走心机的加工特点及过程能力验证

徐海斌

（常州大学怀德学院，靖江 214500）

制造业是国民经济的主体，是立国之本、兴国之器、强国之基。机床是机械制造工业中最基本的设备，在国民经济现代化发展过程中起着重要作用[1]。随着我国经济与科技的高速发展，现代企业对生产成本和产品质量的要求越来越高，提出了去人力化、高效率、高精度等一系列生产指标，而常规的机械加工技术已经逐渐不能满足现代企业的生产要求。在此背景下，各种先进数控加工机床不断涌现，在企业的生产过程中发挥了重要作用。不仅提高了机械加工的生产效率，提升了自动化生产水平，还提高了产品性能。本文以走心机为例，简要阐述走心机的加工特点，并利用走心机加工一种壳体零件，通过测量零件重要尺寸，利用Minitab 分析计算确认走心机的加工过程能力，验证了其高精度、一致性好的加工特点。

1 走心机的加工特点

走心机全称为走心式数控车床，也可称为主轴箱移动型数控自动车床、经济型车铣复合机床或者纵切车床[2]。它通过主轴孔夹持毛坯棒料，并与主轴做高速回转运动，使得主轴沿棒料轴向移动完成轴向切削，而刀具沿棒料径向移动完成径向切削。对比常规数控机床，走心机有着其独特的优越性。以津上S205A高精度走心机为例，如图1 所示，其最大加工长度可达250 mm，最大加工直径可达30 mm，加工精度在0.03 mm 公差以内，生产效率高，可同时一次性完成车、铣、钻、镗等复合加工，广泛应用于航空航天、医疗器械、5G 通信、精密五金以及异型轴类等加工领域。

1.1 加工方式改进和加工精度提高

常规的数控车床以走刀加工方式为主，主轴夹持棒料并进行高速回转运动，刀具随加工形式不同进行切换，并沿棒料轴向和径向同时移动完成零件的加工切削。但是，对于细长轴类零件，这种夹持方式类似于悬臂梁结构。当棒料刚性不足时，加工过程中受切削力作用容易产生变形，导致加工尺寸和表面质量不能满足精度要求。而走心机加工过程中，棒料在主轴夹持下通过中心导套进行轴向进给，导套提供支撑力，增加受力支点，刀具切削点位于导套端口附件，棒料刚性较好，避免了在切削力作用下产生的变形，大大提高了零件加工精度。另外，常规数控车床进行加工方式切换时，可能需要进行多次装夹和刀具更换，而走心机可在一次装夹中完成多种加工方式，避免了装夹次数过多带来的由于定位基准的不同而造成的误差积累。同时，走心机与大多数数控车床一样，具有在线自动检测功能，可实时检测加工过程中的关键数据，确保产品的加工精度。

1.2 生产效率高，去人力化效果显著

质量是企业赖以生存的根本，效率是企业长久发展的保障。如何在确保产品质量的前提下提高生产效率和降低生产成本，已成为制造型企业急待解决的问题。常规的数控车床加工时需要将棒料预加工成有足够加工余量的段状毛坯，然后配备一名工人进行上料和下料操作，工序多，人力成本较高。走心机的加工毛坯一般为长轴棒料，无须进行预加工，在一次上料完成后可通过送料机构长时间（可达12 h）进行自动运行和自动下料。因此，一名工人可同时进行多台走心机的控制，减少人员投入。可见，相比常规数控车床，走心机不仅自动化程度高，提高了生产效率，还大大降低了人力成本。

1.3 走心机的不足

相比常规数控车床，走心机虽然有优势，但也有不足，主要体现在以下3 个方面。一是对毛坯棒料表面质量要求较高。毛坯一般为2.5 m 左右的磨光棒料，且表面粗糙度、直径公差、圆度、锥度以及直线度等参数比普通棒料要求高，材料成本上升。二是存在尾料问题。由于主轴与中心导套端口存在距离，主轴沿轴向进给到极限位置后，无法将棒料推送至加工位置进行加工，造成尾料残留。对于较长的尾料，可以通过常规车床再次进行加工利用，避免材料浪费。三是加工范围受限。走心机无法像常规车床一样进行大直径的单件生产，一般只适合加工直径不超过30 mm的零件[3]，且以有色金属等硬度不高的材料为主，造成走心机的加工范围受限。

2 走心机加工过程能力验证

2.1 零件分析

为了验证走心机加工精度高、尺寸散布小、一致性好的特点，利用走心机加工一种壳体零件，如图2所示。零件属于壳体类异型非标件，结构复杂，加工内容包括车外圆、镗内孔、铣平面、钻孔以及凹槽加工等多种方式。常规数控车床加工时需要多次装夹完成所有加工，造成加工误差增大，加工效率降低。走心机只需通过一次装夹即可完成所有加工，通过合理设置加工程序，完成该零件加工时间只需90 s 左右。不仅加工误差小，而且显著提高了加工效率。

通过与用户沟通，用户表示零件中心孔为重要装配尺寸，如图3 中φ8 mm 尺寸所示。该尺寸需要配合其他零件进行装配，配合间隙要求较高，尺寸公差仅为0.05 mm，如有必要，需进行出库全检。但是，出库全检需要耗费大量人力和时间。借助统计学质量分析相关知识，通过计算该批次零件生产过程中走心机的加工过程能力，能够确保零件的中心孔尺寸均在合格范围之内，避免了出库全检造成的人力和时间浪费[4]。

2.2 加工过程能力分析

本次案例使用的质量分析软件为Minitab。作为一种功能强大的质量分析软件，Minitab 已逐渐被广泛应用于国内外各大高校和企业生产过程中的质量管控，是现代质量管理统计的领先者。Minitab 中的过程能力分析工具是企业了解其生产能力的一种手段，也是确保产品质量一致性的有效保障[5]。

本批为打样批次，共生产800 个零件，以40 min为一个抽检周期，定期从生产的零件中抽取1 个零件，抽样数量共计30 个，并对中心孔尺寸进行测量，将测量出的尺寸数据导入Minitab 进行分析，得出加工过程能力分析图，如图4 所示。从图4 可知：一方面，该批零件加工过程中加工整体能力和潜在（组内）能力的基准Z值分别为5.68 和5.99，超过了基准Z值4.5的企业标准，说明该批零件的加工尺寸散布较小，一致性较好；另一方面，从性能参数可知，该批零件的预期整体不良率仅为0.000 001%，即1 亿个零件中才会出现1 个不良品，不良率极低，可以认定本批次零件中心孔加工尺寸全部符合要求，同时说明走心机加工精度高，能够满足较小公差尺寸的加工要求[6-7]。

3 结语

随着新时期智能制造的发展，我国制造业对机械加工数控机床的要求越来越高。走心机凭借着其高精度、高生产效率、高自动化水平等加工优势，得到了越来越多企业的认可，促进了我国加工制造业的发展。但是，目前我国市场上的中高端走心机均以国外品牌为主，生产技术与世界先进水平还存在一定的差距。因此，国家需要不断加大科研投入，提高生产技术水平，以缩短与发达国家之间的技术差距，促使我国制造的走心机获得更好更快发展。