走心機的加工特點及過程能力驗證

徐海斌

（常州大學懷德學院，靖江 214500）

制造業是國民經濟的主體，是立國之本、興國之器、強國之基。機床是機械制造工業中最基本的設備，在國民經濟現代化發展過程中起著重要作用[1]。隨著我國經濟與科技的高速發展，現代企業對生產成本和產品質量的要求越來越高，提出了去人力化、高效率、高精度等一系列生產指標，而常規的機械加工技術已經逐漸不能滿足現代企業的生產要求。在此背景下，各種先進數控加工機床不斷涌現，在企業的生產過程中發揮了重要作用。不僅提高了機械加工的生產效率，提升了自動化生產水平，還提高了產品性能。本文以走心機為例，簡要闡述走心機的加工特點，并利用走心機加工一種殼體零件，通過測量零件重要尺寸，利用Minitab 分析計算確認走心機的加工過程能力，驗證了其高精度、一致性好的加工特點。

1 走心機的加工特點

走心機全稱為走心式數控車床，也可稱為主軸箱移動型數控自動車床、經濟型車銑復合機床或者縱切車床[2]。它通過主軸孔夾持毛坯棒料，并與主軸做高速回轉運動，使得主軸沿棒料軸向移動完成軸向切削，而刀具沿棒料徑向移動完成徑向切削。對比常規數控機床，走心機有著其獨特的優越性。以津上S205A高精度走心機為例，如圖1 所示，其最大加工長度可達250 mm，最大加工直徑可達30 mm，加工精度在0.03 mm 公差以內，生產效率高，可同時一次性完成車、銑、鉆、鏜等復合加工，廣泛應用于航空航天、醫療器械、5G 通信、精密五金以及異型軸類等加工領域。

1.1 加工方式改進和加工精度提高

常規的數控車床以走刀加工方式為主，主軸夾持棒料并進行高速回轉運動，刀具隨加工形式不同進行切換，并沿棒料軸向和徑向同時移動完成零件的加工切削。但是，對于細長軸類零件，這種夾持方式類似于懸臂梁結構。當棒料剛性不足時，加工過程中受切削力作用容易產生變形，導致加工尺寸和表面質量不能滿足精度要求。而走心機加工過程中，棒料在主軸夾持下通過中心導套進行軸向進給，導套提供支撐力，增加受力支點，刀具切削點位于導套端口附件，棒料剛性較好，避免了在切削力作用下產生的變形，大大提高了零件加工精度。另外，常規數控車床進行加工方式切換時，可能需要進行多次裝夾和刀具更換，而走心機可在一次裝夾中完成多種加工方式，避免了裝夾次數過多帶來的由于定位基準的不同而造成的誤差積累。同時，走心機與大多數數控車床一樣，具有在線自動檢測功能，可實時檢測加工過程中的關鍵數據，確保產品的加工精度。

1.2 生產效率高，去人力化效果顯著

質量是企業賴以生存的根本，效率是企業長久發展的保障。如何在確保產品質量的前提下提高生產效率和降低生產成本，已成為制造型企業急待解決的問題。常規的數控車床加工時需要將棒料預加工成有足夠加工余量的段狀毛坯，然后配備一名工人進行上料和下料操作，工序多，人力成本較高。走心機的加工毛坯一般為長軸棒料，無須進行預加工，在一次上料完成后可通過送料機構長時間（可達12 h）進行自動運行和自動下料。因此，一名工人可同時進行多臺走心機的控制，減少人員投入。可見，相比常規數控車床，走心機不僅自動化程度高，提高了生產效率，還大大降低了人力成本。

1.3 走心機的不足

相比常規數控車床，走心機雖然有優勢，但也有不足，主要體現在以下3 個方面。一是對毛坯棒料表面質量要求較高。毛坯一般為2.5 m 左右的磨光棒料，且表面粗糙度、直徑公差、圓度、錐度以及直線度等參數比普通棒料要求高，材料成本上升。二是存在尾料問題。由于主軸與中心導套端口存在距離，主軸沿軸向進給到極限位置后，無法將棒料推送至加工位置進行加工，造成尾料殘留。對于較長的尾料，可以通過常規車床再次進行加工利用，避免材料浪費。三是加工范圍受限。走心機無法像常規車床一樣進行大直徑的單件生產，一般只適合加工直徑不超過30 mm的零件[3]，且以有色金屬等硬度不高的材料為主，造成走心機的加工范圍受限。

2 走心機加工過程能力驗證

2.1 零件分析

為了驗證走心機加工精度高、尺寸散布小、一致性好的特點，利用走心機加工一種殼體零件，如圖2所示。零件屬于殼體類異型非標件，結構復雜，加工內容包括車外圓、鏜內孔、銑平面、鉆孔以及凹槽加工等多種方式。常規數控車床加工時需要多次裝夾完成所有加工，造成加工誤差增大，加工效率降低。走心機只需通過一次裝夾即可完成所有加工，通過合理設置加工程序，完成該零件加工時間只需90 s 左右。不僅加工誤差小，而且顯著提高了加工效率。

通過與用戶溝通，用戶表示零件中心孔為重要裝配尺寸，如圖3 中φ8 mm 尺寸所示。該尺寸需要配合其他零件進行裝配，配合間隙要求較高，尺寸公差僅為0.05 mm，如有必要，需進行出庫全檢。但是，出庫全檢需要耗費大量人力和時間。借助統計學質量分析相關知識，通過計算該批次零件生產過程中走心機的加工過程能力，能夠確保零件的中心孔尺寸均在合格范圍之內，避免了出庫全檢造成的人力和時間浪費[4]。

2.2 加工過程能力分析

本次案例使用的質量分析軟件為Minitab。作為一種功能強大的質量分析軟件，Minitab 已逐漸被廣泛應用于國內外各大高校和企業生產過程中的質量管控，是現代質量管理統計的領先者。Minitab 中的過程能力分析工具是企業了解其生產能力的一種手段，也是確保產品質量一致性的有效保障[5]。

本批為打樣批次，共生產800 個零件，以40 min為一個抽檢周期，定期從生產的零件中抽取1 個零件，抽樣數量共計30 個，并對中心孔尺寸進行測量，將測量出的尺寸數據導入Minitab 進行分析，得出加工過程能力分析圖，如圖4 所示。從圖4 可知：一方面，該批零件加工過程中加工整體能力和潛在（組內）能力的基準Z值分別為5.68 和5.99，超過了基準Z值4.5的企業標準，說明該批零件的加工尺寸散布較小，一致性較好；另一方面，從性能參數可知，該批零件的預期整體不良率僅為0.000 001%，即1 億個零件中才會出現1 個不良品，不良率極低，可以認定本批次零件中心孔加工尺寸全部符合要求，同時說明走心機加工精度高，能夠滿足較小公差尺寸的加工要求[6-7]。

3 結語

隨著新時期智能制造的發展，我國制造業對機械加工數控機床的要求越來越高。走心機憑借著其高精度、高生產效率、高自動化水平等加工優勢，得到了越來越多企業的認可，促進了我國加工制造業的發展。但是，目前我國市場上的中高端走心機均以國外品牌為主，生產技術與世界先進水平還存在一定的差距。因此，國家需要不斷加大科研投入，提高生產技術水平，以縮短與發達國家之間的技術差距，促使我國制造的走心機獲得更好更快發展。