大型結(jié)構(gòu)件電動(dòng)輪礦車(chē)前橋制造技術(shù)

王 美 劉文忠 司登堂

(內(nèi)蒙古北方重型汽車(chē)股份有限公司技術(shù)中心，內(nèi)蒙古包頭014030)

電動(dòng)輪礦車(chē)是一種載重大，作業(yè)效率高的大型自卸礦用汽車(chē)，電力傳動(dòng)牽引性能好，行車(chē)安全可靠。以特雷克斯MT5500電動(dòng)輪礦車(chē)為例，額定載重量可達(dá)326 t，車(chē)廂的堆裝容積可達(dá)218 m3，深受露天采礦和水利工地用戶(hù)的歡迎，應(yīng)用前景好［1］。

但這種大型礦山運(yùn)輸設(shè)備的結(jié)構(gòu)件龐大、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、精度高，因而制造難度大。尤其是這些大型件工作時(shí)承載大，疲勞強(qiáng)度要求高，對(duì)焊接質(zhì)量要求也很高。機(jī)加工尺寸位置精度以及表面質(zhì)量也有很高的要求，如果沒(méi)有先進(jìn)的、獨(dú)特的制造技術(shù)和工藝保證方法，是無(wú)法實(shí)現(xiàn)這些大型結(jié)構(gòu)件制造的。

其中最具典型的部件是MT5500前橋(見(jiàn)圖1)，該部件最終制造完工后，外形尺寸為6 274 mm×1 803 mm×1 040 mm，部件重量達(dá)6 t，共有22種、41個(gè)零件組成，形狀不規(guī)整，個(gè)別組成部件的制造和總體的焊接、機(jī)加工難以實(shí)現(xiàn)。

對(duì)該礦車(chē)部件制造進(jìn)行技術(shù)攻關(guān)研制，經(jīng)過(guò)2年多試制，先后經(jīng)歷了工藝方案確定、焊接工裝設(shè)計(jì)制造、先進(jìn)數(shù)控刀具選型、制造工藝設(shè)計(jì)、數(shù)控程序編制等階段，完成了電動(dòng)輪前橋大型結(jié)構(gòu)件的試制、工藝定型及優(yōu)化、工藝裝備制造及完善，直到高效批量生產(chǎn)。

1 大型結(jié)構(gòu)件前橋焊接工藝設(shè)計(jì)

1.1 焊接工藝方案

前橋的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)是:主體為1個(gè)彎曲的箱型梁結(jié)構(gòu)，箱型梁上裝焊了3個(gè)次總成和2個(gè)零件，從焊接工藝規(guī)程上經(jīng)過(guò)多次分析論證，確定了如下焊接工藝方案:

(1)采用部件裝配焊接-總裝配焊接的方法，實(shí)現(xiàn)大結(jié)構(gòu)、多部件組焊件的焊接，即將主體箱型梁結(jié)構(gòu)作為1個(gè)主要的總成件，完成裝配焊接。將3個(gè)次總成件分別完成裝配焊接。其中1個(gè)總成裝配焊接后完成機(jī)加工，因?yàn)檫@個(gè)總成件若采用焊后整體加工，一方面機(jī)加工實(shí)施困難，另一方面需要二次裝夾，影響機(jī)加工效率。所以采用小部件焊后加工，加工后進(jìn)行總成的最終定位焊接(圖2)。

針對(duì)箱型梁結(jié)構(gòu)的總體框架，設(shè)計(jì)了裝配焊接工裝，將上、下法蘭板和主銷(xiāo)軸以及焊縫墊板進(jìn)行一次裝配焊接，形成1個(gè)框架結(jié)構(gòu)(圖3)，然后進(jìn)行二件腹板的裝配，完成箱型梁總成的焊接裝配。

(2)箱型梁總成件，長(zhǎng)度達(dá)6 000 mm，焊縫尺寸大，會(huì)產(chǎn)生大的焊接變形，焊接操作上采用分段退縮、多層多道對(duì)稱(chēng)焊接的方法，成功地控制細(xì)長(zhǎng)箱型梁結(jié)構(gòu)的焊接變形。

(3)采用了焊后整體去應(yīng)力退火，減小了焊接內(nèi)應(yīng)力。

1.2 焊道質(zhì)量的控制措施

前橋部件的焊道較多，焊道尺寸大，焊道的質(zhì)量直接影響到整個(gè)部件的強(qiáng)度，焊道質(zhì)量非常重要。對(duì)于焊道質(zhì)量的控制，采取如下措施:

(1)利用了三元富氬混合保護(hù)氣體，加入少量O2，改善焊縫的冶金性能(國(guó)內(nèi)普遍使用二元富氬保護(hù)氣體);

