數(shù)字技術(shù)于金隆備件制造中的應(yīng)用

劉樹峰

(金隆銅業(yè)有限公司，安徽 銅陵 244000)

1 引言

我國當(dāng)代機(jī)械制造行業(yè)科技水平，有了質(zhì)的提升。特別是數(shù)字技術(shù)的應(yīng)用，高新材料和材料處理，以及先進(jìn)加工手段的應(yīng)用等［1］。數(shù)字技術(shù)在機(jī)械制造中的應(yīng)用，主要是計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)和數(shù)控加工。

當(dāng)今計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)基本棄用了計(jì)算機(jī)平面制圖，大量應(yīng)用3D設(shè)計(jì)技術(shù)。3D設(shè)計(jì)，在3D空間設(shè)計(jì)具體的零件直接給予形狀和尺寸，并且在3D空間進(jìn)行零件的組裝。從而可驗(yàn)證設(shè)計(jì)的合理性及裝配是否干涉，非常直觀，修改也十分方便。根據(jù)3D模型可以生成2D工程圖，或者生成由零件或子裝配體組成的配合零部件以生成3D裝配體。簡言之，出圖工作由設(shè)計(jì)軟件解決?，F(xiàn)今從飛機(jī)，汽車到簡單工具都應(yīng)用3D設(shè)計(jì)技術(shù)［2］。

金隆銅業(yè)有限公司的生產(chǎn)技術(shù)、生產(chǎn)設(shè)備在國內(nèi)有色冶煉行業(yè)都處于領(lǐng)先地位。其中有相當(dāng)數(shù)量的進(jìn)口設(shè)備。這些設(shè)備備件一直從國外進(jìn)口，因?yàn)槭菍Ｓ玫?，所以價(jià)格十分昂貴，供貨也不及時(shí)。為此金隆銅業(yè)有限公司與相關(guān)協(xié)作單位合作，進(jìn)行了長期的備件國產(chǎn)化研制工作。將先進(jìn)的數(shù)字技術(shù)，高新加工技術(shù)應(yīng)用于此，不少國產(chǎn)化備件使用效果達(dá)到甚至超過進(jìn)口原件，同時(shí)經(jīng)濟(jì)效益也很明顯。

2 數(shù)字化技術(shù)輔助加工零部件

2.1 圓盤澆鑄機(jī)

圓盤澆鑄機(jī)用于銅冶煉陽極爐工段。將從陽極爐流出的銅水定模澆鑄、冷卻成用于電解的陽極板。金隆公司的圓盤澆鑄機(jī)是引進(jìn)芬蘭奧托昆普公司的澆鑄設(shè)備。

(1)圓盤噴涂噴嘴。

見圖 1，其中:1、噴嘴座;2、檔圈;3、膜片;4、螺母;5、蓋;6、彈簧;7、彈簧座;8、噴嘴體 S;9、噴嘴體Z;10、小螺母 。

圓盤噴涂噴嘴用于圓盤澆鑄機(jī)噴灑、涂布脫模劑硫酸鋇。

首先對零件體，擋圈，膜片，螺母，蓋，彈簧，底，噴嘴體S，噴嘴體Z等，進(jìn)行3D建模。然后在SolidWorks環(huán)境進(jìn)行圓盤噴涂噴嘴的3D組裝 (見圖 1)［3］。

圖1 圓盤噴涂噴嘴

噴嘴直徑計(jì)算:

式中，d為噴嘴直徑，mm;p為噴射壓力，bar;q為噴射流量，L/min;n為噴嘴個(gè)數(shù);η為噴嘴效率系數(shù)。

以上計(jì)算，粘度是以水為準(zhǔn)的，而工作介質(zhì)是硫酸鋇，考慮了一定的修正而確定了噴嘴的直徑。又從噴嘴直徑來確定其他相應(yīng)尺寸。

而脫模劑的噴灑，要求霧化穩(wěn)定，噴灑均勻。因此設(shè)計(jì)了由噴霧器體上的孔與膜片，彈簧組成的噴嘴－擋板反饋穩(wěn)壓系統(tǒng)。消除了系統(tǒng)壓力波動(dòng)的影響。

國產(chǎn)化的霧化器，在金隆已經(jīng)投入正常使用，而且效果良好、使用穩(wěn)定。由于通過理論計(jì)算和現(xiàn)場實(shí)際試驗(yàn)，該國產(chǎn)霧化器不易堵塞，壽命較進(jìn)口備件使用長。霧化器小備件體現(xiàn)了高技術(shù)。

