蘇仕勛

(中國北車集團 大連機車車輛有限公司，遼寧 大連 116021)＊

0 引言

HXD3B機車使用的齒輪箱在箱體類零件中屬于減速箱體，是整個驅動裝置的基礎零件，它將驅動裝置中的軸、齒輪、迷宮環(huán)等相關零件組裝成一個整體，使它們之間保持正確的相互位置，并按照一定的傳動關系協(xié)調地傳遞運動和動力.因此，齒輪箱體的加工質量將直接影響整個驅動裝置的組裝精度、機械性能及使用壽命［1-6］.目前國內的同類產品普遍存在著功率與重量比較小，或者傳動比大而機械效率過低的問題.國外的同類產品特別是減速器，以德國、丹麥和日本處于領先地位，特別在材料和制造工藝方面占據(jù)優(yōu)勢，其工作可靠性好，使用壽命長［7-8］.

HXD3B機車齒輪箱是德國BOMBARDIER公司設計研發(fā)，具備世界先進的設計理念，其設計結構復雜，與以往軌道交通上使用的齒輪箱不同的是首次采用一體式設計.HXD3B機車齒輪箱除了起到防塵、裝載齒輪潤滑油、傳遞動力的作用外，還能起到支承作用承受載荷.由于箱體體積大，中空薄壁，結構形狀復雜，且孔與面的精度要求極高，現(xiàn)有加工工藝很難保證產品質量.只有改進現(xiàn)有加工工藝方案，選擇合適的定位夾緊方案，有效利用現(xiàn)有設備和加工刀具，設計更加合理的工藝路線，才能切實有效的保證加工質量、提高生產效率，減少各種誤差，得到優(yōu)秀的加工質量.

1 HXD3B齒輪箱體結構分析

對零件進行技術分析，主要是想了解各加工表面的精度要求，找出主要表面并分析它與次要表面的位置關系，明確加工的難點及保證零件加工質量的關鍵，以便在加工時重點加以關注.對于結構復雜的HXD3B齒輪箱(如圖1)，根據(jù)圖紙分析，基準面E所在平面為主要平面，其余表面為次要表面.圖紙要求平面G與基準面E的平行度要求0.04 mm，以小面為基準檢測大面，成為了加工上的一個難點.另外，圖紙要求Φ740 mm外圓與 A-B 同軸度為0.05 mm，Φ300 mm、Φ200 mm兩孔與A-B軸線同軸度都為0.02 mm，且軸線AB上有一個Φ130 mm的縮頸，鏜刀無法直接通過，只能手動從另一面裝夾刀具刀，很難保證一側軸線上Φ740 mm外圓與Φ300 mm、Φ200 mm孔的同軸度，并且A-B、C-D兩軸線的平行度要求不大于0.02 mm.以目前的加工技術很難保證加工精度，這成為HXD3B齒輪箱的加工上的又一個難點.

HXD3B齒輪箱采用的材質是EN-GJS-400-18-LT相當于(GB/T 1348—1988)球墨鑄鐵標準中QT400-18L牌號.采用球墨鑄鐵是因為它切削性能好，抗震性和耐磨性好，容易成形且價格低廉.HXD3B齒輪箱體積為1593.5 mm×942 mm×385.5 mm，質量為489 kg，體積如此巨大，給胎具的設計及齒輪箱加工提出了不小的難題.

圖1 HXD3B齒輪箱

2 制定HXD3B齒輪箱體加工工藝路線

2.1 定位基準的選擇

正確選擇定位基準，特別是主要的精基準，對保證零件加工精度、合理安排加工順序起決定性的作用.當用夾具安裝工件時，定為基準的選擇還會影響到夾具結構的復雜程度.因此，正確的選擇定位基準是工藝制定的關鍵.

箱體類零件的加工順序均為先面后孔，以加工好的平面定位，再來加工孔.HXD3B齒輪箱箱體孔的尺寸、行為精度要求高，加工難度大，先以孔為粗基準加工平面，再以平面為精基準加工孔，這樣不僅為孔的加工提供了穩(wěn)定可靠的精基準，同時還可以使孔的加工余量均勻.選擇定位基準時，是從保證工件加工精度要求出發(fā)的，因此，定位基準的選擇應先選擇精基準，再選擇粗基準.

