数控加工论文范文

第一篇：数控加工技术在模具制造中的利用

【摘要】

相较于传统加工技术而言，数控加工技术本身具有非常巨大的独特优势，这也就使得其在模具制造领域中被大力推广与广泛应用。而传统加工技术现阶段已无法达到社会生产过程中提出的诸多新需求，所以时展也要求将数控加工技术在模具制造领域广泛推广。本文在此基础上先讲述了在模具制造领域数控加工工艺能够发挥出的作用。并就这方面详细谈论了数控加工技术在其中存在的巨大优势与发挥出的积极意义。同时讲明了应用数控加工技术的过程中的主要注意事项，以期给予相关人士参考借鉴之用。

【关键词】

数控加工技术；模具制造；作用；应用

从某种程度而言，在社会生产活动中，经过模具加工后而生产出的价值，基本上都要比模具自身价值要高。由此可见模具加工制造在社会生产活动中所发挥的巨大积极意义。科技创新更是在很大程度上带动了模具产业步入数字信息化发展道路上。这也使得数控技术在模具制造领域中所产生的积极意义越来越大，促使数控加工技术在其中的影响力也逐渐提升。同时还在一定程度上促使制造工艺与质量得到提高。从未来整体趋势而言，模具行业正逐渐迈入智能化、集成化与自动化的发展道路上。

1数控加工技术在模具制造领域的重要性

1．1增强精准度传统模具制造需要通过铣、车、磨等诸多程序的工艺流程才能完成。而且在加工阶段，想要较为理想的把握模具制造的精准度显得尤其困难。近年来，伴随信息技术的迅猛进步，数控加工技术随之在模具制造领域产生的作用逐渐增强。渐渐在该领域引进比较适用的先进设备，如数控铣床设备与成型机床等等。这些设备的引入不但很好地达到了各种外形模具对空间与曲面提出的相关要求，而且还扩大了加工材料选择范围。数控加工技术可以对某些难以进行加工的材料，或者是形态十分复杂的材料，以及稀有金属材料等，均可以按照预先的设计展开高精度加工。也正是由于数控加工技术应用于模具制造领域能够提升其制造的精准度，促使此项技术被广泛应用。

1五轴数控加工

1.1“3+2”轴加工模式“3+2”加工是五轴加工的常用模式，它指的是在五轴加工过程中，在两个旋转轴（ABC中的两个）的矢量方向确定后，3个直线轴（XYZ）做三轴联合运动完成零件加工的方式。这种加工模式能够提高生产效率，减少装夹次数，避免零件的安装误差。这种加工模式在加工箱体、模具零件的底部或侧壁时，可使用短刀具加工提高加工刚性。在进行“3+2”五轴加工模式时，先要建立定位坐标系，然后确定机床的旋转轴后在进行零件的定位加工，在斜面上加工孔时，采用这种加工模式，体现出很高的效率。“3+2”模式的五轴加工编程相对简单，对五轴机床的磨损小（旋转轴的使用寿命比直线的使用寿命低）。“3+2”模式的五轴加工不足是：加工时两个向量之间存在加工界限，在精度不高的五轴机床上加工时会产生“台阶”，而五轴联动加工则可以避免。

1.2“4+1”轴加工模式“4+1”轴加工指的是：在进行五轴加工时，一个旋转轴（ABC轴中的一个）角度确定，剩下的三个直线轴加一个旋转运动轴可同时做联合运动完成零件的加工。这种五轴加工模式适合加工近似回转体类的零件。在保证刀具不干涉的情况下使用采用“4+1”轴加工可以减少零件装夹次数，提高生产效率，提高零件的加工精度。

