盾構(gòu)機(jī)盾尾油脂孔整體加工工藝技術(shù)研究

胡建其

(中國鐵建重工集團(tuán)股份有限公司 湖南長沙 410100)

1 引言

圖1 盾尾筒體分塊

大直徑泥水平衡盾構(gòu)機(jī)盾尾筒體通常采用分塊制作[1]，整環(huán)一般分布有20組4×φ26 mm或者φ28 mm深度為2 000～3 000 mm的油脂深孔，分塊如圖1所示，原有工藝方案是先制作油脂板并加工好深孔，待盾尾筒體整體卷圓完成后在筒體上劃線割開，然后將油脂板焊接到筒體上。該方案在實施過程中會存在焊接量非常大，切割開孔和焊接操作導(dǎo)致盾尾產(chǎn)生較大變形，原材料浪費(fèi)較大，焊接完成后火焰校圓工作量大，尺寸公差和圓度均難以控制等問題。現(xiàn)欲采用新的加工工藝方案對該零件上的深孔進(jìn)行加工，其深孔能否高效加工將直接影響盾尾生產(chǎn)效率的提高。

加工零件為大直徑圓弧板，材料為Q345B，其中圓弧板上圓孔直徑為φ28，圓孔深度一般在2 500 mm左右，圓孔長徑比約為107，直線度要求≤2/3 000 mm，孔精度要求為0～0.22 mm，表面粗糙度要求大于Ra12.5μm，該零件的加工是典型的深孔加工[2]。

2 零件工藝性難點分析

對加工零件進(jìn)行工藝性分析后發(fā)現(xiàn)如下問題[3]:

(1)加工零件具有外形結(jié)構(gòu)尺寸大的特點，因此很難進(jìn)行裝夾找正，并很難實現(xiàn)鉆孔時的快速定位、裝夾和找正。

(2)加工零件采用Q345B材料，材料塑韌性好，機(jī)加工時容易出現(xiàn)斷屑困難的情況，現(xiàn)在想要進(jìn)行深孔加工其斷屑就更為困難，容易出現(xiàn)堵屑情況[4]。

(3)加工零件上孔的類型為盲孔，且長徑比大，這遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于普通深孔的長徑比，在滿足尺寸精度和位置精度設(shè)計要求的前提下加工出該孔無疑是一個難度不小的挑戰(zhàn)[5]。

綜上所述，想要高效加工出零件上的深孔，需要克服零件快速定位裝夾、材料斷屑和深孔加工等難題，從而保證零件尺寸精度、位置精度和表面粗糙度的要求[6]。

3 工藝方案

3.1 工裝設(shè)計

本文工裝的主要功能是滿足盾尾筒體的裝夾和盾尾油脂孔的定位[7]。在工裝設(shè)計中，首先設(shè)計了機(jī)床工作臺、墊板、支撐、底座和弧板來完成盾尾裝夾平臺的搭建，然后設(shè)計了卡板、擋板和定位板來實現(xiàn)對盾尾筒體的定位。設(shè)計的工裝整體方案圖和周向調(diào)節(jié)裝置分別如圖2和圖3所示。

圖2 工裝整體方案

圖3 周向調(diào)節(jié)裝置

工裝中，通過高度調(diào)節(jié)螺母調(diào)節(jié)弧板高度，從而調(diào)整定位工件孔的中心高度；通過調(diào)節(jié)水平調(diào)節(jié)擋板和螺母使定位工件鉆孔軸線與鉆桿同軸；通過周向定位調(diào)節(jié)裝置使定位鉆孔的圓周位置可以覆蓋到每組孔的孔距。每組孔加工時只需調(diào)整一次定位板，再通過調(diào)整卡板即可完成周向每組孔的加工。

3.2 機(jī)床改造

根據(jù)本單位現(xiàn)有設(shè)備條件，對現(xiàn)有設(shè)備進(jìn)行機(jī)床改造，在不改變數(shù)控重型臥式車床CK61160×12 000 mm原有功能的基礎(chǔ)上，通過增加部件來進(jìn)行改造，以此滿足金屬類工件的深孔鉆削、擴(kuò)孔或者鏜孔的加工需求，實現(xiàn)盾體注漿板、油脂板深孔的自制加工[8]。在進(jìn)行鉆孔，擴(kuò)孔或鏜孔時，采用刀具旋轉(zhuǎn)和進(jìn)給的加工方式，工件固定在增加的裝夾工裝上(見圖4)。鉆孔時排屑方式采用內(nèi)排屑，冷卻油從授油器進(jìn)入刀具進(jìn)行冷卻潤滑，同時把加工的鐵屑從刀桿內(nèi)排出。由于加工孔的孔徑和孔深的不同，因此對切削油的流量和壓力需求也有所不同。比如，加工孔徑小、深度長的深孔時，隨著孔深加深，油壓損失變大，因此需要提供小流量、大壓力的切削油(試驗證明必須油壓≥1 MPa)；當(dāng)加工大孔時則相反，所需壓力較小(0.5 MPa左右即可)、流量較大。經(jīng)過研究決定，最終設(shè)計雙泵(高壓泵:16 MPa；大流量齒輪泵:0.36 MPa、18 m3/h)并聯(lián)控制很好地解決了該問題，設(shè)計的雙泵如圖5所示。

