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动叶可调风机轮毂轴孔的加工

常连起 鲁鹏学/沈阳鼓风机集团股份有限公司    

Abstract
摘要:本文对地铁、矿井、电站等领域应用的动叶可调轴流通风机轮毂零件轴孔(与轴之间采用带键过渡配合性质)的加工,提出并实施了一种新的以车床代替磨床的工艺方法。该方法解决了轮毂零件外形尺寸偏大,轴孔加工部位结构尺寸小;精度要求高并且为非连续加工表面的技术难点。为类似特殊异形工件的精确加工,提供了一个新的工艺借鉴。能使企业以低投资,制造高技术含量、高质量、高回报的产品。
关键词:机械加工;异形零件;以车代磨;轮毂轴孔
中图分类号: TH432.1     文献标志码:B
Machining of Axle Hole in Dynamic Blade Adjustable Fan Hub
Abstract: This paper has pointed out and implemented a new processing method of using lathe instead of grinder, which applied in the machining of hub’s axle hole(adopt key transition fit with shaft) of dynamic blade adjustable fan used in the applications of metro, mine and power station. The method has solved the technical difficulties, such as the outline dimension of hub part a little larger, the structure dimension in axle hole machining position small, required high accuracy and non-continuous machining surface. It has provided a new process reference for the accuracy machining of similar special shaped workpiece, which enables enterprises manufacturing high technology, high quality and high return products with low investment.
Key words: mechanical machining; special shaped workpiece; turning instead of grinding; hub axle hole
0 引言
  以往国产单或双级轴流通风机均为定子静叶固定或静叶可调。为了提高风机的性能和效率,使其具有较宽阔的工作区域,沈鼓集团从丹麦引进了动叶可调系列轴流通风机,其技术含量较高和应用前景广阔。
  该风机在制造过程中遇到了重要部件转子轮毂的轴孔加工精度和表面质量长期处于不稳定状态和零部件回用的问题。鉴于产品的重要性和市场需求,我们提出并实施了一种新的以车床代替磨床的工艺方法,使问题得以解决。
1 问题的提出
  该系列风机共有九种规格,见表1。
  表1给出了其主要特征尺寸和轴孔径、轴孔长、精度、粗糙度要求等与加工相关的信息。
  零件外形结构与加工部位尺寸见图1。

  由图1可知,工件为焊接组成的结构件,外径尺寸大并且为对称球缺形状,球缺体外表面与内壁间有若干动叶安装孔。由波状腹板把外廓对称球缺体与轴孔件组立焊接起来,而中间轴孔直径相对较小,因配合性质决定了尺寸精度、形状和位置精度要求高、粗糙度Ra值要求较小,并且轮毂与轴采用过渡配合加键联接传递功率和扭矩。由表1可以看出除QT和16Mn材料,其它材料的切削性能均不佳。此类零件的机械切削加工有一定难度。
  根据工件形状、尺寸、轴孔的加工安排立式车床加工是合适的。
  原工艺过程为:半精加工→精车前找正→精车外形和轴孔→插床加工键槽→镗床分别加工动叶安装及调整孔→粗找平衡→安装动叶及调整装置→精找动平衡→做标记拆分动叶和调整装置→总装车间。
  对内孔部位的加工,因零件外形尺寸大,立车难以靠提高切削速度达到Ra=1.6的要求;采用光刀车削又必须满足以下条件才能获得良好效果。
  a) 优良的刀具(一般为整体高速钢刀具,由操作者刃磨);
  b) 足够并且合适的切削液;
  c) 适当的切削用量;
  d) 方便的观察和必要的工艺加工参数调整。
  但轮毂轴孔中心线必须与立车工作台的中心线重合,而外径尺寸大、孔径相对小;精度要求高、孔长又比较大,这为操作者实施上述内容增加了许多困难。这些不利因素造成孔的粗糙度值介于Ra=(3.2~6.4)之间,大多数偏向于Ra=3.2。一旦孔径接近下限尺寸,操作者无法再光一刀(过渡配合的公差带很窄),只好用抛光砂轮修整。这对形位公差又产生不良影响。因而孔的表面粗糙度和形位公差均不符合图纸的要求。
  从上述工艺过程不难看出,孔精加工后转去加工键槽,破坏了孔的形状和位置精度,也必然给总装带去困难。但是为了保证孔在立车的精加工又必须先车而后插键槽。正是这些因素造成该件孔部合格率不足5%。
2 问题的分析
  过渡配合是介于过盈配合与间隙配合之间的一种配合。这种配合类型的公差带范围很窄,是加工精度中尺寸和表面质量控制的难点。
  如果尺寸精度控制不好将产生间隙或者过盈不是大就是小的情况。这都是该部件不允许发生的现象。因为轮毂是转子叶片与轴相连接的中间体。产品性能、转子质量都需要轮毂的精度来保证。
  粗糙度对配合性质有影响,对间隙配合而言,表面粗糙轮廓的峰顶磨损后,配合间隙迅速增大;对过盈配合而言,粗糙表面的波峰被挤平,就减少了实际有效过盈量,降低了零件间的连接强度。
  粗糙度还对接触刚度有影响,粗糙不光的两个表面接触,实际接触面积只是理想接触面积的一部分,这些先接触的峰顶单位面积压力增大,外力作用下,极易产生变形(弹性和塑性变形),这种接触变形是影响系统刚度的一个不可忽视的因素。
  粗糙度数值大,因微观波谷内存有间隙,零件易腐蚀;粗糙度数值小表面光滑,可以提高零件的抗腐蚀能力。
  综上所述,可以看出对于过渡配合的零件,其粗糙度对产品质量的影响是不能忽视的。尤其是这种过渡配合的轮毂,必须采取有效措施使问题彻底解决。
3 问题解决的初步设想
  根据以上分析,设想了以下几种解决问题的方案,并对各方案逐一进行了分析研究,从中优选出一个经济可行的方案。
  1) 购置一台大型立式万能磨床,零件尺寸精度和表面质量问题都可以迎刃而解,但一台这样的设备至少需人民币2 000多万元。而且国内没有成型产品可购,因为只是零件的形状特殊才产生这样一种结果。进口设备得不偿失;
  2) 购置一台中大型立式数控车床要求附加磨削装置。零件尺寸精度和表面质量问题也可以得到解决,但这样一台设备至少需人民币1 700万元。而且国内产品处于研发试制期没形成商品化产品。而进口设备也得不偿失;
  3) 利用已有数控立车配置相应工艺装备,购置电主轴(安装磨轮)。实现车、磨同台设备一次装夹完成孔的加工。目前,数控加工设备不论进口还是国产,其分辨率均为0.001mm;最小步进可达到0.005~0.01mm。而进口机床可达0.001mm;
  4) 利用已有普通立车配置相应工艺装备,购置电主轴(安装磨轮)。实现车、磨同台设备一次装夹完成孔的加工。但普通立车进给和上刀装置均由进给齿轮箱经若干次变速传给丝杠,进而拖动进给刀架运动或采用机械式刻度盘完成上刀,这都很难保证零件加工的准确性。
4 方案优选及实施
4.1 方案优选