1.3五轴联动加工五轴联动加工指五个运动轴（包括XYZ三个直线轴和ABC中的两个旋转轴）同时运动对零件进行加工的一种模式。在进行五轴联动加工时，可对加工过程中的刀具轴线方向进行优化，改变刀轴的矢量方向，保证在整个刀具路径上都可保持最高效的切削模式，具有连续性，没有加工的接刀痕迹，表面粗糙度好等优点。五轴联动加工不仅能控制加工误差，而且能提高零件表面质量，同时可根据工艺要求，均匀地切除复杂曲面材料，这样就能有效控制工件的应力和热变化。例如在加工螺旋桨、航空发动机的整体叶轮时都需用到五轴联动加工保证产品的质量和精度。以上三种加工模式如图1所示：图1五轴加工模式

2五轴加工的关键技术

要加工出高质量的五轴零件需要有先进的五轴设备、高效的五轴编程软件和合理的五轴加工工艺，三者缺一不可。具体操作流程为：根据加工条件，用CAD/CAM软件完成零件的三维造型及刀路设置，根据机床性能后置处理生成数控程序；然后应用仿真软件进行欠切、过切、碰撞检测以及试切削；最后操作五轴机床完成零件的加工。

2.1五轴机床五轴数控机床相对于三轴数控机床来说，不仅仅是增加两个旋转轴的问题，它在算法、控制技术上有着很大的提升，其关键技术包括主轴速度、驱动技术和控制技术，这些参数影响了五轴数控机床的加工范围和加工精度。

2.1.1主轴速度。五轴数控机床在复杂异形件时，经常需要用到小直径刀具来提高零件表面质量，为此需要主轴具有较高的转速。如今五轴机床的主轴大多都采用电主轴（主轴速度基本保持在20000～50000r/min）来提高效率，减少能量损耗。在细微铣削（铣刀直径一般采用0.1～2mm）加工过程中，需要机床具备更高的主轴转速。

1刀具

在加工过程中，刀具的选择需要根据加工工艺和加工方法的不同来进行确定。特别是在数控加工中，利用高速切削不仅有利于加工效率的提升，而且加工质量也能够得到保证，有效的降低切削变形的机率，使加工周期缩短，所以在高速切削下对切削刀具的需求进一步增多。目前还有一种干切削方法，这种切削方法在不加切削液或只加少量切削液的情况下进行切削，所以需要刀具具有良好的耐热性。相对于普通机加工工艺来讲，数控加工工艺对刀具的性能具有较高的要求。由于当前数控加工工艺成为现代加工行业的主要工艺，这也导致刀具行业发生了较大的改变，其已不再单纯是为了刀具的生产和供应，而开始向新切削工艺和相关配套技术的产品开发转变，刀具生产商也成为当前加工行业提高生产效率和质量，降低生产成本的重要合作伙伴。

2加工方式

在传统机加工工艺中一些加工工艺由于不能进行精准掌控，所以轻易是不会用的，但利用数控机床进行加工时，这些慎用的加式方式都变得具有可行性。而且数控加工过程中，已利用圆孤插补、背幢法、数控修整法将传统孔位加工使用的充填法、空刀法和修整法进行替代。而且硬切削加工工艺也开始在加工中进行应用，不仅有效的确保了加工效率的提升，而且对于加工成本在很大程度上有所降低，设备投入的资金也减少。同时相对于湿式切削方法相比，干切削可以说是一种绿色制造工艺，其在切削加工上具有十分明显的优势，但由于其切削力较大，切削过程中存在着变形及刀具磨损大的问题。

3切削用量

在传统机加工工艺过程中，在对机床进行操作过程中，工人往往是凭借自已的实践经验和技术经验进行操作，从人的控制能力和安全角度等方面考虑，一般是比较保守的，特别对复杂的曲线和曲面，工人操作易出现差错，为减少废品率，切削用量的选择总是慎之又慎。数控机床是采用控制系统控制机床动作，不论什么形面都可用程序方便地控制加工过程，刀具在工件上的运动轨迹是全自动的和灵活、不间断的，在程序中可对加工过程设置最为合理的切削用量，不会对材料带来浪费和不必要的损耗，最大限度地提高加工效率，这是普通机床加工不可比拟的。

