現(xiàn)代化機(jī)械設(shè)計(jì)制造工藝及精密加工技術(shù)探討

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（江蘇聯(lián)合職業(yè)技術(shù)學(xué)院南京工程分院，江蘇 南京 211135）

1 現(xiàn)代化機(jī)械設(shè)計(jì)制造工藝分析

1.1 在設(shè)計(jì)階段三維CAD技術(shù)的應(yīng)用

三維CAD是對(duì)傳統(tǒng)二維設(shè)計(jì)的一次革命。利用三維CAD可以進(jìn)行三維設(shè)計(jì)，輸出二維工程圖。該方法既是設(shè)計(jì)程序的更新，又是現(xiàn)代CAD的發(fā)展方向。三維CAD不僅為產(chǎn)品創(chuàng)新提供了一個(gè)技術(shù)平臺(tái)，而且是一種快速有效的響應(yīng)市場(chǎng)的手段。創(chuàng)新是產(chǎn)品設(shè)計(jì)的靈魂。它包括從楚格設(shè)計(jì)到出口工程師繪圖的整個(gè)階段的所有技術(shù)創(chuàng)新。它還要求設(shè)計(jì)意味著更新。三維CAD的出現(xiàn)促進(jìn)了產(chǎn)品的創(chuàng)新設(shè)計(jì)。產(chǎn)品設(shè)計(jì)是一個(gè)非常復(fù)雜的過(guò)程，需要綜合運(yùn)用設(shè)計(jì)表達(dá)與繪圖、分析仿真、工藝設(shè)計(jì)與制造等知識(shí)。三維CAD為產(chǎn)品設(shè)計(jì)創(chuàng)造了新的空間。該造型工具，其系統(tǒng)包括適合“自上而下”的設(shè)計(jì)和“自上而下”的設(shè)計(jì)。這使得設(shè)計(jì)特別符合實(shí)際工藝。同時(shí)，3d CAD提供了靈活的三維空間操作工具，使設(shè)計(jì)配置直觀、簡(jiǎn)單，就像“砌塊”或“捏塑料”一樣。這貼近創(chuàng)新設(shè)計(jì)所需的“發(fā)散性思維”。三維實(shí)體造型系統(tǒng)具有較為豐富的屬性，可以方便地將設(shè)計(jì)與分析、工藝與制造聯(lián)系起來(lái)。

1.2 對(duì)于機(jī)械硬脆材料采用激光輔助制造技術(shù)

硬脆材料具有優(yōu)異的力學(xué)性能、光學(xué)性能和化學(xué)性能，在航空航天領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。然而，采用單點(diǎn)金剛石車削等常規(guī)加工方法，加工難度大，成本高。激光輔助加工使用聚焦激光束加熱工件的局部區(qū)域，并從延展性區(qū)域去除軟化材料，留下高質(zhì)量和無(wú)裂紋表面。在過(guò)去的幾十年里，激光輔助加工的研究已經(jīng)吸引了越來(lái)越多的研究人員在學(xué)術(shù)界和工業(yè)界的興趣。埋弧焊技術(shù)也是一種現(xiàn)代機(jī)械設(shè)計(jì)與制造工藝，在施工過(guò)程中，具有較高的焊接效率，因此，應(yīng)用范圍也較為廣泛。通常用于鋼結(jié)構(gòu)機(jī)械產(chǎn)品的加工。為了提高埋弧焊工藝的焊接效果，必須根據(jù)施工過(guò)程中鋼結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)，合理選擇焊絲類型和焊機(jī)材料，這些因素將影響最終的焊接質(zhì)量和焊接效率。在焊接過(guò)程中，必須根據(jù)施工要求配置焊絲和焊劑，有效地節(jié)約了生產(chǎn)成本，提高了焊接效率。

當(dāng)切削工具在材料上產(chǎn)生的載荷略微超過(guò)彈性極限，就會(huì)發(fā)生斷裂而不是塑性變形。加工過(guò)程中產(chǎn)生的脆性斷裂意味著表面可能出現(xiàn)不規(guī)則的裂紋和凹坑，嚴(yán)重影響表面的完整性。加工硬質(zhì)合金的關(guān)鍵要求是保證材料以延性的方式去除，而不是更具特征的脆性斷裂。傳統(tǒng)的加工方法包括車削、磨削、銑削和研磨，這些都是為了提高加工表面質(zhì)量而進(jìn)行的研究。

