機(jī)械設(shè)計與機(jī)械加工中常見問題及改善措施分析

薄守方

（山東省冶金設(shè)計院股份有限公司，山東 濟(jì)南 250101）

機(jī)械設(shè)計理念與加工工藝水平與產(chǎn)品質(zhì)量息息相關(guān)，如果設(shè)計圖紙出現(xiàn)問題或者產(chǎn)品加工精度與標(biāo)準(zhǔn)要求不符，一旦投入到工業(yè)生產(chǎn)當(dāng)中，產(chǎn)品質(zhì)量也將大打折扣，進(jìn)而給企業(yè)造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失。因此，機(jī)械設(shè)計與加工企業(yè)應(yīng)當(dāng)嚴(yán)把產(chǎn)品質(zhì)量關(guān)，借助于計算機(jī)、人工智能等先進(jìn)的科學(xué)技術(shù)不斷優(yōu)化和調(diào)整設(shè)計方案，不斷提升機(jī)械加工技術(shù)水平，為提高工業(yè)產(chǎn)能與產(chǎn)值奠定堅實基礎(chǔ)。

1 機(jī)械設(shè)計與機(jī)械加工的概念

機(jī)械設(shè)計主要是結(jié)合機(jī)械工作原理、計算機(jī)技術(shù)設(shè)計出滿足于工業(yè)生產(chǎn)需求的動力型產(chǎn)品，在設(shè)計初期，需要全面考慮機(jī)械內(nèi)部各個零配件的幾何尺寸、零件形狀、潤滑度等技術(shù)參數(shù)，然后繪制出設(shè)計圖紙，為機(jī)械加工提供參考依據(jù)。機(jī)械設(shè)計主要包括以下三種類型，即繼承設(shè)計、轉(zhuǎn)型設(shè)計以及新型設(shè)計。繼承設(shè)計顧名思議，就是遵照機(jī)械設(shè)備的原始設(shè)計模式，在保證產(chǎn)品性能先進(jìn)性的前提條件下，創(chuàng)新設(shè)計方法，使產(chǎn)品能夠滿足現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)需求。轉(zhuǎn)型設(shè)計是對原始設(shè)計模式進(jìn)行改良升級，對機(jī)械設(shè)備內(nèi)部的各個零部件的位置進(jìn)行調(diào)整，或者更換零部件，使機(jī)械設(shè)備的動力性更加強(qiáng)勁或者性能更加優(yōu)越。新型設(shè)計是完全遵循現(xiàn)代機(jī)械設(shè)計理念，改變原始的設(shè)計模式，利用新方法設(shè)計出更具人性化的終端產(chǎn)品，以此提高企業(yè)的生產(chǎn)作業(yè)效率，為企業(yè)創(chuàng)造更多的經(jīng)濟(jì)效益。

機(jī)械加工是將原材料轉(zhuǎn)變?yōu)槌善返募庸ぶ圃爝^程，比如利用數(shù)控機(jī)床將各種原材料切削、打磨成為符合設(shè)計尺寸、形狀的零件，使零件具備新的功能屬性。由于工業(yè)生產(chǎn)工序差異性較大，因此，加工工藝及方法也有所不同。近年來，機(jī)械加工流程已經(jīng)實現(xiàn)了全程自動化與智能化，操作人員只需要寫入產(chǎn)品的規(guī)格、尺寸等參數(shù)，自動化設(shè)備就可以生產(chǎn)出滿足工業(yè)生產(chǎn)需求的零部件，生產(chǎn)效率與產(chǎn)品精度得到大幅提升。

