摘要： 效率对于一台设备、一个人或者一个组织都是至关重要的指标之一，这个指标关系到它们的优胜劣汰，本文研究的是机械加工中的效率问题，机械加工中效率的影响因素有很多，一些是显而易见的，一些是需要通过深入的理论学习、工作实践和总结才得以发掘的，本文就从这几个角度对机械加工中的效率问题进行了较深入的研究，发现问题、提出问题、分析问题、找到问题的解决办法，寄希望于对指导生产、理论研究、学术交流有一定的参考价值和进步意义。

关键词：效率；效益；机械加工

引言

机械加工中的效率直接影响一个机械制造企业的效益高低，甚至影响到一个企业的生死存亡，如何在保证质量的前提下最大限度地提高加工效率是机械制造企业一直关注和解决的重要问题，但是它的影响因素较多，我们仅从以下几个方面进行深入探讨。

1、机床、刀具和夹具的效率

1.1 机床的效率

普通机床的效率不及数控机床的效率高，数控铣床的效率不及加工中心的效率高，在铣削加工中心，使用大直径刀具的效率高于小直径刀具的效率，专用夹具的效率高于通用夹具的效率，机床联合作业高于机床单独作业的效率，也就是粗精加工分开，先在普铣或精度低的机床上把大部分余量切除，至少要先加工一个装夹基准，这样把在一个机床上串行加工的工作变成两个或更多个机床上并行加工，就能提高加工效率。

1.2刀具的效率

刀具的切削效率，总的来说“强壮的刀具”有更高的加工效率，可以用更大的吃刀量和进给速度；数控机床专用合金刀具和涂层刀具比普通刀具有更高的效率；钻削加工比铣削加工效率高，当有较大余量要切除时，可考虑用密排的钻削方法，尤其是较大直径的U钻，甚至可以在斜面和边缘下刀，例如在MASTERCAM软件上就有钻削式曲面粗加工，不但效率高还省刀，钻头磨损后刃磨一下即可，成本极低，而铣刀无论是整体式刀具还是机夹式刀具，磨损后都意味着它的寿终。

“工欲善其事必先利其器”，在数控加工中，刀具有很大的影响因素，选用合适，才能保证加工的质量和效率，降低加工的成本，刀具有整体式刀具和机夹式刀具，无论如何整体式刀具的成本是高的，效率是低的，要尽量选用机夹式刀具，保证加工质量的稳定、减少更换刀具损耗和重新对刀的时间消耗，除非刀具的磨损并不占主要因素，如铝合金的加工，用整体高速钢立铣刀就基本合适。

尽量多备刀柄，常用的刀具和量具如Z轴对刀仪、分中棒、定心钻、两三个型号的面铣刀、各种常用尺寸的底孔麻花钻，铰孔底孔钻，几个型号的两刃机夹铣刀，几个型号的精加工钨钢铣刀以及装卸刀工具，这些应用率极高，要每个机床配置一套，常年“鞍不离马，马不离鞍”，做到用时触手可及，不在易解决的问题上耽误时间。

高效的刀具不可少，如U钻，优良的切削能力和效率，会令你叹为观止，如钨钢铣刀最后一道精铣时，性能稳定优良，精良的镗刀更为重要，质量差时，会出现调节尺寸不准，欠调节影响效率，过调时直接导致镗孔过大而工件报废。

减少换刀的次数，提高换刀的效率，当一个工件比较复杂时可能就需要较多的刀具，换刀就会占用较多时间，此时除了要尽量减少刀具的数量外，还要尽量减少换刀的次数，把一把刀的加工任务，尽量安排在一次完成，并在程序中安排预选刀功能，当然如果是主轴刀库相对运动式换刀，无此功能，但是这时可以按刀具启用的顺序把刀装在刀库上，以减少还刀入库后的选刀时间。

1.3夹具和辅助器件的效率

在小批量的生产中由于换型非常频繁，工件的装夹成为一个影响效率的大因素，实际生产中就常常因为没有合适的辅助器件，东奔西跑，影响效率，只有备足各种厚度的垫块或可调高度的垫块、塑料垫板、可调工作高度的压板和各种长度的压脚螺杆、弯板，才能大大提高装夹的效率。

磨刀不误砍柴工，能做专用工装夹具的尽量做，它能最大限度地提高加工效率，装卸快，还可以一次加工多个工件，这对于加工内容简单，加工时间短的小工件效果尤其明显。有这样一个案例，一种轴承座样式的铸铁卡扣，只需要在两边加工两个通孔，工艺简单到先用定心钻打落刀孔，再用钻头加工孔，加工一个时间很短，所用时间和装卸的时间基本上不相上下，如果单独加工效率就会很低，考虑到孔在厚度方向上的位置并不严格，工件厚度一致性也较好，做了一个工装夹具，一次可以装夹20个工件，装夹后取X轴方向的总尺寸作为每一个工件上孔的定位基准，装夹时工装夹具装置到虎钳口上，先用右侧的螺杆顶紧装夹，再用虎钳前后夹紧，事实证明质量有保证，效率也得到了极大的提高。

