連軋管機(jī)組限動(dòng)齒條的制造研究

王飛鵬 薛小飛 田紅偉 左開(kāi)紅

(太原重型機(jī)械集團(tuán)有限公司，山西030024)

三輥連軋管機(jī)組產(chǎn)品限動(dòng)齒條作為產(chǎn)品功能和工藝要求上不可替代的關(guān)鍵部件，是連軋管機(jī)的關(guān)鍵核心設(shè)備。該部件外形龐大，精度要求高，變形控制復(fù)雜，產(chǎn)品的加工難度較大。設(shè)備制造中需解決鍛件材料成分精確控制、超大齒條井式爐調(diào)質(zhì)的熱變形控制和矯正、粗加工時(shí)變形量控制和最終齒形控制等一系列關(guān)鍵工序加工難點(diǎn)[1-2]。

限動(dòng)齒條作為連軋管線上的核心關(guān)鍵零件，近年來(lái)生產(chǎn)數(shù)量較多且外形尺寸類似，但是一直缺乏統(tǒng)一的規(guī)范性指導(dǎo)文件，造成齒條加工質(zhì)量不穩(wěn)定。另外，受加工人員和機(jī)床等外部因素影響較大，工藝性有待提高，急需通過(guò)制定完整的制造工藝來(lái)指導(dǎo)限動(dòng)齒條的加工。因此有必要對(duì)限動(dòng)齒條的制造工藝進(jìn)行研究，將限動(dòng)齒條的加工標(biāo)準(zhǔn)化，對(duì)減低生產(chǎn)成本，提高生產(chǎn)效率以及提升加工質(zhì)量方面都具有重要意義。

1 齒條結(jié)構(gòu)及精度要求

限動(dòng)齒條的結(jié)構(gòu)形式主要有兩種，即焊接式齒條和整體鍛造式齒條，具體結(jié)構(gòu)如圖1所示，其中焊接式齒條主要由上下齒條、前后中間板及焊接管組成，一般限動(dòng)齒條的整體尺寸較大時(shí)采用該種方式，例如江蘇華潤(rùn)齒條備件長(zhǎng)9261 mm×寬520 mm×高494 mm，齒模數(shù)m=22；相反，當(dāng)齒條相對(duì)尺寸較小時(shí)，采用整體鍛件式齒條更加合理，如安陽(yáng)龍騰項(xiàng)目，限動(dòng)齒條尺寸6433 mm×寬352 mm×高230 mm，齒模數(shù)m=16。

(a)焊接式齒條

(b)整體鍛件式齒條圖1 連軋管機(jī)組芯棒限動(dòng)齒條結(jié)構(gòu)圖Figure 1 The structure of the mandrel limiting rack of the continuous tube mill

限動(dòng)齒條加工精度較高，以某項(xiàng)目中限動(dòng)齒條為例，其上下齒面對(duì)稱度要求0.025 mm、平行度要求0.03 mm；齒條寬度方向?qū)ΨQ度要求0.025 mm、平行度要求0.03 mm；中間安裝輪軸精孔要求與齒條端面的垂直度為0.025 mm、與齒條中心平面的對(duì)稱度為0.05 mm；齒條端面半截齒中心線到齒端面距離為25.132 mm±0.02 mm。齒條各齒的齒形參數(shù)具體如表1所示。

表1 齒形參數(shù)表Table 1 Tooth type parameters

2 工藝難點(diǎn)分析

2.1 限動(dòng)齒條加工難點(diǎn)分析

(1)齒條長(zhǎng)度較長(zhǎng)，最長(zhǎng)時(shí)達(dá)到9 m以上，且齒形模數(shù)較大，零件開(kāi)齒后在工件表面形成數(shù)量眾多的凹槽，在熱處理和加工過(guò)程中要減小零件變形量，并且保證加工后齒面硬度能夠達(dá)到280～302HBW；

(2)對(duì)于焊接式齒條，在焊接之前需要對(duì)上下齒條進(jìn)行預(yù)熱處理，在加熱至250～300℃時(shí)，須控制預(yù)熱引起的變形；

(3)限動(dòng)齒條在工作過(guò)程中上下齒需要同時(shí)與齒輪箱內(nèi)的上下齒輪進(jìn)行嚙合，要求上下齒在加工過(guò)程中保證嚴(yán)格的上下對(duì)正；

(4)由于齒條長(zhǎng)度較長(zhǎng)，齒形數(shù)量眾多，加工過(guò)程中必須考慮機(jī)床誤差和刀具磨損對(duì)加工的影響，并且要重視其裝夾方式[3]；

