工程機(jī)械焊接結(jié)構(gòu)件的高效機(jī)加工工藝研究

夏小君，花 蓉

（國(guó)機(jī)重工集團(tuán)常林有限公司，江蘇 常州 213136）

工程機(jī)械在加工制造的過(guò)程中會(huì)涉及到各種類型的零件,其中最重要的部件是大型結(jié)構(gòu)件,這不僅關(guān)系到工程機(jī)械整體外觀的質(zhì)量,而且還影響到整體機(jī)械性能。于大型結(jié)構(gòu)件體積大,對(duì)機(jī)加工精度要求高,在加工生產(chǎn)中存在難度，機(jī)加工效率顯得尤為重要。本文通過(guò)對(duì)工程機(jī)械焊接結(jié)構(gòu)件進(jìn)行分析并深入研究合理的機(jī)加工工藝,以提升機(jī)加工生產(chǎn)效率。同時(shí)希望能夠給相關(guān)的人員提供理論性支持和實(shí)踐參考。

1 機(jī)加工的基本含義以及意義分析

1.1 機(jī)加工的基本含義

機(jī)加工，即機(jī)械切削加工，顧名思義，就是采用機(jī)械設(shè)備，按照?qǐng)D紙、工藝、標(biāo)準(zhǔn)（俗稱“三按”），將原材料或毛坯進(jìn)行局部的材料切削，從而形成需要的零部件形狀和尺寸。一般有車、銑、鏜、鉆等[1]。

1.2 機(jī)加工工藝的意義

機(jī)加工工藝是實(shí)現(xiàn)加工的過(guò)程策劃結(jié)果，目的是能夠按照加工方法生產(chǎn)出合格的機(jī)械零件，是綜合考慮人、機(jī)、料、環(huán)等因素，以及考慮既有工藝、創(chuàng)新思路等方面而制訂出的生產(chǎn)制造工藝，其意義巨大：

（1）是產(chǎn)品零部件生產(chǎn)的重要支撐，直接影響整個(gè)產(chǎn)品生產(chǎn)能否順利進(jìn)行。

（2）其水平能夠影響下料、拼裝焊接等前道工序的難度。水平低、無(wú)法加工會(huì)提高對(duì)前道工序的要求，增加前道作業(yè)難度。

（3）還能影響產(chǎn)品設(shè)計(jì)。機(jī)加工工藝的進(jìn)步使得先前無(wú)法實(shí)現(xiàn)的產(chǎn)品設(shè)計(jì)得以實(shí)現(xiàn)，也可能加工工藝還無(wú)法把設(shè)計(jì)變成現(xiàn)實(shí)。

（4）科學(xué)合理的機(jī)加工工藝可以有效提高生產(chǎn)效率，提高產(chǎn)品質(zhì)量，進(jìn)而滿足加工要求。制造費(fèi)用往往占總成本的20%～50%，包括了下料、成形、拼裝焊接、機(jī)加工、涂裝等費(fèi)用，其中機(jī)加工費(fèi)用彈性最大，因此加工工藝改進(jìn)對(duì)提升加工效率意義很大。

2 工程機(jī)械焊接結(jié)構(gòu)件分類及常見(jiàn)高效機(jī)加工工藝方法

工程機(jī)械除了挖掘機(jī)、裝載機(jī)這些代表性產(chǎn)品之外，還有平地機(jī)、壓路機(jī)、攤鋪機(jī)、起重機(jī)、鑿巖機(jī)、盾構(gòu)機(jī)、泵車，等設(shè)備。其結(jié)構(gòu)件常可以劃分為：車架（如，整體車架、上車架和下車架、前車架和后車架，等）這樣的軀干結(jié)構(gòu)件、工作裝置（如，大臂、小臂、連桿，等）、支撐件（如，液壓支腿、鏟板支撐，等）、附屬具（如，鏟斗、抓具、破碎錘、松土器，等）、其它輔助、連接安裝件（如，轉(zhuǎn)向座、駕駛室底板架，等）等。這些結(jié)構(gòu)件從數(shù)十厘米到十?dāng)?shù)米尺度，不一而足。

從加工的角度，我們可以將結(jié)構(gòu)件劃分為：平臺(tái)類結(jié)構(gòu)件（如，主車架）、關(guān)節(jié)類結(jié)構(gòu)件（如，轉(zhuǎn)向座、破碎錘）、長(zhǎng)條類結(jié)構(gòu)件（如，挖掘機(jī)大、小臂）等。

