履帶式起重機履帶架的加工質量和效率提升

岳果,任權國,鄧戰斗,馬陸,李隴濤

1徐工集團工程機械股份有限公司建設機械分公司;2徐州徐工挖掘機械有限公司;3松德刀具(長興)科技有限公司

1 引言

履帶式起重機的履帶架(見圖1)有整體式和分體式兩種,箱型結構依靠銷軸連接,和車架、驅動架共同構成車輛下車主體結構,是整車承重和保持平衡的關鍵部位,其可靠性將直接影響車輛的行駛性能和整車穩定性。

圖1 履帶架結構

履帶架的各部位加工點有較高的尺寸精度和位置精度要求,體積大,材質硬,加工困難,如減速機安裝孔在精加工工序后,鉆圓周過孔時會對已加工的安裝孔產生橫向擠壓力,導致已加工孔徑縮小和圓度不符合要求。通過切削試驗收集數據、優化切削參數和工藝路線、制作防抖動工裝的方法來逐步實現加工質量和效率的提升。

2 影響孔加工質量和效率的因素

2.1 影響加工質量的主要因素

(1)切削參數選擇不合理

切削三要素切削速度vc、進給量f和背吃刀量ap三者的關系為vc=nπd/1000。三者間任一參數的變化都將直接影響產品的加工質量和加工效率,例如背吃刀量過大會造成工藝系統的穩定性差,加工時產生抖動致使已加工表面光潔度差,切削速度過高則會出現刀具磨損較快等問題。

(2)加工過程累積誤差大

根據加工現場分析,履帶架在機械加工過程中由于工序過于分散需要進行五次翻轉并重新裝夾定位,每次定位都會出現不同程度的誤差,同時考慮人員操作技能水平、設備精度等因素的影響,最后一道工序加工完成后上下基準線累積偏差≥4(實際要求≤1),不能滿足設計要求,造成后期驅動架安裝時前后驅動輪中心不重合,調試行走時產生異響并伴有啃齒現象。

(3)加工機械振動明顯

機械振動是工件在其平衡位置附近有規律的往復運動。由于加工過程中切削參數不規范、工件自由度部分缺失以及機床自身的功率、剛性特征等原因,履帶架在加工時不具備良好的切削環境,切削過程中產生強烈的抖動和噪聲,工藝系統整體穩定性較差。

2.2 影響加工效率的主要因素

(1)工藝路線不合理

工藝路線表示產品加工路線(順序)和各個工序中的標準工時定額。履帶架現有加工工藝路線安排:①劃線(劃線平臺);②鏜銑減速機安裝孔(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銑支重輪內端面(北一五面體加工中心);⑤鉆孔攻螺紋(Z3080鉆床);⑥檢驗檢測。此工藝路線沒有考慮實際生產因素約束,過程中需要多次翻轉工件,工序較為分散,已加工表面容易發生磕碰,順序不合理,加工精度、效率低。

現階段,履帶式起重機履帶架的加工是分散到多個設備、多道工序完成(四臺設備六道工序),每道工序的加工內容少且工藝路線長。其特點是:對設備、工藝裝備、人員技能水平要求低,便于調整,產品互換便捷;所需要的設備、操作人員、工裝夾具較多,占地面積大,易積累誤差,產生不合格品。

(2)工裝夾具缺失

工裝是制造過程中各種工具的總稱,夾具是用于裝夾工件的裝置。機械加工過程中為了限制工件的自由度,會通過工裝夾具等輔助裝置從不同角度保證夾緊牢靠。履帶架的減速機安裝孔在銑削鉆削時由于軸向切削力不斷增大,履帶架架身抖動明顯,并且會發生縱向竄動,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,在鏜削加工過程中產生大量帶狀鐵屑將刀尖刀體纏繞,刀尖磨損崩碎情況嚴重,已加工表面產生溝痕,加工質量差,加工效率低,需要考慮重新匹配和優化相關切削參數。

3 提升孔加工質量和效率的控制措施

3.1 優化工藝路線

關于工藝路線的擬定,目前沒有一套精確的計算方法,只有一些經過生產實踐得出的經驗性和總結性的原則。對原有工藝路線進行優化(見表1):采用工序集中的原則,由同一臺設備完成關鍵工序步驟,減小和避免產生累積誤差;減少工件翻轉次數(由5次降低至2次),保護已加工表面,避免受到磕碰。