(5)每段齒條裝置的兩端齒形均為半齒，拼接處半齒的尺寸公差必須嚴(yán)格控制，保證兩件齒條裝置連接后為一完整齒形。

2.2 工藝方案及措施

(1)針對(duì)齒條模數(shù)較大，加工深度深，為確保開(kāi)齒后零件的表面硬度還能夠達(dá)到設(shè)計(jì)要求，可以對(duì)加工工序進(jìn)行合理安排，先對(duì)齒條進(jìn)行粗開(kāi)齒加工，然后對(duì)其進(jìn)行調(diào)制處理，保證加工后齒面硬度要求。

(2)齒條長(zhǎng)度較長(zhǎng)，為了有效降低齒條在熱處理過(guò)程中的變形，可以選擇利用專用卡具將兩件齒條背靠背進(jìn)行把合，并用墊塊撐起內(nèi)部間隙，提高齒條組合剛性，然后在井式爐中進(jìn)行熱處理。

(3)對(duì)于焊接型齒條，為了減小焊接變形，需要利用專用工裝對(duì)齒條進(jìn)行固定，焊前充分預(yù)熱后，焊接過(guò)程中兩人同時(shí)從中間施焊，向兩側(cè)延伸，焊后再進(jìn)行熱處理消應(yīng)力或者振動(dòng)時(shí)效消應(yīng)力，最后再針對(duì)齒條的局部變形進(jìn)行一定的校直[4]。

(4)齒條工作過(guò)程中上下齒同時(shí)與限動(dòng)齒輪箱中的上下齒輪同步嚙合，因此在加工制造過(guò)程中必須保證上下齒中心在同一中心線上。對(duì)于焊接型齒條，上下齒條在焊接前在齒條長(zhǎng)度方向等距離銑出4～5處找正基準(zhǔn)，并引線至兩側(cè)面，作為焊接過(guò)程中找正對(duì)齊基準(zhǔn)。焊接后重新修正起吊孔，防止上下齒條的起吊孔位置發(fā)生偏移，在消應(yīng)力過(guò)程中產(chǎn)生偏差。

(5)精加工限動(dòng)齒條的齒形時(shí)，采用測(cè)量棒多次找正等工藝手段來(lái)保證上下齒形中心線嚴(yán)格對(duì)中。

(6)由于限動(dòng)齒條長(zhǎng)度較長(zhǎng)，精加工過(guò)程中必須考慮機(jī)床誤差和刀具磨損對(duì)加工精度的影響。

(7)齒形在加工過(guò)程中分多次進(jìn)刀，精加工時(shí)保持較小吃刀量，并在加工過(guò)程中及時(shí)檢查工件的變形情況。對(duì)于整體鍛件式齒條，需要在粗開(kāi)齒后對(duì)其進(jìn)行熱處理消應(yīng)力，減小工件加工變形量；對(duì)于焊接式齒條，在粗開(kāi)齒后需要振動(dòng)時(shí)效消除應(yīng)力，以減小加工變形對(duì)精齒的影響。

(8)加工齒形的過(guò)程中，用量棒來(lái)對(duì)正上下齒形，用三齒或者兩齒齒形樣板來(lái)檢測(cè)齒距，用單齒樣板來(lái)控制齒形，每加工一段齒后數(shù)顯歸零，以消除機(jī)床積累誤差對(duì)齒形精度的影響。

(9)限動(dòng)齒條最后需要將四段進(jìn)行拼接使用，這就需要對(duì)相鄰齒條的兩個(gè)半齒拼接后的公差進(jìn)行嚴(yán)格控制，保證兩個(gè)半齒拼接后為一個(gè)完整的齒形。加工過(guò)程中通過(guò)端面齒形樣板控制半齒到齒條端面距離，然后通過(guò)測(cè)量棒來(lái)控制上下齒嚴(yán)格對(duì)中，并記錄齒到端面的距離，用來(lái)和另一段相連接的齒條裝置相配。

3 限動(dòng)齒條加工規(guī)范

近年來(lái)公司主要以整體鍛件式限動(dòng)齒條的加工為主，本文側(cè)重對(duì)鍛件式齒條的加工進(jìn)行分析，焊接式齒條焊后加工過(guò)程與整體鍛件式相似。

3.1 齒條加工工藝流程

齒條毛坯為鍛件，為減小應(yīng)力和變形，應(yīng)合理安排加工工序，限動(dòng)齒條的關(guān)鍵加工工序如下：鍛件毛坯→粗銑→超聲檢測(cè)→鏜起吊孔→熱處理調(diào)制→粗銑(取試棒)→超聲檢測(cè)→鏜銑(粗開(kāi)齒)→熱處理消應(yīng)力→半精銑(齒形面留4 mm)→振動(dòng)時(shí)效消除應(yīng)力→半精銑(齒形面留1 mm)→半精銑(齒形單邊留0.3 mm)→精銑齒面。

