機(jī)械設(shè)計(jì)與機(jī)械加工中常見問題及改善措施研究

趙泓荀 趙多興

【摘要】機(jī)械設(shè)計(jì)與機(jī)械加工是一個(gè)復(fù)雜的制造過程，從最初的設(shè)計(jì)圖紙到最后的成形產(chǎn)品，任何一個(gè)環(huán)節(jié)都將影響產(chǎn)品的最終性能。嚴(yán)格把控設(shè)計(jì)與加工工序，逐步提升設(shè)計(jì)與加工水平，有利于提高機(jī)械設(shè)計(jì)與機(jī)械加工產(chǎn)品的最終質(zhì)量和生產(chǎn)效率。本文就機(jī)械設(shè)計(jì)與加工過程中存在的主要問題進(jìn)行分析總結(jié)，并初步提出其解決措施。

【關(guān)鍵詞】機(jī)械設(shè)計(jì)；機(jī)械加工；加工精度；表面質(zhì)量

Abstract：Mechanical processing is a complicated manufacture process， from the engineering drawing design to product forming， each step will affect product quality. Strictly control processing operation and gradually improve machining level can improve product quality and product efficiency. The paper analysis the major problems and give some solving measures.

1.引言

影響機(jī)械設(shè)計(jì)與機(jī)械加工的因素比較多，這些因素直接或者間接的影響著產(chǎn)品的質(zhì)量。在這些看似復(fù)雜沒有規(guī)律的影響因素中總能找出一些普遍性存在的問題，包括加工精度、零件表面質(zhì)量、設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)化、產(chǎn)品的性價(jià)比、潤滑劑等。如何有效的去克服和減少這些普遍存在的問題，如何深入分析研究這些影響因素，對(duì)于一個(gè)加工企業(yè)的發(fā)展來說顯得尤為重要。本文就機(jī)械設(shè)計(jì)加工過程中典型的機(jī)械加工精度問題、零件表面問題、設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)化問題、性價(jià)比問題進(jìn)行分析總結(jié)，并初步提出解決方案。

2.機(jī)械設(shè)計(jì)與機(jī)械加工中存在的問題

2.1機(jī)械設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)與材料問題

機(jī)械結(jié)構(gòu)與材料是影響機(jī)械加工的常見問題。同樣效用的結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)思路不一樣會(huì)導(dǎo)致加工難易程度不同，進(jìn)而加工精度也會(huì)不同，這就提示著設(shè)計(jì)者在設(shè)計(jì)時(shí)不僅要考慮結(jié)構(gòu)的效用還要考慮結(jié)構(gòu)加工時(shí)的難易程度與加工的精度；至于材料方面，對(duì)于某個(gè)機(jī)器或機(jī)器部件來說可選用的材料可能有幾種，各種材料的切削加工性各不相同，設(shè)計(jì)者在設(shè)計(jì)時(shí)不能僅考慮材料的可用性還要考慮材料的可切削性，從而提高產(chǎn)品的精度。

2.2設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)化問題

機(jī)械零件標(biāo)準(zhǔn)化是制造企業(yè)需要共同遵循的標(biāo)準(zhǔn)，它包括零件尺寸、材料性能、加工工藝、檢驗(yàn)要求等眾多方面。設(shè)計(jì)者采用統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)結(jié)構(gòu)及零部件，統(tǒng)一的材料和零件性能指標(biāo)，可以大大減少設(shè)計(jì)周期，提高零件可靠性。

2.3機(jī)械加工精度問題

機(jī)械加工精度不高是加工企業(yè)普遍存在且難以解決的一個(gè)問題，機(jī)械加工與設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)之間總存在著一定誤差，從而影響加工精度。影響加工精度的主要因素可分為機(jī)械加工系統(tǒng)的幾何誤差，工件裝夾誤差，機(jī)械加工系統(tǒng)受力和受熱變形引起的加工誤差等。機(jī)械加工系統(tǒng)的幾何誤差包括機(jī)床、夾具和刀具等的制造誤差、安裝誤差及使用過程中因磨損造成的誤差[1]；工件裝夾誤差主要是定位不正確引起的誤差；在加工過程中，加工系統(tǒng)受切削力和切削熱量等作用產(chǎn)生變形，使工件與刀具之間的相對(duì)位置發(fā)生變化，影響工件最終的形狀和尺寸精度。機(jī)械設(shè)計(jì)加工精度只能最大程度的提高，盡可能的去滿足設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，把精度控制在允許標(biāo)準(zhǔn)范圍內(nèi)，進(jìn)而不斷地提升產(chǎn)品在生產(chǎn)階段的整體質(zhì)量。

