加工中心機(jī)械加工工藝設(shè)計(jì)探索

摘要：以加工中心為研究對(duì)象，在對(duì)其特征與應(yīng)用方向進(jìn)行簡(jiǎn)要說(shuō)明的基礎(chǔ)上，結(jié)合機(jī)械加工所提出的要求，圍繞工藝設(shè)計(jì)要點(diǎn)展開(kāi)了討論，內(nèi)容主要涉及選擇加工對(duì)象、確定加工部位等方面，為相關(guān)人員提供了參考依據(jù)。

關(guān)鍵詞：機(jī)械加工；加工中心；工藝設(shè)計(jì)
在生產(chǎn)技術(shù)持續(xù)發(fā)展的背景下，企業(yè)對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行更新?lián)Q代的速度有所提升，對(duì)不同類(lèi)型產(chǎn)品進(jìn)行小批量生產(chǎn)逐漸取代大規(guī)模生產(chǎn)，在產(chǎn)品生產(chǎn)領(lǐng)域占主導(dǎo)地位，對(duì)加工設(shè)備在靈活程度、加工精度以及生產(chǎn)效率方面提出了更高的要求?，F(xiàn)階段，各企業(yè)所面臨的主要難題是如何利用機(jī)械加工設(shè)備，確保其充分發(fā)揮優(yōu)勢(shì)作用。

1加工中心的特征與應(yīng)用方向
對(duì)加工中心進(jìn)行設(shè)計(jì)、制造以及使用的理念和方法，均與自動(dòng)化機(jī)床、普通機(jī)床不同。在確定加工中心所用數(shù)控機(jī)床時(shí)，設(shè)計(jì)人員應(yīng)綜合考慮其適用范圍、特點(diǎn)和性能，同時(shí)對(duì)生產(chǎn)要求、零件特點(diǎn)進(jìn)行分析，以確保所選用的數(shù)控機(jī)床可發(fā)揮出應(yīng)有效能。
1.1主要特征
加工中心具備工序高度集成的功能，可確保各加工環(huán)節(jié)有序推進(jìn)。簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，就是利用一臺(tái)加工中心集成多臺(tái)機(jī)床所負(fù)責(zé)的工程作業(yè)，其外觀如圖1所示[1]。例如：利用加工中心對(duì)箱體零件進(jìn)行加工時(shí)，通常只需要一次裝夾，便可完成對(duì)各表面進(jìn)行連續(xù)操作的任務(wù)。加工中心中的加工形式主要有鉸、鉆和擴(kuò)等，但要注意裝夾表面往往不屬于一次裝夾的加工范疇，要單獨(dú)進(jìn)行加工。另外，加工中心還具有以下特征：***，可被用來(lái)加工復(fù)雜零件；第二，具有良好的加工一致性，可避免出現(xiàn)人為失誤，從而保證零件質(zhì)量；第三，柔性充分，只需對(duì)程序進(jìn)行更換并調(diào)整機(jī)床，便可達(dá)到更改加工零件的目的；第四，對(duì)操作者、編程者的能力具有較為嚴(yán)格的要求。
1.2應(yīng)用方向
利用加工中心加工出的零件具有精度較高的特點(diǎn)，但是工序流程復(fù)雜且用時(shí)長(zhǎng)，通常需要借助多個(gè)類(lèi)型不同的傳統(tǒng)機(jī)床及刀夾具，通過(guò)反復(fù)裝夾并調(diào)整的方式才可以完成相應(yīng)的加工工作，如加工孔系、平面數(shù)量較多且位置不同的箱體零件。不適合利用加工中心進(jìn)行加工的零件往往具有以下特征：***，加工工序固定，無(wú)法充分發(fā)揮加工中心在自動(dòng)換刀方面所具有的優(yōu)勢(shì)；第二，加工作業(yè)需要耗費(fèi)的時(shí)間較長(zhǎng)，但只需要使用某種或某幾種刀具。

