数控加工技术在金属材料加工中的应用研究论文

 

　　关键词：数控加工技术,金属材料,3D建模

 

　　数控加工技术自20世纪50年代问世以来，已经经历了从简单的数控车床到复杂的多轴联动数控机床的发展历程。在我国科技高速发展过程中，数控加工技术在金属材料加工中的应用越来越广泛，成为现代制造业提高生产效率和加工质量的关键技术手段。传统的金属材料加工中往往只能依靠人力，由于人工加工存在一定误差，所以加工精度无法得到全面保障。因此深入分析数控加工技术在金属材料加工中的应用具有十分重要的现实意义。

 

 

　　数控加工技术是一种通过计算机程序控制机床的运动和加工过程，实现对工件的精密加工的技术，这种技术的核心就在于高精度和自动化特性。其主要包含以下几部分：①数控系统。这个系统可以看作是数控机床的大脑，主要由计算机、控制软件和硬件接口组成。计算机主要负责接收和处理输入的加工指令，控制软件主要用于解释加工指令并将它们转化为机床运动的具体操作指令。硬件接口则是负责信息传输的通道。②加工程序。这部分是数控加工技术的语言，通常采用CNC代码指令。③伺服系统。主要由伺服电机和伺服驱动器组成，伺服电机负责驱动机床各个运动部件，如主轴、刀具和工作台等。伺服驱动器则根据数控系统的控制指令，调节伺服电机的速度和位置，确保机床各个部件按预定轨迹运动。

 

　　2数控加工技术在金属材料加工中的应用优势

      2.1节约材料

 

　　与传统加工技术相比，数控加工技术能够有效节约原材料。工作人员利用数控加工技术进行操作，可以通过计算机对刀具路径和切削深度进行精准控制，最大限度地减少废料生成。在工作人员输入加工参数之后，编写好的加工程序会严格按照计算机给出的具体路径对材料进行加工，确保每个材料都能够得到最大化应用。同时，技术人员在实际应用过程中还可以根据原材料的大小、尺寸，对执行程序算法进行优化，根据实际材料体积给出最优的切割方法，进而提升材料的利用效率。比如针对同一个金属材料的加工，通过对加工路径的优化，能够对多个金属工件进行同时加工，进而使金属材料得到最大化应用。

 

　　2.2灵活性

 

　　现代制造业越来越趋向于多品种、小批量生产，这对加工设备的柔性提出了更高的要求。数控机床可以通过改变加工程序快速适应不同类型的工件，无需进行复杂的机械调整。比如，在汽车制造领域，一个零件的设计变更只需修改数控程序，并将新的代码输入机床即可完成生产调整，极大地缩短了产品开发和制造周期。数控加工技术还可以与CAD、计算机辅助制造（CAM）系统集成，实现从设计到生产的无缝对接，快速响应市场需求变化。此外，数控机床支持多轴联动加工，可以实现复杂曲面和三维结构的高效加工，这在模具制造和高精度零部件生产中尤为重要。

 

　　2.3自动化

 

　　数控加工技术在应用过程中通常是依靠事先编程的程序进行执行，这种加工程序在执行过程中会根据金属材料的材质、体积、加工需要进行自动化操作，整个过程不需要人工的多维度干预。这极大程度上降低了人工加工出现误差的可能性。如果加工提料过大，相关人员还可以在数控机床上添加自动上下料系统、刀具库和自动换刀系统，实现一键式操作，进一步提高生产效率。在24h不间断生产的工况下，数控加工技术的自动化特性特别显著，它能够保持一致的加工质量，不受操作人员技能水平的影响。比如在小米品牌的汽车制造中，为了实现24h自动生产，工作人员就利用数控加工技术对汽车零部件进行加工，同时配备智能上下料系统，使得加工过程中全程不用人工操作。

 

　　2.4高精度

 

　　数控加工技术凭借精密的数控系统和高性能的伺服驱动系统，可以实现微米级的加工精度，可以满足高要求的零部件制造，比如电子仪器元件、航空发动机制造等，数控技术通过计算机程序控制刀具运动，消除了手工操作带来的误差，确保加工的稳定性和一致性。此外，数控机床采用的闭环控制系统，能够实时反馈和修正加工误差，进一步提高加工精度。先进的测量和检测技术，如激光测量和三坐标测量仪，也可以集成到数控机床中，在加工过程中对工件进行实时测量和校正，确保最终产品符合严格的精度要求。

 

　　3数控加工技术在金属材料加工中的应用流程

       3.1加工准备

 

