1、數(shù)控加工技術(shù)的現(xiàn)狀

隨著人們對工業(yè)加工精度和復(fù)雜度的要求提高，對加工設(shè)備的性能要求也越來越高。20世紀(jì)以來，各國紛紛發(fā)展數(shù)控加工技術(shù)，以解決復(fù)雜件的加工問題，比如對曲面配合件的加工。

1.1國內(nèi)現(xiàn)狀

2003年開始，中國就成了全球最大的機床消費國，也是世界上最大的數(shù)控機床進(jìn)口國。目前正在提高機械加工設(shè)備的數(shù)控化率，國家十一五科技發(fā)展規(guī)劃也明確提出，提高大型設(shè)備數(shù)控化水平。但是目前我國整體大型設(shè)備的數(shù)控水平低，機械加工的精度、復(fù)雜度、精度保持度等都遠(yuǎn)低于國際水平。而加工中心作為機床家族的重要組成部分，今年來雖然也越來越受到國人重視，但是多為進(jìn)口或者合資企業(yè)產(chǎn)品，其技術(shù)水平也較低。我國目前各種門類的數(shù)控機床都能生產(chǎn)，水平參差不齊，有的是世界水平，有的比國外落后10－15年。在精度方面，國內(nèi)機床水平追趕國外先進(jìn)水平的距離也很長。目前我國大型加工中心很難達(dá)到0.005mm，國外由于技術(shù)先進(jìn)，則可以達(dá)到0.003mm。在精度保持度方面，國內(nèi)一般為5年，國外則能夠達(dá)到10年。目前國內(nèi)在軸承、絲杠、刀具等決定機械精度的方面技術(shù)能力都不夠。而國內(nèi)數(shù)控系統(tǒng)最大的瓶頸在于國內(nèi)系統(tǒng)是基于單板機的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的，至今沒有一家是基于數(shù)字邏輯電路的設(shè)計。我國數(shù)控技術(shù)的發(fā)展起步于二十世紀(jì)五十年代，通過“六五”期間引進(jìn)數(shù)控技術(shù)，“七五”期間組織消化吸收“科技攻關(guān)”，我國數(shù)控技術(shù)和數(shù)控產(chǎn)業(yè)取得了相當(dāng)大的成績。特別是最近幾年，我國數(shù)控產(chǎn)業(yè)發(fā)展迅速，1998～2004年國產(chǎn)數(shù)控機床產(chǎn)量和消費量的年平均增長率分別為39.3%和34.9%。盡管如此，進(jìn)口機床的發(fā)展勢頭依然強勁，從2002年開始，中國連續(xù)三年成為世界機床消費第一大國、機床進(jìn)口第一大國，2004年中國機床主機消費高達(dá)94.6億美元，國內(nèi)數(shù)控機床制造企業(yè)在中高檔與大型數(shù)控機床的研究開發(fā)方面與國外的差距更加明顯，70%以上的此類設(shè)備和絕大多數(shù)的功能部件均依賴進(jìn)口。我們應(yīng)看清形勢，充分認(rèn)識國產(chǎn)數(shù)控機床的不足，努力發(fā)展先進(jìn)技術(shù)，加大技術(shù)創(chuàng)新與培訓(xùn)服務(wù)力度，以縮短與發(fā)達(dá)國家之問的差距。

