现代化机械设计制造工艺及精密加工技术探讨

2021-04-03张鑫

中国设备工程 2021年4期

张鑫

（江苏联合职业技术学院南京工程分院，江苏南京 211135）

1 现代化机械设计制造工艺分析

1.1 在设计阶段三维CAD技术的应用

三维CAD是对传统二维设计的一次革命。利用三维CAD可以进行三维设计，输出二维工程图。该方法既是设计程序的更新，又是现代CAD的发展方向。三维CAD不仅为产品创新提供了一个技术平台，而且是一种快速有效的响应市场的手段。创新是产品设计的灵魂。它包括从楚格设计到出口工程师绘图的整个阶段的所有技术创新。它还要求设计意味着更新。三维CAD的出现促进了产品的创新设计。产品设计是一个非常复杂的过程，需要综合运用设计表达与绘图、分析仿真、工艺设计与制造等知识。三维CAD为产品设计创造了新的空间。该造型工具，其系统包括适合“自上而下”的设计和“自上而下”的设计。这使得设计特别符合实际工艺。同时，3d CAD提供了灵活的三维空间操作工具，使设计配置直观、简单，就像“砌块”或“捏塑料”一样。这贴近创新设计所需的“发散性思维”。三维实体造型系统具有较为丰富的属性，可以方便地将设计与分析、工艺与制造联系起来。

1.2 对于机械硬脆材料采用激光辅助制造技术

硬脆材料具有优异的力学性能、光学性能和化学性能，在航空航天领域具有广阔的应用前景。然而，采用单点金刚石车削等常规加工方法，加工难度大，成本高。激光辅助加工使用聚焦激光束加热工件的局部区域，并从延展性区域去除软化材料，留下高质量和无裂纹表面。在过去的几十年里，激光辅助加工的研究已经吸引了越来越多的研究人员在学术界和工业界的兴趣。埋弧焊技术也是一种现代机械设计与制造工艺，在施工过程中，具有较高的焊接效率，因此，应用范围也较为广泛。通常用于钢结构机械产品的加工。为了提高埋弧焊工艺的焊接效果，必须根据施工过程中钢结构的特点，合理选择焊丝类型和焊机材料，这些因素将影响最终的焊接质量和焊接效率。在焊接过程中，必须根据施工要求配置焊丝和焊剂，有效地节约了生产成本，提高了焊接效率。

当切削工具在材料上产生的载荷略微超过弹性极限，就会发生断裂而不是塑性变形。加工过程中产生的脆性断裂意味着表面可能出现不规则的裂纹和凹坑，严重影响表面的完整性。加工硬质合金的关键要求是保证材料以延性的方式去除，而不是更具特征的脆性断裂。传统的加工方法包括车削、磨削、铣削和研磨，这些都是为了提高加工表面质量而进行的研究。

单点金刚石车削结合慢速滑动伺服(SSS)和快速滑动伺服(FSS)加工复杂自由曲面是目前公认的最有效的超精密加工方法之一。虽然前角刀具可以增加DBT未变形的临界切屑厚度，这将有利于在延性模式下的加工，但材料的高硬度所需的大切削力导致了灾难性的刀具磨损。磨损的工具也会对表面质量产生不利影响。因此，为了保证均匀的表面质量，金刚石车削只能加工零件的有限孔径。由于砂轮包含大量的不规则金刚石磨粒，研磨已成为一种有前途的方法去除块体材料和获得光学表面的HBMs。为了消除加工过程中产生的表面裂纹，后续工序一般采用研磨和抛光的方法。这是昂贵的，在某些情况下，研磨单独可以占最终产品成本的60%～90%。此外，可行的表面几何形状受到车轮尺寸和潜在干扰问题的限制。此外，磨削HBMs容易导致热损伤的表面层，甚至裂纹的材料由于高温度梯度。

铣削允许加工HBMs没有磨削的缺点，同时，也允许加工更灵活的表面类型。用单刃铣刀进行超精密加工比用多刃铣刀更为重要，因为多刃铣刀不能轻易地保证多个切削刃完全重合，从而影响零件的最终加工。但是，单刃铣刀也存在刀具磨损严重、工件孔径有限、材料去除速度慢等问题。为了提高异型材的切削加工性能和不同表面加工形式的加工效率，开发了各种异型材表面加工方法。一般来说，LAM可分为预热或正在加热，这取决于激光是预热靠近前倾面的材料还是激光分别照射透明工具上的亚表面材料。此外，预热LAM可分为激光辅助切割和激光辅助磨削。加热半连续加工技术是一种新型的加工技术，由于其刀具位置固定、安装方便等特点，目前，仅应用于超精密车削加工和钻削加工。

