2017年数控加工技术论文
2017年数控加工技术论文 2017年数控加工技术论文篇一 试论数控高速加工技术综述 论文摘要:高速切削技术是机械制造业发展的必然趋势,其应用将大幅 度地提高加工效率和加工质量。高速切削技术不仅涉及到高速切削加工工艺及高 速切削机理,而且包括高速切削所用的刀具、机床等诸多因素。本文着重介绍了 高速切削各相关技术的研究动态,并对高速切削技术的应用前景进行了展望。一、 高速加工的技术优势 高速加工在切削原理上是对传统切削认识的突破。据资料介绍,在国 外的高速加工试验中已经证实,当切削速度超过一定值(V=600m/min)后,切削速度 再增高,切削温度反而降低,在切削过程中产生的热量进入切削并从工件处被带走。
试验条件下的测试证明了在大多数应用情况下,切削时工件温度的上升不会超过 3℃。相应地,在已给定的金属切除率下,当切削速度超过某一数值之后,实际切削 力会近似保持不变。
经过理想的高速加工后,切屑变形及其收缩加工的实现与应用对航空 制造业有着重要的意义。高速加工自身必须是一个各相关要素相互协调的系统, 是多项先进技术的综合应用,为此机床厂商应进行大力的开发研制,推出与高速加 工相关的新技术设备。
二、 数控高速加工的发展现状 实用的高速加工技术跟随引进的先进数控自动生产线、刀具(工具)、 数控机床(设备),在机械制造业得到广泛应用,相应的管理模式、技术、理念随之 融入企业。在我国航天、航空、汽轮机、模具等行业,程度不同地应用了高速加 工技术,其间的差距在于国家对该行业投入资金、引进政策等支持的多少,以及企 业家们对高速加工系统技术认识的深浅。相对于汽车制造业而言,这类机械制造 行业基本上是属于工艺离散型制造业。其高速加工技术主要表征在对高速数控机 床与刀具技术的应用上。目前国内已引进的加工中心、数控镗、铣床主轴转速一 般≤8 000r/min(极少有12 000r/min),快进速度≤40m/min。对铸铝、锻铝合金体、高 强度铸铁和结构钢件,多采用超细硬质合金、涂层硬质合金刀具材料和标准结构的各类刀具加工。超硬刀具材料及专用结构刀具应用还较少,加之机床主轴转速 偏低,一般不能进入高速切削领域。以铣削加工为例,这些行业加工铝合金工件: 切削速度1 000m/min,进给速度15m/min,每齿进刀量0.35mm。车削:切削速度 700m/min。铣削铸铁、结构钢(含不锈钢)工件:切削速度500m/min,进给速度 10m/min,每齿进刀量0.3mm。上述行业中,数控设备利用率仅为25%左右。预计“十 五”期间,上述行业将会在应用高速加工技术方面发生跳跃式的进步与发展。
三、 数控高速加工机床的关键技术 高速机床是实现高速切削加工的前提和关键。具有高精度的高转速主 轴,具有控制精度高的高轴向进给速度和进给加速度的轴向进给系统,又是高速机 床的关键所在。分述如下: 1. 高速主轴 高速主轴是高速切削最关键零件之一。目前主轴转速在10 000～20 000 r/ min的加工中心越来越普及,转速高达100 000 r/ min、200 000 r/ min、250 000 r/ min的实用高速主轴也正在研制开发中。高速主轴转速极高,主轴零件在离心力 作用下产生振动和变形,高速运转摩擦和大功率内装电机产生的热会引起高温和 变形,所以必须严格控制。为此对高速主轴提出如下性能要求:(1)高转速和高转速 范围;(2)足够的刚性和较高的回转精度;(3)良好的热稳定性;(4)大功率;(5)先进的 润滑和冷却系统;(6)可靠的主轴监测系统。
