一體化鉆模在裝載機結構件上的應用

石培勇，李建軍，張 劍

（廣西柳工機械股份有限公司，廣西 柳州 545007）

0 引言

近年來，工程機械產品不斷換代升級，其中裝載機在功能及舒適性上的要求變得更高，隨之帶動裝載機結構件在結構形式上發生復雜化演變。在結構復雜化與高質量追求的雙重要求下，現有的加工工藝出現了質量的丟失及制造成本的攀升。因為在面對大型且復雜結構件的多個系統孔位加工要求時，現有加工工藝在工藝裝備或設備選型上常用有兩種方式：一是，采用搖臂鉆床與各個系統孔位獨立鉆模的組合來實現多系統孔位加工；二是，采用大型數控機床或加工中心來實現多系統孔位加工[1]。

方式一的加工方式在結構件復雜情況下不能保證各個系統鉆模的定位基準與設計基準一致，各個系統孔位的鉆模定位基準是獨立的，極易造成結構件各個系統孔位尺寸鏈無法保證，結構件質量下降，影響裝配精度；方式二的加工方式會帶來前期高額資金投入且不利于實現批量化生產。這樣，基于企業低成本高收入運營考慮，如何實現一種統一定位基準、使結構件中各個系統孔位尺寸鏈關系與設計尺寸保持一致性的鉆模設計與應用就顯得極具價值。

本文提出了一體化鉆模，即將整個結構件的各個系統孔位加工納入一套鉆模。它的特點是一個基準、一次裝夾就可以完成多孔系加工，進而保證各孔系之間的尺寸鏈精度要求。相比之下，一體化鉆模與搖臂鉆床的加工方式綜合了現有加工方式的優點，在保證結構件質量的前提下，減少投入，降低了制造成本，提高了企業的生產力水平和市場競爭力。因此，通過對加工工藝裝備進行合理的優化，并持續改進過程加工方法，從而實現在滿足產品品質的前提下降低產品制造成本，是本次研究的課題。本文將簡述裝載機H系列后車架鉆孔過程的工藝。后車架是裝載機結構中的一個關鍵部件，可供工程機械行業的工藝技術人員參考。

1 后車架鉆孔過程工藝存在的問題

后車架是裝載機結構中常見的結構件，在后車架需安裝裝載機的動力系統、散熱系統、覆蓋件系統等[2]，造成后車架需加工的孔系繁多，圖1為裝載機后車架三維示意圖，圖2為分系統孔位鉆模。整個后車架的尺寸鏈通常由鉸接法蘭孔、柴變安裝孔、機罩安裝孔與散熱器安裝孔等組成。而目前對于批量產品的裝載機后車架鉆孔加工采用的工藝方法：一是，搖臂鉆床與分系統孔位鉆模，即分別制作鉸接法蘭孔、柴變安裝孔、機罩安裝孔與散熱器安裝孔等孔系的獨立鉆模來進行定位加工；二是，采用大型加工中心進行加工。

圖1 裝載機后車架三維示意圖

圖2 所示為分系統孔位鉆模

后車架鉆孔過程工藝主要存在的問題：

（1）選用鉆模+搖臂鉆床加工

一是，由于后車架尺寸鏈復雜，后車架上各個孔系尺寸要求高，這樣在鉆模的設計、制造、現場存放、操作者選用等方面存在設計多樣、成本增加、管理混亂和操作者選用不便的問題；

二是，在加工過程需要多次吊運、多次裝夾不同的鉆模，極大地浪費時間，進而影響加工效率，產出降低；

三是，通過多鉆模定位后車架的各個系統孔位尺寸，會因定位不一致使后車架孔系間尺寸精度可靠性大大下降，過程能力低，產量質量反饋率高，進而影響整機裝配，乃至整機可靠性、舒適性。

（2）選用加工中心打眼定位+搖臂鉆床加工

一是，加工中心一般加工復雜、特殊及少量的后車架，如果被批量產品后車架占用，會嚴重影響特殊產品產出，且加工效率低；如果考慮增加加工中心設備來提升加工效率，則會產生高額投入；

