基于機械制造工藝的合理化機械設(shè)計策略研究

廣州市機電高級技工學(xué)校 呂俊流

0 引言

機械制造作為我國的支柱產(chǎn)業(yè)之一，近年來一直保持著平穩(wěn)發(fā)展的趨勢。但從工藝來看，我國仍與發(fā)達國家之間存在差距，導(dǎo)致企業(yè)在全球化競爭中處于劣勢地位。合理化設(shè)計策略不僅需要考慮到誤差控制，而且還必須兼顧質(zhì)量與生產(chǎn)便捷程度。通過革新目前的設(shè)計策略，以適應(yīng)不斷增長的物質(zhì)需求顯得十分迫切。

1 機械制造工藝的關(guān)鍵技術(shù)

1.1 制造工藝的流程

工藝是影響機械制造水平的重要因素，也是目前制造行業(yè)較為薄弱的環(huán)節(jié)。制造工藝涉及內(nèi)容較多，在控制上也十分復(fù)雜。首先，工人需要對原料進行毛胚處理。在此過程中應(yīng)該做好零部件的調(diào)試與檢驗，給后續(xù)的安裝工作做好準備。其次，需要將零件進行定位，使其相對于機床和刀具保持固定?，F(xiàn)階段在零部件定位方面方式較多，軸向固定、緊定螺釘以及卡簧等應(yīng)用十分廣泛。但具體的定位方案仍需要根據(jù)工件與夾具契合度來選擇，以保障該產(chǎn)品的質(zhì)量。此外，在當下大規(guī)模的流水作業(yè)中零部件的標準化要求也凸顯出來，需要在定位的過程中選用合理的標準來規(guī)范生產(chǎn)。

1.2 零件的夾裝定位

通常而言，為了使零部件在制造過程中保持原定的位置，就需要借助于機床夾具來固定。比如在車床上會配備專門的三爪自定心卡盤，其不僅能對零部件起到鉗制的作用，而且還能使零件與刀具之間保持平衡。而定心卡盤中設(shè)有專門的定位元件（圖1所示），能夠有效地控制零部件的位置誤差，確保機械加工的精度。同時借助于夾緊裝置來施加一定的應(yīng)力，使零部件在受力狀況下保持穩(wěn)定。而在夾裝方法方面，目前應(yīng)用的工藝大多為直接找正、劃線找正以及夾裝這三種。技術(shù)人員需要根據(jù)不同的生產(chǎn)規(guī)模和產(chǎn)品標準來應(yīng)對，在保證加工質(zhì)量的同時實現(xiàn)生產(chǎn)效率的提高。

圖1

1.3 制造的精度改良

精度控制可以說是機械制造工藝中最核心的內(nèi)容，它關(guān)乎到最終產(chǎn)品的質(zhì)量。除了受最初設(shè)計參數(shù)影響以外，加工過程中同樣也會造成誤差。一旦機械零部件的位置、尺寸出現(xiàn)誤差，那么就可能使該生產(chǎn)線陷入癱瘓或者影響到產(chǎn)品的質(zhì)量。比如在加工過程中機床主軸在運行就會產(chǎn)生一定的位移，這種現(xiàn)象無疑會造成加工的誤差。但目前國內(nèi)軸承技術(shù)較為滯后，難以適應(yīng)日益苛刻的加工要求。此外，機床生產(chǎn)的刀具也容易出現(xiàn)嚴重的誤差。在刀具使用過程中會出現(xiàn)折舊損毀的現(xiàn)象，因此企業(yè)往往會定期進行維護與更換。然而在更換零部件之后，刀具與夾具之間的位置就容易出現(xiàn)偏移，這也是目前需要注意的問題。

