浅谈机械制造质量的影响因素与控制策略

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  (中广核核电运营有限公司 广东 深圳 518124)
  摘 要:随着现代科学技术的不断进步,生产加工技术水平也逐渐提高,现代工程项目等的制作对机械零件加工质量的要求也就越来越高。而机械加工表面质量是影响零件加工质量的重要因子,会对零件的使用性能产生直接影响。然而由于现在科学技术的限制,我们还并不能保证零件加工的百分百精确,因此在现有技术水平下如何更好地提高机械加工表面质量是一个值得思考的问题。不仅要在加工工艺上控制精度和密度的误差范围,也要对表面的质量引起重视。从而从整体水平上提高机械加工表面质量,改善机器工作性能。
  关键词:机械制造质量;影响因素;控制策略
  一、机械制造过程中注重质量控制的重要性
  所谓的机械加工表面质量就是指在相关机械零件加工完成后,由于各种因素的影响,而使得零件的表面出现严重的质量问题,这样的质量问题也被称作是粗糙度,在目前的机械加工中是最常见的一种现象。而机械加工表面质量的出现是受到了多种因素的影响,因此,要想使得机械加工表面质量得到有效的解决,就需要采取有效的应对措施,实现机械加工的可持续发展。机械产品的质量不仅对企业的生存与发展,经济效益的提高有着重要的影响,而且对国家经济的可持续发展,尤其对制造技术的发展也有一定的影响。所以,在机械制造过程中注重对质量问题进行控制对整个生产、流通环节至关重要。
  二、机械制造质量的影响因素
  1.外部因素
  “事物的发展受到内、外因的双重影响。”因此,在影响机械制造质量因素上,除了影响制造的工艺、技术等某些内部因素之外,其整个生产过程还经常受到某些外部因素的影响。在传统的机械制造过程中,由于机械加工制造所采用的机械由于切削力度、重力等因素的作用下,经常会在生产过程中出现加工载体发生形变的情形,物质载体的变化也会对整个加工过程的实施精度以及产品的精度产生副作用,从而影响到了产品自身的质量。除此之外,机械制造质量还会受到周围环境的影响,其中温度就是一个关键因素。无论是何种制造材料只有在其不能承受的温度之外都会或多或少地发生变化。“量变达到一定标准就能发生质变。”当机械材料受到过高或者过低的温度影响时,反映在产品上就是其形状会发生一定的变化,这也在一定程度上严重影响了机械制造产品的精度,进而影响产品的质量。
  2.零件加工的原材料
  机械加工中原材料是非常重要的基础性部分,在进行机械加工时,不管拥有何种技术手段和技术条件,若加工材料欠佳那么机械加工表面质量也势必会受到影响。为此,机械加工企业要重视长远发展就必须对原材料有更深的认识,并尽可能选择良好的原材料。
  3.零件加工的技术
  零件加工本身就需要采用强大的技术作为支撑,除去原材料可使机械加工表面受到影响,加工技术也是影响机械加工表面的重要因素之一。优秀的技术条件和技术支持,在很大程度上可使机械加工原材料上的小缺点受到影响;但若技术非常落后,那么即使拥有再好的原材料也是无法使机械零件质量得到保证的。为此,提高切削和打磨等加工技术均是提升机械加工表面质量的重要方法。
  (1)加工精度。众所周知,机械制造的产品不是一個单一的部件,而是由各个生产环节的零件构成的。在机械制造过程中,不仅制造技术本身对制造质量有一定的影响,参与制造环节的每一个机械的零件质量也能够对整个机械制造出来的产品质量有着重要的影响。一般情况下,机械零件的加工精度在一定程度上可以准确地反映出该机械制造的质量。换句话说,如果机械零件的加工精度愈加精密,其机械制造的产品质量也会随之提高,但是产品的技工精度的提高意味着机械制造的投入会增加,随着加工成本的不断提高,在总投资不变的前提下,机械产品的生产效率反之会下降。因此,为了实现生产成本降低,加工效率不断提高这一目的,在开展机械制造活动的时候,需要提高参与制造过程的零部件加工精度,从部件质量出发来提高整体质量。
