重要的指導和優(yōu)化。進行詳細的工藝規(guī)劃是確保整個加工過程順利進行的關鍵，技術人員需要對復雜軸的幾何結構、加工要求、材料特性等進行全面了解。在此基礎上，規(guī)劃合理的加工路徑、切削順序以及刀具選擇等，確保每一步都符合產品設計要求，并最大程度地提高加工效率。同時通過先進的仿真軟件，可以模擬復雜軸工藝加工過程，實現(xiàn)對整個加工過程的虛擬展示。通過仿真，可以預先檢查加工路徑是否合理、切削是否充分、是否存在潛在的碰撞風險等，進而在實際加工中避免一些可能導致機床調整和二次加工的問題，提前優(yōu)化加工過程。在仿真中，還可以進行工藝參數(shù)的調整和優(yōu)化，以達到最佳的加工效果。通過實時觀察仿真結果，可以及時發(fā)現(xiàn)潛在問題并進行調整，保障加工過程的順利進行。

2.2 進行夾具設計與優(yōu)化

夾具的設計與優(yōu)化在復雜軸工藝加工中具有關鍵性作用，它直接影響到工件在加工中的穩(wěn)定性和精度。夾具設計需要全面考慮復雜軸的幾何形狀、尺寸以及表面特征，通過充分了解工件的結構，設計師可以確定夾具的夾持點、夾持方式和夾緊力度。考慮到復雜軸通常具有不規(guī)則的外形，夾具的設計必須能夠充分適應并牢固固定工件，避免在加工過程中發(fā)生振動和位移，而且夾具的設計還需要考慮到工藝特點，比如切削力的方向和大小。合理的夾具設計可以通過分析切削力的作用方向來確定夾持點和夾持方式，以提供足夠的支撐和穩(wěn)定性，避免在高切削力作用下工件的位移或者變形。同時夾具的優(yōu)化也包括材料的選擇，夾具的材料應具有足夠的強度和剛性，以承受加工中的各種力和壓力。在設計的同時，夾具的制造工藝也需要考慮，以確保夾具的制造成本和周期不會影響整個加工過程。通過應用先進的制造技術如數(shù)控加工和3D 打印，可以提高夾具的精度和復雜性。

2.3 工件測量與校準

在進行復雜軸工藝加工之前，進行工件測量與校準是確保加工精度和產品質量的關鍵步驟。通過高精度的測量儀器對工件的幾何形狀和位置進行檢查，然后根據(jù)測量結果對機床進行校準調整，以確保實際加工結果與設計要求一致。技術人員需要采用高精度的測量儀器對復雜軸的幾何形狀進行詳細測量，進行直徑、長度、軸向偏差、圓度等多個方面的測量。使用三坐標測量機、激光測量儀等設備，能夠精確獲取工件的各項尺寸數(shù)據(jù)。而且根據(jù)測量結果分析，確定工件的幾何誤差和位置偏差。這些誤差可能是由于材料特性、刀具磨損、機床磨損等因素引起的。在確定了誤差的具體來源后，可以有針對性地進行校準和調整。同時在對機床進行校準調整時還需進行機床坐標系的調整、數(shù)控系統(tǒng)參數(shù)的優(yōu)化等，通過調整機床的位置、速度、切削深度等參數(shù)，使其更好地適應實際工件的特性。在進行校準調整時，可以采用實時反饋的方式。即時監(jiān)測加工過程中的工件尺寸和形狀，通過傳感器或激光測量儀器獲取實時數(shù)據(jù)，反饋至數(shù)控系統(tǒng)，從而及時調整機床的運行參數(shù)，保持加工精度。通過工件測量與校準，可以確保復雜軸工藝加工的每個工件都能夠滿足設計要求的精度和質量標準。這種全面的測量和校準流程對于提高生產效率、降低廢品率，具有顯著的意義。

2.4 刀具選擇與調試

在復雜軸工藝加工中，刀具選擇與調試是確保高效、精準加工的關鍵步驟。選擇合適的刀具并進行有效調試和優(yōu)化，能夠最大程度地發(fā)揮機床的性能，確保切削質量和工件精度。進行刀具選擇時需要充分考慮復雜軸的形狀和材料特性，由于復雜軸通常具有曲線和不規(guī)則的外形，因此刀具的選擇需要適應工件的特殊形狀。考慮工件的幾何特性，選擇合適的切削工具，如球頭刀具、圓柱刀具等，以確保能夠有效地切削復雜軸的各個部位。而且選擇刀具時還需要考慮到切削力、切削速度等因素。不同形狀和材料的復雜軸在切削時會產生不同的切削力，因此需要選擇具有足夠剛性和耐磨性的刀具，以滿足切削要求。同時，根據(jù)不同工藝和材料，調整刀具的切削速度，保證切削效果的同時延長刀具壽命。除此以外，在進行加工前還應進行刀具的調試和優(yōu)化，通過實際加工試驗，調整刀具的切削參數(shù)，包括切削速度、進給速度、切削深度等，以獲得最佳的切削效果。同時，檢查刀具的磨損情況，確保刀具在加工過程中保持良好的切削狀態(tài)。