2 合理化設(shè)計的主要內(nèi)容

2.1 提高機床性能

目前業(yè)界的制造加工主要依賴于數(shù)控機床來進行。換言之，在合理化設(shè)計中提高機床的性能，關(guān)乎到加工的質(zhì)量。首先，要確保機床設(shè)計上精度達到甚至超過行業(yè)標準。比如不少機床在運作的過程中工作臺與其它部位進度不一，從而給作業(yè)的開展造成阻礙。究其原因，主要是機床的定位能力較為薄弱，無法在運動中保持各部件的相對穩(wěn)定。其次，還需要改善機床的分度精準性。在數(shù)控操作過程中，發(fā)出的指令與軸承的實際偏離角度存在誤差，那么也會改變工件的位置。值得一提的是，合理化設(shè)計還必須充分地考慮機床的分辨率和脈沖量。機床的每一個操作都是由數(shù)控裝置發(fā)出的脈沖所控制的，而信號量的大小就決定著機床的位移量。因此，在設(shè)計中需要不斷降低脈沖量，通過高靈敏度的技術(shù)來控制誤差。

2.2 注重安裝調(diào)試

合理化機械設(shè)計是基于生產(chǎn)實際提出的，要確保其可靠性就需要對設(shè)備進行安裝調(diào)試，從而制定出科學(xué)合理的設(shè)計方法。實際上近幾年制造業(yè)發(fā)展的同時，機械設(shè)備也承受著巨大的運行負荷。在這種高強度的生產(chǎn)狀態(tài)下其老化速度加快，具體表現(xiàn)為頻繁故障以及精度的下降。此外，機械設(shè)備在運行中還會造成各部件的振動摩擦，這同樣會對設(shè)備性能造成影響。因此，要想進行合理化機械設(shè)計就必須定期開展安裝調(diào)試工作。一方面能夠及時地發(fā)現(xiàn)設(shè)計中的不足；另一方面也可以更充分地了解到生產(chǎn)的需求，并對設(shè)計方案進行改良。

3 機械設(shè)計精確性控制手段

3.1 刀具及夾模誤差

目前在機械制造中主要分為定尺寸刀具與成形刀具兩種，它們的尺寸與形狀都會對精度造成影響。此外，在投產(chǎn)使用的過程中刀具還會受到磨損，也使其各項參數(shù)發(fā)生改變。對夾具而言，其誤差主要產(chǎn)生在制造與安裝的過程中。一旦出現(xiàn)誤差，不僅會在工件的夾緊環(huán)節(jié)出現(xiàn)不耦合的現(xiàn)象，還可能造成刀具的損傷。因此，業(yè)界也明確規(guī)定夾具的標準誤差應(yīng)該控制在工件的三分之一以內(nèi)。在機械加工時，技術(shù)人員就應(yīng)該預(yù)先進行誤差控制。技術(shù)人員可以按照國家法規(guī)以及行業(yè)標準，針對不同的使用需求來制定設(shè)計方案。同時，對于一些存在誤差的零部件，也可以通過補償法來進行補救。技術(shù)人員可以在后期生產(chǎn)過程中人為制造一個誤差，使兩相中和之下誤差趨近于零。

3.2 受力形變的控制

工藝系統(tǒng)在生產(chǎn)中容易受到重力、加緊力等因素的作用，使機床零部件出現(xiàn)形變，并影響到正常的運作。學(xué)界對這個問題的研究主要是針對系統(tǒng)剛度（k）來展開，通過對數(shù)據(jù)的分析將其與系統(tǒng)位移、吃刀抗力之間建立起聯(lián)系。其表達式為：

其中Fp為吃刀抗力，而y為系統(tǒng)產(chǎn)生的位移量。而在生產(chǎn)過程中車床頂部所受到的應(yīng)力較小，因此位移量和形變程度均可以忽略不計。但在機床的尾座以及刀具處，部件的形變較為嚴重，給機床的性能造成嚴重的影響。筆者通過對機床受力情況進行分析，得出以下形變圖2。