　　由于数控加工技术在应用中不需要人工进行操作，因此需要在加工前进行详尽的准备工作，工作人员需要提前准备好需要加工的金属原材料，并对金属材料的质量进行全面检查，最后按照加工需要对金属材料进行初步加工，将其加工成符合备料架大小的尺寸。在人员准备方面，虽然在加工过程中不需要人工干预，但是也需要配备相应的技术人员对机器进行操作，而且由于数控加工机器操作难度较高，因此需要对其进行培训，确保工作人员完全掌握数控加工中的调试程序。最后是技术准备与设备准备，工作人员需要提前对金属材料的加工数据进行了解，以便满足数控加工需求，而对于加工设备的准备主要是指对其开展的维护工作，确保加工前数控设备的正常运行。

 

　　3.2输入加工参数

 

　　在正式加工之前，工作人员需要提前将金属材料的加工参数输入到系统终端，并对金属材料进行变化，确保每个金属材料都能够按照加工需要进行精准加工。工作人员需要开启数控设备进行预热，在设备预热成功之后，启动设备电源，等待设备出现操作界面之后，将加工参数输入进去，包括对金属材料加工的尺寸、角度等数据，同时要在输入参数时，基准点设置为实际设备位置，金属材料数据的录入要保证相互对应，在检查无误之后，系统会根据实际加工参数生成多功能模型，并准备加工。

 

　　3.3齿轮安装

 

　　工作人员在输入参数之后，要根据需要加工的金属构件尺寸，选择合适的齿轮模具，通常情况下齿轮包含中速、快速、慢速，不同速度的齿轮能够对不同尺寸的金属材料进行加工，因此为了降低加工误差，需要根据材料尺寸进行合理选择。

 

　　3.4参数调用

 

　　在齿轮模具安装完成后，需要进一步调用设备的相关参数，在对数控设备进行启动之前，先进行调试，对于金属材料的三维尺寸要进行检查，在恢复到参考点后，调用相关的加工参数，也可以使用自动操作模式。

 

　　3.5材料加工

 

　　在上述流程完毕之后，就可以开始正式加工，在数控机床运行过程中，工作人员需要对备用材料进行实时监控，一旦出现备料不足的情况就需要停止机器运行并添加材料。在上料过程中需要确保每个材料的尺寸一致，避免加工程序混乱。而且在应用过程中一旦数控机床出现故障，工作人员需要立即按下紧急停止按钮，待故障处理完毕之后才能继续加工。

 

 

　　某道路施工项目涉及大量的钢筋施工，因此需要对钢筋进行加工，而传统的加工技术中主要依靠人力配合切割设备对金属材料进行加工，由于人力水平的存在差异，所以钢筋加工效率和精度都无法满足道路施工需要，因此技术人员利用数控加工技术对钢筋进行加工，在避免加工中出现安全问题的同时还提升了加工效率。在应用数控加工技术之后，工作人员与传统加工方式进行对比，发现采用传统的加工方式工作人员3个工作日可以加工30m长箱梁钢筋，而利用数控加工技术进行钢筋加工，工作人员仅1天就可以完成加工，每片箱梁的加工可以节约2个工作日。

 

　　4.1 3D建模和CAD设计

 

　　在上述案例中，工作人员在应用数控加工技术之前，对钢筋的尺寸、材质等信息进行了综合分析，以便后续加工程序的编写，而为了对不同部分的钢筋材料进行精准加工，技术人员利用3D建模软件对钢筋在道路工程中的实际形态进行了模拟，施工人员可以借助该软件对钢筋的细节进行查看，方便后续的施工。而利用CAD软件，则能够让金属工件的3D模型更加完美，工作人员可以在金属工件的3D模型上对材料的弯曲程度、孔洞等细节进行刻画，以便进一步完善对钢筋的加工细节。此外，工作人员需要对CAD设计图纸进行合理保存，在后续的参数录入时凭借设计图纸能够确保参数的准确性。

 

　　4.2加工程序的编写

 

　　首先，工作人员在3D建模完成之后，还需要对加工程序进行编写，通常情况下，简单的钢筋加工可以借助CAM软件自动生成加工程序，但是由于道路工程中许多施工部分都需要用到钢筋材料，因此，一些复杂的钢筋加工需要手动对程序进行调整，在编程过程中，工作人员根据钢筋的长度、弯曲程度以及直径等信息，对加工刀具进行合理选择，同时结合钢筋的材质需求对刀具的切削能力进行判断，确保加工刀具能够符合钢筋切割需要。其次，技术人员需要对刀具的运动轨迹进行判断，在结合CAD设计图纸之后，工作人员需要综合考虑钢筋的加工参数，对刀具的运动轨迹进行规划，确保刀具能够在最短的加工轨迹下完成加工。在加工技术实际应用过程中，受到刀具切削时摩擦力的影响，可能会出现一定的加工精度失准的情况，所以在加工程序编写过程中，工作人员需要设定相应的补偿值，对刀具加工的轨迹进行修正，确保刀具加工时的误差能够消除，这不仅是提升加工精度的必要手段，也是保证加工安全的前提。最后，在程序编写过程中，技术人员还需要对钢筋加工顺序进行合理安排，这需要在编写完成之后利用仿真模拟软件对加工顺序的合理性进行验证，确保数控机床能够按照既定顺序完成对钢筋的加工。

