传统加工与数控加工技术在机械行业的发展与应用

刘少飞

(西安工程大学 工程训练中心，陕西 西安 710048)

传统加工与数控加工技术在机械行业的发展与应用

刘少飞

(西安工程大学 工程训练中心，陕西 西安 710048)

文章介绍了机械加工从传统加工到数控加工的发展过程。并从加工工艺、刀具路径、热变形等七个方面对传统加工和数控加工进行了比较，传统加工工序多、效率低，而数控加工更加高效、自动化程度更高，更适合形状复杂、精度要求高的零件加工。传统加工是数控加工的基础，数控加工是传统加工的发展。对未来机械行业的发展趋势进行了预测，为机械行业的研究方向提供了参考。

传统加工；数控加工；加工工艺

0 前言

自公元前两千多年前“树木车床”雏形起源以来，各国研究者在此基础上不断研究，制造出了能够满足更复杂零件加工、更精密的车床。19世纪末20世纪初，单一的车床逐渐演化出了铣床、刨床、磨床等设备，这些加工设备的基本定型，为20世纪初期精密机床和生产机械化、半自动化创造了条件。传统加工即通过机械工人手工操作各类车床、铣床、钻床、锯床等机械设备来实现对工件加工的方法。

数控加工技术是以数字控制技术为基础，以计算机编程技术为辅助[1]，在数控机床上进行零件加工的一种技术。数控加工是指机械工人运用数控设备来完成各类工件的加工，常用的数控加工设备主要包括数控车床、数控铣床、数控冲床以及加工中心等。自20世纪50年代世界上第一台数控机床——三坐标立式铣床问世以来，数控加工技术已经占据了机械加工行业的半壁江山，成为了机械加工现代化的关键技术和重要基础[2]。一般而言，广义的数控加工包括产品的计算机辅助设计(CAD)、计算机辅助工艺过程设计(CAPP)、计算机辅助加工(CAM ) 、虚拟加工(VM)和数控机床实际加工[3]。目前，在绝大多数机加工车间里，数控设备都占有举足轻重的地位，数控加工也为各类零部件的生产提供了一种更加高效、自动化程度更高的路径[4]，尤其是解决零件品种多变、批小、形状复杂、精度高等问题和实现高效化和自动化加工的有效途径。

1 传统加工与数控加工的特点对比

数控加工是在传统加工的基础上发展起来的加工方法，它通过编程将传统加工中成熟的加工方法、技术与现代化的控制系统结合起来，实现了更高效、智能化的加工。但随着数控加工技术运用的日益广泛，数控加工的优势和劣势也慢慢体现了出来，因此，为了便于寻求更加适合、高效、精确的机械加工方法，有必要明确传统加工和数控加工各自的优势和弊端。许多学者已经从不同产品的生产加工过程中对两种加工方法从各个方面进行了比较[5-8]，综合来看，二者之间的差异主要体现在6个方面。

1.1 加工工艺

传统加工工艺只需明确工步即可，操作者可自行考虑加工过程中的某道工序、工步、机床运动先后次序、位移量、切削参数等。与传统的产品加工工艺设计相比，数控加工工艺则主要包括以下步骤：(1)适应性分析，选择加工零件及内容；(2)数控加工工艺分析；(3)工艺设计；(4)对零件进行数据处理；(5)编写程序；(6)校对与修改程序；(7)零件试加工；(8)编写工艺技术文件[9]。二者最主要的区别在于数控加工要更加充分地考虑产品的数控加工特性，同时，数控加工工艺的设计内容也相对更加丰富，具有较高的自动化程度，其自适应性能力相对较差。且数控加工需考虑零件的装夹和安装、工艺路线、刀具的选用、加工路径等多重因素，使得其工艺过程比较复杂，因此，加工工艺的设计必须在严密的逻辑思维下完成。且常常需要采取具有针对性、特殊性的设计方法[10]。此外，相比而言，数控加工工艺在经过调试、校验和加工试验无误后，则可作为一个流水标准，以备后续批量加工调用，这就大大节约了时间，并能够保证加工质量，也可在此基础上进行改进，具有较好的继承性。

