焊接殼體組成內(nèi)孔加工變形分析及工藝改進(jìn)

徐偉，秦立兵，李松

中車青島四方車輛研究所有限公司 山東青島 266031

1 序言

圖1所示焊接殼體組成（以下簡(jiǎn)稱殼體組成）是鉤緩裝置緩沖系統(tǒng)的重要部件之一。其內(nèi)孔車削加工完成后，受結(jié)構(gòu)焊接應(yīng)力時(shí)效釋放和加工工藝性等因素影響，出現(xiàn)了較大的內(nèi)孔變形，導(dǎo)致尺寸超差的慣性質(zhì)量問題。經(jīng)過對(duì)各型號(hào)殼體組成的內(nèi)孔變形原因的分析[1]，采用不同的工藝改進(jìn)措施進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證，基本查明了內(nèi)孔產(chǎn)生變形的主要原因。

圖1 焊接殼體組成

通過改進(jìn)殼體組成加工工藝過程，完善加工操作細(xì)節(jié)，最終解決了加工后變形造成尺寸超差的慣性質(zhì)量問題。

2 殼體組成結(jié)構(gòu)

公司已有30余種不同型號(hào)的殼體組成，每年生產(chǎn)數(shù)量達(dá)4000多件。殼體組成主要由拉環(huán)（見圖2）和殼體（見圖3）兩大零件經(jīng)焊接組成。殼體外圓分布許多焊接金屬子件，整體結(jié)構(gòu)屬于薄壁深孔類工件[2]。

圖2 拉環(huán)

圖3 殼體

3 原加工工藝分析

3.1 原加工工藝

殼體組成原加工工藝為：焊接→探傷→精車外圓工藝面→粗車內(nèi)孔→放置72h釋放應(yīng)力→精車內(nèi)孔各尺寸和內(nèi)螺紋→銑、鏜等加工殼體外形孔和槽。

3.2 存在的問題

圖4為T997殼體組成結(jié)構(gòu)尺寸。對(duì)按原工藝加工的7個(gè)零件（用于裝配1列高鐵）進(jìn)行尺寸測(cè)量，結(jié)果見表1。

圖4 T997殼體組成結(jié)構(gòu)尺寸

從表1中的測(cè)量結(jié)果看，凡外圓尺寸偏差大者，對(duì)應(yīng)的內(nèi)孔尺寸偏差也大，特別是尺寸偏差超過0.1mm的3個(gè)內(nèi)孔超差的零件，均存在這個(gè)規(guī)律。

表1 T997殼體組成尺寸測(cè)量結(jié)果（單位：mm）

殼體內(nèi)孔尺寸設(shè)計(jì)公差帶為0.1mm，加工完成后內(nèi)孔尺寸偏差均在0.07～0.33mm，超差現(xiàn)象明顯，且數(shù)量占比近半，可以定性為慣性質(zhì)量問題。

3.3 超差對(duì)產(chǎn)品的影響

殼體內(nèi)孔超差后，會(huì)造成裝配間隙超標(biāo)，引發(fā)內(nèi)部零件定位失效，從而導(dǎo)致裝配不合格。經(jīng)調(diào)查，因組裝間隙不合格而返修的部件占比20%，造成大量工時(shí)浪費(fèi)。此外，殼體組成孔口端為M205×3-6H內(nèi)螺紋，車削螺紋前內(nèi)徑變形大會(huì)造成與端螺母裝配后，因間隙過大導(dǎo)致螺母有脫出的風(fēng)險(xiǎn)，是生產(chǎn)工藝中嚴(yán)格控制的關(guān)鍵項(xiàng)點(diǎn)。由于殼體組成內(nèi)孔超差后無法通過重新加工來修復(fù)，所以選配大直徑螺母作為解決措施，會(huì)導(dǎo)致產(chǎn)品失去互換性，勢(shì)必給日后檢修造成不便。如裝配時(shí)出現(xiàn)漏檢，大的螺紋內(nèi)徑與小的螺紋配合會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重的間隙超標(biāo)，車鉤長(zhǎng)時(shí)間交互縱向受力后易形成螺紋預(yù)緊力失效，給鉤緩裝置的長(zhǎng)期安全運(yùn)用埋下了隱患。因此，殼體組成內(nèi)孔加工變形問題涉及行車安全，應(yīng)及時(shí)解決。

3.4 變形原因分析

根據(jù)對(duì)殼體組成加工全過程進(jìn)行跟蹤分析，找出造成殼體組成加工內(nèi)孔超差的兩個(gè)主要原因如下。

1）殼體組成焊接后存在焊接應(yīng)力[3]，加工去除部分表面材料后，應(yīng)力得到初步釋放；從加工工裝上取下工件后，再次形成時(shí)效變形，進(jìn)一步加大了加工公差。