單點(diǎn)金剛石車削結(jié)合慢速滑動(dòng)伺服(SSS)和快速滑動(dòng)伺服(FSS)加工復(fù)雜自由曲面是目前公認(rèn)的最有效的超精密加工方法之一。雖然前角刀具可以增加DBT未變形的臨界切屑厚度，這將有利于在延性模式下的加工，但材料的高硬度所需的大切削力導(dǎo)致了災(zāi)難性的刀具磨損。磨損的工具也會(huì)對(duì)表面質(zhì)量產(chǎn)生不利影響。因此，為了保證均勻的表面質(zhì)量，金剛石車削只能加工零件的有限孔徑。由于砂輪包含大量的不規(guī)則金剛石磨粒，研磨已成為一種有前途的方法去除塊體材料和獲得光學(xué)表面的HBMs。為了消除加工過(guò)程中產(chǎn)生的表面裂紋，后續(xù)工序一般采用研磨和拋光的方法。這是昂貴的，在某些情況下，研磨單獨(dú)可以占最終產(chǎn)品成本的60%～90%。此外，可行的表面幾何形狀受到車輪尺寸和潛在干擾問(wèn)題的限制。此外，磨削HBMs容易導(dǎo)致熱損傷的表面層，甚至裂紋的材料由于高溫度梯度。

銑削允許加工HBMs沒(méi)有磨削的缺點(diǎn)，同時(shí)，也允許加工更靈活的表面類型。用單刃銑刀進(jìn)行超精密加工比用多刃銑刀更為重要，因?yàn)槎嗳秀姷恫荒茌p易地保證多個(gè)切削刃完全重合，從而影響零件的最終加工。但是，單刃銑刀也存在刀具磨損嚴(yán)重、工件孔徑有限、材料去除速度慢等問(wèn)題。為了提高異型材的切削加工性能和不同表面加工形式的加工效率，開(kāi)發(fā)了各種異型材表面加工方法。一般來(lái)說(shuō)，LAM可分為預(yù)熱或正在加熱，這取決于激光是預(yù)熱靠近前傾面的材料還是激光分別照射透明工具上的亞表面材料。此外，預(yù)熱LAM可分為激光輔助切割和激光輔助磨削。加熱半連續(xù)加工技術(shù)是一種新型的加工技術(shù)，由于其刀具位置固定、安裝方便等特點(diǎn)，目前，僅應(yīng)用于超精密車削加工和鉆削加工。

早期預(yù)熱LAM易于集成，將激光器固定在保持裝置上，并根據(jù)預(yù)優(yōu)化的參數(shù)調(diào)整激光光斑位置。這種LAM總是基于普通車床，與超精密加工相比，具有更大的材料去除規(guī)模。脆性材料易斷裂，未變形的切屑厚度大。激光聚焦光斑與刀具的距離一般在厘米級(jí)范圍內(nèi)。不可避免的能耗和較大的熱影響區(qū)也會(huì)導(dǎo)致加工精度差。近年來(lái)，通過(guò)預(yù)熱LAM與超精密車床相結(jié)合，巧妙的光學(xué)設(shè)計(jì)和優(yōu)化激光加熱位置，已經(jīng)有可能獲得理想的加工精度。前LAM的一個(gè)共同的局限性是它與切削液的使用不相容，因?yàn)榍邢饕簳?huì)與暴露的激光束相互作用，增加激光光斑位置的不確定性。LAM的加工質(zhì)量目前已經(jīng)接近納米級(jí)的表面粗糙度和亞微米級(jí)的形狀誤差PV。與常規(guī)加工相比，LAM加工具有額外的能量輸入，通過(guò)優(yōu)化加工參數(shù)可以獲得更好的表面完整性。影響LAM加工質(zhì)量的主要因素包括激光特性、加工參數(shù)和材料特性。已加工工件最重要的因素通常是表面粗糙度、殘余應(yīng)力、亞表面損傷、材料去除率和刀具壽命。此外，相純度和相對(duì)結(jié)晶度也是晶體材料的關(guān)鍵。表面完整性是機(jī)械加工質(zhì)量最典型的特征，對(duì)功能零件的性能有著重要的影響。在常規(guī)機(jī)械加工過(guò)程中，螺紋鋼極易發(fā)生斷裂。超硬材料的使用增加了刀具的災(zāi)難性磨損，導(dǎo)致加工質(zhì)量差。然而，LAM技術(shù)可以改善表面粗糙度和抑制地下?lián)p傷。刀具壽命是限制常規(guī)加工硬質(zhì)合金廣泛使用的最重要因素之一。零件的孔徑受刀具磨損的制約。磨損、附著和擴(kuò)散是硬質(zhì)合金刀具磨損的主要機(jī)制。LAM可以在三個(gè)正交方向上降低切削力。較低的切削力可以提高刀具的磨損，延長(zhǎng)刀具的使用壽命。但過(guò)熱的材料可能會(huì)導(dǎo)致由于升高的刀具溫度帶來(lái)的災(zāi)難性的刀具磨損。例如，當(dāng)LAM工藝中的玻璃溫度超過(guò)閾值時(shí)，即使切削力在高溫下已經(jīng)下降，刀具磨損也會(huì)增加。

