機(jī)械加工工藝對(duì)零部件加工精度的研究分析

閆安崗，胡曉波，袁 偉，朱玉麒

（1.山東理工大學(xué)，山東 淄博 255049；2.中國(guó)核工業(yè)二三建設(shè)有限公司，北京 順義 101300）

隨著工業(yè)科技日新月異的發(fā)展，我國(guó)機(jī)械生產(chǎn)加工技術(shù)需與時(shí)俱進(jìn)不斷創(chuàng)新，才能不被科技進(jìn)步的時(shí)代浪潮所淘汰[1]。如何在當(dāng)前的機(jī)械制造設(shè)備和加工技術(shù)水平下盡可能提高機(jī)械零部件加工的精度，是目前在機(jī)械制造領(lǐng)域的技術(shù)難題之一[2]。加工后的零部件表面質(zhì)量將直接影響到其產(chǎn)品各項(xiàng)特性，間接影響到組裝后各機(jī)械產(chǎn)品的工作周期和使用壽命。從實(shí)質(zhì)上來(lái)說(shuō)，機(jī)械零部件加工工藝是以生產(chǎn)的“毛坯”物料為載體，再以加工的方法對(duì)物料加以改進(jìn)，達(dá)到更符合零部件制造技術(shù)參數(shù)要求的目的[3]。零部件對(duì)機(jī)械加工精度的要求相對(duì)較高，但是如果在實(shí)際機(jī)械加工中所使用的技術(shù)人員、設(shè)備、材料、加工工藝、工作環(huán)境等不合理，會(huì)使得零部件機(jī)械加工的精度遭受較大的負(fù)面影響[4]。隨著未來(lái)社會(huì)對(duì)機(jī)械制造業(yè)標(biāo)準(zhǔn)愈來(lái)愈高，產(chǎn)品零部件與機(jī)械加工的精確度和匹配率將成為機(jī)械加工中提升與創(chuàng)新的關(guān)鍵點(diǎn)[5]。由此可見(jiàn)，加強(qiáng)對(duì)零部件加工精度的研究與分析是必不可少的。

1 理論概述

1.1 機(jī)械加工工藝

機(jī)械加工工藝主要是指在對(duì)機(jī)械零部件加工過(guò)程中通過(guò)運(yùn)用某種加工工藝方式，對(duì)毛坯進(jìn)行加工處理，從而提高毛坯和零部件之間重合程度的一個(gè)機(jī)械加工過(guò)程[6]。一般來(lái)說(shuō)，機(jī)械加工工藝的整個(gè)流程基本都必須經(jīng)歷從粗加工到精加工。所以，在毛坯到成品機(jī)械零部件的整個(gè)加工工藝流程中，其精度都有著相當(dāng)嚴(yán)格的標(biāo)準(zhǔn)。由于在機(jī)械加工工藝過(guò)程中會(huì)存在著多種直接或間接的影響，因而在機(jī)械加工工藝流程中，每個(gè)工藝環(huán)節(jié)都必須按照相應(yīng)的加工標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行，方能進(jìn)一步提高產(chǎn)品零部件的加工質(zhì)量。

1.2 零部件加工精度

零部件機(jī)械加工精度一般是指在零部件機(jī)械加工后，其實(shí)際的幾何學(xué)技術(shù)參數(shù)（即尺寸、位置和形狀等）與理論中幾何學(xué)技術(shù)參數(shù)的吻合程度。機(jī)械加工精度分為尺寸精確度、圖形準(zhǔn)確度和定位準(zhǔn)確度等，其匹配程度越高，表示機(jī)械加工精度就越高[7]。由于在機(jī)械加工工藝過(guò)程中，會(huì)受到多種因素的影響，使得制造出來(lái)的零部件會(huì)和所預(yù)期的幾何學(xué)技術(shù)參數(shù)有所不同，從而影響加工工藝產(chǎn)品的水平與品質(zhì)。目前現(xiàn)代機(jī)械加工工業(yè)中大部分都是流水車(chē)間生產(chǎn)線，所以在實(shí)際加工流程中，會(huì)受多種因素的影響而造成零部件加工精度存在偏差。