2.4零件表面質(zhì)量問題

零件的表面質(zhì)量直接影響表面的微觀幾何形狀和表面物理力學(xué)性能，表面質(zhì)量越差，零件表面越粗糙，耐磨耐腐蝕性能越差，進(jìn)而影響使用性能和使用壽命。目前影響零件表面質(zhì)量的主要因素有刀具材料與工件材料的匹配問題、切削用量和工件材料的選用問題等。根據(jù)零部件的材料，選擇相應(yīng)的刀具進(jìn)行切削，例如在實(shí)際生產(chǎn)中，硬質(zhì)合金鋼類的刀具常用于鑄鐵類零件加工，金屬陶瓷刀具常用于超硬材料的加工等。對(duì)于塑性材料，如果選用較大的切削用量，難免會(huì)使零部件發(fā)生塑性變形，并且在在切屑加工結(jié)束時(shí)，刀具和零部件的分離會(huì)產(chǎn)生撕裂作用，影響零部件的表面質(zhì)量。對(duì)于脆性材料，在切削過程中，容易產(chǎn)生斷續(xù)的碎粒，影響零部件的表面質(zhì)量。機(jī)械設(shè)計(jì)加工階段，控制零件的表面質(zhì)量，降低次品的出現(xiàn)幾率，深入的分析表面質(zhì)量的影響因素，對(duì)制造企業(yè)來說具有重要意義。

2.5產(chǎn)品性價(jià)比問題

在市場競爭中，產(chǎn)品的價(jià)格和產(chǎn)品質(zhì)量一樣也重要。在保證產(chǎn)品質(zhì)量的前提下，提高產(chǎn)品的性價(jià)比，才能提高市場競爭力。影響產(chǎn)品性價(jià)比的因素主要包括三個(gè)方面，首先由于機(jī)械加工精度不高、加工過程的自動(dòng)化水平較低等造成了零部件的質(zhì)量參差不齊，廢品率較高；其次，由于加工設(shè)備落后和操作人員不熟練造成零部件的生產(chǎn)周期較長，生產(chǎn)效率較低，導(dǎo)致生產(chǎn)成本較高；最后，由于機(jī)械零部件標(biāo)準(zhǔn)化程度較低，造成其后期的維修及替換成本較高。

3.改善措施

3.1科學(xué)地選擇材料

材料包括零部件材料和刀具材料兩方面。零部件的材料直接影響使用性能，在選用時(shí)，首先利用經(jīng)驗(yàn)依據(jù)零部件的使用性能選擇一系列材料，然后再根據(jù)經(jīng)濟(jì)型、美觀性等確定最終的材料。例如，蝸輪蝸桿傳動(dòng)效率較低、散熱性能較差，失效形式主要為磨損、膠合及點(diǎn)蝕，因此在選擇蝸桿蝸輪的材料時(shí)，材料副應(yīng)該具有良好的減磨和跑合性能、抗膠合性能。在實(shí)際的生產(chǎn)中，渦輪齒圈的材料一般選用青銅或鑄鐵，而蝸桿常選用合金鋼或碳鋼。刀具的材料是根據(jù)工件的材料及加工方法來確定的，例如45鋼鍛件在粗車時(shí)，選用YW材質(zhì)的刀具，而在精車時(shí)，選用YT15材質(zhì)的刀具。

3.2遵循科學(xué)地加工工藝

科學(xué)地設(shè)計(jì)工藝路線，不僅可以提高零部件的質(zhì)量，而且還可以提高零部件的性價(jià)比。在制定工藝路線時(shí)，一方面，盡可能的提高生產(chǎn)的自動(dòng)化水平，減少人工的操作，降低人為因素的影響；另一方面，盡可能減少零部件加工工序，盡量一次性加工和處理，提高加工精度和加工效率。最重要的是，根據(jù)零部件的具體使用性能，選擇適當(dāng)?shù)淖罱K工序加工方法，改變工件表層的殘余應(yīng)力的性質(zhì)[2]。例如，在工作中受交變載荷作用的工件，為了提升其抗疲勞強(qiáng)度，應(yīng)該選擇使工件產(chǎn)生殘余壓應(yīng)力而避免殘余拉應(yīng)力的最終工序加工方法，而對(duì)于相對(duì)滑動(dòng)的兩工件，為了提高工件抵抗滑動(dòng)摩擦的能力，應(yīng)該選擇使工件表面存在拉應(yīng)力的最終工序工藝。另外，在實(shí)際生產(chǎn)中，常采用滾壓加工的方法提高工件的承載能力和疲勞強(qiáng)度，采用噴丸強(qiáng)化的方法提高工件的疲勞強(qiáng)度和使用壽命。

