小型數控電火花線切割加工盾構機大直徑內齒輪

李揚帆

摘 要：隨著社會的發展，各地域的加工能力不斷加強，以往只出現在北方的大型工件加工，如今在南方也可能會遇到，由于大件工件數量相對較少，如果購買大型設備成本較高，以盾構機為例，其技術要求高，結構復雜，建造難度大，內齒圈的齒形就是我們所面臨的嚴峻問題之一。利用假期前往廣船國際參觀學習，正好遇到攻關小組在解決此問題，通過我們對問題的分析和研究，決定改裝數控電火花線切割以及制造與其相配合的工裝來加工制造該大直徑內齒輪，在后期我們了又解決了鉬絲易斷以及切削液回流難的細節問題。最終達到了加工尺寸精度要求以及降低成本的目的，同時保證了加工制造周期。

關鍵詞：大直徑內齒輪；盾構機；數控電火花線切割

1 加工方案設計

1.1 加工任務及加工方法的選擇

盾構機，全名叫盾構隧道掘進機，是一種隧道掘進的專用工程機械。盾構機其中幾個重要部件的加工難度較大，由于盾構機直徑長達6260mm，所以部分部件也相當的大，其中我參與了盾構機大直徑內齒輪的加工，該齒輪齒頂圓直徑3852mm，齒根圓直徑3930mm，齒數216，模數18，壓力角20度，齒厚誤差±0.5mm，毛坯外徑4500mm。齒輪直徑龐大導致加工遇到了一定的困難，內齒圈外徑為?4500mm，分度圓直徑為Φ3888mm，就目前公司僅有的ND-4型，最大加工內齒直徑?1300mm的滾齒機而言，這么大的內齒圈是無法加工的。針對如何加工內齒圈齒形這個主題，應從何處入手解決，我們提出了以下三個突破口。

經過評估，我們依照分數的高低選定方案3“改裝設備自行研制”作為我們的突破口，通過對小型的數控電火花線切割機進行改裝來加工大直徑的內齒輪。

1.2 機床以及工裝

1.2.1機床的改裝

數控電火花切割機工作原理是將工作裝夾在數控工作臺上，利用工作臺移動和鉬絲上下往復切割工件，線切割機裝有鉬絲的頭部是固定不動的，為了能夠實現對如此大內齒圈進行切割。我們設想將帶有鉬絲的頭部裝在工作臺上，通過數控工作臺的移動帶動頭部鉬絲切割放在工裝架上的內齒圈內齒。

1.2.2工裝的制作

完成了對機床的改裝之后就是對工件進行裝夾定位的問題，內齒輪的毛坯是一個外直徑為4500mm的圓環。如圖1所示，我們在一個正方形的墊板上的四個角安裝四根支架支撐起毛坯，同時在支架的頂部和側面裝上調整螺栓，在螺栓上套上絕緣的膠套，一來可以避免毛坯接地，二來螺栓可以用來校正工件。

這樣一來工件固定住，通過改裝后的數控線電火花切割機的工作臺帶動鉬絲切割系統移動來切割齒輪，但是單單把數控電火花線切割擺放在圓環毛坯里是不夠的，因為齒輪的X軸橫向行程是有限的，不可能加工整一圈的內齒，于是我們在正方形平臺上的正中安裝了一個旋轉工作臺。將數控線切割機放在旋轉工作臺上，以工作臺中心為軸心旋轉工作臺就可以實現齒輪整圈的加工了。

1.2.3設計傳動機構，對內齒圈進行分度

1）通過分度頭傳給主軸比為1：40，即分度頭轉40圈，主軸轉1圈，內齒圈轉過216個齒。所以分度頭旋轉1圈時，內齒圈轉過5.4個齒，我們選擇孔數為54的法蘭盤，得出要加工出1個齒的話，分度頭只要轉過10孔數就可以了。這樣就解決了分度的問題。

2）帶軸承內齒圈的齒數為106，而需加工內齒圈的齒數為216，為了使能夠按以上所述的方法進行分度。就必須設計一個傳動齒輪機構，我們通過分析按照一定的傳動方案進行，其傳動比為：1/40×20/20×53/54×20/30×30/30×30/40×40/106=1/216。傳動方式依據齒數的分解有許多種，我們只是較方便可行性選擇了此種傳動方案。

3）我們對分度方法進行了驗證，在大齒圈的齒坯上劃出內齒圈216個齒的分度線，操縱分度手柄空行程對線確認，經確認，分度準確。

2 加工效果檢查

我們用改裝后的線切割機進行了試切削齒形樣板，樣板固定不動，用裝配在數控工作臺上的頭部通過其工作臺的移動對齒樣進行切割，之后同樣對切割后的齒形樣板交質檢員檢驗。經檢測，齒厚：28.27，四齒間的弦長：197.83。其數據結果同改造前切割數據是完全一致。

我們按照上述分度方法，指派專門人員進行操作，操縱線切割機加工出單個齒，轉動分度手柄，重復加工出所有內齒。為了保證工期，要求24小時連續作業。

加工完成后，我們對我們的切削制作進度進行了統計，與實施目標進行了對比我們是按照最快的切割速度進行切割，速度為32.5mm2/min，一個齒的表面積為：3378mm2，加工一個齒的時間為：1.83H，加工216個齒所用的時間為：33天。從而在此實施步驟中，我們比目標天數36天減少了3天。

參考文獻：

[1] 孔振宇，于華，劉晉春.敏捷制造環境下的線切割CAD/CAM系統.中國機械工程出版社，1998年6期.

[2] 上海第二紡織機械廠編.舊機床改裝，2007年 6月.