  (2)加工误差。无论生产技术有多高,无论机械制造过程再精密,其加工过程也会出现各种各样的误差。“差之毫厘,失之千里。”机械产品的加工制造不是一个单线的生产过程,而是一个包含机床、夹具、工件等多个环节的系统过程,每一环节缺一不可,每一环节的制造情况都对整个制造过程有着关键性影响。而且每一个环节的制造存在种种可控与不可控的误差,所以在机械制造的整个过程中要从部分入手,尽量减轻每一环节的误差,以此为更好的制造做出准备。除此之外,“金无足赤,人无完人。”推及到机械制造也是如此,机械制造生产工艺系统本身就是一项存在一定误差的项目,这种误差可以说是与生俱来不可避免的。为了减少误差给整个制造带来影响,需要减轻原始误差的影响,规避可控误差,以此实现制造质量的提高。
  4.零件表层的冷作硬化
  在机械零件加工时,“切削力作用产生的塑性变形”是左右零件表面质量的因素之一,其可导致零件表面出现扭曲变形,“晶粒之间所形成的剪切滑动,晶粒因此出现纤维化和被拉长的变化,严重情况下甚至出现破碎”,这些因素都可能对机械零件表层的硬度造成影响,也就是我们所说的“冷作硬化”。这种反应的存在也在一定程度上,可致使金属的变形阻力发生变化,相应的物理性质也会因此发生变化。冷作硬化下金属所产生的机械零件在很大程度上会对稳定状态造成影响,而因由于物理作用的同时影响,使得其稳定状态也随之发生变化,这个相互作用的过程,就是金属弱化的过程[1]。在这个过程中,机械加工零件的表面质量就无法得到充分的保证。这种弱化作用的强弱同金属所承受的温度有着直接联系,而在机械加工时,金属的温度较高,这就使得机械加工质量也无法得到充分保证。由此可知,机械零件表层冷作硬化因素也会对机械表面质量造成影响。
  5.零件表面的残余应力
  热塑性变形、冷塑性变形以及金相组织变化等都始终与机械零件加工相伴,当完成加工工序后,零件的体积和形状也随之出现变化,但在加工的同时,少量未得到充分释放的残留应力存在于零件表面,我们可将其称之为“残余应力”,根据种类的不同还可分为拉应力和压应力,零件表面残余应力发生变化时,也会随之发生变化,例如:当零件表面的拉应力超过了机械零件所能够承载的力量,那么零件也会随之出席那裂纹,这就使得表面质量受到严重破坏。   6.表面粗糙度
  表面粗糙度是其中的一个重要影响因子。例如在对塑性材料进行加工时,切削工具对金属产生挤压会使材料出现一定的分裂,导致塑性变形的结果,从而加大其表面的粗糙程度。在对工业材料进行加工时,其韧性的大小与金属塑性变形成正比,韧性越好,变形越明显,从而使表面的粗糙程度越大。在对脆性材料进行加工时,难免会产生切屑,而切屑越多意味着加工表面的凹凸点越多,自然会加大表面的粗糙程度。除此之外,切削加工的工具好坏以及工艺水平也会对表面粗糙程度造成影响,例如刀尖的弯曲弧度和操作力度等会直接影响切削面积和残留面积。从加工表面的几何形状影响因素来看,砂轮磨粒的形状和分布会作用于磨削后的粗糙程度,因为其产生是由砂轮上磨粒刮花表面所造成的。如果单位磨粒数量越多,分布空间及大小越均匀,则表面粗糙程度就越低。从物理力学影响因素来看,磨粒滑擦时不产生削屑,只会使表面产生弹性变形。而磨粒产生耕犁作用时,也不会产生削屑,但会产生塑性变形,变形越明显,粗糙程度越大。
  7.表面物理力学性能
  首先是加工的表面层出现的冷作硬化,其集中表现为金属变形屈服点的提高,塑性相对延伸率的降低。在对机械表面进行磨削或者切削加工时,表面金属会发生塑性变形,使得晶体间出现剪切滑移,晶格拉伸、破碎或者扭曲的现象并有可能加剧这种现象。其次,金属表面的金相组织的改变也会产生影响。当切削过热会使加工表面的温度超过相变温度的底线,此时金相组织就会改变。当磨削过热使加工表面温度超过相变温度底线时,金相组织也会随着发生变化,此时其表面金属的硬度和强度会变小,并同时产生残余应力,或者出现微小裂纹。残余应力是在机械表面加工的情况下,当工性表面金属的金相组织或相对基体金属在体积和形状上发生变形时,所残留的相互抗衡的残余应力。
  8.零件的耐磨性
  由于零件加工时所使用的摩擦副材料、润滑剂的不同以及热处理情况的差异存在一定程度上的关联,因此在零件具有耐磨性的特性时,会影响机械加工表面质量。一般来说,零件在磨损过程中包括三个阶段:磨损初期,摩擦副材料开始工作运行时会有一个较为明显的摩擦效果;磨损中期,开始进入正常的磨损阶段,磨损程度相对稳定;到了磨损后期,也就是磨损加速阶段,加剧的磨损会导致零件无法正常运行。正因如此,所以零件的耐磨性也会对机械加工的表面质量产生较大的影响。
  三、机械制造质量的控制策略
  1.使用加工精度测算法