2 以數(shù)控螺旋錐齒輪磨床加工為例的精密加工技術(shù)探討

弧齒錐齒輪是機(jī)械傳動(dòng)領(lǐng)域的關(guān)鍵零件。齒輪的設(shè)計(jì)和加工理論是非常復(fù)雜的。螺旋錐齒輪加工的最后一道工序是在計(jì)算機(jī)數(shù)控機(jī)床上進(jìn)行磨齒，磨齒磨床的體積誤差在一定程度上決定了螺旋錐齒輪的加工精度。通過(guò)對(duì)螺旋錐齒輪齒形誤差的檢測(cè)和補(bǔ)償，可以提高螺旋錐齒輪磨床的加工精度。這就是我們要做的。對(duì)于檢測(cè)加工誤差的方法，檢測(cè)空間誤差有兩種方法，即個(gè)別誤差檢測(cè)和復(fù)合誤差檢測(cè)。前者是用激光測(cè)量?jī)x和電子準(zhǔn)直儀檢測(cè)各個(gè)誤差元件，后者是基于運(yùn)動(dòng)模型，用柔性球儀和幾何激光器等計(jì)算各個(gè)誤差元件。國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織建議我們檢測(cè)數(shù)控機(jī)床工作體積的身體對(duì)角誤差，以便快速檢測(cè)和補(bǔ)償體積誤差，因?yàn)樗ㄝS線平行方向和垂直方向上的所有誤差。

具有代表性的是常規(guī)體對(duì)角線法，為了快速評(píng)價(jià)機(jī)床的容積性能和測(cè)量體積誤差，ASME B5.54和ISO 230-6標(biāo)準(zhǔn)提出了常規(guī)機(jī)身對(duì)角線的檢測(cè)方法。數(shù)控機(jī)床三坐標(biāo)軸的行程長(zhǎng)度可以構(gòu)成一個(gè)長(zhǎng)方體，即工作體。由于有四條體對(duì)角線，每條體對(duì)角線都包含正負(fù)方向，因此，需要檢測(cè)八條體對(duì)角線。在檢測(cè)過(guò)程中，三個(gè)坐標(biāo)軸同時(shí)運(yùn)動(dòng)，三個(gè)坐標(biāo)軸的全部誤差都包含在體對(duì)角線誤差中，因此，很難將其與體對(duì)角線誤差區(qū)分開(kāi)。與傳統(tǒng)的物體對(duì)角線法相比，激光矢量測(cè)量法的測(cè)量和運(yùn)動(dòng)方向可以是不同的方向。為了了解機(jī)床的加工精度，必須對(duì)加工誤差進(jìn)行檢測(cè)。弧齒錐齒輪的誤差包括切向合成誤差、齒向合成誤差、齒間相交角誤差、積分誤差、積分齒輪相交角誤差、周期誤差、積分齒距誤差、k齒積分節(jié)距誤差、鄰近節(jié)距誤差、齒形相對(duì)誤差、齒厚偏差、齒輪副切向積分誤差、齒輪副周期誤差、齒輪齒形、齒輪副間隙、法向側(cè)隙、齒輪副間隙變化、齒輪軸間距偏差、齒輪副間角偏差等。

螺旋錐齒輪是機(jī)械傳動(dòng)領(lǐng)域的關(guān)鍵零件，在汽車、航空等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。然而，由于齒輪的齒面結(jié)構(gòu)非常復(fù)雜，用普通的齒輪測(cè)量?jī)x器很難對(duì)其進(jìn)行定量檢測(cè)。在齒輪測(cè)量中心上測(cè)量螺旋錐齒輪的誤差，是唯一切實(shí)可行的方法。原理是：首先，在整個(gè)齒面上劃分網(wǎng)格，一般沿齒長(zhǎng)方向劃分五條線，沿齒高方向劃分九行。其次，測(cè)量網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)的坐標(biāo)。然后，用合適的軟件對(duì)它們進(jìn)行處理，得到網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)的法向偏差。最后，得到齒面的幾何參數(shù)。

3 結(jié)語(yǔ)

我國(guó)機(jī)械設(shè)計(jì)制造技術(shù)和精密加工技術(shù)的發(fā)展雖然取得了一些成就，但仍處于發(fā)展和探索階段，因此，必須重視機(jī)械設(shè)計(jì)制造技術(shù)和精密加工技術(shù)的發(fā)展，加強(qiáng)技術(shù)創(chuàng)新，提高工藝水平，促進(jìn)機(jī)械制造業(yè)的健康發(fā)展。