國(guó)產(chǎn)化電動(dòng)機(jī)殼精加工工藝

程升

上海電氣上重碾磨特裝設(shè)備有限公司工藝研究所 上海 200245

1 序言

圖1 電動(dòng)機(jī)殼三維立體圖

圖1所示電動(dòng)機(jī)殼是國(guó)家科技重大專項(xiàng)CAP1400先進(jìn)壓水堆核電項(xiàng)目反應(yīng)堆冷卻劑主泵CAP1400中的關(guān)鍵件，由于其特殊的使用條件和復(fù)雜的受力情況，其同軸階梯深孔系及端面孔系的尺寸精度、形狀和位置精度要求非常高，因此對(duì)加工工藝、測(cè)量技術(shù)等均提出了很高的要求，帶來了很大的挑戰(zhàn)。為了提高產(chǎn)品精度及保證項(xiàng)目的順利進(jìn)展，通過研制一套多功能深孔鏜孔系統(tǒng)來解決深孔加工技術(shù)難題，并結(jié)合公司設(shè)備現(xiàn)狀，開發(fā)研究更多深孔精加工方案。每種方案在精加工前均進(jìn)行模擬加工試驗(yàn)驗(yàn)證，根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果優(yōu)化精加工工藝方案，保證產(chǎn)品質(zhì)量。

2 電動(dòng)機(jī)殼精加工主要技術(shù)指標(biāo)

如圖2所示，電動(dòng)機(jī)殼總長(zhǎng)約4m，內(nèi)孔為多階同軸階梯孔，中間主孔徑φD與左、右兩端肩孔φD1H7、φD2H7同軸，要求與基準(zhǔn)A-B的徑向圓跳動(dòng)≤0.1m m；左端大法蘭肩面、右端面為密封面，法蘭端面無痕，左端φD2肩孔端面、φD1右端面，要求與基準(zhǔn)A-B的軸向圓跳動(dòng)≤0.05mm；主孔徑φD內(nèi)孔，φD2H7孔肩面、φD1H7右端面表面粗糙度值Ra＜1.6μm；左法蘭端24個(gè)φ135mm、右端面20個(gè)M72×3mm孔系沿圓周均布，孔系中心圓要求與孔軸線同軸，各孔位置度公差≤φ0.5mm。

3 深孔加工制造難點(diǎn)及解決方案

3.1 深孔加工制造難點(diǎn)分析

圖2 電動(dòng)機(jī)殼精加工要求示意

主孔徑φDH 7直徑1 0 0 0 m m以上，深度約2500mm，與基準(zhǔn)A-B的徑向圓跳動(dòng)≤0.1mm，采用立式車床加工時(shí)，方滑枕懸伸量2700mm以上?；砬邢髁εc懸伸量的關(guān)系見表1。由表1可知，懸伸越長(zhǎng)，方滑枕剛度越差，加工時(shí)所用的切削力越小。當(dāng)懸伸量為2500mm、滑枕變形量約為0.5mm時(shí)，切削力的推薦值為76.67kN，可見立式車床的加工精度及切削效率都較差。選用臥式車床加工時(shí)，常規(guī)方法需要使用車刀排，但因刀排懸伸過長(zhǎng)而產(chǎn)生的撓度會(huì)影響加工精度，因此無論在臥式車床或是在立式車床上加工，均難以保證產(chǎn)品內(nèi)孔的尺寸精度、形狀和位置精度。

表1 不同懸伸量時(shí)的滑枕剛度-切削力計(jì)算結(jié)果

3.2 深孔加工解決方案

圖3 多功能深孔鏜孔系統(tǒng)

針對(duì)電動(dòng)機(jī)殼深孔加工的特點(diǎn)及加工效率的要求，研制一套多功能深孔鏜孔系統(tǒng)（見圖3）。該系統(tǒng)裝置在臥式車床導(dǎo)軌上，具體方法是鏜桿與車床刀架通過連接裝置相連，隨車刀架實(shí)現(xiàn)軸向進(jìn)刀運(yùn)動(dòng)，機(jī)床導(dǎo)軌上前后支承架輔助支撐增加剛性，保證鏜頭行進(jìn)的直線性，增加接觸剛性和進(jìn)給切削的穩(wěn)定性。加工時(shí)用鏜頭上的多用途導(dǎo)向頭進(jìn)行后引導(dǎo)。鏜頭工作部位噴壓力切削液，以沖走切屑和進(jìn)行冷卻、潤(rùn)滑，再通過鏜桿內(nèi)孔排出，從而提高工件表面的加工精度和刀具壽命，保證深孔加工的直線性、同軸孔系精度及表面粗糙度要求。整體浮動(dòng)鏜刀、珩磨裝置具有后導(dǎo)向裝置，集半精鏜、精鏜、浮鏜和珩磨等工藝手段為一體，在臥式車床上進(jìn)行半精加工、精加工和超精加工，確?？椎某叽缇取A柱度和直線度滿足要求。