將履帶架的加工集中在少數幾道工序和設備中完成,每道工序的加工內容相對較多。其特點是:減少人員、設備、場地面積、裝夾次數等,有利于保證表面間的相互位置精度和尺寸精度,大大提高了生產效率,同時縮短了工藝路線和加工周期,減少多次裝夾所造成的誤差。

由于減速機安裝孔和圓周螺栓過孔之間距離小、剛性差,導致鉆削圓周過孔時產生較大的橫向擠壓應力,對已預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。預留半精銑、精銑量1.5mm,調整加工路線,鉆削完成后再對減速機安裝孔精加工,將擠壓變形量提前過位到預留量內,使其直徑尺寸滿足圖紙要求。同時,在進行工件翻轉銑削加工履帶架架身支重輪內端面時,同樣采用半精銑、精銑單側前后尾部端面(見圖2),預留基準面的方法(預留面在同一平面內),大大降低了二次找正的難度和誤差。最后驗證各部位中心線趨于重合滿足圖紙尺寸要求,經檢驗獲得數據均值:中心線偏差≤0.5mm(要求:中心線偏差≤1mm)。

圖2 基準轉換實例

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,粗銑時主要以去除余量為主,采取φ160面銑刀代替重載鏜刀進行螺旋插補式銑削(見圖3),在采用螺旋插補銑孔時,刀具8個刀片分別斷續切入,避免了帶狀鐵屑的產生并控制了鐵屑流向。但也由于斷續式切入,呈現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,仍然采用面銑刀進行粗加工,采用玉米銑刀或精鏜刀對該孔進行精加工(預留精加工量)以保證表面加工質量能夠達到圖紙設計要求。

(a)

螺旋插補銑通用程序插補銑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 優化切削參數

切削要素的選定法則:依次確定背吃刀量、進給量和切削速度。履帶架的加工中,經過反復試驗發現,提高效率最有效的方法即增大背吃刀量,當吃刀量達到進給量的10倍后,再次增加吃刀量對刀具的耐用度影響很小,而進給量和切削速度一旦增加至原先的2倍,刀具會出現明顯的磨損和崩刃現象。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,根據實際生產加工試驗收集到的數據,同時對加工質量、刀具成本、效率提升三個方面進行綜合評定,最終總結出較為合理的切削用量參考范圍(見表2)。

表2 增添防抖動夾具前、后銑孔切削用量優化對比

4 工裝夾具制作應用

由于在銑、鉆削減速機安裝孔和圓周螺栓孔時,產生較大的主軸方向切削分力,當切削位置和切削用量改變時,履帶架在軸向產生抖動,導致被迫減小切削用量,切削效率明顯降低。在沒有檢索收集到相關技術資料情況下,根據長期加工經驗的積累,在現場進行切削參數優化試驗,設計出兩套加工防抖動夾具(見圖4和圖5)。防抖夾具的應用,限制了工件自由度,增加了工藝系統的穩定性與可靠性,從根源上解決了上述問題,履帶架的加工效率和加工質量得到明顯提升。

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 防抖夾具三維結構

5 結果驗證

綜上所述,經過對比改善前后的時間、效率、刀具損耗、質量檢測數據(見表3),得到以下結果:

表3 減速機孔試驗數據表

①加工效率提升驗證 履帶架加工效率平均提升切削效率21.90%(見表3),平均節省切削時間0.46h/件;

②加工質量驗證 經過質量檢驗員出具檢測報告統計,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刀具成本驗證 最多節省刀片3片,最少節省刀片2片,平均節省刀片2.6片。

6 結語

通過切削加工試驗收集數據,分析出影響履帶架加工質量和加工效率的因素為加工工藝系統穩定性差、工序分散基準不統一和切削參數選擇不合理三點,為此分別采取三項應對措施:設計制作防抖動工裝以提高加工工藝系統的穩定性;采取工序集中原則重新確定加工工藝路線,以解決基準不統一產生的累積誤差造成的啃齒質量問題;篩選出合理的切削參數選用范圍。實施后解決了履帶架生產加工過程中表面質量差、尺寸精度、位置精度不能滿足設計要求的質量問題,控制了產品合格率,同時由于工藝系統穩定性的提高和切削參數的優化提升了減速機孔的加工效率。