2. 快速进给系统 高速切削时,为了保持刀具每齿进给量基本不变,随着主轴转速的提高, 进给速度也必须大幅度地提高。目前高速切削进给速度已高达50m/min～ 120m/min,要实现并准确控制这样的进给速度对机床导轨、滚珠丝杠、伺服系统、 工作台结构等提出了新的要求。而 且,由于机床上直线运动行程一般较短,高速加工机床必须实现较高的 进给加减速才有意义。为了适应进给运动高速化的要求,在高速加工机床上主要 采用如下措施:(1)采用新型直线滚动导轨,直线滚动导轨中球轴承与钢导轨之间 接触面积很小,其摩擦系数仅为槽式导轨的1/ 20左右,而且使用直线滚动导轨 后,“爬行”现象可大大减少;(2)高速进给机构采用小螺距大尺寸高质量滚珠丝杠或 粗螺距多头滚珠丝杠,其目的是在不降低精度的前提下获得较高的进给速度和进给加减速度;(3)高速进给伺服系统已发展为数字化、智能化和软件化,高速切削机 床己开始采用全数字交流伺服电机和控制技术;(4)为了尽量减少工作台重量但又 不损失刚度,高速进给机构通常采用碳纤维增强复合材料;(5)为提高进给速度,更 先进、更高速的直线电机己经发展起来。直线电机消除了机械传动系统的间隙、 弹性变形等问题,减少了传动摩擦力,几乎没有反向间隙。直线电机具有高加、减 速特性,加速度可达2g,为传统驱动装置的10～20倍,进给速度为传统的4～5倍,采 用直线电机驱动,具有单位面积推力大、易产生高速运动、机械结构不需要维护 等明显优点。
3. 高速切削刀具技术 (1)刀具材料。高速切削加工要求刀具材料与被加工材料的化学亲合 力要小,并具有优异的机械性能和热稳定性,抗冲击、耐磨损。目前在高速切削中 常用的刀具材料有单涂层或多涂层硬质合金、陶瓷、立方氮化硼(CBN)、聚晶金 刚石等。
(2)高速切削刀具结构。高转速引起的离心力在高速切削中会使抗弯 强度和断裂韧性都较低的刀片发生断裂,除损伤工件外,对操作者和机床会带来危 险。因此,高速切削刀具除了满足静平衡外还必须满足动平衡要求。动平衡一般 对小直径刀具要求不严,对大直径刀具或盘类刀具要求严格。外伸较长的刀具,必 须进行动平衡。另外需要对刀具、夹头、主轴等每个元件单独进行平衡,还要对 刀具与夹头组合体进行平衡。最后,将刀具连同主轴一起进行平衡。但目前还没 有统一的平衡标准,对ISO1940-1标准中的平衡质量G值为平衡标准也有不同的看 法,有的企业以G1为标准(所谓G1,即刀具在10 000r/min回转时,回转轴与刀具中心 轴线之间只允许相差1Lm),有的以G215为标准。
(3)高速切削刀具几何参数。高速切削刀具刀刃的形状正向着高刚性、 复合化、多刃化和表面超精加工方向发展。刀具几何参数对加工质量、刀具耐用 度有很大的影响,一般高速切削刀具的前角平均比传统加工刀具小10b,后角约大 5b～8b。为防止刀尖处的热磨损,主、副切削刃连接处应采用修圆刀尖或倒角刀 尖,以增大刀尖角,加大刀尖附近刃区切削刃的长度,提高刀具刚性和减少刀刃破 损的概率。
(4)高速切削刀柄系统。加工中心主轴与刀具的连接大多采用7B24锥 度的单面夹紧刀柄系统,ISO、CAT、DIN、BT等都属此类。用在高速切削加工时, 这类系统出现了许多问题,主要表现为:刚性不足、ATC(自动换刀)的重复精度不稳定、受离心力作用的影响较大、刀柄锥度大,不利于快速换刀及机床的小型化。
针对这些问题,为提高刀具与机床主轴的连接刚性和装夹精度,适应高速切削加工 技术发展的需要,相继开发了刀柄与主轴内孔锥面和端面同时贴紧的两面定位的 刀柄。两面定位刀柄主要有两大类:一类是对现有7B24锥度刀柄进行的改进性设 计,如BIG-PLUS、WSU、ABSC等系统;另一类是采用新思路设计的1B10中空短锥 刀柄系统,有德国开发的HSK、美国开发的KM及日本开发的NC5等几种形式。
4. 高速切削工艺 高速切削具有加工效率高、加工精度高、单件加工成本低等优点。高 速加工和传统加工工艺有所不同,传统加工认为,高效率来自低转速、大切深、缓 进给、单行程,而在高速加工中,高转速、中切深、快进给、多行程则更为有利。
高速切削作为一种新的切削方式,目前尚没有完整的加工参数表可供选择,也没有 较多的加工实例可供参考,还没有建立起实用化的高速切削数据库,在高速加工的 工艺参数优化方面,也还需要做大量的工作。高速切削NC编程需要对标准的操作 规程加以修改。零件程序要求精确并必须保证切削负荷稳定。多数CNC软件中的 自动编程都还不能满足高速切削加工的要求,需要由人工编程加以补充。应该采 用一种全新的编程方式,使切削数据适合高速主轴的功率特性曲线。目前, Cimatron、Mastercam、UG、Pro/E等CAM软件,都已添加了适合于高速切削的编 程模块。
