薄壁空腔轉(zhuǎn)動(dòng)箱腰形槽加工工藝優(yōu)化

常文衛(wèi)，姜建，張李海榮

中車株洲電力機(jī)車有限公司 湖南株洲 412001

1 序言

直立式真空斷路器是機(jī)車車輛的重要部件之一，其安裝在車頂，起著機(jī)車與接觸網(wǎng)之間的電路引入和退出作用，同時(shí)還可用于電力機(jī)車的運(yùn)輸過(guò)載和電氣短路保護(hù)[1]。轉(zhuǎn)動(dòng)箱如圖1所示，是直立式真空斷路器中的一個(gè)關(guān)鍵部件，主要作用是承擔(dān)真空斷路器低壓部分傳來(lái)的機(jī)械動(dòng)力，并且將其轉(zhuǎn)換成機(jī)械能，在質(zhì)保期需要經(jīng)過(guò)20萬(wàn)次的往返運(yùn)動(dòng)，要保持很高的機(jī)械強(qiáng)度，不產(chǎn)生變形和位移。轉(zhuǎn)動(dòng)箱質(zhì)量的好壞和運(yùn)行狀態(tài)直接影響真空斷路器能否正常工作。

圖1 真空斷路器轉(zhuǎn)動(dòng)箱

2 加工要求與存在的問(wèn)題

轉(zhuǎn)動(dòng)箱是整個(gè)直立式真空斷路器部件加工制造中比較復(fù)雜、技術(shù)要求較高的零件之一，由壁厚為10mm的ZL104鑄造鋁合金腔體加工而成，其結(jié)構(gòu)尺寸如圖2所示，4個(gè)腰形槽的尺寸精度要求很高，寬度尺寸公差為0.05mm，垂直度和平行度公差有的僅為0.03mm。目前在加工時(shí)，在夾緊力、銑削力的作用下很容易產(chǎn)生腔體變形，使得腰形槽幾何公差、尺寸精度超差，導(dǎo)致廢品率、返工率高達(dá)20%以上。

圖2 轉(zhuǎn)動(dòng)箱結(jié)構(gòu)尺寸

3 原因分析

3.1 結(jié)構(gòu)剛性差

轉(zhuǎn)動(dòng)箱為鑄造鋁合金薄壁空腔結(jié)構(gòu)，工藝系統(tǒng)剛性較差，加工過(guò)程中存在工件變形和位移現(xiàn)象，這是導(dǎo)致腰形槽精度超差的主要原因。

3.2 工裝夾具精度不高

工件裝夾方式選擇不當(dāng)、接觸表面過(guò)小容易發(fā)生振動(dòng)，以及裝夾精度較低等問(wèn)題，都是導(dǎo)致加工過(guò)程中誤差過(guò)大的主要原因。

3.3 加工方法不合理

轉(zhuǎn)動(dòng)箱腰形槽的加工采用萬(wàn)能分度頭裝夾，用頂尖頂持，然后進(jìn)行垂直銑削加工。因轉(zhuǎn)動(dòng)箱屬于薄壁零件，故其加工工藝體系剛度較差，在銑削過(guò)程中易發(fā)生刀具振動(dòng)，無(wú)法達(dá)到設(shè)計(jì)中的技術(shù)指標(biāo)，對(duì)加工質(zhì)量造成了很大的影響。

4 工藝優(yōu)化措施

4.1 改良加工方法

為提高轉(zhuǎn)動(dòng)箱的工藝剛度，腰形槽改用臥式加工中心銑削加工，并重新為轉(zhuǎn)動(dòng)箱加工設(shè)計(jì)了一套夾具，如圖3所示。加工時(shí)直接把夾具安裝在機(jī)床的工作臺(tái)上，用較低的表面粗糙度值來(lái)提高轉(zhuǎn)動(dòng)箱基面與夾具接觸定位面的接觸精度，可使轉(zhuǎn)動(dòng)箱與夾具間的有效接觸面積增大，提高裝夾剛度[2]。

圖3 轉(zhuǎn)動(dòng)箱加工用夾具

夾具原理及誤差分析：轉(zhuǎn)動(dòng)箱底部使用一個(gè)平面和兩個(gè)孔作為定位基準(zhǔn)來(lái)完成組合表面定位，這就是所謂的一面兩孔定位。大平面限制了繞X軸和繞Y軸的轉(zhuǎn)動(dòng)、沿Z軸的移動(dòng)3個(gè)自由度，定位銷限制了沿X軸和沿Y軸的移動(dòng)2個(gè)自由度，菱形銷限制了繞Z軸的轉(zhuǎn)動(dòng)1個(gè)自由度，形成了一種可靠的定位方式[3]。另外，轉(zhuǎn)動(dòng)箱頂部采用一塊有4個(gè)接觸點(diǎn)的壓板來(lái)壓緊，以保證工作時(shí)的穩(wěn)定，從而不會(huì)出現(xiàn)任何一個(gè)方向的運(yùn)動(dòng)或旋轉(zhuǎn)現(xiàn)象。

