轉(zhuǎn)向箱加工工藝的應(yīng)用研究

陳祥林，張紅兵

（蘇州市職業(yè)大學(xué) 機電工程學(xué)院，江蘇 蘇州 215104）

減速器常用作原動件與工作機之間的減速傳動裝置，是一種由封閉在剛性殼體內(nèi)的齒輪傳動、蝸桿傳動或齒輪-蝸桿傳動所組成的獨立部件。減速機種類繁多，轉(zhuǎn)向箱是減速機大家庭中的一員，因其散熱性能優(yōu)良、承載能力強、傳動平穩(wěn)無噪聲、安全可靠，且方便與其他機械組合，而被廣泛應(yīng)用于食品、化工、紡織、冶煉、醫(yī)療器械等行業(yè)需要減速傳動的設(shè)備中[1]。

轉(zhuǎn)向箱的箱體材料一般為壓鑄件，經(jīng)機械加工后，齒輪、蝸桿、軸承和軸等傳動件被安裝于箱體內(nèi)部，從而實現(xiàn)減速傳動的功能[2]。箱體的加工精度直接影響轉(zhuǎn)向箱運行時的發(fā)熱、振動、噪聲及傳動效率，良好的加工工藝和裝配工藝能很好地解決上述問題。

1 問題提出

蘇州某知名企業(yè)生產(chǎn)的轉(zhuǎn)向箱零件圖如圖1所示。在圖1中，轉(zhuǎn)向箱的長、寬、高分別為190 mm、190 mm、163 mm，按照加工要求有兩點難以保證：一是箱體6個面的平面度要求均是0.015 mm;二是箱體6個面均設(shè)有Φ90通孔，且兩兩對應(yīng)的通孔同軸度要求為0.020 mm。

圖1 轉(zhuǎn)向箱零件圖

某生產(chǎn)公司承接轉(zhuǎn)向箱加工項目后，利用臥式加工中心設(shè)備完成首批工件的加工，并用三坐標(biāo)測量儀檢測。假定轉(zhuǎn)向箱頂部和底部的平面度誤差分別為X1、X2，兩個Φ90孔的同軸度誤差為Y1;帶油孔的兩側(cè)面的平面度誤差分別為X3、X4，兩個Φ90孔的同軸度誤差為Y2;無油孔的兩側(cè)面的平面度誤差分別為X5、X6，兩個Φ90孔的同軸度誤差為Y3。轉(zhuǎn)向箱檢測數(shù)據(jù)誤差分析如表1所示。

表1 轉(zhuǎn)向箱檢測數(shù)據(jù)誤差分析 /mm

由表1可知，轉(zhuǎn)向箱平面度精度較好，均在圖樣規(guī)定誤差范圍內(nèi)，而同軸度的檢測數(shù)據(jù)均超出圖樣規(guī)定誤差范圍，且加工效率較低，生產(chǎn)公司的設(shè)備數(shù)量無法滿足產(chǎn)能需求。因此，公司期望通過對機床設(shè)備、夾具等的分析、研究，提出能夠有效解決超差和效率問題的方法。

根據(jù)圖樣要求，轉(zhuǎn)向箱的材料為HT200,因其抗拉強度和塑性低，鑄造性能和減震性能好，而被廣泛用來鍛造汽車發(fā)動機汽缸、汽缸套、齒輪、車床床身等承受壓力及振動的部件。鑄件可以制成各種較復(fù)雜的形狀，很大程度上減少了鑄件的機械加工量和金屬的鑄造余量。這不僅節(jié)約了金屬材料、電能，還極大地節(jié)約了勞動成本，因而被廣泛應(yīng)用于各行各業(yè)[3]。

