祝興華

1洛陽(yáng)礦山機(jī)械工程設(shè)計(jì)研究院有限責(zé)任公司 河南洛陽(yáng) 471039

2礦山重型裝備國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 河南洛陽(yáng) 471039

旋 回破碎機(jī)是冶金、建材、化工和水電等行業(yè)粗碎堅(jiān)硬礦物的代表設(shè)備，利用偏心軸套的轉(zhuǎn)動(dòng)帶動(dòng)主軸上的破碎錐在殼體內(nèi)錐腔中做旋回運(yùn)動(dòng)，對(duì)物料產(chǎn)生擠壓、扭曲和劈裂作用，實(shí)現(xiàn)連續(xù)的破碎作業(yè)，具有生產(chǎn)能力大、單位能耗低、工作平穩(wěn)、適合破碎片狀物料及破碎的物料粒度均勻等特點(diǎn)[1]。偏心軸套作為旋回破碎機(jī)中的核心零件，毛坯多采用離心澆鑄或鍛造而成，加工時(shí)金屬去除量非常大，鐵屑約占總質(zhì)量的 50%～70%，而偏心零件本身壁薄裝夾難、剛性差易變形[2]等，使得加工難度非常大。此外，產(chǎn)品零部件的大型化、重型化和單件小批量生產(chǎn)，決定了依靠工裝保證切削加工精度時(shí)生產(chǎn)成本居高不下。目前針對(duì)通用中小型偏心零件加工的研究頗多[3-4]，但對(duì)于大型偏心套類(lèi)零件的加工工藝研究較為少見(jiàn)。

為此，筆者從加工成本和加工效率兩方面入手，依據(jù)工藝優(yōu)化成本評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，制定一整套完整高效的加工工藝方案，并針對(duì)偏心量與斜度的校驗(yàn)提出一種快捷的測(cè)量方式與誤差分析體系，用以控制內(nèi)孔的加工精度。

1 大型薄壁偏心軸套的加工難點(diǎn)

大型薄壁偏心軸套的加工難點(diǎn)是如何保證內(nèi)孔與外圓的偏心量以及兩者軸線(xiàn)之間的夾角(見(jiàn)圖 1)，一般有鏜削和車(chē)削兩種加工方式：鏜削時(shí)工件臥放[5]，因鏜床工作臺(tái)回轉(zhuǎn)精度高，可有效控制斜偏心，但裝卡易變形，加工吃刀量不宜過(guò)大，粗加工時(shí)效率低，且表面粗糙度較差；立車(chē)通常需要專(zhuān)用的工裝將工件墊斜達(dá)到控制偏心的目的，這樣的工裝只能針對(duì)特定的偏心量和角度的零件[6]，工裝使用起來(lái)比較笨重，制作成本較高，且不同型號(hào)的破碎機(jī)偏心套的偏斜角度均不一致，工裝不能實(shí)現(xiàn)通用化。

圖1 旋回破碎機(jī)大型偏心軸套結(jié)構(gòu)尺寸Fig.1 Structural dimension of large eccentric sleeve of gyratory crusher

2 工藝優(yōu)化成本評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)制定

為了使生產(chǎn)利潤(rùn)最大化，零件機(jī)加工工藝優(yōu)化通常采用最少時(shí)間標(biāo)準(zhǔn)(見(jiàn)式(1))和最低成本標(biāo)準(zhǔn)(見(jiàn)式2))2 種評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)[7]。

式中：T為該工藝流程加工所用總時(shí)間；I為該工藝流程工序總數(shù)；為第i道工序的準(zhǔn)結(jié)所需時(shí)間；n為該批次零件數(shù)量；為第i道工序的單件加工所需時(shí)間；C為該工藝流程加工所用總成本；mi為第i道工序單位時(shí)間內(nèi)所分擔(dān)的全廠(chǎng)開(kāi)支，即單位工時(shí)成本。

(1)最少時(shí)間標(biāo)準(zhǔn) 通過(guò)以減少單件生產(chǎn)時(shí)間的方式提高生產(chǎn)率，必要時(shí)不惜在生產(chǎn)成本上做出一些犧牲，以實(shí)現(xiàn)對(duì)市場(chǎng)的快速反應(yīng)，在批量生產(chǎn)時(shí)收效顯著。

(2)最低成本標(biāo)準(zhǔn) 降低的成本可直接轉(zhuǎn)化為收益，在時(shí)間允許的情況下依據(jù)該標(biāo)準(zhǔn)實(shí)施生產(chǎn)是切實(shí)可行的。