平臺(tái)類結(jié)構(gòu)件通常是上下面和側(cè)面需要加工，主要采用龍門加工中心、單面臥式加工中心加工。關(guān)節(jié)類結(jié)構(gòu)件通常有多個(gè)面需要加工，采用單面臥式加工中心加工，盡可能把需加工面放到側(cè)面。長(zhǎng)條類結(jié)構(gòu)件主要采用雙面臥式加工中心和龍門加工中心加工。如果產(chǎn)量夠大，或者產(chǎn)品品種多，也有采用多主軸機(jī)床來(lái)加工各種復(fù)雜的結(jié)構(gòu)件，如立臥復(fù)合機(jī)床、雙面加工中心配回轉(zhuǎn)平臺(tái)的機(jī)床等。

3 機(jī)加工的現(xiàn)狀分析

3.1 加工設(shè)備

加工設(shè)備對(duì)加工水平起著重要的作用。與日、美、歐等發(fā)達(dá)國(guó)家相比，長(zhǎng)期以來(lái)，中國(guó)在機(jī)床制造技術(shù)上存在巨大差距，導(dǎo)致中國(guó)的機(jī)械加工效率低，生產(chǎn)質(zhì)量相對(duì)較差。

但近幾年，中國(guó)有兩股力量在蓬勃發(fā)展，民營(yíng)企業(yè)和中央企業(yè)不斷取得技術(shù)突破和企業(yè)運(yùn)營(yíng)模式突破，越來(lái)越多人開(kāi)始堅(jiān)定認(rèn)為機(jī)床工業(yè)會(huì)是下一階段中國(guó)取得巨大成功的領(lǐng)域。目前，除了通用機(jī)床外，國(guó)產(chǎn)中小型的龍門加工中心、臥式加工中心也已經(jīng)完全可以滿足工程機(jī)械結(jié)構(gòu)件加工需求。鑒于國(guó)內(nèi)產(chǎn)能不足和一些特殊零部件加工需求，不少?gòu)S家還是選擇了一些日韓和臺(tái)灣機(jī)床，少數(shù)選擇了歐美品牌[2]。

加工設(shè)備不成為制約工程機(jī)械結(jié)構(gòu)件機(jī)加工的瓶頸。

3.2 刀具

和加工設(shè)備類似，國(guó)產(chǎn)主流刀具蓬勃發(fā)展的同時(shí)，新的刀具公司層出不窮，刀具創(chuàng)新不斷涌現(xiàn)，從淘寶網(wǎng)上搜索可以發(fā)現(xiàn)新型刀具、高效刀具（如：U鉆、高速鉸刀、高速銑刀、一體式刀具，等等）令人目不暇接。

刀具不成為制約工程機(jī)械結(jié)構(gòu)件加工的瓶頸。

3.3 智能化、自動(dòng)化技術(shù)與管理

目前，“燈塔工廠”、“黑燈工廠”、無(wú)人工廠等高度智能化工廠已經(jīng)和正在不斷涌現(xiàn)。在2020年底，筆者調(diào)研了十多家結(jié)構(gòu)件配套工廠，介紹了行業(yè)頭部企業(yè)的做法后，半數(shù)以上表示已經(jīng)在調(diào)研實(shí)施自動(dòng)化、智能化，對(duì)板材自動(dòng)上料、切割、分揀特別感興趣，而焊接已經(jīng)實(shí)施了30%左右的機(jī)器人作業(yè)，正考慮實(shí)現(xiàn)自動(dòng)上下工件。遺憾的是加工難以實(shí)現(xiàn)無(wú)人化。

曾經(jīng)自動(dòng)化領(lǐng)先的加工在智能化方面在國(guó)內(nèi)是滯緩了。在一些制造業(yè)發(fā)達(dá)的國(guó)家，機(jī)械加工是通過(guò)計(jì)算機(jī)進(jìn)行遠(yuǎn)程管理和控制，甚至智能化、柔性化[3]。

3.4 核心技術(shù)與開(kāi)發(fā)

我國(guó)自加入WTO以來(lái)，雖然大量引進(jìn)外資，大量引進(jìn)先進(jìn)設(shè)備，但核心技術(shù)是一道障礙，始終難以把握。據(jù)有關(guān)數(shù)據(jù)顯示，中國(guó)對(duì)國(guó)外技術(shù)的依賴程度高達(dá)50%。在這一比例上，發(fā)達(dá)國(guó)家只有不到30%?，F(xiàn)在世界格局劇烈變化，核心技術(shù)缺乏與全球制造業(yè)大國(guó)不相配?？上驳氖?，刀具材料、機(jī)床設(shè)備、控制系統(tǒng)、檢測(cè)技術(shù)、精細(xì)加工、模擬編程、數(shù)字孿生技術(shù)都出現(xiàn)了不少知名企業(yè)和苗頭，如：郴州刀具、樹(shù)根互聯(lián)、中捷機(jī)床，等。

