機械加工技術對金屬零件加工的影響

朱光霞

（銅陵市中等職業技術教育中心，安徽 銅陵 244000）

目前科技的發展導致各領域對金屬零件的需求越來越大，對金屬零件的要求越來越高，為此國內研究出了機械加工技術，加工金屬零件。機械加工技術是通過溶解、鉆削、車削、劃線、銑削、磨削等加工方法，將金屬加工成金屬零件，安裝在各個金屬器械上。但是在機械加工技術的應用過程中，發現機械加工技術發展的速度，相對于其它加工技術發展的發展速度緩慢，尤其是制造業已經成為金屬零件加工的一大鍛造商，卻未曾大范圍地使用機械加工技術，加工金屬零件，為此研究機械加工技術對金屬零件加工的影響。以期通過此次研究，幫助金屬零件鍛造商，深入了解機械加工技術，對金屬零件加工產生的影響，正確認識機械加工技術，從而推動機械加工技術的發展。

1 機械加工技術對金屬零件加工方法的促進

1.1 溶解金屬

圖1 機械加工技術溶解金屬的過程

此次研究金屬零件加工方法，采用機械加工技術溶解金屬，將金屬液化后，再放入模具里，加工成金屬零件。其機械加工技術溶解金屬的過程如圖1所示。

從圖1中可以看出，機械加工技術溶解金屬，是將金屬放置專業的容器當中，在容器中含有陽極和陰極兩個電解棒，并在電解棒之間放置大量的電解液，此時，在電解棒上開通電源，在電流作用下，電解棒發揮作用，將電流導向電解液，此時，電解液會與電解棒發生電化學反應，溶解容器中放置的金屬[1]。在電解過程中，放在電解容器中的金屬為銅、鋅、鋁等活潑金屬時，會在電解液的作用下，放出金屬中含有的電子，還原成離子形態，且會持續不斷地將電子轉移到溶液當中，產生陽極溶解，則有：

在（1）式中，M為金屬，e代表電子，n為在電解作用下，電解液電解金屬的電子數，Mn+則是在陽極電解棒的作用下，經過電解反應，從金屬中溶解下來的金屬離子。

當放在電解容器中的金屬為金、鉑、鈀等惰性金屬時，會在陽極電解棒的作用下，由電解液本身所具有的負離子放電，在容器中析出某一金屬元素中，所含有的其他元素物質，則有：

在（2）式中，Nm-為電解液自身所含有的金屬離子，m為在陽極電解棒的作用下，電解液失去的電子數，N為電解液析出的金屬物質。

在如圖1所示的金屬電化學溶解過程中，在陰極電解棒上，會發生與陽極電解棒相反的電解反應。當電解液中的金屬離子達到一定濃度時，會吸收放置在容器中金屬所含有的電子，并析出金屬，則有：

在（3）式中，Pn+為電解液中的金屬離子，P為電解液析出的金屬。當容器中溶解的金屬屬于活潑金屬和堿土金屬時，則有：

在（4）式中，陰極電解棒表面，會析出氫氣。經過上述四個反應式，金屬已經被電解成金屬溶液，并在電解液中析出。

1.2 金屬溶液定型

經過1.1節電解的金屬，已經熔化成金屬溶液，此時，需要將金屬溶液倒入所要加工成的零件模具當中，采用機械技工技術，凝固金屬溶液，磨削金屬，從而將金屬加工成金屬零件。

在將金屬零件定型時，需要將金屬溶液置于密閉的零件模具中，讓零件模型中具有一定的熱度，且讓零件模具中的熱度均勻分布在模型中的每一個位置，因此產生熱能量守恒定律。所以設熱量為Q，零件模具中原本的內能為K，增加的內能為U，則有：

經過（5）式的計算，零件模具中各處熱度一致，此時已經溶解的金屬溶液，會在零件模具中，加熱至定型。當金屬已經初具零件雛形時，將金屬零件雛形從零件模具中取出，此時金屬零件雛形的表面存在粗糙、坑洼等加工問題，需要對金屬零件表面進行磨削處理。

1.3 金屬零件磨削成形

在金屬定型，初步具有所要加工零件的雛形時，需要磨削金屬零件雛形表面。采用機械加工技術磨削金屬零件時，可以分為三個階段。第一階段滑擦，此時，剛加工出的金屬零件雛形表面，存在許多突出的磨粒，第一階段的滑擦，可以初步將金屬零件雛形表面的磨粒，擠入金屬零件里，不斷滑擦金屬零件，減少金屬零件雛形表面的磨粒。因此設金屬零件雛形表面磨粒，受到滑擦的壓力（N）為F1，壓強（MPa）為p，金屬零件雛形表面磨粒，擠進金屬零件內，所產生的凹坑投影面積（cm2）為a，滑擦金屬零件時，所施加的總壓力（N）為F，滑擦時，與金屬零件的接觸面積（cm2）為A，金屬零件雛形表面磨粒個數為q，則有：

