動(dòng)車組牽引電動(dòng)機(jī)傳動(dòng)端蓋加工工藝研究和優(yōu)化

李 超

(中車株洲電機(jī)有限公司 湖南 株洲 412001)

動(dòng)車組牽引電動(dòng)機(jī)傳動(dòng)端蓋加工工藝研究和優(yōu)化

李 超

(中車株洲電機(jī)有限公司 湖南 株洲 412001)

某動(dòng)車組牽引電動(dòng)機(jī)傳動(dòng)端蓋加工過(guò)程極易產(chǎn)生超差變形，本文分析了其在加工過(guò)程中尺寸超差、形位公差不合格的內(nèi)在原因，通過(guò)合理編排工藝過(guò)程來(lái)保證產(chǎn)品的質(zhì)量。

牽引電動(dòng)機(jī)；傳動(dòng)端蓋；薄壁框架；超差

1 概述

1.1 電機(jī)及端蓋特點(diǎn)概述

動(dòng)車組牽引電動(dòng)機(jī)的傳動(dòng)端蓋是其重要零部件之一，是結(jié)構(gòu)復(fù)雜、精度高的薄壁框架的盤形零件，且在加工工序間需要穿插焊接工序，加工過(guò)程中和加工后極易產(chǎn)生變形超差，所以控制其尺寸精度和形位公差的難度非常大。

為滿足牽引電動(dòng)機(jī)輕量高效的要求，本端蓋零件最大程度地去除了工件多余材料，采用鏤空結(jié)構(gòu)，即采用4條寬度不一、與定位面呈40°的筋板連接而成的鏤空薄壁框架結(jié)構(gòu)(見圖1)，工件厚度不足20 mm，加工過(guò)程中容易因工件裝夾、工藝參數(shù)或工藝方法選擇不當(dāng)?shù)仍斐闪慵冃?；止口、軸承室等關(guān)鍵部位分列零件兩側(cè)，且該零件雙止口、軸承室等關(guān)鍵部位的尺寸精度和形位公差等要求高，如何合理安排加工工序、選擇正確的工藝方法，是該零件加工的最大難點(diǎn)。

1.2 初步工藝安排

經(jīng)分析，此工件加工應(yīng)遵循“加工精度低的部位和工序在前，加工精度高的部位和工序在后”的原則，同時(shí)遵循和焊接相關(guān)的工序提前的原則，以避免焊接帶來(lái)的超差和變形。所以鉆孔(通風(fēng)孔、注油孔、傳感器側(cè)邊安裝孔)、銑儲(chǔ)油槽和缺口、銑鉆傳感器處缺口和孔、銑鉆傳感器定位面和安裝孔、鉆安裝孔、精車大小端(端蓋正反面)、磨軸承室等工序應(yīng)相繼完成。

2 初步工藝的說(shuō)明和分析

2.1 初步工藝說(shuō)明

(1)根據(jù)工件的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，儲(chǔ)油槽和缺口的銑削加工采用三爪卡盤自動(dòng)定心實(shí)現(xiàn)定位并夾緊，三爪卡盤緊固在立銑工作臺(tái)上。經(jīng)試制發(fā)現(xiàn)，銑削的儲(chǔ)油槽和缺口質(zhì)量波動(dòng)較大，與軸承室的同軸度等形位公差時(shí)有超差、質(zhì)量不穩(wěn)定的現(xiàn)象。

(2)傳感器處孔和缺口的加工在臥式加工中心完成，工件壓緊在T型槽靠鐵上，靠鐵緊固在機(jī)床工作臺(tái)上，靠鐵上裝有特制的定位棒用以定位工件，螺桿壓板實(shí)現(xiàn)壓緊。經(jīng)試制加工發(fā)現(xiàn)，傳感器定位塊焊接、加工后時(shí)有超差現(xiàn)象，導(dǎo)致傳感器安裝時(shí)有偏差。

