工程机械焊接结构件的高效机加工工艺研究

2021-11-28夏小君

中国金属通报 2021年5期

夏小君，花蓉

（国机重工集团常林有限公司，江苏常州 213136）

工程机械在加工制造的过程中会涉及到各种类型的零件,其中最重要的部件是大型结构件,这不仅关系到工程机械整体外观的质量,而且还影响到整体机械性能。于大型结构件体积大,对机加工精度要求高,在加工生产中存在难度，机加工效率显得尤为重要。本文通过对工程机械焊接结构件进行分析并深入研究合理的机加工工艺,以提升机加工生产效率。同时希望能够给相关的人员提供理论性支持和实践参考。

1 机加工的基本含义以及意义分析

1.1 机加工的基本含义

机加工，即机械切削加工，顾名思义，就是采用机械设备，按照图纸、工艺、标准（俗称“三按”），将原材料或毛坯进行局部的材料切削，从而形成需要的零部件形状和尺寸。一般有车、铣、镗、钻等[1]。

1.2 机加工工艺的意义

机加工工艺是实现加工的过程策划结果，目的是能够按照加工方法生产出合格的机械零件，是综合考虑人、机、料、环等因素，以及考虑既有工艺、创新思路等方面而制订出的生产制造工艺，其意义巨大：

（1）是产品零部件生产的重要支撑，直接影响整个产品生产能否顺利进行。

（2）其水平能够影响下料、拼装焊接等前道工序的难度。水平低、无法加工会提高对前道工序的要求，增加前道作业难度。

（3）还能影响产品设计。机加工工艺的进步使得先前无法实现的产品设计得以实现，也可能加工工艺还无法把设计变成现实。

（4）科学合理的机加工工艺可以有效提高生产效率，提高产品质量，进而满足加工要求。制造费用往往占总成本的20%～50%，包括了下料、成形、拼装焊接、机加工、涂装等费用，其中机加工费用弹性最大，因此加工工艺改进对提升加工效率意义很大。

2 工程机械焊接结构件分类及常见高效机加工工艺方法

工程机械除了挖掘机、装载机这些代表性产品之外，还有平地机、压路机、摊铺机、起重机、凿岩机、盾构机、泵车，等设备。其结构件常可以划分为：车架（如，整体车架、上车架和下车架、前车架和后车架，等）这样的躯干结构件、工作装置（如，大臂、小臂、连杆，等）、支撑件（如，液压支腿、铲板支撑，等）、附属具（如，铲斗、抓具、破碎锤、松土器，等）、其它辅助、连接安装件（如，转向座、驾驶室底板架，等）等。这些结构件从数十厘米到十数米尺度，不一而足。

从加工的角度，我们可以将结构件划分为：平台类结构件（如，主车架）、关节类结构件（如，转向座、破碎锤）、长条类结构件（如，挖掘机大、小臂）等。

平台类结构件通常是上下面和侧面需要加工，主要采用龙门加工中心、单面卧式加工中心加工。关节类结构件通常有多个面需要加工，采用单面卧式加工中心加工，尽可能把需加工面放到侧面。长条类结构件主要采用双面卧式加工中心和龙门加工中心加工。如果产量够大，或者产品品种多，也有采用多主轴机床来加工各种复杂的结构件，如立卧复合机床、双面加工中心配回转平台的机床等。

3 机加工的现状分析

3.1 加工设备

加工设备对加工水平起着重要的作用。与日、美、欧等发达国家相比，长期以来，中国在机床制造技术上存在巨大差距，导致中国的机械加工效率低，生产质量相对较差。

但近几年，中国有两股力量在蓬勃发展，民营企业和中央企业不断取得技术突破和企业运营模式突破，越来越多人开始坚定认为机床工业会是下一阶段中国取得巨大成功的领域。目前，除了通用机床外，国产中小型的龙门加工中心、卧式加工中心也已经完全可以满足工程机械结构件加工需求。鉴于国内产能不足和一些特殊零部件加工需求，不少厂家还是选择了一些日韩和台湾机床，少数选择了欧美品牌[2]。

加工设备不成为制约工程机械结构件机加工的瓶颈。

3.2 刀具

和加工设备类似，国产主流刀具蓬勃发展的同时，新的刀具公司层出不穷，刀具创新不断涌现，从淘宝网上搜索可以发现新型刀具、高效刀具（如：U钻、高速铰刀、高速铣刀、一体式刀具，等等）令人目不暇接。

刀具不成为制约工程机械结构件加工的瓶颈。

3.3 智能化、自动化技术与管理

目前，“灯塔工厂”、“黑灯工厂”、无人工厂等高度智能化工厂已经和正在不断涌现。在2020年底，笔者调研了十多家结构件配套工厂，介绍了行业头部企业的做法后，半数以上表示已经在调研实施自动化、智能化，对板材自动上料、切割、分拣特别感兴趣，而焊接已经实施了30%左右的机器人作业，正考虑实现自动上下工件。遗憾的是加工难以实现无人化。

曾经自动化领先的加工在智能化方面在国内是滞缓了。在一些制造业发达的国家，机械加工是通过计算机进行远程管理和控制，甚至智能化、柔性化[3]。

3.4 核心技术与开发

我国自加入WTO以来，虽然大量引进外资，大量引进先进设备，但核心技术是一道障碍，始终难以把握。据有关数据显示，中国对国外技术的依赖程度高达50%。在这一比例上，发达国家只有不到30%。现在世界格局剧烈变化，核心技术缺乏与全球制造业大国不相配。可喜的是，刀具材料、机床设备、控制系统、检测技术、精细加工、模拟编程、数字孪生技术都出现了不少知名企业和苗头，如：郴州刀具、树根互联、中捷机床，等。

