加工中心機械加工工藝設計探索

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摘要：以加工中心為研究對象，在對其特征與應用方向進行簡要說明的基礎上，結合機械加工所提出的要求，圍繞工藝設計要點展開了討論，內容主要涉及選擇加工對象、確定加工部位等方面，為相關人員提供了參考依據。

關鍵詞：機械加工；加工中心；工藝設計

在生產技術持續發展的背景下，企業對產品進行更新換代的速度有所提升，對不同類型產品進行小批量生產逐漸取代大規模生產，在產品生產領域占主導地位，對加工設備在靈活程度、加工精度以及生產效率方面提出了更高的要求。現階段，各企業所面臨的主要難題是如何利用機械加工設備，確保其充分發揮優勢作用。

1加工中心的特征與應用方向

對加工中心進行設計、制造以及使用的理念和方法，均與自動化機床、普通機床不同。在確定加工中心所用數控機床時，設計人員應綜合考慮其適用范圍、特點和性能，同時對生產要求、零件特點進行分析，以確保所選用的數控機床可發揮出應有效能。

1.1主要特征

加工中心具備工序高度集成的功能，可確保各加工環節有序推進。簡單來說，就是利用一臺加工中心集成多臺機床所負責的工程作業，其外觀如圖1所示[1]。例如：利用加工中心對箱體零件進行加工時，通常只需要一次裝夾，便可完成對各表面進行連續操作的任務。加工中心中的加工形式主要有鉸、鉆和擴等，但要注意裝夾表面往往不屬于一次裝夾的加工范疇，要單獨進行加工。另外，加工中心還具有以下特征：第一，可被用來加工復雜零件；第二，具有良好的加工一致性，可避免出現人為失誤，從而保證零件質量；第三，柔性充分，只需對程序進行更換并調整機床，便可達到更改加工零件的目的；第四，對操作者、編程者的能力具有較為嚴格的要求。

1.2應用方向

利用加工中心加工出的零件具有精度較高的特點，但是工序流程復雜且用時長，通常需要借助多個類型不同的傳統機床及刀夾具，通過反復裝夾并調整的方式才可以完成相應的加工工作，如加工孔系、平面數量較多且位置不同的箱體零件。不適合利用加工中心進行加工的零件往往具有以下特征：第一，加工工序固定，無法充分發揮加工中心在自動換刀方面所具有的優勢；第二，加工作業需要耗費的時間較長，但只需要使用某種或某幾種刀具。

2機械加工表面對零件的影響

2.1耐蝕性

研究證實，表面越粗糙，腐蝕性液體及氣液越容易滲透。在電化學、化學作用的影響下，零件極易出現被腐蝕的問題。另外，微裂紋的存在也會在一定程度上加大浸蝕問題發生的概率。若零件表面存在殘余壓應力，可有效減緩裂紋的擴展速度，往往能夠增強零件的耐蝕性。

2.2耐磨性

粗糙表面的結合面積有限，在受到接觸應力影響后極易出現磨損問題。若表面粗糙度較小，則會使接觸表面出現分子粘接的情況，一旦潤滑油膜被破壞，便會由于干摩擦而造成嚴重磨損。對表面進行硬化處理可提高零件的耐磨性，但要注意控制硬化程度，以避免出現結晶組織變形或剝落等問題，從而導致磨損進一步加劇，使零件耐磨性受到不利影響。

2.3配合質量

配合質量極易被表面粗糙度所影響。經過一段時間的磨損后，零件的間隙配合表面將出現間隙增大的情況。一般來說，表面粗糙度越大，越容易受到磨損，甚至會造成導向精度、密封性能減弱的后果。對過盈配合而言，表面粗糙度過大所帶來的問題主要是凸峰被擠掉，一旦出現上述情況，過盈量將大幅減小，從而影響過盈配合所具有的連接強度。

2.4疲勞強度

加工表面存在劃痕、裂紋等情況及其粗糙度較大時，均會在交變載荷作用下造成應力集中的問題，從而導致零件疲勞強度降低。其中，粗糙度紋路走向對疲勞強度所產生影響非常明顯，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度。雖然加工硬化可起到增強疲勞強度的效果，但是要避免出現硬化過度的情況。另外，殘余應力對疲勞強度所產生影響同樣需要引起重視。若殘余應力是壓應力，可抵消交變載荷所形成的拉應力，從而起到延緩裂紋出現的效果，隨之增強疲勞強度。如果殘余應力是拉應力，將導致疲勞強度降低。

3機械加工工藝的設計要點說明

3.1選擇加工對象

對機械加工工藝進行設計的效果，通常會直接影響零件是否能夠從毛坯狀態盡快轉變為成品狀態，在對加工程序進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，設計人員應滿足以下要求：第一，工藝詳細，各工序均有具體方案對應；第二，工藝準確，設計時要對各坐標尺寸進行科學計算；第三，工藝完整，在確定刀具和輔具類型的基礎上，根據先后次序對刀具需要達到的切削量進行調整[2]。設計內容主要涉及以下方面：首先，確定零件加工內容；其次，確定加工環節所使用的道具類型；再次，根據裝夾方案完成設計夾具的工作；最后，確定加工路線。在選擇加工對象時，設計人員應以加工中心所具有的技術性能及特征為依據，先確定可利用機械加工機床進行加工的零件類型，再確定不同類型零件所適配加工機床的類型，以確保機械加工機床所對應加工范圍及能力均符合該零件加工的要求，使零件加工精度達到預期水平。

