商開振，劉 霞，李 洋，邵世權，張 鋒

（菏澤技師學院，山東 菏澤 274026）

1 引言

近年來，隨著我國5G通信技術日趨成熟，物聯(lián)網(wǎng)、混合云技術等不斷融入傳統(tǒng)煤機制造行業(yè)，有力推動了我國采煤機研發(fā)制造向智能化的轉(zhuǎn)型發(fā)展。不斷發(fā)展的煤炭工業(yè)在保障安全生產(chǎn)、提升開采效率和改善工作環(huán)境等方面對傳統(tǒng)煤機制造行業(yè)提出了更高要求，以少人、無人為特點的智能煤礦成為新的發(fā)展趨勢。由于國外智能采煤機價格昂貴，故障排查、處理困難，配件昂貴，且生產(chǎn)作業(yè)過程中問題較多，我國煤炭企業(yè)對國產(chǎn)智能采煤機的需求日益增大。

關鍵零部件的制造工藝是智能化采煤機由圖樣變成現(xiàn)實的基石。本文來源于某智能型電牽引采煤機研發(fā)項目，主要圍繞研發(fā)過程中關鍵零部件搖臂內(nèi)齒圈的制造工藝方案進行研究，以突破采煤機智能化進程中的技術瓶頸。

2 智能采煤機制造工藝關鍵問題

傳統(tǒng)采煤機零部件的加工制造工藝已經(jīng)日趨成熟，也給智能化采煤機提供了經(jīng)驗參考，但也有新的加工難題出現(xiàn)。其中搖臂部件中行星輪系的內(nèi)齒圈因尺寸大、壁較薄，形位公差要求較高，成為智能采煤機制造過程中的加工難題。智能采煤機搖臂行星輪系如圖1所示。

圖1 智能采煤機搖臂行星輪系

搖臂行星齒輪系是搖臂的減速機構，具有體積小、承載能力大、運行平穩(wěn)的特點。由于搖臂腔體結構的智能化設計，造成行星輪系內(nèi)齒圈外徑尺寸減小，為684 mm，最大壁厚為31 mm，最小壁厚為14.5 mm。智能化采煤機搖臂內(nèi)齒圈如圖2所示。

圖2 智能化采煤機搖臂內(nèi)齒圈

壁厚與直徑之比約1/20，屬于車削加工中較難加工的薄壁結構。由于外徑尺寸超出普通三爪卡盤的夾持范圍，該零部件只能由夾緊力較大的四爪單動卡盤夾持，這進一步加大了零部件變形風險。而為了保證行星傳動機構正常運行，避免因內(nèi)齒圈圓柱度超差，造成采煤機搖臂工作時出現(xiàn)震動、噪聲問題，該零部件的圓柱度需要保持在0.03 mm以內(nèi)。

3 搖臂內(nèi)齒圈工藝方案

3.1 總體工藝方案分析

搖臂內(nèi)齒圈主要包括外圓、端面、同軸孔系、開口直槽和內(nèi)齒等結構。由于薄壁件易發(fā)生變形，其外圓與內(nèi)孔等關鍵結構的加工應分粗加工、半精加工和精加工3個階段。為提高此材料加工性能，在粗加工后加入調(diào)質(zhì)工序。內(nèi)齒分為粗加工與精加工兩個階段，并將粗插工序安排在齒頂內(nèi)孔車成，其余外圓內(nèi)孔留余量之后。在粗插齒形后，加入時效處理以消除內(nèi)在應力。開口直槽在精車與精插齒形中間。由于搖臂內(nèi)齒圈是傳動零部件，在采煤機切割煤壁時需要持續(xù)承受較大沖擊與震動，因此齒部需要進行表面氮化以增強其耐磨、耐疲勞特性；其具體的工藝路線如圖3所示，其中各孔、外圓的精車加工是加工難點。

圖3 搖臂內(nèi)齒圈工藝路線總圖

3.2 搖臂內(nèi)齒圈重點工序工裝設計

薄壁類工件壁厚較小，剛性較差，裝夾時夾具的夾緊力難以把握，造成了此類薄壁零部件的形位公差難以保證。在夾緊力超出壁厚承受能力的情況下，零部件沿夾緊力接觸點出現(xiàn)變形，雖然未卸下工件前測量各部分尺寸完全符合，但夾緊力撤銷以后，零部件會在受力處發(fā)生彈性恢復，不能有效保證其最終圓柱度公差。針對內(nèi)外圓結構的車削精加工工序圓柱度0.03 mm的要求，提出了與數(shù)車四爪單動卡盤配套使用的扇形可微調(diào)軟爪的解決方案。

