岳果,任權(quán)國,鄧戰(zhàn)斗,馬陸,李隴濤

1徐工集團工程機械股份有限公司建設(shè)機械分公司;2徐州徐工挖掘機械有限公司;3松德刀具(長興)科技有限公司

1 引言

履帶式起重機的履帶架(見圖1)有整體式和分體式兩種,箱型結(jié)構(gòu)依靠銷軸連接,和車架、驅(qū)動架共同構(gòu)成車輛下車主體結(jié)構(gòu),是整車承重和保持平衡的關(guān)鍵部位,其可靠性將直接影響車輛的行駛性能和整車穩(wěn)定性。

圖1 履帶架結(jié)構(gòu)

履帶架的各部位加工點有較高的尺寸精度和位置精度要求,體積大,材質(zhì)硬,加工困難,如減速機安裝孔在精加工工序后,鉆圓周過孔時會對已加工的安裝孔產(chǎn)生橫向擠壓力,導(dǎo)致已加工孔徑縮小和圓度不符合要求。通過切削試驗收集數(shù)據(jù)、優(yōu)化切削參數(shù)和工藝路線、制作防抖動工裝的方法來逐步實現(xiàn)加工質(zhì)量和效率的提升。

2 影響孔加工質(zhì)量和效率的因素

2.1 影響加工質(zhì)量的主要因素

(1)切削參數(shù)選擇不合理

切削三要素切削速度vc、進給量f和背吃刀量ap三者的關(guān)系為vc=nπd/1000。三者間任一參數(shù)的變化都將直接影響產(chǎn)品的加工質(zhì)量和加工效率,例如背吃刀量過大會造成工藝系統(tǒng)的穩(wěn)定性差,加工時產(chǎn)生抖動致使已加工表面光潔度差,切削速度過高則會出現(xiàn)刀具磨損較快等問題。

(2)加工過程累積誤差大

根據(jù)加工現(xiàn)場分析,履帶架在機械加工過程中由于工序過于分散需要進行五次翻轉(zhuǎn)并重新裝夾定位,每次定位都會出現(xiàn)不同程度的誤差,同時考慮人員操作技能水平、設(shè)備精度等因素的影響,最后一道工序加工完成后上下基準(zhǔn)線累積偏差≥4(實際要求≤1),不能滿足設(shè)計要求,造成后期驅(qū)動架安裝時前后驅(qū)動輪中心不重合,調(diào)試行走時產(chǎn)生異響并伴有啃齒現(xiàn)象。

(3)加工機械振動明顯

機械振動是工件在其平衡位置附近有規(guī)律的往復(fù)運動。由于加工過程中切削參數(shù)不規(guī)范、工件自由度部分缺失以及機床自身的功率、剛性特征等原因,履帶架在加工時不具備良好的切削環(huán)境,切削過程中產(chǎn)生強烈的抖動和噪聲,工藝系統(tǒng)整體穩(wěn)定性較差。

2.2 影響加工效率的主要因素

(1)工藝路線不合理

工藝路線表示產(chǎn)品加工路線(順序)和各個工序中的標(biāo)準(zhǔn)工時定額。履帶架現(xiàn)有加工工藝路線安排:①劃線(劃線平臺);②鏜銑減速機安裝孔(FPT-MARX雙面落地加工中心);③鏜銑吊耳(北一五面體加工中心);④銑支重輪內(nèi)端面(北一五面體加工中心);⑤鉆孔攻螺紋(Z3080鉆床);⑥檢驗檢測。此工藝路線沒有考慮實際生產(chǎn)因素約束,過程中需要多次翻轉(zhuǎn)工件,工序較為分散,已加工表面容易發(fā)生磕碰,順序不合理,加工精度、效率低。

現(xiàn)階段,履帶式起重機履帶架的加工是分散到多個設(shè)備、多道工序完成(四臺設(shè)備六道工序),每道工序的加工內(nèi)容少且工藝路線長。其特點是:對設(shè)備、工藝裝備、人員技能水平要求低,便于調(diào)整,產(chǎn)品互換便捷;所需要的設(shè)備、操作人員、工裝夾具較多,占地面積大,易積累誤差,產(chǎn)生不合格品。