4 兩端面圓周孔系加工制造難點(diǎn)及解決方案

左法蘭2 4個(gè)φ1 3 5 m m孔、右端面2 0個(gè)M72×3m m孔沿圓周均布，孔系位置度公差≤φ0.5mm，且兩端角度方位一致。由于兩端圓周均布孔尺寸較大，若深孔精加工后再進(jìn)行端面孔加工，可能會(huì)因產(chǎn)生較大的變形量而影響深孔精度。因此，深孔精加工前端面孔系需要粗加工，僅保留較小的精加工余量，法蘭端φ20H7處加工出工藝基準(zhǔn)孔φ10H7，以保證精加工時(shí)兩端孔系角度方位一致。

5 加工過程控制

電動(dòng)機(jī)殼的精加工是在熱處理后，鍛件理化檢驗(yàn)各指標(biāo)符合設(shè)計(jì)要求后進(jìn)行的，主要工藝過程包括外圓、內(nèi)圓及端面孔系的加工。工序步驟為：內(nèi)、外圓半精加工→端面孔系粗加工→深孔精加工→外圓精加工→端面孔系精加工。

在進(jìn)行深孔主孔徑φDH7精加工前，各檔外圓、端面及肩面均留精加工余量并做好基準(zhǔn)圓同軸；φD1H7、φD2H7肩孔加工與φDH7主孔徑同直徑，以便深孔加工落刀；深孔精加工后，再以精加工后的主孔徑φDH7為基準(zhǔn)校正，進(jìn)行兩端φD1H7、φD2H7肩孔及外圓精加工。

大法蘭端面圓周上等分孔、小端面等分螺紋孔加工，要求在內(nèi)、外圓半精車后做好中心基準(zhǔn)，留余量粗鉆擴(kuò)孔，孔距誤差≤1.5mm；深孔及外圓精加工后，留精加工余量鏜孔，孔距誤差≤0.70mm；精加工時(shí)先試一刀，測(cè)量確認(rèn)孔位置度≤0.5m m后，精加工至設(shè)計(jì)要求。

6 深孔加工模擬試驗(yàn)及結(jié)果分析

6.1 模擬試驗(yàn)

多功能鏜孔系統(tǒng)工裝制造完成后，為降低產(chǎn)品質(zhì)量風(fēng)險(xiǎn)，要進(jìn)行模擬試驗(yàn)，目的是驗(yàn)證工藝方案的可行性、可靠性以及精加工方案的工藝優(yōu)化，且使操作人員通過模擬試驗(yàn)?zāi)苁炀氄莆沼枚喙δ茜M孔系統(tǒng)加工深孔的要點(diǎn)，為精加工積累經(jīng)驗(yàn)。

深孔模擬試驗(yàn)安排在鍛件調(diào)質(zhì)后，目標(biāo)孔徑尺寸φ808H7，孔深2700mm。模擬試驗(yàn)要求與工件精加工技術(shù)要求相同（見圖4），φ808H7深孔圓柱度≤0.1mm，小端端面與基準(zhǔn)A端軸向圓跳動(dòng)≤0.05mm。模擬加工前要對(duì)機(jī)床定位精度、幾何精度進(jìn)行標(biāo)定。加工時(shí)的切削參數(shù)：轉(zhuǎn)速10r/min，進(jìn)給量0.4mm/r，背吃刀量0.3mm。

圖4 深孔模擬加工示意

6.2 試驗(yàn)結(jié)果分析

深孔模擬加工試驗(yàn)數(shù)據(jù)見表2，直徑最大相差0.01mm，圓度最大相差0.01mm，圖樣要求圓柱度≤0.1mm。

試驗(yàn)結(jié)果表明，選用SIU3150數(shù)控臥式車床及多功能鏜孔系統(tǒng)加工深孔，能夠滿足電動(dòng)機(jī)殼精加工技術(shù)要求，操作方便，運(yùn)行穩(wěn)定，加工精度滿足產(chǎn)品要求。

7 端面孔加工模擬試驗(yàn)