  上述四个方案中选取了方案三。因为就轮毂零件尺寸精度和表面质量而言,数控立式车床完全可以保证。数控设备的分辨率和最小步进指标都远小于零件精度要求;数控设备的进给传动机构是带有双向预紧机构的滚珠丝杠,其反向间隙不大于0.005mm;其进给驱动原件为伺服步进电机,可直接驱动滚珠丝杠减少了中间环节的传动误差,并且数控机床各基础元件均有很好的刚性,能保证设备的定位精度和重复定位精度。这些是普通机床不能相比的。
用现有数控立式车床只要不多于7万元人民币配置电主轴磨轮、变频器和自制与机床连接的工艺装备即可完成工艺装备的全部配置。与购置新设备相比至少可节约千万元的投资。
4.2 方案实施的准备
  1) 首先选定最大回转直径不小于2 300mm的数控立车作为实施以车代磨的基础设备。
  2) 购置用于安装磨轮的电主轴(选用洛阳轴承研究所制造的DZ24W型电主轴。
  3) 由轴研所配套选择的UFDO55a43B型变频调速器。
  4) 自制连接体一套。
  5) 电磨头内冷却系统一套。(一个扬程5m的电动水泵;30L容积的水箱,进出水管共计20m)
  上述4.2.1~4.2.5项总价不超过7万元人民币。
4.3 方案实施的过程
4.3.1 电主轴技术参数及示意图,见图2。
  径向跳动:0.003mm
  轴窜:0.002mm
  功率:1.7~4.5kW
  最高转速:10 000r/min

  D=130mm d=80mm L=150mm l=320mm
  调速变频器:UFDO55a4圸抔篲粝赓灝E圸抔篲粝赓  磨料为白刚玉60号粒度平砂轮;牌号 P100X20X20
4.3.3 零件选择
  表1中规格:SΦ=1 120mm 材料:A3
  孔径:Φ128H6+0.025 0
  孔长:180mm
     磨削余量:0.10~0.16mm(单边余量)
4.3.4 磨削工艺参数
  砂轮线速度:20~27m/s(采用干磨削方式)
  每次磨削深度:0.005~0.02mm
  工件转速:10r/min(即立车工作台转速)
  工件每转砂轮进给:4~6mm
4.3.5 加工效果
  磨削后实际尺寸:Φ128.01
  形位公差:孔的不柱度、不圆柱度,用百分表测得,其值几乎为零。
  孔的轴线与基准端面垂直度:两个表面一次装夹完成,其值几乎为零。
  粗糙度:轴孔表面轮廓的平均算术偏差值(Ra): 0.4≤Ra<0.8
  由4.3.5加工效果不难可以看出:其尺寸精度控制在H6的中线;粗糙度降低两个等级; 由于采用磨削几何精度提高了一个等级;最明显的效果指标表现在粗糙度由100%的回用率变为100%的优质合格率。
5 工艺过程的变化及需要注意的几个问题
5.1 工艺优化

