雙層同步箱體工藝方案分析

劉文寬，尹文敬，田海弘，李長辛

（浙江大豐實業股份有限公司，浙江 寧波 315400）

無錫拈花灣微笑廣場主景觀“拈花一笑”是一個高18 m的人體造型動態演繹雕塑（圖1），在2020年元旦試演成功。8根形態各異的空間S型曲線柱，配合平均分布在每根曲線柱上的45個葉片在水平面內平移、旋轉，結合微笑廣場的水下舞臺裝置、波光跳泉、激光投影和全息數字影像技術等視覺演繹手法，創新性呈現360°沉浸式觀演的表演景致。

圖1 人體造型動態演繹雕塑

該動態演繹雕塑含有八方分立散葉成樹、合并則為人型等動作，內部關鍵部位機械、電氣結構復雜多樣，零部件加工困難，設計難度很大。每個S型曲線柱分立散葉成樹的主動力機構由兩套八件錐齒輪及六個鏈輪構成，在同一箱體內上下分層布置，以保證立柱上葉片的同步（上下和旋轉）運行，其構思巧妙，相對于復雜的電控單元成本較低。雙層同步箱體的合格加工，是保證動態演繹雕塑正常運行的重要環節之一。本文主要分析雙層同步箱體的工藝方案。

1 雙層同步箱體的零件結構及工藝難點

圖2所示為雙層同步箱體的三維圖及平面圖。通過查詢相關裝配圖，對零件生產工藝及難點進行分析。

圖2 雙層同步箱體

圖3 雙層同步箱體主視圖

（1）雙層同步箱體的零件長期浸泡在水下，需要進行防銹處理，所以設計圖紙有熱鍍鋅的要求，鍍鋅層會對加工部位的精度產生影響。如果加工之前熱鍍鋅，則所有的加工面完成后，就會沒有鍍鋅層，起不到防腐蝕的作用；如果加工完成后再進行熱鍍鋅，則已加工表面有了鍍鋅層，尺寸精度無法掌控。

（2）整體為雙層圓筒結構，共有17個零件焊接而成，材料均為Q235A，重量250.20 kg，一定會存在焊接變形及焊接應力處理是否得當等問題。

（3）箱體及外圍圓周方向布置14個孔位需要加工，軸線方向兩層，每7個孔位在同一水平面上，如圖2中的序號4、5、6、7、14（兩孔）、15板上面的孔位，并在同一水平面安裝4個錐齒輪、3個鏈輪，有平面度、同軸度、圓度、角度、尺寸、粗糙度等多項公差要求。零件基本尺寸為長度1 005 mm，高度525 mm，外圈管體直徑（φ）600 mm，需要加工的孔中心距離管體中心最大515 mm±0.05 mm（見圖3、圖4）。如何保證各孔之間的形位公差是重中之重。

（4）各孔位所在的輔板有貫通的螺紋孔，由于空間限制，加工困難。特別是圖4中的內部輔板，圖2序號5、6、8、10上面的M10螺紋孔。

通過零件分析，以下針對上述四個工藝難點逐一進行解決。

2 雙層同步箱體的工藝方案

2.1 部分材料替換

圖4 雙層同步箱體A-A剖視圖

表1 Q235A與022Cr19Ni10N部分參數對比

對于水下安置的零件，除了采取熱鍍鋅防銹的工藝處理，也可以考慮水下耐腐蝕性強且具有良好焊接性能的材料進行替換。本方案選取不銹鋼牌號022Cr19Ni10N（304LN），其各項力學性能均稍強于Q235A（見表1）。

如果零件整體均采用牌號022Cr19Ni10N（304LN）的不銹鋼代替，那么相應材料成本的增加比較大。為降低成本而又不降低原設計的力學參數，圖2中序號1內壁、序號11筋板、序號16外壁，仍采用Q235A進行熱鍍鋅處理。三種單件的質量約為130 kg，零件整體重量250.2 kg，初步預算增加的成本為120.20 kg的材料差價。筆者根據多年實踐經驗以及查詢焊接手冊、相關文獻得知，不銹鋼牌號022Cr19Ni10N與Q235A不同材質之間具有良好的焊接性能。經過部分材料替換，可以解決原材料熱鍍鋅后加工面無鍍鋅層、防腐蝕性較差的問題。

2.2 零件熱處理

為去除焊接應力，要對焊接后的零件進行去應力退火。按照上述材料替換方案，需要的熱處理工序分別為不銹鋼022Cr19Ni10N固溶處理、焊接后去應力退火、熱鍍鋅。由于固溶處理是在去應力退火之前，需要考慮退火溫度是否達到不銹鋼022Cr19Ni10N的敏化溫度區間（不銹鋼產生晶體腐蝕的敏感溫度區），否則會影響不銹鋼的強度。零件熱處理工序見表2。