端面孔加工模擬試驗(yàn)在相同材料、同爐熱處理的試塊上進(jìn)行。為了提高螺紋精度，降低表面粗糙度值，采用螺紋銑刀銑削加工螺紋。對(duì)所選用的螺紋銑刀要進(jìn)行刀具壽命試驗(yàn)和最佳切削參數(shù)試驗(yàn)，通過模擬試驗(yàn)，驗(yàn)證機(jī)床等分精度、數(shù)控程序及角度位置準(zhǔn)確性。

8 加工方案具體實(shí)施步驟

加工的具體步驟如下。

1）立式車床上留半精加工余量，粗車內(nèi)、外圓及端面。

2）劃兩端面孔線，鉆出兩端孔角度方位基準(zhǔn)孔，粗鉆兩端面孔。

3）臥式車床上半精車，留量車外圓（頂夾裝夾）。安裝多功能鏜孔裝置，半精鏜內(nèi)孔→精鏜內(nèi)孔→浮動(dòng)鏜內(nèi)孔→珩磨內(nèi)孔→精車兩端沉孔→精車外圓。

4）精鏜端面孔，鉆攻螺紋。

5）尺寸精度檢查，幾何公差檢查。

9 技術(shù)測(cè)量

9.1 主孔徑φDH7對(duì)A-B基準(zhǔn)的徑向圓跳動(dòng)測(cè)量

（1）方法一 光學(xué)掃描，即在φDH 7、φD1H7和φD2H7孔分別裝光靶掃描，測(cè)量出主孔徑φDH7各點(diǎn)的徑向圓跳動(dòng)。

（2）方法二 激光跟蹤儀測(cè)量。

9.2 兩端軸向圓跳動(dòng)測(cè)量

（1）在立式車床上測(cè)量 在測(cè)量出主孔徑φDH7對(duì)A-B基準(zhǔn)的徑向圓跳動(dòng)量并確認(rèn)合格的情況下，可直接在立式車床上測(cè)量?jī)啥溯S向圓跳動(dòng)（立式車床臺(tái)面做好平面基準(zhǔn)）。

（2）在臥式車床上測(cè)量 在測(cè)量出主孔徑φDH7對(duì)A-B基準(zhǔn)的徑向圓跳動(dòng)量并確認(rèn)合格的情況下，校正A-B基準(zhǔn)圓及主孔徑φDH7，用百分表測(cè)量。

9.3 孔、螺紋孔等分測(cè)量

（1）通用量具（游標(biāo)卡尺）直接測(cè)量 測(cè)量對(duì)應(yīng)孔壁厚及跨孔距，可以計(jì)算出位置度誤差和角度誤差。

（2）機(jī)床打表測(cè)量 利用滾齒機(jī)分度裝置輔助以測(cè)量棒，測(cè)量出位置度誤差和角度誤差。

10 更多深孔加工技術(shù)可行性探索

由于電動(dòng)機(jī)殼精加工項(xiàng)目屬于批量生產(chǎn)，交貨周期緊，所以僅用前述方案的1臺(tái)機(jī)床和1套工裝，無法滿足批量生產(chǎn)進(jìn)度要求，因此需要在原方案的基礎(chǔ)上開發(fā)更多具有可行性的深孔加工技術(shù)，從而保證電動(dòng)機(jī)殼精加工項(xiàng)目順利進(jìn)行。

10.1 在立式車床上加工深孔的可行性試驗(yàn)

（1）試驗(yàn)狀態(tài) 鍛件調(diào)質(zhì)前，目標(biāo)孔徑尺寸φ808H7，孔深2700mm（見圖4）。目標(biāo)孔徑尺寸φ808H7在加工前要進(jìn)行試切削，檢查機(jī)床橫梁與滑枕垂直度誤差，檢驗(yàn)結(jié)果見表3。

表3 機(jī)床橫梁與滑枕垂直度誤差 （單位：mm）

機(jī)床按照試切削結(jié)果，在滑枕行程2700mm范圍內(nèi)，直線度約為0.11mm。根據(jù)試車結(jié)果調(diào)整橫梁與滑枕垂直度，對(duì)機(jī)床進(jìn)行標(biāo)定后，按目標(biāo)尺寸加工孔徑φ808H7，切削參數(shù)：轉(zhuǎn)速10r/min，進(jìn)給量0.4mm/r，背吃刀量0.3mm。試驗(yàn)數(shù)據(jù)見表4。

表4 立式車床深孔模擬加工試驗(yàn)數(shù)據(jù)（目標(biāo)孔徑φ808H7） （單位：mm）

（2）試驗(yàn)結(jié)果 ①直線度：孔深2160mm處尺寸偏小，在135°方位，深度0mm與2160mm處，直徑最大相差0.11mm，圖樣要求0.1mm。②圓度：深度1080mm位置，最大圓度0.05mm。