1.2 热变形

热变形存在于很多行业的加工生产中，在机械加工领域也不可避免。在传统加工过程中，由于粗加工、半精加工、精加工都可分阶段进行，加工过程阶段分明且可人工自由控制，各工序之间的缓冲时间也可根据情况适当延长，因此，加工过程中产生的变形热能够较快释放，不会对加工精度造成较大影响[11]。而在数控加工过程中，一般是通过预先编制好的程序控制加工系统，进而实现由坯料到零件的一体化生产过程，整个加工过程是连续、不适合任意控制的，这就导致加工过程中的变形热来不及及时释放、转移，因此，变形热对数控加工而言是一个较突出的问题。

1.3 刀具及刀具路径

与传统加工相比，数控机床具有更高效的加工过程，刀具在不断的高速作业下的稳定性、尺寸和精度尤为重要，这就要求数控加工刀具高精度的制造质量和高速切削能力。同时，由于数控加工刀具装夹等结构的不同，刀具也都进行了结构优化[12]，如高速钢数控铣削刀具在结构上已较多采用波形刃和大螺旋角结构，硬质合金可转位刀具则采用了内冷却、刀片立装式、模块可换和可调式结构，而内冷却结构，在一般普通机床上则是无法应用的。这些方面的变化对刀具行业也是一个挑战，促使其不断从刀具材料、结构、工艺等方面进行研发、设计、改进，以适应现代数控加工行业的发展。例如，各类高强度合金钢的表面氮化处理，大多数硬质合金可转为数控刀具采用涂层技术等。对传统加工而言，刀具的路径主要由操作者自己控制、把握，操作者可自行决定刀具切削时的切入轨迹等过程。而在数控加工过程中，刀具路径已在程序编制环节就确定了。例如，在设置刀具切入、退出时，可选用螺旋方式、沿切线等。

1.4 切削用量的设置

在传统加工过程中，完成一个零件的加工往往需要操作者的实践经验和技术经验，无论是从控制能力和安全方面，切削用量的选择都是非常谨慎的，尤其对一些具有复杂曲线或曲面的零件。而数控机床由于具有良好的自动控制能力，只需要在程序中设置好合适的切削用量，控制系统便会自动完成设定面的加工过程，刀具运动轨迹是全自动、无间断的，不会对材料带来浪费和不必要的损耗，且加工精度比传统加工精度高。

基于上述比较，可以得出，不论是传统加工还是数控加工，都是由一定的工艺适用范围的[13]，与传统加工相比，数控加工具有以下优点：(1)自动化程度高；(2)加工零件一致性好；(3)生产效率高；(4)便于产品研制；(5)便于实现计算机辅助设计与制造的一体化。同时，数控加工也存在如下缺点：(1)加工成本高；(2)只适宜于多品种小批量或中批量生产；(3)维修困难。

1.5 自动化、柔性化程度

在传统加工过程中，由于设备的自动化控制程度较弱，工件从坯料到最终零件的加工可能需要多次装夹才能完成。而且在装夹过程中，一般需要专用夹具协助加工，专用夹具通常在设计及制造方面的费用较高，将无形中提高了传统加工的生产制造成本。而对于数控加工而言，已经逐步实现了一次装夹就可完成多个面、甚至整个零件的加工过程。例如，对于一个复杂零件的加工，加工中心自带多个换刀工位，只需在程序中设定确定的刀具与之对应，并在后续加工过程中随时调用就可以完成零件的一次性加工。另外，传统通用机床虽然柔性较好，但加工效率低，而传统专业机床，虽然加工效率高，但对零件的自适应性很差，刚度大，柔性差，这些弊端都使得传统加工很难适应市场经济激烈竞争带来的产品的频繁更新换代。而数控机床柔性好，只需对程序进行重新编制或改变，又能自动化操作，故数控加工更能适应市场竞争。