此套夾具設計為外、內(nèi)軟爪以分別配套夾持工件外圓、支撐內(nèi)孔的裝夾方式，如圖4、圖5所示。均為一套4件，利用緊固螺栓固定在四爪單動卡盤卡爪上，如圖6、圖7所示。其中外軟爪用于夾持內(nèi)齒圈外圓，進行車削工件內(nèi)齒口；內(nèi)軟爪支撐加工好的內(nèi)齒口，一次裝夾車成其他外圓、內(nèi)孔和臺階等結構。四爪卡盤的卡爪是單個運動，無法實現(xiàn)自定心，工件的找正比較困難；為了解決此問題，在此套軟爪上設置了微調(diào)螺栓，便于進行準確找正。

圖4 外軟爪

圖5 內(nèi)軟爪

圖6 外軟爪夾持工件外圓

圖7 內(nèi)軟抓支撐工件內(nèi)齒口

此套夾具克服了四爪單動卡盤夾持薄壁件產(chǎn)生大尺寸變形的缺點，且具有很好的通用性。軟爪采用扇形結構，一組4個軟爪配套使用可以形成環(huán)抱結構，成倍地加大零部件的裝夾面積，減小零部件變形，較大地提高了零部件的裝夾穩(wěn)定性。材料選用45鋼，相對于內(nèi)齒圈硬度較低，可以保護零部件表面不被夾傷。同時，在裝夾之前可以根據(jù)不同零部件夾緊部位的結構尺寸，將軟爪配作成不同的結構；因此能適用于大多數(shù)環(huán)形薄壁工件的裝夾。

4 搖臂內(nèi)齒圈裝夾狀態(tài)的受力分析

4.1 搖臂內(nèi)齒圈夾緊力的計算

夾緊力的大小直接影響零部件的形狀準確度，故針對搖臂內(nèi)齒圈在數(shù)控車床四爪單動卡盤上的夾緊力進行計算。明確零部件的受力狀況，便于驗證利用扇形可調(diào)節(jié)軟爪來保證零部件公差要求的有效性。在不考慮重力及其他伴生力的情況下，夾緊力主要與受材料工藝性、刀具角度等因素影響的切削力

P

的大小和方向有關。（1）單位切削力

P

的計算查《機械加工工藝手冊》，對于一般的切削條件下，單位切削力

P

的計算公式為

式中，

C

決定于被加工金屬和切削條件系數(shù)，取值2 650 N；

f

為進給量，取值0.18 mm；

k

為實際加工條件與經(jīng)驗公式的條件不符時，各項因素對切削力修正系數(shù)的積，分別為被加工材料加工性能、刀具前角、主偏角、刃傾角、刀尖圓弧半徑和后刀面磨鈍標準對切削力的修正系數(shù)，計算取值1.35。將上述數(shù)據(jù)代入式（1）得

P

=5 503.85 N/mm。

（2）夾緊力的計算

車床四爪單動卡盤的夾緊力與工件加工過程中的單位切削力、慣性力、摩擦力及其他伴生力密切相關，一般先計算理論夾緊力，再乘安全系數(shù)來確定。夾緊力

W

的計算公式為

式中，

k

為安全系數(shù)，

k

＝

k

k

k

k

，其中，

k

為一般安全系數(shù)，

k

為加工性質(zhì)系數(shù)，

k

為刀具鈍化系數(shù)，

k

為斷續(xù)切削系數(shù)，計算取值2.6。

P

為切削力，計算取5 503.85 N/mm。

μ

為卡爪與工件之間的摩擦系數(shù)，取值0.1。將上述數(shù)據(jù)代入式（2）得

W

=143 100 N。由于使用四爪單動卡盤裝夾時夾緊力不好控制，且考慮工件重力、慣性力及其他伴生力的作用，選取安全系數(shù)為1.25，故其實際夾緊力為178 875 N。

4.2 搖臂內(nèi)齒圈夾具工作狀態(tài)的受力分析

針對四爪單動卡盤、扇形軟爪夾持外圓、支撐內(nèi)孔的狀態(tài)進行變形量的對比驗證。在使用四爪單動卡盤裝夾時，搖臂內(nèi)齒圈在夾緊力的作用下將會產(chǎn)生過大變形，其中夾持外圓時的變形量為0.066 mm，如圖8所示；支撐內(nèi)孔時的變形量為0.053 mm，如圖9所示。

圖8 四爪夾持工件外圓變形

圖9 四爪支撐工件內(nèi)孔變形

在使用扇形軟爪后，搖臂內(nèi)齒圈的變形減少。其中夾持外圓時的最大變形量為0.005 mm，如圖10所示；支撐內(nèi)孔時的變形量為0.026 mm，如圖11所示。