2機(jī)械加工表面對(duì)零件的影響
2.1耐蝕性
研究證實(shí)，表面越粗糙，腐蝕性液體及氣液越容易滲透。在電化學(xué)、化學(xué)作用的影響下，零件極易出現(xiàn)被腐蝕的問(wèn)題。另外，微裂紋的存在也會(huì)在一定程度上加大浸蝕問(wèn)題發(fā)生的概率。若零件表面存在殘余壓應(yīng)力，可有效減緩裂紋的擴(kuò)展速度，往往能夠增強(qiáng)零件的耐蝕性。
2.2耐磨性
粗糙表面的結(jié)合面積有限，在受到接觸應(yīng)力影響后極易出現(xiàn)磨損問(wèn)題。若表面粗糙度較小，則會(huì)使接觸表面出現(xiàn)分子粘接的情況，一旦潤(rùn)滑油膜被破壞，便會(huì)由于干摩擦而造成嚴(yán)重磨損。對(duì)表面進(jìn)行硬化處理可提高零件的耐磨性，但要注意控制硬化程度，以避免出現(xiàn)結(jié)晶組織變形或剝落等問(wèn)題，從而導(dǎo)致磨損進(jìn)一步加劇，使零件耐磨性受到不利影響。
2.3配合質(zhì)量
配合質(zhì)量極易被表面粗糙度所影響。經(jīng)過(guò)一段時(shí)間的磨損后，零件的間隙配合表面將出現(xiàn)間隙增大的情況。一般來(lái)說(shuō)，表面粗糙度越大，越容易受到磨損，甚***會(huì)造成導(dǎo)向精度、密封性能減弱的后果。對(duì)過(guò)盈配合而言，表面粗糙度過(guò)大所帶來(lái)的問(wèn)題主要是凸峰被擠掉，一旦出現(xiàn)上述情況，過(guò)盈量將大幅減小，從而影響過(guò)盈配合所具有的連接強(qiáng)度。
2.4疲勞強(qiáng)度
加工表面存在劃痕、裂紋等情況及其粗糙度較大時(shí)，均會(huì)在交變載荷作用下造成應(yīng)力集中的問(wèn)題，從而導(dǎo)致零件疲勞強(qiáng)度降低。其中，粗糙度紋路走向?qū)ζ趶?qiáng)度所產(chǎn)生影響非常明顯，若紋路走向、受力方向的位置相互垂直，將大幅降低零件疲勞強(qiáng)度。雖然加工硬化可起到增強(qiáng)疲勞強(qiáng)度的效果，但是要避免出現(xiàn)硬化過(guò)度的情況。另外，殘余應(yīng)力對(duì)疲勞強(qiáng)度所產(chǎn)生影響同樣需要引起重視。若殘余應(yīng)力是壓應(yīng)力，可抵消交變載荷所形成的拉應(yīng)力，從而起到延緩裂紋出現(xiàn)的效果，隨之增強(qiáng)疲勞強(qiáng)度。如果殘余應(yīng)力是拉應(yīng)力，將導(dǎo)致疲勞強(qiáng)度降低。
3.1選擇加工對(duì)象
對(duì)機(jī)械加工工藝進(jìn)行設(shè)計(jì)的效果，通常會(huì)直接影響零件是否能夠從毛坯狀態(tài)盡快轉(zhuǎn)變?yōu)槌善窢顟B(tài)，在對(duì)加工程序進(jìn)行編制方面具有重要意義。加工中心所適用的工藝方案不同于常規(guī)方案，前者所遵循核心原則為工序集中，后者往往更重視工序分散。制定加工方案時(shí)，設(shè)計(jì)人員應(yīng)滿足以下要求：***，工藝詳細(xì)，各工序均有具體方案對(duì)應(yīng)；第二，工藝準(zhǔn)確，設(shè)計(jì)時(shí)要對(duì)各坐標(biāo)尺寸進(jìn)行科學(xué)計(jì)算；第三，工藝完整，在確定刀具和輔具類(lèi)型的基礎(chǔ)上，根據(jù)先后次序?qū)Φ毒咝枰_(dá)到的切削量進(jìn)行調(diào)整[2]。