机械类零件加工的工装设计改进分析

机械类零件加工的工装设计改进分析

王平

广州弘亚数控机械股份有限公司

摘要：随着我国经济不断发展，为机械零件加工产业良性发展奠定基础，社会对机械零件需求量不断提升，同时期许通过加工工艺优化，提高零件质量，丰富零件制造形式。本文通过对机械零件加工的工装设计改进进行研究，为提升机械零件加工综合质量，提供行之有效的理论参考依据。

关键词：机械类零件；加工；工装设计；改进

引言

虽然我国工业近年来得到了长足发展，但在机械加工行业内，普遍存在加工工艺水平低，产品质量差和生产规模小等问题。这种粗放增长型的零件加工模式虽然在短期内带来了不少的经济效益，也推动了我国工业乃至我国整体经济的快速发展，但是较低的资源利用率和较高的能源消耗使得我国加工的机械零件和产品难以在国际市场上取得竞争优势。随着我国经济增长模式向资源节约型、环境友好型转变，要想促进我国工业继续追赶国际先进水平，就必须要节省人力和物力的消耗，加大科研投入。要科学设计先进的加工工艺，并以与市场相适应的规模进行机械零件的加工生产，以较低的资源消耗，获得尽可能多的经济效益。

一.影响机械加工表面质量的因素分析

1.影响表面粗糙度的因素

切削加工影响表面粗糙度的因素：切削加工具几何形状的复映。刀具相对于工件作进给运动时，在加工表面留下了切削层残留面积，其形状是刀具几何形状的复映。减小进给量、主偏角、副偏角以及增大刀尖圆弧半径，均可减小残留面积的高度。此外，适当增大刀具的前角以减小切削时的塑性变形程度，合理选择润滑液和提高刀具刃磨质量可以减小切削时的塑性变形和抑制刀瘤、鳞刺的生成，也是减小表面粗糙度值的有效措施。材料的性质。加工塑性材料时，由刀具对金属的挤压产生了塑性变形，加之刀具迫使切屑与工件分离的撕裂作用，使表面粗糙度值加大。工件材料韧性愈好，金属的塑性变形愈大，加工表面就愈粗糙。加工脆性材料时，其切屑呈碎粒状，由于切屑的崩碎而在加工表面留下许多麻点，使表面粗糙。切削用量。加工脆性材料时，切削速度对于粗糙度影响不大；加工塑性材料时，积屑瘤对粗糙度影响很大。一般切削深度ap对于粗糙度影响不大，但太小时，有可能吃不住刀，摩擦严重。

磨削加工影响表面粗糙度的因素：磨削加工表面粗糙度的形成也是由几何因素和表面金属的塑性变形来决定的。影响磨削表面粗糙的主要因素有：砂轮的粒度砂轮的硬度砂轮的修整磨削速度磨削径向进给量与光磨次数工件圆周进给速度与轴向进给量冷却润滑液。

2.影响加工表面层物理机械性能的因素

影响表面层冷作硬化的主要因素：切削刃钝圆半径增大，对表层金属的挤压作用增强，塑性变形加剧，导致冷硬增强。刀具后刀面磨损增大，后刀面与被加工表面的摩擦加剧，塑性变形增大，导致冷作硬化增强。切削速度增大，刀具与工件的作用时间缩短，使塑性变形扩展深度减小，冷硬层深度减小。切削速度增大后，切削热在工件表面层上的作用时间也缩短，将使冷作硬化程度增加。迸给量增大，切削力也增大，表层金属的塑性变形加剧，冷作硬化作用加强。工件材料的塑性愈大，冷硬现象就愈严重。

影响表面层材料金相组织的因素：当被磨工件表面层温度达到相变温度以上时，表层金属发生金相组织的变化，使表层金属强度和硬度降低，并伴有残余应力产生，甚至出现微观裂纹，这种现象称为磨削烧伤。在磨削淬火钢时，可能产生以下三种烧伤：回火烧伤。如果磨削区的温度未超过淬火钢的相变温度，但已超过马氏体的转变温度，工件表层金属的回火马氏体组织将转变成硬度较低的回火组织（索氏体或托氏体），这种烧伤称为回火烧伤。淬火烧伤。如果磨削区温度超过了相变温度，再加上冷却液的急冷作用，表层金属发生二次淬火，使表层金属出现二次淬火马氏体组织，其硬度比原来的回火马氏体的高，在它的下层，因冷却较慢，出现了硬度比原先的回火马氏体低的回火组织（索氏体或托氏体），这种烧伤称为淬火烧伤。退火烧伤。如果磨削区温度超过了相交温度，而磨削区域又无冷却液进入，表层金属将产生退火组织，表面硬度将急剧下降，这种烧伤称为退火烧伤。

产生残余应力的原因：切削时在加工表面金属层内有塑性变形发生，使表面金属的比容加大，由于塑性变形只在表层金属中产生，而表层金属的比容增大，体积膨胀，不可避免地要受到与它相连的里层金属的阻止，因此就在表面金属层产生了残余应力，而在里层金属中产生残余拉应力。切削加工中，切削区域会有大量的切削热产生，不同金相组织具有不同的密度，亦具有不同的比容，如果表面层金属产生了金相组织的变化，表层金属比容的变化必然要受到与之相连的基体金属的阻碍，因而就有残余应力产生。

二、加工工装设计的改进方略

1.套筒零件加工工装设计的改进方略

常见套筒零件有气缸套、导向套、滑动轴承、液压缸等形式，在机械加工中具有广泛应用且较为种重要，这些零件虽有不同的形状与功能，但有结构简单的共性，为此加工工装设计改进方略可有效落实，具体改进方略可从以下几个方面进行分析：一是合理控制切削速度。