（1）轉(zhuǎn)動(dòng)箱的基準(zhǔn)位移誤差分析 定位誤差的計(jì)算公式為

式中，Δr為定位誤差（mm）；δD1為工件定位孔的直徑公差（mm）；δd1為圓柱定位銷的直徑公差（mm）；Xmin為定位所需最小間隙（mm），由設(shè)計(jì)時(shí)確定。

根據(jù)式（1），計(jì)算可得定位誤差Δr＝0.027＋（－0.006＋0.017）＋（0＋0.006）＝0.044（mm）。

（2）轉(zhuǎn)角誤差分析 轉(zhuǎn)角誤差的計(jì)算公式為

式中，Δθ為轉(zhuǎn)角誤差（mm）；X1max為圓柱定位銷與孔間的最大間隙（mm）；X2max為菱形定位銷與孔間的最大間隙（mm）；L為中心距（mm）。

根據(jù)式（2），可得轉(zhuǎn)角誤差Δθ＝arctan[（0.027＋0.017＋0.027＋0.064）/（2×229.38）]＝1′6″。雙向轉(zhuǎn)角誤差為2′12″。

綜上所述，夾具的定位精度及轉(zhuǎn)角誤差完全符合圖樣對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)箱的技術(shù)要求。

4.2 加工過(guò)程變形控制

由于在轉(zhuǎn)動(dòng)箱的銑削過(guò)程中，尤其是粗加工去除大部分余量時(shí)，會(huì)有很大的銑削力和銑削熱產(chǎn)生，將打破鑄坯原有的殘余應(yīng)力平衡，使其在工件內(nèi)形成一個(gè)新的平衡，造成了工件的變形。另外，為了保證零件的加工精度，還應(yīng)采取有效的加工方法和可靠的裝夾方法。因此，如何減少變形并進(jìn)行有效的控制，對(duì)于提升轉(zhuǎn)動(dòng)箱的銑削加工精度至關(guān)重要。

（1）制定合理的工藝路線 按照對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)箱的精密制造需求，將加工過(guò)程分為粗加工、半精加工和精加工3個(gè)階段。粗加工時(shí)，使用比較大的壓裝力和銑削力，為精加工預(yù)留適當(dāng)?shù)你娤髁浚愿纳乒ぜ男螤罘€(wěn)定性；精加工時(shí)，要確保零件的加工精度，選取合理的切削用量，盡量減小銑削力；要合理選擇裝夾方案，以減小裝夾變形和加工變形；應(yīng)盡可能采用高速銑削方式，并選取適當(dāng)?shù)睦鋮s方式，在確保加工質(zhì)量的同時(shí)，減少切削熱對(duì)工件造成的影響。

（2）合理確定加工順序及走刀路徑 加工順序?qū)ぜ淖冃斡泻艽蟮挠绊憽Ｔ诖_定加工順序時(shí)，一般的原則是：在確保零件裝夾方便、可靠定位和夾緊需求的同時(shí)，盡量減少零件本身和工藝的剛度下降，使得銑削過(guò)程處于一個(gè)比較好的剛性條件下，減少加工變形。

在刀具運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，因刀具運(yùn)動(dòng)軌跡的差異，使得原始?xì)埩魬?yīng)力在加工過(guò)程中的釋放情況不同，并在銑削力與切削熱的共同影響下，形成了新的應(yīng)力分布，使加工過(guò)程中工件出現(xiàn)不同的變形[4]。在選擇加工路線時(shí)，粗加工時(shí)要使被加工材料盡可能被切除。精加工時(shí)使用順銑的方法，路徑應(yīng)盡可能平滑，要避免快速的轉(zhuǎn)彎，在刀軌轉(zhuǎn)角處要多加一個(gè)過(guò)渡圓弧，同時(shí)要適當(dāng)降低進(jìn)給速度；要使工件順利地切入和切出，應(yīng)盡量使銑削加工面平滑，避免由于銑削力的驟增而引起加工面傾斜，從而導(dǎo)致加工面精度下降。

進(jìn)給速度的計(jì)算公式為

式中，vf為進(jìn)給速度（mm/min）；n為主軸轉(zhuǎn)速（r/min）；z為所選銑刀的齒數(shù)；fz為銑刀每齒進(jìn)給量（mm/z）。