圖10 外爪夾持工件外圓變形

圖11 內(nèi)爪支撐工件內(nèi)齒口變形

由此可知扇形軟爪的應用將變形量至少減小60%，才能有效保證搖臂內(nèi)齒圈的形位公差要求。

5 搖臂內(nèi)齒圈關鍵工序的仿真驗證

為了驗證實際加工過程，獲得用于生產(chǎn)的編程數(shù)據(jù)，針對搖臂內(nèi)齒圈圓柱度要求為0.03 mm的外圓、內(nèi)齒口等結構的精車工序進行仿真模擬驗證。利用SolidVerify模擬及CAD圖形上的刀具路徑驗證等功能驗證刀具路線，核查是否撞刀、過切或未加工，以便修改加工參數(shù)。

5.1 毛坯形狀的設定

由工藝分析可知，粗車、半精車已對各內(nèi)孔、外圓等結構留下精車余量3 mm。為了便于仿真，在不影響加工編程數(shù)據(jù)的情況下，對毛坯中粗插后的齒形、按余量加大銑成的兩面直槽等結構進行合理簡化，其形狀如圖12所示。

圖12 搖臂內(nèi)齒圈毛坯圖

5.2 SolidVerify工藝路線模擬

通過對搖臂內(nèi)齒圈結構特點及工藝路線的分析可知，本工序包括外軟爪夾持、內(nèi)軟爪支撐兩個工步，均由數(shù)控車床進行加工。

（1）外軟爪夾持外圓車成內(nèi)齒口

工件內(nèi)孔以及兩端面已經(jīng)由半精車工序加工完成。依據(jù)先重要表面后次要表面的工藝原則，先加工內(nèi)齒口代相連接的圓角，后加工工件外圓上的倒角（按余量加大車成）。其刀具的路線仿真如圖13所示。

圖13 搖臂內(nèi)齒圈內(nèi)齒口加工SolidVerify驗證

（2）內(nèi)軟爪支撐內(nèi)齒口車成另一端

搖臂內(nèi)齒圈另一端主要包括臺階孔、外圓及外圓上環(huán)形槽、相關端面、圓角、倒角等結構。如圖14所示，內(nèi)軟爪支撐內(nèi)齒口后，加工臺階孔及相關的端面、圓角等結構，然后加工工件外圓以及相關倒角，最后利用車槽刀切削位于外圓上的環(huán)形槽。

圖14 搖臂內(nèi)齒圈其余結構加工SolidVerify驗證

5.3 刀具路線及過切/殘料驗證

兩個工步的走刀路線如圖15所示。通過刀具路線及SolidVerify模擬功能可知，本工序刀路正確，不會發(fā)生撞刀、干涉等現(xiàn)象。

圖15 搖臂內(nèi)齒圈各工步刀具路線驗證

搖臂內(nèi)齒圈過切/殘料驗證結果如圖16所示?？芍魍S孔及相應的端面、密封槽都加工完成。圖中紅色部分殘料為由于毛坯設置時簡化的內(nèi)齒與兩面直槽，其中內(nèi)齒精車前已粗插，精車后仍有精插工序；兩面直槽已經(jīng)在精車工序前加工完畢。其余各面的形狀與尺寸都與設定好的加工形狀吻合，最終加工形狀符合預期。

圖16 搖臂內(nèi)齒圈過切/殘料驗證

6 搖臂內(nèi)齒圈的生產(chǎn)加工及使用

在前期工作提供的各項工藝資料的支持下，此零部件通過使用數(shù)控車、Y58插齒機等數(shù)控設備，順利完成了零部件的加工并進行了裝配。通過使用扇形可調(diào)節(jié)軟爪裝夾在數(shù)控車床上使搖臂內(nèi)齒圈圓柱度的要求得到了保證，經(jīng)三坐標測量儀檢測，改進后的搖臂內(nèi)齒圈圓柱度為0.024 mm，滿足設計要求。該智能化采煤機經(jīng)過三機配套聯(lián)合調(diào)試，運行狀況良好，搖臂未出現(xiàn)異常噪聲。

7 結束語

本研究通過對工件夾緊力與工藝路線的分析，得到了一套合理的大直徑薄壁件夾持方案，并進一步對搖臂內(nèi)齒圈進行了加工過程的仿真與驗證。通過對零部件各部分結構的刀具路線、加工過程的走刀情況、加工后有無過切或殘料情況的驗證，有效確保了本套搖臂內(nèi)齒圈裝夾工裝以及加工工藝方案的正確性，為實際生產(chǎn)提供了技術數(shù)據(jù)，保障了智能化采煤機由設計方案向現(xiàn)實產(chǎn)品的轉(zhuǎn)化，為國家煤機智能化事業(yè)中薄壁類疑難零部件的加工提供了經(jīng)驗參考。