（3）加工誤差原因分析 ①由于表3所示的機(jī)床自身橫梁與滑枕垂直度誤差，造成車出的內(nèi)孔尺寸呈上小、下大的錐形。②根據(jù)表4試驗(yàn)結(jié)果，采用C5263數(shù)控立式車床加工深孔時(shí)，在孔深2160mm處，可能由于該區(qū)域刀架滑枕磨損，造成深孔加工時(shí)直線度呈腰鼓狀。

（4）解決措施及存在的風(fēng)險(xiǎn) ①對(duì)于機(jī)床自身橫梁與滑枕垂直度誤差，需要根據(jù)上檔加工尺寸的直線度，調(diào)整橫梁與滑枕垂直度，確保機(jī)床工作臺(tái)面與橫梁的平行度，使橫梁與刀架滑枕的垂直度符合精加工要求。②對(duì)于刀架滑枕磨損，可采用局部區(qū)域拋光的方法解決，在精加工前進(jìn)行多次試切削，測(cè)試工件的直線度。此方案對(duì)操作者的加工技術(shù)、測(cè)量水平及測(cè)量點(diǎn)選取要求較高，人為因素影響較大。

10.2 在臥式車床上加工深孔的可行性試驗(yàn)

（1）試驗(yàn)狀態(tài) 鍛件調(diào)質(zhì)前，目標(biāo)孔徑尺寸φ808H7，孔深2700mm（見圖4）。

目標(biāo)孔徑尺寸φ808H7在加工前要進(jìn)行試切削，檢查機(jī)床導(dǎo)軌自身誤差、刀具磨損及刀排剛性不足等因素對(duì)加工精度的影響，測(cè)出半精加工尺寸的直線度，為精加工提供尺寸分段補(bǔ)償量，試驗(yàn)結(jié)果見表5（目標(biāo)孔徑尺寸為φ807.4mm）。按照測(cè)試數(shù)據(jù)要求，在軸向深度2250mm處，直徑補(bǔ)償量為0.25mm；在軸向深度490mm處，直徑補(bǔ)償量為0.13mm?？讖溅?08H7的圓柱度0.1mm，軸向圓跳動(dòng)0.05mm。進(jìn)刀直徑0.65mm。

表5 尺寸分段補(bǔ)償量測(cè)試 （單位：mm）

按照表5試切削結(jié)果，通過尺寸分段補(bǔ)償后，目標(biāo)孔徑尺寸φ808H7的模擬加工試驗(yàn)數(shù)據(jù)見表6。加工時(shí)的切削參數(shù)：轉(zhuǎn)速10r/min，進(jìn)給量0.4mm/r，背吃刀量0.3mm。

表6 臥式車床深孔模擬加工試驗(yàn)數(shù)據(jù) （單位：mm）

（2）試驗(yàn)結(jié)果 ①直線度：直徑最大相差0.02m m，圖樣要求0.1m m。②圓度：最大處0.02mm。

（3）采取的措施 ①對(duì)于機(jī)床導(dǎo)軌自身誤差、刀具磨損及刀排剛性不足產(chǎn)生的加工誤差，要求在精加工前進(jìn)行多次試切削，測(cè)試工件直線度，采用分段補(bǔ)償方法解決。②對(duì)于機(jī)床精度，精加工前要對(duì)機(jī)床定位精度、幾何精度進(jìn)行標(biāo)定。存在的問題：對(duì)操作者的加工技術(shù)、測(cè)量水平及測(cè)量點(diǎn)選取要求較高，人為因素影響較大。

在SIU3150數(shù)控臥式車床上加工深孔時(shí)，根據(jù)精加工前多次試切削結(jié)果，采用尺寸分段補(bǔ)償方法，加工結(jié)果比較理想。

11 結(jié)束語

通過對(duì)電動(dòng)機(jī)殼深孔加工方案的多方面探索及研究，立式車床及數(shù)控臥式車床（使用車刀排）的加工方案可行，應(yīng)用后可緩解公司機(jī)床數(shù)量緊張的狀況，但人為影響因素較多，對(duì)于產(chǎn)品質(zhì)量的穩(wěn)定性存在潛在的風(fēng)險(xiǎn)。而多功能鏜孔系統(tǒng)在加工過程中操作方便、運(yùn)行穩(wěn)定，加工精度滿足產(chǎn)品要求。深孔加工及端面孔系精加工前，都要進(jìn)行方案驗(yàn)證，在模擬加工各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)合格后，再實(shí)施精加工方案，因此該精加工方案安全可靠。