基于裝夾變形防控的齒輪箱殼體高效加工工藝設計*

劉超鋒，王東方，盧 博，彭 剛

(西安航天發(fā)動機有限公司，陜西 西安 710100)

0 引 言

某型號液體火箭發(fā)動機渦輪泵齒輪箱殼體由鑄造鋁合金加工而成，它的主要作用是為內(nèi)腔的齒輪、軸承提供支撐和保護。齒輪箱內(nèi)腔裝配有中間齒輪、從動齒輪、軸承等零件，渦輪泵產(chǎn)生的動力通過渦輪軸上的主動齒輪傳遞給齒輪箱，帶動伺服機構(gòu)工作。齒輪平穩(wěn)高效的傳遞動力要靠各齒輪間精確的安裝位置來保證，因此齒輪箱殼體機械加工尺寸及形位公差要求很高。

齒輪箱殼體鑄造毛坯一致性差和易產(chǎn)生裝夾變形的結(jié)構(gòu)特點導致機械加工過程中存在劃線找正難，機床有效利用率低、加工效率低，尺寸精度無法保證、合格率低等問題。在充分分析產(chǎn)品結(jié)構(gòu)特點和加工難點的基礎上，借鑒國內(nèi)外先進工藝裝備技術[1-3]，通過設計高精度快換工裝，將裝夾找正移至機外進行，減少機內(nèi)頻繁裝夾找正導致的設備停機，提高機床的有效利用率；通過量化裝夾力矩，有效控制裝夾變形導致的尺寸超差，解決了齒輪箱殼體加工效率低、合格率低的問題。

1 齒輪箱殼體結(jié)構(gòu)特點及加工難點

1.1 齒輪箱殼體結(jié)構(gòu)

齒輪箱殼體主體結(jié)構(gòu)尺寸由鑄造工藝保證，配合面、對接面、軸承孔、螺紋孔等尺寸精度及表面質(zhì)量要求高的表面由機械加工保證，成品狀態(tài)進行硫酸陽極化處理。齒輪箱殼體零件結(jié)構(gòu)見圖1，裝配結(jié)構(gòu)見圖2。

圖1 齒輪箱殼體結(jié)構(gòu) 圖2 齒輪箱殼體三維裝配結(jié)構(gòu)

1.2 加工難點分析

(1)鉗工劃線難：劃線基準面為鑄造表面M和N(見圖3)，現(xiàn)有的鑄造工藝水平難以保證基準面有良好的平面度，經(jīng)常存在隨機分布的凸起和凹坑，導致劃線找正難、效率低。

圖3 齒輪箱殼體劃線工藝附圖

(2)加工中心裝夾找正慢，機床利用率低：加工中心的找正基準為鉗工刻線，操作者需用劃針依次找正鉗工刻線0101、0202和0303，找正過程要多次調(diào)整工裝螺釘高度和墊塊厚度，零件找正時間在30 min左右，找正時間與機床有效工作時間相當。

(3)易變性，尺寸難保證：鑄件壁厚為5±1 mm，裝夾力小了無法保證加工安全性，裝夾力大了會使零件產(chǎn)生變形，零件加工后在機測量各尺寸均能滿足要求，卸去裝夾力后，應力釋放導致零件回彈變形，尺寸難以保證。圖4為齒輪箱殼體關鍵尺寸附圖，圖5為裝夾位置示意圖。

圖4 齒輪箱殼體加工工藝附圖

圖5 齒輪箱殼體裝夾位置示意圖

2 工裝設計

以提高機床有效利用率，控制裝夾變形保證尺寸精度為目標，結(jié)合高精度柔性制造的理念設計齒輪箱殼體快換工裝。具體的工裝結(jié)構(gòu)見圖6，工裝核心部件為快換托板、基礎座及高精度定位拉釘。

圖6 齒輪箱殼體快換裝夾示意圖

(1)快換托板 改變現(xiàn)有的零件機內(nèi)裝夾找正模式，設計制作快換托板，見圖7。托板上設計對線塊，通過對線快找正殼體表面劃線，每個機床配置兩塊托板，一個用于機內(nèi)加工，一個機外找正，將殼體對線找正轉(zhuǎn)移到機外進行，提高機床有效利用率。

圖7 快換托板

(2)基礎座 設計制作快換基礎座，基礎座固定在機床底座上，基礎座與快換托板之間通過高精代銷螺桿連接。根據(jù)工藝流程設計兩種結(jié)構(gòu)基礎座，分別用于齒輪箱殼體底面與端面加工(見圖8、9)，實現(xiàn)齒輪箱殼體在不同工位基礎座間的快速轉(zhuǎn)換，減少變換加工工位時的重復裝夾找正時間。

圖8 基礎座1 圖9 基礎座2

(3)高精度定位拉釘 快換托板與基礎座之間的連接采用具有自動修正中心的定位拉釘連接，確保重復定位精度達到0.005 mm，殼體更換加工工位時的精度傳遞全部由托板和基礎座之間的精度保證?？鞊Q基礎座與托板通過拉丁、氣囊、蝶簧等實現(xiàn)快速連接鎖死，用氣體頂開鎖死鋼珠等實現(xiàn)拉丁與快換基礎座脫開，完成快速裝夾功能。結(jié)構(gòu)及功能示意圖見圖10。

圖10 托板與基礎座之間高精度定位鎖緊結(jié)構(gòu)示意圖

3 變形防控技術

為了解決裝夾變形導致的尺寸超差問題，設計可調(diào)節(jié)專用支撐螺釘，對應放置于與齒輪箱殼體外表面壓板接觸點的內(nèi)腔，見圖11。通過加工工藝試驗，研究內(nèi)外表面螺釘擰緊力矩與變形的關系，最終得到滿足產(chǎn)品尺寸精度要求的防裝夾變形擰緊力矩，壓板固定螺釘?shù)臄Q緊力矩：20 Nm，內(nèi)腔支撐螺釘擰緊力矩：10 Nm。

圖11 齒輪箱殼體機外快速裝夾步驟

4 加工驗證

應用快換工裝及擰緊參數(shù)，加工3個產(chǎn)品，驗證措施的有效性。加工工藝流程見圖12～14為快換工裝在工序中的實際應用情況。

圖12 試驗加工工藝流程

圖13 2工序加工底面與開襠 圖14 3工序加工端面與軸承孔

驗證結(jié)果：

(1)快換工裝將產(chǎn)品的裝夾找正移至機外進行，不占用機床有效工作時間，提高機床有效利用率和產(chǎn)品加工效率，加工過程時間統(tǒng)計見表1所列。

表1 工序過程時間統(tǒng)計

(2)3件產(chǎn)品加工后尺寸測量均合格，計量結(jié)果見表2，尺寸標注參照圖4。

表2 尺寸測量結(jié)果

5 結(jié) 語

為解決齒輪箱殼體裝夾找正時間長、機床有效利用率低的問題，設計制作了由快換托板、基礎座、高精度定位拉釘組成的快換工裝，將產(chǎn)品對線找正轉(zhuǎn)移到機外進行，減少設備停機時間，提高有效利用率；為解決齒輪箱殼體裝夾易變性、產(chǎn)品合格率低的問題，設計可調(diào)節(jié)專用支撐螺釘，并對快換工裝擰緊力矩進行量化控制。經(jīng)加工實踐驗證，措施可行有效，可供類似殼體類零件的防變形高效加工。

研究成果表明，在工藝裝備柔性化、智能化、精細量化等方面進行針對性研究，可作為解決實際加工難題的重要技術手段。