(2)利用氬弧焊重熔焊趾處的方法，消除了焊縫過(guò)渡區(qū)的咬邊等缺陷，提高焊縫的疲勞性能;

(3)采用焊道縱向打磨拋光的方法，保證焊接過(guò)程中焊接區(qū)內(nèi)的高度清潔。因?yàn)榍皹蚴褂眠^(guò)程中基本受拉應(yīng)力作用，所以，在整體裝配修磨的過(guò)程中，嚴(yán)格打磨細(xì)節(jié)，必須保證縱向打磨，以避免橫向打磨帶來(lái)的劃痕，影響結(jié)構(gòu)的疲勞壽命。對(duì)打磨的痕跡進(jìn)行拋光，嚴(yán)格保證裝配間隙，焊縫均通過(guò)AWS D1.1標(biāo)準(zhǔn)的UT探傷檢查［2］。

1.3 前橋焊接夾具的設(shè)計(jì)制作

前橋結(jié)構(gòu)復(fù)雜、尺寸多，組件包含的零件多，沒(méi)有合適的焊接夾具很難實(shí)現(xiàn)焊接裝配。

設(shè)計(jì)制作了柔性焊接夾具，并在試制后進(jìn)行了工裝的優(yōu)化完善(圖4)，實(shí)現(xiàn)了大厚度彎曲工件的高精度定位、剛性固定焊接和裝配焊接;保證了裝配精度，同時(shí)對(duì)控制焊接變形起到了很好的效果。

2 前橋數(shù)控加工工藝設(shè)計(jì)

2.1 五面加工中心設(shè)備應(yīng)用

前橋總成尺寸:長(zhǎng)度6 m多，寬度近2 m，鏜孔、銑端面、鉆孔等加工內(nèi)容較多，而且加工部位不在一個(gè)平面。針對(duì)這樣的工件的機(jī)加工，只能選用大型鏜銑類(lèi)機(jī)床，盡可能一次裝夾，完成多道工序的加工，這樣，工件的加工精度才能得以保證。綜合考慮，選定了五面加工中心進(jìn)行前橋總成加工。

2.1.1 五面加工中心概貌

五面加工中心是荷蘭Unisign廠(chǎng)家生產(chǎn)的，型號(hào)為Uniport7。其結(jié)構(gòu)為龍門(mén)動(dòng)梁式，具有立臥加工的功能，被加工工件在一次裝夾后能完成除安裝面外的所有側(cè)面和頂面(5個(gè)面)的加工，加工運(yùn)動(dòng)的完成是靠主軸的立臥轉(zhuǎn)換及臥式主軸的旋轉(zhuǎn)來(lái)實(shí)現(xiàn)的。

2.1.2 立臥轉(zhuǎn)換主軸頭的應(yīng)用

Uniport7機(jī)床配有3種主軸頭，分別是立式主軸頭、臥式主軸頭(圖5)和加長(zhǎng)立式主軸頭(圖6)。臥式主軸頭及其360°的旋轉(zhuǎn)可實(shí)現(xiàn)XZ平面和YZ平面上的運(yùn)動(dòng)和加工;立式主軸頭和加長(zhǎng)立式主軸頭可實(shí)現(xiàn)XY平面上的運(yùn)動(dòng)和加工，加長(zhǎng)立式主軸頭可避開(kāi)主軸與復(fù)雜形狀工件的干涉，進(jìn)行工件內(nèi)部較深部位的加工。

Uniport7機(jī)床的3種主軸頭有固定的存放機(jī)構(gòu)(類(lèi)似刀庫(kù)，見(jiàn)圖 6、7)。在程序指令(M06、M66、M86)的控制下，自動(dòng)實(shí)現(xiàn)存放機(jī)構(gòu)的開(kāi)關(guān)和各種主軸頭的存取，節(jié)省了生產(chǎn)輔助時(shí)間，尤其在批量生產(chǎn)需要頻繁更換主軸頭時(shí)，能明顯提高生產(chǎn)效率。

2.1.3 主軸的內(nèi)外冷卻功能

為適應(yīng)高速切削時(shí)對(duì)刀具和工件提供充足的冷卻和潤(rùn)滑液，Uniport7配有內(nèi)冷卻或外冷卻功能，根據(jù)具體加工需要，在編程時(shí)可預(yù)先設(shè)置，實(shí)現(xiàn)了高速切削或深孔加工對(duì)刀具的冷卻要求。

內(nèi)冷的程控指令是M07，外冷的程控指令是M08。主軸的內(nèi)外冷卻功能能夠起到充分的冷卻潤(rùn)滑作用，對(duì)保證工件加工質(zhì)量和提高刀具耐用度有很好的作用。

