数控机床金属零件加工中精度工艺优化研究

王静静，雷 佩

（郑州轻工业大学，河南 郑州 450002）

在21世纪以信息化带动工业化发展的战略影响下，国内制造业产生了翻天覆地的变化，作为现今的制造技术重要分支，数控机床的加工工艺为现代化工业发展迈向自动化生产领域提供的技术支持。随着我国数控机床行业的迅猛发展，对机床中金属零件的应用规模逐渐扩大，如何在缩短辅助工具用时的前提下，保证加工产品的去除材料速率，对高速以及高精的工艺手段提出了更苛刻的要求。在计算机的高速运算下实现切削参数的选择完成自动化或者半自动化生产，和完全依赖传统手艺相比，在此模式下完成的定性参数能够同时对不同的条件约束下，做综合的考虑和平衡，从而达到快速低成本的经济成果[1]。在以美国为首的西方国家中已经完成一系列的优化工艺数控加工切削参数数据库，在世界知名的波音飞机公司等已经广泛采纳，并产生了非常明显的经济效益。而国内的数控机床中由于关键性零件的尺寸各不相同，结构制造较为复杂，因此在加工过程中传统的工艺手法会导致工作效率过低。本文提出利用动力学建模的方法对典型的加工工艺进行优化研究，寻找切削参数的最优结果，为提高金属零件的加工效率提供科学依据。

1 数控机床金属零件加工中精度工艺优化方法

1.1 构建动态矢量变换模型

数控机床中金属零件的加工中会涉及到旋转轴的旋转角度变换问题，为实现该旋转角度能够满足实际的转动范围，通过动态矢量法建立变换模型。为确保动态矢量之间的变换关系需要根据机床的工作原理了解切削工具与零件表面的建立条件：一是金属零件的路径规划不能超过材料的精度成形轮廓，二是在切割过程中要保持材料喷嘴与零件侧面的平行[2]。根据上述条件在建模过程中依据动态矢量的变化特征，对需要减材的零件设备只能延其表面做横向移动，工具的轴线必须和接触点的矢量保持平行状态，而在增材的过程中熔覆喷嘴的行动路径需要沿着切割面进行移动，工具的轴线必须和切削的接触点保持切向平行，两者在垂直中位线上形成90度的夹角[6，7]。在此过程中这些矢量的动态变换必须在路径开始时就完成熔覆点的侧面平行轮廓设定，在路径选择中通过反向螺旋的方法使工具能够和零件的接触面保持垂直状态，无论工作轴怎么变换角度整个过程都可以沿着设定方向移动，完成动态矢量的变换模型构建。

1.2 定位金属零件加工基准面

在变换模型构建完成后需要对加工零件的基准面进行定位选择，定位基准面是由加工工艺中在机床或者夹具的使用中，工具放置的点和线在形成的夹角可以形成面状的结构。一个良好的加工基准面可以将零件的加工程序简化，大体上基准面的选择是根据金属零件的工件能否被加工分类，根据其原始表面的粗糙程度将其表面分为粗度基准、精度基准以及中和基准三个类型。根据设定好的加工条件和要求，将设计者的想法和图纸进行数字化可视化处理，可以把复杂的切削过程中多个目标分解为简单的极值条件[4，5]。每个基准面在加工之前都是一个平行的分层结构，两个相邻的层面之间具有同类似的对应点，在模型变换过程中上一层的点进行相连形成平行线，和相邻的层面之间构成台阶效应。因此在零件加工过程中必须先设定一个表面作为基础待加工面，利用基础面作为分层结构演变的初始面在路径运行中进而矢量的变换轨迹保持一致，当模型中的运动轨迹始终和选择的初始面保持平行，则可进行相邻层面的递进选择，将其作为金属零件加工的定位基准面。

1.3 计算位置误差确定优化参数

在完成的组合定位设定上，每个定位基面的选择需要满足工件加工的精度要求，因此需要计算加工工件和刀具之间的位置误差用以保证后续的优化参数设定[3]。在每个加工零件的标准尺寸中，将零件尺寸的中心位放置在直角坐标系中，每个轴线的的具有一定的选择范围，X轴可以代表零件在其坐标系中的自由旋转度，不超过0.05设定值，Y轴代表定位基准和另加加工位置的重合范围，设定值小于0.04。由于每个金属零件的尺寸各不相同，在位置选择过程中产生的定位、安装以及调整三者之间的误差，会对最终的加工精度起到关键影响，因此三者之间必须满足工件公差，表达式为：

公式中：◊K表示定位产生的误差范围；◊U表示安装过程产生的误差范围；◊Z表示调整时产生的误差范围。其定位基准必须满足零件的垂直轴线，工序的基准设定要满足平行轴线。每个零件在安装时都会将其放置在垂直中心点的位置上，让其围绕坐标做自由旋转过程，寻找能够和基准面重合的位置。当中心点的位置能和两个轴线重合时，其实水平放置定位误差在0.01mm以内，将该范围的1/4作为参数优化值即可，在此基础上完成优化方法的研究。

2 实验论证分析

2.1 实验准备

为验证本文设计的优化方法具有实际应用效果，以数控机床中螺旋金属孔群加工为样本，选取一组传统加工工艺下作为优化对比参照。设置孔群中的孔位中的加工直径与加工中心坐标各不相同，为了区别每个孔位的摆放位置，按照1-12进行排序，具体参数设定如下表1所示。

表1 孔位加工参数

根据表中设置的12个孔位参数，在数控机床加工过程中会产生11组不同的组合路径，其中参数最小的孔位作为起始点为最短路径。将传统工艺方法和优化后的工艺分别运用在孔位起始点选择中，具体形成的路径如图1所示。

图1 工艺优化前后路径对比结果

如图所示传统工艺在路径选择上直接按照孔位放置路线的顺序进行排列，而使用文本方法优化后，在路径选择上可以根据孔位最小参数选择路径起始点，找到最短距离。说明本次设计的优化方法具有实际应用效果。

2.2 测试结果分析

为了测试结果更加准确，分别利用传统工艺和优化后的工艺进行孔位路径的设定，测定优化前后路径的选择时间。根据霍梅尔Y300测试仪，在机床主轴最大电机功率为30kW的设定下进行6次测试，具体结果如下表2所示。

表2 优化前后所用时间（min）

从表中数据可知，优化前传统工艺的实际平均用时为55.10min，优化后的平均用时为31.99min，较比之前减少了23.11min，能够有效提高加工工作效率。