机械设计与机械加工中常见问题及改善措施研究

赵泓荀 赵多兴

【摘要】机械设计与机械加工是一个复杂的制造过程，从最初的设计图纸到最后的成形产品，任何一个环节都将影响产品的最终性能。严格把控设计与加工工序，逐步提升设计与加工水平，有利于提高机械设计与机械加工产品的最终质量和生产效率。本文就机械设计与加工过程中存在的主要问题进行分析总结，并初步提出其解决措施。

【关键词】机械设计；机械加工；加工精度；表面质量

Abstract：Mechanical processing is a complicated manufacture process， from the engineering drawing design to product forming， each step will affect product quality. Strictly control processing operation and gradually improve machining level can improve product quality and product efficiency. The paper analysis the major problems and give some solving measures.

1.引言

影响机械设计与机械加工的因素比较多，这些因素直接或者间接的影响着产品的质量。在这些看似复杂没有规律的影响因素中总能找出一些普遍性存在的问题，包括加工精度、零件表面质量、设计标准化、产品的性价比、润滑剂等。如何有效的去克服和减少这些普遍存在的问题，如何深入分析研究这些影响因素，对于一个加工企业的发展来说显得尤为重要。本文就机械设计加工过程中典型的机械加工精度问题、零件表面问题、设计标准化问题、性价比问题进行分析总结，并初步提出解决方案。

2.机械设计与机械加工中存在的问题

2.1机械设计结构与材料问题

机械结构与材料是影响机械加工的常见问题。同样效用的结构，设计思路不一样会导致加工难易程度不同，进而加工精度也会不同，这就提示着设计者在设计时不仅要考虑结构的效用还要考虑结构加工时的难易程度与加工的精度；至于材料方面，对于某个机器或机器部件来说可选用的材料可能有几种，各种材料的切削加工性各不相同，设计者在设计时不能仅考虑材料的可用性还要考虑材料的可切削性，从而提高产品的精度。

2.2设计标准化问题

机械零件标准化是制造企业需要共同遵循的标准，它包括零件尺寸、材料性能、加工工艺、检验要求等众多方面。设计者采用统一的标准结构及零部件，统一的材料和零件性能指标，可以大大减少设计周期，提高零件可靠性。

2.3机械加工精度问题

机械加工精度不高是加工企业普遍存在且难以解决的一个问题，机械加工与设计标准之间总存在着一定误差，从而影响加工精度。影响加工精度的主要因素可分为机械加工系统的几何误差，工件装夹误差，机械加工系统受力和受热变形引起的加工误差等。机械加工系统的几何误差包括机床、夹具和刀具等的制造误差、安装误差及使用过程中因磨损造成的误差[1]；工件装夹误差主要是定位不正确引起的误差；在加工过程中，加工系统受切削力和切削热量等作用产生变形，使工件与刀具之间的相对位置发生变化，影响工件最终的形状和尺寸精度。机械设计加工精度只能最大程度的提高，尽可能的去满足设计标准，把精度控制在允许标准范围内，进而不断地提升产品在生产阶段的整体质量。

2.4零件表面质量问题

零件的表面质量直接影响表面的微观几何形状和表面物理力学性能，表面质量越差，零件表面越粗糙，耐磨耐腐蚀性能越差，进而影响使用性能和使用寿命。目前影响零件表面质量的主要因素有刀具材料与工件材料的匹配问题、切削用量和工件材料的选用问题等。根据零部件的材料，选择相应的刀具进行切削，例如在实际生产中，硬质合金钢类的刀具常用于铸铁类零件加工，金属陶瓷刀具常用于超硬材料的加工等。对于塑性材料，如果选用较大的切削用量，难免会使零部件发生塑性变形，并且在在切屑加工结束时，刀具和零部件的分离会产生撕裂作用，影响零部件的表面质量。对于脆性材料，在切削过程中，容易产生断续的碎粒，影响零部件的表面质量。机械设计加工阶段，控制零件的表面质量，降低次品的出现几率，深入的分析表面质量的影响因素，对制造企业来说具有重要意义。

2.5产品性价比问题

在市场竞争中，产品的价格和产品质量一样也重要。在保证产品质量的前提下，提高产品的性价比，才能提高市场竞争力。影响产品性价比的因素主要包括三个方面，首先由于机械加工精度不高、加工过程的自动化水平较低等造成了零部件的质量参差不齐，废品率较高；其次，由于加工设备落后和操作人员不熟练造成零部件的生产周期较长，生产效率较低，导致生产成本较高；最后，由于机械零部件标准化程度较低，造成其后期的维修及替换成本较高。