3.2 關(guān)鍵工序及難點(diǎn)攻關(guān)

3.2.1 毛坯尺寸

鍛件毛坯，首先檢查毛坯尺寸，是否留有足夠的加工量，長(zhǎng)度方向是否留有加工起吊孔和取樣的位置。

3.2.2 粗糙度

粗銑鍛件四周按熱處理草圖銑各面至要求，各面粗糙度達(dá)超聲檢測(cè)要求。

3.2.3 超聲檢測(cè)

按JB/T 5000.15—2007規(guī)定進(jìn)行超聲檢測(cè)，并對(duì)大型核心關(guān)鍵件進(jìn)行二次超聲檢測(cè)。

3.2.4 熱處理

調(diào)質(zhì)處理后，硬度達(dá)302～341HBW，并提供檢驗(yàn)報(bào)告；檢查熱處理變形量，并進(jìn)行熱矯正。

3.2.5 粗銑

銑工件周邊各面，見(jiàn)光亮即可，粗糙度滿足Ra6.3，具備無(wú)損檢測(cè)要求；在起吊夾頭段，鉆取?20 mm×120 mm試棒4件。

3.2.6 鏜銑(粗開(kāi)齒)

(1)開(kāi)直槽

粗加工齒時(shí)，工藝方案是用片銑刀對(duì)齒條外形開(kāi)直槽，具體如圖2所示，但是經(jīng)過(guò)一段實(shí)踐后，發(fā)現(xiàn)開(kāi)直槽出現(xiàn)以下問(wèn)題：加工直槽后，齒形留量明顯偏大，后續(xù)熱處理消應(yīng)力完成后，仍然需要對(duì)零件進(jìn)行大量切削，切削應(yīng)力較大，齒條精加工過(guò)程中變形控制難度增大；開(kāi)直槽發(fā)生較大的應(yīng)力集中，后續(xù)熱處理過(guò)程不可控風(fēng)險(xiǎn)升高。因此現(xiàn)有的加工方案中很少采用開(kāi)直槽的辦法。

圖2 銑直槽示意圖Figure 2 Schematical diagram of milling straight groove

(2)開(kāi)齒形槽(粗開(kāi)齒)

通過(guò)?350 mm×10 mm的盤(pán)銑刀，通過(guò)機(jī)床直角銑頭旋轉(zhuǎn)20°，對(duì)齒形進(jìn)行左右對(duì)稱加工，完成齒形的開(kāi)齒工序。粗開(kāi)齒后齒形單邊留余量7 mm。

3.2.7 熱處理消應(yīng)力

整體鍛件式齒條在粗開(kāi)齒后必須進(jìn)行熱處理消應(yīng)力，焊接式齒條在粗開(kāi)齒后可以選擇振動(dòng)消應(yīng)力或者自然時(shí)效5～7天。

3.2.8 齒形粗加工

在齒形粗加工的過(guò)程中用粗加工刀盤(pán)?350 mm×10 mm盤(pán)銑刀對(duì)所開(kāi)齒進(jìn)行粗加工，齒形單側(cè)留余量4 mm，同時(shí)加工齒條其他各面，單邊留余量4 mm，見(jiàn)圖3。

圖3 粗開(kāi)齒示意圖Figure 3 Schematical diagram of rough finishing tooth

3.2.9 半精加工

在齒條加工至單邊留4 mm的加工余量后，需要在齒條寬度兩面，按照?qǐng)D4用?10 mm的銑刀銑4處齒形加工參照基準(zhǔn)。

圖4 齒條精加工前銑參照基準(zhǔn)Figure 4 Milling reference basis before finishing rack

半精銑時(shí)先對(duì)齒條兩側(cè)面銑加工參照基準(zhǔn)，作為加工參照標(biāo)準(zhǔn)，保證齒形在正確的加工位置上。使用?350 mm×10 mm的精加工刀盤(pán)加工齒條各面，單邊留1 mm；半精銑齒條齒形面，單邊留0.3 mm。

3.2.10 限動(dòng)齒條精加工

(1)以半精加工后齒條中心線上9-?79H7的孔中心線為基準(zhǔn)，精銑限動(dòng)齒條厚度方向尺寸352 mm±0.3 mm符圖，保證上下齒面對(duì)稱度0.015 mm，平行度0.025 mm，齒面粗糙度達(dá)到Ra3.2。

(2)精加工一側(cè)齒面，注意參照前期銑好的工藝基準(zhǔn)，對(duì)單面齒進(jìn)行精加工。單側(cè)齒加工完成后需要對(duì)零件進(jìn)行翻身。限動(dòng)齒條翻身后面臨重新找正加工的問(wèn)題，最為核心的是需要保證上下對(duì)應(yīng)齒中心線在同一直線上，這是保證齒條加工精度的關(guān)鍵所在。