4热变形

无论是传统机加工艺还是数控加工工艺过程中，在进行切削时都不可避免的会存在着热变形。而热变形在精加工阶段则会直接会影响到最终工件的加要精度。在传统机加工工艺过程中，由于各工序之间具有较长的缓冲时间，可以对各加工阶段进行明显的划分，所以在精加工阶段开始可以等前面加工过程中产生的温升完合恢复后再进行，而且在精加工阶段还可以具体分为几个工步，这样可以有效的降低热变形所带来的不良影响。但数控加工工艺其是连续进行多个面的加要，而且具有高效性，这样就导致切削过程中热量没有时间进行转移，所以热变形是数控加工工艺过程中较为突出的一个问题。目前在数控机床加工过程中，通常会利用切削液来达到降温和断屑的作用，从而确保无故障的进行生产。

一、数控加工专业毕业生就业现状

据笔者对所在地8所开设数控专业的中职、技工学校和数十家机械制造企业的调研，企业普遍反映数控专业的毕业生并不完全符合现代制造企业对数控加工技术工人的要求，主要表现在以下几方面。

1.缺乏职业意识和吃苦耐劳的敬业精神随着国家对职业教育的大力投入，职业学校添置了大量数控设备，逐步走出了数控加工实习实训设备不足的窘境，在增加学生数控机床操作时间的同时，大幅削减甚至取消普通加工的实习时间，忽视了钳工、普车等普通加工对学生职业意识特别是吃苦耐劳精神的培养作用。

2.操作能力特别是解决实际问题的能力差很多学校虽然添置了大量数控设备，但出于人身、机床安全方面的考虑，学生的实习材料大多还是铝料、塑料，并没有进入真刀实枪的实战，只是把原来在电脑上的模拟搬到了数控机床上。学生到了企业感觉好像什么都学过，但什么也不会做，需要企业重新培养。

3.工艺分析能力基本就是一张白纸有些学校实行从课堂一步到数控机床的教学模式，使得作为数控加工工人必须具备的金属切削原理与刀具、机械制造工艺学等专业基础、专业工艺知识等不能通过实践得到检验，丧失了理论指导实习、实习中总结理论的锻炼机会，很多学生在离开学校时已经把这些应该掌握的专业知识还给了老师。

4.动手能力差，手脑并用的能力更差在制造业工作，动手能力最重要。但事实是学数车的不会磨刀，学数铣的不会装夹。很多学校把职业技能鉴定也搞成了应试教育，考什么练什么，更有甚者要求学生背程序。虽然在目前的职业技能鉴定模式下，绝大多数学生都可以在毕业前顺利取得数控中级职业资格证书，但企业不认可，学生也没自信，最后转行也就成了必然。

5.质量意识薄弱，测量能力差质量是企业的生命线，是企业生存和发展的根本。学校的“60分万岁”跟企业的合格产品完全是两码事，要生产出合格的产品，就要求工人要有很强的质量意识，具备很好的测量能力。会开数控机床，会编制加工程序，不代表就会测量，特别是关联精度的控制。

6.适应、应变能力差企业根据生产需要进行岗位调整时发现，由于有些学校忽视专业知识和普通加工实训的教学，学生适应、应变能力极差，不要说换设备、换工种，就是换数控系统也不行，会法兰克的不懂华中，会华中的不知道广数。个别学校甚至给数控设备配上电脑，把手工编程的教学也免了。

1数控加工参数优化中不当造成的影响

传统的数控加工参数是根据实际加工生产中得出的经验和数据，加上一些计算，所得出的结果。但是，由于受到了各种内外部原因的影响，所得到的数据始终无法达到最优。而加工参数的选择和优化不当，将会对加工生产活动造成很大的影响。

1.1加工结果不可控由于加工参数在优化过程中的局限性，使得其与加工结果之间的关系无法确定。这就导致了无法对加工生产的过程进行控制，使得所加工零件的质量难以得到保障。除此之外，对于加工生产的时间也无法进行控制，会对工时定额产生影响，使得对数控加工的管理水平无法进一步提升。

