工程機械焊接結構件的高效機加工工藝研究

夏小君，花 蓉

（國機重工集團常林有限公司，江蘇 常州 213136）

工程機械在加工制造的過程中會涉及到各種類型的零件,其中最重要的部件是大型結構件,這不僅關系到工程機械整體外觀的質量,而且還影響到整體機械性能。于大型結構件體積大,對機加工精度要求高,在加工生產中存在難度，機加工效率顯得尤為重要。本文通過對工程機械焊接結構件進行分析并深入研究合理的機加工工藝,以提升機加工生產效率。同時希望能夠給相關的人員提供理論性支持和實踐參考。

1 機加工的基本含義以及意義分析

1.1 機加工的基本含義

機加工，即機械切削加工，顧名思義，就是采用機械設備，按照圖紙、工藝、標準（俗稱“三按”），將原材料或毛坯進行局部的材料切削，從而形成需要的零部件形狀和尺寸。一般有車、銑、鏜、鉆等[1]。

1.2 機加工工藝的意義

機加工工藝是實現加工的過程策劃結果，目的是能夠按照加工方法生產出合格的機械零件，是綜合考慮人、機、料、環等因素，以及考慮既有工藝、創新思路等方面而制訂出的生產制造工藝，其意義巨大：

（1）是產品零部件生產的重要支撐，直接影響整個產品生產能否順利進行。

（2）其水平能夠影響下料、拼裝焊接等前道工序的難度。水平低、無法加工會提高對前道工序的要求，增加前道作業難度。

（3）還能影響產品設計。機加工工藝的進步使得先前無法實現的產品設計得以實現，也可能加工工藝還無法把設計變成現實。

（4）科學合理的機加工工藝可以有效提高生產效率，提高產品質量，進而滿足加工要求。制造費用往往占總成本的20%～50%，包括了下料、成形、拼裝焊接、機加工、涂裝等費用，其中機加工費用彈性最大，因此加工工藝改進對提升加工效率意義很大。

2 工程機械焊接結構件分類及常見高效機加工工藝方法

工程機械除了挖掘機、裝載機這些代表性產品之外，還有平地機、壓路機、攤鋪機、起重機、鑿巖機、盾構機、泵車，等設備。其結構件常可以劃分為：車架（如，整體車架、上車架和下車架、前車架和后車架，等）這樣的軀干結構件、工作裝置（如，大臂、小臂、連桿，等）、支撐件（如，液壓支腿、鏟板支撐，等）、附屬具（如，鏟斗、抓具、破碎錘、松土器，等）、其它輔助、連接安裝件（如，轉向座、駕駛室底板架，等）等。這些結構件從數十厘米到十數米尺度，不一而足。

從加工的角度，我們可以將結構件劃分為：平臺類結構件（如，主車架）、關節類結構件（如，轉向座、破碎錘）、長條類結構件（如，挖掘機大、小臂）等。

平臺類結構件通常是上下面和側面需要加工，主要采用龍門加工中心、單面臥式加工中心加工。關節類結構件通常有多個面需要加工，采用單面臥式加工中心加工，盡可能把需加工面放到側面。長條類結構件主要采用雙面臥式加工中心和龍門加工中心加工。如果產量夠大，或者產品品種多，也有采用多主軸機床來加工各種復雜的結構件，如立臥復合機床、雙面加工中心配回轉平臺的機床等。

3 機加工的現狀分析

3.1 加工設備

加工設備對加工水平起著重要的作用。與日、美、歐等發達國家相比，長期以來，中國在機床制造技術上存在巨大差距，導致中國的機械加工效率低，生產質量相對較差。

但近幾年，中國有兩股力量在蓬勃發展，民營企業和中央企業不斷取得技術突破和企業運營模式突破，越來越多人開始堅定認為機床工業會是下一階段中國取得巨大成功的領域。目前，除了通用機床外，國產中小型的龍門加工中心、臥式加工中心也已經完全可以滿足工程機械結構件加工需求。鑒于國內產能不足和一些特殊零部件加工需求，不少廠家還是選擇了一些日韓和臺灣機床，少數選擇了歐美品牌[2]。