(3)本零件由9個(gè)部件焊接而成，分別為：工件主件、注油孔堵塊2個(gè)、傳感器堵塊、加油管、大小蓋板2塊、傳感器定位塊、傳感器導(dǎo)向管，而這些焊接件作用不同，分布在工件主件的加工面和非加工面。該零件的2個(gè)注油孔堵塊、傳感器堵塊、2塊風(fēng)道蓋板的焊接位置處于工件主件的非加工面，而加油管、傳感器定位塊、傳感器導(dǎo)向管的焊接位置處于工件主件的加工面，為最大限度地減小焊接帶來(lái)的變形，焊接工序應(yīng)盡量提前。所以將非加工面的焊接設(shè)置為第1道工序，加工面的焊接工序設(shè)置為此處加工后的第1道工序。同時(shí)，為消除焊接對(duì)產(chǎn)品質(zhì)量的影響，在最后一道焊接工序后，設(shè)置退火工序。

產(chǎn)品試制后發(fā)現(xiàn)，2塊風(fēng)道蓋板焊接形成密閉空間的鐵屑清理非常困難；退火工序使端蓋大端面變形嚴(yán)重，焊接部位和孔道出現(xiàn)大量焊渣，都給后續(xù)加工帶來(lái)困難。

(4)在安排精車工序時(shí)，由于該工件是薄壁鏤空結(jié)構(gòu)，直接采用三爪卡盤定位裝夾加工時(shí)，三爪的徑向夾緊力會(huì)導(dǎo)致工件產(chǎn)生少量的彈性變形，而當(dāng)工件卸下、回彈后，本已加工合格的尺寸會(huì)發(fā)生很大變化。因此針對(duì)此工件設(shè)計(jì)制造了專門的正、反面車削模具，分別采用止口、軸承室的圓周面定位，4套螺桿、壓板直接實(shí)現(xiàn)軸向壓緊，最大程度地減小彈性變形的影響。

經(jīng)上述精車工序安排，仍然出現(xiàn)了超差：雙止口和軸承室的同軸度已達(dá) 0.07～0.1 mm，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)0.04 mm的同軸度要求。

圖1 動(dòng)車端蓋結(jié)構(gòu)圖

2.2 初步工藝缺陷分析

(1)針對(duì)傳動(dòng)端蓋試制時(shí)出現(xiàn)的儲(chǔ)油槽質(zhì)量問(wèn)題，分析發(fā)現(xiàn)：由于前一道鉆孔工序，即通風(fēng)孔的加工導(dǎo)致了定位圓周面不規(guī)則(見圖2)，而此圓周面又作為后續(xù)儲(chǔ)油槽銑鉆工序的定位基準(zhǔn)，當(dāng)使用三爪卡盤直接夾持上述定位圓周面進(jìn)行銑鉆加工時(shí)，加工質(zhì)量自然有波動(dòng)，難以保證。

圖2 油槽結(jié)構(gòu)圖

(2)對(duì)傳感器部位加工工序的整體分析：在毛坯面上先銑鉆傳感器處孔和缺口，再車削定位面時(shí)會(huì)導(dǎo)致質(zhì)量不穩(wěn)。這是由于加工基準(zhǔn)選擇不當(dāng)導(dǎo)致的超差：由于毛坯面尺寸公差較大，以毛坯面定位加工，會(huì)導(dǎo)致后續(xù)的端蓋正、反面車削加工后傳感器處缺口的深度以及傳感器安裝孔位置尺寸偏差較大，使得傳感器導(dǎo)管、定位塊焊接和后續(xù)銑鉆工序后出現(xiàn)超差和傳感器安裝的偏差。同時(shí)，銑削產(chǎn)生的缺口致使后續(xù)產(chǎn)生斷續(xù)車削，這也會(huì)對(duì)車削刀具產(chǎn)生不良影響。

(3)后續(xù)風(fēng)孔加工時(shí)的鐵屑會(huì)直接進(jìn)入由2塊風(fēng)道蓋板提前焊接形成的密閉空間，給清理鐵屑造成了極大的困難。而加油管、傳感器定位塊等附屬件的焊接位置處于端蓋大端面上，為加工面，因此焊接工序在端面車削工序后進(jìn)行。如果在此焊接工序后設(shè)置1道退火工序，會(huì)導(dǎo)致車削好的端面出現(xiàn)變形，此端面是后續(xù)車削工序的基準(zhǔn)，這一基準(zhǔn)的變形會(huì)給后續(xù)加工工序帶來(lái)一系列的不良影響。

