機械設計與機械加工中常見問題及改善措施分析

薄守方

（山東省冶金設計院股份有限公司，山東 濟南 250101）

機械設計理念與加工工藝水平與產品質量息息相關，如果設計圖紙出現問題或者產品加工精度與標準要求不符，一旦投入到工業生產當中，產品質量也將大打折扣，進而給企業造成巨大的經濟損失。因此，機械設計與加工企業應當嚴把產品質量關，借助于計算機、人工智能等先進的科學技術不斷優化和調整設計方案，不斷提升機械加工技術水平，為提高工業產能與產值奠定堅實基礎。

1 機械設計與機械加工的概念

機械設計主要是結合機械工作原理、計算機技術設計出滿足于工業生產需求的動力型產品，在設計初期，需要全面考慮機械內部各個零配件的幾何尺寸、零件形狀、潤滑度等技術參數，然后繪制出設計圖紙，為機械加工提供參考依據。機械設計主要包括以下三種類型，即繼承設計、轉型設計以及新型設計。繼承設計顧名思議，就是遵照機械設備的原始設計模式，在保證產品性能先進性的前提條件下，創新設計方法，使產品能夠滿足現代工業生產需求。轉型設計是對原始設計模式進行改良升級，對機械設備內部的各個零部件的位置進行調整，或者更換零部件，使機械設備的動力性更加強勁或者性能更加優越。新型設計是完全遵循現代機械設計理念，改變原始的設計模式，利用新方法設計出更具人性化的終端產品，以此提高企業的生產作業效率，為企業創造更多的經濟效益。

機械加工是將原材料轉變為成品的加工制造過程，比如利用數控機床將各種原材料切削、打磨成為符合設計尺寸、形狀的零件，使零件具備新的功能屬性。由于工業生產工序差異性較大，因此，加工工藝及方法也有所不同。近年來，機械加工流程已經實現了全程自動化與智能化，操作人員只需要寫入產品的規格、尺寸等參數，自動化設備就可以生產出滿足工業生產需求的零部件，生產效率與產品精度得到大幅提升。

2 機械設計與機械加工中的常見問題

2.1 產品質量缺陷

在產品設計過程中，由于設計人員失誤，導致產品的規格、尺寸、形狀、性能等參數出現錯誤，在機械加工環節，加工出來的成品就會存在嚴重的質量缺陷，如果將存在質量缺陷的零部件應用于機械設備當中，不僅會縮減機械設備的使用壽命，同時，也存在較大安全風險隱患。比如在選擇脆性加工材料時，設計人員事先對材料的拉伸能力等指標不熟悉，一旦投入生產，加工出的零部件就會出現碎渣脫落現象，而影響零部件表面的潤滑度與產品質量。而在選取塑性材料時，由于這種材料本身剛度值較低，穩定性較差，如果設計方案當中未明確指出這一點，在實際加工時，零件就會出現彎曲變形等現象，甚至產生大量的殘次品[1]。

2.2 機械加工誤差

機械加工誤差主要包括定位誤差、導軌誤差、制造誤差以及系統誤差。其中定位誤差包括基準誤差以及產品定位出現偏差，如果加工過程中，出現產品定位誤差，就會影響產品的規格、形狀等尺寸參數與狀態參數，進而影響產品加工質量。

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

圖1 導軌在水平面內的直線度誤差

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

引起系統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，零件本身就會出現變形。另外，零件的加工過程，常常伴隨著零件移位現象，如果機床部件或者工件本身自重量過大，極易引起機床橫梁變型，而出現加工誤差，如圖2 所示。

圖2 機床部件與工件自重引起的橫梁變形

2.3 人為操作失誤

產品加工精度是衡量產品質量的一項關鍵指標，但是，由于操作人員的專業技術水平參差不齊，或者在操作過程中違反操作規程，導致生產出來的零部件出現各種質量缺陷。另外，在加工產品之前，如果操作人員未對測量工具進行校準、設備在運轉過程中受熱不均或者機床刀具經過長時間磨損而出現老化現象，都會影響產品精度。

3 針對機械設計與機械加工中的常見問題采取的改善措施

3.1 優選加工材料

原材料質量以及性能參數直接影響產品的最終質量，因此，在機械設計階段，設計人員應當事先對原材料市場進行調研，以編制原材料選用的備選方案。在選取材料時首先應當符合終端產品的性能要求，比如鍛造性能、切削性能、熱處理性能等，并堅持優中選優的原則，以確產品質量能夠滿足工業生產要求。比如在選擇型材時，應當確定選用的加工工藝類型，然后選擇符合生產工藝流程的板材、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，技術人員在選擇型材時，應當考慮產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

