基于機械制造工藝的合理化機械設計策略研究

廣州市機電高級技工學校 呂俊流

0 引言

機械制造作為我國的支柱產業之一，近年來一直保持著平穩發展的趨勢。但從工藝來看，我國仍與發達國家之間存在差距，導致企業在全球化競爭中處于劣勢地位。合理化設計策略不僅需要考慮到誤差控制，而且還必須兼顧質量與生產便捷程度。通過革新目前的設計策略，以適應不斷增長的物質需求顯得十分迫切。

1 機械制造工藝的關鍵技術

1.1 制造工藝的流程

工藝是影響機械制造水平的重要因素，也是目前制造行業較為薄弱的環節。制造工藝涉及內容較多，在控制上也十分復雜。首先，工人需要對原料進行毛胚處理。在此過程中應該做好零部件的調試與檢驗，給后續的安裝工作做好準備。其次，需要將零件進行定位，使其相對于機床和刀具保持固定。現階段在零部件定位方面方式較多，軸向固定、緊定螺釘以及卡簧等應用十分廣泛。但具體的定位方案仍需要根據工件與夾具契合度來選擇，以保障該產品的質量。此外，在當下大規模的流水作業中零部件的標準化要求也凸顯出來，需要在定位的過程中選用合理的標準來規范生產。

1.2 零件的夾裝定位

通常而言，為了使零部件在制造過程中保持原定的位置，就需要借助于機床夾具來固定。比如在車床上會配備專門的三爪自定心卡盤，其不僅能對零部件起到鉗制的作用，而且還能使零件與刀具之間保持平衡。而定心卡盤中設有專門的定位元件（圖1所示），能夠有效地控制零部件的位置誤差，確保機械加工的精度。同時借助于夾緊裝置來施加一定的應力，使零部件在受力狀況下保持穩定。而在夾裝方法方面，目前應用的工藝大多為直接找正、劃線找正以及夾裝這三種。技術人員需要根據不同的生產規模和產品標準來應對，在保證加工質量的同時實現生產效率的提高。

圖1

1.3 制造的精度改良

精度控制可以說是機械制造工藝中最核心的內容，它關乎到最終產品的質量。除了受最初設計參數影響以外，加工過程中同樣也會造成誤差。一旦機械零部件的位置、尺寸出現誤差，那么就可能使該生產線陷入癱瘓或者影響到產品的質量。比如在加工過程中機床主軸在運行就會產生一定的位移，這種現象無疑會造成加工的誤差。但目前國內軸承技術較為滯后，難以適應日益苛刻的加工要求。此外，機床生產的刀具也容易出現嚴重的誤差。在刀具使用過程中會出現折舊損毀的現象，因此企業往往會定期進行維護與更換。然而在更換零部件之后，刀具與夾具之間的位置就容易出現偏移，這也是目前需要注意的問題。

2 合理化設計的主要內容

2.1 提高機床性能

目前業界的制造加工主要依賴于數控機床來進行。換言之，在合理化設計中提高機床的性能，關乎到加工的質量。首先，要確保機床設計上精度達到甚至超過行業標準。比如不少機床在運作的過程中工作臺與其它部位進度不一，從而給作業的開展造成阻礙。究其原因，主要是機床的定位能力較為薄弱，無法在運動中保持各部件的相對穩定。其次，還需要改善機床的分度精準性。在數控操作過程中，發出的指令與軸承的實際偏離角度存在誤差，那么也會改變工件的位置。值得一提的是，合理化設計還必須充分地考慮機床的分辨率和脈沖量。機床的每一個操作都是由數控裝置發出的脈沖所控制的，而信號量的大小就決定著機床的位移量。因此，在設計中需要不斷降低脈沖量，通過高靈敏度的技術來控制誤差。

2.2 注重安裝調試

合理化機械設計是基于生產實際提出的，要確保其可靠性就需要對設備進行安裝調試，從而制定出科學合理的設計方法。實際上近幾年制造業發展的同時，機械設備也承受著巨大的運行負荷。在這種高強度的生產狀態下其老化速度加快，具體表現為頻繁故障以及精度的下降。此外，機械設備在運行中還會造成各部件的振動摩擦，這同樣會對設備性能造成影響。因此，要想進行合理化機械設計就必須定期開展安裝調試工作。一方面能夠及時地發現設計中的不足；另一方面也可以更充分地了解到生產的需求，并對設計方案進行改良。

