保證大型模架導(dǎo)向裝置制造精度的措施

張映寧

(二重(德陽(yáng))重型裝備有限公司，四川618013)

大型熱模鍛壓力機(jī)的模架是熱模鍛壓力機(jī)的通用部件，其主要作用是緊固鍛模和傳遞壓力機(jī)巨大的壓力。在模架合模時(shí)，上、下模座靠模架導(dǎo)向裝置定位和對(duì)正，導(dǎo)向裝置的制造精度直接影響產(chǎn)品的質(zhì)量和模架的使用壽命。125 MN模鍛壓力機(jī)模架是為一汽模鍛廠(chǎng)生產(chǎn)制造的熱模鍛設(shè)備，其模架導(dǎo)向裝置結(jié)構(gòu)新穎，制造精度要求很高。深入研究這種模架導(dǎo)向裝置的加工及裝配制造工藝，對(duì)提升產(chǎn)品質(zhì)量和降低制造成本有著十分重要的意義。

1 結(jié)構(gòu)介紹和技術(shù)要求

模架由上模座、下模座、導(dǎo)向裝置等零部件組成。上模座外形尺寸2.4 m×2.1 m×0.68 m、重量20.4 t；下模座外形尺寸2.4 m×2.1 m×0.69 m、重量20 t。模架導(dǎo)向裝置由上、下各四根?260 mm×720 mm圓柱方頭導(dǎo)向柱以及導(dǎo)向滑板等零件組成，詳見(jiàn)圖1。導(dǎo)向柱扁頭上開(kāi)有長(zhǎng)度240(+0.0720)mm、寬度210 mm、深(15±0.10)mm長(zhǎng)方形的導(dǎo)向滑板安裝槽，槽底要求平面度0.02 mm，粗糙度達(dá)Ra3.2 μm，用于安裝導(dǎo)向滑板，導(dǎo)向柱詳見(jiàn)圖2。

導(dǎo)向柱圓柱部分采用過(guò)盈配合，安裝在上、下模座上。相鄰導(dǎo)向柱上滑板槽底面相互垂直，相對(duì)導(dǎo)向柱上滑板槽底面相互平行，各導(dǎo)向柱滑板槽底面和長(zhǎng)方形模座的中心線(xiàn)成45°交叉排列。上模座、下模座上安裝導(dǎo)向柱孔，孔距及加工尺寸精度要求詳見(jiàn)圖3。

圖1 模架導(dǎo)向裝置Figure 1 Guide device of mould frame

圖2 導(dǎo)向柱Figure 2 Guide post

導(dǎo)向柱安裝在模座上并裝入導(dǎo)向滑板，上下合模后要求上下滑板間隙≤0.15 mm，對(duì)角間隙之和≤0.25 mm，且間隙均勻，滑動(dòng)自如。導(dǎo)向滑板材料為3Cr2W8V合金工具鋼，熱處理硬度50～55HRC、粗糙度要求Ra0.8 μm。導(dǎo)向滑板間隙詳見(jiàn)圖4。

圖3 上模座導(dǎo)向柱孔距尺寸Figure 3 Hole spacing dimension of the guide post of upper mould base

圖4 導(dǎo)向滑板間隙Figure 4 Guide slide clearance

2 加工制造難點(diǎn)分析

要保證裝配合模后，導(dǎo)向滑板間隙均勻，滑動(dòng)靈活，間隙達(dá)到圖紙要求，首先必須保證上、下模座四處導(dǎo)向柱安裝孔，孔距和理論尺寸一致，誤差盡量小。若X或Y方向尺寸出現(xiàn)誤差A(yù)，相對(duì)45°方向的滑板間隙將會(huì)產(chǎn)生0.707A的誤差，其次必須保證相鄰孔中心線(xiàn)連線(xiàn)相互垂直，呈矩形，即對(duì)角線(xiàn)孔距相等。

由于上模座加工時(shí)是內(nèi)側(cè)面向上，使用時(shí)內(nèi)側(cè)面向下，機(jī)床X、Y軸的垂直度誤差對(duì)孔距的影響尤為突出。若機(jī)床X軸和Y軸垂直度誤差值為B，則裝配時(shí)滑板間隙將會(huì)產(chǎn)生1.414B的誤差。垂直度誤差值過(guò)大，不但導(dǎo)致滑板間隙誤差增大，還會(huì)使上、下模座出現(xiàn)錯(cuò)位或上下滑板干涉現(xiàn)象，機(jī)床必須將X、Y軸的垂直度誤差調(diào)整得盡量小。

