提高大型箱體形位精度的加工技術(shù)

李學(xué)群，李 雪，劉 成，李舒煒

1中信重工機械股份有限公司 河南洛陽 471039

2洛陽礦山機械工程設(shè)計研究院有限責(zé)任公司 河南洛陽 471039

3智能礦山重型裝備全國重點實驗室 河南洛陽 471039

齒 輪傳動是機械裝備中應(yīng)用最廣泛的動力和運 動傳遞形式，廣泛應(yīng)用于礦山、冶金、建材、汽車、航空、船舶等領(lǐng)域[1]。傳動齒輪箱是傳遞動力的齒輪轉(zhuǎn)子重要承載部件，齒輪箱中軸、齒輪、軸承和軸套等零件在其相應(yīng)的位置，并按照設(shè)計的傳動關(guān)系使其協(xié)調(diào)地相互運動，組成一個整體，承受較大的載荷并產(chǎn)生較大的變形和應(yīng)力。齒輪箱制造精度的高低直接影響齒輪的運行狀況及使用壽命[2]。齒輪箱傳統(tǒng)的加工方法是采用龍門刨床、龍門銑床以及鏜床，分工序進行剖分面及孔系的加工，加工精度一般只能達到 7 級，孔系粗糙度為Ra3.2～Ra6.3。隨著產(chǎn)能增加，應(yīng)用于礦山、冶金機械設(shè)備的齒輪箱趨向于大型化，傳統(tǒng)的加工機床加工方法效率低、精度低，已無法滿足大型箱體的加工要求。因此，開發(fā)一種大型箱體高效率、高精度的加工方法極為必要。

1 大型箱體的加工技術(shù)

大型、超大型箱體具有體積大、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、極易變形、設(shè)計精度高等特點[3-4]。大型箱體結(jié)構(gòu)如圖 1 所示，主要由上箱體、上中箱體、下中箱體、下箱體組成。其加工難度大，傳統(tǒng)加工方法中由于機床能力受限，難以實現(xiàn)高精度加工的要求。影響大型箱體加工精度的因素主要有各分箱體應(yīng)力釋放引起的應(yīng)變、機床的精度、箱體的組合精度，以及加工所選擇的定位基準、壓緊、切削參數(shù)和刀具等因素[5]。

圖1 大型箱體結(jié)構(gòu)Fig.1 Structure oflarge gearbox case

完成大型、超大型焊接箱體制造需重點解決兩方面問題，一是箱體焊接質(zhì)量控制，二是箱體加工質(zhì)量控制，可概括為零件制備、焊接和加工 3 個過程[6]。大型箱體加工工藝流程如圖 2 所示。

圖2 大型箱體加工工藝流程Fig.2 Machining process of large gearbox case

由圖 2 可知，大型箱體加工工藝流程基于大型數(shù)控龍門鏜銑床的高精度和功能多元化，相較于傳統(tǒng)多機床、多工序加工剖分面及孔系加工的方法，有如下優(yōu)點。

(1) 數(shù)控龍門銑鏜床銑鏜主軸是垂直上下運動、并由滑枕帶動數(shù)控龍門銑鏜床銑鏜主軸沿龍門橫梁橫向水平運動。實施鏜孔加工時，數(shù)控龍門銑鏜床直角鏜銑裝置銑軸懸臂較短，系統(tǒng)剛性好、精度高。

(2) 一次裝卡能完成箱體兩側(cè)所有孔系及其端面的加工，避免了二次調(diào)裝、旋轉(zhuǎn)、找正誤差，提高了加工精度。

(3) 加工流程中粗、精分開，采取人工消除應(yīng)力、自然消除應(yīng)力及多工步加工方法，最大限度釋放焊接、退火殘余應(yīng)力及減少機械加工應(yīng)力，保證了各分箱體的穩(wěn)定性。

(4) 加工基準是均布放置于大型精密數(shù)控龍門銑鏜床固定式工作臺上 12 件等高墊鐵。12 件等高墊鐵找正精度≤0.05 mm，加工過程中各分箱體剖分面、基準面與等高墊鐵緊密貼合，保證了加工、安裝基準一致。

(5) 專檢技術(shù)員對加工過程實時監(jiān)測，通過激光檢測儀配合機床，根據(jù)檢測結(jié)果進行微調(diào)，以達到設(shè)計要求，很好地保證了其所要求的高形位精度和低表面粗糙度。

2 加工實例

2.1 加工精度要求

大型鋁板軋機傳動齒輪箱箱體加工精度如圖 3 所示。

圖3 大型鋁板軋機傳動齒輪箱箱體加工精度Fig.3 Machining precision of gearbox case for large aluminum sheet mill

