洗礦機(jī)薄壁筒體新型加工裝置設(shè)計(jì)

馮小磊，劉洪洪

1洛陽(yáng)礦山機(jī)械工程設(shè)計(jì)研究院有限責(zé)任公司 河南洛陽(yáng) 471039

2智能礦山重型裝備全國(guó)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 河南洛陽(yáng) 471039

薄壁筒體是洗礦機(jī)的關(guān)鍵部件，其外圓 (2 處) 與托輪接觸區(qū)域需精加工，且精度要求嚴(yán)格。薄壁筒體兩端缺少供車床直接裝夾的結(jié)構(gòu)，需要設(shè)計(jì)車床專用工裝。傳統(tǒng)加工方案是薄壁筒體兩端分別制作中心堵頭以及連接盤，連接盤焊接在筒體兩端的外圓上，中心堵頭通過(guò)連接盤與筒體連接在一起，供車床裝夾使用。該方案工裝質(zhì)量達(dá) 3 800 kg，且結(jié)構(gòu)復(fù)雜，制造成本高，車床上找正困難。為了簡(jiǎn)化加工裝置結(jié)構(gòu)，節(jié)約生產(chǎn)成本，降低人工勞動(dòng)強(qiáng)度，同時(shí)保證加工精度，筆者設(shè)計(jì)了一種新型加工裝置，以滿足生產(chǎn)需要。

1 薄壁筒體加工裝置設(shè)計(jì)

薄壁筒體內(nèi)徑為 2 100 mm，壁厚為 12 mm，長(zhǎng)度為 4 802 mm，質(zhì)量為 4 730 kg，屬于典型的薄壁結(jié)構(gòu)件。由于其弱剛度屬性，在切削力和裝夾力的作用下，容易出現(xiàn)“讓刀”與裝夾變形[1]。相比于刀具的剛性，薄壁筒體在車削過(guò)程中的振動(dòng)，對(duì)刀具與工件之間相對(duì)位移影響最大[2]。

薄壁筒體加工裝置需滿足以下要求：首先，保證薄壁筒體在車床上方便裝夾和找正；其次，提高筒體加工過(guò)程中的剛性以保證加工精度；最后，整套加工裝置結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，質(zhì)量輕，制造方便，以降低生產(chǎn)成本。

1.1 薄壁筒體裝夾方案分析

薄壁筒體的裝夾順序和裝夾方式影響其加工精度與表面質(zhì)量[3]。該薄壁筒體有 2 種裝夾技術(shù)方案。

(1) 在車床的床頭與床尾用卡爪固定薄壁筒體兩端，不需要堵頭，但薄壁筒體在車床上定位和找正困難，且加工中存在扭曲變形的風(fēng)險(xiǎn)。

(2) 利用車床床頭卡爪和床尾頂尖進(jìn)行裝夾，薄壁筒體一端固定在車床床頭，另一端用頂尖頂緊。該方案便于找正，但需要制造專用堵頭。薄壁筒體右端剛性優(yōu)于左端，將專用堵頭設(shè)置在薄壁筒體右端錐孔中，利用錐孔及其端面定位，車削加工完成后再去掉專用堵頭。薄壁筒體左端增加支撐塊，將其固定安裝在車床床頭卡盤上，限制薄壁筒體軸向移動(dòng)。該技術(shù)方案能更好地保證薄壁筒體在機(jī)床上的正確位置，能夠達(dá)到要求的精度。因此采用第二種技術(shù)方案裝夾薄壁筒體。

1.2 薄壁筒體輔助支撐設(shè)計(jì)

為控制薄壁筒體變形而選擇合理的工藝并借助輔助支撐[4]。輔助支撐可以改變工件—夾具系統(tǒng)固有頻率，增加薄壁筒體的加工剛度，提高其加工精度[5]。因此，需要設(shè)計(jì)增強(qiáng)薄壁筒體剛性的專用輔助支撐，改善車削過(guò)程中的振動(dòng)和變形。經(jīng)過(guò)分析，在薄壁筒體內(nèi)部布置環(huán)形輔助支撐，以增加其剛性。