經過（6）式的計算，可以得到金屬零件雛形表面磨粒，初步被摩擦的結果，此時，需要進行第二階段的耕犁作用。第二階段耕犁，是在第一階段滑擦的基礎上，增加擠壓金屬零件雛形表面磨粒的深度，從而促使金屬零件雛形表面產生塑性變形，讓金屬零件雛形表面磨粒，在兩側和前段堆高隆起形成溝槽。因此設耕犁設備的振幅為，耕犁振擺角為，振擺角速度為φ，金屬回轉速度為vφ，耕犁振擺振幅為A，耕犁振擺頻率為f，耕犁振擺與金屬回轉構成的切削角為β，所要制成的金屬零件直徑為d，則有：

在（7）式中，當耕犁振擺角φ= 0o時，則耕犁振擺與金屬回轉構成的切削角β最大，且。此時則可以根據βmax進行第三階段，磨削金屬零件雛形，促使金屬零件雛形成形。在此時磨削金屬表面，可以產生較大的實際壓強，與金屬零件雛形具有較小的實際接觸面積。隨著耕犁摩擦的時間的增加，與耕犁實際接觸面積增大，與βmax越來越接近，實際壓強逐漸減小，此時，金屬表面磨粒已經被擠推至金屬零件雛形的兩側和前段，耕犁也逐漸鈍化，則表明金屬零件在耕犁的作用下，金屬零件雛形可以進行第三階段的切削。第三階段切削，是在第二階段耕犁作用下，將推至金屬零件雛形兩側和前段的磨粒，進行切削作用，將金屬零件雛形中不合格、不達標、多余的部分切削掉，并將金屬零件雛形磨削成形。因此設金屬零件雛形密度（g·cm-3）為ρ，切削的轉速（r/min-1）為l，旋轉半徑（mm）為r，切削的時間（min）為t，切削時產生的壓力（N）為F2，金屬零件雛形質量（cm3）為m，則有：

（8）式中，k為常數。經過（8）式計算，第三階段的切削作用，已經將金屬零件雛形中不合格、不達標、多余的部分切削掉，此時，只需對切削后的金屬零件雛形，進行整體磨削處理，即可完成金屬零件的加工。因此設磨削了i次后，金屬零件雛形的去除體積（cm3）為V，切削的長度（cm）為L，有效磨削次數為S，磨削系數為j，則有：

當（8）式中，磨削系數為0＜j＜1時，金屬零件表明已經沒有磨粒。經過上述三個步驟，金屬零件已經加工成形，且金屬零件的表面，光整度高，不存在凹痕、顆粒等影響金屬零件的質量問題，可以裝入金屬設備當中。

2 實驗論證分析

為保證此次分析機械加工技術對金屬零件加工的影響結果的有效性，進行實驗論證分析。選擇同一家鍛造廠，提供此次加工的金屬毛坯，用于此次實驗毛坯共10件。此次實驗設備需要尺寸坐標加工尺，三維坐標測量儀，制作工藝零件專用的夾具、測具。在加工金屬零件的過程中，采用同一張金屬零件三維實體造型圖，依據零件設計的實際工程圖，采用同一金屬零件加工過程，加工成同一金屬零件樣式。在加工的過程中，五個金屬毛坯使用傳統加工技術，將金屬加工成零件；五個金屬毛坯采用機械加工技術，將金屬加工成零件。對比兩組金屬加工成的零件光整度。

采用傳統加工技術，加工的金屬零件光整度呈弧形，所加工出的零件表面光整度不穩定，隨著加工次數的增加，金屬零件的光整度雖然也在增加，但在第五次加工中，可以發現傳統加工技術，加工的金屬零件光整度趨勢，存在下降的可能；而機械加工技術，加工的金屬零件光整度波動穩定，在80%～90%之間，且明顯高于傳統加工技術，加工的金屬零件。由此可見，機械加工技術，在加工金屬零件的過程中，可以明顯增加金屬零件的光整度，提高金屬零件的性能。

3 結語

綜上所述，機械加工技術，可以增加金屬的溶解效率，提高金屬加工成的零件表面的光整度，加快金屬零件的加工效率。因此機械加工技術對金屬零件加工具有積極影響。但是本文只從機械加工技術中，溶解金屬、磨削金屬、零件成形等三個方面，研究了機械加工技術對金屬零件加工的影響，未曾分析機械加工技術對金屬零件加工的劃線、鉆削、車削、銑削等方面的影響。因此在今后的研究中，還需深入研究機械加工技術，對金屬零件劃線、鉆削、車削、銑削等加工的影響，從而提高金屬零件加工的效率，和金屬零件的實用性。