2.1.1 精基準的選擇

選擇精基準時，主要考慮保證加工精度和工件安裝方便可靠.選擇原則為:基準重合原則，即設計基準作為定位基準，以避免基準不重合誤差;基準統(tǒng)一原則，即盡可能選用統(tǒng)一的定位基準加工各個表面，確保各面間的位置精度;自為基準原則，當精加工某些重要表面時，常采用加工表面本身為定位基準，可以提高加工面本身的尺寸和形狀精度，但不能提高加工面的位置精度;互為基準原則，即對于有位置精度要求較高的表面，采用互為基準反復加工，更有利于精度的保證;最后在選擇精基準面時還要堅持定位準確、夾緊可靠、操作方便的原則.

在批量比較大的情況下一般都采用一面兩孔作定位基準.XD3C齒輪箱為分體式齒輪箱，本應以結合面為定位基準，但是由于齒輪箱體上、下箱體結合面完全接觸無法實現(xiàn)定位.為了方便裝夾定位更加可靠，將上箱體底面延長出兩個工藝臺階面，在加工底面時一同加工，確保底面基準能夠延伸.另外，在加工的工藝臺階面上分別鉆一個Φ16 mm銷孔，裝夾、定位快捷可靠.最后將工藝基準面去除.由于HXD3B齒輪箱結構限制，定位銷孔使用起來很不方便，將來去除定位面也比較麻煩.為了定位更加可靠，定位基準與設計基準重合減小誤差，在齒輪箱底面增加了兩個工藝臺階面，將原本不加工的表面改為加工表面(如圖2所示)，通過三個平面為精基準定位，簡單方便的限制了齒輪箱的6個自由度，定位穩(wěn)定可靠，同時也遵循了“基準統(tǒng)一”的原則.

圖2 工藝臺階

2.1.2 粗基準的選擇

選擇粗基準主要是選擇首道加工工序的定位基準，以便為后續(xù)加工工序提供精基準.如圖1所示，考慮到粗基準一般比較粗糙僅使用一次，另外為了確保各個加工表面有足夠的加工余量，且生產批量為中批量生產，所以決定粗基準選用齒輪箱劃線時的腰線及底面的加工線，確保齒輪箱在平面上定位可靠.由于基準面E所在的平面面積大而且平整，所以應將基準面E作為調整面，保證使用粗基準找正時更方便，裝夾工件時更加可靠.

2.2 齒輪箱體加工工藝分析

HXD3B齒輪箱體屬于薄壁類零件，在裝夾時容易變形，因此在加工時不僅要選擇合理的夾緊、定位點，而且還要控制切削力的大小.通過不同的加工階段及加工順序的選擇減少切削力及變形帶來的誤差.由于齒輪箱體上孔系的位置度要求高，鏈接孔、鏈接面較多，因此加工時需要采用工序相對集中的方法，盡量減少裝夾次數(shù)避免重復裝夾定位帶來的誤差.

2.2.1 加工階段的劃分

(1)粗加工階段 粗加工階段主要任務是切除毛坯的大部分余量，并制出精基準;

(2)半精加工階段 半精加工階段任務是減小粗加工留下的誤差，為主要表面的精加工做好準備，同時完成零件上各次要表面的加工;

(3)精加工階段 精加工階段任務是保證各主要表面達到圖樣規(guī)定要求;

(4)光整加工階段 光整加工階段主要任務是減小表面粗糙度值和進一步提高精度.

劃分加工階段的好處是按先粗后精的順序進行機械加工，可以合理的分配加工余量以及合理的選擇切削用量，充分發(fā)揮粗加工機床的效率，長期保持精加工機床的精度，并減少工件在加工過程中的變形，避免精加工表面受到損傷;粗精加工分開，還便于及時發(fā)現(xiàn)毛坯缺陷.

2.2.2 加工順序的安排

加工順序的安排對保證加工質量，提高生產率和降低成本都有重要作用，是擬定工藝路線的關鍵之一.可按下列原則進行.

(1)切削加工順序的安排

Ⅰ、先粗后精 先安排粗加工，中間安排半精加工，最后安排精加工;

Ⅱ、先主后次 先安排零件的裝配基面和工作表面等主要表面的加工，后安排如鍵槽、緊固用的光孔和螺紋孔等次要表面的加工;

Ⅲ、先面后孔 對于箱體類零件，其主要表面的加工順序是先加工用作定位的平面和孔的端面的加工，然后再加工孔;

Ⅴ、先基準后其它 即選作精基準的表面應在一開始的工序中就加工出來，以便為后續(xù)工序的加工提供定位精基準.

