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摘要：數(shù)控加工技術(shù)是指利用程序控制的自動化機床進行構(gòu)件加工的工藝。隨著相關(guān)技術(shù)不斷發(fā)展，數(shù)控加工自動化、集中化、柔性化的優(yōu)勢使其在制造領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。數(shù)控加工技術(shù)的優(yōu)勢有機械模具結(jié)構(gòu)相對復(fù)雜、生產(chǎn)總量較少、對精度要求高的特點。以機械模具的結(jié)構(gòu)特征為基礎(chǔ)，分析數(shù)控加工技術(shù)工藝規(guī)劃、數(shù)控編程、仿真驗證等具體應(yīng)用方法與要點。

關(guān)鍵詞：數(shù)控加工；機械模具；工藝規(guī)劃；數(shù)控編程

數(shù)控加工技術(shù)是信息化發(fā)展在制造業(yè)的具體體現(xiàn)。隨著全球工業(yè)化水平不斷提升，利用信息技術(shù)改善工業(yè)制造效率、提升產(chǎn)品精度質(zhì)量成為制造業(yè)不斷探索的方向。數(shù)控加工的出現(xiàn)和發(fā)展，為機械模具制造提供了新的技術(shù)支持。目前，車削、銑削、電火花等技術(shù)在機械模具制造中均較為常見。機械模具是諸多制造業(yè)生產(chǎn)的基礎(chǔ)，其用途、結(jié)構(gòu)等特征對加工技術(shù)有更高的要求。探究數(shù)控加工技術(shù)在機械模具制造中的應(yīng)用，在制造業(yè)發(fā)展中具有重要價值。

1數(shù)控加工技術(shù)的原理

數(shù)控加工技術(shù)是指利用程序控制的自動化機床進行構(gòu)件加工的工藝。數(shù)控加工技術(shù)的應(yīng)用可分為軟件與硬件兩部分。軟件是指數(shù)控技術(shù)所需的計算機系統(tǒng)、程序編碼等。在系統(tǒng)結(jié)構(gòu)下，根據(jù)所加工構(gòu)件的設(shè)計尺寸、材質(zhì)等要素，以預(yù)先編寫的程序進行機械自動化生產(chǎn)加工。同時，在程序的控制線計算機系統(tǒng)可處理加工制造中收集的數(shù)據(jù)，從而出現(xiàn)了柔性制造系統(tǒng)。硬件主要指數(shù)控機床及其配套設(shè)施。數(shù)控機床是實現(xiàn)數(shù)控加工技術(shù)的基礎(chǔ)，與傳統(tǒng)機床需要人工控制生產(chǎn)流程的特征不同，數(shù)控機床多類型的傳感器可以作為參數(shù)的輸入和輸出部分，有助于柔性自動化的形成。2數(shù)控加工技術(shù)的應(yīng)用特征隨著數(shù)控加工的不斷發(fā)展，該項技術(shù)在制造業(yè)中的應(yīng)用范圍日趨廣泛。數(shù)控加工技術(shù)的應(yīng)用特征主要體現(xiàn)在自動化、集中化、柔性化等方面[1]。第一，高度自動化的特征使其具備更高的效能。數(shù)控加工所需的人力較少，在改善人工成本的同時也有效提升了品控效果。第二，數(shù)控加工技術(shù)的集中化生產(chǎn)方式可改善對環(huán)境的要求并縮短制造時間。數(shù)控機床將生產(chǎn)工序集中后各工序之間的間隔時間減少，對空間的要求也顯著降低。可在相對較小的廠房中集中進行大規(guī)模生產(chǎn)。第三，數(shù)控加工的智能化在一定程度上解決了規(guī)模與柔性的矛盾。傳統(tǒng)加工方式工人熟練度和機床適用范圍導(dǎo)致生產(chǎn)線柔性不足，往往需要大規(guī)模生產(chǎn)單一產(chǎn)品以攤銷成本。而數(shù)控加工技術(shù)的柔性優(yōu)勢，更適合于當(dāng)前市場環(huán)境下個性化的產(chǎn)品需求。

3數(shù)控加工技術(shù)在機械模具制造中的應(yīng)用價值

機械模具是生產(chǎn)制造工業(yè)零件的常用工具。不同行業(yè)所需的模具形狀迥異，且相對于成品零件模具的生產(chǎn)總量較少，對精度要求高。制造企業(yè)在提交模具訂單后往往急于開工生產(chǎn)。此時模具加工企業(yè)需要在較短時間內(nèi)對陌生產(chǎn)品進行高質(zhì)量生產(chǎn)，多數(shù)情況下不允許出現(xiàn)報廢。數(shù)控加工技術(shù)的應(yīng)用，可以通過編程實現(xiàn)對新產(chǎn)品的精準(zhǔn)質(zhì)量控制。在校驗編碼無誤后即可快速進行生產(chǎn)。不同批次的機械模具生產(chǎn)僅需要調(diào)整程序編碼。實踐中很少出現(xiàn)產(chǎn)品報廢的問題，適合于加工難度較大的機械模具[2]。可見，數(shù)控加工技術(shù)在機械模具制造中具有廣泛的應(yīng)用價值。