1.2生产成本不可控对于单件或小批量的加工生产，生产人员通常根据对加工手册或以往经验来确定加工参数。而对于大批量的加工，则还要根据实验结构来对加工参数进行修改和校正。这些问题都是由于数控加工参数的优化不当造成的，不仅增加了加工成本，拖延了加工进度，无法满足现代化工业生产的需求[2]。

1.3生产效率不可控在加工一些诸如自由曲面等特殊的零件时，数控加工参数是需要进行变化的。但是由于加工参数的优化不到位，在加工生产过程中，为了保险起见，大多根据以往的经验选择了比较保守的、保持不变的加工参数，使得加工效率大大降低。因此，应采取科学、有效的优化措施，对数控加工参数进行优化，以解决这些问题，提高生产效率。

2数控加工参数优化方案

2.1试验对数控加工参数的优化试验是以最优化思想为指导，以具体加工实验为基础，来实现加工参数的优化[3]。将优化思想贯穿于整个试验过程中，合理的运用概率论和数理统计。在众多的试验方法中，最常用的是田口方法，将方差分析、正交试验设计、信噪比分析等技术手段综合运用。在实际应用中，它具有信息丰富、次数少、效果显著等优点。不过，这种试验方法需要进行一定数量的试验和长期实践经验的积累，对于人力、物力、时间的消耗较大。因此，在采用这种方法的时候，一定要慎重的选择。

2.2数值模拟由于计算机技术的发展和应用，数值模拟的方法在数控加工参数的优化当中应用的越来越广泛。随着CAD、CAM、CAE等技术日益普遍的应用，计算机数值模拟也变得越来越常用。在具体的实践当中，首先要对成形过程进行模拟和分析，从而能够正确的对目标函数、约束条件、进行正确的优化，并选择适合的设计变量。利用数值模拟的方法对数控加工参数进行优化，可以将时间大大缩短，提高工作效率，还能够对加工生产的质量进行有效的控制。

1编程设计

NXCAM是UG软件的计算机辅助制造模块，其功能强大，可以实现对复杂零件和特殊零件的加工，此编程工具易于使用。NXCAM已成为现代相关企业和工程师的首选[1]。进入NX8.0CAM模块，初始化加工环境，先建立型腔三维模型与毛坯，根据前述的工艺分析进行刀具组的创建，按NX/CAM的通用过程创建几何体，定义加工坐标系（根据装夹进行安全平面的设置）；为后续的刀轨能实现3D动态模拟，在这里同时也进行了部件与毛坏的定义。由不同的加工要求，分别设置相应的加工方法。

1.1创建上表面3D平面铣工序平面铣（planarmilling）主要用于平面轮廓、平面区域或平面孤岛的一种铣削方式。它通过逐层切削工件来创建刀具路径，可用于零件的粗、精加工[2]。

1.1.1创建上表面粗加工平面铣工序通过单击工具条上的图标，在出现的“创建工序”对话框中选【类型】为【mill_planar】，【子类型】为【FACE-MILLING】，并按加工方案选用刀具与加工方法，点击“确定”，在出现的【面铣】对话框中以“曲线/边”模式选择毛坯上表面的4条边完成边界几何体的设置，在【机床控制】下分别进行“开始刀轨事件”和“结束刀轨事件”的相应设置。同时设【切削方式】为（往复走刀），行距为刀具直径的75%，按工艺安排表中的参数分别进行“进给率和速度”等参数设置，然后点击“生成刀具轨迹”图标，生成刀轨，完成上表面的粗加工工序的创建。

1.1.2创建上表面精加工工序与上述创建上表面的粗加工工序方法类似进行设置，但要选用不同的刀具和加工方法，同时要在“进给率与速度”中将“主轴转速”更改为2,000。由于是精加工，在刀轨设置时将行距优化为刀具直径的50%，得到的精加工型腔上表面刀轨如图2所示。

