履帶式起重機(jī)履帶架的加工質(zhì)量和效率提升

岳果,任權(quán)國(guó),鄧戰(zhàn)斗,馬陸,李隴濤

1徐工集團(tuán)工程機(jī)械股份有限公司建設(shè)機(jī)械分公司;2徐州徐工挖掘機(jī)械有限公司;3松德刀具(長(zhǎng)興)科技有限公司

1 引言

履帶式起重機(jī)的履帶架(見(jiàn)圖1)有整體式和分體式兩種,箱型結(jié)構(gòu)依靠銷軸連接,和車架、驅(qū)動(dòng)架共同構(gòu)成車輛下車主體結(jié)構(gòu),是整車承重和保持平衡的關(guān)鍵部位,其可靠性將直接影響車輛的行駛性能和整車穩(wěn)定性。

圖1 履帶架結(jié)構(gòu)

履帶架的各部位加工點(diǎn)有較高的尺寸精度和位置精度要求,體積大,材質(zhì)硬,加工困難,如減速機(jī)安裝孔在精加工工序后,鉆圓周過(guò)孔時(shí)會(huì)對(duì)已加工的安裝孔產(chǎn)生橫向擠壓力,導(dǎo)致已加工孔徑縮小和圓度不符合要求。通過(guò)切削試驗(yàn)收集數(shù)據(jù)、優(yōu)化切削參數(shù)和工藝路線、制作防抖動(dòng)工裝的方法來(lái)逐步實(shí)現(xiàn)加工質(zhì)量和效率的提升。

2 影響孔加工質(zhì)量和效率的因素

2.1 影響加工質(zhì)量的主要因素

(1)切削參數(shù)選擇不合理

切削三要素切削速度vc、進(jìn)給量f和背吃刀量ap三者的關(guān)系為vc=nπd/1000。三者間任一參數(shù)的變化都將直接影響產(chǎn)品的加工質(zhì)量和加工效率,例如背吃刀量過(guò)大會(huì)造成工藝系統(tǒng)的穩(wěn)定性差,加工時(shí)產(chǎn)生抖動(dòng)致使已加工表面光潔度差,切削速度過(guò)高則會(huì)出現(xiàn)刀具磨損較快等問(wèn)題。

(2)加工過(guò)程累積誤差大

根據(jù)加工現(xiàn)場(chǎng)分析,履帶架在機(jī)械加工過(guò)程中由于工序過(guò)于分散需要進(jìn)行五次翻轉(zhuǎn)并重新裝夾定位,每次定位都會(huì)出現(xiàn)不同程度的誤差,同時(shí)考慮人員操作技能水平、設(shè)備精度等因素的影響,最后一道工序加工完成后上下基準(zhǔn)線累積偏差≥4(實(shí)際要求≤1),不能滿足設(shè)計(jì)要求,造成后期驅(qū)動(dòng)架安裝時(shí)前后驅(qū)動(dòng)輪中心不重合,調(diào)試行走時(shí)產(chǎn)生異響并伴有啃齒現(xiàn)象。

(3)加工機(jī)械振動(dòng)明顯

機(jī)械振動(dòng)是工件在其平衡位置附近有規(guī)律的往復(fù)運(yùn)動(dòng)。由于加工過(guò)程中切削參數(shù)不規(guī)范、工件自由度部分缺失以及機(jī)床自身的功率、剛性特征等原因,履帶架在加工時(shí)不具備良好的切削環(huán)境,切削過(guò)程中產(chǎn)生強(qiáng)烈的抖動(dòng)和噪聲,工藝系統(tǒng)整體穩(wěn)定性較差。

2.2 影響加工效率的主要因素

(1)工藝路線不合理

工藝路線表示產(chǎn)品加工路線(順序)和各個(gè)工序中的標(biāo)準(zhǔn)工時(shí)定額。履帶架現(xiàn)有加工工藝路線安排:①劃線(劃線平臺(tái));②鏜銑減速機(jī)安裝孔(FPT-MARX雙面落地加工中心);③鏜銑吊耳(北一五面體加工中心);④銑支重輪內(nèi)端面(北一五面體加工中心);⑤鉆孔攻螺紋(Z3080鉆床);⑥檢驗(yàn)檢測(cè)。此工藝路線沒(méi)有考慮實(shí)際生產(chǎn)因素約束,過(guò)程中需要多次翻轉(zhuǎn)工件,工序較為分散,已加工表面容易發(fā)生磕碰,順序不合理,加工精度、效率低。

現(xiàn)階段,履帶式起重機(jī)履帶架的加工是分散到多個(gè)設(shè)備、多道工序完成(四臺(tái)設(shè)備六道工序),每道工序的加工內(nèi)容少且工藝路線長(zhǎng)。其特點(diǎn)是:對(duì)設(shè)備、工藝裝備、人員技能水平要求低,便于調(diào)整,產(chǎn)品互換便捷;所需要的設(shè)備、操作人員、工裝夾具較多,占地面積大,易積累誤差,產(chǎn)生不合格品。

