基于CAD/CAM的國產化智能采煤機關鍵制造工藝應用研究

商開振，劉 霞，李 洋，邵世權，張 鋒

（菏澤技師學院，山東 菏澤 274026）

1 引言

近年來，隨著我國5G通信技術日趨成熟，物聯網、混合云技術等不斷融入傳統煤機制造行業，有力推動了我國采煤機研發制造向智能化的轉型發展。不斷發展的煤炭工業在保障安全生產、提升開采效率和改善工作環境等方面對傳統煤機制造行業提出了更高要求，以少人、無人為特點的智能煤礦成為新的發展趨勢。由于國外智能采煤機價格昂貴，故障排查、處理困難，配件昂貴，且生產作業過程中問題較多，我國煤炭企業對國產智能采煤機的需求日益增大。

關鍵零部件的制造工藝是智能化采煤機由圖樣變成現實的基石。本文來源于某智能型電牽引采煤機研發項目，主要圍繞研發過程中關鍵零部件搖臂內齒圈的制造工藝方案進行研究，以突破采煤機智能化進程中的技術瓶頸。

2 智能采煤機制造工藝關鍵問題

傳統采煤機零部件的加工制造工藝已經日趨成熟，也給智能化采煤機提供了經驗參考，但也有新的加工難題出現。其中搖臂部件中行星輪系的內齒圈因尺寸大、壁較薄，形位公差要求較高，成為智能采煤機制造過程中的加工難題。智能采煤機搖臂行星輪系如圖1所示。

圖1 智能采煤機搖臂行星輪系

搖臂行星齒輪系是搖臂的減速機構，具有體積小、承載能力大、運行平穩的特點。由于搖臂腔體結構的智能化設計，造成行星輪系內齒圈外徑尺寸減小，為684 mm，最大壁厚為31 mm，最小壁厚為14.5 mm。智能化采煤機搖臂內齒圈如圖2所示。

圖2 智能化采煤機搖臂內齒圈

壁厚與直徑之比約1/20，屬于車削加工中較難加工的薄壁結構。由于外徑尺寸超出普通三爪卡盤的夾持范圍，該零部件只能由夾緊力較大的四爪單動卡盤夾持，這進一步加大了零部件變形風險。而為了保證行星傳動機構正常運行，避免因內齒圈圓柱度超差，造成采煤機搖臂工作時出現震動、噪聲問題，該零部件的圓柱度需要保持在0.03 mm以內。

3 搖臂內齒圈工藝方案

3.1 總體工藝方案分析

搖臂內齒圈主要包括外圓、端面、同軸孔系、開口直槽和內齒等結構。由于薄壁件易發生變形，其外圓與內孔等關鍵結構的加工應分粗加工、半精加工和精加工3個階段。為提高此材料加工性能，在粗加工后加入調質工序。內齒分為粗加工與精加工兩個階段，并將粗插工序安排在齒頂內孔車成，其余外圓內孔留余量之后。在粗插齒形后，加入時效處理以消除內在應力。開口直槽在精車與精插齒形中間。由于搖臂內齒圈是傳動零部件，在采煤機切割煤壁時需要持續承受較大沖擊與震動，因此齒部需要進行表面氮化以增強其耐磨、耐疲勞特性；其具體的工藝路線如圖3所示，其中各孔、外圓的精車加工是加工難點。

圖3 搖臂內齒圈工藝路線總圖

3.2 搖臂內齒圈重點工序工裝設計

薄壁類工件壁厚較小，剛性較差，裝夾時夾具的夾緊力難以把握，造成了此類薄壁零部件的形位公差難以保證。在夾緊力超出壁厚承受能力的情況下，零部件沿夾緊力接觸點出現變形，雖然未卸下工件前測量各部分尺寸完全符合，但夾緊力撤銷以后，零部件會在受力處發生彈性恢復，不能有效保證其最終圓柱度公差。針對內外圓結構的車削精加工工序圓柱度0.03 mm的要求，提出了與數車四爪單動卡盤配套使用的扇形可微調軟爪的解決方案。

此套夾具設計為外、內軟爪以分別配套夾持工件外圓、支撐內孔的裝夾方式，如圖4、圖5所示。均為一套4件，利用緊固螺栓固定在四爪單動卡盤卡爪上，如圖6、圖7所示。其中外軟爪用于夾持內齒圈外圓，進行車削工件內齒口；內軟爪支撐加工好的內齒口，一次裝夾車成其他外圓、內孔和臺階等結構。四爪卡盤的卡爪是單個運動，無法實現自定心，工件的找正比較困難；為了解決此問題，在此套軟爪上設置了微調螺栓，便于進行準確找正。