(2)工裝夾具缺失

工裝是制造過程中各種工具的總稱,夾具是用于裝夾工件的裝置。機械加工過程中為了限制工件的自由度,會通過工裝夾具等輔助裝置從不同角度保證夾緊牢靠。履帶架的減速機安裝孔在銑削鉆削時由于軸向切削力不斷增大,履帶架架身抖動明顯,并且會發(fā)生縱向竄動,判斷為Z(W)軸方向自由度缺失,需要依靠專用的工裝夾具限制其自由度。

(3)刀具選擇不合理

履帶架減速機安裝孔加工直徑范圍為φ320～φ520mm,目前主要采用山特維克重載刀具多次分層切削,但因受到工件材質(zhì)變化和焊接缺陷造成架身局部不同程度變形的影響,在鏜削加工過程中產(chǎn)生大量帶狀鐵屑將刀尖刀體纏繞,刀尖磨損崩碎情況嚴(yán)重,已加工表面產(chǎn)生溝痕,加工質(zhì)量差,加工效率低,需要考慮重新匹配和優(yōu)化相關(guān)切削參數(shù)。

3 提升孔加工質(zhì)量和效率的控制措施

3.1 優(yōu)化工藝路線

關(guān)于工藝路線的擬定,目前沒有一套精確的計算方法,只有一些經(jīng)過生產(chǎn)實踐得出的經(jīng)驗性和總結(jié)性的原則。對原有工藝路線進行優(yōu)化(見表1):采用工序集中的原則,由同一臺設(shè)備完成關(guān)鍵工序步驟,減小和避免產(chǎn)生累積誤差;減少工件翻轉(zhuǎn)次數(shù)(由5次降低至2次),保護已加工表面,避免受到磕碰。

將履帶架的加工集中在少數(shù)幾道工序和設(shè)備中完成,每道工序的加工內(nèi)容相對較多。其特點是:減少人員、設(shè)備、場地面積、裝夾次數(shù)等,有利于保證表面間的相互位置精度和尺寸精度,大大提高了生產(chǎn)效率,同時縮短了工藝路線和加工周期,減少多次裝夾所造成的誤差。

由于減速機安裝孔和圓周螺栓過孔之間距離小、剛性差,導(dǎo)致鉆削圓周過孔時產(chǎn)生較大的橫向擠壓應(yīng)力,對已預(yù)先鏜削加工的大孔造成擠壓變形,使其直徑尺寸減小約0.20～0.40mm,不符合圖紙要求。預(yù)留半精銑、精銑量1.5mm,調(diào)整加工路線,鉆削完成后再對減速機安裝孔精加工,將擠壓變形量提前過位到預(yù)留量內(nèi),使其直徑尺寸滿足圖紙要求。同時,在進行工件翻轉(zhuǎn)銑削加工履帶架架身支重輪內(nèi)端面時,同樣采用半精銑、精銑單側(cè)前后尾部端面(見圖2),預(yù)留基準(zhǔn)面的方法(預(yù)留面在同一平面內(nèi)),大大降低了二次找正的難度和誤差。最后驗證各部位中心線趨于重合滿足圖紙尺寸要求,經(jīng)檢驗獲得數(shù)據(jù)均值:中心線偏差≤0.5mm(要求:中心線偏差≤1mm)。

圖2 基準(zhǔn)轉(zhuǎn)換實例

3.2 刀具和程序的選用

為避免大量帶狀鐵屑纏繞刀具,損毀刀片,降低切削效率,粗銑時主要以去除余量為主,采取φ160面銑刀代替重載鏜刀進行螺旋插補式銑削(見圖3),在采用螺旋插補銑孔時,刀具8個刀片分別斷續(xù)切入,避免了帶狀鐵屑的產(chǎn)生并控制了鐵屑流向。但也由于斷續(xù)式切入,呈現(xiàn)在加工孔的表面刀痕是較大的波紋,表面粗糙度差。為了保證高效切削下的表面粗糙度要求,仍然采用面銑刀進行粗加工,采用玉米銑刀或精鏜刀對該孔進行精加工(預(yù)留精加工量)以保證表面加工質(zhì)量能夠達到圖紙設(shè)計要求。

(a)

