大直徑定位套加工工藝設計

李 健 何 悅 梁心淳

（西安煤礦機械有限公司，陜西 西安 710200）

超大采高智能化采煤機順利出產(chǎn)，離不開每一個零部件的精益制造，在該超大采高采煤機搖臂設計中，為保證結(jié)構(gòu)的合理性，搖臂行星減速部位設計有一定位套（圖1），該定位套是在搖臂一、二級行星減速機構(gòu)中對搖臂殼體與大齒圈之間起到距離支撐，最主要是作為減速機構(gòu)內(nèi)部與機體外部的密封隔離。該部位由于其結(jié)構(gòu)的特殊性，設計尺寸外圓達1120 毫米，內(nèi)孔為1060 毫米，壁厚只有30 毫米，且外圓設計有雙密封槽，該零件屬于超大薄壁環(huán)類零件，在制造過程中裝夾、找正、定位都會影響零件精加工尺寸，極易在加工環(huán)節(jié)中產(chǎn)生變形。因此，為保證該機型能夠順利出產(chǎn)，就必須做到每一個關(guān)鍵零部件的良品率達100%，有效控制定位套的變形誤差在允許范圍之內(nèi)，通過一種工藝方法，實現(xiàn)超大薄壁類零件加工，能夠通過車削保證其尺寸精度，做到產(chǎn)品各尺寸要素全部合格，就必須探索一種最優(yōu)的工藝制造方法。

圖1 定位套

1 零件變形分析

該零件外徑Φ1120h6（0-0.066），內(nèi)孔Φ1060，高度58（0-0.2），密封槽尺寸Φ1108.3×9.5+0.250，壁厚30，其尺寸精度要求較為嚴格，公差范圍較小，為保證零件尺寸及公差要求，必須考慮在車床加工時影響尺寸變化的因素[1-2]。

1.1 此零件的加工難度是確保外圓的圓度與密封槽的同軸度、兩端面與軸線的垂直度等達到技術(shù)要求。

1.2 零件毛坯材料為40Cr，鍛造制坯，毛料內(nèi)應力較大。

1.3 壁厚尺寸較薄，且外圓設計有雙密封槽，因此在車床切削過程中，零件與刀具產(chǎn)生擠壓、摩擦，增加了零件內(nèi)部的加工產(chǎn)生的切削熱、產(chǎn)生的殘余應力會對零件尺寸變化產(chǎn)生影響[3]。

1.4 薄壁零件剛性較差，在裝夾及定位過程中夾緊力和承受力的作用點選擇不合適，就會增加薄壁零件的內(nèi)應力。壓緊力過大，造成零件裝夾變形，造成圓度大范圍超差；壓緊力過小，在車削時有可能使零件松動而報廢，且大直徑零件在裝夾過程中受到的夾緊力更大，其變形程度更為嚴重[4]。

綜上，該大直徑薄壁件不適宜直接使用車床卡盤進行夾持。從其零件設計結(jié)構(gòu)分析，軸向尺寸與壁厚尺寸較為一致，可選用軸向裝夾，保證其軸向有較強的剛性，且軸向裝夾可使零件在圓周方向受力均勻，能夠承載一定的壓力。所以采用軸向裝夾，可大大減小工件的彈性變形。

2 工藝優(yōu)化措施

2.1 設計工藝方案

該零件屬于超大型薄壁環(huán)類零件，徑向加工尺寸與壁厚比差異較大，極難保證其尺寸精度，車削過程中，產(chǎn)生的切削應力和裝夾應力以彈性能儲存在工件內(nèi)部以及其他熱處理方式將熱能以熱應力的形式存儲在工件內(nèi)部，過程中產(chǎn)生的應力方式對零件的較小公差產(chǎn)生嚴重的威脅，對零件良品率有著極大的影響。結(jié)合以往加工數(shù)據(jù)及零件變形情況分析，雙密封槽去除外圓較大一部分尺寸，晶粒重新排布，都是因此變形的極大因素，在該零件的工藝設計過程充分考慮各種變形因素的控制方法，分多步車削，熱時效去除內(nèi)部殘余應力，并在精車時設計裝夾胎具，輔助卡爪，故設計以下工藝路線：“粗車-半精車-時效-半精車-預鉆工藝孔-精車”。