套筒零件因尺寸、结构不同，在液压系统、内燃机、夹具等结构中发挥积极作用，如若切削速度把控不当，将会引起切削温度过高，切削精度控制不当等问题，影响套筒零件综合质量，为此工作人员需在改进工装设计方略时，合理控制切削速度，在提高刀具耐用度基础上，使切削温度得到有效控制，避免热度引起零件变形，提高生产质量；二是做好调制处理。为提升套筒林零件稳定性，多应用不锈钢材质，这就需要在改进工装设计时，需对不锈钢进行调制，使结构综合力学性能得到保障，满足零件加工需求，改善切削加工性能。

2.圆柱齿轮加工工装设计的改进方略

首先，改进齿轮宽度。在工装设计过程中为有效实现平衡齿轮接触，降低弯曲疲劳强度，需结合圆柱齿轮零件加工需求，适当改进齿轮宽度；其次，优化速比的分配。通过降低低速级速比，提高高速级速比，在圆柱齿轮各速级中心距不变基础上，可实现优化两级圆柱齿轮副等强度的目标，凸显工装设计改进价值；最后，通过材质和热处理改进圆柱齿轮加工工装设计方略。合理选择材料，提高渗碳淬火处理有效性，使其结构更加稳定，心部韧性更强且硬度更高，为提高零部件加工质量奠定基础。

3、箱体零件加工工装设计的改进方略

箱体零件加工工装设计（见图1）需依据高强度复杂箱体类零件与简单低强度箱体类零件加工切实需求，在此基础上其具体改进方略可从以下几个方面进行分析：第一，改进工装设计流程。在以往箱体零件工装设计流程中，步骤太多且过于繁琐，使零件加工存在许多不可控因素，影响工装设计合理性，为此需要优化工装设计流程，缩减设计冗余环节，提高箱体零件加工速率；第二，合理利用共有资源。介于生产企业经营能力存在差异，有些企业零件加工资源需要共享，这就需要箱体零件加工工装设计在改进过程中，综合考量共有资源，使切削刀具等组件得以发挥其在零件加工中的积极作用，为提高零件加工质量奠定基础；第三，规避影响零件质量的消极因素。例如，在箱体零件加工过程中，对刀精准度与对刀速率对零件加工质量具有极大影响，为此在优化工装设计时，需要工作人员积极思考规避影响零件加工整体质量的各类消极因素，凸显工装设计落实价值，为此在工装设计时需确保工装定位科学合理，刀具运行与加工过程中槽的方向保持一致，达到提高箱体零件加工质量的目的。

三、机械零件加工中的工装设计改进原则

通过对典型机械零件加工的工装设计改进方略进行研究可见，我国零件加工种类繁多，工装设计作为关乎零件加工精度及其质量的重要环节需科学有效，富有可操作性，为此工装设计工作人员需在以往工作经验基础上，总结工装设计改进基本原则，明晰工装设计整体改进思路，确保工装设计科学合理。

（1）实效性原则。工装设计需满足零件加工目标，使加工工艺得以有效落实，为此工作人员在改进加工工装时，需结合机械零件加工需求，进行加工工装设计研究，思考并科学设置机械加工余量，做好夹具体设计，科学设计刀及道具安装方案，使加工工装设计改进更具科学性，可满足机械零件加工切实需求。

（2）可操作性原则。工装设计改进目的除提高机械加工零件综合质量外，还需具有提高工作效率，缩减加工投入成本的积极意义，使工装设计改进更具实践价值，为此工作人员需秉持可操作性原则，合理调整工装，在提升零件加工质量同时，使加工企业生产资源得到优化配置，推动企业良性发展，达到为机械零件加工企业获取更高经济收益的目的。

四、工艺改进措施

（1）完善生产加工环节。通过完善加工生产环节提升机械产品的加工精度是一项有力措施。可通过制定合理的预防措施来降低误差的发生概率。根据不同零件的特点采取相应的预防措施，有效提升机械零件的精度。

（2）误差分组法。使用误差分析法，根据相关标准将生产的毛坯和半成品进行分组，再对这些产品进行进一步生产加工，适量调整工件位置来减小误差，确保了所加工零件的质量，在整体上实现了加工过程的有效控制。

（3）使用冷却液。为防止零件因为温度太高而发生变形，可使用冷却液。在加工零件上使用合适量的冷却液，降低部分区域的温度，减小零件变形的几率。此外，控制机械加工机床的热量还有许多方法，如通过为机床添加润滑剂以减少热量的产生，通过安装添加冷却液的散热设备，起到散热作用。

（4）填补法和补偿法。在机械零件的加工过程中，可能因很多外界环境影响，引起误差，但仍可通过合理科学的方法来减小误差。比如采用填补法降低零件加工的误差，使用压力器定期产生压力，补偿数控车床误差，提高产品的加工精度。

结束语

总之，工装设计在机械零件加工过程中的有效调整，可提升零件加工质量，缩减零件生产投入，提高加工速率，为企业获取更高经济收益奠定基础。基于此，工作人员需结合零件加工切实需求灵活改进工装设计，使工装设计更具可操作性与实效性，达到推动零件生产企业良性发展的目的。

参考文献：

[1]杨明.机械加工工艺的完善措施[J].科技创新与应用，2015

[2]黄永亮.对机械类零件加工的工装设计改进的研究[J].中国新技术新产品，2017

[3]李建伟，朱鹏伟.支架类零件机械加工工艺及工装设计[J].山东工业技术，2016