常文衛(wèi)，姜建，張李海榮

中車株洲電力機(jī)車有限公司 湖南株洲 412001

1 序言

直立式真空斷路器是機(jī)車車輛的重要部件之一，其安裝在車頂，起著機(jī)車與接觸網(wǎng)之間的電路引入和退出作用，同時(shí)還可用于電力機(jī)車的運(yùn)輸過載和電氣短路保護(hù)[1]。轉(zhuǎn)動箱如圖1所示，是直立式真空斷路器中的一個(gè)關(guān)鍵部件，主要作用是承擔(dān)真空斷路器低壓部分傳來的機(jī)械動力，并且將其轉(zhuǎn)換成機(jī)械能，在質(zhì)保期需要經(jīng)過20萬次的往返運(yùn)動，要保持很高的機(jī)械強(qiáng)度，不產(chǎn)生變形和位移。轉(zhuǎn)動箱質(zhì)量的好壞和運(yùn)行狀態(tài)直接影響真空斷路器能否正常工作。

圖1 真空斷路器轉(zhuǎn)動箱

2 加工要求與存在的問題

轉(zhuǎn)動箱是整個(gè)直立式真空斷路器部件加工制造中比較復(fù)雜、技術(shù)要求較高的零件之一，由壁厚為10mm的ZL104鑄造鋁合金腔體加工而成，其結(jié)構(gòu)尺寸如圖2所示，4個(gè)腰形槽的尺寸精度要求很高，寬度尺寸公差為0.05mm，垂直度和平行度公差有的僅為0.03mm。目前在加工時(shí)，在夾緊力、銑削力的作用下很容易產(chǎn)生腔體變形，使得腰形槽幾何公差、尺寸精度超差，導(dǎo)致廢品率、返工率高達(dá)20%以上。

圖2 轉(zhuǎn)動箱結(jié)構(gòu)尺寸

3 原因分析

3.1 結(jié)構(gòu)剛性差

轉(zhuǎn)動箱為鑄造鋁合金薄壁空腔結(jié)構(gòu)，工藝系統(tǒng)剛性較差，加工過程中存在工件變形和位移現(xiàn)象，這是導(dǎo)致腰形槽精度超差的主要原因。

3.2 工裝夾具精度不高

工件裝夾方式選擇不當(dāng)、接觸表面過小容易發(fā)生振動，以及裝夾精度較低等問題，都是導(dǎo)致加工過程中誤差過大的主要原因。

3.3 加工方法不合理

轉(zhuǎn)動箱腰形槽的加工采用萬能分度頭裝夾，用頂尖頂持，然后進(jìn)行垂直銑削加工。因轉(zhuǎn)動箱屬于薄壁零件，故其加工工藝體系剛度較差，在銑削過程中易發(fā)生刀具振動，無法達(dá)到設(shè)計(jì)中的技術(shù)指標(biāo)，對加工質(zhì)量造成了很大的影響。

4 工藝優(yōu)化措施

4.1 改良加工方法

為提高轉(zhuǎn)動箱的工藝剛度，腰形槽改用臥式加工中心銑削加工，并重新為轉(zhuǎn)動箱加工設(shè)計(jì)了一套夾具，如圖3所示。加工時(shí)直接把夾具安裝在機(jī)床的工作臺上，用較低的表面粗糙度值來提高轉(zhuǎn)動箱基面與夾具接觸定位面的接觸精度，可使轉(zhuǎn)動箱與夾具間的有效接觸面積增大，提高裝夾剛度[2]。

圖3 轉(zhuǎn)動箱加工用夾具

夾具原理及誤差分析：轉(zhuǎn)動箱底部使用一個(gè)平面和兩個(gè)孔作為定位基準(zhǔn)來完成組合表面定位，這就是所謂的一面兩孔定位。大平面限制了繞X軸和繞Y軸的轉(zhuǎn)動、沿Z軸的移動3個(gè)自由度，定位銷限制了沿X軸和沿Y軸的移動2個(gè)自由度，菱形銷限制了繞Z軸的轉(zhuǎn)動1個(gè)自由度，形成了一種可靠的定位方式[3]。另外，轉(zhuǎn)動箱頂部采用一塊有4個(gè)接觸點(diǎn)的壓板來壓緊，以保證工作時(shí)的穩(wěn)定，從而不會出現(xiàn)任何一個(gè)方向的運(yùn)動或旋轉(zhuǎn)現(xiàn)象。