表2 零件熱處理工序匯總

表3 工藝線路及主要加工內容

由表2可知，去焊接應力退火的上限溫度臨界于奧氏體不銹鋼敏化溫度，但多數熱處理廠家在去焊接應力退火時的溫度為500℃～550℃，該零件的退火工序溫度定在此區間即可。熱鍍鋅的溫度區間不在奧氏體不銹鋼敏化溫度范圍之內，所以，焊接后的熱處理去應力退火和熱鍍鋅工序，不會減少原零件的設計強度，也進一步證明更換部分材料在技術上是完全可行的。

2.3 新增不銹鋼圈

對于機加工部分，難點在于零件的尺寸限制，圖2輔板14上面的孔肯定會出現加工機床主軸長懸伸等問題。經過計算，主軸最長要伸出700 mm。另外，需要保證各孔位之間的角度問題。采用數控刨臺臥式銑鏜床PB130H可以解決此問題，無論是主軸伸出加工及數控轉臺回轉精度，各項參數均能滿足零件的加工。

考慮到零件安卡找正方式問題，筒壁上同一截面的各孔中心線交于同一軸線上，所以，在圖2序號1內壁（Q235A）孔的兩端預留加工工藝基準。而熱鍍鋅后再加工基準，內壁上的部分鍍鋅層又被去掉，所以，在內壁孔的兩端焊接022Cr19Ni10N不銹鋼圈，以便加工工藝基準。上下兩端各增加一件不銹鋼圈，尺寸為353 mm×10 mm×50 mm（直徑×鋼圈單邊壁厚×長度），單重4.2 kg，零件總重量為258.6 kg。綜合前文分析，則增加的總成本為120.2 kg的材料差價+新增不銹鋼材料費（8.4 kg）+增加重量熱鍍鋅費用（8.4 kg）。

2.4 螺紋孔的加工

對于輔板上的螺紋孔，采用兩種加工方式。外表面的螺紋孔，由臥式銑鏜加工相對應的孔位后直接加工；內壁孔位周邊的螺紋孔，制作樣板鉗工加工。零件的工藝線路及主要加工內容見表3。

圖5 零件加工圖示

按照既定的工藝方案進行生產，表3中工序5、工序6是機加工的重點和難點。工序5按常規數控編程加工方法，銑削選取相對應奧氏體不銹鋼材料牌號的刀片即可；工序6首件（第一個零件）加工是找正安卡方式，在加工前檢驗數控回轉臺的分度及重復定位精度均為5″，可以滿足設計圖紙要求。

圖6 零件中心定位及角度檢驗工裝

本工程所用零件數量為8件，其中，圖5所示的零件位于數控回轉臺的中心上。要保證同一平面各孔位的軸線交于一點，這是零件能夠按照設計精度加工的基本要求，所以，找正時稍顯吃力，零件安卡找正后，依次加工同一截面上的各孔位、相應端面、外表面的螺紋孔。從圖4可知，所需加工各孔位的尺寸分別為φ110H7、φ138H7、φ160H7、φ180H7，結合加工時主軸要伸出最大700 mm進行，所以，內孔的加工方式定為鏜削。結合加工部位材料牌號022Cr19Ni10N（304LN），刀具選取山特維克的CoroBORE 826以及加工奧氏體不銹鋼材料相對應的刀片。

為提高效率且降低操作人員勞動強度，剩余的7件零件設計并制作簡易的定位工裝（見圖6）。考慮到材料的重復利用，將定位工裝分為三部分，分別為序號1、2、3底板，定位板，M16圓柱頭內六角螺釘及彈簧墊圈，其加工也是比較簡單的。在使用時，先將工裝安置于數控轉臺上，調整其定位板中心與數控轉臺的旋轉中心重合，通過表3工序5的第三個內容定梁。龍門銑加工的內壁工藝基準孔進行定位，這樣零件內外壁上所要加工的各孔位回轉中心將會重合，保證軸向中心線交于一點，加工出合格的零件。

3 拓展與思考

如果沒有數控轉臺，只有普通精度良好的鏜床，那么加工此零件時，如何保證同一平面各孔位的相互角度？可以嘗試做一個簡易的角度找正及檢驗的工裝，如圖6由序號4角度定位體和序號5檢棒兩部分組成，角度定位體與零件內壁配合定位φ340H7/h6，中心定位體由臥式加工中心按零件圖紙的角度進行加工定位孔，與檢棒配合φ40H7/h6，使用時先預調加工的第一孔位，將此工裝通過壓板等裝置緊固在零件上，可以用百分表等工具找出檢棒軸線中心。加工下一角度孔位時，也對孔位所對應檢棒進行母線及圓周檢測，以解決精確加工各孔之間的角度問題。并且此工裝也可作為加工后的角度檢驗使用。

需要注意的是，底盤的定位工裝與上部的角度檢驗工裝，都是基于同一回轉中心軸線，因此，零件內壁上下兩處焊接的不銹鋼圈上加工的工藝定位孔一定要保證同軸。在機加工方面，這一點是不容忽視的。