二是，使用加工中心打眼定位出各個孔系后，仍需搖臂鉆床進行鉆孔加工，增加吊運、工序間流轉，增加了加工時間及安全風險等。

2 后車架一體化鉆模工藝方案的提出

通過前面的分析，為保證后車架各個系統孔位間的尺寸鏈精度，勢必要優化目前采用的鉆孔加工工藝，按照上述兩種方案：

（1）各個系統孔位獨立鉆模與搖臂鉆床組合；

（2）加工中心與搖臂鉆床組合。

這兩種方案都有著缺點，無法滿足后車架尺寸鏈同一基準和操作方便，即無法保證高質量與高效率，又可以降低產品制造成本和提高資金周轉效率的要求。于是，提出了后車架各個系統孔位加工采用將多種鉆模整合成一體的方式，即一體化鉆模進行定位的加工工藝方法。

3 后車架一體化鉆模方案應用出現的問題和解決方案

為了驗證后車架一體化鉆模工藝方法的可行性，選取H系列裝載機后車架為研究對象，對后車架的設計要求進行深入的分析討論。充分的分析后，發現后車架各個系統孔位都與柴變安裝孔相關聯，因此，只需以柴變安裝孔為基準來設計一體化鉆模，并嚴格保證一體化鉆模制造精度，就可以實現后車架一體化鉆模進行定位的加工工藝方案。

一體化鉆模的設計：一體化鉆模需要兼顧多個孔系和實現后車架尺寸鏈與設計要求一致，但尺寸鏈存在不同的三維空間位置關系，給鉆模設計帶來了困難。于是，考慮從裝載機結構件設計理念出發，以要加工的后車架為骨架，基于骨架模型創建設計流程[3]，進而完成基準統一的一體化鉆模的詳細設計，如圖3所示。

圖3 一體化鉆模三維圖

使用過程精度控制：鉆模長期使用，會存在磨損，進而影響鉆模上各個定位孔尺寸精度。因此，為解決鉆模磨損問題，采取在鉆模上各個定位孔加裝耐磨套的方式來解決。首先，耐磨套制作時要求材料具備高耐磨性[4]，并進行熱處理等；其次，對鉆模制定檢測計劃與要求，定期檢測耐磨套精度，如精度超差，則及時更換。通過這兩種方法，不僅保證一體化鉆模的精度，即保證產品的加工精度，而且大大延長了鉆模的使用壽命，減少了多次制造工裝的成本費用。如圖4所示。

圖4 一體化鉆模-鉆套

4 后車架一體化鉆模的工藝方案試驗及結果

為了實現工藝分析中提出的要求，通過樣件試驗，驗證一體化鉆模對后車架各個孔系間尺寸精度的保證能力，采用重新設計一體化鉆模來完成后車架各個孔系的定位。在不改變現有其他工藝的情況下，對使用一體化鉆模鉆孔的后車架進行檢測，收集數據并分析。根據檢測要求，使用三坐標測量儀對后車架各個孔系進行測量[5]。在完成了首件樣件試制、修正完畢樣件工藝之后，再進行了10臺份的小批量驗證。驗證結果如表1所列。

表1 后車架一體化鉆模加工數據收集表

結果顯示，后車架各個系統孔位尺寸都在設計尺寸公差帶范圍內波動，且后車架尺寸鏈可靠性大大提升，產品質量滿足要求。這說明后車架一體化鉆模定位加工的工藝方案可行，而且效果非常好。根據小批量驗證的數據再對后車架鉆孔過程、整機裝配過程進行驗證并確認無誤之后，將后車架一體化鉆模鉆孔工藝落實到了批量生產上面，從而使H系列單臺后車架的鉆孔加工時間同比減少了約14 min，后車架尺寸合格率同比提升一倍，裝載機整機裝配過程的孔系尺寸超差反饋率同比下降了90%。

5 結束語

后車架一體化鉆模鉆孔工藝的核心，就在于一體化鉆模的設計，它實現了后車架尺寸鏈基準的統一與實現了與設計要求的高度一致性。一套高質量的一體化鉆模帶來的是過程能力與加工效率的提升及制造成本的下降。通過規范化的工藝驗證、標準化操作指導書、詳細的人員培訓，再結合生產線全員參與、共同協作、嚴控過程質量，是后車架一體化鉆模鉆孔工藝方案的試驗和推行得以成功的關鍵。此工藝優化了H系列裝載機后車架的鉆孔方法，提高了單臺后車架的生產效率，降低了產品制造成本，并且具有很好的柔性，在不增加額外資產投入的情況下，可以輕松地應對大批量生產要求。通過實踐證明，該工藝對工程機械行業類型相似的后車架制造有著普遍指導意義，希望能對其他工程機械產品的制造提供有益的借鑒。