4 機(jī)加工工藝分析與優(yōu)化

4.1 機(jī)加工的階段劃分

其主要分為粗加工階段、半精加工階段、精加工階段。半精加工可以保證有足夠的時(shí)間消除粗加工產(chǎn)生的熱變形和殘余應(yīng)力，從而提高后續(xù)加工精度。工程機(jī)械結(jié)構(gòu)件大部分的加工都是在一臺(tái)機(jī)床上完成孔加工的三個(gè)階段，而面加工可以在粗加工機(jī)床上快速完成，僅僅根據(jù)需要留很小的余量到精密機(jī)床上進(jìn)行精加工。還有一個(gè)或有階段，因?yàn)閷?duì)工程機(jī)械的需求升級(jí)而增加，就是光整加工。這個(gè)階段不是用來(lái)糾正形位尺寸，而是對(duì)加工孔面的粗糙度進(jìn)一步提升，同時(shí)提升表面壓應(yīng)力和表面硬度。粗糙度可以達(dá)到0.2μm。當(dāng)然，這已經(jīng)不是傳統(tǒng)意義上金屬切削加工。

4.2 加工工藝優(yōu)化

為了使加工更好地緩解產(chǎn)品成本的壓力，創(chuàng)造產(chǎn)品競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)，加工需要更加高效，加工工藝的優(yōu)化已經(jīng)成為不二選擇。注重引進(jìn)、投入先進(jìn)的機(jī)床設(shè)備、刀具、軟件、管理系統(tǒng)，杜絕落后的加工工藝和管理方式，實(shí)現(xiàn)整個(gè)流程的優(yōu)化是優(yōu)化工藝的最有效途徑。但我們也看到，現(xiàn)有技術(shù)的優(yōu)化組合也能創(chuàng)造出意想不到的效果。關(guān)于加工工序的安排，我們常采用的方法是：同一把刀加工完零部件上所有能加工的部位再換刀加工其它部位；先加工定位面再加工孔；先內(nèi)后外；先把相互可能應(yīng)力釋放變形的部位粗加工做完再精加工。當(dāng)然，這其中是因?yàn)橐粋€(gè)原則問(wèn)題：先加工的作業(yè)不能對(duì)后加工產(chǎn)生負(fù)面影響。我們本著以上原則，把加工工序進(jìn)行拆分組合，可以分成不同機(jī)床來(lái)加工，效果迥然不同。

在某企業(yè)制訂挖掘機(jī)上車架加工工藝的時(shí)候，經(jīng)歷了如下過(guò)程：龍門加工中心做所有工序，6小時(shí)；單面臥式加工中心做所有工序，5小時(shí)；龍門加工中心做底面的法蘭面和鉆孔、攻絲+雙面臥式加工中心做兩側(cè)面4組孔和刮面，盡管需要兩次裝夾，加工時(shí)間還是減少到4小時(shí)；把刮面拿到專機(jī)上加工，時(shí)間進(jìn)一步縮小到3.5小時(shí)；而在把鉆頭改成硬質(zhì)合金鉆頭后，加工時(shí)間僅不到3小時(shí)，效率翻倍。這個(gè)例子里，采取了工序組合、機(jī)床組合、先進(jìn)刀具選用等辦法。

就加工工藝優(yōu)化，我們不得不說(shuō)加工編程軟件的應(yīng)用是個(gè)很好的選擇，在軟件界面，我們可以清晰地看到加工過(guò)程和工時(shí)預(yù)算。以高速加工替代大切屑量加工是否合適在工藝確定前就可以看出來(lái)。我們也不得不說(shuō)精益生產(chǎn)的幾個(gè)工具應(yīng)用，如，動(dòng)作研究、均衡化等一定可以產(chǎn)生更高效的加工安排。

4.3 設(shè)計(jì)的優(yōu)化

設(shè)計(jì)決定了90%的成本，這說(shuō)法一點(diǎn)也不為過(guò)。某個(gè)企業(yè)生產(chǎn)輪式挖掘機(jī)，下車架上會(huì)安裝前固定橋、后擺動(dòng)橋、傳動(dòng)軸、聯(lián)接上車的回轉(zhuǎn)支撐，設(shè)計(jì)變化如下：整體式大梁結(jié)構(gòu)，因?yàn)楹髷[動(dòng)橋銷軸孔間距太大，需要在龍門加工中心機(jī)床上安裝鏜排支座，影響機(jī)床換模加工其它產(chǎn)品，10小時(shí)；將后擺動(dòng)橋部位做成一個(gè)小組件，先加工后焊接到整個(gè)車架上，很多機(jī)床都可以加工，8小時(shí)；將中部聯(lián)接上車架的框架也做成小組件，也可以先加工，6小時(shí)；將大梁再分出腰部，小臥加都可以做，5小時(shí)。