設(shè)計(jì)內(nèi)容主要涉及以下方面：首先，確定零件加工內(nèi)容；其次，確定加工環(huán)節(jié)所使用的道具類(lèi)型；再次，根據(jù)裝夾方案完成設(shè)計(jì)夾具的工作；***后，確定加工路線。在選擇加工對(duì)象時(shí)，設(shè)計(jì)人員應(yīng)以加工中心所具有的技術(shù)性能及特征為依據(jù)，先確定可利用機(jī)械加工機(jī)床進(jìn)行加工的零件類(lèi)型，再確定不同類(lèi)型零件所適配加工機(jī)床的類(lèi)型，以確保機(jī)械加工機(jī)床所對(duì)應(yīng)加工范圍及能力均符合該零件加工的要求，使零件加工精度達(dá)到預(yù)期水平。
3.2確定加工部位
***，分析產(chǎn)品設(shè)計(jì)圖紙計(jì)劃使用的加工工藝，明確本機(jī)床開(kāi)始加工作業(yè)前，其他機(jī)床已加工完畢的基準(zhǔn)面數(shù)量和方位。第二，以零件加工需要使用到的刀具和熱處理效果為依據(jù)，確定加工部位與加工內(nèi)容。例如：對(duì)某柴油機(jī)的氣缸蓋進(jìn)行加工時(shí)，通常要先對(duì)其進(jìn)行預(yù)加工，再利用加工中心完成后續(xù)工作，其中預(yù)加工的內(nèi)容是在氣缸蓋適當(dāng)位置確定定位所需基準(zhǔn)孔，以確保氣缸蓋能夠被快速且準(zhǔn)確地安裝到加工中心。加工中心的任務(wù)則主要是對(duì)止口、止口底面及定位孔進(jìn)行精細(xì)加工，通常涉及鉸、鉆和鏜等環(huán)節(jié)。
3.3制定裝夾方案
設(shè)計(jì)機(jī)械加工所使用的夾具是設(shè)計(jì)人員需要考慮的內(nèi)容，通常與常規(guī)的夾具設(shè)計(jì)不同。常規(guī)夾具的加工內(nèi)容相對(duì)固定，加工面數(shù)量有限，即使夾緊元件和刀具間存在問(wèn)題，往往只需花費(fèi)較少時(shí)間便能解決。機(jī)械加工所使用夾具的特點(diǎn)，主要表現(xiàn)為工序集成度高且加工面數(shù)量多。要達(dá)到預(yù)期加工速度及效果，需要保證夾具滿足精加工的定位精度要求，以及對(duì)零件進(jìn)行粗加工時(shí)需要施加較大夾緊力的要求。另外，夾具和刀具間是否會(huì)發(fā)生干涉碰撞情況，同樣是設(shè)計(jì)人員需要考慮的問(wèn)題。因此，在制定設(shè)計(jì)方案時(shí)，設(shè)計(jì)人員應(yīng)重視數(shù)控程序和夾具間的對(duì)應(yīng)關(guān)系。
3.4確定刀具與切削量
選擇加工刀具時(shí)，設(shè)計(jì)人員應(yīng)以加工中心所具有的特征為依據(jù)，分別設(shè)計(jì)刀具的刀柄和刃具。除特殊情況外，可參照通用刀具規(guī)格選擇加工中心所需刀具，如絲錐、鉆頭及鉸刀[3]。設(shè)計(jì)專(zhuān)用刀具時(shí)，設(shè)計(jì)人員應(yīng)考慮到刀具與機(jī)床的連接要求。在切削量的設(shè)計(jì)方面，機(jī)械加工和常規(guī)加工所遵循原則大致相同。設(shè)計(jì)人員要以機(jī)床說(shuō)明書(shū)所規(guī)定的閾值為依據(jù)，結(jié)合刀具的耐用程度，通過(guò)反復(fù)實(shí)踐的方式確定切削量。一般來(lái)說(shuō)，所確定的切削量應(yīng)確保刀具可完成對(duì)一個(gè)班次或一個(gè)工件進(jìn)行連續(xù)加工。
