金屬加工機(jī)械設(shè)備的設(shè)計(jì)工藝及精密加工技術(shù)研究

馬 偉，鄭衛(wèi)剛

（蘭州交通大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，甘肅 蘭州 730070）

近些年來，伴隨著精密加工要求的不斷提高，金屬加工機(jī)械設(shè)備在實(shí)際加工生產(chǎn)中的應(yīng)用價(jià)值不斷提升，與之協(xié)同發(fā)展的還有設(shè)備的設(shè)計(jì)工藝以及相應(yīng)的加工技術(shù)[1]。與其他類型的機(jī)械設(shè)備相比，金屬加工機(jī)械設(shè)備對(duì)精度的要求更高[2]，同時(shí)受設(shè)備運(yùn)行環(huán)境的影響，其在運(yùn)行期間出現(xiàn)，損耗的程度也存在較大差異。如何最大限度抑制這種差異化的損耗[3]，保持機(jī)械設(shè)備加工質(zhì)量的高水準(zhǔn)成為了金屬加工行業(yè)研究的重點(diǎn)[4]。除了加工效率這一問題外，加工質(zhì)量以及加工效果的精細(xì)化程度同樣是相關(guān)加工企業(yè)需要重點(diǎn)關(guān)注的問題之一。

為此，本文提出了金屬加工機(jī)械設(shè)備的設(shè)計(jì)工藝及精密加工技術(shù)研究，通過對(duì)設(shè)備的設(shè)計(jì)工藝作出全面研究，確保機(jī)械設(shè)備運(yùn)行的可靠性，通過精密機(jī)工技術(shù)實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)工藝的有效落實(shí)。

通過本文的研究，以期為金屬加工機(jī)械設(shè)備的研究和發(fā)展提供幫助。

1 金屬加工機(jī)械設(shè)備設(shè)計(jì)工藝

與其他類型的設(shè)計(jì)工藝相比，金屬加工機(jī)械設(shè)備的設(shè)計(jì)工藝是一個(gè)以工藝知識(shí)為驅(qū)動(dòng)力的過程，其主要是以幾何對(duì)象為驅(qū)動(dòng)目標(biāo)，由虛擬到現(xiàn)實(shí)的生成過程。因此，需要借助待加工的機(jī)械設(shè)備不同構(gòu)成部位之間的幾何特征關(guān)系，實(shí)現(xiàn)對(duì)信息的傳遞。

采用幾何關(guān)聯(lián)技術(shù)設(shè)計(jì)整個(gè)工藝過程的方式也可以確保設(shè)備不同特征之間形成。而要確保機(jī)械設(shè)備能夠滿足高精度的金屬加工需求，對(duì)其特征類作出準(zhǔn)確合理應(yīng)用是十分必要的。

一般情況下，機(jī)械設(shè)備的特征類包括補(bǔ)孔類、沖壓方向類、包容盒類、控制線類、截面線類、工藝補(bǔ)充面類、壓料面類、凹?？诰€類、拉延筋類、毛坯類、修邊線類。

由此，在對(duì)機(jī)械設(shè)備進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，需要將設(shè)備的設(shè)計(jì)知識(shí)與實(shí)際的加工經(jīng)驗(yàn)相結(jié)合，使設(shè)備的特征類與幾何對(duì)象之間建立起對(duì)應(yīng)關(guān)系，在成形工藝的約束下對(duì)設(shè)備的加工精度進(jìn)行控制，確保最終的設(shè)計(jì)在可行性和合理性方面與實(shí)際的加工需求相契合。以此為基礎(chǔ)的機(jī)械設(shè)備設(shè)計(jì)工藝分為以下幾個(gè)步驟。

