劉超鋒，王東方，盧 博，彭 剛

(西安航天發(fā)動(dòng)機(jī)有限公司，陜西 西安 710100)

0 引 言

某型號(hào)液體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪泵齒輪箱殼體由鑄造鋁合金加工而成，它的主要作用是為內(nèi)腔的齒輪、軸承提供支撐和保護(hù)。齒輪箱內(nèi)腔裝配有中間齒輪、從動(dòng)齒輪、軸承等零件，渦輪泵產(chǎn)生的動(dòng)力通過渦輪軸上的主動(dòng)齒輪傳遞給齒輪箱，帶動(dòng)伺服機(jī)構(gòu)工作。齒輪平穩(wěn)高效的傳遞動(dòng)力要靠各齒輪間精確的安裝位置來保證，因此齒輪箱殼體機(jī)械加工尺寸及形位公差要求很高。

齒輪箱殼體鑄造毛坯一致性差和易產(chǎn)生裝夾變形的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)導(dǎo)致機(jī)械加工過程中存在劃線找正難，機(jī)床有效利用率低、加工效率低，尺寸精度無法保證、合格率低等問題。在充分分析產(chǎn)品結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和加工難點(diǎn)的基礎(chǔ)上，借鑒國(guó)內(nèi)外先進(jìn)工藝裝備技術(shù)[1-3]，通過設(shè)計(jì)高精度快換工裝，將裝夾找正移至機(jī)外進(jìn)行，減少機(jī)內(nèi)頻繁裝夾找正導(dǎo)致的設(shè)備停機(jī)，提高機(jī)床的有效利用率；通過量化裝夾力矩，有效控制裝夾變形導(dǎo)致的尺寸超差，解決了齒輪箱殼體加工效率低、合格率低的問題。

1 齒輪箱殼體結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及加工難點(diǎn)

1.1 齒輪箱殼體結(jié)構(gòu)

齒輪箱殼體主體結(jié)構(gòu)尺寸由鑄造工藝保證，配合面、對(duì)接面、軸承孔、螺紋孔等尺寸精度及表面質(zhì)量要求高的表面由機(jī)械加工保證，成品狀態(tài)進(jìn)行硫酸陽極化處理。齒輪箱殼體零件結(jié)構(gòu)見圖1，裝配結(jié)構(gòu)見圖2。

圖1 齒輪箱殼體結(jié)構(gòu) 圖2 齒輪箱殼體三維裝配結(jié)構(gòu)

1.2 加工難點(diǎn)分析

(1)鉗工劃線難：劃線基準(zhǔn)面為鑄造表面M和N(見圖3)，現(xiàn)有的鑄造工藝水平難以保證基準(zhǔn)面有良好的平面度，經(jīng)常存在隨機(jī)分布的凸起和凹坑，導(dǎo)致劃線找正難、效率低。

圖3 齒輪箱殼體劃線工藝附圖

(2)加工中心裝夾找正慢，機(jī)床利用率低：加工中心的找正基準(zhǔn)為鉗工刻線，操作者需用劃針依次找正鉗工刻線0101、0202和0303，找正過程要多次調(diào)整工裝螺釘高度和墊塊厚度，零件找正時(shí)間在30 min左右，找正時(shí)間與機(jī)床有效工作時(shí)間相當(dāng)。

(3)易變性，尺寸難保證：鑄件壁厚為5±1 mm，裝夾力小了無法保證加工安全性，裝夾力大了會(huì)使零件產(chǎn)生變形，零件加工后在機(jī)測(cè)量各尺寸均能滿足要求，卸去裝夾力后，應(yīng)力釋放導(dǎo)致零件回彈變形，尺寸難以保證。圖4為齒輪箱殼體關(guān)鍵尺寸附圖，圖5為裝夾位置示意圖。

圖4 齒輪箱殼體加工工藝附圖

圖5 齒輪箱殼體裝夾位置示意圖

2 工裝設(shè)計(jì)

以提高機(jī)床有效利用率，控制裝夾變形保證尺寸精度為目標(biāo)，結(jié)合高精度柔性制造的理念設(shè)計(jì)齒輪箱殼體快換工裝。具體的工裝結(jié)構(gòu)見圖6，工裝核心部件為快換托板、基礎(chǔ)座及高精度定位拉釘。

圖6 齒輪箱殼體快換裝夾示意圖

(1)快換托板 改變現(xiàn)有的零件機(jī)內(nèi)裝夾找正模式，設(shè)計(jì)制作快換托板，見圖7。托板上設(shè)計(jì)對(duì)線塊，通過對(duì)線快找正殼體表面劃線，每個(gè)機(jī)床配置兩塊托板，一個(gè)用于機(jī)內(nèi)加工，一個(gè)機(jī)外找正，將殼體對(duì)線找正轉(zhuǎn)移到機(jī)外進(jìn)行，提高機(jī)床有效利用率。

