加工中心机械加工工艺设计探索

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摘要：以加工中心为研究对象，在对其特征与应用方向进行简要说明的基础上，结合机械加工所提出的要求，围绕工艺设计要点展开了讨论，内容主要涉及选择加工对象、确定加工部位等方面，为相关人员提供了参考依据。

关键词：机械加工；加工中心；工艺设计

在生产技术持续发展的背景下，企业对产品进行更新换代的速度有所提升，对不同类型产品进行小批量生产逐渐取代大规模生产，在产品生产领域占主导地位，对加工设备在灵活程度、加工精度以及生产效率方面提出了更高的要求。现阶段，各企业所面临的主要难题是如何利用机械加工设备，确保其充分发挥优势作用。

1加工中心的特征与应用方向

对加工中心进行设计、制造以及使用的理念和方法，均与自动化机床、普通机床不同。在确定加工中心所用数控机床时，设计人员应综合考虑其适用范围、特点和性能，同时对生产要求、零件特点进行分析，以确保所选用的数控机床可发挥出应有效能。

1.1主要特征

加工中心具备工序高度集成的功能，可确保各加工环节有序推进。简单来说，就是利用一台加工中心集成多台机床所负责的工程作业，其外观如图1所示[1]。例如：利用加工中心对箱体零件进行加工时，通常只需要一次装夹，便可完成对各表面进行连续操作的任务。加工中心中的加工形式主要有铰、钻和扩等，但要注意装夹表面往往不属于一次装夹的加工范畴，要单独进行加工。另外，加工中心还具有以下特征：第一，可被用来加工复杂零件；第二，具有良好的加工一致性，可避免出现人为失误，从而保证零件质量；第三，柔性充分，只需对程序进行更换并调整机床，便可达到更改加工零件的目的；第四，对操作者、编程者的能力具有较为严格的要求。

1.2应用方向

利用加工中心加工出的零件具有精度较高的特点，但是工序流程复杂且用时长，通常需要借助多个类型不同的传统机床及刀夹具，通过反复装夹并调整的方式才可以完成相应的加工工作，如加工孔系、平面数量较多且位置不同的箱体零件。不适合利用加工中心进行加工的零件往往具有以下特征：第一，加工工序固定，无法充分发挥加工中心在自动换刀方面所具有的优势；第二，加工作业需要耗费的时间较长，但只需要使用某种或某几种刀具。

2机械加工表面对零件的影响

2.1耐蚀性

研究证实，表面越粗糙，腐蚀性液体及气液越容易渗透。在电化学、化学作用的影响下，零件极易出现被腐蚀的问题。另外，微裂纹的存在也会在一定程度上加大浸蚀问题发生的概率。若零件表面存在残余压应力，可有效减缓裂纹的扩展速度，往往能够增强零件的耐蚀性。

2.2耐磨性

粗糙表面的结合面积有限，在受到接触应力影响后极易出现磨损问题。若表面粗糙度较小，则会使接触表面出现分子粘接的情况，一旦润滑油膜被破坏，便会由于干摩擦而造成严重磨损。对表面进行硬化处理可提高零件的耐磨性，但要注意控制硬化程度，以避免出现结晶组织变形或剥落等问题，从而导致磨损进一步加剧，使零件耐磨性受到不利影响。

2.3配合质量

配合质量极易被表面粗糙度所影响。经过一段时间的磨损后，零件的间隙配合表面将出现间隙增大的情况。一般来说，表面粗糙度越大，越容易受到磨损，甚至会造成导向精度、密封性能减弱的后果。对过盈配合而言，表面粗糙度过大所带来的问题主要是凸峰被挤掉，一旦出现上述情况，过盈量将大幅减小，从而影响过盈配合所具有的连接强度。

2.4疲劳强度

加工表面存在划痕、裂纹等情况及其粗糙度较大时，均会在交变载荷作用下造成应力集中的问题，从而导致零件疲劳强度降低。其中，粗糙度纹路走向对疲劳强度所产生影响非常明显，若纹路走向、受力方向的位置相互垂直，将大幅降低零件疲劳强度。虽然加工硬化可起到增强疲劳强度的效果，但是要避免出现硬化过度的情况。另外，残余应力对疲劳强度所产生影响同样需要引起重视。若残余应力是压应力，可抵消交变载荷所形成的拉应力，从而起到延缓裂纹出现的效果，随之增强疲劳强度。如果残余应力是拉应力，将导致疲劳强度降低。

3机械加工工艺的设计要点说明

3.1选择加工对象

对机械加工工艺进行设计的效果，通常会直接影响零件是否能够从毛坯状态尽快转变为成品状态，在对加工程序进行编制方面具有重要意义。加工中心所适用的工艺方案不同于常规方案，前者所遵循核心原则为工序集中，后者往往更重视工序分散。制定加工方案时，设计人员应满足以下要求：第一，工艺详细，各工序均有具体方案对应；第二，工艺准确，设计时要对各坐标尺寸进行科学计算；第三，工艺完整，在确定刀具和辅具类型的基础上，根据先后次序对刀具需要达到的切削量进行调整[2]。设计内容主要涉及以下方面：首先，确定零件加工内容；其次，确定加工环节所使用的道具类型；再次，根据装夹方案完成设计夹具的工作；最后，确定加工路线。在选择加工对象时，设计人员应以加工中心所具有的技术性能及特征为依据，先确定可利用机械加工机床进行加工的零件类型，再确定不同类型零件所适配加工机床的类型，以确保机械加工机床所对应加工范围及能力均符合该零件加工的要求，使零件加工精度达到预期水平。