3.5加工工序的設(shè)計(jì)
加工中心涉及的各項(xiàng)工序的集成度較高，無(wú)論是劃分零件工具還是安排加工順序，均要遵循先粗后精和先面后孔的原則。在開(kāi)展相關(guān)工作時(shí)，設(shè)計(jì)人員可采取以下方案。***，以裝夾定位為依據(jù)，對(duì)工序進(jìn)行劃分。基于零件結(jié)構(gòu)的復(fù)雜程度，確定劃分加工部位的方法。以某柴油機(jī)為例，其機(jī)體結(jié)構(gòu)呈V形，利用加工中心對(duì)其進(jìn)行加工時(shí)，通常無(wú)法確保通過(guò)一次裝夾的方式完成對(duì)各表面進(jìn)行加工的工作，需要工作人員交換夾具、托盤(pán)，通過(guò)多次裝夾才能達(dá)到預(yù)期加工效果。第二，以刀具類(lèi)型為依據(jù)，對(duì)工序進(jìn)行劃分。加工中心進(jìn)行換刀操作所花費(fèi)的時(shí)間，通常比工作臺(tái)回轉(zhuǎn)作業(yè)所花費(fèi)時(shí)間更長(zhǎng)。因此，在工件沒(méi)有特殊要求的情況下，出于控制換刀頻次和空程時(shí)間的考慮，工作人員應(yīng)以刀具類(lèi)型為依據(jù)調(diào)整加工順序，即在不更改刀具類(lèi)型的前提下，對(duì)該刀具所適配全部工件進(jìn)行加工，然后再更改刀具完成后續(xù)功操作[4-5]。例如，臥式加工中心對(duì)某型號(hào)柴油機(jī)的氣缸蓋進(jìn)行加工時(shí)，便采取了上述工序劃分方法。如果加工孔系對(duì)同軸度的要求較高，則要考慮機(jī)床主軸所具有的重復(fù)精度。在不更改回轉(zhuǎn)位置的前提下，通過(guò)連續(xù)換刀配合順次加工的方式，保證同軸孔系加工效果。
3.6工藝文件說(shuō)明
機(jī)械加工所需工藝文件的細(xì)致程度和復(fù)雜程度極高。作為傳遞工程信息所依托的載體，工藝文件往往決定了各制造環(huán)節(jié)的協(xié)調(diào)性。要想有序開(kāi)展管理工作，充分發(fā)揮加工中心所具的有效能，關(guān)鍵是要做到科學(xué)制定工藝文件。在開(kāi)展相關(guān)工作時(shí)，設(shè)計(jì)人員應(yīng)結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)情況與項(xiàng)目需求，適當(dāng)調(diào)整文件內(nèi)容，以發(fā)揮工藝文件所具有的作用。

4結(jié)語(yǔ)
通過(guò)分析能夠看出，設(shè)計(jì)和使用加工中心所采取的方法通常與傳統(tǒng)機(jī)床、非數(shù)控機(jī)床存在顯著差異。在制定設(shè)計(jì)方案時(shí)，設(shè)計(jì)人員應(yīng)以機(jī)械加工機(jī)床所具有的性能與特征為依據(jù)，根據(jù)零件生產(chǎn)作業(yè)需要達(dá)到的要求，確定加工部位、裝夾方案和加工工序等內(nèi)容，以確保加工中心正式投入使用后工作人員能夠做到科學(xué)管理及使用，從而充分發(fā)揮機(jī)床的效能。

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