5. 高速机床的床身、立柱和工作台 通过计算机辅助工程的方法,特别是用有限元进行优化 设计,能获得减轻重量、提高刚度的床身和 工作台。
四、 结语 高速加工技术是现代先进制造技术之一 ,其产生是市场 经济全球化 和各种先进技术 发展的综合结果。在此背景下,高速加工技术应运而生,逐步发展 成为综合性系统工程技术,并得到越来越广泛的 应用。高速加工的巨大吸引力在 于实现高速加工的同时,保证了高速加工精度。航空航天、汽车及模具制造业对 高速加工的认同与强烈要求,推动着高速加工技术在国际上的发展。2017年数控加工技术论文篇二 数控加工在线检测技术的探究 摘 要：科学技术带动制造业蓬勃发展起来。在提高劳动生产率的同 时，还要以高质量产品赢得市场竞争优势，同时还要降低投入成本。数控机床作 为制造业的加工母机，属于是高精度的自动化控制设备，在加工零件过程中能实 现在线检测功能，不但省时省力，而且还提高了加工效率，具有广泛的应用价值。
本论文针对数控加工在线检测技术的应用进行探究。
关键词：数控加工 在线检测技术 加工精度 中图分类号：TH165 文献标识码：A 文章编号：
1672-3791(2014)05(a)-0035-02 在加工制造业中，对于零件的加工，无论是加工的过程，还是加工完 成后的质量和性能，都需要经历大量的检测工作。目前对于加工零件的检测，诸 如夹具和零件的装卡、找正，测定零件编程原点、检测首件零件以及零件加工工 序间以及加工完毕后的检测等等，还是以手工检测为主，检测效率非常低。特别 是对于大型结构件的检测，由于是在加工的过程中进行实时监测的，如果使用离 线检测技术，就很难避免误差的产生，导致零件加工完成后，由于超差而报废。
引进数控加工的在线监测技术，不但可以对于加工零件实时监测，弥补了手工检 测以及离线检测所存在的不足，而且还提高了加工精度，符合先进制造技术未来 发展的要求。
1 数控机床在线检测系统的构成 数控机床的在线检测系统根据是否选择使用计算机辅助，可以分为两 种，即免去计算机辅助，直接将基本宏程序调用;开启计算机辅助编程系统，检 测程序生成后，自行开发宏程序库，将各种数据信息传输到数控系统当中。计算 机辅助在线监测系统见图1，其运行程序见图2。
通过对于图1的解读，可以明确，数控机床的在线检测系统是由硬件 和软件两个部分所构成，其中的硬件部分包括机床本体、数控装置、伺服系统、 测量系统;软件部分是指计算机软件系统。
1.1 机床本体机床本体的工作部件是所必需的基本部件的实现，作为加工和监测的 基础性环节，其受到传动部件精度的影响。
1.2 数控装置 数控机床通常会选择使用CNC数据控制系统，主要构成包括中央处理 器、各类存储器和输入输出接口，其中的中央处理器包括存储器、运算器、控制 器和总线四个组成部分。作为数控机床的核心部位，该数控装置中的各项控制功 能都是通过数控加工程序来实现的，各种控制功能，包括输入存储功能、数控加 工功能以及插补运算功能等等，都是源自于内部存储器中提取程序，或者由输入 装置所传输过来的程序。传输途径是通过设备接口来实现的。一旦控制对象发生 改变，或者需要调整功能，就要对于设备接口进行调整以符合应用要求。
1.3 伺服系统 数控机床的一个重要组成部分，就是数控机床在线检测系统中的伺服 系统。该系统主要控制包括进给位置和主轴转速的伺服控制，具体而言，就是对 于机床移动部件的位置以及移动速度的控制。伺服系统的工作质量对于机床的表 面质量、加工和测量精度以及生产效率都具有重要的影响力。
1.4 测量系统 测量系统是在线检测系统的关键部分，直接影响在数控加工在线检测 精度，在构成上主要包括信号传输系统、接触触发式测头以及数据采集系统。其 中的测头是测量系统的关键部件，其主要作用是在零件加工的过程中用于测量尺 寸，并据此对于加工程序进行自动更正，不断地完善零部件加工精度。从这个意 义上讲，数控机床不仅是加工设备，而且还具备了测量机的一些功能。