臥式加工中心的主軸與工作臺呈平行狀態(tài)，工作臺為正方形分度轉(zhuǎn)臺，適合加工箱體類的工件，因此公司采用臺灣友嘉機床集團生產(chǎn)的臥式加工中心（FMH-500）作為轉(zhuǎn)向箱的加工設(shè)備。原加工工序分兩次裝夾，工位1完成轉(zhuǎn)向箱頂部和底部的工序，工位2完成轉(zhuǎn)向箱4個側(cè)面的工序，總加工用時約40分鐘。工位1采用壓板穿過工件中間孔的方式固定工件，充分利用分度轉(zhuǎn)臺功能。工序1——5分別完成底部平面、內(nèi)孔、螺紋的加工，工序6——9完成頂部平面、內(nèi)孔、螺紋的加工。工位2將轉(zhuǎn)向箱底部4個Φ13.5光孔兩兩作為定位孔和固定孔，其中兩個孔（對角線）作為定位孔，另兩個孔作為穿螺絲固定孔。工序10——13完成4個側(cè)面的平面、螺紋、內(nèi)孔和油孔的加工。原加工工序如表2所示。

表2 原加工工序

由表2可知，臥式加工中心的回轉(zhuǎn)功能非常適合加工類似轉(zhuǎn)向箱的工件，且工藝并不復(fù)雜。但是按照表2中的工序完成加工后，轉(zhuǎn)向箱同軸度超差，且臥式加工中心占地面積大、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、價格貴。

2 問題分析

結(jié)合轉(zhuǎn)向箱原加工工序和表1中的檢測數(shù)據(jù)，不難發(fā)現(xiàn)超差的同軸度加工要素均發(fā)生在回轉(zhuǎn)工作臺轉(zhuǎn)動180°前后，故本研究從臥式加工中心分度轉(zhuǎn)臺的分度精度和重復(fù)定位精度兩方面，可以找出轉(zhuǎn)向箱精度達不到要求的原因。

分度轉(zhuǎn)臺水平端面跳動示意圖如圖2所示。在圖2中，假定臥式加工中心分度轉(zhuǎn)臺的平面設(shè)定為X軸，分度轉(zhuǎn)臺中心設(shè)定為Y軸，分度精度基準(zhǔn)零位線設(shè)定為X0，分度射線為Xa，分度轉(zhuǎn)臺平面上下跳動設(shè)定為X正和X負。如果Y軸徑向圓跳動過大，分度射線Xa和基準(zhǔn)零位線X0就會不在一條直線上[4]。分度轉(zhuǎn)臺的分度精度和重復(fù)定位精度取決于轉(zhuǎn)臺的圓心Y軸的精度，Y軸徑向圓跳動誤差過大就會直接影響分度轉(zhuǎn)臺的精準(zhǔn)度。

圖2 分度轉(zhuǎn)臺水平端面跳動示意圖

以轉(zhuǎn)向箱頂部和底部兩個Φ90孔的同軸度誤差Y1為例，在表2原加工工序中，工序3和工序7在工作臺轉(zhuǎn)動180°前后，分別粗、精加工Φ90孔。轉(zhuǎn)向箱的同軸度誤差Y2、Y3也是如此。

綜上所述，同軸度超差問題受分度轉(zhuǎn)臺自身的分度精度和重復(fù)定位精度影響，除了調(diào)整、提高分度轉(zhuǎn)臺的分度、定位精度外，還要從工藝上來解決同軸度超差問題。以轉(zhuǎn)向箱頂部和底部兩個Φ90孔的同軸度誤差Y1為例，在工序3中，只對底部Φ90孔粗加工（留余量）;在工序7中，對頂部Φ90孔粗加工后，鏜刀同時對頂部和底部Φ90孔精加工，一次性成型確保同軸度的精度。針對側(cè)面同軸度Y2、Y3，采用同樣的加工方式解決問題。經(jīng)改進工序后加工的轉(zhuǎn)向箱，同軸度達到圖樣精度要求。

3 轉(zhuǎn)向箱的新加工工藝設(shè)計

轉(zhuǎn)向箱的同軸度主要受加工工藝的影響，因此可以從加工工藝上尋求解決同軸度超差的方法，從而減少對高性能機床的依賴，達到提高生產(chǎn)效率、降低加工成本，以及減輕工人勞動強度的目的[5]。新加工工序如表3所示。