考慮到礦山機(jī)械行業(yè)單件生產(chǎn)、周期長(zhǎng)、成本高的特點(diǎn)，評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)以最低成本為目標(biāo)，兼顧最少時(shí)間標(biāo)準(zhǔn)，建立目標(biāo)函數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，以改善加工工藝流程。

3 加工工藝流程優(yōu)化

3.1 加工工藝基本流程創(chuàng)建

大型薄壁偏心軸套加工工藝優(yōu)化，通過(guò)車(chē)工藝壓環(huán)(見(jiàn)圖 2)用于輔助裝卡(見(jiàn)圖 3)、銑十字槽和找正圓，實(shí)現(xiàn)“以車(chē)代鏜”，步驟如下：

圖2 工藝環(huán)槽示意Fig.2 Sketch of technical ring and groove

圖3 工件在立車(chē)加工裝卡方案Fig.3 Clamping scheme of workpiece in vertical lathe

(1)按同心圓粗車(chē)外圓、內(nèi)孔及兩端面，兩端面留量較大，以便借量去除探傷發(fā)現(xiàn)的缺陷部分；

(2)超聲波探傷檢查；

(3)粗車(chē)外圓及兩端面，端面車(chē)留工藝卡頭，外圓上距兩端約 1/4 處留工藝環(huán)，如圖 2(a)所示；

(4)鏜床在端面銑十字槽，并在槽底刻十字中心線(xiàn)，鏜偏心內(nèi)孔找正帶，如圖 2(b)、(c)所示；

(5)十字槽底面墊平，按內(nèi)孔處的找正帶找正，一次調(diào)裝，粗車(chē)內(nèi)孔及上端面；

(6)調(diào)質(zhì)處理；

(7)半精車(chē)外圓及兩端面(見(jiàn)光)，卡頭與工件之間車(chē)卸荷槽；

(8)半精車(chē)內(nèi)孔，操作類(lèi)似于步驟(4)和(5)，工藝環(huán)對(duì)稱(chēng)處銑直槽，如圖 2(d)所示，用于鏜床輔助工件調(diào)整；

(9)超聲波探傷檢查；

(10)端面墊平，精車(chē)外圓(包括工藝環(huán))并光整外圓表面，十字槽底面墊平，精車(chē)內(nèi)孔并拋光；

(11)根據(jù)端面的十字槽底面及內(nèi)孔找正，銑內(nèi)孔鍵槽，根據(jù)端面及外圓找正，銑外圓鍵槽，最后銑掉卡頭，銑成兩端面。

3.2 具體實(shí)施方法

步驟(1)中，利用鍛件毛坯兩端的余料作為卡頭，粗加工時(shí)將卡頭的兩端面車(chē)削平整，使得與偏心套的外圓垂直?？^不僅用于裝卡，也用于后續(xù)工序中在卡頭上車(chē)銑找正面輔助加工。

步驟(3)中的工藝環(huán)，用于后續(xù)上立車(chē)時(shí)裝卡，因工件總高度大于立車(chē)滑枕行程，需要調(diào)裝二次走刀完成加工。

步驟(4)在卡頭兩端面十字中心線(xiàn)處，銑削找正平面，該平面與內(nèi)孔垂直，以此代替?zhèn)鹘y(tǒng)的利用專(zhuān)用工裝找正和加工偏心的方式。兩端面的十字槽槽寬約100 mm(見(jiàn)圖 2(c))，上下兩端的槽底面平行，與端面成一定角度，該角度等于內(nèi)孔中心與外圓中心夾角β，上立車(chē)加工時(shí)按十字槽底墊等高墊鐵，并按內(nèi)孔圈圓找正，即能保證斜度要求。

步驟(5)中，利用如圖 3(a)中的工藝環(huán)作為輔助，采用常用螺栓、螺桿和壓板便能在不引起零件變形的情況下對(duì)工件進(jìn)行牢固裝卡；倘若工件內(nèi)外圓本身沒(méi)有臺(tái)階，也可采用圖 3(b)、(c)中所示進(jìn)行裝卡，將卡爪的徑向夾緊力轉(zhuǎn)變?yōu)檩S向力，有效避免了工件彈性變形引起的加工誤差。

鏜削時(shí)工件臥放于 V 形鐵，利用天車(chē)等起吊工具調(diào)整內(nèi)孔的偏心軸線(xiàn)與外圓的中心軸線(xiàn)呈水平夾角，然后旋轉(zhuǎn)回轉(zhuǎn)工作臺(tái)調(diào)整內(nèi)孔斜度，數(shù)控開(kāi)坐標(biāo)實(shí)現(xiàn)偏移量并進(jìn)行鏜削內(nèi)孔。