當(dāng)加工可以選擇更小的機(jī)床的時(shí)候，往往不僅僅加工時(shí)間變短了，加工小時(shí)單價(jià)也變低了。某個(gè)企業(yè)設(shè)計(jì)車架鉸接方式時(shí)的經(jīng)歷說(shuō)明了另外的要點(diǎn)：鉸接板上采用上下各12個(gè)8mm的螺孔，非通孔，平面要刮面，2小時(shí)；減小板厚，加加固圈，便于刮面，1小時(shí)55分；改螺紋孔為上下8個(gè)10mm螺紋孔，1小時(shí)30分；改螺紋孔為12mm光孔1小時(shí)；增大孔材料厚度，不需要先鉆光孔后再精加工鉸接孔，55分。省工序，防止應(yīng)力釋放，降低加工難度，設(shè)計(jì)可以考慮更多。

4.4 產(chǎn)品整體工藝流程的優(yōu)化

在進(jìn)行加工工藝優(yōu)化時(shí)，需要檢視整個(gè)工藝流程。整體考慮減少加工余量、各工序統(tǒng)一定位基準(zhǔn)等，都能夠節(jié)約加工時(shí)間（含裝夾時(shí)間）。隨著板材下料精度的提高，毛坯外形和孔的加工余量都可以縮小，目前孔的余量已經(jīng)可以從9mm調(diào)整到6mm，部分激光切割甚至可以直接割出粗加工孔和螺紋孔底孔。為更好的加工而做一些其它工藝安排，在很多時(shí)候是值得的，比如：去應(yīng)力退火、校正，等。當(dāng)然，整個(gè)流程最優(yōu)比機(jī)加工最優(yōu)更有意義，我們要避免進(jìn)入唯機(jī)加工最優(yōu)的誤區(qū)（很多人認(rèn)為機(jī)加工小時(shí)費(fèi)用更高，需要優(yōu)先考慮）。

5 機(jī)加工工藝今后研究方向分析

5.1 加工工藝智能化實(shí)現(xiàn)

智能化是機(jī)械加工行業(yè)的發(fā)展趨勢(shì)。在經(jīng)濟(jì)全球化的背景下，機(jī)械加工業(yè)不僅要面對(duì)國(guó)內(nèi)競(jìng)爭(zhēng)的壓力，還要參與國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)。這需要借助現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)，加強(qiáng)改革創(chuàng)新，實(shí)現(xiàn)智能化加工，減少人工成本影響，有效提高競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)。

5.2 云加工技術(shù)的開(kāi)發(fā)應(yīng)用

多家工廠建立起云平臺(tái)，加工需求在系統(tǒng)處理后，系統(tǒng)會(huì)將工件分配到最適合的工廠，最適合的機(jī)床，進(jìn)行加工，實(shí)現(xiàn)最低成本生產(chǎn)。

5.3 激光加工部分替代傳統(tǒng)機(jī)加工

近年來(lái)，國(guó)內(nèi)激光技術(shù)取得了長(zhǎng)足的進(jìn)步，在多個(gè)領(lǐng)域取得了優(yōu)異的成績(jī)，不斷為我國(guó)目前的加工行業(yè)注入新的動(dòng)力。近十年來(lái)，激光技術(shù)在輸出功率、光束質(zhì)量、亮度、加工精度等方面取得了很大的成就。這些性能上的變化導(dǎo)致了許多領(lǐng)域中處理方法和工藝要求的變化。在機(jī)加工方面，在板材零件上由激光替代鉆孔已經(jīng)大行其道。今后可能下料零件上不鉆孔，而是機(jī)器人操作激光槍在部件上直接增加孔。激光替代銑面也正在走近，大功率飛秒激光的工業(yè)化將帶來(lái)產(chǎn)品快速“雕刻”。

5.4 基礎(chǔ)科學(xué)、技術(shù)的研究。

高效的機(jī)床需求設(shè)想的實(shí)現(xiàn)、高速高效刀具的開(kāi)發(fā)，以及機(jī)加工工藝組合智能規(guī)劃依然是今后企業(yè)和科研院所需要研究關(guān)注的方向，促進(jìn)技術(shù)迭代需要一起努力。

6 結(jié)論

綜上所述，機(jī)加工工藝對(duì)工程機(jī)械結(jié)構(gòu)件生產(chǎn)很重要，決定了機(jī)床價(jià)值的實(shí)現(xiàn)，決定了產(chǎn)品能否低成本加工出來(lái)，甚至決定了市場(chǎng)勝負(fù)。在機(jī)加工工藝優(yōu)化過(guò)程中，選擇最佳的加工工藝路線、配置合適的機(jī)床和刀具、采取最佳工序組合，可以達(dá)到高效機(jī)加工的目的。本次論述到此結(jié)束，希望能夠給相關(guān)人員提供一定的幫助。