4數(shù)控加工技術(shù)在機械模具制造中的應(yīng)用方法

4.1機械模具的加工特征。傳統(tǒng)模具加工技術(shù)在面對簡單的幾何參數(shù)時按照既有的規(guī)范化步驟生產(chǎn)。但是，隨著生產(chǎn)技術(shù)與市場需求的同步發(fā)展，機械模具日趨復(fù)雜化，數(shù)控加工技術(shù)的應(yīng)用需要考慮模具的加工特征。為進一步優(yōu)化數(shù)控加工技術(shù)的應(yīng)用效果，工藝設(shè)計人員應(yīng)當(dāng)將特征為基礎(chǔ)，發(fā)揮紐帶作用使自動化和人工識別的優(yōu)勢結(jié)合[3]。實踐中，可根據(jù)制造領(lǐng)域及合作企業(yè)的相似性尋找模具種類和形狀的共同點。利用典型特征建立模型，提高工藝自動化水平和數(shù)控代碼生成效率。一般將孔、凸臺、角等作為基本特征加以關(guān)注。也可利用總結(jié)的特征結(jié)合CAD模型不斷優(yōu)化流程布局。以代碼編寫為基礎(chǔ)，將設(shè)計人員的人工識別融入數(shù)控加工技術(shù)中。按照所加工模具的尺寸、數(shù)量、自由度等參數(shù)合理選擇機床設(shè)備，并按照模具的基本幾何特征選擇刀具。4.2機械模具的工藝規(guī)劃。機械模具對產(chǎn)品質(zhì)量、效率的要求較高。模具加工企業(yè)應(yīng)用數(shù)控加工技術(shù)的前期成本較高，對效益的控制也較為嚴(yán)格。因此，在制造過程中需要合理進行工藝規(guī)劃，在提升生產(chǎn)效能的基礎(chǔ)上也為代碼生產(chǎn)建立穩(wěn)固的基礎(chǔ)。工藝的規(guī)劃設(shè)計應(yīng)當(dāng)遵循集中化的原則，按照由粗到細(xì)的方式進行。工藝應(yīng)當(dāng)確保模具一次裝夾內(nèi)的工序完成度，追求一次性加工完成的目標(biāo)。這樣可以降低設(shè)備的采購與使用成本。機械模具作為制造產(chǎn)品的工具，對定位誤差要求較高，采取此設(shè)計可有效降低不同機床間誤差對模具的影響。同軸孔宜采取一次定位加工的規(guī)劃，并減少換刀和模具移動，進一步提升精度。在刀具行駛、更換等路徑的設(shè)計中，應(yīng)當(dāng)盡量采取較短的方案。粗加工在前，精加工在后。在同等級別下，需參照上一步工序結(jié)束后刀具的位置，優(yōu)先安排此時距離刀具最近的工序。平面加工工序安排完成后再規(guī)劃孔、內(nèi)表面工序，最后進行外表面加工。由于銑刀加工時對模具表面施加的力較大，遇有高精度模具加工時，細(xì)微的材料變形也可能影響加工質(zhì)量。因此銑平面與鉆孔應(yīng)當(dāng)在時間上交替進行。4.3機械模具的數(shù)控編程。數(shù)控加工技術(shù)的實現(xiàn)離不開科學(xué)的編程。機械模具制造的柔性特征使數(shù)據(jù)加工技術(shù)中的編程工作量增加，程序的合理性對數(shù)控加工技術(shù)的應(yīng)用效果有重要影響。傳統(tǒng)的G代碼無法適應(yīng)部分機械模具制造中復(fù)雜的刀具運動軌跡。因此，目前以CAM為代表的數(shù)控編程軟件在相關(guān)工作中不斷得到應(yīng)用和發(fā)展。CAM軟件可實現(xiàn)復(fù)雜的人機交互，有助于改善人工提取模具幾何特征對制造效率的不利影響。此類軟件將所需制造的模具幾何特征作為關(guān)鍵參數(shù)，利用信息化計算更加快速、精準(zhǔn)的生成編碼。將模具幾何參數(shù)、材料特征等輸入軟件，系統(tǒng)可自動生成列表。根據(jù)列表中出現(xiàn)的特征，編程人員可參照工藝設(shè)計逐一確定機床、刀具等設(shè)備。隨后，利用簡化后的特征生成制造工序，設(shè)計刀具路徑、切削參數(shù)。經(jīng)過工藝設(shè)計規(guī)劃人員復(fù)核后，可在軟件中直接生成與工藝對應(yīng)的程序代碼并導(dǎo)入數(shù)控設(shè)備[4]，降低人工編碼發(fā)生錯誤的可能性。4.4機械模具的仿真驗證。雖然數(shù)控加工技術(shù)的自動化使錯誤發(fā)生的概率極大降低，但受到環(huán)境等因素影響，實踐中難以完全避免碰撞、過切等問題的出現(xiàn)。因此，機械模具制造工藝流程和數(shù)控編碼生成后需要進行仿真驗證?；趯Ξ?dāng)前制造環(huán)境的模擬，預(yù)先判斷制造過程中的各類因素對加工動態(tài)的影響，從而確保實際制造時的工作效率。利用運動學(xué)建立三維運動場景并輸入完整的控制程序。解析NC文件中的加工指令，掃描后進行模擬預(yù)算，生成顯示結(jié)果。此時，計算過程與布爾減預(yù)算處于相互獨立的狀態(tài)，可確保驗證過程的準(zhǔn)確性。NC文件解析過程中需要注意對掃描體的構(gòu)造，將刀軸矢量輸入軟件中以增強驗證結(jié)果的準(zhǔn)確性。同時，應(yīng)當(dāng)一并啟動插補運算功能，等候驗證結(jié)果生成。目前常見的驗證軟件均以動態(tài)圖形的形式顯示仿真驗證過程。當(dāng)模具實際模型與仿真驗證生成的模型存在差異時，可通過動態(tài)圖像的變化分析數(shù)控程序中存在的問題并加以改善。

