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焊接殼體組成內(nèi)孔加工變形分析及工藝改進(jìn)

發(fā)布日期:2022-05-30 12:47:47  點(diǎn)擊次數(shù):2684

鑒于焊接殼體組成內(nèi)孔車削中出現(xiàn)的批量尺寸超差問(wèn)題,對(duì)加工過(guò)程中的焊接應(yīng)力時(shí)效和工藝方法不當(dāng)?shù)扔绊懸蛩剡M(jìn)行全面分析,通過(guò)對(duì)多種規(guī)格的焊接殼體組成采用不同的工藝改進(jìn)措施,找出造成內(nèi)孔超差的主要原因,解決了加工后變形的慣性質(zhì)量問(wèn)題。


1  序言


圖1所示焊接殼體組成(以下簡(jiǎn)稱殼體組成)是鉤緩裝置緩沖系統(tǒng)的重要部件之一。其內(nèi)孔車削加工完成后,受結(jié)構(gòu)焊接應(yīng)力時(shí)效釋放和加工工藝性等因素影響,出現(xiàn)了較大的內(nèi)孔變形,導(dǎo)致尺寸超差的慣性質(zhì)量問(wèn)題。經(jīng)過(guò)對(duì)各型號(hào)殼體組成的內(nèi)孔變形原因的分析[1],采用不同的工藝改進(jìn)措施進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證,基本查明了內(nèi)孔產(chǎn)生變形的主要原因。


通過(guò)改進(jìn)殼體組成加工工藝過(guò)程,完善加工操作細(xì)節(jié),最終解決了加工后變形造成尺寸超差的慣性質(zhì)量問(wèn)題。


圖1 焊接殼體組成


2  殼體組成結(jié)構(gòu)


公司已有30余種不同型號(hào)的殼體組成,每年生產(chǎn)數(shù)量達(dá)4000多件。殼體組成主要由拉環(huán)(見圖2)和殼體(見圖3)兩大零件經(jīng)焊接組成。殼體外圓分布許多焊接金屬子件,整體結(jié)構(gòu)屬于薄壁深孔類工件[2]。


圖2 拉環(huán)


圖3 殼體


3  原加工工藝分析


3.1 原加工工藝


殼體組成原加工工藝為:焊接→探傷→精車外圓工藝面→粗車內(nèi)孔→放置72h釋放應(yīng)力→精車內(nèi)孔各尺寸和內(nèi)螺紋→銑、鏜等加工殼體外形孔和槽。


3.2 存在的問(wèn)題


圖4為T997殼體組成結(jié)構(gòu)尺寸。對(duì)按原工藝加工的7個(gè)零件(用于裝配1列高鐵)進(jìn)行尺寸測(cè)量,結(jié)果見表1。


從表1中的測(cè)量結(jié)果看,凡外圓尺寸偏差大者,對(duì)應(yīng)的內(nèi)孔尺寸偏差也大,特別是尺寸偏差超過(guò)0.1mm的3個(gè)內(nèi)孔超差的零件,均存在這個(gè)規(guī)律。


殼體內(nèi)孔尺寸設(shè)計(jì)公差帶為0.1mm,加工完成后內(nèi)孔尺寸偏差均在0.07~0.33mm,超差現(xiàn)象明顯,且數(shù)量占比近半,可以定性為慣性質(zhì)量問(wèn)題。


圖4 T997殼體組成結(jié)構(gòu)尺寸


表1 T997殼體組成尺寸測(cè)量結(jié)果

(單位:mm)


3.3 超差對(duì)產(chǎn)品的影響


殼體內(nèi)孔超差后,會(huì)造成裝配間隙超標(biāo),引發(fā)內(nèi)部零件定位失效,從而導(dǎo)致裝配不合格。經(jīng)調(diào)查,因組裝間隙不合格而返修的部件占比20%,造成大量工時(shí)浪費(fèi)。此外, 殼體組成孔口端為M205×3-6H內(nèi)螺紋,車削螺紋前內(nèi)徑變形大會(huì)造成與端螺母裝配后,因間隙過(guò)大導(dǎo)致螺母有脫出的風(fēng)險(xiǎn),是生產(chǎn)工藝中嚴(yán)格控制的關(guān)鍵項(xiàng)點(diǎn)。由于殼體組成內(nèi)孔超差后無(wú)法通過(guò)重新加工來(lái)修復(fù),所以選配大直徑螺母作為解決措施,會(huì)導(dǎo)致產(chǎn)品失去互換性,勢(shì)必給日后檢修造成不便。如裝配時(shí)出現(xiàn)漏檢,大的螺紋內(nèi)徑與小的螺紋配合會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重的間隙超標(biāo),車鉤長(zhǎng)時(shí)間交互縱向受力后易形成螺紋預(yù)緊力失效,給鉤緩裝置的長(zhǎng)期安全運(yùn)用埋下了隱患。因此,殼體組成內(nèi)孔加工變形問(wèn)題涉及行車安全,應(yīng)及時(shí)解決。