（1）轉(zhuǎn)動箱的基準(zhǔn)位移誤差分析 定位誤差的計(jì)算公式為

式中，Δr為定位誤差（mm）；δD1為工件定位孔的直徑公差（mm）；δd1為圓柱定位銷的直徑公差（mm）；Xmin為定位所需最小間隙（mm），由設(shè)計(jì)時(shí)確定。

根據(jù)式（1），計(jì)算可得定位誤差Δr＝0.027＋（－0.006＋0.017）＋（0＋0.006）＝0.044（mm）。

（2）轉(zhuǎn)角誤差分析 轉(zhuǎn)角誤差的計(jì)算公式為

式中，Δθ為轉(zhuǎn)角誤差（mm）；X1max為圓柱定位銷與孔間的最大間隙（mm）；X2max為菱形定位銷與孔間的最大間隙（mm）；L為中心距（mm）。

根據(jù)式（2），可得轉(zhuǎn)角誤差Δθ＝arctan[（0.027＋0.017＋0.027＋0.064）/（2×229.38）]＝1′6″。雙向轉(zhuǎn)角誤差為2′12″。

綜上所述，夾具的定位精度及轉(zhuǎn)角誤差完全符合圖樣對轉(zhuǎn)動箱的技術(shù)要求。

4.2 加工過程變形控制

由于在轉(zhuǎn)動箱的銑削過程中，尤其是粗加工去除大部分余量時(shí)，會有很大的銑削力和銑削熱產(chǎn)生，將打破鑄坯原有的殘余應(yīng)力平衡，使其在工件內(nèi)形成一個(gè)新的平衡，造成了工件的變形。另外，為了保證零件的加工精度，還應(yīng)采取有效的加工方法和可靠的裝夾方法。因此，如何減少變形并進(jìn)行有效的控制，對于提升轉(zhuǎn)動箱的銑削加工精度至關(guān)重要。

（1）制定合理的工藝路線 按照對轉(zhuǎn)動箱的精密制造需求，將加工過程分為粗加工、半精加工和精加工3個(gè)階段。粗加工時(shí)，使用比較大的壓裝力和銑削力，為精加工預(yù)留適當(dāng)?shù)你娤髁?，以改善工件的形狀穩(wěn)定性；精加工時(shí)，要確保零件的加工精度，選取合理的切削用量，盡量減小銑削力；要合理選擇裝夾方案，以減小裝夾變形和加工變形；應(yīng)盡可能采用高速銑削方式，并選取適當(dāng)?shù)睦鋮s方式，在確保加工質(zhì)量的同時(shí)，減少切削熱對工件造成的影響。

（2）合理確定加工順序及走刀路徑 加工順序?qū)ぜ淖冃斡泻艽蟮挠绊?。在確定加工順序時(shí)，一般的原則是：在確保零件裝夾方便、可靠定位和夾緊需求的同時(shí)，盡量減少零件本身和工藝的剛度下降，使得銑削過程處于一個(gè)比較好的剛性條件下，減少加工變形。

在刀具運(yùn)動過程中，因刀具運(yùn)動軌跡的差異，使得原始?xì)埩魬?yīng)力在加工過程中的釋放情況不同，并在銑削力與切削熱的共同影響下，形成了新的應(yīng)力分布，使加工過程中工件出現(xiàn)不同的變形[4]。在選擇加工路線時(shí)，粗加工時(shí)要使被加工材料盡可能被切除。精加工時(shí)使用順銑的方法，路徑應(yīng)盡可能平滑，要避免快速的轉(zhuǎn)彎，在刀軌轉(zhuǎn)角處要多加一個(gè)過渡圓弧，同時(shí)要適當(dāng)降低進(jìn)給速度；要使工件順利地切入和切出，應(yīng)盡量使銑削加工面平滑，避免由于銑削力的驟增而引起加工面傾斜，從而導(dǎo)致加工面精度下降。

進(jìn)給速度的計(jì)算公式為

式中，vf為進(jìn)給速度（mm/min）；n為主軸轉(zhuǎn)速（r/min）；z為所選銑刀的齒數(shù)；fz為銑刀每齒進(jìn)給量（mm/z）。