2、工艺和参数效率

2.1工艺效率

在中小批量生产中，对于每一个成熟的工件的加工工艺，都要做好各方面的备份和记录，这样才能在这个工件再次生产时以最短的时间恢复生产，这包括工艺过程、毛坯的材质、热处理状况、粗加工内容、装夹、所需刀具、加工中需要注意的问题、工件图纸或CAD文件、CAM文件、程序等等，特别是程序中有关每把刀，每个工序的切削主轴转速和进给速度（这两个数据在程序中是固定的数据，但通过机床面板是可以调节的），要注明最高多高是合适的，装夹用什么夹具，工件装夹方向什么样、工件原点在什么位置、多大的装夹力度等等。最好有图像资料，如毛坯照片、粗加工后照片、成品照片、装夹的照片和加工视频资料。

充分读懂零件的用途，把控关键尺寸，忽略次要因素，有些零件由于设计得不够精良，在零件图上标注会出现重点不明显，甚至反客为主的现象，这在铸件加工工件上需要比较明确的显示出来，如此才能提高效率，少走弯路。

程序要尽量覆盖全部加工内容，能在机床上用程序做的活，要在机床上做，这样不但工件的一致性好，也提高了加工的效率。例如工件倒角，手工倒角质量不尽人意，效率也低，有些地方的倒角手工还不易进行，但是在机床上倒角的质量和效率就很好，刀具用定心钻，程序也很容易实现，只要你乐意做。还例如攻丝，较小的内螺纹孔加工容易失败，但大些的内螺纹孔加工则没问题，可大大提高加工效率。对于工作台运动式的加工中心，工件加工结束后，用程序将其拉到靠近操作者的位置，可以减小人工操作的辅助时间。

高精孔加工最高效的方法是铰，不但效率高，质量也很有保障，但铰刀没有通用性，一个尺寸的孔就需要一把铰刀，成本很高，磨损后只能作更小一点直径的铰刀使用。在没有铰刀的情况下用镗刀，通用性强，成本低，除了准备时间稍多些外，调试好之后，效率还是令人满意的，但是方法要得当，有以下两种方法：

1） 钻、机夹刀扩、第一把刀粗镗、第二把刀精镗；

2） 钻、机夹刀扩、钨钢刀精铣、精镗。

方法1中千万不要用一把刀既当粗镗，又当精镗，由于镗刀调节螺丝和刀刃往往并不是较严格的对应关系，这样效率低是一方面，更重要的是这样极容易把孔镗大而使工件成为废品。铰刀和镗刀影响效率的一点是，铰刀和镗刀超长或超重是经常的事，上不了刀库，便不得不安排人工的装卸刀。

在机床上不可展曲面的加工效率是低的，这毋庸置疑，但如果这个曲面可展，或者根本就是一个平面，在三坐标铣床或者加工中心上就有可能大大提高加工效率，方法是通过专用夹具，使其与Z轴平行或与XY平面平行，用普通的面铣刀或者立铣刀加工，若非如此要用特殊的刀具才有质量和效率，否则平面质量不易保证，加工效率也大打折扣。

刀具路线的定制，有时单靠编程软件制定的加工路线未必高效，必须要人工编制加工路线，例如用立铣刀在AB两点间做不规则路径多层往返切削时，用自动编程软件做的程序就很不理想，单方向切削，有大量的抬刀落刀空行程，这时可以人工做一个空间连续线，不用半径补偿让刀具切削一气呵成，能最大限度地减小空行程；又例如面铣刀铣一个形状不规则、有岛屿或凹槽的平面时，人工规划铣削路径才能少走空刀，提高加工效率；再例如要径向给一个圆柱体铣深槽时，也只有人工规划路线才能少走空刀。还例如孔加工时，往往一组孔要用多把刀，上一把刀具的退刀点最好是下一把刀的进刀点，即使二者不重合也要近一些，而这在自动编程时是由人工选定的。

2.2参数效率

切削三要素是工作时影响加工效率的直接因素，不但影响加工的顺利进行（刀具和工件的安全、无振动）和加工质量，也影响加工效率，在保证加工的顺利和质量的前提下，要最大限度地提高刀具的进给速度。切削三要素最终确定下来是困难的，有经验则靠经验确定，没有经验的要靠切削手册确定，但这也只是说能保证加工的顺利进行，有合格的质量，至于效率有没有达到最高，不得而知，当前数据保守是在所难免的，因为相关的因素太过多变，这包括机床刚度、功率、刀具材质、工件材质、装夹方法等等，要想达到最佳质量和效率效果要通过多个工件的加工调试才能最终定下来。

深孔加工循环G83的进刀量Q，自动编程的默认值为2.0毫米，要根据排屑、断屑与散热的实际情况进行调整加大，否则将降低加工效率，如果排屑、断屑和散热都没有问题，直接改用G81，如果排屑断屑有问题而散热没有问题可改用G73，另外它的R高度平面也要合适，数控车床的复合切削循环G71和G72安排的起点离工件太远，就会走空刀，也会影响加工效率。另外，快速定位的空行程即使大点影响也不严重，毕竟速度很高所用时间很少，工步中的空行程则很明显，听着都会让人感到着急。