2）殼體外圓分布非對(duì)稱接線端子及托臺(tái)，易造成類似橢圓的大、小徑現(xiàn)象。

4 改進(jìn)措施

根據(jù)尺寸超差系焊接應(yīng)力造成的這個(gè)原因，有針對(duì)性地進(jìn)行工藝改進(jìn)，提出兩種改進(jìn)方案。

4.1 改進(jìn)方案A

針對(duì)焊接應(yīng)力導(dǎo)致變形這一原因，增加去應(yīng)力退火工藝[4]，以有效消除焊接應(yīng)力。對(duì)一組T997殼體組成在臥式車床上加工內(nèi)孔后，加溫至300℃，保溫12h，充分冷卻后再分別精加工外圓和內(nèi)孔。去應(yīng)力退火后T997殼體組成尺寸測(cè)量結(jié)果見表2。

表2 去應(yīng)力退火后T997殼體組成尺寸測(cè)量結(jié)果（單位：mm）

4.2 改進(jìn)方案B

針對(duì)加工工藝設(shè)計(jì)不合理的問題，進(jìn)行加工工藝改進(jìn)，把臥式車床原車削外圓再加工內(nèi)孔的連續(xù)加工，改為先粗車內(nèi)孔，然后從夾具中取下，放置24h以便充分釋放內(nèi)應(yīng)力后，再精加工外圓。工藝改進(jìn)后T997殼體組成尺寸測(cè)量結(jié)果見表3。

表3 工藝改進(jìn)后T997殼體組成尺寸測(cè)量結(jié)果（單位：mm）

4.3 兩種改進(jìn)方案對(duì)比

由表2、表3兩組精加工后尺寸公差數(shù)據(jù)可發(fā)現(xiàn)如下特點(diǎn)。

1）表2中外圓加工公差控制在0.03mm以內(nèi)，表3中外圓加工公差控制0.10mm以內(nèi)。

2）表2中內(nèi)孔加工公差控制在0.05mm以內(nèi)，比表1中的數(shù)據(jù)縮小一半，內(nèi)孔變形控制效果明顯。表3中內(nèi)孔加工公差控制在0.09mm以內(nèi)，說明內(nèi)孔變形得到有效控制。

數(shù)據(jù)對(duì)比再次說明，外圓工藝面的加工精度對(duì)內(nèi)孔加工精度有很大的影響。外圓加工精度高，內(nèi)孔尺寸變形量就小。主要原因是數(shù)控車床精加工內(nèi)孔是以外圓工藝面支撐中心架作為定位，如果外圓變形大，加上殼體為深孔薄壁結(jié)構(gòu)，就很容易引起工件跳動(dòng)，出現(xiàn)內(nèi)孔加工變形量大的問題。

3）比較兩種改進(jìn)方案的優(yōu)劣，雖然方案A改善效果更好一些，但是殼體組成數(shù)量多，工件尺寸大，增加熱處理過程后工件周轉(zhuǎn)頻繁，影響生產(chǎn)效率，成本增加較明顯。方案B雖然加工精度比方案A略低，但也能達(dá)到技術(shù)要求，后續(xù)還可通過繼續(xù)細(xì)化工藝和規(guī)范操作細(xì)節(jié)，不斷提高加工精度。綜合考慮，選擇方案B作為控制殼體組成內(nèi)孔加工變形的改進(jìn)措施。

5 改進(jìn)后的加工工藝

根據(jù)前述研究結(jié)論，對(duì)T997殼體組成按改進(jìn)方案B加大了試生產(chǎn)批量，經(jīng)過多批次的加工工藝驗(yàn)證，進(jìn)一步實(shí)施工藝細(xì)化步驟，逐步完善加工工藝，最終內(nèi)孔加工尺寸偏差可穩(wěn)定地控制在0.08mm以內(nèi)，大大降低了操作人員對(duì)內(nèi)孔精度控制的難度。工藝改進(jìn)主要是將原車削外圓工序改為分成兩個(gè)工序?qū)崿F(xiàn)，具體工藝步驟如下。

1）半精車內(nèi)孔。車φ201+0.15+0.05m m內(nèi)孔至尺寸φ199mm，孔口倒角1.5mm×30°，從機(jī)床上拆下工件，放置24h?？卓诘菇堑哪康氖菫橄乱还ば蚓囃鈭A時(shí)，尾座頂針頂在殼體孔口倒角處，保證內(nèi)孔與外圓同心。同樣，在精車內(nèi)孔時(shí)，頂正殼體保證外圓回轉(zhuǎn)精度。放置24h，主要是由于內(nèi)孔加工余量大，半精車后要進(jìn)行應(yīng)力釋放，從而避免直接精車引起外圓變形大。

2）精車外圓工藝面（尺寸≥220mm），保證圓度公差在0.05mm以內(nèi)。主要是為精加工內(nèi)孔工序保證中心架的回轉(zhuǎn)精度。

6 細(xì)化作業(yè)規(guī)范

采用新工藝生產(chǎn)一段時(shí)間后，仍有個(gè)別超差零件出現(xiàn)。通過分析，發(fā)現(xiàn)屬操作環(huán)節(jié)暴露出的問題。為規(guī)范操作，更好地保證加工質(zhì)量，特細(xì)化作業(yè)規(guī)范，強(qiáng)調(diào)如下幾點(diǎn)。

