基于CAD/CAM的國(guó)產(chǎn)化智能采煤機(jī)關(guān)鍵制造工藝應(yīng)用研究

商開(kāi)振，劉 霞，李 洋，邵世權(quán)，張 鋒

（菏澤技師學(xué)院，山東 菏澤 274026）

1 引言

近年來(lái)，隨著我國(guó)5G通信技術(shù)日趨成熟，物聯(lián)網(wǎng)、混合云技術(shù)等不斷融入傳統(tǒng)煤機(jī)制造行業(yè)，有力推動(dòng)了我國(guó)采煤機(jī)研發(fā)制造向智能化的轉(zhuǎn)型發(fā)展。不斷發(fā)展的煤炭工業(yè)在保障安全生產(chǎn)、提升開(kāi)采效率和改善工作環(huán)境等方面對(duì)傳統(tǒng)煤機(jī)制造行業(yè)提出了更高要求，以少人、無(wú)人為特點(diǎn)的智能煤礦成為新的發(fā)展趨勢(shì)。由于國(guó)外智能采煤機(jī)價(jià)格昂貴，故障排查、處理困難，配件昂貴，且生產(chǎn)作業(yè)過(guò)程中問(wèn)題較多，我國(guó)煤炭企業(yè)對(duì)國(guó)產(chǎn)智能采煤機(jī)的需求日益增大。

關(guān)鍵零部件的制造工藝是智能化采煤機(jī)由圖樣變成現(xiàn)實(shí)的基石。本文來(lái)源于某智能型電牽引采煤機(jī)研發(fā)項(xiàng)目，主要圍繞研發(fā)過(guò)程中關(guān)鍵零部件搖臂內(nèi)齒圈的制造工藝方案進(jìn)行研究，以突破采煤機(jī)智能化進(jìn)程中的技術(shù)瓶頸。

2 智能采煤機(jī)制造工藝關(guān)鍵問(wèn)題

傳統(tǒng)采煤機(jī)零部件的加工制造工藝已經(jīng)日趨成熟，也給智能化采煤機(jī)提供了經(jīng)驗(yàn)參考，但也有新的加工難題出現(xiàn)。其中搖臂部件中行星輪系的內(nèi)齒圈因尺寸大、壁較薄，形位公差要求較高，成為智能采煤機(jī)制造過(guò)程中的加工難題。智能采煤機(jī)搖臂行星輪系如圖1所示。

圖1 智能采煤機(jī)搖臂行星輪系

搖臂行星齒輪系是搖臂的減速機(jī)構(gòu)，具有體積小、承載能力大、運(yùn)行平穩(wěn)的特點(diǎn)。由于搖臂腔體結(jié)構(gòu)的智能化設(shè)計(jì)，造成行星輪系內(nèi)齒圈外徑尺寸減小，為684 mm，最大壁厚為31 mm，最小壁厚為14.5 mm。智能化采煤機(jī)搖臂內(nèi)齒圈如圖2所示。

圖2 智能化采煤機(jī)搖臂內(nèi)齒圈

壁厚與直徑之比約1/20，屬于車(chē)削加工中較難加工的薄壁結(jié)構(gòu)。由于外徑尺寸超出普通三爪卡盤(pán)的夾持范圍，該零部件只能由夾緊力較大的四爪單動(dòng)卡盤(pán)夾持，這進(jìn)一步加大了零部件變形風(fēng)險(xiǎn)。而為了保證行星傳動(dòng)機(jī)構(gòu)正常運(yùn)行，避免因內(nèi)齒圈圓柱度超差，造成采煤機(jī)搖臂工作時(shí)出現(xiàn)震動(dòng)、噪聲問(wèn)題，該零部件的圓柱度需要保持在0.03 mm以?xún)?nèi)。

3 搖臂內(nèi)齒圈工藝方案

3.1 總體工藝方案分析

搖臂內(nèi)齒圈主要包括外圓、端面、同軸孔系、開(kāi)口直槽和內(nèi)齒等結(jié)構(gòu)。由于薄壁件易發(fā)生變形，其外圓與內(nèi)孔等關(guān)鍵結(jié)構(gòu)的加工應(yīng)分粗加工、半精加工和精加工3個(gè)階段。為提高此材料加工性能，在粗加工后加入調(diào)質(zhì)工序。內(nèi)齒分為粗加工與精加工兩個(gè)階段，并將粗插工序安排在齒頂內(nèi)孔車(chē)成，其余外圓內(nèi)孔留余量之后。在粗插齒形后，加入時(shí)效處理以消除內(nèi)在應(yīng)力。開(kāi)口直槽在精車(chē)與精插齒形中間。由于搖臂內(nèi)齒圈是傳動(dòng)零部件，在采煤機(jī)切割煤壁時(shí)需要持續(xù)承受較大沖擊與震動(dòng)，因此齒部需要進(jìn)行表面氮化以增強(qiáng)其耐磨、耐疲勞特性；其具體的工藝路線如圖3所示，其中各孔、外圓的精車(chē)加工是加工難點(diǎn)。