精密加工技術主要包括切剝技術、研磨技術以及微機械技術。切剝技術是對原材料進行預處理的一道關鍵工序，在切剝過程中，精度越高，產品加工精度也越高。首先考慮到原材料的規格大小以及形狀并沒有統一的標準要求，因此，需要對原材料進行切剝作業，由于實施切剝作業的載體工具主要是機床的刀片，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，應當定期更換刀片。如果運用激光切割技術，則需要控制好每一次激光打入的深度，使同一批次的產品能夠滿足加工精度要求。研磨技術主要是控制產品表面的粗糙度，比如在生產硅芯片產品時，硅芯片表面的粗糙度應當介于0.1cm～0.2cm 之間，這樣，生產出的產品表面才更加光滑[2]。

近年來，隨著機械加工工藝的不斷創新，磁懸浮技術已經在產品研磨工序中被廣泛使用。這種技術主要利用磁力作用對產品表面進行打磨，而在加工期間，產品與機床之間無需直接接觸，就可以實現精磨工序，進而延長了設備的使用壽命，為企業創造了更多的經濟效益。微機械技術主要對加工機械的規模和形體大小而言，過去，在機械加工過程中，使用的加工機械往往形體較大，既占用了大量的空間，同時也無法保證產品精度。而微型機械取代大型加工機械以來，產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，微機械設備信息捕捉能力更強，反應速度更快，捕捉的產品性能信息更加全面，生產出的產品次品率大幅下降。

3.3 遵循批量化、標準化設計加工理念

隨著工業生產規模的逐年擴大，機械加工市場的競爭態勢日趨激烈，因此，工業生產對機械零部件的需求量也不斷增加，在這種形勢之下，機械設計與機械加工企業應當及時轉變思想觀念，建立機械設計與機械加工的標準化體系，逐步與國際市場接軌。在生產過程中，各級管理人員與技術人員應當嚴把材料質量關，并對機械設計與加工流程進行優化，同時，建立一條批量化機械加工生產線，結合智能化、自動化技術，提高產品的產出量，確保產品質量滿足國際市場標準或者行業標準要求，以增強企業的市場競爭實力。

3.4 合理選用潤滑劑

工業生產對機械零部件的加工精度有著嚴格要求，一旦加工精度出現較大誤差，將直接影響機械設備的性能，而給企業造成巨大的經濟損失。因此，在機械加工過程中，應當充分發揮潤滑劑的冷卻、潤滑、清潔、防銹等作用，結合加工工藝流程，合理選用潤滑劑。比如在原材料切割與沖壓過程中，原材料與設備間的摩擦系數較大，為了防止零部件表面出現破損的情況，應當在加工零部件時加入潤滑劑，使減小原材料與設備間的摩擦系數，同時，潤滑劑能夠釋放出大量的熱量，對延長設備使用壽命也起到積極的防護作用。另外，在原材料切割作業中，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生粘黏作用而貼合在一起，進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，進而提高切割效率。

3.5 合理設置切削參數

切削用量是機械設計與加工過程中的重要參數，尤其是切削深度、切削速度與產品精度之間存在直接聯系，因此，設計人員在設定切削參數時，應當嚴格遵照標準要求，并全面考慮影響產品精度的各種因素。在選擇切削刀具時，應當根據原材料的塑性指標、剛度指標，合理選擇刀具類型，為了有效控制切削溫度，在機械加工時，應當添入適量的切削液，以釋放生產過程中產生的熱量。另外，雖然機械加工的智能化與自動化水平已經提升到一個全新的高度，但是，終端人為操作對產品精度的影響仍然占據較高比例，基于此，機械設計與加工企業應對操作人員和相關技術人員進行定期培訓，并將新技術、新工藝、新材料等內容納入到培訓課程體系，使參加培訓的各級人員能夠樹立創新意識，以設計和加工出更多高質量、高精度的機械零部件，以推動工業現代化發展進程。

4 結束語

綜上所述，機械設計與機械加工應當遵循經濟性、實用性、科學性原則，在保證產品質量與精度的同時，不斷優化和改進產品性能。技術人員應當始終秉持與時俱進的態度，在機械設計與加工過程中，從材料選取、工藝創新、標準化體系建立、精密加工等多方面予以考慮，編制適時可行的機械設計與加工方案，以提升工業生產自動化、智能化水平。