首先，以機(jī)械設(shè)備的實(shí)際加工需求為目標(biāo)，構(gòu)建工藝方案，并根據(jù)設(shè)計(jì)結(jié)果以沖壓的方式構(gòu)建設(shè)備的初始模型，并在工藝方案中明確特征類之間的關(guān)系，在此過程中，利用控制函數(shù)將待設(shè)計(jì)的工藝知識(shí)轉(zhuǎn)化為幾何形狀特征，并在工藝特征中對(duì)設(shè)備的初始形狀信息進(jìn)行關(guān)聯(lián)UG/WAVE處理，此時(shí)的關(guān)聯(lián)主要是以設(shè)備設(shè)計(jì)知識(shí)與設(shè)備加工工序特征為基礎(chǔ)進(jìn)行的。在此基礎(chǔ)上，為了簡約化工藝補(bǔ)充面的設(shè)計(jì)難度，需要對(duì)上文構(gòu)建的模型進(jìn)行特征類對(duì)位處理，預(yù)處理具有孔、邊界缺口、缺角等特征的位置，以曲面填補(bǔ)的方式使設(shè)備母材與模型之間實(shí)現(xiàn)光滑過渡，以形成的連續(xù)曲面為后續(xù)的設(shè)備精密加工提供實(shí)施條件。接下來，經(jīng)過曲面填補(bǔ)后的模型會(huì)在原有基礎(chǔ)上出現(xiàn)一定的形變，因此需要根據(jù)沖壓方向?qū)δＰ瓦M(jìn)行優(yōu)化處理，通過將三維空間的設(shè)備模型截面線轉(zhuǎn)化到二維空間，將其在二維空間的可行域作為模型優(yōu)化的目標(biāo)值，以此實(shí)現(xiàn)最佳沖壓方向的確定。此時(shí)就可以通過網(wǎng)絡(luò)法確定設(shè)備拉延工藝的型面，結(jié)合拉延件主體曲面模型及對(duì)應(yīng)的設(shè)備邊界信息，設(shè)計(jì)控制線的位置，并匹配機(jī)械設(shè)備加工工藝補(bǔ)充面截面線的類型，此時(shí)生成的控制線主要用于約束工藝補(bǔ)充面截面線的延伸位置，確定設(shè)備凹?？诘慕K止點(diǎn)。再采用參數(shù)變量化技術(shù)實(shí)現(xiàn)對(duì)設(shè)備模型的整體切割，其方法如圖1所示。

圖1 設(shè)備模型的整體切割方法

如圖1所示，S為網(wǎng)絡(luò)法確定設(shè)備拉延工藝型面的中心，D和T分別為確定設(shè)備凹?？诘慕K止點(diǎn)，k為對(duì)應(yīng)的設(shè)備不同位置的特征類。

通過這樣的方式，將設(shè)備模型的凹模口線輪廓形狀、拉延件結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、拉延位置和幾何參數(shù)精準(zhǔn)地包裹在翻邊線與外輪廓線內(nèi)。

2 金屬加工機(jī)械設(shè)備精密加工技術(shù)

在完成對(duì)設(shè)備的工藝設(shè)計(jì)后，需要對(duì)其進(jìn)行精密加工，提高設(shè)備的加工精度。

考慮到對(duì)金屬進(jìn)行精密加工時(shí)對(duì)尺寸以及具體參數(shù)的要求較高，而傳統(tǒng)工藝對(duì)于金材料的加工主要是以外形輪廓切割，對(duì)于細(xì)節(jié)的處理并不完善。為此，本文設(shè)計(jì)了研磨加工技術(shù)和削切加工技術(shù)實(shí)現(xiàn)對(duì)金屬加工機(jī)械設(shè)備的精密化處理。

2.1 研磨加工技術(shù)

對(duì)于初步成型的設(shè)備模型，需要通過研磨加工技術(shù)對(duì)表面進(jìn)行進(jìn)一步處理。與其他類型的金屬處理技術(shù)不同，研磨主要是針對(duì)微量參數(shù)進(jìn)行的加工，一般情況下，其對(duì)尺寸的加工參數(shù)精度可以達(dá)到0.001mm，對(duì)于角度的處理精度可以達(dá)到0.01°。

不僅如此，在實(shí)際加工過程中，部分造型是難以直接通過切削處理得到的，例如弧形金屬構(gòu)件，對(duì)此，采用研磨的方式，將弧形兩側(cè)的金屬固定在加工架上，在研磨作用下對(duì)其弧度度數(shù)進(jìn)行約束，確保加工結(jié)果的精度。其實(shí)施方式如圖2所示。

圖2 研磨加工實(shí)施方式

可以需要注意的是，在對(duì)母材進(jìn)行打磨處理時(shí)，目標(biāo)細(xì)度可能存在難以通過打磨直接達(dá)到的情況，此時(shí)需要在實(shí)施過程中合理運(yùn)用潤滑劑，以此減輕兩者之間的摩擦，確保最終的研磨質(zhì)量達(dá)到精密加工的目標(biāo)。

由于研磨加工對(duì)材料和機(jī)械的實(shí)施效果受研磨料粗糙程度的影響而存在較大差異，因此要根據(jù)機(jī)械設(shè)備的實(shí)際需求進(jìn)行調(diào)整。

為此，本文就不同加工精度下，研磨設(shè)備的目數(shù)進(jìn)行劃分，其結(jié)果如表1所示。

表1 研磨設(shè)備應(yīng)用方案設(shè)計(jì)