螺旋插補銑通用程序插補銑φ668孔程序段示例:

R1=175/2+0.6

R2=668/2

G0G54X0Y0

S420M3F2000

G0Z0W0

G2Y=-(R2-R1) X0 CR=(R2-R1)/2

G2J=R2-R1 TURN=30 W=-60

3.3 優(yōu)化切削參數(shù)

切削要素的選定法則:依次確定背吃刀量、進給量和切削速度。履帶架的加工中,經(jīng)過反復(fù)試驗發(fā)現(xiàn),提高效率最有效的方法即增大背吃刀量,當(dāng)吃刀量達到進給量的10倍后,再次增加吃刀量對刀具的耐用度影響很小,而進給量和切削速度一旦增加至原先的2倍,刀具會出現(xiàn)明顯的磨損和崩刃現(xiàn)象。因此在工裝夾具的共同配合下將履帶架的吃刀量加大到5～8mm,根據(jù)實際生產(chǎn)加工試驗收集到的數(shù)據(jù),同時對加工質(zhì)量、刀具成本、效率提升三個方面進行綜合評定,最終總結(jié)出較為合理的切削用量參考范圍(見表2)。

表2 增添防抖動夾具前、后銑孔切削用量優(yōu)化對比

4 工裝夾具制作應(yīng)用

由于在銑、鉆削減速機安裝孔和圓周螺栓孔時,產(chǎn)生較大的主軸方向切削分力,當(dāng)切削位置和切削用量改變時,履帶架在軸向產(chǎn)生抖動,導(dǎo)致被迫減小切削用量,切削效率明顯降低。在沒有檢索收集到相關(guān)技術(shù)資料情況下,根據(jù)長期加工經(jīng)驗的積累,在現(xiàn)場進行切削參數(shù)優(yōu)化試驗,設(shè)計出兩套加工防抖動夾具(見圖4和圖5)。防抖夾具的應(yīng)用,限制了工件自由度,增加了工藝系統(tǒng)的穩(wěn)定性與可靠性,從根源上解決了上述問題,履帶架的加工效率和加工質(zhì)量得到明顯提升。

1.地腳螺栓 2.連接螺栓 3.支承架I 4.緊固螺套 5.緊固螺母 6.緊固螺桿Ⅰ 7. 支承架Ⅱ 8. 緊固螺桿Ⅱ

圖5 防抖夾具三維結(jié)構(gòu)

5 結(jié)果驗證

綜上所述,經(jīng)過對比改善前后的時間、效率、刀具損耗、質(zhì)量檢測數(shù)據(jù)(見表3),得到以下結(jié)果:

表3 減速機孔試驗數(shù)據(jù)表

①加工效率提升驗證 履帶架加工效率平均提升切削效率21.90%(見表3),平均節(jié)省切削時間0.46h/件;

②加工質(zhì)量驗證 經(jīng)過質(zhì)量檢驗員出具檢測報告統(tǒng)計,連接大孔表面粗糙度合格率>95%,大孔加工尺寸和圓度精度合格率>99%;

③刀具成本驗證 最多節(jié)省刀片3片,最少節(jié)省刀片2片,平均節(jié)省刀片2.6片。

6 結(jié)語

通過切削加工試驗收集數(shù)據(jù),分析出影響履帶架加工質(zhì)量和加工效率的因素為加工工藝系統(tǒng)穩(wěn)定性差、工序分散基準(zhǔn)不統(tǒng)一和切削參數(shù)選擇不合理三點,為此分別采取三項應(yīng)對措施:設(shè)計制作防抖動工裝以提高加工工藝系統(tǒng)的穩(wěn)定性;采取工序集中原則重新確定加工工藝路線,以解決基準(zhǔn)不統(tǒng)一產(chǎn)生的累積誤差造成的啃齒質(zhì)量問題;篩選出合理的切削參數(shù)選用范圍。實施后解決了履帶架生產(chǎn)加工過程中表面質(zhì)量差、尺寸精度、位置精度不能滿足設(shè)計要求的質(zhì)量問題,控制了產(chǎn)品合格率,同時由于工藝系統(tǒng)穩(wěn)定性的提高和切削參數(shù)的優(yōu)化提升了減速機孔的加工效率。