2.1.4 自動(dòng)換刀系統(tǒng)(ATC)及刀庫(kù)

Uniport7還備有自動(dòng)換刀系統(tǒng)(ATC)及刀庫(kù)，且刀庫(kù)容量較大，加工中同時(shí)能容納70多把刀具的儲(chǔ)存，在程序指令控制下方便地更換加工中使用的各種刀具。在加工過(guò)程中，刀庫(kù)里的刀具按照指令自動(dòng)進(jìn)行選刀(識(shí)別刀)、機(jī)械手抓刀、向主軸孔或刀庫(kù)里裝刀等一系列動(dòng)作。這樣的ATC系統(tǒng)，可以在加工過(guò)程中同時(shí)進(jìn)行選刀工作，機(jī)械手將前期預(yù)備工作完成，加工中需要相應(yīng)刀具時(shí)，可就近將機(jī)械手中的刀與主軸上的刀(上道工序刀具)進(jìn)行交換，減少了加工輔助時(shí)間。

2.2 先進(jìn)高效刀具選型

刀具技術(shù)的發(fā)展，為數(shù)控高速切削提供了方便，在銑削方面，選用了高效的鑲硬質(zhì)合金刀片式玉米棒銑刀(圖7)、機(jī)夾式端面銑刀等，一方面適應(yīng)大進(jìn)給、大切削，另一方面加工中刀具磨損后，將刀片轉(zhuǎn)位或更換刀片即可，效率高，不需整體取下刀具來(lái)進(jìn)行修磨。

在鉆削方面，結(jié)合機(jī)床先進(jìn)的內(nèi)冷功能，選用了高速內(nèi)冷鉆頭，工件材料為16Mn，為提高效率大多選用刀刃上帶涂層的硬質(zhì)合金內(nèi)冷鉆頭(HM)，見(jiàn)圖8。在實(shí)際加工過(guò)程中，往往遇到鉆削部位有焊道，對(duì)于硬質(zhì)合金鉆頭來(lái)說(shuō)容易打刀、崩刃，所以在焊道加工部位選用了高速鋼(HSS)內(nèi)冷刀具，韌性較好，打刀現(xiàn)象也有所好轉(zhuǎn)。

對(duì)于較大孔的加工，以往的加工經(jīng)驗(yàn)是先用小鉆頭鉆，然后用擴(kuò)孔鉆，需要3～4個(gè)直徑大小不同的鉆頭，現(xiàn)采用機(jī)夾式鑲刀片型大直徑鉆頭(圖9)，可一次完成大直徑孔的加工，省去了多次鉆、擴(kuò)加工，提高了生產(chǎn)效率，刀具運(yùn)用數(shù)量更少。

對(duì)于重量較大的刀具(包括刀頭、刀體等)，選用的是新型鋁合金刀體結(jié)構(gòu)(圖10)，方便于數(shù)控機(jī)床快捷又安全地自動(dòng)換刀。

2.3 機(jī)加工工藝方案及應(yīng)用原理

詳細(xì)分析電動(dòng)輪礦車(chē)前橋結(jié)構(gòu)，充分結(jié)合機(jī)床、刀具和夾具的功能，進(jìn)行了合理的工藝設(shè)計(jì)。重點(diǎn)考慮的有以下幾點(diǎn):

2.3.1 統(tǒng)一基準(zhǔn)加工法應(yīng)用

利用先進(jìn)的數(shù)控功能設(shè)備和3種主軸頭，只分兩次裝夾完成。在每一次裝夾中，立、臥式主軸頭靈活調(diào)用，粗基準(zhǔn)只選擇一次，統(tǒng)一基準(zhǔn)完成該次全部?jī)?nèi)容的加工，將多工序內(nèi)容合并為一道工序或較少工序進(jìn)行加工，這樣避免了多次裝夾帶來(lái)的誤差和過(guò)多的輔助時(shí)間，保證了大型焊接結(jié)構(gòu)件的位置尺寸等精度要求，提高了加工效率，減輕了操作員工的勞動(dòng)強(qiáng)度［3］。

國(guó)內(nèi)傳統(tǒng)加工工藝是利用大型鏜銑床或落地鏜銑床，需要4～5次裝夾完成整個(gè)前橋總成的加工內(nèi)容，多了卸下工件和二次裝夾找正的時(shí)間。同時(shí)傳統(tǒng)方法存在基準(zhǔn)不重合，加工后的前橋位置尺寸精度差，工件加工后一致性差等不足。利用數(shù)控龍門(mén)5面加工中心，提高生產(chǎn)效率40%左右。