(2)工裝夾具缺失

工裝是制造過(guò)程中各種工具的總稱,夾具是用于裝夾工件的裝置。機(jī)械加工過(guò)程中為了限制工件的自由度,會(huì)通過(guò)工裝夾具等輔助裝置從不同角度保證夾緊牢靠。履帶架的減速機(jī)安裝孔在銑削鉆削時(shí)由于軸向切削力不斷增大,履帶架架身抖動(dòng)明顯,并且會(huì)發(fā)生縱向竄動(dòng),判斷為Z(W)軸方向自由度缺失,需要依靠專用的工裝夾具限制其自由度。

(3)刀具選擇不合理

履帶架減速機(jī)安裝孔加工直徑范圍為φ320～φ520mm,目前主要采用山特維克重載刀具多次分層切削,但因受到工件材質(zhì)變化和焊接缺陷造成架身局部不同程度變形的影響,在鏜削加工過(guò)程中產(chǎn)生大量帶狀鐵屑將刀尖刀體纏繞,刀尖磨損崩碎情況嚴(yán)重,已加工表面產(chǎn)生溝痕,加工質(zhì)量差,加工效率低,需要考慮重新匹配和優(yōu)化相關(guān)切削參數(shù)。

3 提升孔加工質(zhì)量和效率的控制措施

3.1 優(yōu)化工藝路線

關(guān)于工藝路線的擬定,目前沒(méi)有一套精確的計(jì)算方法,只有一些經(jīng)過(guò)生產(chǎn)實(shí)踐得出的經(jīng)驗(yàn)性和總結(jié)性的原則。對(duì)原有工藝路線進(jìn)行優(yōu)化(見(jiàn)表1):采用工序集中的原則,由同一臺(tái)設(shè)備完成關(guān)鍵工序步驟,減小和避免產(chǎn)生累積誤差;減少工件翻轉(zhuǎn)次數(shù)(由5次降低至2次),保護(hù)已加工表面,避免受到磕碰。

將履帶架的加工集中在少數(shù)幾道工序和設(shè)備中完成,每道工序的加工內(nèi)容相對(duì)較多。其特點(diǎn)是:減少人員、設(shè)備、場(chǎng)地面積、裝夾次數(shù)等,有利于保證表面間的相互位置精度和尺寸精度,大大提高了生產(chǎn)效率,同時(shí)縮短了工藝路線和加工周期,減少多次裝夾所造成的誤差。

由于減速機(jī)安裝孔和圓周螺栓過(guò)孔之間距離小、剛性差,導(dǎo)致鉆削圓周過(guò)孔時(shí)產(chǎn)生較大的橫向擠壓應(yīng)力,對(duì)已預(yù)先鏜削加工的大孔造成擠壓變形,使其直徑尺寸減小約0.20～0.40mm,不符合圖紙要求。預(yù)留半精銑、精銑量1.5mm,調(diào)整加工路線,鉆削完成后再對(duì)減速機(jī)安裝孔精加工,將擠壓變形量提前過(guò)位到預(yù)留量?jī)?nèi),使其直徑尺寸滿足圖紙要求。同時(shí),在進(jìn)行工件翻轉(zhuǎn)銑削加工履帶架架身支重輪內(nèi)端面時(shí),同樣采用半精銑、精銑單側(cè)前后尾部端面(見(jiàn)圖2),預(yù)留基準(zhǔn)面的方法(預(yù)留面在同一平面內(nèi)),大大降低了二次找正的難度和誤差。最后驗(yàn)證各部位中心線趨于重合滿足圖紙尺寸要求,經(jīng)檢驗(yàn)獲得數(shù)據(jù)均值:中心線偏差≤0.5mm(要求:中心線偏差≤1mm)。

圖2 基準(zhǔn)轉(zhuǎn)換實(shí)例

3.2 刀具和程序的選用

為避免大量帶狀鐵屑纏繞刀具,損毀刀片,降低切削效率,粗銑時(shí)主要以去除余量為主,采取φ160面銑刀代替重載鏜刀進(jìn)行螺旋插補(bǔ)式銑削(見(jiàn)圖3),在采用螺旋插補(bǔ)銑孔時(shí),刀具8個(gè)刀片分別斷續(xù)切入,避免了帶狀鐵屑的產(chǎn)生并控制了鐵屑流向。但也由于斷續(xù)式切入,呈現(xiàn)在加工孔的表面刀痕是較大的波紋,表面粗糙度差。為了保證高效切削下的表面粗糙度要求,仍然采用面銑刀進(jìn)行粗加工,采用玉米銑刀或精鏜刀對(duì)該孔進(jìn)行精加工(預(yù)留精加工量)以保證表面加工質(zhì)量能夠達(dá)到圖紙?jiān)O(shè)計(jì)要求。