圖4 機(jī)床改造示意

圖5 設(shè)計雙泵

深孔鉆裝置主要安裝精度如表1所示[9]。

表1 深孔鉆裝置安裝精度

深孔鉆裝置主要技術(shù)參數(shù)如表2所示。

表2 深孔鉆裝置技術(shù)參數(shù)

3.3 刀具選擇

由于深孔加工具有斷屑難，易堵屑的問題，為解決這一問題，對多種刀具和刀片進(jìn)行對比調(diào)研，調(diào)研結(jié)果如表3所示。

表3 刀具調(diào)研結(jié)果

通過對比調(diào)研，最終選擇帶齒刀片的機(jī)加刀具，并對刀頭排屑孔進(jìn)行修磨擴(kuò)孔，很好解決了此問題。

3.4 零件試制

為了驗證該設(shè)備精度和加工能力是否達(dá)到預(yù)定的目標(biāo)要求，能否滿足后續(xù)盾體油脂板、注漿板深孔的加工，現(xiàn)通過使用該設(shè)備進(jìn)行實際加工來驗證。

使用該設(shè)備分別加工直徑為φ28 mm孔深為3 020 mm和直徑為φ100 mm孔深為2 100 mm的盲孔，加工完成后盲孔分別如圖6和圖7所示。

圖6 φ28深孔加工

圖7 φ100深孔加工

加工完成后測量結(jié)果如表4所示。

表4 完成工件測量結(jié)果

3.5 工藝對比

對比原有加工工藝，新工藝具有以下優(yōu)勢:

(1)節(jié)約焊接材料。按15 m盾構(gòu)機(jī)盾尾20塊油脂板計算，新工藝可減少40條焊縫，節(jié)約焊材1 280 kg，約占到盾尾殼體總焊材量的20%。

(2)減少焊接工作量。直接在盾尾筒體上加工油脂孔，使得盾尾筒體無需焊接油脂板，可以極大地減少盾尾的鉚焊和校圓的工作量，降低約30%，同時原油脂板焊縫為二級焊縫，需無損檢測，因此也減少了無損檢測的工作量[10]。

(3)穩(wěn)定產(chǎn)品質(zhì)量。不存在焊縫不合格風(fēng)險，同時盾尾筒體無卷圓后割孔、焊接變形的影響，其直徑、圓度能100%滿足圖紙尺寸精度要求。

(4)節(jié)約原材料。盾尾筒體無需割孔焊接油脂板，按照15 m盾構(gòu)項目計算，盾尾分布20塊油脂板，油脂板規(guī)格2 320 mm×220 mm×100 mm；如采用焊接油脂板方案，則需浪費(fèi)原材料約8 013.28 kg。

4 結(jié)果分析

在進(jìn)行深孔加工的過程中，設(shè)備運(yùn)行正常，加工過程中未出現(xiàn)切屑堵塞、鉆頭損壞等現(xiàn)象，所加工工件全部合格，未出現(xiàn)深孔尺寸、直線度、平行度、表面粗糙度等精度不合格現(xiàn)象，驗證了設(shè)備的可靠性，且其加工精度符合設(shè)計要求[11]。

5 結(jié)束語

(1)針對零件裝夾不易，定位困難等問題，設(shè)計了專門的裝夾工裝，通過專有的工裝實現(xiàn)了大尺寸零件的快速裝夾定位。

(2)針對深孔加工困難的問題，在不影響原有設(shè)備功能的基礎(chǔ)上，對其進(jìn)行了技術(shù)改造[12]，使其可以完成金屬類工件的深孔鉆削、擴(kuò)孔和鏜孔的加工需求，實現(xiàn)大尺寸零件的自制加工。

(3)針對進(jìn)行深孔加工時斷屑難、易堵屑的問題，通過設(shè)計雙泵控制，選取合理刀具使該問題得到了很好的解決。