早期预热LAM易于集成，将激光器固定在保持装置上，并根据预优化的参数调整激光光斑位置。这种LAM总是基于普通车床，与超精密加工相比，具有更大的材料去除规模。脆性材料易断裂，未变形的切屑厚度大。激光聚焦光斑与刀具的距离一般在厘米级范围内。不可避免的能耗和较大的热影响区也会导致加工精度差。近年来，通过预热LAM与超精密车床相结合，巧妙的光学设计和优化激光加热位置，已经有可能获得理想的加工精度。前LAM的一个共同的局限性是它与切削液的使用不相容，因为切削液会与暴露的激光束相互作用，增加激光光斑位置的不确定性。LAM的加工质量目前已经接近纳米级的表面粗糙度和亚微米级的形状误差PV。与常规加工相比，LAM加工具有额外的能量输入，通过优化加工参数可以获得更好的表面完整性。影响LAM加工质量的主要因素包括激光特性、加工参数和材料特性。已加工工件最重要的因素通常是表面粗糙度、残余应力、亚表面损伤、材料去除率和刀具寿命。此外，相纯度和相对结晶度也是晶体材料的关键。表面完整性是机械加工质量最典型的特征，对功能零件的性能有着重要的影响。在常规机械加工过程中，螺纹钢极易发生断裂。超硬材料的使用增加了刀具的灾难性磨损，导致加工质量差。然而，LAM技术可以改善表面粗糙度和抑制地下损伤。刀具寿命是限制常规加工硬质合金广泛使用的最重要因素之一。零件的孔径受刀具磨损的制约。磨损、附着和扩散是硬质合金刀具磨损的主要机制。LAM可以在三个正交方向上降低切削力。较低的切削力可以提高刀具的磨损，延长刀具的使用寿命。但过热的材料可能会导致由于升高的刀具温度带来的灾难性的刀具磨损。例如，当LAM工艺中的玻璃温度超过阈值时，即使切削力在高温下已经下降，刀具磨损也会增加。

2 以数控螺旋锥齿轮磨床加工为例的精密加工技术探讨

弧齿锥齿轮是机械传动领域的关键零件。齿轮的设计和加工理论是非常复杂的。螺旋锥齿轮加工的最后一道工序是在计算机数控机床上进行磨齿，磨齿磨床的体积误差在一定程度上决定了螺旋锥齿轮的加工精度。通过对螺旋锥齿轮齿形误差的检测和补偿，可以提高螺旋锥齿轮磨床的加工精度。这就是我们要做的。对于检测加工误差的方法，检测空间误差有两种方法，即个别误差检测和复合误差检测。前者是用激光测量仪和电子准直仪检测各个误差元件，后者是基于运动模型，用柔性球仪和几何激光器等计算各个误差元件。国际标准化组织建议我们检测数控机床工作体积的身体对角误差，以便快速检测和补偿体积误差，因为它包括轴线平行方向和垂直方向上的所有误差。

具有代表性的是常规体对角线法，为了快速评价机床的容积性能和测量体积误差，ASME B5.54和ISO 230-6标准提出了常规机身对角线的检测方法。数控机床三坐标轴的行程长度可以构成一个长方体，即工作体。由于有四条体对角线，每条体对角线都包含正负方向，因此，需要检测八条体对角线。在检测过程中，三个坐标轴同时运动，三个坐标轴的全部误差都包含在体对角线误差中，因此，很难将其与体对角线误差区分开。与传统的物体对角线法相比，激光矢量测量法的测量和运动方向可以是不同的方向。为了了解机床的加工精度，必须对加工误差进行检测。弧齿锥齿轮的误差包括切向合成误差、齿向合成误差、齿间相交角误差、积分误差、积分齿轮相交角误差、周期误差、积分齿距误差、k齿积分节距误差、邻近节距误差、齿形相对误差、齿厚偏差、齿轮副切向积分误差、齿轮副周期误差、齿轮齿形、齿轮副间隙、法向侧隙、齿轮副间隙变化、齿轮轴间距偏差、齿轮副间角偏差等。

螺旋锥齿轮是机械传动领域的关键零件，在汽车、航空等领域有着广泛的应用。然而，由于齿轮的齿面结构非常复杂，用普通的齿轮测量仪器很难对其进行定量检测。在齿轮测量中心上测量螺旋锥齿轮的误差，是唯一切实可行的方法。原理是：首先，在整个齿面上划分网格，一般沿齿长方向划分五条线，沿齿高方向划分九行。其次，测量网格节点的坐标。然后，用合适的软件对它们进行处理，得到网格节点的法向偏差。最后，得到齿面的几何参数。