3.4 變形原因分析


根據(jù)對(duì)殼體組成加工全過(guò)程進(jìn)行跟蹤分析,找出造成殼體組成加工內(nèi)孔超差的兩個(gè)主要原因如下。


1)殼體組成焊接后存在焊接應(yīng)力[3],加工去除部分表面材料后,應(yīng)力得到初步釋放;從加工工裝上取下工件后,再次形成時(shí)效變形,進(jìn)一步加大了加工公差。


2)殼體外圓分布非對(duì)稱接線端子及托臺(tái),易造成類似橢圓的大、小徑現(xiàn)象。


4  改進(jìn)措施


根據(jù)尺寸超差系焊接應(yīng)力造成的這個(gè)原因,有針對(duì)性地進(jìn)行工藝改進(jìn),提出兩種改進(jìn)方案。


4.1 改進(jìn)方案A


針對(duì)焊接應(yīng)力導(dǎo)致變形這一原因,增加去應(yīng)力退火工藝[4],以有效消除焊接應(yīng)力。對(duì)一組T997殼體組成在臥式車床上加工內(nèi)孔后,加溫至300℃,保溫12h,充分冷卻后再分別精加工外圓和內(nèi)孔。去應(yīng)力退火后T997殼體組成尺寸測(cè)量結(jié)果見表2。


表2 去應(yīng)力退火后T997殼體組成尺寸測(cè)量結(jié)果

(單位:mm)


4.2 改進(jìn)方案B


針對(duì)加工工藝設(shè)計(jì)不合理的問(wèn)題,進(jìn)行加工工藝改進(jìn),把臥式車床原車削外圓再加工內(nèi)孔的連續(xù)加工,改為先粗車內(nèi)孔,然后從夾具中取下,放置24h以便充分釋放內(nèi)應(yīng)力后,再精加工外圓。工藝改進(jìn)后T997殼體組成尺寸測(cè)量結(jié)果見表3。


表3 工藝改進(jìn)后T997殼體組成尺寸測(cè)量結(jié)果

(單位:mm)


4.3 兩種改進(jìn)方案對(duì)比


由表2、表3兩組精加工后尺寸公差數(shù)據(jù)可發(fā)現(xiàn)如下特點(diǎn)。


1)表2中外圓加工公差控制在0.03mm以內(nèi),表3中外圓加工公差控制0.10mm以內(nèi)。


2)表2中內(nèi)孔加工公差控制在0.05mm以內(nèi),比表1中的數(shù)據(jù)縮小一半,內(nèi)孔變形控制效果明顯。表3中內(nèi)孔加工公差控制在0.09mm以內(nèi),說(shuō)明內(nèi)孔變形得到有效控制。


數(shù)據(jù)對(duì)比再次說(shuō)明,外圓工藝面的加工精度對(duì)內(nèi)孔加工精度有很大的影響。外圓加工精度高,內(nèi)孔尺寸變形量就小。主要原因是數(shù)控車床精加工內(nèi)孔是以外圓工藝面支撐中心架作為定位,如果外圓變形大,加上殼體為深孔薄壁結(jié)構(gòu),就很容易引起工件跳動(dòng),出現(xiàn)內(nèi)孔加工變形量大的問(wèn)題。


3)比較兩種改進(jìn)方案的優(yōu)劣,雖然方案A改善效果更好一些,但是殼體組成數(shù)量多,工件尺寸大,增加熱處理過(guò)程后工件周轉(zhuǎn)頻繁,影響生產(chǎn)效率,成本增加較明顯。方案B雖然加工精度比方案A略低,但也能達(dá)到技術(shù)要求,后續(xù)還可通過(guò)繼續(xù)細(xì)化工藝和規(guī)范操作細(xì)節(jié),不斷提高加工精度。綜合考慮,選擇方案B作為控制殼體組成內(nèi)孔加工變形的改進(jìn)措施。


5  改進(jìn)后的加工工藝


根據(jù)前述研究結(jié)論,對(duì)T997殼體組成按改進(jìn)方案B加大了試生產(chǎn)批量,經(jīng)過(guò)多批次的加工工藝驗(yàn)證,進(jìn)一步實(shí)施工藝細(xì)化步驟,逐步完善加工工藝,最終內(nèi)孔加工尺寸偏差可穩(wěn)定地控制在0.08mm以內(nèi),大大降低了操作人員對(duì)內(nèi)孔精度控制的難度。工藝改進(jìn)主要是將原車削外圓工序改為分成兩個(gè)工序?qū)崿F(xiàn),具體工藝步驟如下。


1)半精車內(nèi)孔。車φ201mm內(nèi)孔至尺寸φ199mm,孔口倒角1.5mm×30°,從機(jī)床上拆下工件,放置24h??卓诘菇堑哪康氖菫橄乱还ば蚓囃鈭A時(shí),尾座頂針頂在殼體孔口倒角處,保證內(nèi)孔與外圓同心。同樣,在精車內(nèi)孔時(shí),頂正殼體保證外圓回轉(zhuǎn)精度。放置24h,主要是由于內(nèi)孔加工余量大,半精車后要進(jìn)行應(yīng)力釋放,從而避免直接精車引起外圓變形大。