單就噴嘴來說，國產(chǎn)的單價(jià)是進(jìn)口的1/5，經(jīng)濟(jì)效果也是明顯的。

(2)圓盤澆鑄機(jī)T型導(dǎo)軌。

圓盤澆鑄機(jī)T型導(dǎo)軌外徑Φ14560。由于直徑大，原設(shè)計(jì)采用圓周14等分，拼接組裝(見圖2、圖3)。14段分體導(dǎo)軌毛坯，在龍刨或龍門銑粗加工上下平面，端面，再組裝成 Φ15000左右的大圓，用Φ15000以上的大型立車進(jìn)行車削。必須動(dòng)用龍門銑和大立車等大型設(shè)備?，F(xiàn)今常規(guī)的大型金切設(shè)備稀缺，任務(wù)十分飽滿。加工等候周期很長，而14塊分段導(dǎo)軌組裝也很費(fèi)事費(fèi)力。

圖2 圓盤澆鑄機(jī)T型導(dǎo)軌

圖3 圓盤澆鑄機(jī)T型導(dǎo)軌(3D圖)

當(dāng)今涌現(xiàn)出很多先進(jìn)的數(shù)字加工技術(shù)和設(shè)備。充分掌握和運(yùn)用，往往可以收到很好的效果。

在T型圓導(dǎo)軌國產(chǎn)化制造中，就應(yīng)用了先進(jìn)的數(shù)字加工技術(shù)和設(shè)備。其中關(guān)鍵設(shè)備為數(shù)控高壓水力切割機(jī)，俗稱“水刀”。

水力切割的基本原理是利用高速水柱作為能量載體。工作時(shí)通過某種增壓手段產(chǎn)生出超高壓的水(137.89 ～413.69MPa)，然后使其從一個(gè)細(xì)如發(fā)絲的噴嘴射出去，形成高速水柱(518～914m/s)［4］。載有巨大動(dòng)能的水柱噴射到被加工表面上時(shí)，產(chǎn)生強(qiáng)大的沖擊力，超過材料的強(qiáng)度極限時(shí)，材料就被分割。不同材料的分割機(jī)理不盡相同，但主要是高壓高速水柱對材料表面的噬蝕、剪切和局部產(chǎn)生的高頻應(yīng)力變化造成的。加工尺寸精確，且沒有殘余應(yīng)力。目前，上海地區(qū)的“水刀”可以切割厚度達(dá)200mm的鋼材。而且可以切割材料的硬度不限，甚至硬質(zhì)合金，玻璃和石才。本項(xiàng)目導(dǎo)軌厚度為30mm，超出了激光加工范圍，而選用進(jìn)口大型水力切割機(jī)進(jìn)行加工［5］。

據(jù)此，T型圓導(dǎo)軌仍采用14段組裝結(jié)構(gòu)件。而導(dǎo)軌選用了優(yōu)質(zhì)中碳鋼，表面中頻淬火HRc42(這個(gè)硬度立車難以切削)，并時(shí)效去應(yīng)力定型。數(shù)控水力切割機(jī)床加工圓弧和結(jié)合端面。避免了高溫切割，對材料的熱影響。切割加工后零件沒有殘余應(yīng)力，不會出現(xiàn)形變。切割加工前后，表面熱處理的組織結(jié)構(gòu)也沒有改變。最后在大型龍門平面磨床上加工上下平面完成。

正由于“水刀”能加工較硬工件，導(dǎo)軌表面淬火，具有一定硬度，大大提高了耐磨性。而14塊分段的結(jié)合端面是數(shù)控加工的，拼裝精度也很高。

2.2 PS 轉(zhuǎn)爐

金隆公司的PS轉(zhuǎn)爐是銅冶煉工序上關(guān)鍵設(shè)備。從閃速熔煉爐放出含銅量60%左右的冰銅在轉(zhuǎn)爐內(nèi)經(jīng)過吹煉，成為含銅量98%左右的粗銅。

轉(zhuǎn)爐每天要從爐口進(jìn)、出2～3爐的銅水。大量銅水的沖刷，對爐口損傷較大。轉(zhuǎn)爐爐口(圖4、圖5)原設(shè)計(jì)為一個(gè)大型的薄壁鑄鋼件，俗稱“燈籠殼子”。為確保結(jié)合部的形狀尺寸，鑄造時(shí)結(jié)合部在下，薄壁部分在上。因此薄壁部分出現(xiàn)疏松，夾渣等鑄造缺陷在所難免。制造尺寸偏差大、使用壽命短。