為實(shí)現(xiàn)貫穿注油孔的加工(見圖3)，堵塊外圍會(huì)被破壞，注油孔加工完成后，要對(duì)堵塊外圍孔口處進(jìn)行焊接封堵處理，以生成封閉的油路。雖然孔口較小，但直接焊接封堵，會(huì)導(dǎo)致鐵水流入油孔內(nèi)腔后形成焊渣，焊渣難以清理并可能堵塞油路。

圖3 注油孔結(jié)構(gòu)圖

(4) 分析發(fā)現(xiàn)：在原來(lái)的精車工序中，精車小端時(shí)，精車雙止口和油槽分為2道工序來(lái)完成，即要實(shí)現(xiàn)軸向裝夾，夾具位置、工件裝夾部位不可避免地會(huì)與加工路徑出現(xiàn)干涉，因而采用“止口部位裝夾，加工油槽內(nèi)孔”、“油槽內(nèi)孔部位裝夾，加工止口部位”2次裝夾的方式來(lái)實(shí)現(xiàn)(見圖4)；上述做法雖然避免了干涉的影響，但2次裝夾卻使得加工定心、定位基準(zhǔn)不重合，也直接導(dǎo)致了止口和軸承室同軸度等形位公差的超差。

圖4 原車削工裝結(jié)構(gòu)圖

3 工藝優(yōu)化及效果

(1)對(duì)于工序間的矛盾，可以采用最簡(jiǎn)單高效的措施：即將儲(chǔ)油槽銑削工序調(diào)整至鉆孔工序前，以保證定位圓周面的規(guī)則性。工序調(diào)整后的合格率可達(dá)99.5%，此工序的調(diào)整保證了大批量生產(chǎn)產(chǎn)品的質(zhì)量穩(wěn)定性。另外，在使用數(shù)控設(shè)備銑削儲(chǔ)油槽和缺口時(shí)，可同時(shí)給注油孔打上2 mm引孔，此引孔是注油孔加工工序的基準(zhǔn)，保證了注油孔加工的質(zhì)量。這一道工序不僅提升了產(chǎn)品質(zhì)量的可靠性和效率，同時(shí)也避免了由于銑鉆工序置前帶來(lái)的剛性不足的問(wèn)題。

(2)上述分析不難看出：應(yīng)選擇加工面為基準(zhǔn)來(lái)加工，即在加工面上銑鉆傳感器處缺口和孔之前，完成定位面的加工，再以此定位面作為傳感器處銑鉆工序的基準(zhǔn)面，通過(guò)提高基準(zhǔn)面的精確性來(lái)保證后續(xù)工序質(zhì)量，因此拆分原有的車削工序，并將車削定位面工序置于本工序前。按上述方法調(diào)整后，傳感器處幾乎再未出現(xiàn)超差現(xiàn)象，保證了該產(chǎn)品大批量生產(chǎn)的可靠性。同時(shí)避免了斷續(xù)車削對(duì)刀具產(chǎn)生的不良后果。

(3)針對(duì)缺陷第1點(diǎn)，必須拆分并調(diào)整第1道焊接工序，即先將首道焊接工序拆分，將風(fēng)道蓋板的焊接安排至風(fēng)孔加工后、其他機(jī)加工工序前，并在風(fēng)孔加工后安排一道精整工序，以最大限度地去除加工鐵屑，保證焊接部位的清潔。焊接工序初步拆分為3道：①焊堵塊(兩注油孔處、一傳感器處)；②焊蓋板；③焊油管、傳感器定位塊、傳感器導(dǎo)向管。