2 機(jī)械設(shè)計與機(jī)械加工中的常見問題

2.1 產(chǎn)品質(zhì)量缺陷

在產(chǎn)品設(shè)計過程中，由于設(shè)計人員失誤，導(dǎo)致產(chǎn)品的規(guī)格、尺寸、形狀、性能等參數(shù)出現(xiàn)錯誤，在機(jī)械加工環(huán)節(jié)，加工出來的成品就會存在嚴(yán)重的質(zhì)量缺陷，如果將存在質(zhì)量缺陷的零部件應(yīng)用于機(jī)械設(shè)備當(dāng)中，不僅會縮減機(jī)械設(shè)備的使用壽命，同時，也存在較大安全風(fēng)險隱患。比如在選擇脆性加工材料時，設(shè)計人員事先對材料的拉伸能力等指標(biāo)不熟悉，一旦投入生產(chǎn)，加工出的零部件就會出現(xiàn)碎渣脫落現(xiàn)象，而影響零部件表面的潤滑度與產(chǎn)品質(zhì)量。而在選取塑性材料時，由于這種材料本身剛度值較低，穩(wěn)定性較差，如果設(shè)計方案當(dāng)中未明確指出這一點，在實際加工時，零件就會出現(xiàn)彎曲變形等現(xiàn)象，甚至產(chǎn)生大量的殘次品[1]。

2.2 機(jī)械加工誤差

機(jī)械加工誤差主要包括定位誤差、導(dǎo)軌誤差、制造誤差以及系統(tǒng)誤差。其中定位誤差包括基準(zhǔn)誤差以及產(chǎn)品定位出現(xiàn)偏差，如果加工過程中，出現(xiàn)產(chǎn)品定位誤差，就會影響產(chǎn)品的規(guī)格、形狀等尺寸參數(shù)與狀態(tài)參數(shù)，進(jìn)而影響產(chǎn)品加工質(zhì)量。

導(dǎo)軌誤差是指機(jī)床中的導(dǎo)軌在水平面內(nèi)與垂直面的直線度誤差，或者機(jī)床前后導(dǎo)軌在垂直面內(nèi)的平行度誤差。一般情況下，導(dǎo)軌誤差常常出現(xiàn)在銑削平面或者機(jī)床鏜孔工序中。比如鏜孔的中心線和基準(zhǔn)面不平行或者銑平面與基準(zhǔn)不平行，都會影響產(chǎn)品性能。導(dǎo)軌在水平面內(nèi)的直線度誤差如圖1 所示。

圖1 導(dǎo)軌在水平面內(nèi)的直線度誤差

制造誤差是指在機(jī)械加工過程中產(chǎn)生的誤差，一般包括導(dǎo)軌誤差、主軸回轉(zhuǎn)誤差以及傳動鏈誤差。比如導(dǎo)軌在處于工作狀態(tài)時，與加工工件之間常常出現(xiàn)不均勻磨損，如果不改變長時間持續(xù)磨損的狀況，加工出來的零部件精度就會受到影響。主軸回轉(zhuǎn)誤差是由于軸承在轉(zhuǎn)動過程中與其它零部件之間在長期摩擦作用下，而出現(xiàn)磨損現(xiàn)象，進(jìn)而造成主軸回轉(zhuǎn)誤差。而傳動鏈誤差則是由于傳動鏈在摩擦作用下出現(xiàn)磨損，以至于傳動鏈兩端在運轉(zhuǎn)時產(chǎn)生一定的距離。由此可以看出，制造誤差對產(chǎn)品精度將產(chǎn)生較大影響。

引起系統(tǒng)誤差的原因主要是由于加工工件的剛度不足，在加工過程中，零件本身就會出現(xiàn)變形。另外，零件的加工過程，常常伴隨著零件移位現(xiàn)象，如果機(jī)床部件或者工件本身自重量過大，極易引起機(jī)床橫梁變型，而出現(xiàn)加工誤差，如圖2 所示。

圖2 機(jī)床部件與工件自重引起的橫梁變形

2.3 人為操作失誤

產(chǎn)品加工精度是衡量產(chǎn)品質(zhì)量的一項關(guān)鍵指標(biāo)，但是，由于操作人員的專業(yè)技術(shù)水平參差不齊，或者在操作過程中違反操作規(guī)程，導(dǎo)致生產(chǎn)出來的零部件出現(xiàn)各種質(zhì)量缺陷。另外，在加工產(chǎn)品之前，如果操作人員未對測量工具進(jìn)行校準(zhǔn)、設(shè)備在運轉(zhuǎn)過程中受熱不均或者機(jī)床刀具經(jīng)過長時間磨損而出現(xiàn)老化現(xiàn)象，都會影響產(chǎn)品精度。