加工設備不成為制約工程機械結構件機加工的瓶頸。

3.2 刀具

和加工設備類似，國產主流刀具蓬勃發展的同時，新的刀具公司層出不窮，刀具創新不斷涌現，從淘寶網上搜索可以發現新型刀具、高效刀具（如：U鉆、高速鉸刀、高速銑刀、一體式刀具，等等）令人目不暇接。

刀具不成為制約工程機械結構件加工的瓶頸。

3.3 智能化、自動化技術與管理

目前，“燈塔工廠”、“黑燈工廠”、無人工廠等高度智能化工廠已經和正在不斷涌現。在2020年底，筆者調研了十多家結構件配套工廠，介紹了行業頭部企業的做法后，半數以上表示已經在調研實施自動化、智能化，對板材自動上料、切割、分揀特別感興趣，而焊接已經實施了30%左右的機器人作業，正考慮實現自動上下工件。遺憾的是加工難以實現無人化。

曾經自動化領先的加工在智能化方面在國內是滯緩了。在一些制造業發達的國家，機械加工是通過計算機進行遠程管理和控制，甚至智能化、柔性化[3]。

3.4 核心技術與開發

我國自加入WTO以來，雖然大量引進外資，大量引進先進設備，但核心技術是一道障礙，始終難以把握。據有關數據顯示，中國對國外技術的依賴程度高達50%。在這一比例上，發達國家只有不到30%。現在世界格局劇烈變化，核心技術缺乏與全球制造業大國不相配。可喜的是，刀具材料、機床設備、控制系統、檢測技術、精細加工、模擬編程、數字孿生技術都出現了不少知名企業和苗頭，如：郴州刀具、樹根互聯、中捷機床，等。

4 機加工工藝分析與優化

4.1 機加工的階段劃分

其主要分為粗加工階段、半精加工階段、精加工階段。半精加工可以保證有足夠的時間消除粗加工產生的熱變形和殘余應力，從而提高后續加工精度。工程機械結構件大部分的加工都是在一臺機床上完成孔加工的三個階段，而面加工可以在粗加工機床上快速完成，僅僅根據需要留很小的余量到精密機床上進行精加工。還有一個或有階段，因為對工程機械的需求升級而增加，就是光整加工。這個階段不是用來糾正形位尺寸，而是對加工孔面的粗糙度進一步提升，同時提升表面壓應力和表面硬度。粗糙度可以達到0.2μm。當然，這已經不是傳統意義上金屬切削加工。

4.2 加工工藝優化

為了使加工更好地緩解產品成本的壓力，創造產品競爭優勢，加工需要更加高效，加工工藝的優化已經成為不二選擇。注重引進、投入先進的機床設備、刀具、軟件、管理系統，杜絕落后的加工工藝和管理方式，實現整個流程的優化是優化工藝的最有效途徑。但我們也看到，現有技術的優化組合也能創造出意想不到的效果。關于加工工序的安排，我們常采用的方法是：同一把刀加工完零部件上所有能加工的部位再換刀加工其它部位；先加工定位面再加工孔；先內后外；先把相互可能應力釋放變形的部位粗加工做完再精加工。當然，這其中是因為一個原則問題：先加工的作業不能對后加工產生負面影響。我們本著以上原則，把加工工序進行拆分組合，可以分成不同機床來加工，效果迥然不同。

在某企業制訂挖掘機上車架加工工藝的時候，經歷了如下過程：龍門加工中心做所有工序，6小時；單面臥式加工中心做所有工序，5小時；龍門加工中心做底面的法蘭面和鉆孔、攻絲+雙面臥式加工中心做兩側面4組孔和刮面，盡管需要兩次裝夾，加工時間還是減少到4小時；把刮面拿到專機上加工，時間進一步縮小到3.5小時；而在把鉆頭改成硬質合金鉆頭后，加工時間僅不到3小時，效率翻倍。這個例子里，采取了工序組合、機床組合、先進刀具選用等辦法。