另外更重要的是，上、下模座安裝導(dǎo)向柱后各滑板安裝槽底面除本身平面度要求很高外，與模座中心線(xiàn)角度必須一致，若角度發(fā)生偏差，將導(dǎo)致上下滑板內(nèi)、外側(cè)間隙不均勻，工作時(shí)受力不均、磨損加劇，嚴(yán)重影響使用壽命，角度偏差嚴(yán)重時(shí)將出現(xiàn)導(dǎo)向滑板干涉現(xiàn)象。

3 制造方案選擇

方案一：上、下模座先后在數(shù)控機(jī)床上完成精加工，再直接臨床檢驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)冷裝(滑板槽未加工)導(dǎo)向柱、上小角銑頭，加工導(dǎo)向柱上滑板安裝槽，最后試裝、配作滑板。

由于125 MN模鍛壓力機(jī)模架的導(dǎo)向裝置中導(dǎo)向柱滑板槽距離模座平面的距離只有75 mm，參見(jiàn)圖4，大多數(shù)機(jī)床的角銑頭無(wú)法進(jìn)行加工。一般大型機(jī)床角銑頭轉(zhuǎn)速不高，加工尺寸較小的沉槽，效率低、質(zhì)量不高。

方案二：上、下模座和導(dǎo)向柱分別在相應(yīng)規(guī)格的數(shù)控機(jī)床上完成精加工?？傃b配時(shí)冷裝導(dǎo)向柱，制作工裝楔塊，楔緊導(dǎo)向柱和模座，保證導(dǎo)向柱滑板安裝槽角度一致，參見(jiàn)圖4，最后試裝、配作滑板。

由于模座上定位槽為矩形槽，和工裝楔塊成線(xiàn)接觸，再加上導(dǎo)向柱配合面和模座定位槽加工誤差累積，要保證各導(dǎo)向柱槽底角度一致比較困難，精度不高。

方案三：上、下模座和導(dǎo)向柱分別在相應(yīng)規(guī)格的數(shù)控機(jī)床上完成精加工，臨床檢驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)冷裝(滑板槽已加工)導(dǎo)向柱，通過(guò)機(jī)床配合打表找正，保證各導(dǎo)向柱滑板安裝槽角度一致，最后試裝、配作滑板。

由于冷裝時(shí)導(dǎo)向柱會(huì)很快受熱膨脹，在機(jī)床上裝配調(diào)整、找正導(dǎo)向柱滑板槽角度的時(shí)間很有限，必須在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)完成裝配調(diào)整工作，有熱脹卡阻風(fēng)險(xiǎn)。

上述3種制造精度保證方案的優(yōu)劣勢(shì)比較詳見(jiàn)表1。

綜合考慮，選用方案三更有利于提高產(chǎn)品加工制造質(zhì)量和降低生產(chǎn)成本。

4 保證制造精度工藝措施

根據(jù)裝配圖紙技術(shù)要求，合模后滑板單側(cè)間隙實(shí)際必須控制在0.125 mm以?xún)?nèi)，單純按上、下模座零件圖紙的尺寸精度加工，由于累積誤差等原因，最終裝配時(shí)無(wú)法達(dá)到滑板間隙要求，所以不能簡(jiǎn)單地按零件圖尺寸精度加工，需要進(jìn)行設(shè)計(jì)尺寸工藝轉(zhuǎn)換。工件加工尺寸較大，為避免孔距尺寸和角度累積誤差，加工時(shí)盡量減少坐標(biāo)旋轉(zhuǎn)、X軸、Y軸插補(bǔ)等機(jī)床誤差造成的不良影響，工件在機(jī)床上裝夾位置采用導(dǎo)向柱安裝孔中心線(xiàn)平行于機(jī)床X軸或Y軸的45°方向裝夾，詳見(jiàn)圖5。

表1 制造方案比較Table 1 Comparison of manufacturing schemes

圖5 模座孔距工藝尺寸、裝夾方向Figure 5 Technological dimensions of hole spacing on the mould base and clamping and fixing direction

加工時(shí)為避免相鄰安裝孔中心線(xiàn)連線(xiàn)出現(xiàn)平行四邊形，加工用機(jī)床必須進(jìn)行X軸和Y軸的垂直度誤差檢測(cè)和調(diào)整。為避免不同機(jī)床加工精度誤差對(duì)孔距的影響，對(duì)不同機(jī)床的尺寸精度、垂直度精度需要進(jìn)行檢測(cè)和比較或采用同機(jī)床加工。

模架導(dǎo)向滑板材料特殊、硬度高、尺寸精度高、粗糙度要求達(dá)到Ra0.8 μm，必須采用磨削加工方式才能達(dá)到圖紙要求，各相配零件受加工機(jī)床精度、加工誤差、加工環(huán)境等多方面因素的影響，直接將導(dǎo)向滑板按圖加工到位，在最后裝配時(shí)很容易出現(xiàn)由于各零件的累積誤差，導(dǎo)致裝配間隙達(dá)不到要求的現(xiàn)象。所以采用裝配時(shí)根據(jù)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)配制導(dǎo)向滑板的制造工藝方案。