2 零部件加工精度的影響因素

2.1 內(nèi)部因素

內(nèi)部因素主要包括設(shè)備影響、機(jī)械配合影響、日常機(jī)械磨損影響和技術(shù)人員的經(jīng)驗(yàn)影響等。內(nèi)部因素是零部件機(jī)械加工精度中最不易消除的一個(gè)因素。在產(chǎn)品零部件加工過(guò)程中，影響零部件加工精度的內(nèi)部因素主要是指機(jī)械加工設(shè)備本身的誤差，因此對(duì)其機(jī)械加工的設(shè)備有較高的技術(shù)要求。在整個(gè)零部件加工過(guò)程中，機(jī)械加工設(shè)備的優(yōu)良性將直接影響零部件機(jī)械加工的精度。首先機(jī)械加工設(shè)備的安裝工作是較為關(guān)鍵的一環(huán)，其次在機(jī)械零部件加工過(guò)程中，機(jī)械加工設(shè)備零件的一些狀態(tài)磨損及機(jī)械加工設(shè)備各部件的契合程度，也是影響加工件準(zhǔn)確度的主要原因[9]。由此可見(jiàn)，嚴(yán)格把控機(jī)械加工內(nèi)部因素是提升產(chǎn)品零部件機(jī)械加工精度的關(guān)鍵保證。

2.2 熱變因素

熱變影響因素主要包括工件的熱變、刀具的熱變、機(jī)械自身的熱變等。在產(chǎn)品零部件加工過(guò)程中，要使經(jīng)過(guò)機(jī)械加工的零部件能滿足一定高精度標(biāo)準(zhǔn)要求，就需要對(duì)零部件進(jìn)行多次切削，但在切削過(guò)程中產(chǎn)生的摩擦力會(huì)不斷作用形成熱能，該熱能將會(huì)引起刀具和零部件溫度發(fā)生變化，最終使得零部件的加工精準(zhǔn)度無(wú)法達(dá)到高精度的標(biāo)準(zhǔn)要求；如零部件加工的精準(zhǔn)度要求較高，零部件較長(zhǎng)，此時(shí)零部件精準(zhǔn)度也會(huì)受到影響。在零部件的機(jī)械加工中，機(jī)械設(shè)備會(huì)和零部件產(chǎn)生熱相互作用，從而引起機(jī)械加工設(shè)備本體工作溫度上升，使機(jī)械加工設(shè)備自身切合度受到一定影響，結(jié)果造成加工的機(jī)械零部件精確度出現(xiàn)較大偏差[10]。外界溫度的變化，對(duì)零部件及機(jī)械加工設(shè)備也會(huì)產(chǎn)生一定影響，使刀具在切削零部件過(guò)程中發(fā)生偏差，進(jìn)而影響其精度。由此可見(jiàn)，合理調(diào)節(jié)機(jī)械加工設(shè)備周?chē)h(huán)境溫度有利于零部件加工的精確度。

2.3 受力因素

外力因素也是零部件加工生產(chǎn)精度中的重要影響因素之一[11]。零部件在進(jìn)行機(jī)械加工時(shí)，自身運(yùn)轉(zhuǎn)會(huì)受到各種外力的共同影響，包括刀具的斜切削力和夾具的夾力矩等。在各種方向、大小應(yīng)力的共同作用下，零部件或刀具很容易產(chǎn)生金屬疲勞，并發(fā)生一定程度的變形，會(huì)直接影響機(jī)械軸線的回轉(zhuǎn)線出現(xiàn)偏移，從而使得各零部件加工部位也相應(yīng)地出現(xiàn)偏離，如圖1 所示。由此可見(jiàn)，零部件機(jī)械加工中，在主要受力部位通過(guò)增加設(shè)備強(qiáng)度和剛性的方法，來(lái)合理地調(diào)節(jié)刀具和機(jī)械加工設(shè)備的變形，可減小其對(duì)零部件機(jī)械加工精度的影響。

圖1 零部件加工過(guò)程圖示

3 提升零部件加工精度的方式方法

3.1 提升技術(shù)人才能力

目前，中國(guó)的機(jī)械制造市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)愈來(lái)激烈，機(jī)械制造加工企業(yè)多選擇引進(jìn)現(xiàn)代化機(jī)械加工工藝和技術(shù)，以提高對(duì)零部件機(jī)械加工精度的控制，但并沒(méi)有意識(shí)到提升生產(chǎn)技術(shù)人員專(zhuān)業(yè)能力的重要性[13]。不重視對(duì)生產(chǎn)操作技術(shù)人員的培養(yǎng)，生產(chǎn)操作技術(shù)人員專(zhuān)業(yè)能力將無(wú)法大幅提升。而機(jī)械設(shè)備的平穩(wěn)運(yùn)行需要技術(shù)人員進(jìn)行使用和管理。專(zhuān)業(yè)技術(shù)水平欠缺的操作技術(shù)人員根本無(wú)法熟練地運(yùn)用新時(shí)代機(jī)械加工設(shè)備，同時(shí)還會(huì)存在極大的安全隱患，對(duì)整個(gè)企業(yè)自身運(yùn)行效能和經(jīng)濟(jì)性產(chǎn)生負(fù)面影響。所以，在實(shí)際的管理工作中，企業(yè)管理者須定期舉辦學(xué)習(xí)培訓(xùn)活動(dòng)，對(duì)操作技術(shù)人員的專(zhuān)業(yè)素養(yǎng)和技術(shù)能力加以培訓(xùn)提升，讓其在規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)的約束下完成日常生產(chǎn)工作的同時(shí)能靈活處理各類(lèi)突發(fā)性問(wèn)題[14]。既提高機(jī)械零件加工精度質(zhì)量又提升工作效率[15]。