4 机加工工艺分析与优化

4.1 机加工的阶段划分

其主要分为粗加工阶段、半精加工阶段、精加工阶段。半精加工可以保证有足够的时间消除粗加工产生的热变形和残余应力，从而提高后续加工精度。工程机械结构件大部分的加工都是在一台机床上完成孔加工的三个阶段，而面加工可以在粗加工机床上快速完成，仅仅根据需要留很小的余量到精密机床上进行精加工。还有一个或有阶段，因为对工程机械的需求升级而增加，就是光整加工。这个阶段不是用来纠正形位尺寸，而是对加工孔面的粗糙度进一步提升，同时提升表面压应力和表面硬度。粗糙度可以达到0.2μm。当然，这已经不是传统意义上金属切削加工。

4.2 加工工艺优化

为了使加工更好地缓解产品成本的压力，创造产品竞争优势，加工需要更加高效，加工工艺的优化已经成为不二选择。注重引进、投入先进的机床设备、刀具、软件、管理系统，杜绝落后的加工工艺和管理方式，实现整个流程的优化是优化工艺的最有效途径。但我们也看到，现有技术的优化组合也能创造出意想不到的效果。关于加工工序的安排，我们常采用的方法是：同一把刀加工完零部件上所有能加工的部位再换刀加工其它部位；先加工定位面再加工孔；先内后外；先把相互可能应力释放变形的部位粗加工做完再精加工。当然，这其中是因为一个原则问题：先加工的作业不能对后加工产生负面影响。我们本着以上原则，把加工工序进行拆分组合，可以分成不同机床来加工，效果迥然不同。

在某企业制订挖掘机上车架加工工艺的时候，经历了如下过程：龙门加工中心做所有工序，6小时；单面卧式加工中心做所有工序，5小时；龙门加工中心做底面的法兰面和钻孔、攻丝+双面卧式加工中心做两侧面4组孔和刮面，尽管需要两次装夹，加工时间还是减少到4小时；把刮面拿到专机上加工，时间进一步缩小到3.5小时；而在把钻头改成硬质合金钻头后，加工时间仅不到3小时，效率翻倍。这个例子里，采取了工序组合、机床组合、先进刀具选用等办法。

就加工工艺优化，我们不得不说加工编程软件的应用是个很好的选择，在软件界面，我们可以清晰地看到加工过程和工时预算。以高速加工替代大切屑量加工是否合适在工艺确定前就可以看出来。我们也不得不说精益生产的几个工具应用，如，动作研究、均衡化等一定可以产生更高效的加工安排。

4.3 设计的优化

设计决定了90%的成本，这说法一点也不为过。某个企业生产轮式挖掘机，下车架上会安装前固定桥、后摆动桥、传动轴、联接上车的回转支撑，设计变化如下：整体式大梁结构，因为后摆动桥销轴孔间距太大，需要在龙门加工中心机床上安装镗排支座，影响机床换模加工其它产品，10小时；将后摆动桥部位做成一个小组件，先加工后焊接到整个车架上，很多机床都可以加工，8小时；将中部联接上车架的框架也做成小组件，也可以先加工，6小时；将大梁再分出腰部，小卧加都可以做，5小时。

当加工可以选择更小的机床的时候，往往不仅仅加工时间变短了，加工小时单价也变低了。某个企业设计车架铰接方式时的经历说明了另外的要点：铰接板上采用上下各12个8mm的螺孔，非通孔，平面要刮面，2小时；减小板厚，加加固圈，便于刮面，1小时55分；改螺纹孔为上下8个10mm螺纹孔，1小时30分；改螺纹孔为12mm光孔1小时；增大孔材料厚度，不需要先钻光孔后再精加工铰接孔，55分。省工序，防止应力释放，降低加工难度，设计可以考虑更多。

4.4 产品整体工艺流程的优化

在进行加工工艺优化时，需要检视整个工艺流程。整体考虑减少加工余量、各工序统一定位基准等，都能够节约加工时间（含装夹时间）。随着板材下料精度的提高，毛坯外形和孔的加工余量都可以缩小，目前孔的余量已经可以从9mm调整到6mm，部分激光切割甚至可以直接割出粗加工孔和螺纹孔底孔。为更好的加工而做一些其它工艺安排，在很多时候是值得的，比如：去应力退火、校正，等。当然，整个流程最优比机加工最优更有意义，我们要避免进入唯机加工最优的误区（很多人认为机加工小时费用更高，需要优先考虑）。

5 机加工工艺今后研究方向分析

5.1 加工工艺智能化实现

智能化是机械加工行业的发展趋势。在经济全球化的背景下，机械加工业不仅要面对国内竞争的压力，还要参与国际竞争。这需要借助现代科学技术，加强改革创新，实现智能化加工，减少人工成本影响，有效提高竞争优势。

5.2 云加工技术的开发应用

多家工厂建立起云平台，加工需求在系统处理后，系统会将工件分配到最适合的工厂，最适合的机床，进行加工，实现最低成本生产。

5.3 激光加工部分替代传统机加工

近年来，国内激光技术取得了长足的进步，在多个领域取得了优异的成绩，不断为我国目前的加工行业注入新的动力。近十年来，激光技术在输出功率、光束质量、亮度、加工精度等方面取得了很大的成就。这些性能上的变化导致了许多领域中处理方法和工艺要求的变化。在机加工方面，在板材零件上由激光替代钻孔已经大行其道。今后可能下料零件上不钻孔，而是机器人操作激光枪在部件上直接增加孔。激光替代铣面也正在走近，大功率飞秒激光的工业化将带来产品快速“雕刻”。