3 針對機(jī)械設(shè)計與機(jī)械加工中的常見問題采取的改善措施

3.1 優(yōu)選加工材料

原材料質(zhì)量以及性能參數(shù)直接影響產(chǎn)品的最終質(zhì)量，因此，在機(jī)械設(shè)計階段，設(shè)計人員應(yīng)當(dāng)事先對原材料市場進(jìn)行調(diào)研，以編制原材料選用的備選方案。在選取材料時首先應(yīng)當(dāng)符合終端產(chǎn)品的性能要求，比如鍛造性能、切削性能、熱處理性能等，并堅持優(yōu)中選優(yōu)的原則，以確產(chǎn)品質(zhì)量能夠滿足工業(yè)生產(chǎn)要求。比如在選擇型材時，應(yīng)當(dāng)確定選用的加工工藝類型，然后選擇符合生產(chǎn)工藝流程的板材、線材或者棒材，另外，型材的截面形狀主要包括圓型、方形、六角形，為了降低加工成本，技術(shù)人員在選擇型材時，應(yīng)當(dāng)考慮產(chǎn)品的形狀來確定選擇哪一種形狀的型材。

3.2 采用精密加工技術(shù)

精密加工技術(shù)主要包括切剝技術(shù)、研磨技術(shù)以及微機(jī)械技術(shù)。切剝技術(shù)是對原材料進(jìn)行預(yù)處理的一道關(guān)鍵工序，在切剝過程中，精度越高，產(chǎn)品加工精度也越高。首先考慮到原材料的規(guī)格大小以及形狀并沒有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)要求，因此，需要對原材料進(jìn)行切剝作業(yè)，由于實施切剝作業(yè)的載體工具主要是機(jī)床的刀片，這就對刀片的鋒利程度提出了更高的要求，為了保證切剝精度，應(yīng)當(dāng)定期更換刀片。如果運用激光切割技術(shù)，則需要控制好每一次激光打入的深度，使同一批次的產(chǎn)品能夠滿足加工精度要求。研磨技術(shù)主要是控制產(chǎn)品表面的粗糙度，比如在生產(chǎn)硅芯片產(chǎn)品時，硅芯片表面的粗糙度應(yīng)當(dāng)介于0.1cm～0.2cm 之間，這樣，生產(chǎn)出的產(chǎn)品表面才更加光滑[2]。

近年來，隨著機(jī)械加工工藝的不斷創(chuàng)新，磁懸浮技術(shù)已經(jīng)在產(chǎn)品研磨工序中被廣泛使用。這種技術(shù)主要利用磁力作用對產(chǎn)品表面進(jìn)行打磨，而在加工期間，產(chǎn)品與機(jī)床之間無需直接接觸，就可以實現(xiàn)精磨工序，進(jìn)而延長了設(shè)備的使用壽命，為企業(yè)創(chuàng)造了更多的經(jīng)濟(jì)效益。微機(jī)械技術(shù)主要對加工機(jī)械的規(guī)模和形體大小而言，過去，在機(jī)械加工過程中，使用的加工機(jī)械往往形體較大，既占用了大量的空間，同時也無法保證產(chǎn)品精度。而微型機(jī)械取代大型加工機(jī)械以來，產(chǎn)品精密度得到大幅提升。比如在加工芯片等高精密元器件時，微機(jī)械設(shè)備信息捕捉能力更強(qiáng)，反應(yīng)速度更快，捕捉的產(chǎn)品性能信息更加全面，生產(chǎn)出的產(chǎn)品次品率大幅下降。