5 制造方案實(shí)施

上、下模座加工機(jī)床選用定位精度高、X、Y軸垂直度誤差小的2.5 m×8 m數(shù)控龍門(mén)銑床，加工前對(duì)機(jī)床精度進(jìn)行檢測(cè)和調(diào)整。導(dǎo)向柱滑板槽選用XH718數(shù)控加工中心進(jìn)行加工，最終模座導(dǎo)向柱孔孔距和垂直度誤差控制在0.02 mm以?xún)?nèi)，導(dǎo)向柱滑板槽平面度達(dá)到0.01 mm，表面粗糙度達(dá)Ra3.2 μm。

確定冷裝導(dǎo)向柱的操作時(shí)間、冷裝溫度和冷卻時(shí)間是能否成功實(shí)施制造工藝方案的關(guān)鍵。導(dǎo)向柱冷裝在模座上由于溫差原因產(chǎn)生熱傳遞而快速膨脹，主要熱傳遞方式是熱傳導(dǎo)和熱對(duì)流，必須在裝配間隙消失前將導(dǎo)向柱安裝并調(diào)整到位。按冷卻溫度計(jì)算公式(1)，計(jì)算發(fā)現(xiàn)，當(dāng)溫差在102℃時(shí)才能滿(mǎn)足冷裝要求，溫差在55℃時(shí)裝配間隙將完全消失。按室溫20℃計(jì)算，導(dǎo)向柱安全冷裝溫度是-82℃，選用液氮作冷卻介質(zhì)將導(dǎo)向柱冷卻到-185℃。冷卻時(shí)間計(jì)算見(jiàn)公式(2)，計(jì)算的冷卻時(shí)間為162 min。用計(jì)算機(jī)仿真軟件進(jìn)行熱分析仿真，預(yù)測(cè)冷卻后的導(dǎo)向柱溫度上升至-82℃的時(shí)間，預(yù)估是否有足夠的操作時(shí)間，熱分析仿真見(jiàn)圖6。由于施工現(xiàn)場(chǎng)情況比較復(fù)雜，最后還通過(guò)冷裝實(shí)驗(yàn)測(cè)定、校驗(yàn)、修正溫度上升時(shí)間和裝配操作時(shí)間。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，導(dǎo)向柱冷卻到-185℃左右以后，在室溫下約20 min就膨脹到?jīng)]有安全的裝配間隙，所以單件導(dǎo)向柱冷裝時(shí)間控制在15 min內(nèi)完成，就能夠保證不出現(xiàn)冷裝卡滯現(xiàn)象。

圖6 NX熱分析仿真計(jì)算升溫時(shí)間Figure 6 Calculating the heating time by NX thermal analysis simulation

冷裝導(dǎo)向柱的冷卻溫度計(jì)算：

T=2δad=102

(1)

式中，T為零件冷卻溫度，單位為℃；d為軸直徑，單位為mm；a為軸的線(xiàn)膨脹系數(shù)，單位為1℃；δ為最大公盈，單位為mm。

冷卻時(shí)間計(jì)算：

t=aδ+6δ=162

(2)

式中，t為零件所需的冷卻時(shí)間，單位為min；a為與材料有關(guān)的綜合系數(shù)；δ為被冷卻零件的特征尺寸。

運(yùn)用計(jì)算和實(shí)驗(yàn)結(jié)果制定冷裝工藝，冷裝結(jié)束后在常溫下復(fù)檢導(dǎo)向柱滑板槽底面全長(zhǎng)角度誤差在0.01 mm以?xún)?nèi)，和冷裝時(shí)檢測(cè)值一致。最后配制滑板合模后，檢測(cè)滑板間隙均勻，間隙值均控制在0.1 mm內(nèi)，完全達(dá)到圖紙技術(shù)要求。

6 結(jié)論

采用設(shè)計(jì)尺寸工藝轉(zhuǎn)換，優(yōu)化裝夾方式，機(jī)床輔助裝配定位，臨床檢驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)冷裝等制造精度保證措施，完全能滿(mǎn)足定位精度要求較高的大型模架導(dǎo)向裝置的制造要求，節(jié)約生產(chǎn)成本，提高加工效率。這種加工制造工藝方法和臨床檢驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)冷裝、機(jī)床輔助裝配的工藝方法為今后加工制造類(lèi)似產(chǎn)品提供了一條新的工藝方法和思路。