1.6 操作人员素质要求

在传统加工领域，整个加工过程主要依靠操作人员的经验来完成，操作者可将编写好的工艺流程直接投入到生产加工指导中，也可根据现场情况进行适当、及时的调整。而对于数控加工而言，其自动化程度较高，加工过程基本通过控制系统来实现的，不能随意中止，工艺设计人员在将程序投入使用前，需在计算机仿真软件上进行模拟加工过程并进行调整，以确保实际加工过程的安全，这就需要工艺设计者具备较强的CAM相关知识。

2 传统加工与数控加工的相互结合及应用现状

随着机械行业与其他学科的交叉发展，单一的传统加工早已难以满足当今各类产品的生产，但目前对大多企业来说，还存在大量仍在寿命范围内的普通机床。因此，对于国内大多数企业而言，需要根据实际情况，结合企业人员素质及数量、资源使用情况等研究适合的加工工艺，将传统加工与数控加工有机结合起来，最大限度发挥两种加工方法的优势，以创造最大收益[13]。

2.1 传统加工是数控加工的基础

在电子科技日益发展的今天，数控加工因其高效、精确的加工方式广受欢迎，已被广泛应用于各行各业零件、产品的生产制造中，机械加工技术正朝着高效、精密、柔性化、自动化的方向发展，但追究其发展的基础、根源，不难发现，正是有了传统加工作为研究的基础，才有了数控加工的发展。例如，就车床而言，数控车床就是在传统基础上引进了电子化控制系统才得以发展的。此外，在数控加工过程中，熟悉传统加工的操作人员更容易理解、掌握一些专业术语的含义，因此，扎实地打好传统加工基础，才能从根本上长远地发展数控加工。此外，一般而言，一个零件实际生产加工往往是由数控加工与传统加工组合而成的，两种加工方法的工序常是穿插进行的。例如，在车削台阶轴时，传统加工是将台阶轴的整个外圆表面依次按照从大到小粗车完后，再依次进行精加工，而数控加工就可在传统加工工程的基础上，运用符合循环指令，将整个外轮廓一次完成粗加工、精加工。证明部分传统加工还是穿插在数控加工中的[13]。

此外，就大多数产品而言，对传统加工工艺进行工艺的优化仍然可以实现与数控加工相匹敌的零件加工。例如，刘志刚等[14]对开槽铸件传统加工工艺上进行分析，对加工工艺进行了改进，在消除内应力的基础上保证了产品质量，并降低了生产成本，取得了良好的效果。侯学元等[15]在分析某铁路车辆减震用斜楔零件的基础上，突破传统思维，采用普车代替数控加工中心进行加工，运用特殊工装夹具保证了产品加工精度的同时，确保了工厂生产进度，极大限度发挥了普车的生产效益。

2.2 数控加工是传统加工的发展

随着市场经济的发展和电子信息化的进步，数控加工已经在传统加工的基础上快速发展，在机械加工领域的地位也占据着非常重要的地位。具体表现在以下两个方面：(1)数控加工是高新技术产业化的重要技术支撑；(2)数控加工是实现国防现代化的重要技术支撑[1]。但将数控加工与传统进行比较不难发现，无论是工艺方法、加工原理、加工刀具等方面，除了引入了一些信息化的编程、控制模块，数控加工都是在传统加工的基础上一步步改进、演变和发展起来的，但相比传统加工，数控加工展现出了更多的优势，适应性也更强。

近些年，在传统加工的基础上，数控加工技术与多种学科相互交叉，形成了完整的一套加工体系，广义的数控加工包括产品的计算机辅助设计、计算机辅助工艺过程设计、计算机辅助加工、虚拟加工及数控机床实际加工。