  正如上文所分析得到,机械制造的零部件自身的精度都会对整个制造过程、产品质量有一定的影响。所以,针对零部件精度问题可以采取以下方式来进行精确:第一,尺寸精度;第二,形状精度;第三,位置精度。在这三种方式并不是孤立存在的,它们是相辅相成的。在整个机械制造过程中将这三种精度测算方法整合起来,对各个参与加工的零部件的各项尺寸进行测算,在把握基本精度的基础上可以有效规避制造缺陷,以此保障各个机械加工零件的精确度,从而从部分上对整个制造质量进行提高。
  2.对制造条件进行控制
  在制造活动开展中,要站在整体的高度,对机械制造的各个部分、各个环节的各项因素进行整体把控,尤其是那些直接关系到制造质量的加工作业条件,从内、外两个方面对此进行调控个。可以对整个机械制造的车间环境进行改善,根据制造要求合理地对机械制造的各项生产任务进行安排,以此实现制造的合理性和科学性,从而为制造质量的提高打下坚实的基础。
  3.对工序产品进行检查
  在一般情况下,机械制造产品都要经过铸造、锻炼、加工、焊接环节,产品质量的提高依附,于各个环节的發展。所以,在开展制造活动的时候,需要将制造的关注点落实到每一步上,在细节上加大关注力度,注重对各项加工工序的步骤进行有针对性地观察、核验,以此实现加工过程与加工要求相一致。
  4.严格控制材料质量
  机械零件加工材料质量中金组织和材料塑性与零件表面质量有着非常紧密的联系,为此,在选择加工材料时,应对加强这两个方面的控制。而针对低合金和低碳的钢材料,由于其自身具有较强的可塑性,为此,在零件加工的过程中,应通过“正火处理”,使其自身的塑性下降。与此同时,对金相组织来说,不同的零件质量要求也有所差异,应加强对晶粒分布以及组织状态等的了解程度。
  5.综合运用加工技术
  当前,较常使用的两大加工技术,主要分为:精密、超精密和光整加工;滚压、挤孔、喷丸强化、金刚石亚光冷压型加工。这两种加工主要特点为:前者在进行加工时,应选择最小的“径向进给量”,而在选择砂轮工作速度时,则以较大为最佳,与此同时,工件的速度也以较低为宜。此外,为了使零件表面加工质量更高,砂轮也应当尽可能地选择细粒砂轮,对砂轮表面也要进行适当的修整,以此来提升磨粒的锋利程度;后者是一种较为先进的处理技术,其能够在很大程度上提升零件表面质量,致使机械产品的质量得到提升。
  6.控制表面残余应力
  残余应力是导致机械加工零件裂纹的主要原因,为此,在加工的过程中,通过增大刀具前角、提升切削速度以及减小刃口圆弧半径等方法来控制残余应力,此外,还可对零件的塑性变形进行控制,使加工零件的温度得到调节。
  7.表面粗糙度的提高
  在进行磨削加工时,要合理选择砂轮并确定磨削的科学用量,从而使其有利于提高表面粗糙度,此外,也要重视磨削液的利用及其作用。在进行切削加工时,应当选择较大的刀尖弯曲弧度和相对较小的进给量,从而提高表面粗糙程度。在实际工作中,一般高速精切和低速宽刀精切会使表面粗糙程度较小。另外,切削液的选择要合理,挑选刃磨质量较好的刀具,也可以减小其粗糙程度。
  8.加工工艺水平的提高
  滚压、辗光、喷丸等强化表面的工艺可以用于能够承受交变载荷和高应力的零件,由此可以使金属表面产生冷作硬化和残余压应力,从而降低表面粗糙程度,与此同时可以减小或消除磨削和切削等工序的残余拉应力。借此抗应力腐蚀性能和疲劳强度也可以提高。在利用强化工艺的情况下,优等材料可以被次等材料替代,从而起到节约优质贵重材料的作用。但是,在运用强化工艺时应当注意,不能使材料硬化过度,要不然会造成塑性性质的消失或者微观形变,甚至材料脱落。
  综上所述,虽然机械加工在社会的发展进程中不断完善,但是在加工的过程中,还是会受到各种因素的影响,从而造成机械加工表面质量问题的出现,针对这些影响因素,需要进行全面的分析,在分析的基础上采取有效的应对措施,来对机械加工表面质量进行改善,同时要合理地应用一些先进的技术和设备,保障加工的有效性,使得机械加工表面质量可以得到最大限度的提高。
  参考文献:
  [1]王恩双,徐连军.机械制造质量的影响因素及控制策略[J].科技创新与应用,2016.
  [2]宋晓兰.机械加工表面质量对机器使用性能的影响及控制方法[J].中国机械,2013.
  [3]汪建军.机械制造过程中的质量控制策略探讨[J].企业技术开发,2011.
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