3.2 合理設(shè)計(jì)零部件加工精度

零部件設(shè)計(jì)是否合理也會(huì)對(duì)零部件的機(jī)械加工精度產(chǎn)生影響。為防止上述問(wèn)題的發(fā)生，設(shè)計(jì)人員與操作技術(shù)人員必須按照零部件本身的功用和特性對(duì)零部件加以科學(xué)合理的設(shè)計(jì)及選用[16]。另一方面響應(yīng)節(jié)能環(huán)保、可持續(xù)發(fā)展理念，在保證零部件加工精度的同時(shí)，積極推動(dòng)機(jī)械零部件加工領(lǐng)域向綠色環(huán)保型方向發(fā)展[17]。

3.3 零部件加工材料

若機(jī)械零部件的加工材料不滿足標(biāo)準(zhǔn)要求，就算嚴(yán)格控制了機(jī)械加工工藝，也無(wú)法充分保證零部件的機(jī)械加工精度。所以，零部件加工原材料是整個(gè)機(jī)械加工生產(chǎn)工藝的重要基礎(chǔ)，為了提升零部件加工精度，就必須對(duì)其加工材料實(shí)施嚴(yán)格把控。在機(jī)械加工工藝中，零部件原料的材質(zhì)選擇，也是保證其機(jī)械加工精度滿足一定標(biāo)準(zhǔn)要求的核心關(guān)鍵環(huán)節(jié)[18]。另零部件在加工過(guò)程中應(yīng)強(qiáng)化產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督，進(jìn)行質(zhì)量抽檢工作[19]。

3.4 減少外力干擾

零部件機(jī)械加工中，由于壓力和摩擦力都會(huì)對(duì)機(jī)械零部件加工精確度產(chǎn)生負(fù)面影響。為減少外力作用對(duì)零部件加工精度造成的危害，就一定要減小這兩個(gè)作用力。第一種可在設(shè)計(jì)零部件加工工藝基礎(chǔ)上將其重量加入設(shè)計(jì)要求，以此進(jìn)行對(duì)外力的抵消，避免因碰撞而引起精確度偏差[20]；第二種是日常機(jī)械加工前要仔細(xì)檢查機(jī)械加工設(shè)備，若經(jīng)檢查時(shí)發(fā)現(xiàn)機(jī)械設(shè)備中的零部件未合理嚙合，則要盡快進(jìn)行相關(guān)的調(diào)整工作[21]；第三種是定期拋光機(jī)械設(shè)備關(guān)鍵部件結(jié)合表面，增加機(jī)械結(jié)合表面之間的平滑程度，以此減小機(jī)械結(jié)合表面之間和零部件之間的摩擦力，減少零部件制造過(guò)程中的加工偏差，零部件機(jī)械加工的精度也將獲得提升；第四種是建立偏差補(bǔ)償措施，在機(jī)械加工中偏差不可避免時(shí)，可以采用增加材料方法填補(bǔ)并補(bǔ)償偏差。通過(guò)數(shù)字統(tǒng)計(jì)分析了解機(jī)械加工過(guò)程中偏差產(chǎn)生環(huán)節(jié)，調(diào)節(jié)機(jī)械加工設(shè)備裝配參數(shù)至一定數(shù)值，以此補(bǔ)償機(jī)械加工偏差[22]。