起始返回平面的高度、进退刀平面的高度、安全平面的高度要合适，保证安全的前提下要尽量低，尤其是进退刀平面的高度，它是切削进给的起点和终点，太高则空行程就会多；

3、编程效率

编程分为自动编程和手工编程，自动编程的效率自不必说，手工编程的效率就比较低，想高效就要用子程序和宏程序，但是要记得编程高效，加工不一定也高效，对于大批量加工的工件即使编程效率低点也合算，只要加工效率高；而对于很小量的工件加工，编程效率和程序的加工效率同样重要。

编程时坐标值可进行数学运算大大提高了编程速度，例如两点之间是一个尺寸链标注，需要总尺寸时，可把几个数加到一起，也可以用加号把几个数连在一起出现在坐标中，如此可省去几个数求和的运算时间。

先进的CAM编程软件不但可以处理复杂的零件，还可以更加优化刀具路径，极大的提高了它的适应性和编程效率。G代码加工程序要由后处理程序来完成，后处理程序也有优劣之分，有的CAM软件的后处理程序生成的G代码程序拖沓冗长，以致于CNC计算机程序存储空间不够用，要用DNC功能，此时的程序显示在CNC计算机上是不可编辑的，哪怕是要修改一个主轴转速或进给速度，若想编辑就要在程序原来的位置或把程序随U盘转到计算机上来改，极不方便，降低了加工效率。

既使是用自动编程，也要尽量多用复合循环指令或宏程序，程序短，易于找到程序对应加工位置的对应关系，修改参数和跳转易于实现。自动编程生成的程序有时不太理想，例如，铣深的圆环槽或铣外圆柱面或内圆柱面，自动编程生成的是铣一层下一次刀，切削不连续，还有可能得下落刀孔，程序很长，更重要的是想改变铣削圆的直径时，需要在CAM中重新生成新的程序，效率很低，但是用宏程序编程，上面的缺点是会迎刃而解——螺旋线下刀，切削连续，无需落刀孔，程序极短，想改铣削圆的位置和直径时，只需要修改两个参数即可，大大的提高了编程和加工效率。

4、操作人员的效率因素

操作人员的经验是影响效率的一个极重要的因素，一个经验丰富的操作人员、操作失误少、对刀快、工件拆卸快、能排除常见机床故障、能纠正程序错误、能选择最佳的主轴倍率和进给倍率，能极大地保证工件质量和提高加工效率。

机床故障时将直接导致停产，当务之急是排除故障让机床尽快运行起来。这将要求机床操作人员（不是维修人员）要有一定的故障排除能力，尤其是一些常见故障的排除方法要会，一些常见故障报警要能看得懂，如气压低报警、润滑油位低报警和过载报警等等，这将对操作人员的知识水平提出更高的要求，机床故障在所难免，好的办法是故障解决的方法要有记录，有详细的排除说明，以便同样的故障再出现时可以快速排除，不要让同样的问题影响效率。

每个加工中心的换刀过程都是复杂的，换刀时不可按复位或急停按钮，否则机床直接就进入了故障状态，尤其是机械手停止在一边连接刀库刀柄一边连接主轴刀柄的状态时更为麻烦，此时就需要特殊处理，但是非专业技术人员是很难解决，所以在换刀时，除非会出现安全问题，否则不得按下复位或急停按钮，如果换刀错误可在换刀完成后复位或急停，再做进一步的处理，一个经验丰富的操作人员则不会犯这种低级错误。

对刀效率的高低也直接影响加工的效率，这就要求操作人员技艺娴熟，高效精密的对刀工具也是必要的，如Z轴对刀仪，另外对刀时也可根据加工的精度选择对刀的精度，高精度的对刀必然要精确的操作，多花费时间，如加工通孔的钻头，对刀时补偿值就不必要很精确。

5、总结

机械设备加工的效率关系到整个车间、工厂的生产效益，提高机械加工的效率是事半功倍之事。本文从加工过程中对机床的选择、刀具的选用、夹具的合理性、工艺过程及编程等多角度深入论述提高机加工效率的有效途径，为机加工提出了实用性办法。

参考文献：

[1] 王明红编著．数控技术[M]．北京：清华大学出版社，2009 ．

[2] 倪祥明主编．数控机床及数控加工技术[M]．北京：人民邮电出版社，2011 ．

[3] 施晓芳主编．数控加工工艺学[M]．北京：电子工业出版社，2011 ．

[4] 徐宏海主编．数控机床刀具及其应用[M]．北京：化学工业出版社，2005 ．

作者简介：第一作者：张天一（1989.11.12 - ），女，汉， 河南郑州，硕士研究生，讲师，研究方向：工业控制。

第二作者：朱卫国（1970.05.05 - ），男， 汉，河南郑州，本科学士，助教，研究方向：机电数控。