 

　　4.3金属材料的准备

 

　　在加工程序编写完成之后，工作人员还需要对加工材料进行准备，上述案例中，管理人员结合《钢筋混凝土用钢第3部分：钢筋焊接网》施工要求，对金属材料进行了全面检查，并选择合适的钢筋种类，包括Q235、HRB335、HRB400等。在钢材选择完毕之后，首先，工作人员需要对钢材进行严格的质量检测，利用超声波探伤仪数控检测设备，确保钢筋内部没有缺陷。其次，将钢筋固定到数控机床上，确保金属材料的稳定夹持，并保证加工过程的有效进行。而且由于金属材料的不同，夹具也需要进行合理选择，道路工程中选择小型夹具即可保证材料的稳定性。此外，由于本次施工所用的设备具有自动夹持系统，所以在实际加工过程中选择自动夹持程序即可，对于需要进行多步骤加工的钢筋，则在机器内部安装多个夹具，以便对钢筋材料进行合理调整。

 

　　4.4加工设备的调试

 

　　在金属材料的准备工作完成之后，工作人员就需要对设备进行调试，首先工作人员在终端系统之后，将编辑好的加工程序输入进去并对其进行验证，确保在数控机床中的加工程序不存在缺漏和BUG，之后将数控机床进行复位。在对加工设备进行调试过程中，工作人员还需要对机器的轴线位置进行确定，确保机器的轴线、参考点满足钢筋加工需求，之后就需要进行刀具和齿轮的安装。输入钢筋参数后，通过钢筋直径正确选择齿轮模具，替换2个移动弯曲机。在加工钢筋直径小于18mm时，需要选择快速齿轮，如果钢筋直径在18mm～24mm之间，就需要选择中速齿轮，如果大于25mm就需要选择慢速齿轮，在齿轮安装完毕之后，需要进行预加工，根据相应的钢筋材料进行试验，确保加工误差在1mm以内。在硬件调整完毕之后，工作人员需要使用高精度的激光干涉仪和三坐标测量仪对数控机床进行几何校准，确保各轴的运动精度和定位精度符合要求，最后对数控机床设备进行测试和验证，确保加工的稳定性。

 

　　4.5金属材料的加工

 

　　在数控机床加工过程中往往不需要人员进行操作，工作人员只需要对数控机器的切割程序进行实时监控即可。但是由于道路工程中不同方面的施工对钢筋加工方式不同，因此在实际加工时会出现更换刀具的情况，所以在上述案例中管理人员派专业的技术人员对设备进行监控，并在加工完毕之后对刀具进行调整，确保在切换加工工艺的情况下，刀具的安装精度、运行路径能够得到有效的保障。此外，技术人员还需要借助系统自带的监控系统对金属工件加工过程中进行监控，在机器发生故障时需要第一时间切断电源，并对故障进行修复，确保设备能够正常运行之后才能继续工作。最后，在实际加工过程中，管理人员还要求对钢筋的直径进行严格控制，确保在相应的齿轮下，钢筋的直径始终保持同一水准，并对钢筋的弯曲程度进行严格控制。在钢筋安装过程中，需要将一端与事先设置的顶板对齐，之后在检查钢筋长度之后，按照预设角度开展左弯、右弯操作，在操作结束之后，对加工好的半成品钢筋进行收集并进行分类摆放。

 

　　4.6金属材料的检测与调整

 

　　在数控机床加工过程中，工作人员需要对金属材料的加工精度和弯曲度进行全面控制，而系统会根据传感器测量设备反馈的数据，对加工人员进行提示，通过终端操作界面可以看到系统在加工钢筋时反馈的误差和存在的问题，这时工作人员就需要对加工程序或者刀具等方面进行调整，以确保钢筋加工精度。可以借助三坐标测量机和激光扫描仪对加工后的钢筋进行全面的尺寸检测。这些设备能在短时间内获得高精度的尺寸数据，确保钢筋的每一个细节都符合设计图纸。

 

 

　　综上所述，数控加工技术在金属材料加工中的有效应用，不仅能够提升金属材料的加工精度，还可以有效提升实际生产效率，降低生产成本。本文结合实际案例对数控机床加工技术的实际应用流程和注意要点进行了分析，希望可以为我国金属加工行业提供有效借鉴。未来希望研究人员能够对数控加工技术的应用领域进行持续探索，从而推动我国制造加工行业的进一步发展。