柔性齒塊加工工藝性分析

劉文寬， 田海弘， 李長辛， 程巨強

（1.浙江大豐實業(yè)股份有限公司，浙江 寧波315400；2.西北工業(yè)大學，西安710000）

0 引 言

柔性齒塊傳動是在齒輪齒條傳動的基礎上發(fā)展起來的，它是把齒條分成多段齒塊，各段之間用活動鉸聯(lián)接，當齒塊需要承受載荷時，各段形成垂直的立柱,當需要被存貯時，齒條彎曲，在水平方向運動，如圖1所示。對于這種既可以承力又能彎曲的齒塊，稱之為柔性齒塊，現(xiàn)被廣泛應用到各種舞臺機械設計當中，解決了臺下舞臺機械要求基坑淺、升程大等相關問題[1]。首次應用的工程案例為寧波鄞州文化藝術中心的樂池部分，現(xiàn)已在舞臺工程建設中被廣泛應用，例如春節(jié)晚會的舞臺項目等，該產(chǎn)品已獲國家專利。

柔性齒塊經(jīng)過多年的不斷完善，目前已趨向定型于焊接結(jié)構，一般的工程設備中使用的柔性齒塊機構是4個一組（四角頂起），以M10齒塊頂升高度9 m計算，至少需要齒塊總數(shù)量為50（塊）×4=200（塊），而每個工程中又含有多個設備，龐大的數(shù)量及使用部位的安全性需要，在不降低安全系數(shù)和質(zhì)量要求的情況下，降低成本及縮短生產(chǎn)周期成為一個重要的課題。

1 齒塊的結(jié)構及加工工藝性

1）齒塊結(jié)構。齒塊由5部分18個零件組成，其中標準件螺母4個，其余均為自制加工零件，如圖2所示。

圖1 柔性齒塊工作組件

2）加工工序。因結(jié)構零件較多，涉及下料、焊接、機加工、熱處理、鉗工等多道工序，簡化的生產(chǎn)工序流程如表1所示。

表1 焊接式齒塊生產(chǎn)工序流程

2 工藝分析及優(yōu)化

此工藝路線已延續(xù)使用多年，各項生產(chǎn)技術指標較優(yōu)，是穩(wěn)定性很強的工藝方案。但技術是不斷創(chuàng)新的，本著提質(zhì)、提效、降耗、降成本的目的，對其進行工藝優(yōu)化。

2.1 原工藝方案分析

圖3 整體鑄造齒塊

生產(chǎn)出的零件雖符合了設計規(guī)范要求，但涉及的工序較多，同步涉及加工的人員、機臺也很多，為達到預定目標一定要優(yōu)化工藝路線，但不局限于僅僅是優(yōu)化工藝方案。根據(jù)零件結(jié)構和工藝性，化繁為簡，把零件結(jié)構由焊接式改為整體鑄造方式，這樣會相應減少很多工序。依據(jù)相近原則進行分析，原材質(zhì)為45熱軋鋼板焊接并進行調(diào)質(zhì)處理，我們選擇ZG310-570(ZG45）進行替換并驗證強度參數(shù)，查閱相關材料及熱處理手冊，對于ZG310-570的處理方式均為正火，沒有調(diào)質(zhì)推薦[2]，查閱相關ZG310-570熱處理的文獻，對其正火方面詳盡論述的很多[3]，而調(diào)質(zhì)處理有具體數(shù)據(jù)記載的較少[4]。但現(xiàn)實設計生產(chǎn)及使用中，對于其調(diào)質(zhì)處理確是很常見的。對此問題和程巨強教授（研究方向為高強度鋼鐵材料及耐磨材料的研究、開放與應用）進行探討，程教授給出詳盡的解惑：ZG310-570可以進行調(diào)質(zhì)處理，但淬透性較差，油中淬透性約為9 mm左右，調(diào)質(zhì)組織的均勻性較差，所以不推薦；小件可以進行調(diào)質(zhì)，調(diào)質(zhì)后計算力學的數(shù)據(jù)可以參照熱軋45鋼的參數(shù)進行計算。根據(jù)我廠齒塊的各項尺寸參數(shù)，9 mm的淬透層已足夠用，并且仍然按照45鋼力學參數(shù)進行計算，強度也不會有所改變，所以材質(zhì)更換為ZG310-570在安全使用方面是完全可行的，精鑄后如圖3所示。