3.2确定加工部位

第一，分析产品设计图纸计划使用的加工工艺，明确本机床开始加工作业前，其他机床已加工完毕的基准面数量和方位。第二，以零件加工需要使用到的刀具和热处理效果为依据，确定加工部位与加工内容。例如：对某柴油机的气缸盖进行加工时，通常要先对其进行预加工，再利用加工中心完成后续工作，其中预加工的内容是在气缸盖适当位置确定定位所需基准孔，以确保气缸盖能够被快速且准确地安装到加工中心。加工中心的任务则主要是对止口、止口底面及定位孔进行精细加工，通常涉及铰、钻和镗等环节。

3.3制定装夹方案

设计机械加工所使用的夹具是设计人员需要考虑的内容，通常与常规的夹具设计不同。常规夹具的加工内容相对固定，加工面数量有限，即使夹紧元件和刀具间存在问题，往往只需花费较少时间便能解决。机械加工所使用夹具的特点，主要表现为工序集成度高且加工面数量多。要达到预期加工速度及效果，需要保证夹具满足精加工的定位精度要求，以及对零件进行粗加工时需要施加较大夹紧力的要求。另外，夹具和刀具间是否会发生干涉碰撞情况，同样是设计人员需要考虑的问题。因此，在制定设计方案时，设计人员应重视数控程序和夹具间的对应关系。

3.4确定刀具与切削量

选择加工刀具时，设计人员应以加工中心所具有的特征为依据，分别设计刀具的刀柄和刃具。除特殊情况外，可参照通用刀具规格选择加工中心所需刀具，如丝锥、钻头及铰刀[3]。设计专用刀具时，设计人员应考虑到刀具与机床的连接要求。在切削量的设计方面，机械加工和常规加工所遵循原则大致相同。设计人员要以机床说明书所规定的阈值为依据，结合刀具的耐用程度，通过反复实践的方式确定切削量。一般来说，所确定的切削量应确保刀具可完成对一个班次或一个工件进行连续加工。

3.5加工工序的设计

加工中心涉及的各项工序的集成度较高，无论是划分零件工具还是安排加工顺序，均要遵循先粗后精和先面后孔的原则。在开展相关工作时，设计人员可采取以下方案。第一，以装夹定位为依据，对工序进行划分。基于零件结构的复杂程度，确定划分加工部位的方法。以某柴油机为例，其机体结构呈V形，利用加工中心对其进行加工时，通常无法确保通过一次装夹的方式完成对各表面进行加工的工作，需要工作人员交换夹具、托盘，通过多次装夹才能达到预期加工效果。第二，以刀具类型为依据，对工序进行划分。加工中心进行换刀操作所花费的时间，通常比工作台回转作业所花费时间更长。因此，在工件没有特殊要求的情况下，出于控制换刀频次和空程时间的考虑，工作人员应以刀具类型为依据调整加工顺序，即在不更改刀具类型的前提下，对该刀具所适配全部工件进行加工，然后再更改刀具完成后续功操作[4-5]。例如，卧式加工中心对某型号柴油机的气缸盖进行加工时，便采取了上述工序划分方法。如果加工孔系对同轴度的要求较高，则要考虑机床主轴所具有的重复精度。在不更改回转位置的前提下，通过连续换刀配合顺次加工的方式，保证同轴孔系加工效果。

3.6工艺文件说明

机械加工所需工艺文件的细致程度和复杂程度极高。作为传递工程信息所依托的载体，工艺文件往往决定了各制造环节的协调性。要想有序开展管理工作，充分发挥加工中心所具的有效能，关键是要做到科学制定工艺文件。在开展相关工作时，设计人员应结合现场情况与项目需求，适当调整文件内容，以发挥工艺文件所具有的作用。

4结语

通过分析能够看出，设计和使用加工中心所采取的方法通常与传统机床、非数控机床存在显著差异。在制定设计方案时，设计人员应以机械加工机床所具有的性能与特征为依据，根据零件生产作业需要达到的要求，确定加工部位、装夹方案和加工工序等内容，以确保加工中心正式投入使用后工作人员能够做到科学管理及使用，从而充分发挥机床的效能。

参考文献

[1]郭宇，牛兴华，石一光，等.iSIGHT联合仿真平台的搭建及加工中心质量分布对整机动特性的影响[J].机械设计，2019（10）：66-70.

[2]李传珍，李国龙，陶小会，等.基于改进有序聚类法的立式加工中心进给系统温测点优化[J].工程设计学报，2020（2）：223-231.

[3]沈佳兴，徐平，于英华.VX380T数控加工中心工作台拓扑分析及多目标参数优化设计[J].机械科学与技术，2019（12）：1847-1853.

[4]闫百楼.浅析加工中心主轴和机械手典型故障原因分析及解决[J].拖拉机与农用运输车，2020（3）：34-37.

[5]董晓岚.加工中心换刀机械手的刀臂卡刀故障分析与处理[J].煤矿机械，2017（1）：128-129.

作者：张光曙 单位：江西机电职业技术学院