煤矿用刮板机机头架联接垫板数控加工前的工艺设计

摘要：随着我国机械制造业不断发展，数控技术的地位变得日益突出。在加工过程中，工艺设计的合理与否，对提高生产效率意义显著。因此，以车间中生产的零件为研究对象，首先了解工艺设计的原则和工艺设计中需要考虑的因素，结合生产实例，采用不同工艺类比、计算机辅助制造（ComputerAidedManufacturing，CAM）技术优化刀具路径等方法，对零件进行工艺优化，提高了生产效率，有利于节能降耗。

关键词：制造业数控技术加工工艺CAM技术

ProcessDesignofCoalMineScraperHeadFrameConnectingPadBeforeNumericalControlMachining

CAOLei

PingmeiShenmaMachineryEquipmentGroupHenanHeavyMachineryCo.，Ltd.，Pingdingshan，He’nan Province，467000China

Abstract：WiththecontinuousdevelopmentofChina’smachinerymanufacturingindustry，thestatusofNumericalControltechnologyhasbecomeincreasinglyprominent.Intheprocessofprocessing，thereasonablenessofprocessdesignissignificantforimprovingproductionefficiency.Therefore，thisarticletakesthepartsproducedintheworkshopastheresearchobject，firstlyunderstandstheprinciplesofprocessdesignandthefactorsneedtobeconsideredinprocessdesign，combinedwithproductionexamples，usingdifferentprocessanalogies，ComputerAidedManufacturing（CAM）technologytooptimizethetoolpath，theprocessofpartsisoptimized，whichimprovestheproductionefficiency，isconducivetoenergysavingandconsumptionreduction.

KeyWords：Manufacturing;NumericalControltechnology;Processingtechnology;CAMtechnology

随着我国的工业化和制造业水平的不断提高，数控技术作为一项现代化的先进制造技术，在船舶、航空航天、煤矿装备等领域的应用已经越来越广泛。数控技术不仅能够通过自动化控制、精确输出，完成精密零件的加工；而且在一定程度上减少劳动力，提高加工质量、工作效率[1]。然而，数控加工工艺作为数控加工过程中的一部分，一直是生产加工中不容忽视的环节，直接影响零件的加工质量和生产进度，甚至关系到后期装备的正常运作。因此，如何设计数控加工工艺，已成为现今制造业探究的焦点之一。

本文旨在研究数控加工工艺，并结合现有车间生产的零件，进行工艺方面的探讨，希望能够对数控机床加工工艺和仿真、试验研究的相关领域提供一定的理论和实践指导。

• 工艺设计遵循的原则

在数控加工前，需要技术人员进行零件的工艺设计。工艺设计的好坏将直接影响零件的加工质量和车间的生产进度。在工艺设计时，需要遵循以下几个原则：（1）基准先行；（2）先粗后精；（3）先主后次；（4）先面后孔。另外，在划分加工阶段，需要考虑尺寸精度、加工质量和加工效率，通常情况下，整个加工过程大致可以划分3个阶段：粗加工、半精加工、精加工。粗加工主要是开粗，提高加工效率，如铣削时，会优先考虑直径大的面铣刀和端头立铣刀，达到快速切削的目的。半精加工是为精加工留余量，一般为0.2～0.5mm，具体留量根据加工者经验确定。通过精加工，完成最后的加工精度，达到所要求的表面粗糙度。

• 工艺设计中需要考虑的主要因素

2.1数控机床

数控机床分类很多，常见的有数控车床、数控钻床、数控雕刻机、数控铣床等。数控机床的选择要与数控机床的功能、零件特征与尺寸、生产进度相匹配。例如：数控车床加工复杂的轴类零件、盘类等回转体零件；数控钻床可在纵梁、管型件、箱体类零件上进行钻、扩、攻、铰；数控雕刻机可用于金属、木材、亚克力板等进行镂空加工；数控铣床可用于复杂曲面、型腔类零件的铣削加工。