表3 新加工工序

新加工工序采用常規(guī)的立式加工中心作為主要加工設(shè)備，依據(jù)轉(zhuǎn)向箱的結(jié)構(gòu)特點，制作了如圖3——圖6所示的加工轉(zhuǎn)向箱頂部、側(cè)面的兩套新夾具。新的工序主要由6個工位完成。

1）轉(zhuǎn)向箱底部加工（工位1）。以常用的機用平口鉗為夾具，對轉(zhuǎn)向箱底部的平面、Φ122孔、Φ90孔、M8螺紋，以及4個Φ13.5光孔進行加工。注意Φ90孔留鏜削余量，4個Φ13.5光孔精加工作為后面工序的定位、固定使用。

2）轉(zhuǎn)向箱頂部加工（工位2）。利用工序6中4個光孔的定位、鎖緊功能，對轉(zhuǎn)向箱頂部的平面、螺紋及Φ90孔進行加工，這里要用鏜孔刀同時完成轉(zhuǎn)向箱頂部、底部Φ90孔的鏜削。轉(zhuǎn)向箱頂部、底部裝夾加工如圖3所示。轉(zhuǎn)向箱頂部加工夾具如圖4所示。

圖3 轉(zhuǎn)向箱頂部、底部裝夾加工

圖4 轉(zhuǎn)向箱頂部加工夾具

3）轉(zhuǎn)向箱側(cè)面加工（工位3——6）。夾具有4個工位，自左向右分別為工位3、4、5、6，以轉(zhuǎn)向箱頂部油孔為基準(zhǔn)，每個工位相對左邊工位順時針旋轉(zhuǎn)90°。利用工序6中4個光孔的定位、鎖緊功能，對轉(zhuǎn)向箱的4個側(cè)面的平面、螺紋、Φ90孔進行加工。轉(zhuǎn)向箱側(cè)面加工夾具如圖5所示。轉(zhuǎn)向箱側(cè)面加工裝夾如圖6所示。

圖5 轉(zhuǎn)向箱側(cè)面加工夾具

圖6 轉(zhuǎn)向箱側(cè)面加工裝夾

新加工工序與原加工工序相比，主要有三方面區(qū)別。

1）根據(jù)轉(zhuǎn)向箱結(jié)構(gòu)，分別設(shè)計了加工轉(zhuǎn)向箱頂部和側(cè)面的兩套新夾具，以立式加工中心代替臥式加工中心，減少了高性能設(shè)備的投入，提高了公司閑置設(shè)備的利用率，滿足了客戶的產(chǎn)能需求。

2）新工序充分利用工序分散的優(yōu)勢，將工位增加到6個，完成4個轉(zhuǎn)向箱加工共需80分鐘，加工效率提高了50%。

3）采用對面兩孔貫穿鏜削，避免工作臺轉(zhuǎn)動或二次裝夾造成的誤差[5]，滿足了安裝錐齒輪軸的高精度要求。轉(zhuǎn)向箱成品如圖7所示。經(jīng)三坐標(biāo)測量儀檢測，按照新工藝生產(chǎn)的轉(zhuǎn)向箱合格率超過99%。

圖7 轉(zhuǎn)向箱成品

4 結(jié)論

分析轉(zhuǎn)向箱的同軸度誤差，了解產(chǎn)生該類誤差的關(guān)鍵原因，通過設(shè)計新夾具改進轉(zhuǎn)向箱的加工工藝。經(jīng)檢測，采用新的加工工藝后，加工出來的轉(zhuǎn)向箱精度明顯提高，達到圖樣要求，同時減少了對高性能機床的依賴，提高了公司閑置設(shè)備的利用率，大幅縮短了轉(zhuǎn)向箱的生產(chǎn)周期，完成了既定的生產(chǎn)目標(biāo)且取得了較大的經(jīng)濟效益。該加工工藝為企業(yè)解決了一項技術(shù)難題，具有較高的實踐指導(dǎo)意義和推廣價值。