3.改善措施

3.1科学地选择材料

材料包括零部件材料和刀具材料兩方面。零部件的材料直接影响使用性能，在选用时，首先利用经验依据零部件的使用性能选择一系列材料，然后再根据经济型、美观性等确定最终的材料。例如，蜗轮蜗杆传动效率较低、散热性能较差，失效形式主要为磨损、胶合及点蚀，因此在选择蜗杆蜗轮的材料时，材料副应该具有良好的减磨和跑合性能、抗胶合性能。在实际的生产中，涡轮齿圈的材料一般选用青铜或铸铁，而蜗杆常选用合金钢或碳钢。刀具的材料是根据工件的材料及加工方法来确定的，例如45钢锻件在粗车时，选用YW材质的刀具，而在精车时，选用YT15材质的刀具。

3.2遵循科学地加工工艺

科学地设计工艺路线，不仅可以提高零部件的质量，而且还可以提高零部件的性价比。在制定工艺路线时，一方面，尽可能的提高生产的自动化水平，减少人工的操作，降低人为因素的影响；另一方面，尽可能减少零部件加工工序，尽量一次性加工和处理，提高加工精度和加工效率。最重要的是，根据零部件的具体使用性能，选择适当的最终工序加工方法，改变工件表层的残余应力的性质[2]。例如，在工作中受交变载荷作用的工件，为了提升其抗疲劳强度，应该选择使工件产生残余压应力而避免残余拉应力的最终工序加工方法，而对于相对滑动的两工件，为了提高工件抵抗滑动摩擦的能力，应该选择使工件表面存在拉应力的最终工序工艺。另外，在实际生产中，常采用滚压加工的方法提高工件的承载能力和疲劳强度，采用喷丸强化的方法提高工件的疲劳强度和使用寿命。

3.3设计合理的切削用量

在机械设计与加工过程中，程序员运用模具数控程序设计时，首当其冲应当对各道工序的切削用量进行明确。而在选择切削用量时，应当将可能对切削产生影响的各项因素进行综合考虑，合理地设计和确定切削用量。一般而言，影响切削条件的因素有：机床、工具、以及工件的刚性；切削速度、切削深度、切削进给率；工件精度及表面粗糙度；刀具预期寿命及最大生产率；切削液的种类、冷却方式；工件材料的硬度及热处理状况；工件数量；机床的寿命等等。在众多因素中南，设置切削速度和切削深度是最为重要的两大因素[3]。为了提高工件的加工效率，在满足质量要求的前提下，尽可能地提高刀具的切削速度，并且尽可能使切削深度等于工件的加工余量。另外，还要尽可能的缩短刀具和工件的挤压时间，最大程度的降低工件塑性变形。只有合理的设置，才能确保各环节不出问题，从而更大的提高效率。

3.4科学地选用润滑剂

润滑剂在整个加工过程中起到冷却与润滑的作用[4]。在切削加工过程中，切削液的使用起到了很好的冷却和润滑作用。但是，如果润滑剂选择存在失误或者没有控制好润滑剂的使用量，便会带来一些负面影响。一般而言，在常见的切削、研磨、冲压以及拉拔等加工工艺，在加工区域會产生大量的热能，这对刀具的使用寿命和精度控制都是不利的[5]。根据工件的材料及加工方法，科学地选择润滑剂可以改善工件表层的热变形，提高加工质量和加工效率。例如45#钢工件在切削加工时，不能选择水溶液作为润滑剂，从经济成本角度出发，乳化液较切削油成本低，因此选择乳化液作为润滑剂。

4.总结

在十三五规划期间，制造企业要想快步的迈向中高端，提高核心的市场竞争力，必须能提高自己的加工水平，制造出更高质量更高性价比的产品。除了更加精密的制造设备，制造企业还需要尽量去改善机械设计与机械加工过程存在的问题，优化自己的机械设计与机械加工过程。具体而言，应尽可能地从科学地选择材料、遵循科学地加工工艺、设计合理的切削用量、科学地选用润滑剂等多个方面入手，确保机械设计和机械加工的每一个过程不出现问题，最终保证制造出的产品符合标准规范，满足各行各业对机械类产品的需求。

参考文献

[1]任妙芳.浅析机械加工精度的影响因素及提高措施[J].机械研究与应用，2010（04）.

[2]周纪.机械加工件表面层物理学性能改变的主要成因及处理措施[J].知识经济，2010（19）.

[3]周立.机械设计加工中应注意的问题分析[J].城市建设理论研究，2015（2）.

[4]何战洋，詹士会.关于机械设计加工中常见问题思考[J].科技致富向导，2013，29：145+153.

[5]滕军生.刍议机械设计中的常见问题及改善[J].企业技术开发，2014，15：30+34.

作者简介

赵泓荀，1990年6月生，满族，籍贯辽宁省西丰县，武汉理工大学在读研究生，研究方向：机械结构分析、机械疲劳损伤。