圖3 搖臂內(nèi)齒圈工藝路線總圖

3.2 搖臂內(nèi)齒圈重點(diǎn)工序工裝設(shè)計(jì)

薄壁類(lèi)工件壁厚較小，剛性較差，裝夾時(shí)夾具的夾緊力難以把握，造成了此類(lèi)薄壁零部件的形位公差難以保證。在夾緊力超出壁厚承受能力的情況下，零部件沿夾緊力接觸點(diǎn)出現(xiàn)變形，雖然未卸下工件前測(cè)量各部分尺寸完全符合，但夾緊力撤銷(xiāo)以后，零部件會(huì)在受力處發(fā)生彈性恢復(fù)，不能有效保證其最終圓柱度公差。針對(duì)內(nèi)外圓結(jié)構(gòu)的車(chē)削精加工工序圓柱度0.03 mm的要求，提出了與數(shù)車(chē)四爪單動(dòng)卡盤(pán)配套使用的扇形可微調(diào)軟爪的解決方案。

此套夾具設(shè)計(jì)為外、內(nèi)軟爪以分別配套夾持工件外圓、支撐內(nèi)孔的裝夾方式，如圖4、圖5所示。均為一套4件，利用緊固螺栓固定在四爪單動(dòng)卡盤(pán)卡爪上，如圖6、圖7所示。其中外軟爪用于夾持內(nèi)齒圈外圓，進(jìn)行車(chē)削工件內(nèi)齒口；內(nèi)軟爪支撐加工好的內(nèi)齒口，一次裝夾車(chē)成其他外圓、內(nèi)孔和臺(tái)階等結(jié)構(gòu)。四爪卡盤(pán)的卡爪是單個(gè)運(yùn)動(dòng)，無(wú)法實(shí)現(xiàn)自定心，工件的找正比較困難；為了解決此問(wèn)題，在此套軟爪上設(shè)置了微調(diào)螺栓，便于進(jìn)行準(zhǔn)確找正。

圖4 外軟爪

圖5 內(nèi)軟爪

圖6 外軟爪夾持工件外圓

圖7 內(nèi)軟抓支撐工件內(nèi)齒口

此套夾具克服了四爪單動(dòng)卡盤(pán)夾持薄壁件產(chǎn)生大尺寸變形的缺點(diǎn)，且具有很好的通用性。軟爪采用扇形結(jié)構(gòu)，一組4個(gè)軟爪配套使用可以形成環(huán)抱結(jié)構(gòu)，成倍地加大零部件的裝夾面積，減小零部件變形，較大地提高了零部件的裝夾穩(wěn)定性。材料選用45鋼，相對(duì)于內(nèi)齒圈硬度較低，可以保護(hù)零部件表面不被夾傷。同時(shí)，在裝夾之前可以根據(jù)不同零部件夾緊部位的結(jié)構(gòu)尺寸，將軟爪配作成不同的結(jié)構(gòu)；因此能適用于大多數(shù)環(huán)形薄壁工件的裝夾。

4 搖臂內(nèi)齒圈裝夾狀態(tài)的受力分析

4.1 搖臂內(nèi)齒圈夾緊力的計(jì)算

夾緊力的大小直接影響零部件的形狀準(zhǔn)確度，故針對(duì)搖臂內(nèi)齒圈在數(shù)控車(chē)床四爪單動(dòng)卡盤(pán)上的夾緊力進(jìn)行計(jì)算。明確零部件的受力狀況，便于驗(yàn)證利用扇形可調(diào)節(jié)軟爪來(lái)保證零部件公差要求的有效性。在不考慮重力及其他伴生力的情況下，夾緊力主要與受材料工藝性、刀具角度等因素影響的切削力