以英国雷尼绍公司所生产的雷尼绍测头为例，其被多数数控机床所使 用。雷尼绍测头根据各自性能的不同，包括有多种类型，按照使用功能不同，可 以划分为刀具测头和工件检测测头;按照不同的信号传输方式，可以将侧头划分 为感应式侧头、光学式侧头、硬线连接式侧头以及无线电式测头;按照不同的接 触测量形式，可以将侧头划分为接触式测量测头和非接触测量测头。在选择测头 的过程中，要根据机床的型号以及使用功能选择合适的测头。
1.5 计算机软件系统计算机软件系统是运用计算机辅助，开发数控加工的软件运行程序， 以实现在线检测。通过计算机软件系统所实现的数控加工在线检测功能包括数据 的采集，并对于数据进行技术性处理，对于数控程序的生成进行检测，包括检测 过程中的仿真和通信等等。目前数控机床的在线检测兼容了各种具有数据分析和 计算功能的软件，诸如CAM、CAD、CAE、CAPP以及VC++等软件的使用，为 测量工作简化了程序，节省了世间。
2 数控加工在线检测的工作原理 在进行数控机床在线检测的时候，计算机系统上首先要建立自动生成 检测主程序的编程系统。当启动检测主程序，计算机信息就可以通过接口传递给 数控机床，测头就按照编程系统的指令按照规定的路径运动。这些程序都是通过 G31实现跳步指令的有效性的。G31属于是非模态G指令，其对于指令程序的有 效性仅仅局限于指令的程序段中，因此，通常会用于数控机床的测头测量程序当 中。指令格式为：G31(G90/G91)IP―F―(其中的“IP”是X轴、Y轴、Z轴中的一个 轴)。G31处于执行指令段的时候，如果输入有SKIP信号，那么所执行的指令就 可以转到下一个程序段，而不必继续执行尚没有完成的指令。测头执行测量程序 的时候，如果测球已经接触到了部件，就会有触发信号发出，并通过测头与数控 系统之间所建立的准用接口传递到转换器，然后转而再传送到数控机床的控制系 统当中，记录下该点的坐标。一旦接收到信号，机床就不再运动，通过通信接口， 测量点的坐标传到计算机系统当中才储存，完成一侧测量动作，可以进行到下一 个测量动作。针对于系统测量结果，该项测量值可以实现计算补偿，并实现可视 化的数据处理。
数控加工在线检测在测量零件的几何形状时，所需要执行的检测路径 为：先将零件的待测形状确定下来，将该零件的形状特征作为几何要素，结合零 件的待测精度特征，将检测点数以及分布情况确定下来，并建立数学计算公式。
将工件的坐标系确定下来之后，可以根据检测零件的条件确定检测路径。
3 数控加工在线检测技术的应用 在零件加工中，采用在线检测技术，可以将工件的位置快速地确定下 来，并设定好坐标系。在检测工件尺寸的同时，还会根据测量的数据结果对于刀 偏量自动地修正。此外，在线自动检测及技术可以设定夹具和旋转轴，而且在进 行柔性加工中确认工件以及夹具。
3.1 应用测量软件自动修正工件坐标系使用测量软件可以在线测量工件的坐标系，避免了传统人工输入所造 成的错误，而且还会降低零部件的损坏程度，延长机床的使用寿命。
依赖于手工操作，将测头安装在主轴以及刀架的上面，手动操作进行 序中测量和首件检测，都需要操作人员具有较高的专业技能，而且如果将工件转 移到坐标测量机上，往往会不适宜。从测量效果来看，测量工件依赖于手工操作， 往往会耗时长，缺乏精确度，而且很容易出现人为误差。由于一致性较差，所以 在进行检测的时候，还需要试切，导致了重复劳动。在工件加工的过程中，如果 机床停止运行的状态下对于工件的关键尺度进行检测，如果刀具因此而磨损，都 不容易发现。
应用测量软件，使用测头检测，可以运用软件自动计算功能，根据设 定的规格对于工件的坐标数据进行修改。序中工件的测量，可以采用自动修正偏 置值的方式来进行，消除了由于操作人员人为因素所造成的误差，提高了自动化 加工控制的可靠性，同时，还使工件报废的风险降低。软件自动控制，可以通过 过程反馈实施适应性加工，以避免各种变化所造成的不断修改。在首件检测的过 程中，可以将自动偏置更新功能利用起来，尽量避免由于等待检测结果而延长停 机时间。