3.2確定加工部位

第一，分析產品設計圖紙計劃使用的加工工藝，明確本機床開始加工作業前，其他機床已加工完畢的基準面數量和方位。第二，以零件加工需要使用到的刀具和熱處理效果為依據，確定加工部位與加工內容。例如：對某柴油機的氣缸蓋進行加工時，通常要先對其進行預加工，再利用加工中心完成后續工作，其中預加工的內容是在氣缸蓋適當位置確定定位所需基準孔，以確保氣缸蓋能夠被快速且準確地安裝到加工中心。加工中心的任務則主要是對止口、止口底面及定位孔進行精細加工，通常涉及鉸、鉆和鏜等環節。

3.3制定裝夾方案

設計機械加工所使用的夾具是設計人員需要考慮的內容，通常與常規的夾具設計不同。常規夾具的加工內容相對固定，加工面數量有限，即使夾緊元件和刀具間存在問題，往往只需花費較少時間便能解決。機械加工所使用夾具的特點，主要表現為工序集成度高且加工面數量多。要達到預期加工速度及效果，需要保證夾具滿足精加工的定位精度要求，以及對零件進行粗加工時需要施加較大夾緊力的要求。另外，夾具和刀具間是否會發生干涉碰撞情況，同樣是設計人員需要考慮的問題。因此，在制定設計方案時，設計人員應重視數控程序和夾具間的對應關系。

3.4確定刀具與切削量

選擇加工刀具時，設計人員應以加工中心所具有的特征為依據，分別設計刀具的刀柄和刃具。除特殊情況外，可參照通用刀具規格選擇加工中心所需刀具，如絲錐、鉆頭及鉸刀[3]。設計專用刀具時，設計人員應考慮到刀具與機床的連接要求。在切削量的設計方面，機械加工和常規加工所遵循原則大致相同。設計人員要以機床說明書所規定的閾值為依據，結合刀具的耐用程度，通過反復實踐的方式確定切削量。一般來說，所確定的切削量應確保刀具可完成對一個班次或一個工件進行連續加工。

3.5加工工序的設計

加工中心涉及的各項工序的集成度較高，無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。在開展相關工作時，設計人員可采取以下方案。第一，以裝夾定位為依據，對工序進行劃分?；诹慵Y構的復雜程度，確定劃分加工部位的方法。以某柴油機為例，其機體結構呈V形，利用加工中心對其進行加工時，通常無法確保通過一次裝夾的方式完成對各表面進行加工的工作，需要工作人員交換夾具、托盤，通過多次裝夾才能達到預期加工效果。第二，以刀具類型為依據，對工序進行劃分。加工中心進行換刀操作所花費的時間，通常比工作臺回轉作業所花費時間更長。因此，在工件沒有特殊要求的情況下，出于控制換刀頻次和空程時間的考慮，工作人員應以刀具類型為依據調整加工順序，即在不更改刀具類型的前提下，對該刀具所適配全部工件進行加工，然后再更改刀具完成后續功操作[4-5]。例如，臥式加工中心對某型號柴油機的氣缸蓋進行加工時，便采取了上述工序劃分方法。如果加工孔系對同軸度的要求較高，則要考慮機床主軸所具有的重復精度。在不更改回轉位置的前提下，通過連續換刀配合順次加工的方式，保證同軸孔系加工效果。

3.6工藝文件說明

機械加工所需工藝文件的細致程度和復雜程度極高。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節的協調性。要想有序開展管理工作，充分發揮加工中心所具的有效能，關鍵是要做到科學制定工藝文件。在開展相關工作時，設計人員應結合現場情況與項目需求，適當調整文件內容，以發揮工藝文件所具有的作用。

4結語

通過分析能夠看出，設計和使用加工中心所采取的方法通常與傳統機床、非數控機床存在顯著差異。在制定設計方案時，設計人員應以機械加工機床所具有的性能與特征為依據，根據零件生產作業需要達到的要求，確定加工部位、裝夾方案和加工工序等內容，以確保加工中心正式投入使用后工作人員能夠做到科學管理及使用，從而充分發揮機床的效能。

參考文獻

[1]郭宇，牛興華，石一光，等.iSIGHT聯合仿真平臺的搭建及加工中心質量分布對整機動特性的影響[J].機械設計，2019（10）：66-70.

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[3]沈佳興，徐平，于英華.VX380T數控加工中心工作臺拓撲分析及多目標參數優化設計[J].機械科學與技術，2019（12）：1847-1853.

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作者：張光曙 單位：江西機電職業技術學院