針對(duì)缺陷第2點(diǎn)，由于焊接的焊縫長(zhǎng)度不是很長(zhǎng)，而且本工件加工工序長(zhǎng)，工序時(shí)間的自然時(shí)效即可釋放大部分焊接熱及其帶來(lái)的變形影響，考慮去除退火工序，并嚴(yán)格控制焊接過(guò)程，使焊接面積最小化，將焊接熱和產(chǎn)生的不良影響控制在最小。經(jīng)試制發(fā)現(xiàn)，優(yōu)化后的焊接工序?qū)罄m(xù)工序和產(chǎn)品質(zhì)量的影響不是很大，依然符合設(shè)計(jì)圖紙要求，因此采用“去除退火工序、控制焊接過(guò)程” 的優(yōu)化措施。

針對(duì)缺陷第3點(diǎn)，先優(yōu)化堵塊注油孔外孔口的結(jié)構(gòu)，即采用一沉孔結(jié)構(gòu)，具體是在?6 mm的注油孔加工后，加工1個(gè)?10 mm、深度為2 mm的沉孔，同時(shí)采用?9 mm、厚度為4 mm的小蓋板，在蓋板放入沉孔的基礎(chǔ)上進(jìn)行焊接，消除上述鐵水流入而產(chǎn)生焊渣的影響(見圖5)。

圖5 注油孔改進(jìn)示意圖

圖6 車削改進(jìn)示意圖

(4)由上述分析可知，要保證產(chǎn)品質(zhì)量，必須重新設(shè)計(jì)模具以實(shí)現(xiàn)工件的一次性裝夾和加工。分析產(chǎn)品結(jié)構(gòu)發(fā)現(xiàn)，可轉(zhuǎn)產(chǎn)品結(jié)構(gòu)劣勢(shì)為優(yōu)勢(shì)，即充分利用該工件鏤空結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)，壓緊機(jī)構(gòu)可從此鏤空處伸出并壓緊，壓緊點(diǎn)選取較為厚實(shí)的工件背面；同時(shí)充分考慮數(shù)控設(shè)備的特征，選取更高轉(zhuǎn)速的數(shù)控立車來(lái)加工。新的精車小端和止口夾具按如下思路設(shè)計(jì)：①模具定位面直接靠緊數(shù)控立車臺(tái)面實(shí)現(xiàn)定位并采用T型螺栓來(lái)緊固模具；②采用4組等高的壓緊螺桿、支撐螺桿、壓板、螺母等壓緊機(jī)構(gòu)，螺桿旋緊在模具上，從鏤空處伸出并實(shí)現(xiàn)工件的壓緊(見圖6)。如此，實(shí)現(xiàn)了工件的一次性軸向裝夾和加工；③采用模具定位模芯外圍面定心、模具端面定位，工件的定位面分別是 ? 198mm的內(nèi)孔和大端面。 同時(shí)采用扭力扳手保證四處壓緊力的一致性，并對(duì)車削參數(shù)進(jìn)行調(diào)整優(yōu)化(分步、小量高速車削)，改善效果更為明顯。

上述工藝優(yōu)化措施避免了夾具位置、工件裝夾部位與加工路徑的干涉，實(shí)現(xiàn)了端蓋小端儲(chǔ)油槽內(nèi)孔和止口的一次性裝夾、加工，不僅保證了產(chǎn)品質(zhì)量、消除了尺寸和形位公差超差，同時(shí)還提升了工作效率，降低了操作人員的勞動(dòng)強(qiáng)度，工藝優(yōu)化效果十分明顯。

4 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)對(duì)上述端蓋加工工藝的研究和優(yōu)化，尺寸精度、形位公差超差等產(chǎn)品質(zhì)量問(wèn)題得到了極大的優(yōu)化和改善，從根本上提升了產(chǎn)品質(zhì)量，并為此后牽引電動(dòng)機(jī)中此類端蓋的加工提供了依據(jù)和參照?！?/p>

(編輯：繆 媚)

2095-5251(2016)05-0014-03

2016-01-18

李 超(1989-)，男，本科學(xué)歷，助理工程師，從事牽引電機(jī)研究及銷售工作。

U262.42

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