(2)輔助工序的安排

輔助工序包括:檢驗、清洗、去毛刺、防銹、去磁及平衡去重等.其中檢驗是最主要的、也是必不可少的輔助工序，零件加工過程中除了安排工序自檢之外，還應在下列場合安排檢驗工序:

Ⅰ、粗加工全部結束之后、精加工之前;

Ⅱ、工件轉入、轉出車間前后;

Ⅲ、重要工序加工前后;

Ⅴ、全部加工工序完成后.

依據(jù)文所述，結合HXD3B齒輪箱體的結構特點制定了以下工藝方案:

首先，找準粗基準，確保下道工序加工余量充足.拿到毛坯后先上平臺完成劃線工序，確保加工量均勻且充足.之后以基準面E的毛坯為調整面，以齒輪箱腰線及底面加工線為粗基準，加工底面定位精基準.最終，以底面為精基準加工正、反兩面(基準面E所在平面為正面，基準面G所在平面為反面)將單邊7 mm的加工量減小到2 mm.

其次，進行半精加工階段，進一步減小加工量讓加工量由上道工序的2 mm減少到0.4 mm.以底面為定位基準，進行正面半精加工工序，在此工序中主要是對關鍵的孔及端面進行半精留量，對其他次要部位進行精加工，尤其是螺紋孔、通孔的加工.之后以加工好的正面半精平面及底面為基準對反面進行半精加工.以加工好的正面為基準加工反面，是遵循互為基準的原則保證加工質量.

最后，進行精加工階段.如圖1所示，為了確保同軸度及兩軸線平行度，現(xiàn)有加工工藝中最好的方法是在一側進行加工確保形位要求.由于軸線A-B上有一個Φ130 mm的縮頸，鏜刀無法直接通過，只能手動從另一面裝夾刀具刀，很難保證一側軸線上Φ740 mm外圓與Φ300 mm、Φ200 mm孔的同軸度及兩軸線平行度.另外，，軸線C-D上Φ695 mm孔明顯大于Φ350 mm孔本應從Φ695 mm一側加工，可是這樣Φ740 mm的外圓的同軸度將無法保證，需要兩次裝夾，增加了重復定位，產品質量很難保證.

經(jīng)過反復的研究圖紙，結合現(xiàn)有設備的精度，提出以底面及半精加工的基準面E為基準，一次性裝夾，利用加工中心設備精度高，尤其是高回轉精度，確保同軸度及兩軸線平行度.先對正面圖紙要求的孔及端面進行精加工，之后旋轉工作臺，通過高回轉精度來確保同軸度.為了減少加工工序，直接在精加工工序的刀具上采用修光刃的刀具，提高表面粗糙度.及時機床精度略有偏差也可以通過調整程序實現(xiàn)圖紙技術要求.

3 HXD3B齒輪箱精加工胎具設計

3.1 定位方案確定

3.1.1 工件定位

工件定位就是使逐次放置到夾具中的一批工件都占有同一位置.工件在夾緊中有六個自由度，這六個自由度需要用夾具上按一定要求布置的六個支承點來限制，其中每個支承點相應地限制工件一個自由度.如圖3六點定位.

圖3 六點定位

為保證HXD3B齒輪箱的加工精度，考慮到基準重合，設定底面為第一定位基準面限制三個自由度(圖3中1、2、3);齒輪箱底部設置工藝臺階面如圖1(b)中的基準面F、G分別控制其余三項自由度.另外，為了滿足軸承孔的同軸度要求及A-B與C-D兩軸線平行度要求，必須確保齒輪箱的中心面在工作臺的回轉中心上(主軸伸出越長，剛性越差)，另外為了加工找正方便，需要設定C-D軸線也在回轉中心上.

3.1.2 定位方法與定位元件設計

定位基準分為平面和外圓柱面，HXD3B齒輪箱定位基準面均為平面.當定為基準為平面時:

(1)定位方法

平面為定位基準時的定位方法主要是支撐定位.當平面是未經(jīng)機械加工的粗糙平面時，為了使接觸點固定，應采用支承釘構成的支承三角形面積應盡量大，以使定位穩(wěn)定.當基準平面經(jīng)過機械加工，誤差較小時常采用平面接觸定位.

(2)平面為定位基準采用平面定位時，基準移動誤差Δ移動為0.

(3)定位元件

Ⅰ、主要支承

①固定支承.在夾具中定位支承點的位置固定不變的定位元件稱為固定支承.可根據(jù)平面狀況可選取圖4所示的各種支承釘或支承板.

圖4 根據(jù)平面狀況選取固定支承

圖4(a)所示用于工件平面定位的各種支承釘.圖中A型為平頭支承釘，主要用于經(jīng)機械加工表面的定位;C型為網(wǎng)紋頂面支承釘，常用于要求摩擦力大的工件側平面為定位基準的定位.圖4(b)所示用于工件上經(jīng)過較精密加工的基準平面上定位.