3.3設(shè)計(jì)合理的切削用量

在機(jī)械設(shè)計(jì)與加工過程中，程序員運(yùn)用模具數(shù)控程序設(shè)計(jì)時(shí)，首當(dāng)其沖應(yīng)當(dāng)對(duì)各道工序的切削用量進(jìn)行明確。而在選擇切削用量時(shí)，應(yīng)當(dāng)將可能對(duì)切削產(chǎn)生影響的各項(xiàng)因素進(jìn)行綜合考慮，合理地設(shè)計(jì)和確定切削用量。一般而言，影響切削條件的因素有：機(jī)床、工具、以及工件的剛性；切削速度、切削深度、切削進(jìn)給率；工件精度及表面粗糙度；刀具預(yù)期壽命及最大生產(chǎn)率；切削液的種類、冷卻方式；工件材料的硬度及熱處理狀況；工件數(shù)量；機(jī)床的壽命等等。在眾多因素中南，設(shè)置切削速度和切削深度是最為重要的兩大因素[3]。為了提高工件的加工效率，在滿足質(zhì)量要求的前提下，盡可能地提高刀具的切削速度，并且盡可能使切削深度等于工件的加工余量。另外，還要盡可能的縮短刀具和工件的擠壓時(shí)間，最大程度的降低工件塑性變形。只有合理的設(shè)置，才能確保各環(huán)節(jié)不出問題，從而更大的提高效率。

3.4科學(xué)地選用潤滑劑

潤滑劑在整個(gè)加工過程中起到冷卻與潤滑的作用[4]。在切削加工過程中，切削液的使用起到了很好的冷卻和潤滑作用。但是，如果潤滑劑選擇存在失誤或者沒有控制好潤滑劑的使用量，便會(huì)帶來一些負(fù)面影響。一般而言，在常見的切削、研磨、沖壓以及拉拔等加工工藝，在加工區(qū)域會(huì)產(chǎn)生大量的熱能，這對(duì)刀具的使用壽命和精度控制都是不利的[5]。根據(jù)工件的材料及加工方法，科學(xué)地選擇潤滑劑可以改善工件表層的熱變形，提高加工質(zhì)量和加工效率。例如45#鋼工件在切削加工時(shí)，不能選擇水溶液作為潤滑劑，從經(jīng)濟(jì)成本角度出發(fā)，乳化液較切削油成本低，因此選擇乳化液作為潤滑劑。

4.總結(jié)

在十三五規(guī)劃期間，制造企業(yè)要想快步的邁向中高端，提高核心的市場競爭力，必須能提高自己的加工水平，制造出更高質(zhì)量更高性價(jià)比的產(chǎn)品。除了更加精密的制造設(shè)備，制造企業(yè)還需要盡量去改善機(jī)械設(shè)計(jì)與機(jī)械加工過程存在的問題，優(yōu)化自己的機(jī)械設(shè)計(jì)與機(jī)械加工過程。具體而言，應(yīng)盡可能地從科學(xué)地選擇材料、遵循科學(xué)地加工工藝、設(shè)計(jì)合理的切削用量、科學(xué)地選用潤滑劑等多個(gè)方面入手，確保機(jī)械設(shè)計(jì)和機(jī)械加工的每一個(gè)過程不出現(xiàn)問題，最終保證制造出的產(chǎn)品符合標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，滿足各行各業(yè)對(duì)機(jī)械類產(chǎn)品的需求。

參考文獻(xiàn)

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[3]周立.機(jī)械設(shè)計(jì)加工中應(yīng)注意的問題分析[J].城市建設(shè)理論研究，2015（2）.

[4]何戰(zhàn)洋，詹士會(huì).關(guān)于機(jī)械設(shè)計(jì)加工中常見問題思考[J].科技致富向?qū)В?013，29：145+153.

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作者簡介

趙泓荀，1990年6月生，滿族，籍貫遼寧省西豐縣，武漢理工大學(xué)在讀研究生，研究方向：機(jī)械結(jié)構(gòu)分析、機(jī)械疲勞損傷。