3 加工中心機床應用復雜軸工藝時的數(shù)控編程策略

3.1 準確建立工件坐標系

在復雜軸工藝的數(shù)控編程中，準確建立工件坐標系是確保加工精度和成功的關鍵步驟。應用復雜軸工藝進行加工時，需要加工的工件通常具有多個曲面和不規(guī)則的形狀。為了更好地描述工件的各個部位，需要采用多坐標系的方法，這些坐標系可以根據(jù)工件的幾何特征和加工要求進行選擇，例如，某一特定曲面的切削可能需要單獨的坐標系。建立坐標系時，需要考慮到工件的幾何中心、軸線、特定表面等特征點，通過測量和計算，確定這些特征點的坐標值，建立與之對應的坐標系。在這個過程中，使用高精度的測量設備和數(shù)學建模技術，確保坐標系的建立準確度。在數(shù)控編程中，工件坐標系的建立要與數(shù)控機床的坐標系相一致。這包括機床坐標系與工件坐標系之間的相對位置關系，以及機床的零點與工件坐標系原點的對應關系。確保這兩者之間的一致性，可以保證數(shù)控機床按照程序正確地定位和加工工件。此外，在建立坐標系時，還需要考慮到工件的旋轉、翻轉等運動，在復雜軸工藝中，通常會涉及到多軸聯(lián)動運動。因此，需要清晰定義工件坐標系與機床坐標系之間的轉換關系，以確保機床能夠按照預定路徑正確執(zhí)行加工操作。

3.2 合理選擇刀具路徑

在復雜軸工藝的數(shù)控編程中，合理選擇刀具路徑是確保加工效率和質量的有效手段。使用復雜軸工藝加工的各種機械零部件通常具有曲線和不規(guī)則的外形，因此在數(shù)控編程中，刀具路徑的選擇需要充分考慮工件的幾何特征。采用先進的刀具路徑規(guī)劃算法是至關重要的，這些算法可以根據(jù)工件的形狀自動生成最優(yōu)的切削路徑。常見的算法包括曲面刀軌生成算法、自適應切削路徑規(guī)劃算法等。而且考慮到復雜軸可能存在凸凹不平的表面，應該避免刀具在切削過程中的過度劇烈的轉動和進給變化，以免引起振動和切削不穩(wěn)定。在刀具路徑的選擇中，需要平滑過渡，盡量減小刀具在表面上的運動變化，確保切削過程的穩(wěn)定性。除此以外，考慮到工藝的加工要求，例如，表面光潔度和加工時間等，刀具路徑的選擇也要充分考慮。有時候需要進行粗加工和精加工的切削路徑分離，以確保在最短的時間內獲得所需的表面質量。

3.3 優(yōu)化切削參數(shù)

在數(shù)控編程中，優(yōu)化切削參數(shù)是發(fā)揮復雜軸工藝應用效果的基礎，而根據(jù)工件材料的特性選擇合適的切削速度是優(yōu)化切削參數(shù)的關鍵，切削速度直接影響到切削過程中的熱變形和刀具壽命。過高的切削速度可能導致刀具過度磨損，而過低則可能引起加工表面粗糙。通過實驗和經驗，確定最適合工件材料的切削速度范圍，以達到切削效果的最佳平衡。同時進給速度的選擇對于切削過程中的切屑排除、表面質量以及加工效率都有顯著影響，適當調整進給速度可以控制切屑的形成和排除，避免過高的進給速度引起切屑的斷裂。通過在不同工藝階段選擇合適的進給速度，可以實現(xiàn)高效的切削。而切削深度也是需要優(yōu)化的參數(shù)，切削深度的選擇需要考慮到工件的硬度、刀具的強度以及切削時產生的熱量。通過適當控制切削深度，可以避免刀具的過度磨損和提高切削效率。而且對于不同形狀的復雜軸，需要根據(jù)具體情況采用不同的切削策略。例如，對于凹槽等特殊形狀，可以采用多軸聯(lián)動，或者采用特殊刀具，以確保切削效果的最佳化。除此以外，在優(yōu)化切削參數(shù)時，還需要考慮到數(shù)控機床的性能和穩(wěn)定性。根據(jù)機床的加工能力和剛性設置合理的切削參數(shù)，以確保機床在加工過程中保持穩(wěn)定性和精度。

4 結語

加工中心機床中復雜軸工藝的應用為制造業(yè)提供了一種高效、精密的加工解決方案，通過科學合理的工藝措施，可以更好地發(fā)揮加工中心機床的優(yōu)勢，滿足現(xiàn)代制造對于高精度加工的需求。在未來的發(fā)展中，隨著技術的不斷創(chuàng)新，加工中心機床將繼續(xù)發(fā)揮重要作用推動制造業(yè)向著更高水平邁進。