2.2 機床和刀具

機床選擇 PT6500AG-S2 大型精密數(shù)控龍門銑鏜床。其工作臺尺寸為 6.5 m×18.0 m，工作臺面距主軸端面最大距離為 5.0 m，主軸最大垂直行程為 3.0 m，龍門橫梁垂直行程為 3.0 m，銑鏜主軸水平行程為 7.2 m。

加工各分箱體剖分面及基準面選用刀盤直徑為 200 mm 面銑刀，根據(jù)不同加工工序配備粗加工刀片、精刀片和修光刀片；加工孔系時，根據(jù)不同工序選用不同刀具，粗加工選用刀盤直徑為 200 mm 插補銑刀，精加工選用可調(diào)鏜銑刀。

2.3 分箱體加工

實現(xiàn)箱體孔系加工前必先對各分箱體進行加工，再將各分箱體采用螺栓連接后實施加工。根據(jù)多年生產(chǎn)齒輪箱經(jīng)驗，結(jié)合本箱體的尺寸規(guī)格和結(jié)構(gòu)特征，機加工專業(yè)會同焊接、熱處理等相關(guān)專業(yè)技術(shù)專家經(jīng)過多次研判論證，制定本工藝流程各工序間余量如表 1 所列。

表1 加工余量Tab.1 Machining allowance mm

2.3.1 分箱體粗加工

分箱體粗加工如圖 4 所示。加工前，對分箱體劃線，檢查焊接件變形及加工余量，同時為粗加工找正基準。粗加工不要求加工精度，主要是大量去除各分箱體加工面余量，釋放各分箱體內(nèi)部應(yīng)力，同時使箱體內(nèi)部應(yīng)力重新分布。選用普通大型鏜銑床、選用大切削用量進行粗加工，以使粗、精加工分機床執(zhí)行，充分發(fā)揮粗、精機床的效能。粗加工根據(jù)應(yīng)力變形情況，加工余量如表 1 所列。盡可能減少加工余量，以減少精加工量和精加工應(yīng)力。

圖4 分箱體粗加工Fig.4 Rough machining of sub-case

2.3.2 分箱體模擬精加工

分箱體模擬精加工、精加工及箱體加工均在大型數(shù)控龍門銑鏜床上實施。12 件等高墊鐵均布放置于大型數(shù)控龍門銑鏜床固定式工作臺上做定位基準。去應(yīng)力后，各分箱體剖分面依次放置于 12 件等高墊鐵上，分箱體剖分面或基準面與等高墊鐵所在平面重合，找正各分箱體不加工內(nèi)腔，找正精度≤0.5 mm，選裝不同刀具，輸入設(shè)計參數(shù)和選取的切削參數(shù)，運行程序合格后，啟動機床。各分箱體剖分面、下箱體基準面及半孔系及孔系端面選取不同切削參數(shù)模擬加工，以滿足各分箱體設(shè)計精度。最佳精加工切削參數(shù)：轉(zhuǎn)速為 300 r/min，切削深度為 0.15 mm，直線進給速度為 500 mm/min。模擬精加工的目的是去除各分箱體加工面余量，減少精加工量，釋放內(nèi)部應(yīng)力，為實現(xiàn)各分箱體精加工及箱體加工奠定基礎(chǔ)。

2.3.3 分箱體精加工

對各分箱體剖分面精加工，各分箱體的半孔系暫不加工，待組裝成箱體后再加工。各分箱體剖分面或基準面精加工輸入的切削參數(shù)為模擬精加工選出的最佳切削參數(shù)，以保證各分箱體剖分面的形位精度和粗糙度，以及保證后續(xù)各分箱體的組裝精度。

待各分箱體剖分面精加工成后，依次劃各分箱體剖分面上連接孔位置線。重新調(diào)整機床，換裝鉆鏜孔刀具，鉆鏜各分箱體剖分面連接孔，保證各剖分面連接孔的位置度和垂直度。

2.4 分箱體去應(yīng)力

各分箱體除了焊接后去應(yīng)力退火及各工序、各工序間吊裝、轉(zhuǎn)運及停放自然釋放應(yīng)力外，還增加了粗加工后人工退火時效和振動時效。

各分箱體粗加工后進行人工退火釋放應(yīng)力處理，以釋放各分箱體的焊接毛坯殘余應(yīng)力和粗加工應(yīng)力，保證各分箱體內(nèi)部組織趨于穩(wěn)定，為提高精加工精度奠定基礎(chǔ)。