3 機械設計精確性控制手段

3.1 刀具及夾模誤差

目前在機械制造中主要分為定尺寸刀具與成形刀具兩種，它們的尺寸與形狀都會對精度造成影響。此外，在投產使用的過程中刀具還會受到磨損，也使其各項參數發生改變。對夾具而言，其誤差主要產生在制造與安裝的過程中。一旦出現誤差，不僅會在工件的夾緊環節出現不耦合的現象，還可能造成刀具的損傷。因此，業界也明確規定夾具的標準誤差應該控制在工件的三分之一以內。在機械加工時，技術人員就應該預先進行誤差控制。技術人員可以按照國家法規以及行業標準，針對不同的使用需求來制定設計方案。同時，對于一些存在誤差的零部件，也可以通過補償法來進行補救。技術人員可以在后期生產過程中人為制造一個誤差，使兩相中和之下誤差趨近于零。

3.2 受力形變的控制

工藝系統在生產中容易受到重力、加緊力等因素的作用，使機床零部件出現形變，并影響到正常的運作。學界對這個問題的研究主要是針對系統剛度（k）來展開，通過對數據的分析將其與系統位移、吃刀抗力之間建立起聯系。其表達式為：

其中Fp為吃刀抗力，而y為系統產生的位移量。而在生產過程中車床頂部所受到的應力較小，因此位移量和形變程度均可以忽略不計。但在機床的尾座以及刀具處，部件的形變較為嚴重，給機床的性能造成嚴重的影響。筆者通過對機床受力情況進行分析，得出以下形變圖2。

圖2

3.3 熱形變的應對策略

在機床運作過程中，機械摩擦振動會產生大量的熱能，使工藝系統以及工件溫度上升。據行業內調查顯示，在機械制造中由于熱形變造成的誤差大致占到了六成，是加工誤差頻現的重災區。比如在部分圓柱類工件的生產過程中，受熱之后會出現較為明顯的尺寸變化。若將該工件的長度記作L，半徑記作R。而用α來表示該材料的膨脹系數，為工藝系統的溫度變化情況。那么根據物理學原理和數學規律可以得出，工件的熱形變長度，工件的熱形變橫向。筆者建議，在合理化機械設計中應該在容易出現熱形變的部位添加冷卻液。通過熱量傳遞的方式來減輕重要部件的熱形變壓力，保障其正常的運作。其次，應該合理規范的使用機床。一定的運轉時間后，必須給予充足的時間來休整降溫。最后，還應該不斷的加快工件的進給，抑制熱量的傳導。

4 合理化機械設計趨勢

4.1 機械設計標準化

所謂標準化，就是針對一些能夠重復使用的項目進行規范，以此給制造工作提供便利。目前國內已經形成一套以國家標準與行業規范為核心的標準，一方面能夠維持制造業的有序競爭，另一方面也能夠保障產品的質量。首先，要強調零部件的統一。其次，使零部件的性能保持一致。通過標準化的規范，將零部件的性能以量化的形式進行明確的規定。這樣一來，機械的設計就有可靠的數據支持，促進制造行業的進一步發展。此外，還需要保持零部件結構的一致。工藝系統在投產使用的過程中難免會出現故障，標準化的零部件結構更有利于后期的養護。一旦出現了故障損毀，也能及時進行更換確保工藝系統的正常運作。

4.2 突出綠色設計理念

綠色機械設計理念就是要平衡經濟效益與社會效益，從而不斷優化整體的工藝系統。在設計之初，就必須考慮到廢棄后的回收問題。因此，在機械設計的結構上近幾年提倡可拆卸的方案。若是工藝系統中仍有部分零部件性能良好，則可以拆卸重復使用；而出現問題的也可及時的維修，降低折舊的成本花費。此外，在設計中還應該創新優化，以最低的成本來完成加工。這樣不僅可以提高企業的利潤率，而且還可節約資源。總之，綠色設計理念與傳統設計理念有較大的區別，更加注重產品的全過程周期。從產品構思到原料的選取，都體現出成本控制和系統優化的目標，這也是目前業界發展的總體方向。

5 結語

綜上，隨著機械制造行業的發展，傳統落后的設計方案已經難以滿足當下的需求。設計人員應立足對機械精度的控制，并大膽的預測行業的發展趨勢，來提出更加科學合理的方案。這其中不僅有具體的現實問題，也涉及到理念的革新，因此需要學界和業界共同努力，不斷促進我國制造業的發展。