2.2刀具

刀具大致可以分为三类：（1）孔加工刀具，如中心钻、麻花钻、铰刀等；（2）数控车刀，如外圆车刀、切槽刀、螺纹刀等；（3）数控铣刀，如T型铣刀、面铣刀、球头铣刀等。合适的刀具是加工零件质量的保证，在选用刀具时，要注意以下几点[2]：（1）数控刀具的选择需要匹配工件材料及数控机床；（2）选择合适的刀具结构。刀具包括整体式的和带硬质合金刀片的，其中整体式又包括高速钢和合金钢；（3）根据工件加工形状选择合适的刀具规格。

2.3夹具类型

以板类零件的夹具为例，常用的有两种。一是虎钳夹紧。虎钳作为一种常用的夹具，一般针对板件、异性类零件，操作方便，但是加工过程中容易出现一些问题：诸如加持力度过大导致工件变形、加持面积过小引起工件松动、长时间使用夹紧力下降[3]等。一般情况下，铝件的夹持深度要保持在1.5～2mm，钢件的夹持深度要维持在2.5～3mm[4]。二是压板压紧。压板夹紧装置成本低，结构简单，缺点是容易出现压板规格型号和螺杆长度不合适、安装费时费力、技术要求高等问题[5-6]。传统的长条形压板需要结合螺杆螺母，导轨滑块等完成装夹，当夹紧力过大容易引起压板变形等情况发生，另外压板压紧位置、数量等也需要结合工艺及操作者经验进行综合考虑。

2.4切削用量

切削用量三要素包括吃刀深度、进给速度、刀具转速。对于数控机床而言，切削用量的三要素密切联系，改变其中的一个参数，另外两个均会发生相应的改变。切削用量的选择要结合机床性能、尺寸公差、刀具、零件材质等进行综合考虑，编程人员在长期的加工过程中，积累起来的加工经验可以对切削参数进行快速粗略的确定，然后在试加工过程中，通过观察切削声音、切屑、表面粗糙度等，再进行切削参数的微调，从而达到合理的参数选择。一般情况下，切削参数的确定遵循以下原则：在满足零件尺寸、表面粗糙度、形位公差等的前提条件下，按照吃刀深度、进给速度、刀具转速的顺序依次调大参数，确保每个参数达到最优[7]。现如今，很多科研人员开始把注意力集中在优化算法上，通过建立目标函数，采用遗传算法等进行目标最优的求解，最后应用到实际生产中，做到理论与实践的融合。无论最终如何获得，切削用量的选择都应以最大限度地降低加工成本，获取经济效益为前提，同时使获得较好的加工质量和生产效率为目标。

2.5合理安排加工计划

传统的机加工车间属于离散型车间，在一定的范围内布置不同或功能相似的机床。在加工一个零件不同特征时，可能会用到多个机床，这样就会形成加工等待时间和零件转运时间。一般情况下，车间的零件会存在少品种大批量、多品种小批量等多种情况，这样就会造成加工等待时间和零件转运时间的累积延长，造成工艺加工方案与加工计划的分离，进而影响加工进度和生产周期。在工期紧张的情况下，针对现场不同的零件，利用现有机床，合理的安排机床加工顺序和编排工艺显得尤为重要。合理安排零件的加工计划，兼顾加工工艺规划，对于提高生产进度效果显著。编排加工计划的方法很多，诸如利用线性规划模型求解、采用计算机语言进行编程求解等。

• 案例分析：加工大型的板式零件
  • 案例背景

此工程项目针对一批特殊形式的板式零件，用于连接机械设备中的减速机。该板式零件较以往加工的零件，特殊之处在于其较大的外形尺寸：长1700mm、宽1000mm、厚度133mm。材料为Q355，具有良好的切削性能和焊接性能。考虑零件的尺寸特殊性，因此，选用龙门式数控铣镗床。

• 准备工作

在开始加工前，需要针对零件进行分析，做好工艺设计。

3.2.1加工顺序

在加工过程中，严格按照如下顺序进行：下料—火焰切割（外形及两个长槽）—铣面（厚度留量）—铣键槽—铣开口槽—钻孔—攻丝—铣背面保厚度—钳毛

3.2.2刀具选择

在刀具选择方面，依托于加工中经常使用的刀具。选择的刀具有：φ160铣刀、U钻（φ33、φ39、φ45、φ50、φ55）、φ40玉米铣刀、φ50端面立铣刀、φ20合金立铣刀、φ50合金立铣刀。