3.2 在数控加工的程序中嵌入测量程序 数控加工的程序中，对于零部件的测量要求精度很高，这就需要采用 高精度电压测量的方式。万用表可以实现高精度测量，而且可以进行存储程序控 制，其测量中所能够达到的测量精度非常高，而且实现了13/2位的分辨率。进行 信息通讯和测量的时候，将可编程仪器所发出的指令嵌入到VC软件系统当中， 不仅可以创立友好型的测量界面，而且还是控制程序具有较高的可读性和灵活运 用性。
软件系统在构成上，主要包括实时操作系统以及数据库软件、数据采 集和处理软件、先进控制软件以及PID软件。PID(全称：Proportion- Integral- Differential)，即为比例-积分-微分。使用该软件可以通过计算，对于数据进行直 接控制。
3.3 减低夹具的消耗费用 采用测头测量的方式将工件的坐标系找准，然后使用夹具夹紧，可以避免由于使用千分表进行手动调整而带来的各种不便。将测头安装在数控中心的 主轴位置，或者位于车削中心的刀架上，可以避免由于手动设定而造成测量误差， 对于工件具有很好的校正作用，并且设定校准轴。使用自动卡具具有很高的灵活 性，批量产品的尺寸，不但提高了劳动生产率，而且还大大地降低了停机时间。
3.4 良好的过程控制可以提高安全性 数控加工的在线检测技术，在改善过程控制的时候，工件的在线检测 所获得的尺寸能够及时做出反馈，可以降低由于操作人员的主观因素而导致的机 外检测的辅助时间减少。由于在线检测为自动化操作，因此而避免了操作者由于 运行不当而造成伤害。当防护门处于打开的状态的时候，程序无法自动运行，所 以各项指令，包括准备功能和辅助功能的指令都被迫停止。要使数控机床处于正 常的自动加工状态，就要确保机床防护门关闭，自动锁住门锁之后，可以启动工 件的找正和在线检测程序。
4 数控加工中尺寸在线检测系统中的研发 4.1 在线测量尺寸的意义 关于尺寸的在线测量是否需要停机的问题，主要是基于机床加工过程 所呈现出来的动态性和复杂性，导致各种因素对于测量精确度的影响。处于加工 状态下，加床会振动，产生热变形，切削过程中所产生的切屑以及所使用的冷却 液，都会对于检测造成影响，加之检测过程中的安全性以及仪器的安装等等的干 扰，使得对于工件尺寸直接测量非常困难。可见，对于在零件加工过程中，在线 检测尺寸，多采用简洁测量的方式，即停机测量。
数控机床的运动部件精度很高，将其与测量仪器建立起关联，就是要 实现在机测量。在良好的加工控制环境中，机床加工设备同时还可以作为测量设， 在机床精度的基础上，各种测数据软件被开发处理，不但可以达到自动测量的效 果，而且还使测量的结果更具有直观性。
4.2 生成测量程序 当测量点的分布确定之后，还要对零部件的测量路径以及测量程序加 以确定。在编制测量程序的时候，可以采用手工编制的方法，也可以自动编程。
为了对于所采集到的数据进行正确处理，要对被测量的尺寸采用分段的方式，建 立存储格式，以使所获得的几何尺寸和形位尺寸更为符合要求。在具体测量操作上，要将DHP50数控镗铣加工中心测量程序通用模板建立起来，建立起测量程序 模块，采用半自动方法将测量程序生成。在测量零件的时候，要选择使用人机交 互的方式。当各种测量参数被输入到测量程序模板中时候，就会将尺寸以及形位 误差自动生成。
4.3 加工误差补偿 当机床所获得的测量数据传输到计算机之后，软件对其进行分析处理， 以获取加工零件的尺寸数据。除了避免人为因素而导致的测量误差之外，还创造 了良好的加工环境，并根据零件标准调整零件的工艺参数。针对于机床加工零件 的线形尺寸误差，对于引起的该种现象的各种因素进行分析，主要包括刀具安全 以及操作不准确而造成的刀具磨损。这种现象的补偿可以通过在线测量软件进行 调整。使用系统软件对于数控加工程序进行调整，以修正加工误差。此外，出现 测量误差的因素还有很多，包括受力变形以及零件装夹的变形等等，都会导致形 位误差产生。基于造成测量误差的复杂性，如果仅仅通过调整刀具补偿显然是不 够的，还要根据具体的情况进行分析，以制定有效的解决措施。
5 结论 综上所述，数控加工的在线检测技术，能够对于数控加工中所存在的 缺陷及时地发现，并对于误差进行技术性修正，不但节约了加工成本，而且大大 地提高了加工效率。可见，在线检测技术在中国的加工制造业具有良好的发展前 景。