P

的大小和方向有關(guān)。（1）單位切削力

P

的計(jì)算查《機(jī)械加工工藝手冊(cè)》，對(duì)于一般的切削條件下，單位切削力

P

的計(jì)算公式為

式中，

C

決定于被加工金屬和切削條件系數(shù)，取值2 650 N；

f

為進(jìn)給量，取值0.18 mm；

k

為實(shí)際加工條件與經(jīng)驗(yàn)公式的條件不符時(shí)，各項(xiàng)因素對(duì)切削力修正系數(shù)的積，分別為被加工材料加工性能、刀具前角、主偏角、刃傾角、刀尖圓弧半徑和后刀面磨鈍標(biāo)準(zhǔn)對(duì)切削力的修正系數(shù)，計(jì)算取值1.35。將上述數(shù)據(jù)代入式（1）得

P

=5 503.85 N/mm。

（2）夾緊力的計(jì)算

車(chē)床四爪單動(dòng)卡盤(pán)的夾緊力與工件加工過(guò)程中的單位切削力、慣性力、摩擦力及其他伴生力密切相關(guān)，一般先計(jì)算理論夾緊力，再乘安全系數(shù)來(lái)確定。夾緊力

W

的計(jì)算公式為

式中，

k

為安全系數(shù)，

k

＝

k

k

k

k

，其中，

k

為一般安全系數(shù)，

k

為加工性質(zhì)系數(shù)，

k

為刀具鈍化系數(shù)，

k

為斷續(xù)切削系數(shù)，計(jì)算取值2.6。

P

為切削力，計(jì)算取5 503.85 N/mm。

μ

為卡爪與工件之間的摩擦系數(shù)，取值0.1。將上述數(shù)據(jù)代入式（2）得

W

=143 100 N。由于使用四爪單動(dòng)卡盤(pán)裝夾時(shí)夾緊力不好控制，且考慮工件重力、慣性力及其他伴生力的作用，選取安全系數(shù)為1.25，故其實(shí)際夾緊力為178 875 N。

4.2 搖臂內(nèi)齒圈夾具工作狀態(tài)的受力分析

針對(duì)四爪單動(dòng)卡盤(pán)、扇形軟爪夾持外圓、支撐內(nèi)孔的狀態(tài)進(jìn)行變形量的對(duì)比驗(yàn)證。在使用四爪單動(dòng)卡盤(pán)裝夾時(shí)，搖臂內(nèi)齒圈在夾緊力的作用下將會(huì)產(chǎn)生過(guò)大變形，其中夾持外圓時(shí)的變形量為0.066 mm，如圖8所示；支撐內(nèi)孔時(shí)的變形量為0.053 mm，如圖9所示。

圖8 四爪夾持工件外圓變形

圖9 四爪支撐工件內(nèi)孔變形

在使用扇形軟爪后，搖臂內(nèi)齒圈的變形減少。其中夾持外圓時(shí)的最大變形量為0.005 mm，如圖10所示；支撐內(nèi)孔時(shí)的變形量為0.026 mm，如圖11所示。

圖10 外爪夾持工件外圓變形

圖11 內(nèi)爪支撐工件內(nèi)齒口變形

由此可知扇形軟爪的應(yīng)用將變形量至少減小60%，才能有效保證搖臂內(nèi)齒圈的形位公差要求。

5 搖臂內(nèi)齒圈關(guān)鍵工序的仿真驗(yàn)證

為了驗(yàn)證實(shí)際加工過(guò)程，獲得用于生產(chǎn)的編程數(shù)據(jù)，針對(duì)搖臂內(nèi)齒圈圓柱度要求為0.03 mm的外圓、內(nèi)齒口等結(jié)構(gòu)的精車(chē)工序進(jìn)行仿真模擬驗(yàn)證。利用SolidVerify模擬及CAD圖形上的刀具路徑驗(yàn)證等功能驗(yàn)證刀具路線，核查是否撞刀、過(guò)切或未加工，以便修改加工參數(shù)。

5.1 毛坯形狀的設(shè)定

由工藝分析可知，粗車(chē)、半精車(chē)已對(duì)各內(nèi)孔、外圓等結(jié)構(gòu)留下精車(chē)余量3 mm。為了便于仿真，在不影響加工編程數(shù)據(jù)的情況下，對(duì)毛坯中粗插后的齒形、按余量加大銑成的兩面直槽等結(jié)構(gòu)進(jìn)行合理簡(jiǎn)化，其形狀如圖12所示。