1.2國外現(xiàn)狀

美國政府重視機床工業(yè)，美國國防部等部門因其軍事方面的需求而不斷提出機床的發(fā)展方向、科研任務(wù),并且提供充足的經(jīng)費，且網(wǎng)羅世界人才，特別講究“效率”和“創(chuàng)新”，注重基礎(chǔ)科研。因而在機床技術(shù)上不斷創(chuàng)新，如1952年研制出世界第一臺數(shù)控機床、1958年創(chuàng)制出加工中心、70年代初研制成FMS、1987年首創(chuàng)開放式數(shù)控系統(tǒng)等。由於美國首先結(jié)合汽車、軸承生產(chǎn)需求，充分發(fā)展了大量大批生產(chǎn)自動化所需的自動線，而且電子、計算機技術(shù)在世界上領(lǐng)先，因此其數(shù)控機床的主機設(shè)計、制造及數(shù)控系統(tǒng)基礎(chǔ)扎實，且一貫重視科研和創(chuàng)新，故其高性能數(shù)控機床技術(shù)在世界也一直領(lǐng)先。當(dāng)今美國生產(chǎn)宇航等使用的高性能數(shù)控機床，其存在的教訓(xùn)是，偏重于基礎(chǔ)科研，忽視應(yīng)用技術(shù)，且在上世紀(jì)80代政府一度放松了引導(dǎo)，致使數(shù)控機床產(chǎn)量增加緩慢，于1982年被后進(jìn)的日本超過，并大量進(jìn)口。從90年代起，糾正過去偏向，數(shù)控機床技術(shù)上轉(zhuǎn)向?qū)嵱茫a(chǎn)量又逐漸上升。德國1956年研制出第一臺數(shù)控機床后，德國特別注重科學(xué)試驗，理論與實際相結(jié)合，基礎(chǔ)科研與應(yīng)用技術(shù)科研并重。企業(yè)與大學(xué)科研部門緊密合作，對數(shù)控機床的共性和特性問題進(jìn)行深入的研究，在質(zhì)量上精益求精。德國的數(shù)控機床質(zhì)量及性能良好、先進(jìn)實用、貨真價實，出口遍及世界。尤其是大型、重型、精密數(shù)控機床。德國特別重視數(shù)控機床主機及配套件之先進(jìn)實用，其機、電、液、氣、光、刀具、測量、數(shù)控系統(tǒng)、各種功能部件，在質(zhì)量、性能上居世界前列。日本自1958年研制出第一臺數(shù)控機床后，1978年產(chǎn)量(7,342臺)超過美國(5,688臺)，至今產(chǎn)量、出口量一直居世界首位(2001年產(chǎn)量46,604臺，出口27,409臺，占59%)。戰(zhàn)略上先仿后創(chuàng)，先生產(chǎn)量大而廣的中檔數(shù)控機床，大量出口，占去世界廣大市場。在上世紀(jì)80年代開始進(jìn)一步加強科研，向高性能數(shù)控機床發(fā)展。日本FANUC公司戰(zhàn)略正確，仿創(chuàng)結(jié)合，針對性地發(fā)展市場所需各種低中高檔數(shù)控系統(tǒng)，在技術(shù)上領(lǐng)先，在產(chǎn)量上居世界第一。另外還有臺灣和韓國的機床也比中國先進(jìn)。

1.3數(shù)控加工本身的特點

數(shù)控加工操作系統(tǒng)日益開放、數(shù)控系統(tǒng)向軟數(shù)控系統(tǒng)發(fā)展、控制系統(tǒng)向智能化方向發(fā)展、向網(wǎng)絡(luò)化方向發(fā)展、向高可靠方向發(fā)展、向多軸聯(lián)動方向發(fā)展、向復(fù)合型方向發(fā)展的市場趨勢。數(shù)控加工具有柔性好，自動化程度高的特點，對于輪廓形狀復(fù)雜的曲線的加工尤其適合。數(shù)控加工中心是一種帶有刀庫并能自動更換刀具，對工件能夠在一定的范圍內(nèi)進(jìn)行多種加工操作的數(shù)控機床。本產(chǎn)品屬于大型加工中心，主要用來加工復(fù)雜結(jié)構(gòu)、工藝及精度要求高的大型設(shè)備部件的數(shù)控加工工具。其特點是：被加工零件經(jīng)過一次裝夾后，數(shù)控系統(tǒng)能控制機床按不同的工序自動選擇和更換刀具；自動改變機床主軸轉(zhuǎn)速、進(jìn)給量和刀具相對工件的運動軌跡及其它輔助功能，連續(xù)地對工件各加工面自動地進(jìn)行鉆孔、锪孔、鉸孔、鏜孔、攻螺紋、銑削及刨削等多工序加工。由于加工中心能集中地、自動地完成多種工序，避免了人為的操作誤差、減少了工件裝夾、測量和機床的調(diào)整時間及工件周轉(zhuǎn)、搬運和存放時間，大大提高了加工效率和加工精度，所以具有良好的經(jīng)濟效益。加工中心按主軸在空間的位置可分為立式加工中心與臥式加工中心。利用數(shù)學(xué)方式輸入，加工過程可任意編程，主軸及進(jìn)給速度可按加工工藝需要各自變化，且能實現(xiàn)多座標(biāo)聯(lián)動，易加工復(fù)雜曲面。對於加工對象具有“易變、多變、善變”的特點，換批調(diào)整方便，可實現(xiàn)復(fù)雜件多品種中小批柔性生產(chǎn)，適應(yīng)社會對產(chǎn)品多樣化的需求。利用硬件和軟件相組合，能實現(xiàn)信息反饋、補償、自動加減速等功能，可進(jìn)一步提高機床的加工精度、效率、自動化程度；數(shù)控機床是以數(shù)字控制為主的機電一體化機床，充分發(fā)揮了微電子、計算機技術(shù)特有的優(yōu)點，易于實現(xiàn)信息化、智能化、網(wǎng)絡(luò)化，可較易地組成各種先進(jìn)制造系統(tǒng)，如FMS、FTL、FA，甚至將來的CIMS，能最大限度地提高工業(yè)的生產(chǎn)率、勞動生產(chǎn)率。