2.2 優(yōu)化后加工工序

以此精鑄件直接調(diào)質(zhì)，從工藝路線上可以省去6道工序，涉及11人次6種設備；再次研究原工藝路線，為了保證節(jié)距一致性，齒塊是先組裝到一起再進行制齒，為了發(fā)黑又拆卸，設想如把每件齒塊都加工成具有互換性的標準零件，這樣又省去了組合及拆裝2道工序，涉及操作2人次。而且?guī)砀蟮暮锰幨强梢越o裝配、維修帶來許多便利之處，在原裝配過程中要對齒塊編號，逐一組裝不能有偏差，而且每組齒塊鏈中有一件齒塊損壞，則整組齒塊鏈基本趨于報廢狀態(tài)，改進后具有互換性的齒塊，很大程度上降低了裝配人員的勞動強度，并節(jié)約了維修成本并降低了維修難度，整理ZG310-570的齒塊加工工序流程相關內(nèi)容如表2所示。

表2 精鑄ZG310-570齒塊生產(chǎn)工序流程

3 工裝設計

項目中因把齒塊組裝后整體制齒改為單件制齒，所以必須對齒塊兩端齊頭工序進行相應優(yōu)化，批量加工如果不以恰當?shù)姆绞竭M行，會大大降低生產(chǎn)效率，這不符我們優(yōu)化工藝的初衷，所以對此序進行了批量加工的工裝設計，即為可互換性齒塊齊頭工裝。

工裝設計的重點是確保質(zhì)量的前提下最大限度地提高生產(chǎn)效率，特別是在保證長期批量生產(chǎn)的零件，定位精度高、裝卡方便則是本次工裝要解決的難點，綜合以上原因考慮，對此工裝進行了設計[5]。并爭取工裝設計簡單化，其中齒塊定位部分示意如圖4所示。

以標準齒塊為模板進行定位，其兩端面均為加工、測量、檢驗基準，加工零件的裝卡方式可根據(jù)實際情況通過壓板、氣動、液壓等方式進行穩(wěn)固，簡單實用，主要體現(xiàn)在以下3個方面：1）工裝一次裝卡在工作臺上，以其端面作為找正、測量基準，實現(xiàn)定距加工，大大提升生產(chǎn)效率；2）待加工零件以齒塊節(jié)距定位，加工尺寸更加準確，并可靈活使用壓板或電動、氣動、液壓等卡緊裝置；3）加工另一端時可旋轉(zhuǎn)工作臺，不對其零件或工裝二次裝卡，操作更為靈活。

此定位工裝可延伸為無縫對接齒條的加工作為參考。

圖4 無縫對接齊頭工裝

3 工藝優(yōu)化后的對比

通過工藝優(yōu)化后的對比，因鑄鋼件增加了內(nèi)部筋板[6]，所以完工后整體質(zhì)量相對于焊接件重了0.9 kg（現(xiàn)重15.7 kg，原重14.8 kg），在可接受范圍之內(nèi)，很明顯地可以確定，在保證設計規(guī)范情況下，不僅工序減少，耗材也急劇降低，并解放因此束縛的生產(chǎn)力，如表3所示。

表3 生產(chǎn)中減少的損耗

綜合對比計算，改進后的工藝方案，每件齒塊解放操作工人生產(chǎn)力13人次，釋放6種設備的生產(chǎn)能力；節(jié)省用電量80 000 kW·h(按2018年生產(chǎn)數(shù)量12 000件計算，僅焊前預熱消耗電能就達到45 500 kW·h，綜合其它優(yōu)化的工序電能可達80 000 kW·h以上)，極大程度上降低了生產(chǎn)成本，各方面優(yōu)化的參數(shù)對社會公共資源的占用有了明顯減少，效果顯著。