目前，就计算机辅助设计及加工方面而言，计算机辅助设计、加工及仿真等软件与技术的融入使数控加工更加高效、便捷。例如，方林宏等[16]运用计算机图形仿真技术提取零件轮廓数据并研究了将轮廓曲线转化为UG加工代码的方法，为传统加工与数控加工方法之间找到了一条合理有效的途径，并最终应用于数控加工实际生产。丁海涛[17]等将Mastercam软件用于零件线框建模过程，通过实验发现，该方法只需将刀具、工艺参数等设置好，即可自动生成程序加工，非常便捷，且加工完成后的零件精度均在要求精度范围内，证实了CAM软件在数控加工中的可行性。强立明等[18]运用Pro-E软件解决了数控铣床加工空间凸轮的N-F难题，很大程度上提高了凸轮的加工精度及效率。陈明[19]通过UG软件实现了圆柱凸轮复杂凸轮槽的加工，该方法替代了传统加工方法，实现了加工效率和精度的提升。关立文等[20]基于VERICUT仿真软件，研究除了一种二次开发的数控加工过程切削力仿真的快速实现方法，解决了传统有限元仿真软件对数控加工切削力仿真时效率低下等问题，实现了切削力仿真效率的大幅提升。

在产品的实际数控加工过程中，目前也已逐渐融入了各学科先进技术，并不断优化数控加工工艺方法，以期克服传统加工方法的弊端，以使各类零件加工方法实现高效化、精确化、智能化、完善化。例如，吴亚辉等[21]利用Solidcam的Imaching加工策略优化了数控编程及加工，并对传统加工及优化后数控加工方式加工的零件进行了试切对比，结果表明，优化后的数控加工方法大大提高了加工效率，缩短了加工时间。曹岩等[22]通过运用计算机将有限元法、神经网络、遗传算法及优化理论相结合，应用于零件的数控切削加工变形分析中，克服了传统经验大、耗时长、花费大等弊端，一定程度上解决了航空薄壁零件机械加工的变形问题。朱浩[23]在对传统加工进行优化的基础上，采用数控加工技术，实现了自动化生产，提高了产品可靠性，并降低了工人劳动强度。刘敏等[24]在改进传统工艺加工方案的基础上，引入测量技术，综合运用先进的数控加工制造技术对多锥度细长杆加工工艺进行了改进。曾谊晖等[25]基于RBF神经网络开发了难加工金属材料数控加工神经网络控制方法，并结合相应的数控加工设备建立了难加工金属材料实时监控系统，结果表明，应用RBF神经网络控制加工出的工件精度比传统加工方法加工的精度高很多。王沉培等[26]通过研究发现，齿轮机床数控化可大大简化其传动机构，提高机床加工范围及加工精度，与传统机床相比，齿轮机床数控化优势非常明显。陈志鸿等[27]提出了针对金属曲面表面非金属涂层的逆向工程加工系统，试验结果表明，该系统具有较高的实用性、稳定性及高效性。任小中等[28]提出了利用球头铣刀在立式数控铣床上进行大型直齿锥齿的加工方法，并分别通过MATLAB及VERICUT软件完成率加工前参数的提取及铣齿过程仿真，实验表明，该方法摒弃了传统加工方法存在的精度低、效率低等问题，是一种新的自动化程度高的加工方法。余辉庆等[29]针对凸轮参数的多样性等问题，开发出了一种方便、灵活的凸轮G代码生成系统，实现了不同类型盘类凸轮的加工，同时，克服了传统加工繁琐且效率低下等弊端。史红艳等[30]对某一变截面细长零件的数控加工工艺方法进行了改进，克服了传统加工工序多、工步繁琐的缺点，同时实现了以车代磨的加工方案，降低了生产成本，提高了加工效率及质量。