（3）優(yōu)化切削參數(shù) 為了保證銑刀的加工質(zhì)量，提高加工效率，減少刀具損耗，需要對(duì)銑刀的每齒進(jìn)給量作適當(dāng)調(diào)整，以達(dá)到對(duì)加工精度和加工質(zhì)量的有效控制。在CNC銑削過(guò)程中，切削參數(shù)符合關(guān)系式

式中，n為主軸轉(zhuǎn)速（r/min）；vc為切削速度（m/min）；d為刀具直徑（mm）。

式中，η為材料去除率（mm3/min）；ap為背吃刀量（mm）；ae為側(cè)吃刀量（mm）；vf為進(jìn)給速度。

在轉(zhuǎn)動(dòng)箱的切削過(guò)程中，應(yīng)盡量選擇高速切削模式，以較小的背吃刀量和較低的切削溫度，達(dá)到較高的切削效率。該方法同樣也適用于比較小的易變形件和剛性差的薄壁工件。

4.3 優(yōu)化銑削程序

（1）相對(duì)坐標(biāo)與絕對(duì)坐標(biāo)編程 因?yàn)橄鄬?duì)坐標(biāo)程序設(shè)計(jì)會(huì)造成累積錯(cuò)誤，而絕對(duì)坐標(biāo)程序設(shè)計(jì)則能有效地解決這個(gè)問(wèn)題，所以針對(duì)機(jī)床的工藝特性，可以在關(guān)鍵位置使用絕對(duì)坐標(biāo)程序設(shè)計(jì)，而在普通位置使用相對(duì)坐標(biāo)程序設(shè)計(jì)或者絕對(duì)坐標(biāo)程序設(shè)計(jì)。在實(shí)際加工過(guò)程中，為了確保零件的加工精度和加工效率，根據(jù)加工精度的需要，可以靈活地運(yùn)用絕對(duì)坐標(biāo)程序設(shè)計(jì)和相對(duì)坐標(biāo)程序設(shè)計(jì)。

（2）采用最佳的數(shù)控加工程序 在轉(zhuǎn)動(dòng)箱腰形槽的銑削中，采用了子程序法[5]，使其變得簡(jiǎn)單，但在曲線與曲線的交叉點(diǎn)上存在顯著的接刀痕跡，這是由于CNC在面對(duì)RET（M17）命令時(shí)，需要進(jìn)行大量的計(jì)算、比較、判斷、查找和轉(zhuǎn)移等內(nèi)部工作，從而造成機(jī)床進(jìn)給瞬間停滯，引起切削力的驟然變化，從而在工件表面留下了接刀痕跡，所以需要使用直接程序來(lái)從根源上解決這個(gè)問(wèn)題。兩種不同的腰形槽精加工程序見表1。

表1 兩種不同的腰形槽精加工程序

4.4 優(yōu)化裝夾方案

1）選取適當(dāng)?shù)奈恢弥С斜砻妫M量選用較大的上下表面作為被測(cè)表面，且模具與被測(cè)表面的位置接觸面盡量大，并通過(guò)增加模具與被測(cè)表面的有效接觸面積來(lái)增加被測(cè)表面的接觸剛性，從而提升加工表面制造精度。

2）在確保轉(zhuǎn)動(dòng)箱夾持可靠的情況下，應(yīng)盡量使夾持力均勻，并適當(dāng)增加夾持點(diǎn)數(shù)量，擴(kuò)大夾持影響區(qū)域；應(yīng)該在零件剛度好的方向上施加夾緊力，夾緊力應(yīng)垂直作用于定位面，并作用于剛度好的框壁表面上，盡可能采用夾具與支撐成對(duì)稱且較為均勻的方案。

5 結(jié)束語(yǔ)

在ZL104鑄造鋁合金薄壁空腔結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)動(dòng)箱加工過(guò)程中，針對(duì)腰形槽超差原因進(jìn)行分析，通過(guò)對(duì)工藝路線、加工順序、走刀路徑、切削參數(shù)、加工程序和裝夾方案的整合優(yōu)化，解決了轉(zhuǎn)動(dòng)箱腰形槽加工過(guò)程中的變形和位置度超差問(wèn)題，成形合格率由80%上升至98%，加工質(zhì)量得到明顯改善，達(dá)到了設(shè)計(jì)要求。

專家點(diǎn)評(píng)

文章結(jié)構(gòu)合理，層次分明，條理清晰，論證充分。原因分析簡(jiǎn)潔明了，改進(jìn)措施精確到位。亮點(diǎn)是薄壁空腔零件的銑削加工路徑和變形控制方法，同時(shí)解決了腔體變形和腰形槽形位超差難題，為類似鑄造鋁合金薄壁空腔零件的加工提供了經(jīng)驗(yàn)。