（3）優(yōu)化切削參數(shù) 為了保證銑刀的加工質(zhì)量，提高加工效率，減少刀具損耗，需要對銑刀的每齒進(jìn)給量作適當(dāng)調(diào)整，以達(dá)到對加工精度和加工質(zhì)量的有效控制。在CNC銑削過程中，切削參數(shù)符合關(guān)系式

式中，n為主軸轉(zhuǎn)速（r/min）；vc為切削速度（m/min）；d為刀具直徑（mm）。

式中，η為材料去除率（mm3/min）；ap為背吃刀量（mm）；ae為側(cè)吃刀量（mm）；vf為進(jìn)給速度。

在轉(zhuǎn)動箱的切削過程中，應(yīng)盡量選擇高速切削模式，以較小的背吃刀量和較低的切削溫度，達(dá)到較高的切削效率。該方法同樣也適用于比較小的易變形件和剛性差的薄壁工件。

4.3 優(yōu)化銑削程序

（1）相對坐標(biāo)與絕對坐標(biāo)編程 因?yàn)橄鄬ψ鴺?biāo)程序設(shè)計(jì)會造成累積錯(cuò)誤，而絕對坐標(biāo)程序設(shè)計(jì)則能有效地解決這個(gè)問題，所以針對機(jī)床的工藝特性，可以在關(guān)鍵位置使用絕對坐標(biāo)程序設(shè)計(jì)，而在普通位置使用相對坐標(biāo)程序設(shè)計(jì)或者絕對坐標(biāo)程序設(shè)計(jì)。在實(shí)際加工過程中，為了確保零件的加工精度和加工效率，根據(jù)加工精度的需要，可以靈活地運(yùn)用絕對坐標(biāo)程序設(shè)計(jì)和相對坐標(biāo)程序設(shè)計(jì)。

（2）采用最佳的數(shù)控加工程序 在轉(zhuǎn)動箱腰形槽的銑削中，采用了子程序法[5]，使其變得簡單，但在曲線與曲線的交叉點(diǎn)上存在顯著的接刀痕跡，這是由于CNC在面對RET（M17）命令時(shí)，需要進(jìn)行大量的計(jì)算、比較、判斷、查找和轉(zhuǎn)移等內(nèi)部工作，從而造成機(jī)床進(jìn)給瞬間停滯，引起切削力的驟然變化，從而在工件表面留下了接刀痕跡，所以需要使用直接程序來從根源上解決這個(gè)問題。兩種不同的腰形槽精加工程序見表1。

表1 兩種不同的腰形槽精加工程序

4.4 優(yōu)化裝夾方案

1）選取適當(dāng)?shù)奈恢弥С斜砻?，盡量選用較大的上下表面作為被測表面，且模具與被測表面的位置接觸面盡量大，并通過增加模具與被測表面的有效接觸面積來增加被測表面的接觸剛性，從而提升加工表面制造精度。

2）在確保轉(zhuǎn)動箱夾持可靠的情況下，應(yīng)盡量使夾持力均勻，并適當(dāng)增加夾持點(diǎn)數(shù)量，擴(kuò)大夾持影響區(qū)域；應(yīng)該在零件剛度好的方向上施加夾緊力，夾緊力應(yīng)垂直作用于定位面，并作用于剛度好的框壁表面上，盡可能采用夾具與支撐成對稱且較為均勻的方案。

5 結(jié)束語

在ZL104鑄造鋁合金薄壁空腔結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)動箱加工過程中，針對腰形槽超差原因進(jìn)行分析，通過對工藝路線、加工順序、走刀路徑、切削參數(shù)、加工程序和裝夾方案的整合優(yōu)化，解決了轉(zhuǎn)動箱腰形槽加工過程中的變形和位置度超差問題，成形合格率由80%上升至98%，加工質(zhì)量得到明顯改善，達(dá)到了設(shè)計(jì)要求。

專家點(diǎn)評

文章結(jié)構(gòu)合理，層次分明，條理清晰，論證充分。原因分析簡潔明了，改進(jìn)措施精確到位。亮點(diǎn)是薄壁空腔零件的銑削加工路徑和變形控制方法，同時(shí)解決了腔體變形和腰形槽形位超差難題，為類似鑄造鋁合金薄壁空腔零件的加工提供了經(jīng)驗(yàn)。