  原工艺过程为:半精加工→精车前找正→精车外形和轴孔→插床加工键槽→镗床分别加工动叶安装及调整孔→粗找平衡→安装动叶及调整装置→精找动平衡→做标记拆分动叶和调整装置→总装车间
  现工艺过程为:半精加工→插床加工键槽→磨削前找正→磨削加工→转镗床分别加工动叶安装及调整孔→粗找平衡→安装动叶及调整装置→精找动平衡→做标记拆分动叶和调整装置→总装车间
  两种工艺过程最大的工艺变化是:前者是精车外形和轴孔后,插床加工键槽这样孔的精度被破坏,必然给装配带去麻烦。后者是半精加工后,插床进行加工键槽,因轴孔留有磨削余量插削不会对精加工产生影响;这样即避免了最终轴孔的精度被破坏,也排除了车削加工中的困难和不利因素。轴孔粗糙度由100%的回用率变为100%的优质合格率。
5.2 车床磨削特殊控制因素
5.2.1 及时修整砂轮,砂轮上不应沾有油污,修整砂轮直至砂轮磨削面无沙粒不匀,没有可见非砂粒物质为止。
5.2.2 如果设备具有冷却循环装置可使用磨削冷却液,这样可以增加砂轮线速度提高磨削质量。
5.2.3 没有数控设备条件,用普通立车时,要先对设备进行调整保证机床间隙达到最小值,并且滑枕对工作台的垂直度在400mm范围内,不大于0.01mm。
5.2.4 用普通立车磨削时,必须用千分表或百分表控制磨削深度以保证加工的准确性。
6 结论
  利用车床配电磨头方式进行大型盘类零件中心小孔磨削,解决了外形尺寸偏大,轴孔加工部位结构尺寸小;精度要求高并且为非连续加工表面的技术难点。为类似特殊异形工件的精确加工提出了一个新的工艺方法。这种方法可以使企业在节省大量资金的同时,制造出高技术含量、高质量、高回报的产品。
6.1 两个其它类型零件的应用实例
6.1.1 为黑化抢修日本进口压缩机高压缸端盖5处干气密封的配合部位,按日方图纸要求:所有配合部位尺寸加工到了H6级精度; 粗糙度Ra=0.7。
  该技术难题解决,为黑化解了燃眉之急。端盖修复和转子的动平衡两项为鼓风机厂直接创经济效益15万元。
6.1.2 为济南钢铁公司改造YX6-31NO.25.5D 和YX6-31NO.22D两台风机。其叶轮外径分别为2.2m和3.0m,而主轴孔径仅为135mmH7级精度,粗糙度Ra=1.6,孔壁上已有插好的键槽。 因叶轮外径与轴孔直径相比异乎寻常的大,厂内外均无相应的磨床可用,厂内数控立车工作台也难以满足要求。我们选用了3.5m普通立式车床进行磨削,解决了困扰用户多年的问题。
6.2 以上不论是动叶可调风机产品轮毂轴孔的加工,还是日本进口产品零件修复乃至济南钢铁公司改造YX6-31NO.25.5D 和YX6-31NO.22D两台风机转子,都充分证明了以车代磨工艺方法在技术上是确实可行的,经济上可以用极少投资解决高技术含量产品异型零件的加工,经济效益和社会效益均可得到广泛的认可。

               参 考 文 献

[1] 张纪真.陆瑪玲.机械制造工艺标准应用手册.机械工业出版社,1997.
[2] 加工中心的应用与维修.机械工业出版社,1992.
[3] 中国机械工业标准汇编[S].量具与量仪卷.机械振动与冲击卷.中国标准出版社,1998.
[4] 尹成湖.磨工工作手册[M].化学工业出版社,2007.
[5] 特种加工[M].机械工程师进修教材,1990.
[6] 机械加工工艺手册[M].第二卷. 机械工业出版社,1991.
[7] 机械加工新方法[M]. 机械工程师进修教材,1990.

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  评论人:荷兰网   打分:0 分  发表时间:2015-6-9 16:18:50
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  评论人:荷兰网   打分:0 分  发表时间:2015-6-8 16:00:49
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  评论人:西门塔尔牛   打分:0 分  发表时间:2015-5-28 19:54:21
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  评论人:肉牛   打分:0 分  发表时间:2015-4-25 14:11:31
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  评论人:cheapjordanshoe   打分:0 分  发表时间:2013-6-26 22:26:15
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