1.3.1數(shù)控系統(tǒng)與加工能力

目前處于世界領(lǐng)先水平的數(shù)控操作系統(tǒng)在設(shè)計中大量采用模塊化結(jié)構(gòu)。這種結(jié)構(gòu)易于拆裝、各個控制板高度集成，使可靠性有很大提高，而且便于維修、更換。FANUC系統(tǒng)設(shè)計了比較健全的自我保護(hù)電路。PMC信號和PMC功能指令極為豐富，便于工具機廠商編制PMC控制程序，而且增加了編程的靈活性。系統(tǒng)提供串行RS232C接口，以太網(wǎng)接口，能夠完成PC和機床之間的數(shù)據(jù)傳輸。FANUC系統(tǒng)性能穩(wěn)定，操作界面友好，系統(tǒng)各系列總體結(jié)構(gòu)非常的類似，具有基本統(tǒng)一的操作界面。FANUC系統(tǒng)可以在較為寬泛的環(huán)境中使用，對于電壓、溫度等外界條件的要求不是特別高，因此適應(yīng)性很強。

1.3.2機械系統(tǒng)與加工能力機械系統(tǒng)

目前以德國最好。目前較為先進(jìn)的設(shè)備，保留了其先進(jìn)的全靜壓塊靜壓結(jié)構(gòu)和雙層式床身結(jié)構(gòu)，增加了四柱雙驅(qū)的平衡驅(qū)動方式，有效解決了消隙及驅(qū)動平衡的難題，采用斜齒齒輪對，使轉(zhuǎn)臺運轉(zhuǎn)更加平穩(wěn)；采用上壓式鑲條滑塊結(jié)構(gòu)，機床轉(zhuǎn)臺自適應(yīng)調(diào)整液壓夾緊裝置使得B軸聯(lián)動旋轉(zhuǎn)加工精度更高，更加穩(wěn)定；機床主軸采用液壓氮氣平衡，確保機床的快速響應(yīng)速度，使機床運行更加平穩(wěn)可靠。具有智能數(shù)字刨銑工能，可加工直角、銳角孔及異形斜面樣條溝槽。該機床正式投產(chǎn)后機床直線精度（X\Y\Z）可達(dá)±0.003㎜，旋轉(zhuǎn)（B）精度可達(dá)±2S”，直線重復(fù)定位精度達(dá)到0.001㎜。產(chǎn)品精度保持度可達(dá)10年以上，大大提高了機械的使用壽命。除此之外，目前先進(jìn)數(shù)控加工設(shè)備還采用很多應(yīng)用性很強的技術(shù)來提高加工精度和難度，保證其可以加工復(fù)雜的曲面件。在提高轉(zhuǎn)臺精度及平穩(wěn)性方面：采用四柱雙驅(qū)技術(shù)，由原來的一側(cè)一個齒輪驅(qū)動改為在180°水平方向上按對等夾角兩對雙齒輪驅(qū)動，每對齒輪可自動消隙。機床轉(zhuǎn)臺精度長久保持性：使用12個獨立的高耐磨銅靜壓塊代替原來的貼塑耐磨條工藝，因靜壓幾乎無磨損而長期保持精度。溫度對機床精度的影響方面：使用溫度補償功能，在機床內(nèi)部安置溫度傳感器，利用激光干涉儀測出其溫度變化時機床在各溫度下的變化值，然后再機床參數(shù)中補正。刨銑功能開發(fā)（直角孔槽加工）：利用機床CS功能，使主軸與X、Y、Z軸移動的同時，主軸按刀具切線方向控制轉(zhuǎn)角。機床慣量的控制：使用液壓氮氣組合平衡方式代替配重鐵平衡方式，減少機械運動質(zhì)量和運動中的動量慣量。

2、復(fù)雜曲面配合件的數(shù)控加工工藝

能夠加工復(fù)雜曲面配合件是數(shù)控加工設(shè)備的重要性能之一。下面以一復(fù)雜的曲面加工件為例談?wù)剶?shù)控加工工藝。

2.1對復(fù)雜曲面配合件的零件圖形進(jìn)行分析

例如:某軸類配合件,材料為45鋼。對零件圖分析能夠了解到零件的一些特征。要了解到零件的材料、毛坯大小、加工性能，零件的幾何尺寸、尺寸精度、形位公差、表面粗糙度及熱處理等技術(shù)要求。該零件加工部位有：內(nèi)孔(錐度接圓弧孔、臺階孔、內(nèi)螺紋、內(nèi)倒角)、復(fù)雜曲面配合件的外輪廓(一個錐度接圓弧、部分橢圓、若干外倒角)、復(fù)雜曲面配合件的外輪廓(多圓弧相接)。