(a)

螺旋插補(bǔ)銑通用程序插補(bǔ)銑φ668孔程序段示例:

R1=175/2+0.6

R2=668/2

G0G54X0Y0

S420M3F2000

G0Z0W0

G2Y=-(R2-R1) X0 CR=(R2-R1)/2

G2J=R2-R1 TURN=30 W=-60

3.3 優(yōu)化切削參數(shù)

切削要素的選定法則:依次確定背吃刀量、進(jìn)給量和切削速度。履帶架的加工中,經(jīng)過(guò)反復(fù)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn),提高效率最有效的方法即增大背吃刀量,當(dāng)吃刀量達(dá)到進(jìn)給量的10倍后,再次增加吃刀量對(duì)刀具的耐用度影響很小,而進(jìn)給量和切削速度一旦增加至原先的2倍,刀具會(huì)出現(xiàn)明顯的磨損和崩刃現(xiàn)象。因此在工裝夾具的共同配合下將履帶架的吃刀量加大到5～8mm,根據(jù)實(shí)際生產(chǎn)加工試驗(yàn)收集到的數(shù)據(jù),同時(shí)對(duì)加工質(zhì)量、刀具成本、效率提升三個(gè)方面進(jìn)行綜合評(píng)定,最終總結(jié)出較為合理的切削用量參考范圍(見(jiàn)表2)。

表2 增添防抖動(dòng)夾具前、后銑孔切削用量?jī)?yōu)化對(duì)比

4 工裝夾具制作應(yīng)用

由于在銑、鉆削減速機(jī)安裝孔和圓周螺栓孔時(shí),產(chǎn)生較大的主軸方向切削分力,當(dāng)切削位置和切削用量改變時(shí),履帶架在軸向產(chǎn)生抖動(dòng),導(dǎo)致被迫減小切削用量,切削效率明顯降低。在沒(méi)有檢索收集到相關(guān)技術(shù)資料情況下,根據(jù)長(zhǎng)期加工經(jīng)驗(yàn)的積累,在現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行切削參數(shù)優(yōu)化試驗(yàn),設(shè)計(jì)出兩套加工防抖動(dòng)夾具(見(jiàn)圖4和圖5)。防抖夾具的應(yīng)用,限制了工件自由度,增加了工藝系統(tǒng)的穩(wěn)定性與可靠性,從根源上解決了上述問(wèn)題,履帶架的加工效率和加工質(zhì)量得到明顯提升。

1.地腳螺栓 2.連接螺栓 3.支承架I 4.緊固螺套 5.緊固螺母 6.緊固螺桿Ⅰ 7. 支承架Ⅱ 8. 緊固螺桿Ⅱ

圖5 防抖夾具三維結(jié)構(gòu)

5 結(jié)果驗(yàn)證

綜上所述,經(jīng)過(guò)對(duì)比改善前后的時(shí)間、效率、刀具損耗、質(zhì)量檢測(cè)數(shù)據(jù)(見(jiàn)表3),得到以下結(jié)果:

表3 減速機(jī)孔試驗(yàn)數(shù)據(jù)表

①加工效率提升驗(yàn)證 履帶架加工效率平均提升切削效率21.90%(見(jiàn)表3),平均節(jié)省切削時(shí)間0.46h/件;

②加工質(zhì)量驗(yàn)證 經(jīng)過(guò)質(zhì)量檢驗(yàn)員出具檢測(cè)報(bào)告統(tǒng)計(jì),連接大孔表面粗糙度合格率>95%,大孔加工尺寸和圓度精度合格率>99%;

③刀具成本驗(yàn)證 最多節(jié)省刀片3片,最少節(jié)省刀片2片,平均節(jié)省刀片2.6片。

6 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)切削加工試驗(yàn)收集數(shù)據(jù),分析出影響履帶架加工質(zhì)量和加工效率的因素為加工工藝系統(tǒng)穩(wěn)定性差、工序分散基準(zhǔn)不統(tǒng)一和切削參數(shù)選擇不合理三點(diǎn),為此分別采取三項(xiàng)應(yīng)對(duì)措施:設(shè)計(jì)制作防抖動(dòng)工裝以提高加工工藝系統(tǒng)的穩(wěn)定性;采取工序集中原則重新確定加工工藝路線,以解決基準(zhǔn)不統(tǒng)一產(chǎn)生的累積誤差造成的啃齒質(zhì)量問(wèn)題;篩選出合理的切削參數(shù)選用范圍。實(shí)施后解決了履帶架生產(chǎn)加工過(guò)程中表面質(zhì)量差、尺寸精度、位置精度不能滿足設(shè)計(jì)要求的質(zhì)量問(wèn)題,控制了產(chǎn)品合格率,同時(shí)由于工藝系統(tǒng)穩(wěn)定性的提高和切削參數(shù)的優(yōu)化提升了減速機(jī)孔的加工效率。