3.5 合理控制熱變因素

熱變形問(wèn)題的產(chǎn)生，主要是零部件加工中產(chǎn)生的熱能和機(jī)械本體運(yùn)動(dòng)所產(chǎn)生的熱能等[23]。在對(duì)零部件進(jìn)行加工與測(cè)量之時(shí)，必須考慮周邊氣候環(huán)境的影響，因?yàn)榄h(huán)境溫度過(guò)高或環(huán)境溫度過(guò)低時(shí)，零部件因熱脹冷縮自身發(fā)生形變，引起測(cè)量尺寸有較大差別[24]。零部件在加工時(shí)產(chǎn)生摩擦，也會(huì)造成零部件的自身溫度上升。為減小因環(huán)境溫度及摩擦造成的熱變影響，提升零部件加工的準(zhǔn)確性，我們可以合理控制加工車(chē)間內(nèi)部溫度，或在零部件上放置冰碴，甚至是用冷水清洗等方式，以減小零部件加工中因熱變?cè)斐傻挠绊慬25]，如圖2 所示。這樣做的目的，都是為了能夠使零部件加工尺寸精確度達(dá)到更高標(biāo)準(zhǔn)。

圖2 加工件冷卻劑降溫圖示

3.6 提高機(jī)械加工工藝系統(tǒng)設(shè)備配置

機(jī)械加工工藝中，由于機(jī)械設(shè)備性能也會(huì)影響零部件加工質(zhì)量，因此改善機(jī)械加工工藝系統(tǒng)設(shè)備配置，是提高產(chǎn)品零部件機(jī)械加工精度的重要途徑之一[26]。提升零部件加工精度，除了改善機(jī)械加工工藝系統(tǒng)設(shè)備配置外也必須注重加強(qiáng)對(duì)機(jī)械加工系統(tǒng)的研究力度，以促進(jìn)技術(shù)設(shè)備革新，提升加工裝置效能，并充分運(yùn)用科學(xué)技術(shù)提高零部件成品精度[27]。在設(shè)備提升改造過(guò)程中，必須做好對(duì)設(shè)備使用偏差的精確計(jì)量，并進(jìn)行偏差補(bǔ)償，嚴(yán)格控制設(shè)備偏差，提升零部件生產(chǎn)加工精度[28]。

3.7 向數(shù)字化革新方向發(fā)展

在現(xiàn)代化科技技術(shù)理念全面創(chuàng)新的背景下，尤其是面對(duì)第四次工業(yè)革命日益提升的現(xiàn)代制造科技技術(shù)，機(jī)械加工工藝也在不斷優(yōu)化和改善。通過(guò)加工操作中的經(jīng)驗(yàn)總結(jié)，先進(jìn)數(shù)字化加工設(shè)備與技術(shù)引進(jìn)更能促進(jìn)零部件加工精度的準(zhǔn)確控制[29]。在未來(lái)的生產(chǎn)變革過(guò)程中，唯有持續(xù)引入最先進(jìn)的數(shù)字化機(jī)械加工設(shè)備，并持續(xù)加強(qiáng)對(duì)最先進(jìn)數(shù)字化機(jī)械加工設(shè)備的研究，才能改進(jìn)機(jī)械加工設(shè)備中的不足，提高機(jī)械加工設(shè)備的性能與精度，進(jìn)而提高零部件加工的質(zhì)量[30]。為了保障最終生產(chǎn)零部件的精確度，大多企業(yè)可利用先進(jìn)技術(shù)構(gòu)建數(shù)據(jù)模型后對(duì)零部件加工進(jìn)行分析，這樣有助于從更科學(xué)的角度來(lái)提高零部件加工精度[31]。

4 結(jié)束語(yǔ)

綜上所述，在零部件加工制造中，機(jī)械加工工藝對(duì)零部件加工的精確度影響因素較多，如果得不到合理控制，零部件加工的產(chǎn)品將無(wú)法達(dá)到高精準(zhǔn)度的要求，會(huì)對(duì)企業(yè)產(chǎn)生一定的負(fù)面影響。在社會(huì)經(jīng)濟(jì)和科技高速發(fā)展，機(jī)械制造業(yè)仍在國(guó)民經(jīng)濟(jì)發(fā)展當(dāng)中扮演著十分關(guān)鍵角色的今天，零部件加工企業(yè)應(yīng)充分考慮機(jī)械加工工藝的多種影響因素，從技術(shù)人員、設(shè)備、材料、工藝、環(huán)境等方面采取有效措施準(zhǔn)確把握問(wèn)題。在確保安全第一、質(zhì)量第一的前提條件下，全面提高零部件加工精度，不斷提高零部件生產(chǎn)加工過(guò)程中的合格率。保障企業(yè)取得較高生產(chǎn)效益，提升企業(yè)在國(guó)際市場(chǎng)上的核心競(jìng)爭(zhēng)力，有助于引導(dǎo)我國(guó)機(jī)械制造業(yè)向著和諧、穩(wěn)定、創(chuàng)新、卓越的方向穩(wěn)步前進(jìn)。