扇形件加工工藝優(yōu)化及效率提升

茹磊磊，蘇 斌，劉 昊，王 銳，郭 亮，李 韜，閆旺星，肖俊宇，李鵬飛

（智奇鐵路設(shè)備有限公司，山西 太原 030000）

0 引言

扇形件是一種應(yīng)用于軌道交通制動系統(tǒng)的關(guān)鍵零部件之一，其表面通過安裝摩擦副實現(xiàn)列車制動，因此，扇形件的質(zhì)量好壞直接影響軌道車的安全運行。另外，扇形件為短周期易耗件，列車每運行一段時間需進行整體更換，因此扇形件具有生產(chǎn)批量大、交付周期短等特點。

扇形件由于受到安裝空間限制，所以，產(chǎn)品結(jié)構(gòu)合理且輕量化，這大增加了扇形件加工的難度。現(xiàn)有加工工藝難以滿足扇形件加工質(zhì)量，同時扇形件生產(chǎn)批量大，必須探索更好的加工工藝，降低加工成本、提高生產(chǎn)效率。本研究提出一種高效、合理的扇形件加工工藝。

1 產(chǎn)品要求

扇形件采用模鍛方式成型，材料為高強度合金鋼，最終熱處理為調(diào)質(zhì)處理，調(diào)質(zhì)后硬度為35HRC～40HRC。扇形件整體外形呈約1/4 ～1/3 的圓弧狀（圖1），零件中部尺寸a較?。╝= 12 mm），加工過程中若工藝路線安排不當(dāng)，極易導(dǎo)致零件變形。扇形件在加工至成品后，平面B通過一系列均布孔與上一級組件進行連接，為保證上一級組件裝配高度一致，B平面的平面度要求控制在0.05 mm 以內(nèi)；平面A連同B平面上的組件一起固定在主件上，為保證其連接的可靠性，平面A相對B平面的平行度要求控制在0.05 mm 以內(nèi)。

圖1 扇形件結(jié)構(gòu)圖

扇形件在小批量試制過程中，按照粗銑-熱處理-半精銑-精銑-鉆孔-鏜孔-磨削的工藝路線進行加工；約40%的扇形件加工至成品后，B面平面度和A面平行度出現(xiàn)超差，導(dǎo)致扇形件與上一級組件無法進行正常裝配。

通過現(xiàn)場工藝分析，由于原加工工藝設(shè)計不合理，同時刀具選型不能適應(yīng)加工要求，導(dǎo)致產(chǎn)品合格率不高、生產(chǎn)效率低、加工成本高等問題。通過對扇形件原加工工藝合理性進行分析，針對存在的問題制定具體的工藝改進措施，從而達(dá)到提高產(chǎn)品質(zhì)量、加工效率及降低產(chǎn)品生產(chǎn)成本的目的。

2 工藝性分析與改進

2.1 原加工工藝存在的問題

根據(jù)扇形件結(jié)構(gòu)特點，扇形件小批量試制按照粗銑-熱處理-半精銑-精銑-鉆孔-鏜孔-磨削的工藝路線進行加工。通過分析，原加工工藝主要存在以下問題：

（1）扇形件在立式加工中心精銑并經(jīng)磨削成型后，B面平面度和A面平行度超差，導(dǎo)致零部件與上一級組件無法正常裝配。

（2）采用銑削加工方式生產(chǎn)效率低、輔助加工耗時過長，是整個扇形件生產(chǎn)工藝中的瓶頸工序，嚴(yán)重影響產(chǎn)品生產(chǎn)流轉(zhuǎn)，無法滿足批量生產(chǎn)需求。

（3）扇形件粗銑、半精銑及精銑均采用T 型成型銑刀進行加工；通過對小批量試制過程中刀具使用情況及磨損情況統(tǒng)計分析發(fā)現(xiàn)：刀具切削刃崩刃嚴(yán)重，每把T 型刀只能完成3～4 片扇形件加工，需要經(jīng)常停機更換刀具，加工成本高。

2.2 問題分析

針對扇形件原加工工藝存在的問題，從扇形件工藝路線、各加工工序、產(chǎn)品結(jié)構(gòu)、產(chǎn)品力學(xué)性能屬性等，分析產(chǎn)生問題的原因，主要有以下幾個方面：

（1）銑削加工過程中，B 面銑削量小且均勻，而A面銑削量較大且不均勻；扇形件精加工后會產(chǎn)生應(yīng)力釋放，兩平面由于伸縮量不一致將產(chǎn)生變形，導(dǎo)致B面平面度和A 面平行度超差；在加工平面B 的一些列均布孔時，由于以上變形，會出現(xiàn)均布孔位置度超差現(xiàn)象。

（2）扇形件加工過程涉及多道工序流轉(zhuǎn)，其中銑削加工工序需要預(yù)先加工工藝孔，且需要進行重復(fù)多次裝夾找正。每次裝夾只能完成單件生產(chǎn)，嚴(yán)重影響產(chǎn)品的產(chǎn)能。