3.3 遵循批量化、標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計加工理念

隨著工業(yè)生產(chǎn)規(guī)模的逐年擴(kuò)大，機(jī)械加工市場的競爭態(tài)勢日趨激烈，因此，工業(yè)生產(chǎn)對機(jī)械零部件的需求量也不斷增加，在這種形勢之下，機(jī)械設(shè)計與機(jī)械加工企業(yè)應(yīng)當(dāng)及時轉(zhuǎn)變思想觀念，建立機(jī)械設(shè)計與機(jī)械加工的標(biāo)準(zhǔn)化體系，逐步與國際市場接軌。在生產(chǎn)過程中，各級管理人員與技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)嚴(yán)把材料質(zhì)量關(guān)，并對機(jī)械設(shè)計與加工流程進(jìn)行優(yōu)化，同時，建立一條批量化機(jī)械加工生產(chǎn)線，結(jié)合智能化、自動化技術(shù)，提高產(chǎn)品的產(chǎn)出量，確保產(chǎn)品質(zhì)量滿足國際市場標(biāo)準(zhǔn)或者行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)要求，以增強(qiáng)企業(yè)的市場競爭實力。

3.4 合理選用潤滑劑

工業(yè)生產(chǎn)對機(jī)械零部件的加工精度有著嚴(yán)格要求，一旦加工精度出現(xiàn)較大誤差，將直接影響機(jī)械設(shè)備的性能，而給企業(yè)造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失。因此，在機(jī)械加工過程中，應(yīng)當(dāng)充分發(fā)揮潤滑劑的冷卻、潤滑、清潔、防銹等作用，結(jié)合加工工藝流程，合理選用潤滑劑。比如在原材料切割與沖壓過程中，原材料與設(shè)備間的摩擦系數(shù)較大，為了防止零部件表面出現(xiàn)破損的情況，應(yīng)當(dāng)在加工零部件時加入潤滑劑，使減小原材料與設(shè)備間的摩擦系數(shù)，同時，潤滑劑能夠釋放出大量的熱量，對延長設(shè)備使用壽命也起到積極的防護(hù)作用。另外，在原材料切割作業(yè)中，材料本身將承受巨大切割力，如果材料塑性值較大，切割刀具容易與材料之間發(fā)生粘黏作用而貼合在一起，進(jìn)而影響整個加工過程，如果添加潤滑劑，則可以有效降低切割作用力，進(jìn)而提高切割效率。

3.5 合理設(shè)置切削參數(shù)

切削用量是機(jī)械設(shè)計與加工過程中的重要參數(shù)，尤其是切削深度、切削速度與產(chǎn)品精度之間存在直接聯(lián)系，因此，設(shè)計人員在設(shè)定切削參數(shù)時，應(yīng)當(dāng)嚴(yán)格遵照標(biāo)準(zhǔn)要求，并全面考慮影響產(chǎn)品精度的各種因素。在選擇切削刀具時，應(yīng)當(dāng)根據(jù)原材料的塑性指標(biāo)、剛度指標(biāo)，合理選擇刀具類型，為了有效控制切削溫度，在機(jī)械加工時，應(yīng)當(dāng)添入適量的切削液，以釋放生產(chǎn)過程中產(chǎn)生的熱量。另外，雖然機(jī)械加工的智能化與自動化水平已經(jīng)提升到一個全新的高度，但是，終端人為操作對產(chǎn)品精度的影響仍然占據(jù)較高比例，基于此，機(jī)械設(shè)計與加工企業(yè)應(yīng)對操作人員和相關(guān)技術(shù)人員進(jìn)行定期培訓(xùn)，并將新技術(shù)、新工藝、新材料等內(nèi)容納入到培訓(xùn)課程體系，使參加培訓(xùn)的各級人員能夠樹立創(chuàng)新意識，以設(shè)計和加工出更多高質(zhì)量、高精度的機(jī)械零部件，以推動工業(yè)現(xiàn)代化發(fā)展進(jìn)程。

4 結(jié)束語

綜上所述，機(jī)械設(shè)計與機(jī)械加工應(yīng)當(dāng)遵循經(jīng)濟(jì)性、實用性、科學(xué)性原則，在保證產(chǎn)品質(zhì)量與精度的同時，不斷優(yōu)化和改進(jìn)產(chǎn)品性能。技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)始終秉持與時俱進(jìn)的態(tài)度，在機(jī)械設(shè)計與加工過程中，從材料選取、工藝創(chuàng)新、標(biāo)準(zhǔn)化體系建立、精密加工等多方面予以考慮，編制適時可行的機(jī)械設(shè)計與加工方案，以提升工業(yè)生產(chǎn)自動化、智能化水平。