②可調支承.使用可調支承可以調節(jié)定位點位置.

③自定位支承.自定位支承是指定位支承點位置在工件的定位過程中隨工件定位基準位置而自動與之適應的定位元件.

Ⅱ、輔助支承

在工件定位時只起提高支承剛性而不參與定位或只起輔助定位作用的元件稱為輔助支承.

HXD3精加工胎具在選取定位元件時，除考慮定位精度外，還要使其結構簡單，由于是小批量生產，所以采用4(b)中A型定位塊在底面及側面確保定位精度.由于采用支承板它的移動誤差Δ移動為0，另外由于工序基準與定位基準重合Δ不重合為0，所以能夠滿足加工要求.

3.2 確定夾緊方案

工件在加工過程中受到切削力、重力、離心力等作用，必須對工件施加夾緊力以保持工件在夾具中獲得的正確位置.工件的夾緊是通過夾具上的夾緊裝置完成的.

3.2.1 夾緊力的確定

正確施加夾緊力，主要是正確地確定夾緊力方向，作用點和大小.

(1)夾緊力的方向

為保證定位可靠就是使工件的定位基準與定位元件的定位表面接觸可靠，因此必須使每個定位基準都有夾緊力指向，如圖5所示.如果只施加W1力就不能確保側面定位面與工件外圓母線接觸，因此必須施加夾緊分力 W2也可以施加兩力合力 W.由于HXD3B齒輪箱精加工在加工中心加工需要三向定位，所以采取分別在X向、Y向、及Z向上分別施加夾緊力.

圖5 三向定位

夾緊力方向應有利于減小夾緊力，最好設置支撐點以減小夾緊力.例如圖6為工件加工時重力G、切削力F和夾緊力W之間關系.圖6(a)中三個力方向一致，需要夾緊力最小;圖6(b)的夾緊力與切削力和重力垂直時是靠夾緊力產生摩擦力來平衡切削力以此夾緊力最大.

圖6 夾緊力

(2)夾緊力作用點

夾緊力作用點應保持工件定位穩(wěn)定，不致引起工件產生位移或偏移;夾緊變形盡可能小;作用點盡可能靠近加工表面，以提高加工時系統(tǒng)剛性，若切削部位剛性不足，可采用輔助支承.

3.2.2 夾緊機構的選取

夾緊機構種類很多，夾具中常用的夾緊機構有斜楔夾緊機構、螺旋夾緊機構、圓偏心夾緊機構、鉸鏈夾緊機構、自動定心夾緊機構、聯(lián)動夾緊機構以及各種組合夾緊機構.結合HXD3B齒輪箱結構及定位支承及夾緊力選取了螺旋夾緊機構，因為螺旋夾緊機構的夾緊原理與斜楔夾緊工件原理相同且主要應用與手動夾緊機構.它的優(yōu)點是結構簡單易造;增大倍數(shù)大;自鎖性好及夾緊過程不受限制.

4 HXD3B齒輪箱體精加工胎具技術要求

(1)要求胎具底板上、下表面的平行度小于等于0.02 mm.組裝好后保證胎具底面與四個定位墊塊所在平面的平行度小于等于0.02 mm;

(2)要求胎具組裝時底板中心孔到定位擋塊一端面的距離為B ±0.02 mm;

(3)要求胎具底板中心孔到定位擋塊二之間的距離為A ±0.02 mm;

(4)要求胎具定位擋塊一端面與定位擋塊二所在平面垂直，保證兩個定位擋塊二端面在同一平面.

5 結論

實踐證明該工藝的編排合理，大大地提高了機床利用率，節(jié)約了工序間運輸時間，提高了生產效率.根據(jù)工藝編制，利用工作臺回轉精度高的特點設計的齒輪箱精加工回轉胎具，實現(xiàn)一次裝夾完成精加工.一次裝夾避免了重復定位引起的誤差，使廢品率大大下降，試制時廢品率達到5%，現(xiàn)在降到0.15%;找正時間大大縮短，原來精加工需要兩次裝夾用時大約30 min，現(xiàn)在僅需要10 min;愿有兩幅胎具的成本大約8萬元，現(xiàn)在僅需要約3.5萬元就能解決大大的節(jié)約了成本;原本一天兩班可加工成品約3個，現(xiàn)在可實現(xiàn)6～7個，生產效率成倍提高.

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