就加工工藝優化，我們不得不說加工編程軟件的應用是個很好的選擇，在軟件界面，我們可以清晰地看到加工過程和工時預算。以高速加工替代大切屑量加工是否合適在工藝確定前就可以看出來。我們也不得不說精益生產的幾個工具應用，如，動作研究、均衡化等一定可以產生更高效的加工安排。

4.3 設計的優化

設計決定了90%的成本，這說法一點也不為過。某個企業生產輪式挖掘機，下車架上會安裝前固定橋、后擺動橋、傳動軸、聯接上車的回轉支撐，設計變化如下：整體式大梁結構，因為后擺動橋銷軸孔間距太大，需要在龍門加工中心機床上安裝鏜排支座，影響機床換模加工其它產品，10小時；將后擺動橋部位做成一個小組件，先加工后焊接到整個車架上，很多機床都可以加工，8小時；將中部聯接上車架的框架也做成小組件，也可以先加工，6小時；將大梁再分出腰部，小臥加都可以做，5小時。

當加工可以選擇更小的機床的時候，往往不僅僅加工時間變短了，加工小時單價也變低了。某個企業設計車架鉸接方式時的經歷說明了另外的要點：鉸接板上采用上下各12個8mm的螺孔，非通孔，平面要刮面，2小時；減小板厚，加加固圈，便于刮面，1小時55分；改螺紋孔為上下8個10mm螺紋孔，1小時30分；改螺紋孔為12mm光孔1小時；增大孔材料厚度，不需要先鉆光孔后再精加工鉸接孔，55分。省工序，防止應力釋放，降低加工難度，設計可以考慮更多。

4.4 產品整體工藝流程的優化

在進行加工工藝優化時，需要檢視整個工藝流程。整體考慮減少加工余量、各工序統一定位基準等，都能夠節約加工時間（含裝夾時間）。隨著板材下料精度的提高，毛坯外形和孔的加工余量都可以縮小，目前孔的余量已經可以從9mm調整到6mm，部分激光切割甚至可以直接割出粗加工孔和螺紋孔底孔。為更好的加工而做一些其它工藝安排，在很多時候是值得的，比如：去應力退火、校正，等。當然，整個流程最優比機加工最優更有意義，我們要避免進入唯機加工最優的誤區（很多人認為機加工小時費用更高，需要優先考慮）。

5 機加工工藝今后研究方向分析

5.1 加工工藝智能化實現

智能化是機械加工行業的發展趨勢。在經濟全球化的背景下，機械加工業不僅要面對國內競爭的壓力，還要參與國際競爭。這需要借助現代科學技術，加強改革創新，實現智能化加工，減少人工成本影響，有效提高競爭優勢。

5.2 云加工技術的開發應用

多家工廠建立起云平臺，加工需求在系統處理后，系統會將工件分配到最適合的工廠，最適合的機床，進行加工，實現最低成本生產。

5.3 激光加工部分替代傳統機加工

近年來，國內激光技術取得了長足的進步，在多個領域取得了優異的成績，不斷為我國目前的加工行業注入新的動力。近十年來，激光技術在輸出功率、光束質量、亮度、加工精度等方面取得了很大的成就。這些性能上的變化導致了許多領域中處理方法和工藝要求的變化。在機加工方面，在板材零件上由激光替代鉆孔已經大行其道。今后可能下料零件上不鉆孔，而是機器人操作激光槍在部件上直接增加孔。激光替代銑面也正在走近，大功率飛秒激光的工業化將帶來產品快速“雕刻”。

5.4 基礎科學、技術的研究。

高效的機床需求設想的實現、高速高效刀具的開發，以及機加工工藝組合智能規劃依然是今后企業和科研院所需要研究關注的方向，促進技術迭代需要一起努力。

6 結論

綜上所述，機加工工藝對工程機械結構件生產很重要，決定了機床價值的實現，決定了產品能否低成本加工出來，甚至決定了市場勝負。在機加工工藝優化過程中，選擇最佳的加工工藝路線、配置合適的機床和刀具、采取最佳工序組合，可以達到高效機加工的目的。本次論述到此結束，希望能夠給相關人員提供一定的幫助。