1）尾座頂針頂緊殼體孔口倒角處，精車外圓后，在精車內(nèi)孔工序發(fā)現(xiàn)內(nèi)孔與外圓不同軸現(xiàn)象，經(jīng)檢查，發(fā)現(xiàn)是由臥式車床尾座軸線與主軸不同軸造成的，及時(shí)調(diào)整后加工質(zhì)量穩(wěn)定?？梢?，機(jī)床尾座定位精度差對(duì)加工精度有一定的影響，要求今后定期校正尾座精度。

2）修打拉環(huán)中心孔。拉環(huán)原中心孔是在其他工序完成的，通過焊接機(jī)器人裝夾定位焊接殼體組成（見圖5），拉環(huán)中心與殼體中心有不同軸的現(xiàn)象。還有個(gè)別中心孔加工質(zhì)量差，造成工件跳動(dòng)，都影響加工精度。通過重新修打拉環(huán)中心孔，保證精車外圓和內(nèi)孔兩工序加工回轉(zhuǎn)精度一致；同時(shí)對(duì)一些殼體組成沒有修打拉環(huán)中心孔工序的，要求增加修打拉環(huán)中心孔工序。

圖5 通過焊接機(jī)器人裝夾定位焊接殼體組成

3）精車內(nèi)孔工序要求用百分表檢測(cè)外圓工藝面跳動(dòng)。目的是確保殼體組成上中心架處外圓回轉(zhuǎn)精度，將導(dǎo)致變形的因素的影響降到最低程度。

7 工藝總結(jié)與推廣應(yīng)用

經(jīng)過對(duì)殼體組成超差問題的原因分析，在找出焊接應(yīng)力是根本原因的基礎(chǔ)上，有針對(duì)性地進(jìn)行了兩種方案的工藝改進(jìn)，均取得了圓滿成功。在綜合考慮成本和效率的基礎(chǔ)上，以方案B為基礎(chǔ)進(jìn)行了多批次小批量試生產(chǎn)取得成功后，又針對(duì)加工中出現(xiàn)的個(gè)別現(xiàn)象細(xì)化了作業(yè)規(guī)范，使加工工藝最終得以全面完善。目前，T997殼體組成內(nèi)孔加工變形量基本控制在0.05mm以內(nèi)，比改進(jìn)前實(shí)際加工公差縮小50%以上，獲得了較好的工藝改進(jìn)效果。

此外，運(yùn)用新工藝對(duì)多種型號(hào)殼體組成進(jìn)一步實(shí)施加工驗(yàn)證。由于每一種殼體組成的尺寸結(jié)構(gòu)、加工余量和焊接子件位置結(jié)構(gòu)不同，所以采取的工藝細(xì)化措施也應(yīng)有所側(cè)重。但修打拉環(huán)中心孔、精車外圓工藝面并嚴(yán)格控制圓度公差的工藝細(xì)節(jié)均需嚴(yán)格執(zhí)行。

自實(shí)施“解決焊接殼體組成內(nèi)孔加工變形慣性質(zhì)量問題”攻關(guān)項(xiàng)目以來，共完成30余種型號(hào)的殼體組成內(nèi)孔加工變形慣性質(zhì)量工藝改進(jìn)的驗(yàn)證，批量生產(chǎn)的加工變形量都能控制在0.02～0.08mm，達(dá)到殼體組成內(nèi)孔尺寸精度有效控制的目標(biāo)，現(xiàn)已作為定型工藝應(yīng)用于批量生產(chǎn)。

8 結(jié)束語

質(zhì)量攻關(guān)項(xiàng)目成果不僅切實(shí)解決了焊接殼體組成內(nèi)孔加工變形慣性質(zhì)量問題，同樣的思路用于解決其他部件加工質(zhì)量不穩(wěn)定的嘗試也已獲得初步成功。因此，該項(xiàng)目成果具有較好的推廣應(yīng)用價(jià)值，為高鐵及地鐵鉤緩產(chǎn)品運(yùn)用的安全性和低成本等，從工藝方面提供了可靠保障。

專家點(diǎn)評(píng)

文章對(duì)殼體組成內(nèi)孔尺寸超差的原因進(jìn)行分析，在控制焊接應(yīng)力的基礎(chǔ)上，針對(duì)兩種工藝改進(jìn)方案進(jìn)行優(yōu)劣分析，綜合考慮成本和效率因素，得出外圓工藝面對(duì)內(nèi)孔加工精度的影響較大，進(jìn)行了多批次小批量試生產(chǎn)，通過完善工藝過程，細(xì)化作業(yè)規(guī)范，切實(shí)解決了焊接殼體組成內(nèi)孔加工變形的慣性質(zhì)量問題。

文章的亮點(diǎn)是邏輯思路清晰、觀點(diǎn)表達(dá)準(zhǔn)確，能夠抓住內(nèi)孔加工變形的主要原因且采取改進(jìn)措施，在控制焊接應(yīng)力和改善工藝過程方面雙管齊下，并比較兩種改進(jìn)方案的優(yōu)劣，最終選用經(jīng)濟(jì)實(shí)用的改進(jìn)方案，還通過規(guī)范操作細(xì)節(jié)提高加工精度，取得了很好的質(zhì)量攻關(guān)效果。