3 未来机械加工行业的发展趋势预测

根据以上分析总结可以看到，数控加工在很多方面存在较大优势，是目前机械加工业的重要发展方向，但同时也存在新的工艺等问题，完全照搬传统加工工艺是不合理也不科学的，这就要求工艺人员在机械加工行业未来的发展中，对于不同产品的加工制造，应针对性的从加工工艺、零件的复杂性、加工条件、精度要求等方面进行综合考量，进而确定具体的加工途径，在最大限度发挥数控加工优势的同时提高与传统加工的结合[6]。具体来讲，在进行传统加工与数控加工的结合可从以下几个途径实施：(1)产品设计状态与生产批量的均衡；(2)粗精加工与精度要求的结合；(3)加工工种之间的结合；(4)精密设备与一般设备的结合；(5)技术交流与技术创新的结合[31-32]。此外，随着现代制造业对生产加工过程提出的高度自动化、精度化的要求以及机械行业与多学科之间的相互交叉，未来机械行业将着重向以下几个方向发展：(1)计算机辅助技术的深度融入；随着UG、VERICUT等功能强大的设计、仿真软件应用的日益广泛，机械加工过程逐渐朝着更加便捷、安全、自适应化程度更高的方向发展，传统加工机床潜在的强大机械性能也将被挖掘，计算机辅助技术将在世纪生产中具有广阔的应用前景[16，33]。(2)多学科先进技术的交叉应用；随着各类先进技术的问世，各行各业都发生着翻天覆地的变化，未来机械加工行业也将逐渐融入其他相关学科技术，例如机电一体化[34]、VR技术、视觉控制技术、N-vision平台等，使工人利用全景漫游与人机交互技术实现可视化仿真，增强沉浸感，人员能身临其境感知预设的工序场景，提前发现问题并同步修改，节约成本，增强设备安全性[35]。(3)典型零件加工系统的完善；就一些典型的零件，如叶轮叶片而言，其加工过程往往需考虑较多因素[36-38]，因此，可从质量、效率等方面入手，建立完善的、系统化的加工流程，并不断改进。

[1] 谢忠斌.数控加工技术在现代机械加工中的应用[J].科技资讯,2012(35):78.

[2] 慕少鹏,李蓓智,杨建国,等.安装系统在复杂形状零件加工中的应用[J].机械设计与制造,2006(05):125-126.

[3] 郭万泉,周立峰.数控车床加工工艺分析[J].科技创新与应用，2012(06):83

[4] 覃金党.浅谈数控车削加工工艺性分析[J].科技与企业,2014(17):374.

[5] 董淑婧,吕海霆.发动机缸体挺杆孔加工工艺分析[J].组合机床与自动化加工技术,2015(04):149-151.

[6] 吴长德.数控加工对传统加工工艺产生的变革[J].现代制造工程,2006(08):136-138.

[7] 朱政红,张春伟.影响机械加工精度的几种因素[J].组合机床与自动化加工技术,2008(11),76-85.

[8] 郑红.数控加工工艺与传统机械加工工艺比较研究[J],价值工程，2016(26):166-167.

[9] 于杰.数控加工工艺与编程[M].北京：国防工业出版社，2009.

[10]贾会会.数控加工工艺规程与夹具设计的问题研究[J].机电产品开发与刨新,2012,25(05):175-177.

[11]张亚楠,陈娇,王丽.数控加工与传统机加工工艺的区别[J].中国新技术新产品，2015(02):55.

[12]谭威,郑耀辉,梁立军,等.数控铣削加工中刀具的选择[J].沈阳航空工业学院学报,2004,21(04):29-31.

[13]张延萍.数控加工工艺与传统工艺的区别与联系[J].科技资讯,2012(04):98.

[14]齐晓白,刘志刚.开排气歧管加工工艺研究[J].现代制造技术与装备,2015(04):38-39.

[15]侯学元,韩淑华.货运列车减震斜楔的加工工艺与夹具设计[J].重型机械.2015(01):73-75.

[16]方林宏,樊军.计算机图形处理在UG生产加工中的应用[J].现代制造工程,2007(07):45-47.

[17]丁海涛,周怡,宋刚强.CAM 软件在数控加工中的应用研究[J].机械工程师,2015(04): 35-38.

[18]强立明.Pro/ENGINEER在凸轮加工中的应用[J].数字化设计,2008(08):57-59.