(3)如圖5所示需要在一側(cè)齒面精加工完成后，利用2根?30h6的銷子進(jìn)行上下齒形中心線找正，未加工齒側(cè)齒形必須保證與已經(jīng)成形另一側(cè)齒保持中心一致。具體找正方法如下：首先選一個(gè)上側(cè)未精加工齒，對(duì)齒的兩側(cè)在單邊0.3 mm余量的情況下進(jìn)行精光刀，單邊銑0.1 mm量，保證光潔度和直線度要求；然后在該齒和另一側(cè)對(duì)應(yīng)齒上同時(shí)吸?30 mm的銷子，然后利用機(jī)床測(cè)量銷軸水平方向的距離差，測(cè)量值用a表示，通過(guò)測(cè)量值a的大小確定應(yīng)該銑上側(cè)未加工成齒的左面還是右面，具體銑削量為a，重復(fù)測(cè)量，最終保證上下銷軸距離a值為0；這時(shí)說(shuō)明上下齒形中心線在同一線上。最后根據(jù)該齒具體尺寸結(jié)合齒形樣板計(jì)算后決定齒兩側(cè)的加工量。該齒面精加工完成后，以此齒兩面為基準(zhǔn)，精銑齒條上側(cè)各齒面。為了減小加工過(guò)程中刀具磨損以及積累誤差對(duì)齒面精度的影響，可以考慮在加工20～30個(gè)齒后，重新用上述辦法糾正上下齒形中心線，最終完成齒形精加工。

圖5 上下齒面找中心示意圖Figure 5 Schematic diagram of finding the center of upper and lower tooth surfaces

(4)精銑齒條長(zhǎng)度方向兩端面，圖6為齒條長(zhǎng)度方向兩端面示意圖。如圖所示，端面尺寸加工精度的好壞，直接關(guān)系到兩根齒條連接后的精度。在上下齒形面精加工完成后，需要對(duì)齒條長(zhǎng)度方向尺寸進(jìn)行精確定位，保證連接處齒形精確不受影響。

圖6 限動(dòng)齒條端面尺寸控制示意圖Figure 6 Schematic diagram of the end face size control of the limiting rack

具體定位方法如下：利用標(biāo)準(zhǔn)的?30 mm的銷子，定位到圖6所示的齒形中，通過(guò)測(cè)量距離65.2537 mm來(lái)控制齒條端面尺寸，完成對(duì)齒條長(zhǎng)度方向兩端面的加工。

齒條厚度方向上下兩端面、長(zhǎng)度方向左右兩端面精加工完成后，以上下齒形面決定齒條上下中心線，完成對(duì)齒條中間各精孔的加工；以長(zhǎng)度方向兩端面為基準(zhǔn)，精加工齒條兩側(cè)各T型凹槽，保證圖紙精度要求。

3.3 齒形樣板在齒形精加工過(guò)程中的應(yīng)用

齒形樣板作為加工過(guò)程中一種重要的輔助加工和檢測(cè)工具，對(duì)保證齒條加工精度具有重要作用。圖7(a)為單齒齒形樣板，主要用來(lái)控制單個(gè)齒齒形；圖7(b)為齒條長(zhǎng)度方向用來(lái)檢測(cè)端部尺寸樣板，由于齒條左右兩端頭均需要與另一件齒條相連接，為了保證拼接處的齒形精度達(dá)到使用要求，必須對(duì)每件齒條的端部尺寸和端部齒形進(jìn)行精度控制，上述加工過(guò)程中使用?30 mm的標(biāo)準(zhǔn)銷子進(jìn)行定位加工，加工完成后需要用端頭樣板進(jìn)行檢測(cè)；圖7(c)和圖7(d)為齒距檢測(cè)樣板，用來(lái)檢測(cè)相鄰兩個(gè)或者三個(gè)齒形加工精度。

(a)m=16的單齒樣板(b)齒條端頭樣板(c)齒條兩齒樣板(d)齒條三齒樣板

(e)示意圖圖7 齒條樣板Figure 7 Rack models

4 結(jié)語(yǔ)

本文梳理了近年來(lái)生產(chǎn)的各種規(guī)格的限動(dòng)齒條，結(jié)合實(shí)際加工情況，對(duì)限動(dòng)齒條加工過(guò)程中重要關(guān)鍵點(diǎn)進(jìn)行研究，并在制造過(guò)程中得到很好的應(yīng)用，取得了良好效果，為限動(dòng)齒條的生產(chǎn)制造提供參考。