（3）扇形件材料為高硬度合金鋼且經(jīng)調(diào)質(zhì)處理，T型刀接觸材料所受的抗力較大，更容易使刀片產(chǎn)生崩刃現(xiàn)象；在銑削過程中，前道加工使得刀尖圓弧半徑變小，后刀面磨損相當(dāng)于負(fù)倒棱，刀片再次切入時，工件對刀具的力變小，刀具的磨損使得刀具斷屑棱寬度變小，切削刃的強度下降，所以在后續(xù)的加工中，增加銑刀崩刃的可能性[1]；故采用T 型刀銑削的過程中，刀具由于崩刃需要多次停機更換，增加了扇形件的加工成本。

2.3 改進方案

通過以上分析可以看出，如何在保證扇形件加工質(zhì)量的前提下，提高生產(chǎn)效率、降低加工成本是工藝改進的核心內(nèi)容。因此，本研究根據(jù)扇形件結(jié)構(gòu)特點、精度要求、工藝布局制定了如下改進措施：

（1）采用反變形法抑制扇形件加工變形，扇形件在半精銑后，采用液壓千斤頂在變形方向施加反作用力，使B 平面產(chǎn)生不小于0.1 mm 的位移并保壓10 min直至產(chǎn)生塑性變形；矯形完成后，采用低溫回火直至應(yīng)力完全釋放，再進行扇形件的精加工。

（2）針對扇形件加工效率低，無法滿足產(chǎn)能需求的問題，本研究通過對扇形件的結(jié)構(gòu)特點進行分析，在扇形件粗加工后增加如圖2 所示工藝孔，將3～4 片扇形件以圓周分布的形式固定在如圖3 所示工裝夾具上，采用車削方式代替銑削方式同時對多片扇形件進行加工。

圖2 扇形件粗加工工藝基準(zhǔn)

圖3 扇形件車削加工方式

（3）T 型槽銑刀價格一般為400 ～500 元，而一把銑刀在加工3 ～4 片扇形件后就出現(xiàn)不同程度的崩刃現(xiàn)象；而采用普通車刀，一次加工就可以完成3 ～4片扇形件加工，每把車刀只需30 元左右，而且車刀強度較高，能夠在多次使用下保證車削加工精度。

3 加工工藝路線優(yōu)化

通過對扇形件進行工藝分析，對原加工工藝路線進行如下調(diào)整：

（1）在劃線平臺上，以扇形件鍛造面為基準(zhǔn)，確定X、Y、Z方向基準(zhǔn)面及加工余量。

（2）根據(jù)劃線平臺上確定的X、Y、Z方向基準(zhǔn)，在立式加工中心進行裝夾并找正A背面，要求跳動量≤0.1 mm，采用T 型銑刀粗銑平面B。

（3）粗銑完成后將扇形件翻轉(zhuǎn)并按圖4 所示采用壓板固定，百分表找正已加工面，要求跳動量不大于0.05mm。

圖4 扇形件粗加工定位方式

（4）在立式加工中心加工如圖2 所示工藝孔，作為后道工序定位基準(zhǔn)；半精銑B面，要求單邊余量不小于2 mm。

（5）以工序4 加工的工藝孔為定位基準(zhǔn)，將3～4片扇形件圓周分布并固定在如圖3 所示工裝上，產(chǎn)品加工前采用百分表測量圓周分布的定位銷沿徑向的跳動量，要求≤0.02 mm；確認(rèn)合格后，采用壓板夾緊所有扇形件并進行車削加工。

（6）采用液壓千斤頂在變形方向施加反作用力，使B 平面產(chǎn)生不小于0.1 mm 的位移并保壓10 min直至產(chǎn)生塑性變形；矯形完成后，采用低溫回火直至應(yīng)力完全釋放后。

（7）采用工序5 相同的方法，將扇形件加工至精加工尺寸要求。

（8）將扇形件B平面朝上固定至數(shù)控加工中心，懸臂部分采用等高塊進行支撐，確保加工過程中不產(chǎn)生變形及振刀；裝夾固定后，按照鉆孔→粗鏜→精鏜工藝路線加工扇形件表面的均布孔，加工后應(yīng)確保B表面預(yù)先加工的所有工藝孔全部去除。

（9）將扇形件B平面朝上固定至平面磨床，懸臂部分采用等高塊進行支撐，確保加工過程中不產(chǎn)生變形及振刀；裝夾固定后，將平面B磨削至成品尺寸，完成整個扇形件的加工。

4 改善效果對比

采用改進后的加工工藝連續(xù)生產(chǎn)100 件后，與原加工工藝進行對比（表1），可以看出：

表1 改善效果統(tǒng)計表

（1）產(chǎn)品的合格率顯著提升，由原來的不到60%提高至96.7%。

（2）生產(chǎn)效率由原來的2.5 件/h 提高到了4 件/h，生產(chǎn)效率顯著提高。

（3）生產(chǎn)成本較原加工工藝降低了26.2%。

因而工藝改善效果明顯，可以采用該加工方法進行批量生產(chǎn)。

5 結(jié)語

通過對原加工工藝進行優(yōu)化，并設(shè)計適合生產(chǎn)需要的工裝夾具，提升了產(chǎn)品的合格率，滿足了零部件裝配的需求。由車削加工代替銑削加工，提高了扇形件的生產(chǎn)效率，在滿足產(chǎn)品的產(chǎn)能需求的同時，降低了單個扇形件的生產(chǎn)成本。此次工藝改進為同類產(chǎn)品的生產(chǎn)提供了參考，具有極高的推廣價值。