5數(shù)控加工技術(shù)在機械模具制造中的應(yīng)用要點

5.1特征處理要點。機械模具制造中的特征處理主要包括圓角、倒角和孔三類，處理過程包括識別和簡化兩步。圓角的處理應(yīng)當(dāng)遵循條件匹配原則，從二邊流形體的維度提取特征。實踐中，圓柱又分為類柱圓角和普通圓柱，對其區(qū)分可從邊界角度出發(fā)。對不同圓角的特征界定可以將模具的曲率、曲面半徑等作為指標(biāo)。任何圓角中都必然存在一條以上的光滑邊，可根據(jù)此定理將光滑邊與其相鄰面的過渡特征作為圓角的識別要素。倒角特征處理時可以將邊替換為錐面或平面。實踐中生成的倒角特征往往呈現(xiàn)為帶狀幾何結(jié)構(gòu)，可提取其長度、廣度等作為特征指標(biāo)。孔的特征處理應(yīng)注意對方向性的判斷。一般將孔的內(nèi)環(huán)作為特征進行提取，此時需要注意其向支持面的延伸特征以便進一步區(qū)分、識別。內(nèi)環(huán)特征主要指入口處的直徑等參數(shù)。各類特征的簡化既可以采取整體化方案，也可選用分步進行的方式。分步法方式中的整體刪除、順序刪除等策略分別適用于簡單和復(fù)雜的場景，需要根據(jù)模具制造的實際情況合理利用。5.2實體建模要點。實體建模是仿真驗證的關(guān)鍵技術(shù)。實踐中可采取邊界、構(gòu)造或空間分割等不同方法進行。邊界法的優(yōu)勢在于數(shù)據(jù)小、速度快，但缺少必要的整體性描述。構(gòu)造法對邊界的描述不足，在光柵處理速度的提升方面具有優(yōu)勢?？臻g分割法中最為常見的八叉樹表示法對復(fù)雜的機械模具建模更加有效。由于實體建模所需數(shù)據(jù)量較大，當(dāng)內(nèi)存資源不足時驗證速度會顯著降低，從而影響生產(chǎn)進度。反之，采取簡化數(shù)據(jù)的方式將導(dǎo)致驗證結(jié)果準(zhǔn)度降低，也會影響驗證的有效性。因此，實踐中應(yīng)當(dāng)以合理的方法運用，實現(xiàn)精度與效度的平衡。

6結(jié)束語

綜上所述，數(shù)控加工技術(shù)所具備的優(yōu)勢可以滿足機械模具制造的特殊要求。以相關(guān)技術(shù)生產(chǎn)的機械模具可以實現(xiàn)短時間、高質(zhì)量交付。在實際應(yīng)用中，可以將模具的加工特征作為核心，以效率與質(zhì)量為指標(biāo)，不斷優(yōu)化加工工序和數(shù)控程序。并利用仿真驗證預(yù)先進行校驗，以實現(xiàn)低成本下高質(zhì)量模具的加工制造。

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作者:徐留明 毛雪 單位:鐘山職業(yè)技術(shù)學(xué)院