[19]陈明.基于UG软件的圆柱凸轮槽数控加工[J].山东工业技术,2014(12):148-149.

[20]崔海龙,关立文,滑勇之,等.基于VERICUT二次开发的数控加工切削力仿真研究[J].组合机床与自动化加工技术,2012(05):9-12.

[21]吴亚辉,邓小玲,闫艳燕.基于Imachining的智能高效数铣加工研究[J].煤矿机械,2015,36(08):168-170.

[22]曹岩,董爱民,李云龙.航空薄壁零件数控铣削加工仿真与误差控制[J].机床与液压,2008,36(09):30-32.

[23]朱浩.CB/A14内啮合齿轮泵泵体数控加工工艺分析[J].齐齐哈尔大学学报,2015，31(04):38-40.

[24]刘敏,陈瑾.多锥度细长杆加工工艺改进[J].新技术新工艺,2014(10):14-15.

[25]曾谊晖,左青松,李翼德,等.基于RBF神经网络的难加工金属材料数控加工控制方法研究[J].湖南大学学报(自然科学版),2011,38(04):31-35

[26]王沉培,周云飞,李左章.计算机辅助设计在准双曲面齿轮数控化加工中的应用[J].计算机辅助设计与图形学学报,2002,14(04):1-5.

[27]陈志鸿,房海蓉,方跃法.基于逆向工程的自由曲面涂层加工系统设计[J].机械工程学报,2015(09):142-147.

[28]任小中,王建生,张波,等.基于球头刀的大型直齿锥齿轮数控铣削方法研究[J].组合机床与自动化加工技术,2016(11):119-122.

[29]余辉庆,来阿娟.基于圆弧拟合的盘形凸轮数控加工方法研究[J].机电一体化,2013(08):38-42.

[30]史红艳,杜建安,祁玉秀.浅谈变截面细长轴类零件的数控加工[J].机械管理开发,2008,23(05):77-78.

[31]王华侨,李新洲,吴修仁,等.数控工艺与普通工艺结合的途径与措施[J].CAD/CAM与制造业信息化,2004(01):128-131；

[32]王华侨,丁勇.模具高效数控加工的实现途径与措施[J].现代制造,2005(05):75-76.

[33]邹旻.曲齿锥齿轮的应用与发展[J].机械设计与制造,2005(09):160-162.

[34]申宁,李国铭.传统机械加工机床机电一体化改造分析[J].机电信息,2013(03):175-176.

[35]张李杰,孙文磊,赵群.VR技术在优化加工工序中的研究[J].机械设计与制造，2014(09):208-210.

[36]李亢,郭连水.透平机叶轮叶片五轴数控粗加工优化方法的研究[J].航空学报2006,27(03):506-509.

[37]郭连水,刘秋丰,曹浩波.涡轮叶盘数控加工优化方法的研究与实现[J].机械加工工艺与装备,2005(10):19-21.

[38]刘维伟,张定华,史耀耀,等.航空发动机薄壁叶片精密数控加工技术研究[J].机械科学与技术,2004,23(03):329-331.

Development and application of traditional machining and numerical controlmachining in machinery industry

LIU Shao-fei

(Engineering training center, Xi’an Polytechnic University, Xi’an 710048, China)

The article introduced the developing process of mechanical working from traditional processing to NC processing. Besides, a comparison between them was made from seven aspects including processing technology, tool path, thermal deformation, and so on. The traditional processing has more processing steps and lower efficient. However, the NC processing has a higher efficient and automatic extent, suiting the part processing with complicated shape and high accurate demand. Traditional processing is the base of NC processing, while NC processing is the development of traditional processing. Finally, the developing tendency in the future of mechanical field was predicted, which provided a reference for the research direction in mechanical field.

traditional machining; NC machining; processing technology

2017-01-16；

2017-03-09

西安工程大学教改项目(2016JG69)

刘少飞(1989-)，女，西安工程大学助理工程师，研究方向为机械工程、材料加工工程等。

TH162

A

1001-196X(2017)03-0007-06