按照表1所示的方式，以此將設(shè)備尺寸誤差最低降低到0.001%以內(nèi)，提升加工的精密度。

2.2 切削加工技術(shù)

在設(shè)備設(shè)計(jì)階段，最后需要對(duì)完整的模型進(jìn)行切削處理，此時(shí)的精度將會(huì)直接影響打磨階段的工作量，為此，可以采用精密切削加工技術(shù)實(shí)現(xiàn)對(duì)模型的高精度加工，以高精度的數(shù)控機(jī)床為實(shí)施措施，對(duì)模型材料進(jìn)行精密切削?？紤]到金屬構(gòu)建加工的復(fù)雜性，可以利用計(jì)算機(jī)的強(qiáng)大處理功能實(shí)現(xiàn)該過程設(shè)計(jì)。首先按照加工要求將對(duì)應(yīng)的參數(shù)導(dǎo)入到設(shè)計(jì)軟件中，在系統(tǒng)中生成三維模型，對(duì)成品形成初步判斷。并結(jié)合該結(jié)果對(duì)相關(guān)指標(biāo)進(jìn)行適應(yīng)性調(diào)整，完成計(jì)算機(jī)上的審核后，將其導(dǎo)入到加工設(shè)備中，按照系統(tǒng)輸出完成切削。

在此階段，除控制精度外，選擇的刀具也是關(guān)系到切削精度的關(guān)鍵，因此要求刀具的硬度大于母材，同時(shí)進(jìn)刀量以微米級(jí)為計(jì)量單位，通過這樣的方式將模型表面粗糙度控制在0.02～0.01微米的范圍內(nèi)。由于不同金屬材料自身的屬性也存在一定的差異，因此對(duì)切刀的選擇也要從剛度和硬度的角度進(jìn)行考量，確保其在實(shí)際的加工過程中不會(huì)出現(xiàn)切削中斷的情況。

2.3 微細(xì)加工技術(shù)

對(duì)于設(shè)備的微小組織結(jié)構(gòu)，需要通過微細(xì)加工技術(shù)實(shí)現(xiàn)，常用的方式包括微波技術(shù)，以電子束、超聲波、為主，以此實(shí)現(xiàn)切削工藝能夠在微量移動(dòng)過程中對(duì)目標(biāo)單位個(gè)體的去除。

但由于物理效應(yīng)的影響，微熱力效應(yīng)較為明顯，熱量過高極易引起構(gòu)件的形變，因此需要以噴油的方式對(duì)加工位置進(jìn)行降溫處理。

3 實(shí)例分析

將本文設(shè)計(jì)的金屬加工機(jī)械設(shè)備的設(shè)計(jì)工藝及精密精加工技術(shù)應(yīng)用于實(shí)際的生產(chǎn)中，測試其應(yīng)用效果。

3.1 加工設(shè)備參數(shù)

待加工的設(shè)備為重力鑄造構(gòu)件，頂端弧度為35°，邊角的角度與之一致，同樣為35°，設(shè)備高度為2.5cm，寬度為3.0cm，長度為2.5cm，底部的梯度層級(jí)呈對(duì)稱關(guān)系，對(duì)稱中心線上直徑為2mm的孔特征類。

其中，一級(jí)梯度寬0.5cm，二級(jí)梯度寬0.3cm，高度均為0.1cm，構(gòu)件整體呈現(xiàn)為近似拱形房屋建筑的形狀，具體的構(gòu)造如圖3所示。

圖3 待加工構(gòu)件

3.2 應(yīng)用結(jié)果

在上述基礎(chǔ)上，采用本文提出的方法對(duì)其進(jìn)行加工，并統(tǒng)計(jì)了加工后各指標(biāo)參數(shù)的情況，其結(jié)果如表2所示。

表2 加工參數(shù)統(tǒng)計(jì)表

從表2中可以看出，直線距離上，加工結(jié)果與目標(biāo)值之間的誤差始終在0.001以內(nèi)，在弧度參數(shù)方面，角度誤差不超過0.02°，滿足精密加工要求。表明本文提出的精密加工技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)金屬構(gòu)件的精細(xì)化處理。

4 結(jié)語

提高金屬加工機(jī)械設(shè)備的精密度是提高產(chǎn)品質(zhì)量的關(guān)鍵，面對(duì)多樣化、復(fù)雜化的金屬構(gòu)件加工需求，僅僅優(yōu)化加工設(shè)備是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的，還需要在加工技術(shù)上作出提升。本文提出金屬加工機(jī)械設(shè)備的設(shè)計(jì)工藝及精密加工技術(shù)研究，以期為金屬加工領(lǐng)域的發(fā)展提供參考。