爐口中心并不通過轉(zhuǎn)爐截面中心。有一個(gè)22.5°的夾角(圖6)。爐口又是裝在爐口固定架上。與固定架連接的60個(gè)腰型槽在圓周R2660，而位置在爐口投影R2660的同心圓上。每一個(gè)腰型孔的軸心線分別通過爐體中心線。因此，要分別確定每一個(gè)腰型孔中心的x，y，z相對坐標(biāo)。以前，通過作圖加計(jì)算來完成?，F(xiàn)在，應(yīng)用3D設(shè)計(jì)可以直接在計(jì)算機(jī)3D空間得出精確的數(shù)據(jù)。

圖4 PS轉(zhuǎn)爐爐口

圖5 PS轉(zhuǎn)爐爐口(3D圖)

圖6 PS轉(zhuǎn)爐爐口安裝位置圖

在制造時(shí)，可以先制作爐體和爐口，然后配做爐口固定架，其一面與爐體配做，另一面與爐口配做?？墒?，當(dāng)維修更換時(shí)配做的東西，就有一定的誤差。而應(yīng)用3D設(shè)計(jì)，并在實(shí)際加工時(shí)，數(shù)控機(jī)床上就可以方便地檢驗(yàn)工件的幾何形狀，相對坐標(biāo)尺寸。

現(xiàn)爐口配件制作，爐口上部為鑄鋼件，薄殼部分用鋼板拼焊，解決了鑄件疏松、夾渣等薄壁鑄造引起的問題。

整體成型后，參照R2660，確定各腰型孔相對坐標(biāo)位置和方向，然后進(jìn)行60只腰型孔加工。由于下面的爐口固定架相應(yīng)的孔位置、方向也是數(shù)字技術(shù)確定的，加工精度高。所以現(xiàn)場更換爐口就很順利。

3D設(shè)計(jì)，在3D空間為整臺設(shè)備的每一個(gè)零件建模，按相互裝配關(guān)系進(jìn)行部件裝配，最后進(jìn)行總裝。這樣，可以隨時(shí)發(fā)現(xiàn)問題并進(jìn)行修改［6］。

3 數(shù)字化技術(shù)建模

為更好做好設(shè)備維修、備件采購工作，金隆技術(shù)人員借助數(shù)字化技術(shù)對陽極爐(及其他項(xiàng)目)進(jìn)行3D建模(圖7～12):

圖7 托輪裝置1

圖8 托輪裝置2

圖9 減速機(jī)

圖10 爐體裝置

圖11 傳動(dòng)裝置

圖12 回轉(zhuǎn)式陽極爐

利用“數(shù)字化計(jì)算機(jī)技術(shù)”，對部分大型設(shè)備的每個(gè)零件、部件作出數(shù)字化3D檔案，為今后的零部件制作、設(shè)備升級改造等工作提供了數(shù)字化保證。

4 結(jié)論

數(shù)字技術(shù)、計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)已經(jīng)成為當(dāng)今機(jī)械設(shè)計(jì)、制造的重要技術(shù)，并且還在飛速的發(fā)展當(dāng)中。計(jì)算機(jī)輔助數(shù)控制造技術(shù)(包括電加工和水力切割)也已經(jīng)在機(jī)械工程領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。今天應(yīng)用于金隆銅業(yè)有限公司的配件國產(chǎn)化，同樣取得了成功。

［1］ 云浪生.數(shù)字技術(shù)推動(dòng)設(shè)計(jì)創(chuàng)新與時(shí)俱進(jìn)［J］.中國制造業(yè)信息化(應(yīng)用版)，2011(2):51－52.

［2］ 王慶明.先進(jìn)制造技術(shù)導(dǎo)論［M］.上海:華東理工大學(xué)出版社，2007:4－5.

［3］ 崔鳳奎.SolidWorks機(jī)械設(shè)計(jì)［M］.北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2007:1－2.

［4］ 聞邦椿.機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(第5版)［K］.北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2010，1:4 －5.

［5］ 嚴(yán)育才，張福潤.數(shù)控技術(shù)(修訂版)［M］.北京:清華大學(xué)出版社，2012:3 －6.

［6］ 蘇春.數(shù)字化設(shè)計(jì)與制造［M］.北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2009:2－4.