1.2创建4个侧面3D平面铣工序4个侧面的加工没有分粗、精加工，而是一步到位。选【类型】为【mill_planar】，【子类型】为【PLANAR-MILL】，其余如同上表面加工工序方法类似设置，以【曲线/边】模式定义部件与毛坯边界，以“指定底面”进行加工底面设置。在“切削层”对话框中设置“每刀深度”为4，与前述方法类似，分别完成“进给率和速度”与“机床控制”栏下的相应设置与刀轨设置，然后点击“生成刀具轨迹”图标，生成刀轨如图3所示。

1.3型腔的内腔加工型腔的内腔是成型塑件产品的工作面，表面质量要求较高，在这里采用型腔铣开粗、固定轴轮廓铣半精加工、区域铣精加工3步完成其加工。

1.3.1创建内腔的型腔铣粗加工工序型腔铣主要用于加工型腔或型芯，属多层切削，可以加工侧壁与底面不垂直的工件[3]。通过【插入】/【工序】,在“创建工序”对话框中选类型为“mill_contour”，“子类型”为“”，由加工工艺方案选用相应的刀具、加工方法、“进给率和速度”等参数设置。驱动方法对刀轨的影响较大，在UG软件中对数控加工提供了多种类型的驱动方法，驱动方法的选择与被加工零件表面的形状及其复杂程度有关，本型腔铣粗加工以“边界”驱动方式[4]。选择好切削区域，生成刀轨，如图4所示。

1数控加工工艺标准化概述

零件数控加工工艺的标准化，就是利用标准化的理论和方法对零件的数控编程过程中涉及到的工艺信息如零件工艺分析、基准选择、刀具选择以及加工工序和加工路线等，即所有与数控加工过程有关的要素进行规范化处理。其目的就是利用标准化的加工工艺来生产相同或类似要求下的零件，防止不必要的工艺多样化，或者借助成组零件的相似性原理使得属于同一类型的零件采用相似的加工工艺，从而，提高零件的数控编程效率，减少劳动力的投入，还能保证零件产品的质量。

2数控加工工艺标准化的方法

2.1典型工艺法1938年索克洛夫首次提出典型工艺的概念，其着眼点是工艺过程的标准化，也就是将零件按照结构、形状相似性和工艺过程相似性标准进行分类，则同类零件可以采用同一的典型工艺。因此，典型工艺法能够很好地应用于如齿轮、标准件等结构形状相对稳定、批量相对较大的零件，而其他的一些批量不大或非标准结构的零件就很难使用典型工艺法。对于一些形状结构差别较大、批量小和种类多的生产场合，典型工艺只能作为零件工艺设计的参考资料。据统计有将近20%左右的零件可以用到典型工艺法，而且即使应用了典型工艺法其效果也不是很明显。

2.2成组工艺法1959年米特洛范诺夫首次提出成组工艺的新概念，其着眼点在于工序的标准化，即把零件加工过程中的全部或一部分相似加工工序的零件划分为一组，然后，针对每一组的具体情况制定适宜的成组加工工艺。因此，它能够很好地弥补典型工艺法的不足。当加工一个属于此类的零件时，只需要根据该零件的需要，按照成组加工工艺做出适当的调整或者补充，即可完成对该零件加工工艺的设计。实践表明，80%以上的零件品种可以采用成组工艺。

3采用成组工艺法标准化的过程

3.1分析零件的加工特征，从零件的形状特征入手，并结合工艺特征中的工序，借助成组技术的相似性原理建立零件的分类标准，在此基础之上将零件合理地分类成组。

3.2分析零件数控加工工艺的设计原则，并据此研究每一类零件的优化工艺信息设计。设计的内容主要包括成组零件数控加工工艺过程和工艺内容的设计，其中工艺内容涉及到具体的加工基准、加工工序、加工策略以及刀具和工艺参数等。