各分箱體半精加工后進行人工振動時效釋放應(yīng)力。通過選擇最有利于釋放應(yīng)力的不同振型諧波頻率對工件進行振動，再次釋放和平衡各分箱體內(nèi)部應(yīng)力，使各分箱體內(nèi)部組織更加趨于穩(wěn)定，保證精加工精度。

2.5 大型箱體組裝

在大型精密數(shù)控龍門銑鏜床上直接進行大型箱體組裝，以減少大型箱體吊裝轉(zhuǎn)運引起的應(yīng)力變形。根據(jù)箱體結(jié)構(gòu)，先將下箱體基準面置于大型精密數(shù)控龍門銑鏜床固定式工作臺 12 件等高墊鐵上，由操作工配合找正等高墊鐵，找正精度≤0.05 mm，下箱體基準面與等高墊鐵緊密貼合，保證與各分箱體加工時定位基準一致。而后依次將各分箱體相配剖分面疊加，各箱體內(nèi)腔及剖分面連接孔對正，兼顧外形對正，研磨剖分面，使各剖分面貼合緊密，通過工藝連接件聯(lián)接把緊，并加工定位銷孔定位。

2.6 大型箱體精加工

大型箱體組裝完成后劃線找正，找正精度 ≤0.05 mm。調(diào)整機床，編制程序，輸入圖紙參數(shù)和鏜孔切削參數(shù)，調(diào)試程序并模擬加工合格后進行加工。加工時先選裝插補銑刀、再選裝可調(diào)鏜銑刀，一次裝卡插補半精銑、半精鏜、精鏜各孔系及其端面。大型箱體孔系如圖 5 所示，先加工一側(cè)孔系及其端面，再加工另一側(cè)孔系及其端面。由一側(cè)孔系調(diào)換至另一側(cè)孔系加工時，工件同工位，只調(diào)整機床刀位。插補半精加工完成后，在箱體裝置一端上、下中箱體結(jié)合面處銑一精加工找正工藝基準，粗糙度為Ra3.2，而后松壓板，充分釋放加工應(yīng)力，待工件冷至室溫后重新找正，半精鏜各孔系。選取滿足設(shè)計精度要求的最佳精鏜孔切削參數(shù)：可調(diào)鏜銑刀轉(zhuǎn)速為 25～ 30 r/min，橫向進給為 0.1 mm/r，切削深度為 0.25 mm。各孔系精鏜孔前，孔系直徑方向按工藝規(guī)程留余量 0.6 mm，激光跟蹤儀配合檢測各孔系之間的形位精度。根據(jù)激光儀檢測結(jié)果，微調(diào)數(shù)控程序，同時輸入最佳鏜孔參數(shù)，精鏜各孔系及其端面。

圖 5 大型箱體孔系Fig.5 Hole system of large gearbox case

3 加工效果

數(shù)控龍門銑鏜床鏜孔如圖 6 所示。激光檢測儀配合機床、專檢人員檢測箱體各孔系的形位精度，粗糙度檢測儀檢測各孔系的表面粗糙度，箱體的幾何尺寸由專業(yè)檢測人員利用專用測量工具和大型精密數(shù)控龍門銑鏜床配合檢測。檢測記錄如表 2 所列，各項檢測結(jié)果均達到或超過圖紙要求。

圖6 數(shù)控龍門銑鏜床鏜孔Fig.6 CNC gantry boring and milling machine

由表 2 可知，與傳統(tǒng)技術(shù)相比，大型數(shù)控龍門銑鏜床加工大型箱體時，其形位精度達到了 4 級，表面粗糙度達到Ra1.5，滿足圖紙設(shè)計要求的Ra1.6。相對于傳統(tǒng)分工序加工，形位精度提高了 2～ 3 級，表面粗糙度提高了 1～ 2 級，同時箱體的幾何精度達到了 6 級。經(jīng)過裝配試車，整機的震動和噪音均得到降低，整機性能得到提高。利用大型數(shù)控龍門銑鏜床加工大型箱體，減少了中間轉(zhuǎn)序環(huán)節(jié)，而且數(shù)控機床的精加工效率高，減少了大型箱體裝配調(diào)整和返修時間，加工效率提高了約 20%。

表2 精度檢測Tab.2 Accuracy detection

4 結(jié)語

通過實例驗證了大型數(shù)控龍門銑鏜床加工大型箱體的工藝流程、工序余量和切削參數(shù)的經(jīng)濟合理性，為加工類似大型齒輪箱體提供了技術(shù)支撐。該技術(shù)易操作，普通銑工、鏜工即可實施，適用于其他空間孔系、高精度、超大型零部件的加工與制作。