該環(huán)形支撐在加工前固定在薄壁筒體內(nèi)部，加工完成之后將其取出。薄壁筒體外圓設(shè)置有 500 mm×500 mm 的人孔，左端設(shè)置有φ620 mm 的通孔，環(huán)形支撐必須能從以上 2 個(gè)孔中取出，并為薄壁筒體提供一定徑向預(yù)緊力，增強(qiáng)薄壁筒體剛性。環(huán)形支撐設(shè)計(jì)成分段結(jié)構(gòu)，每段長(zhǎng)度不大于 620 mm，質(zhì)量不大于 15 kg，各分段組裝成圓環(huán)，分段間設(shè)置楔塊裝置，通過(guò)壓緊楔塊裝置，向筒體提供徑向預(yù)緊力。環(huán)形支撐結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

圖1 環(huán)形支撐

1.3 新型薄壁筒體加工裝置方案

在薄壁筒體內(nèi)布置了 4 個(gè)環(huán)形支撐，分別在筒體的右端、中間以及 2 處加工區(qū)域；同時(shí)，在機(jī)床卡盤上安裝支撐塊，薄壁筒體右端設(shè)置專用堵頭，如圖2所示。該加工裝置顯著降低了生產(chǎn)成本及其人工操作難度。新薄壁筒體主要零部件及其質(zhì)量如表1 所列。

表1 新型薄壁筒體主要零部件及質(zhì)量

圖2 新薄壁筒體加工裝置

由表1 可知，新薄壁筒體加工裝置總質(zhì)量為 283 kg，與之前薄壁筒體加工裝置質(zhì)量相比減輕了 92%。

2 薄壁筒體剛性對(duì)比分析

薄壁筒體自重引起的變形是導(dǎo)致加工形狀誤差的主要原因，切削力大小相對(duì)于重力大小可以忽略不計(jì)，分別對(duì)沒(méi)有環(huán)形支撐和有環(huán)形支撐 2 種狀態(tài)下的薄壁筒體變形進(jìn)行分析。薄壁筒體材料為 Q345，彈性模量E=210 GPa，泊松比υ=0.27，屈服強(qiáng)度σs=275 MPa，采用自動(dòng)劃分網(wǎng)格方式建立有限元模型，將薄壁筒體外圓卡爪處以及專用堵頭中心孔處固定約束，對(duì)加載重力和夾緊力進(jìn)行分析，分析結(jié)果如圖3、4 所示。

圖3 沒(méi)有環(huán)形支撐的筒體變形

圖4 有環(huán)形支撐的筒體變形

從圖3、4 中可以看出，沒(méi)有增加環(huán)形支撐時(shí)，待加工區(qū)域最大變形量為 1.303 mm；增加環(huán)形支撐后，待加工區(qū)域最大變形量為 0.697 mm，筒體的變形量減少了 46.5%。由此可見(jiàn)，在薄壁筒體內(nèi)布置環(huán)形支撐，對(duì)增強(qiáng)筒體剛性有著良好的效果。

3 薄壁筒體加工裝置實(shí)際應(yīng)用

加工前將支撐塊固定安裝在機(jī)床卡爪上，環(huán)形支撐、專用堵頭固定安裝在薄壁筒體上，找正完成后，薄壁筒體在車床上經(jīng)過(guò)粗、精加工、拋光達(dá)到了所要求精度。粗加工時(shí)采用多次走刀，去除加工余量。在實(shí)際切削加工過(guò)程中，整個(gè)切削過(guò)程平穩(wěn)，且沒(méi)有出現(xiàn)振刀現(xiàn)象。薄壁筒體精加工如圖5 所示。

精加工完成后，經(jīng)檢測(cè)，兩處加工區(qū)域同軸度在0.05 mm 以內(nèi)，端面跳動(dòng)在 0.13 mm 以內(nèi)，表面粗糙度在Ra3.2 以內(nèi)，滿足加工精度要求。

4 結(jié)語(yǔ)

介紹了一種洗礦機(jī)薄壁筒體新型加工裝置，它突破了常規(guī)筒體加工裝置的限制。實(shí)際應(yīng)用表明，該裝置增強(qiáng)了筒體剛性，保證了切削加工過(guò)程的平穩(wěn)性，達(dá)到了要求加工精度。與常規(guī)薄壁筒體加工裝置相比，新型加工裝置質(zhì)量減輕了 92%，顯著地降低了生產(chǎn)成本、找正難度及人工勞動(dòng)強(qiáng)度，并且多次應(yīng)用于同類規(guī)格產(chǎn)品的生產(chǎn)中，具有較高的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。