1．异形槽类零件具备怎样的特点

异形槽零件通常壁厚程度从0.5mm到1.1mm不等，究其原因是形状尖角分布广泛，造成了应力的集中，极容易产生裂纹和内裂变力。这种零件在加工过程中，经过一系列的切削振动、工装夹具和灼热加工后，残余应力经过重新分布难以避免的会发生变形外，在各个加工工序之间流转存放的过程中，零件的残余应力也会受存放环境的影响（如温度，空气湿度等）而发生形状、尺寸上的变化，会造成工中的成品率不高。

2．对异形槽类零件加工工艺的分析

2.1零件图工艺的分析零件图可以直观的反应出零件的性能，用途和工作条件[5]。让人对零件与产品中的相互关系和作用一目了然。是设计工艺的理论基础，因此，零件的工艺图应具备以下几个条件：（1）零件图具有完整性和正确性，符合国家标准，有完整的尺寸和相关的技术标注。如清楚的显示点、线、面之间的平行或相交的关系。画图的过程中可以用cad软件作为辅助工具,以求达到最直观清晰的构图效果。（2）关于尺寸标注方法的要求：在零件图上尺寸标注分为分散法和集中法。通常采用的是集中标注，有利于直观的向编制的程序提供数据。

2.2针对材料的选择有些零件刚完工的时候是合格的，到整体装配的环节就出现超出范围的松动或难以装配，或者无法装配的情况。有些可以装配但是使用没多久就出现裂痕等情况。导致产品的使用寿命大大缩短。针对这一情况，对加工中出现损坏的材料进行抽样检查，发现在碳钢材料中，所含的S,P比值较高，导致的脆性变大，对加工过程的冷热变化十分敏感。因此，要提高成品加工的成功率，延长零件的最佳使用年限。就要在零件的选材上多下功夫，选择的材料必须符合如下几个特性：（1）材料表面实耐磨，具有良好的延伸性。（2）材料的内部必须具备良好的韧性和可塑性，且耐受性强。（3）因为异形零件工作介质很特殊，最好是选用渗碳合金钢(12CrNi4)q且含碳量要低于0.25。才能保证经过高温处理后，材料的内部仍具有良好的韧性，因为有碳的渗透而达到表面的硬度。Cr，Ni是为了提高材料的淬透性。

3.异形槽类零件加工过程中对刀具的选择

3.1对加工刀具的分类槽类零件的加工刀具主要分为铣刀、镗刀两大类[6]，根据不同的加工阶段要使用不同的刀具：（1）在自由啮面的粗加工和半精加工阶段，首先选择铣刀，因为它具有优质的切削质量和效率。（2）如果对自由曲面进行精加工的时候该选用球头刀，因为该刀的切削速度慢，切削的行距够密。（3）如果是粗精加工，即使是相同尺寸和规格的刀具，都要分开使用。一般情况下，尽量使用一把刀具完成所有的加工部位。

3.2异形类零件加工过程中对刀具的用法（1）粗加工时螺旋进刀方式应控制在5度到10度之间，进刀量的径向不允许超过刀具直径的5％-8％，深度进给量要控制在刀具直径的5％。（2）半精加工阶段，由于零件的层间距离较小，要防止切削时刀具直接下沉到下个切削面，不要过切，要满足等量的切削原则。（3）粗加工和半精加工阶段，为实现较高的表面加工质量和切削效率，要配合使用UG软件的manufacturing模块里的cavity—mill铣削方式，其参数设定为，切削水平选bcalDepthperCut为2mm，将Stepover的toodiameter调整为55%。刀具则选用硬质合金双刃立式平底铣刀。（4）精加工阶段，选用优质合金球头刀为刀具；对比曲面的最大面，分为正反方向两组，刀轨走向尽可能的沿着最长轮廓线的方向；因为球头刀刀心速度为0，不属于切削而是削磨，所以加工时刀轴需要与零件底面保持不超过20度的倾斜，减少这样可以避免刀尖对加工零件的磨损；根据零件不同曲面的特点，可以用Cavity—mill中Ar．eaMilling、SurfaceArea、Boundar来进行加工。