圖12 搖臂內(nèi)齒圈毛坯圖

5.2 SolidVerify工藝路線模擬

通過(guò)對(duì)搖臂內(nèi)齒圈結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及工藝路線的分析可知，本工序包括外軟爪夾持、內(nèi)軟爪支撐兩個(gè)工步，均由數(shù)控車(chē)床進(jìn)行加工。

（1）外軟爪夾持外圓車(chē)成內(nèi)齒口

工件內(nèi)孔以及兩端面已經(jīng)由半精車(chē)工序加工完成。依據(jù)先重要表面后次要表面的工藝原則，先加工內(nèi)齒口代相連接的圓角，后加工工件外圓上的倒角（按余量加大車(chē)成）。其刀具的路線仿真如圖13所示。

圖13 搖臂內(nèi)齒圈內(nèi)齒口加工SolidVerify驗(yàn)證

（2）內(nèi)軟爪支撐內(nèi)齒口車(chē)成另一端

搖臂內(nèi)齒圈另一端主要包括臺(tái)階孔、外圓及外圓上環(huán)形槽、相關(guān)端面、圓角、倒角等結(jié)構(gòu)。如圖14所示，內(nèi)軟爪支撐內(nèi)齒口后，加工臺(tái)階孔及相關(guān)的端面、圓角等結(jié)構(gòu)，然后加工工件外圓以及相關(guān)倒角，最后利用車(chē)槽刀切削位于外圓上的環(huán)形槽。

圖14 搖臂內(nèi)齒圈其余結(jié)構(gòu)加工SolidVerify驗(yàn)證

5.3 刀具路線及過(guò)切/殘料驗(yàn)證

兩個(gè)工步的走刀路線如圖15所示。通過(guò)刀具路線及SolidVerify模擬功能可知，本工序刀路正確，不會(huì)發(fā)生撞刀、干涉等現(xiàn)象。

圖15 搖臂內(nèi)齒圈各工步刀具路線驗(yàn)證

搖臂內(nèi)齒圈過(guò)切/殘料驗(yàn)證結(jié)果如圖16所示。可知各同軸孔及相應(yīng)的端面、密封槽都加工完成。圖中紅色部分殘料為由于毛坯設(shè)置時(shí)簡(jiǎn)化的內(nèi)齒與兩面直槽，其中內(nèi)齒精車(chē)前已粗插，精車(chē)后仍有精插工序；兩面直槽已經(jīng)在精車(chē)工序前加工完畢。其余各面的形狀與尺寸都與設(shè)定好的加工形狀吻合，最終加工形狀符合預(yù)期。

圖16 搖臂內(nèi)齒圈過(guò)切/殘料驗(yàn)證

6 搖臂內(nèi)齒圈的生產(chǎn)加工及使用

在前期工作提供的各項(xiàng)工藝資料的支持下，此零部件通過(guò)使用數(shù)控車(chē)、Y58插齒機(jī)等數(shù)控設(shè)備，順利完成了零部件的加工并進(jìn)行了裝配。通過(guò)使用扇形可調(diào)節(jié)軟爪裝夾在數(shù)控車(chē)床上使搖臂內(nèi)齒圈圓柱度的要求得到了保證，經(jīng)三坐標(biāo)測(cè)量?jī)x檢測(cè)，改進(jìn)后的搖臂內(nèi)齒圈圓柱度為0.024 mm，滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求。該智能化采煤機(jī)經(jīng)過(guò)三機(jī)配套聯(lián)合調(diào)試，運(yùn)行狀況良好，搖臂未出現(xiàn)異常噪聲。

7 結(jié)束語(yǔ)

本研究通過(guò)對(duì)工件夾緊力與工藝路線的分析，得到了一套合理的大直徑薄壁件夾持方案，并進(jìn)一步對(duì)搖臂內(nèi)齒圈進(jìn)行了加工過(guò)程的仿真與驗(yàn)證。通過(guò)對(duì)零部件各部分結(jié)構(gòu)的刀具路線、加工過(guò)程的走刀情況、加工后有無(wú)過(guò)切或殘料情況的驗(yàn)證，有效確保了本套搖臂內(nèi)齒圈裝夾工裝以及加工工藝方案的正確性，為實(shí)際生產(chǎn)提供了技術(shù)數(shù)據(jù)，保障了智能化采煤機(jī)由設(shè)計(jì)方案向現(xiàn)實(shí)產(chǎn)品的轉(zhuǎn)化，為國(guó)家煤機(jī)智能化事業(yè)中薄壁類(lèi)疑難零部件的加工提供了經(jīng)驗(yàn)參考。