机械加工

定义

机械加工工艺指采用切削等机械加工手段，直接改变毛坯的形状、尺寸和表面质量，使其达到图纸规定要求的工艺过程。它区别于毛坯制造与装配环节，关注的是如何把铸造、锻造或轧制得到的毛坯转换为尺寸合格的零件^[1]。工艺过程由若干依次排列的工序组成，工序之下再分为安装、工位、工步和走刀。把经比较后认为合理的过程与操作方法按规定格式编写、审批后用于指导生产的文件，称为机械加工工艺规程^[2]。

工序的划分以工作地点和加工连续性是否变化为判断依据，同一台设备上连续加工同一工件的全部内容属于同一工序。生产批量会显著影响工序安排，单件小批生产时一台车床可完成多道加工内容，大批量生产则倾向于把车、铣、磨等工作拆给专用设备承担^[4]。

原理

机械加工的实质是刀具与工件之间产生相对运动，使硬度较高的刀具切入较软的材料，把多余部分以切屑形式分离出去，从而获得新表面^[1]。这一过程中，切屑在刀具前刀面上滑移，承受很高的法向应力和摩擦，所消耗的机械能大部分转化为热量，集中于刀具与工件接触的狭小区域^[5]。切削力与切削热是影响加工结果的两个基本物理量：前者引起工艺系统弹性变形和振动，后者造成工件与刀具的热变形^[6]。

常用的加工方式各有运动特征。车削以工件旋转为主运动、车刀作进给运动，适合加工外圆、内孔、端面、锥面和螺纹等回转表面^[1]。铣削依靠铣刀旋转配合工件移动，可加工平面、沟槽和曲面；按铣刀转向与进给方向是否一致，又分顺铣与逆铣，加工带硬皮的铸锻件时多采用逆铣^[1]。磨削用高速旋转的砂轮去除微量材料，通常作为精加工或超精加工手段，精度可达 IT6IT5，表面粗糙度一般为 Ra0.80.008 微米^[1]。

零件加工一般划分为粗加工、半精加工、精加工和光整加工 4 个阶段。粗加工切除大部分余量使形状接近成品，半精加工为主要表面的精加工做准备并完成次要表面加工，精加工保证尺寸精度与表面粗糙度，要求更高的表面再做光整加工^[1]。将粗、精加工分阶段进行，可让粗加工产生的误差和变形在后续工序中得到修正，也有助于及早发现毛坯裂纹、气孔等缺陷。以阶梯轴为例，单件生产时常在一台车床上完成端面、中心孔和外圆的加工，再转到铣床铣键槽、磨床磨外圆^[4]。

工艺规程的制订通常从核算年生产纲领、确定生产类型开始，随后分析零件图与装配图、选择毛坯、拟订工艺路线、确定各工序余量与工序尺寸公差、选定设备与刀具夹具量具，再确定切削用量和工时定额并填写工艺文件^[2]。工件在机床上需先定位再夹紧，定位常依据六点定位原理限制工件的自由度，装夹次数越多，累积的装夹误差也越大，因此工艺设计倾向于减少装夹。

发展历程

机械加工长期依靠普通机床和工人手工操作完成，加工质量在很大程度上取决于操作者的技艺。1952 年，美国帕森斯公司与麻省理工学院伺服机构实验室合作，试制成功世界上第一台三坐标数控铣床，其控制装置由 2000 多个电子管组成，标志着机械加工进入数字控制时代^[6]。此后德国、日本、苏联等国于 1956 年前后分别研制出本国的第一台数控机床。

1959 年，数控装置改用晶体管和印刷电路板，并出现带自动换刀装置的加工中心。1965 年集成电路数控装置问世，体积和功耗下降、可靠性提高；20 世纪 60 年代末又出现用一台计算机直接控制多台机床的直接数控系统，以及用小型计算机控制的计算机数控系统。1974 年微处理器和半导体存储器被用于数控装置，其功能较集成电路型扩大一倍，体积缩小为原来的 1/20。

20 世纪 80 年代以后，数控装置趋于小型化并可直接安装在机床上，还出现了人机对话式自动编程功能。90 年代后期，以个人计算机为硬件平台、在其上运行数控软件的智能数控系统出现，便于联网和维护。进入 21 世纪，高速高精控制、多轴控制、智能控制以及计算机辅助设计与制造同数控系统的集成，推动数控机床向智能化和网络化方向发展。

应用

机械加工覆盖面极广，凡是对尺寸和形状有明确要求的金属零件，大多需要经过这一环节。它既服务于单件小批的试制与维修，也支撑大批大量的流水生产，生产类型的划分正是依据产品大小、复杂程度和年产量来确定。在航空、造船和模具等行业，形状复杂、精度要求高的零件依靠普通机床难以完成，数控加工因此成为主要手段。

不同表面有相对固定的加工方案。外圆常用车削，精度要求高时继以磨削；孔可由钻、扩、铰、镗逐步完成；平面多采用铣削或刨削，要求更高时再行磨削^[7]。齿轮齿形、螺纹等成形表面则分别依靠齿轮加工和螺纹加工方法实现^[3]。除金属外，机械加工也用于塑料、陶瓷等材料的零件成形^[8]。

数控加工适用于批量小而反复生产、几何形状复杂、价值较高或需要全部检验的零件。随着柔性制造单元和自动化车间的应用，机械加工由单机作业向工序集约化的系统作业演进。

局限

机械加工能够达到的精度受工艺系统整体状态制约。机床本身的精度、弹性变形、振动、热变形以及刀具刃口轮廓的偏差，都会使刀具偏离理想轨迹，在工件上留下形状和尺寸误差^[9]。切削过程中的塑性变形和温度升高不仅发生在切屑内部，还会延伸到已加工表面以下，形成加工变质层^[9]。

切削热带来的问题尤为突出。大部分切削能量转化为热量，集中在刀具与工件接触的数平方毫米区域内，高温会加速扩散磨损、塑性变形和氧化等刀具磨损机制，也难以完全避免。在硬钢加工中，表面与次表层之间的温度梯度会引起热膨胀，进而在已加工表面产生残余拉应力。刀具磨损与残余应力之间存在明显关联，磨损加重时表面残余应力可由压应力转为拉应力^[10]。

表面粗糙度和残余应力会影响零件的疲劳性能。机加工零件的疲劳裂纹多起源于表面，粗糙度与残余应力通过影响局部应力集中而改变疲劳寿命。因此，减少材料去除量通常有利于改善表面完整性，但在生产率上往往并不占优^[5]。

薄壁类零件暴露出机械加工的另一重限制。切削力、切削热、机床刚度和切削振动共同作用，容易使薄壁件产生变形，振动还会恶化表面粗糙度甚至留下明显波纹；为避免振动常常只能降低切削用量，刀具和机床性能因此难以充分发挥^[11]。

就设备本身而言，数控机床投资大、使用费用高，加工前期的工艺确定与程序编制工作复杂，维修对人员技术水平要求较高，这些因素限制了其在部分场合的适用性。

参见

• 切削加工 —— 机械加工所属的更大范畴，涵盖机械加工与钳工两部分。

• 数控机床 —— 用数字代码信息控制刀具运动轨迹的机床，是现代机械加工的主要装备。

• 车削 —— 以工件旋转为主运动的加工方式，用于回转体零件。

• 铣削 —— 用旋转铣刀加工平面、沟槽和曲面的方法。

• 磨削 —— 以高速砂轮进行精加工和超精加工的切削方法。

• 工艺规程 —— 规定加工工艺过程与操作方法、用于指导生产的工艺文件。