2.3.2 節(jié)省生產(chǎn)輔助時(shí)間

工藝編制中，盡可能使用同一把刀具完成較多的加工表面，以減少換刀次數(shù)，簡(jiǎn)化加工路線(xiàn)、縮短輔助時(shí)間。比如:涉及到前橋兩端孔粗鏜或精鏜內(nèi)容相同時(shí)，在換一次刀的情況下將各處相同加工內(nèi)容孔全加工完，然后再換刀進(jìn)行下步加工。

對(duì)多次重復(fù)的加工動(dòng)作，編寫(xiě)了子程序，由主程序調(diào)用。這時(shí)就可把加工循環(huán)動(dòng)作編寫(xiě)成子程序，不僅簡(jiǎn)化了編程工作量，而且程序長(zhǎng)度明顯縮短。

2.3.3 切削工序合理安排以保證加工精度

對(duì)于同一部位銑、鏜加工，采取了先銑后鏜的順序進(jìn)行加工，因?yàn)殂娤髁^大，工件易變形，可等其恢復(fù)后再進(jìn)行鏜孔，這樣有利于保證孔的加工精度。相反，如果先鏜后銑平面，必然會(huì)在孔口產(chǎn)生毛刺、飛邊，影響孔的精度［4］。

2.3.4 設(shè)計(jì)裝夾輔具

在前橋的機(jī)加夾具中，首次設(shè)計(jì)和應(yīng)用了菱形塊裝夾輔助裝置，替代傳統(tǒng)的T型塊裝置。傳統(tǒng)裝卸中，在每次裝卸工件時(shí)，需將連接拉桿的T型塊從機(jī)床工作臺(tái)的兩端插入工作臺(tái)的T型槽內(nèi)，對(duì)準(zhǔn)工作臺(tái)上拉桿位置，進(jìn)行緊固工件;利用菱形塊裝夾輔助裝置，可在工作臺(tái)的任意位置將菱形塊放置在機(jī)床的T型槽內(nèi)，實(shí)現(xiàn)裝夾，方便快捷。

制定的工藝規(guī)程及機(jī)加操作卡以及編制的數(shù)控加工程序本文不再贅述。

3 結(jié)語(yǔ)

大型結(jié)構(gòu)件電動(dòng)輪前橋制造，應(yīng)用了多項(xiàng)技術(shù):

(1)采用分段退縮、多層多道對(duì)稱(chēng)焊接的工藝方法，成功地控制了大型結(jié)構(gòu)件中細(xì)長(zhǎng)箱型梁結(jié)構(gòu)的焊接變形;

(2)利用了三元富氬混合保護(hù)氣體，加入少量O2，應(yīng)用于大型結(jié)構(gòu)件焊接，能夠有效改善焊縫的冶金性能，提高焊縫強(qiáng)度;

(3)利用氬弧焊重熔焊趾處的方法，消除了焊縫過(guò)渡區(qū)的咬邊等缺陷，提高焊縫的疲勞強(qiáng)度;

(4)利用先進(jìn)數(shù)控機(jī)床的多項(xiàng)功能，應(yīng)用“統(tǒng)一基準(zhǔn)”、“工序集中、一機(jī)多用”等原理，首次在國(guó)內(nèi)用龍門(mén)5面加工中心進(jìn)行前橋加工，機(jī)加精度及表面質(zhì)量得到很好的保證?？茖W(xué)配置刀具，實(shí)現(xiàn)高效切削，效率提高40%左右;

(5)設(shè)計(jì)制作新型裝夾裝置進(jìn)行前橋在機(jī)床上的裝夾緊固，方便快捷，并獲授權(quán)實(shí)用新型專(zhuān)利，專(zhuān)利號(hào)為:ZL200920159322.5。

電動(dòng)輪大型部件制造的實(shí)現(xiàn)，積極推動(dòng)了大噸位電動(dòng)輪礦車(chē)國(guó)產(chǎn)化進(jìn)程，逐步掌握大型結(jié)構(gòu)件的自主加工技術(shù)，降低了整車(chē)成本，對(duì)電動(dòng)輪礦車(chē)產(chǎn)品的銷(xiāo)售起到了重要作用。

［1］王運(yùn)敏.中國(guó)采礦設(shè)備手冊(cè)［M］.北京:科學(xué)出版社，2007.

［2］吳毅雄.焊接手冊(cè)［M］.北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2008.

［3］顧崇銜，等.機(jī)械制造工藝學(xué)［M］.西安:陜西科學(xué)技術(shù)出版社，1995:22.

［4］陳宏鈞.實(shí)用機(jī)械加工工藝手冊(cè)［M］.北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2003.