金屬加工機械設(shè)備的設(shè)計工藝及精密加工技術(shù)研究

馬 偉，鄭衛(wèi)剛

（蘭州交通大學(xué)機電工程學(xué)院，甘肅 蘭州 730070）

近些年來，伴隨著精密加工要求的不斷提高，金屬加工機械設(shè)備在實際加工生產(chǎn)中的應(yīng)用價值不斷提升，與之協(xié)同發(fā)展的還有設(shè)備的設(shè)計工藝以及相應(yīng)的加工技術(shù)[1]。與其他類型的機械設(shè)備相比，金屬加工機械設(shè)備對精度的要求更高[2]，同時受設(shè)備運行環(huán)境的影響，其在運行期間出現(xiàn)，損耗的程度也存在較大差異。如何最大限度抑制這種差異化的損耗[3]，保持機械設(shè)備加工質(zhì)量的高水準成為了金屬加工行業(yè)研究的重點[4]。除了加工效率這一問題外，加工質(zhì)量以及加工效果的精細化程度同樣是相關(guān)加工企業(yè)需要重點關(guān)注的問題之一。

為此，本文提出了金屬加工機械設(shè)備的設(shè)計工藝及精密加工技術(shù)研究，通過對設(shè)備的設(shè)計工藝作出全面研究，確保機械設(shè)備運行的可靠性，通過精密機工技術(shù)實現(xiàn)設(shè)計工藝的有效落實。

通過本文的研究，以期為金屬加工機械設(shè)備的研究和發(fā)展提供幫助。

1 金屬加工機械設(shè)備設(shè)計工藝

與其他類型的設(shè)計工藝相比，金屬加工機械設(shè)備的設(shè)計工藝是一個以工藝知識為驅(qū)動力的過程，其主要是以幾何對象為驅(qū)動目標，由虛擬到現(xiàn)實的生成過程。因此，需要借助待加工的機械設(shè)備不同構(gòu)成部位之間的幾何特征關(guān)系，實現(xiàn)對信息的傳遞。

采用幾何關(guān)聯(lián)技術(shù)設(shè)計整個工藝過程的方式也可以確保設(shè)備不同特征之間形成。而要確保機械設(shè)備能夠滿足高精度的金屬加工需求，對其特征類作出準確合理應(yīng)用是十分必要的。

一般情況下，機械設(shè)備的特征類包括補孔類、沖壓方向類、包容盒類、控制線類、截面線類、工藝補充面類、壓料面類、凹模口線類、拉延筋類、毛坯類、修邊線類。

由此，在對機械設(shè)備進行設(shè)計時，需要將設(shè)備的設(shè)計知識與實際的加工經(jīng)驗相結(jié)合，使設(shè)備的特征類與幾何對象之間建立起對應(yīng)關(guān)系，在成形工藝的約束下對設(shè)備的加工精度進行控制，確保最終的設(shè)計在可行性和合理性方面與實際的加工需求相契合。以此為基礎(chǔ)的機械設(shè)備設(shè)計工藝分為以下幾個步驟。

首先，以機械設(shè)備的實際加工需求為目標，構(gòu)建工藝方案，并根據(jù)設(shè)計結(jié)果以沖壓的方式構(gòu)建設(shè)備的初始模型，并在工藝方案中明確特征類之間的關(guān)系，在此過程中，利用控制函數(shù)將待設(shè)計的工藝知識轉(zhuǎn)化為幾何形狀特征，并在工藝特征中對設(shè)備的初始形狀信息進行關(guān)聯(lián)UG/WAVE處理，此時的關(guān)聯(lián)主要是以設(shè)備設(shè)計知識與設(shè)備加工工序特征為基礎(chǔ)進行的。在此基礎(chǔ)上，為了簡約化工藝補充面的設(shè)計難度，需要對上文構(gòu)建的模型進行特征類對位處理，預(yù)處理具有孔、邊界缺口、缺角等特征的位置，以曲面填補的方式使設(shè)備母材與模型之間實現(xiàn)光滑過渡，以形成的連續(xù)曲面為后續(xù)的設(shè)備精密加工提供實施條件。接下來，經(jīng)過曲面填補后的模型會在原有基礎(chǔ)上出現(xiàn)一定的形變，因此需要根據(jù)沖壓方向?qū)δＰ瓦M行優(yōu)化處理，通過將三維空間的設(shè)備模型截面線轉(zhuǎn)化到二維空間，將其在二維空間的可行域作為模型優(yōu)化的目標值，以此實現(xiàn)最佳沖壓方向的確定。此時就可以通過網(wǎng)絡(luò)法確定設(shè)備拉延工藝的型面，結(jié)合拉延件主體曲面模型及對應(yīng)的設(shè)備邊界信息，設(shè)計控制線的位置，并匹配機械設(shè)備加工工藝補充面截面線的類型，此時生成的控制線主要用于約束工藝補充面截面線的延伸位置，確定設(shè)備凹模口的終止點。再采用參數(shù)變量化技術(shù)實現(xiàn)對設(shè)備模型的整體切割，其方法如圖1所示。

圖1 設(shè)備模型的整體切割方法

如圖1所示，S為網(wǎng)絡(luò)法確定設(shè)備拉延工藝型面的中心，D和T分別為確定設(shè)備凹模口的終止點，k為對應(yīng)的設(shè)備不同位置的特征類。

通過這樣的方式，將設(shè)備模型的凹模口線輪廓形狀、拉延件結(jié)構(gòu)特點、拉延位置和幾何參數(shù)精準地包裹在翻邊線與外輪廓線內(nèi)。

2 金屬加工機械設(shè)備精密加工技術(shù)