2)精車外圓工藝面(尺寸≥220mm),保證圓度公差在0.05mm以內(nèi)。主要是為精加工內(nèi)孔工序保證中心架的回轉(zhuǎn)精度。


6  細(xì)化作業(yè)規(guī)范


采用新工藝生產(chǎn)一段時(shí)間后,仍有個(gè)別超差零件出現(xiàn)。通過(guò)分析,發(fā)現(xiàn)屬操作環(huán)節(jié)暴露出的問(wèn)題。為規(guī)范操作,更好地保證加工質(zhì)量,特細(xì)化作業(yè)規(guī)范,強(qiáng)調(diào)如下幾點(diǎn)。


1)尾座頂針頂緊殼體孔口倒角處,精車外圓后,在精車內(nèi)孔工序發(fā)現(xiàn)內(nèi)孔與外圓不同軸現(xiàn)象,經(jīng)檢查,發(fā)現(xiàn)是由臥式車床尾座軸線與主軸不同軸造成的,及時(shí)調(diào)整后加工質(zhì)量穩(wěn)定??梢姡瑱C(jī)床尾座定位精度差對(duì)加工精度有一定的影響,要求今后定期校正尾座精度。


2)修打拉環(huán)中心孔。拉環(huán)原中心孔是在其他工序完成的,通過(guò)焊接機(jī)器人裝夾定位焊接殼體組成(見圖5),拉環(huán)中心與殼體中心有不同軸的現(xiàn)象。還有個(gè)別中心孔加工質(zhì)量差,造成工件跳動(dòng),都影響加工精度。通過(guò)重新修打拉環(huán)中心孔,保證精車外圓和內(nèi)孔兩工序加工回轉(zhuǎn)精度一致;同時(shí)對(duì)一些殼體組成沒(méi)有修打拉環(huán)中心孔工序的,要求增加修打拉環(huán)中心孔工序。


圖5 通過(guò)焊接機(jī)器人裝夾定位焊接殼體組成


3)精車內(nèi)孔工序要求用百分表檢測(cè)外圓工藝面跳動(dòng)。目的是確保殼體組成上中心架處外圓回轉(zhuǎn)精度,將導(dǎo)致變形的因素的影響降到最低程度。


7  工藝總結(jié)與推廣應(yīng)用


經(jīng)過(guò)對(duì)殼體組成超差問(wèn)題的原因分析,在找出焊接應(yīng)力是根本原因的基礎(chǔ)上,有針對(duì)性地進(jìn)行了兩種方案的工藝改進(jìn),均取得了圓滿成功。在綜合考慮成本和效率的基礎(chǔ)上,以方案B為基礎(chǔ)進(jìn)行了多批次小批量試生產(chǎn)取得成功后,又針對(duì)加工中出現(xiàn)的個(gè)別現(xiàn)象細(xì)化了作業(yè)規(guī)范,使加工工藝最終得以全面完善。目前,T997殼體組成內(nèi)孔加工變形量基本控制在0.05mm以內(nèi),比改進(jìn)前實(shí)際加工公差縮小50%以上,獲得了較好的工藝改進(jìn)效果。


此外,運(yùn)用新工藝對(duì)多種型號(hào)殼體組成進(jìn)一步實(shí)施加工驗(yàn)證。由于每一種殼體組成的尺寸結(jié)構(gòu)、加工余量和焊接子件位置結(jié)構(gòu)不同,所以采取的工藝細(xì)化措施也應(yīng)有所側(cè)重。但修打拉環(huán)中心孔、精車外圓工藝面并嚴(yán)格控制圓度公差的工藝細(xì)節(jié)均需嚴(yán)格執(zhí)行。


自實(shí)施“解決焊接殼體組成內(nèi)孔加工變形慣性質(zhì)量問(wèn)題”攻關(guān)項(xiàng)目以來(lái),共完成30余種型號(hào)的殼體組成內(nèi)孔加工變形慣性質(zhì)量工藝改進(jìn)的驗(yàn)證,批量生產(chǎn)的加工變形量都能控制在0.02~0.08mm,達(dá)到殼體組成內(nèi)孔尺寸精度有效控制的目標(biāo),現(xiàn)已作為定型工藝應(yīng)用于批量生產(chǎn)。


8  結(jié)束語(yǔ)


質(zhì)量攻關(guān)項(xiàng)目成果不僅切實(shí)解決了焊接殼體組成內(nèi)孔加工變形慣性質(zhì)量問(wèn)題,同樣的思路用于解決其他部件加工質(zhì)量不穩(wěn)定的嘗試也已獲得初步成功。因此,該項(xiàng)目成果具有較好的推廣應(yīng)用價(jià)值,為高鐵及地鐵鉤緩產(chǎn)品運(yùn)用的安全性和低成本等,從工藝方面提供了可靠保障。

本文作者:徐偉、秦立兵、李松,僅做學(xué)習(xí)用,如有侵權(quán)請(qǐng)聯(lián)系刪除。

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