圖2

3.3 熱形變的應(yīng)對策略

在機床運作過程中，機械摩擦振動會產(chǎn)生大量的熱能，使工藝系統(tǒng)以及工件溫度上升。據(jù)行業(yè)內(nèi)調(diào)查顯示，在機械制造中由于熱形變造成的誤差大致占到了六成，是加工誤差頻現(xiàn)的重災(zāi)區(qū)。比如在部分圓柱類工件的生產(chǎn)過程中，受熱之后會出現(xiàn)較為明顯的尺寸變化。若將該工件的長度記作L，半徑記作R。而用α來表示該材料的膨脹系數(shù)，為工藝系統(tǒng)的溫度變化情況。那么根據(jù)物理學(xué)原理和數(shù)學(xué)規(guī)律可以得出，工件的熱形變長度，工件的熱形變橫向。筆者建議，在合理化機械設(shè)計中應(yīng)該在容易出現(xiàn)熱形變的部位添加冷卻液。通過熱量傳遞的方式來減輕重要部件的熱形變壓力，保障其正常的運作。其次，應(yīng)該合理規(guī)范的使用機床。一定的運轉(zhuǎn)時間后，必須給予充足的時間來休整降溫。最后，還應(yīng)該不斷的加快工件的進給，抑制熱量的傳導(dǎo)。

4 合理化機械設(shè)計趨勢

4.1 機械設(shè)計標準化

所謂標準化，就是針對一些能夠重復(fù)使用的項目進行規(guī)范，以此給制造工作提供便利。目前國內(nèi)已經(jīng)形成一套以國家標準與行業(yè)規(guī)范為核心的標準，一方面能夠維持制造業(yè)的有序競爭，另一方面也能夠保障產(chǎn)品的質(zhì)量。首先，要強調(diào)零部件的統(tǒng)一。其次，使零部件的性能保持一致。通過標準化的規(guī)范，將零部件的性能以量化的形式進行明確的規(guī)定。這樣一來，機械的設(shè)計就有可靠的數(shù)據(jù)支持，促進制造行業(yè)的進一步發(fā)展。此外，還需要保持零部件結(jié)構(gòu)的一致。工藝系統(tǒng)在投產(chǎn)使用的過程中難免會出現(xiàn)故障，標準化的零部件結(jié)構(gòu)更有利于后期的養(yǎng)護。一旦出現(xiàn)了故障損毀，也能及時進行更換確保工藝系統(tǒng)的正常運作。

4.2 突出綠色設(shè)計理念

綠色機械設(shè)計理念就是要平衡經(jīng)濟效益與社會效益，從而不斷優(yōu)化整體的工藝系統(tǒng)。在設(shè)計之初，就必須考慮到廢棄后的回收問題。因此，在機械設(shè)計的結(jié)構(gòu)上近幾年提倡可拆卸的方案。若是工藝系統(tǒng)中仍有部分零部件性能良好，則可以拆卸重復(fù)使用；而出現(xiàn)問題的也可及時的維修，降低折舊的成本花費。此外，在設(shè)計中還應(yīng)該創(chuàng)新優(yōu)化，以最低的成本來完成加工。這樣不僅可以提高企業(yè)的利潤率，而且還可節(jié)約資源?？傊?，綠色設(shè)計理念與傳統(tǒng)設(shè)計理念有較大的區(qū)別，更加注重產(chǎn)品的全過程周期。從產(chǎn)品構(gòu)思到原料的選取，都體現(xiàn)出成本控制和系統(tǒng)優(yōu)化的目標，這也是目前業(yè)界發(fā)展的總體方向。

5 結(jié)語

綜上，隨著機械制造行業(yè)的發(fā)展，傳統(tǒng)落后的設(shè)計方案已經(jīng)難以滿足當下的需求。設(shè)計人員應(yīng)立足對機械精度的控制，并大膽的預(yù)測行業(yè)的發(fā)展趨勢，來提出更加科學(xué)合理的方案。這其中不僅有具體的現(xiàn)實問題，也涉及到理念的革新，因此需要學(xué)界和業(yè)界共同努力，不斷促進我國制造業(yè)的發(fā)展。