圖4 所示為工件在鏜床裝卡改進(jìn)前后對(duì)比示意，常見(jiàn)的裝卡方式如圖 4(a)所示，工件上下均為 V 形夾具，僅上面的壓板質(zhì)量就超 0.6 t，裝卡不便；更重要的是，工件臥放時(shí)，圓周方向需打表調(diào)整找正，依靠天車(chē)或是人工均不易進(jìn)行工件的微調(diào)。優(yōu)化后如圖4(b)所示，工件依靠扳動(dòng)工藝環(huán)對(duì)應(yīng)缺口壓板上的螺栓和螺母，即能完成工件的微調(diào)，操作方便、安全。

圖4 鏜削時(shí)夾緊定位方式對(duì)比Fig.4 Comparison of clamping and positioning type in boring procedure

3.3 內(nèi)孔斜偏心測(cè)量與誤差分析

內(nèi)孔偏心量無(wú)法用量具直接測(cè)量，使用激光跟蹤儀也需要多站分時(shí)測(cè)量[8]，而且激光跟蹤儀本身屬于精密儀器，價(jià)格昂貴，操作起來(lái)費(fèi)時(shí)費(fèi)力。因此，通過(guò)利用外徑千分尺測(cè)量壁厚來(lái)間接控制偏心不失為一種經(jīng)濟(jì)有效的測(cè)量方式。因工件在加工過(guò)程中端面與內(nèi)孔、端面與外圓之間的棱角不規(guī)整，常有毛刺或是表面粗糙，且端面銑有十字工藝槽等因素，影響壁厚測(cè)量的準(zhǔn)確性，測(cè)量時(shí)以在外圓上選取靠近端面有微小距離ε的完整精加工表面為宜。如圖 5 所示，可得偏心量e及斜度β分別為

圖5 斜偏心測(cè)量誤差分析Fig.5 Analysis on measuring error of oblique eccentricity

實(shí)際測(cè)量時(shí)，千分尺測(cè)砧中心放置在距離端面ε處，測(cè)砧與零件外壁為線(xiàn)接觸，而與內(nèi)壁則為邊緣點(diǎn)接觸，即與內(nèi)壁存在一定的“弧高”，使得測(cè)量數(shù)值偏大。由圖 5 可見(jiàn)，該間隙在測(cè)量最大壁厚和最小壁厚時(shí)相等，可知

聯(lián)立式(3)，可得實(shí)際測(cè)量值為

通過(guò)式(4)、(5)可以看出，該測(cè)量方法理論上不會(huì)影響偏心值與內(nèi)孔斜度的測(cè)量精度，且操作方便。

4 應(yīng)用實(shí)例

如圖 1 所示大型斜偏心軸套，尺寸為φ1 190×φ850×1 730，其鍛件毛坯總體尺寸為φ1 240×φ630×1 900，內(nèi)外圓尺寸公差要求 6 級(jí)精度，斜偏心孔位置公差約 0.05 mm，表面粗糙度最高達(dá)Ra0.4。大型偏心軸套加工工藝流程優(yōu)化前后加工工時(shí)與費(fèi)用合計(jì)對(duì)比如表 1 所列。

表1 加工工藝流程優(yōu)化前后工時(shí)及加工成本對(duì)比Tab.1 Comparison of working hour and machining cost before and after optimization of machining process

通過(guò)對(duì)比各工種加工時(shí)間的總和，可以清晰地看出工藝優(yōu)化后不僅所用工時(shí)縮短、效率提高，而且加工費(fèi)用大幅度降低。

5 結(jié)語(yǔ)

(1)優(yōu)化后的旋回破碎機(jī)大型偏心軸套加工工藝方案，符合“最低成本為主，最少時(shí)間為輔”的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，大大降低了生產(chǎn)制造成本，且生產(chǎn)效率略有提高。該工藝方案應(yīng)用于實(shí)際生產(chǎn)中，實(shí)現(xiàn)了降本增效的目的，促進(jìn)了產(chǎn)品零件的順利交付使用。

(2)“以車(chē)代鏜”的加工方法成功地解決了大型偏心零件加工時(shí)找正、定位和微調(diào)等難題，操作方法簡(jiǎn)便，且采用立車(chē)精加工更易于拋光與滾壓，有效提高了零件表面粗糙度。

(3)提出的偏心間接測(cè)量方法及誤差評(píng)價(jià)方式，可以有效測(cè)量大型偏心零件的偏心值和傾斜角度，完全滿(mǎn)足測(cè)量精度需要，在大型偏心套類(lèi)零件的偏心距測(cè)量中具有較強(qiáng)的實(shí)用性。