2.2 設計工藝孔

該零件設計有4-M12 螺孔，根據(jù)設計胎具思路，可將其預先不加工到尺寸，借助孔分布特點，將該孔作為零件的裝夾工藝孔使用，該工藝孔的作用既不影響零件正常尺寸，也可為后序加工提供新的工藝方法，便于設計工裝和零件裝夾，從而實現(xiàn)超大薄壁類零件加工過程中變形較小，在車削過程中保證其尺寸精度[5]。

2.3 設計裝夾胎具[6]

在零件分析中提到，可將徑向裝夾改為軸向裝夾，因此需要在設計一種T 型裝夾胎具（圖2），在胎具豎直方向凸臺上，打一孔，用以固定零件豎直方向的跳動，在胎具水平方向打一孔，與零件上4 個孔聯(lián)通，用以固定零件，將輔助工裝通過工作臺卡槽與4 個工藝孔聯(lián)接，將徑向定位轉(zhuǎn)變?yōu)檩S向定位，減少外圓受力。

圖2 裝夾胎具樣圖及現(xiàn)場圖

該T 形裝夾胎具的設計時，充分考慮在工作臺上的裝夾及使用原理，在裝夾時需要4 件該胎具，因此為保證零件兩端面的平行度要求，需要上平面磨床，先將胎具A 面磨至同一平面，再反面，將4 件胎具置于平面磨床，將B 面一次磨成，保證A、B面的厚度尺寸一致。保證胎具的精度后，裝夾時，才能有效保證零件裝夾及加工的精度[7]。

3 工藝實施步驟[8]

3.1 粗車

按照工藝路線制定方法，粗車時考慮調(diào)質(zhì)引起的零件得不規(guī)則變形，充分保證零件留足夠余量來滿足后序加工，根據(jù)工藝路線設計的粗車、調(diào)質(zhì)、時效等步驟的余量需求，所以在零件的外圓、內(nèi)孔單邊均留4mm 余量，為后序加工儲備尺寸。

3.2 半精車

半精車過程在調(diào)質(zhì)后，時效前進行，一是為了去除較大余量，二是必須滿足熱時效帶來的較小尺寸變化，在半精車過程中，最主要的就是將雙密封槽Φ1108.3×9.5+0.250進行預先粗車至Φ1111×6，將外圓、內(nèi)孔、厚度各部位單邊均留余量1.5mm。

3.3 時效

半精車后，轉(zhuǎn)序熱時效，在520℃-550℃爐中保溫3-4 小時，再慢慢升溫、保溫、降溫的過程就是將零件加熱到彈塑性變形的轉(zhuǎn)變溫度，并保持一定時間，使零件的殘余應力得到松弛，然后緩慢降溫，使工件在冷卻之后處于低應力狀態(tài)，目的是去除半精車時切削應力，為后序精車減小加工變形。

3.4 半精車

時效后，將零件裝夾于卡盤，再一次半精車，此時車好內(nèi)孔Φ1060，厚δ58 尺寸，外圓單邊留余量0.5mm。

3.5 預鉆工藝孔

將原4-M12 底孔加工成，暫不加工螺紋，將此底孔用作工藝孔，便于工裝使用。

3.6 精車（圖3）

圖3 精車裝夾圖

裝夾時采用卡盤四爪較輕支撐內(nèi)孔Φ1060，同時將輔助工裝通過工作臺卡槽與4 個工藝孔聯(lián)接，將徑向定位轉(zhuǎn)變?yōu)檩S向定位，減少外圓受力，同時在找正過程中，將外圓及端面打表跳動至0.01mm 范圍內(nèi)，車削時選用95°高合金車刀桿，減小在車削過程中產(chǎn)生的震顫，選用85°菱形涂層，R0.2 刀尖刀片，保證在精加工過程中尺寸精度及被加工面的表面粗糙度，降低轉(zhuǎn)速，多步進給，實現(xiàn)零件外圓及密封槽車削。

4 結(jié)論

按照以上加工步驟，完成整批零件的加工，通過外徑千分尺檢測，外周跳動小于0.015mm，外圓尺寸公差符合設計要求，雙密封槽與外圓的同軸度得到極好控制，未超出設計與使用要求；該工藝方法的應用借助零件自身孔位，巧妙改變裝夾方法，將零件徑向裝夾轉(zhuǎn)換為軸向裝夾，減少圓周夾緊力，減少了薄壁類零件的徑向變形；為工藝裝備制造提供新的經(jīng)驗方法，掌握輔助工裝設計原理，巧妙運用與實際加工過程。