圖7 快換托板

(2)基礎(chǔ)座 設(shè)計(jì)制作快換基礎(chǔ)座，基礎(chǔ)座固定在機(jī)床底座上，基礎(chǔ)座與快換托板之間通過高精代銷螺桿連接。根據(jù)工藝流程設(shè)計(jì)兩種結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)座，分別用于齒輪箱殼體底面與端面加工(見圖8、9)，實(shí)現(xiàn)齒輪箱殼體在不同工位基礎(chǔ)座間的快速轉(zhuǎn)換，減少變換加工工位時(shí)的重復(fù)裝夾找正時(shí)間。

圖8 基礎(chǔ)座1 圖9 基礎(chǔ)座2

(3)高精度定位拉釘 快換托板與基礎(chǔ)座之間的連接采用具有自動(dòng)修正中心的定位拉釘連接，確保重復(fù)定位精度達(dá)到0.005 mm，殼體更換加工工位時(shí)的精度傳遞全部由托板和基礎(chǔ)座之間的精度保證?？鞊Q基礎(chǔ)座與托板通過拉丁、氣囊、蝶簧等實(shí)現(xiàn)快速連接鎖死，用氣體頂開鎖死鋼珠等實(shí)現(xiàn)拉丁與快換基礎(chǔ)座脫開，完成快速裝夾功能。結(jié)構(gòu)及功能示意圖見圖10。

圖10 托板與基礎(chǔ)座之間高精度定位鎖緊結(jié)構(gòu)示意圖

3 變形防控技術(shù)

為了解決裝夾變形導(dǎo)致的尺寸超差問題，設(shè)計(jì)可調(diào)節(jié)專用支撐螺釘，對(duì)應(yīng)放置于與齒輪箱殼體外表面壓板接觸點(diǎn)的內(nèi)腔，見圖11。通過加工工藝試驗(yàn)，研究?jī)?nèi)外表面螺釘擰緊力矩與變形的關(guān)系，最終得到滿足產(chǎn)品尺寸精度要求的防裝夾變形擰緊力矩，壓板固定螺釘?shù)臄Q緊力矩：20 Nm，內(nèi)腔支撐螺釘擰緊力矩：10 Nm。

圖11 齒輪箱殼體機(jī)外快速裝夾步驟

4 加工驗(yàn)證

應(yīng)用快換工裝及擰緊參數(shù)，加工3個(gè)產(chǎn)品，驗(yàn)證措施的有效性。加工工藝流程見圖12～14為快換工裝在工序中的實(shí)際應(yīng)用情況。

圖12 試驗(yàn)加工工藝流程

圖13 2工序加工底面與開襠 圖14 3工序加工端面與軸承孔

驗(yàn)證結(jié)果：

(1)快換工裝將產(chǎn)品的裝夾找正移至機(jī)外進(jìn)行，不占用機(jī)床有效工作時(shí)間，提高機(jī)床有效利用率和產(chǎn)品加工效率，加工過程時(shí)間統(tǒng)計(jì)見表1所列。

表1 工序過程時(shí)間統(tǒng)計(jì)

(2)3件產(chǎn)品加工后尺寸測(cè)量均合格，計(jì)量結(jié)果見表2，尺寸標(biāo)注參照?qǐng)D4。

表2 尺寸測(cè)量結(jié)果

5 結(jié) 語

為解決齒輪箱殼體裝夾找正時(shí)間長(zhǎng)、機(jī)床有效利用率低的問題，設(shè)計(jì)制作了由快換托板、基礎(chǔ)座、高精度定位拉釘組成的快換工裝，將產(chǎn)品對(duì)線找正轉(zhuǎn)移到機(jī)外進(jìn)行，減少設(shè)備停機(jī)時(shí)間，提高有效利用率；為解決齒輪箱殼體裝夾易變性、產(chǎn)品合格率低的問題，設(shè)計(jì)可調(diào)節(jié)專用支撐螺釘，并對(duì)快換工裝擰緊力矩進(jìn)行量化控制。經(jīng)加工實(shí)踐驗(yàn)證，措施可行有效，可供類似殼體類零件的防變形高效加工。

研究成果表明，在工藝裝備柔性化、智能化、精細(xì)量化等方面進(jìn)行針對(duì)性研究，可作為解決實(shí)際加工難題的重要技術(shù)手段。