φ160铣刀对工件表面进行粗加工，采用横向式往复运动。

待加工通孔有φ33、φ39、φ45、φ55，这样的孔数量较多，且钻孔深度大，起初考虑使用普通麻花钻，通过钻扩来完成通孔的加工，但在加工过程中，铁屑不能随着钻头带出，导致钻头磨损较快，同时加工效率低下。通过改进，采用带高压内喷式的U钻，能够很好的解决这些问题。

中间的大孔，因为之前采用火焰切割之后，单边留量5mm，如果采用普通的铣刀，加工时分层较多，并且耗时，因此改用φ40的玉米铣刀，刀片采用平行四边形刀片，利用侧刃开粗。鉴于工件材料良好的切削性能，因此，增加玉米铣刀的吃刀深度，适当放慢转速，最后采用φ50的合金立铣刀精铣，其中，φ50的合金立铣刀为定制刀具，需在特殊条件下使用，应注意切削用量的选择。

加工板上的键槽φ50x140时，选用钻铣的方式，为提高加工效率，钻头改为φ50的U钻，铣刀选用φ50的端面立铣刀，对键槽进行直线往复运动的粗加工，刀片选用平行四边形顶角85°的涂层硬质合金刀片，最后采用φ20的合金立铣刀进行清根处理。

3.2.3刀具路径

通过使用CAM来完成刀具路径的规划，检查刀具是否合适、刀具和工件是否干涉、加工周期等。由于带有点位加工编码，所以运用CAM对工件进行数控加工时，可以考虑多个环节，如行切、平面铣削、岛屿加工、轮廓加工等。另外，还能针对刀具的路径进行各种优化，诸如，陡斜面、参数线加工、高等分层等。所以，运用CAM对于刀具路径的优化具有很强的优势。

3.2.4切削参数

切削参数的设置对于加工效率、加工准确度的影响最大。使用CAM对切削参数进行设置时，多种参数都要考虑在内，如走刀模式、切削区域、切削宽度、进给速度、旋转速度、驱动模式等。

• 数控编程

通过CAM技术将加工区域生成路径，并对路径进行优化，最后将规划好的路径生成代码。

• 机床设置

机床设置包括将生成的程序导入机床、工件定位、刀具装夹、工件坐标系设置等。

• 首件试加工

按照生成的程序，进行慢速，单段运行，观察首件加工情况，包括刀具是否合适，切削用量是否合适等。调整部分刀具切削用量，如φ160铣刀，速度280mm/min，转速470r/min，吃刀深度2mm；U钻：φ55，转速450r/min，速度40mm/min等。

• 质量检测

将加工完成的工件放在质检台，对工件表面的平行度、垂直度、表面粗糙度、尺寸公差等进行测量和检查，确保加工件的指标是否符合要求，同时对加工件进行清理与包装。

• 结语

数控技术中，采用CAM技术对数控加工工艺进行优化，可以极大地提高加工效率，避免工件与刀具发生干涉，同时为数控技术的高速发展提供支撑，进一步推动制造业的迭代和创新。

参考文献

[1]郭明瑞，高卫东.基于数控技术的棉纺环锭细纱机创新发展[J].棉纺织技术，2023，51（10）：75-80.

[2]郭田军，宁雅萍，路楠.数控加工中刀具的合理使用与优化探讨[J].中国机械，2023（18）：48-51.

[3]刘居康.普通虎钳多功能研究[J].专用汽车，2023（5）：71-73.

[4]周少良.试分析数控铣加工工艺参数的合理选择[J].现代工业经济和信息化，2020，10（10）：91-92，132.

[5]韦江波.数控铣床柔性防松压板设计研究[J].装备制造技术，2022（12）：95-98.

[6]戴小军，杜春平.典型数控铣加工工艺的应用及优化[J].桂林航天工业学院学报，2018，23（1）：36-40.

[7]汪朝阳.浅析数控铣加工中的刀具及切削用量的选择[J].科技风，2022（19）：73-75.