在完成對設(shè)備的工藝設(shè)計后，需要對其進行精密加工，提高設(shè)備的加工精度。

考慮到對金屬進行精密加工時對尺寸以及具體參數(shù)的要求較高，而傳統(tǒng)工藝對于金材料的加工主要是以外形輪廓切割，對于細節(jié)的處理并不完善。為此，本文設(shè)計了研磨加工技術(shù)和削切加工技術(shù)實現(xiàn)對金屬加工機械設(shè)備的精密化處理。

2.1 研磨加工技術(shù)

對于初步成型的設(shè)備模型，需要通過研磨加工技術(shù)對表面進行進一步處理。與其他類型的金屬處理技術(shù)不同，研磨主要是針對微量參數(shù)進行的加工，一般情況下，其對尺寸的加工參數(shù)精度可以達到0.001mm，對于角度的處理精度可以達到0.01°。

不僅如此，在實際加工過程中，部分造型是難以直接通過切削處理得到的，例如弧形金屬構(gòu)件，對此，采用研磨的方式，將弧形兩側(cè)的金屬固定在加工架上，在研磨作用下對其弧度度數(shù)進行約束，確保加工結(jié)果的精度。其實施方式如圖2所示。

圖2 研磨加工實施方式

可以需要注意的是，在對母材進行打磨處理時，目標細度可能存在難以通過打磨直接達到的情況，此時需要在實施過程中合理運用潤滑劑，以此減輕兩者之間的摩擦，確保最終的研磨質(zhì)量達到精密加工的目標。

由于研磨加工對材料和機械的實施效果受研磨料粗糙程度的影響而存在較大差異，因此要根據(jù)機械設(shè)備的實際需求進行調(diào)整。

為此，本文就不同加工精度下，研磨設(shè)備的目數(shù)進行劃分，其結(jié)果如表1所示。

表1 研磨設(shè)備應(yīng)用方案設(shè)計

按照表1所示的方式，以此將設(shè)備尺寸誤差最低降低到0.001%以內(nèi)，提升加工的精密度。

2.2 切削加工技術(shù)

在設(shè)備設(shè)計階段，最后需要對完整的模型進行切削處理，此時的精度將會直接影響打磨階段的工作量，為此，可以采用精密切削加工技術(shù)實現(xiàn)對模型的高精度加工，以高精度的數(shù)控機床為實施措施，對模型材料進行精密切削。考慮到金屬構(gòu)建加工的復(fù)雜性，可以利用計算機的強大處理功能實現(xiàn)該過程設(shè)計。首先按照加工要求將對應(yīng)的參數(shù)導(dǎo)入到設(shè)計軟件中，在系統(tǒng)中生成三維模型，對成品形成初步判斷。并結(jié)合該結(jié)果對相關(guān)指標進行適應(yīng)性調(diào)整，完成計算機上的審核后，將其導(dǎo)入到加工設(shè)備中，按照系統(tǒng)輸出完成切削。

在此階段，除控制精度外，選擇的刀具也是關(guān)系到切削精度的關(guān)鍵，因此要求刀具的硬度大于母材，同時進刀量以微米級為計量單位，通過這樣的方式將模型表面粗糙度控制在0.02～0.01微米的范圍內(nèi)。由于不同金屬材料自身的屬性也存在一定的差異，因此對切刀的選擇也要從剛度和硬度的角度進行考量，確保其在實際的加工過程中不會出現(xiàn)切削中斷的情況。

2.3 微細加工技術(shù)

對于設(shè)備的微小組織結(jié)構(gòu)，需要通過微細加工技術(shù)實現(xiàn)，常用的方式包括微波技術(shù)，以電子束、超聲波、為主，以此實現(xiàn)切削工藝能夠在微量移動過程中對目標單位個體的去除。

但由于物理效應(yīng)的影響，微熱力效應(yīng)較為明顯，熱量過高極易引起構(gòu)件的形變，因此需要以噴油的方式對加工位置進行降溫處理。

3 實例分析

將本文設(shè)計的金屬加工機械設(shè)備的設(shè)計工藝及精密精加工技術(shù)應(yīng)用于實際的生產(chǎn)中，測試其應(yīng)用效果。

3.1 加工設(shè)備參數(shù)

待加工的設(shè)備為重力鑄造構(gòu)件，頂端弧度為35°，邊角的角度與之一致，同樣為35°，設(shè)備高度為2.5cm，寬度為3.0cm，長度為2.5cm，底部的梯度層級呈對稱關(guān)系，對稱中心線上直徑為2mm的孔特征類。

其中，一級梯度寬0.5cm，二級梯度寬0.3cm，高度均為0.1cm，構(gòu)件整體呈現(xiàn)為近似拱形房屋建筑的形狀，具體的構(gòu)造如圖3所示。

圖3 待加工構(gòu)件

3.2 應(yīng)用結(jié)果

在上述基礎(chǔ)上，采用本文提出的方法對其進行加工，并統(tǒng)計了加工后各指標參數(shù)的情況，其結(jié)果如表2所示。

表2 加工參數(shù)統(tǒng)計表

從表2中可以看出，直線距離上，加工結(jié)果與目標值之間的誤差始終在0.001以內(nèi)，在弧度參數(shù)方面，角度誤差不超過0.02°，滿足精密加工要求。表明本文提出的精密加工技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)對金屬構(gòu)件的精細化處理。

4 結(jié)語

提高金屬加工機械設(shè)備的精密度是提高產(chǎn)品質(zhì)量的關(guān)鍵，面對多樣化、復(fù)雜化的金屬構(gòu)件加工需求，僅僅優(yōu)化加工設(shè)備是遠遠不夠的，還需要在加工技術(shù)上作出提升。本文提出金屬加工機械設(shè)備的設(shè)計工藝及精密加工技術(shù)研究，以期為金屬加工領(lǐng)域的發(fā)展提供參考。