圖4 外軟爪

圖5 內軟爪

圖6 外軟爪夾持工件外圓

圖7 內軟抓支撐工件內齒口

此套夾具克服了四爪單動卡盤夾持薄壁件產生大尺寸變形的缺點，且具有很好的通用性。軟爪采用扇形結構，一組4個軟爪配套使用可以形成環抱結構，成倍地加大零部件的裝夾面積，減小零部件變形，較大地提高了零部件的裝夾穩定性。材料選用45鋼，相對于內齒圈硬度較低，可以保護零部件表面不被夾傷。同時，在裝夾之前可以根據不同零部件夾緊部位的結構尺寸，將軟爪配作成不同的結構；因此能適用于大多數環形薄壁工件的裝夾。

4 搖臂內齒圈裝夾狀態的受力分析

4.1 搖臂內齒圈夾緊力的計算

夾緊力的大小直接影響零部件的形狀準確度，故針對搖臂內齒圈在數控車床四爪單動卡盤上的夾緊力進行計算。明確零部件的受力狀況，便于驗證利用扇形可調節軟爪來保證零部件公差要求的有效性。在不考慮重力及其他伴生力的情況下，夾緊力主要與受材料工藝性、刀具角度等因素影響的切削力

P

的大小和方向有關。（1）單位切削力

P

的計算查《機械加工工藝手冊》，對于一般的切削條件下，單位切削力

P

的計算公式為

式中，

C

決定于被加工金屬和切削條件系數，取值2 650 N；

f

為進給量，取值0.18 mm；

k

為實際加工條件與經驗公式的條件不符時，各項因素對切削力修正系數的積，分別為被加工材料加工性能、刀具前角、主偏角、刃傾角、刀尖圓弧半徑和后刀面磨鈍標準對切削力的修正系數，計算取值1.35。將上述數據代入式（1）得

P

=5 503.85 N/mm。

（2）夾緊力的計算

車床四爪單動卡盤的夾緊力與工件加工過程中的單位切削力、慣性力、摩擦力及其他伴生力密切相關，一般先計算理論夾緊力，再乘安全系數來確定。夾緊力

W

的計算公式為

式中，

k

為安全系數，

k

＝

k

k

k

k

，其中，

k

為一般安全系數，

k

為加工性質系數，

k

為刀具鈍化系數，

k

為斷續切削系數，計算取值2.6。

P

為切削力，計算取5 503.85 N/mm。

μ

為卡爪與工件之間的摩擦系數，取值0.1。將上述數據代入式（2）得

W

=143 100 N。由于使用四爪單動卡盤裝夾時夾緊力不好控制，且考慮工件重力、慣性力及其他伴生力的作用，選取安全系數為1.25，故其實際夾緊力為178 875 N。

4.2 搖臂內齒圈夾具工作狀態的受力分析

針對四爪單動卡盤、扇形軟爪夾持外圓、支撐內孔的狀態進行變形量的對比驗證。在使用四爪單動卡盤裝夾時，搖臂內齒圈在夾緊力的作用下將會產生過大變形，其中夾持外圓時的變形量為0.066 mm，如圖8所示；支撐內孔時的變形量為0.053 mm，如圖9所示。

圖8 四爪夾持工件外圓變形

圖9 四爪支撐工件內孔變形

在使用扇形軟爪后，搖臂內齒圈的變形減少。其中夾持外圓時的最大變形量為0.005 mm，如圖10所示；支撐內孔時的變形量為0.026 mm，如圖11所示。

圖10 外爪夾持工件外圓變形

圖11 內爪支撐工件內齒口變形

由此可知扇形軟爪的應用將變形量至少減小60%，才能有效保證搖臂內齒圈的形位公差要求。

5 搖臂內齒圈關鍵工序的仿真驗證

為了驗證實際加工過程，獲得用于生產的編程數據，針對搖臂內齒圈圓柱度要求為0.03 mm的外圓、內齒口等結構的精車工序進行仿真模擬驗證。利用SolidVerify模擬及CAD圖形上的刀具路徑驗證等功能驗證刀具路線，核查是否撞刀、過切或未加工，以便修改加工參數。

5.1 毛坯形狀的設定

由工藝分析可知，粗車、半精車已對各內孔、外圓等結構留下精車余量3 mm。為了便于仿真，在不影響加工編程數據的情況下，對毛坯中粗插后的齒形、按余量加大銑成的兩面直槽等結構進行合理簡化，其形狀如圖12所示。

圖12 搖臂內齒圈毛坯圖

5.2 SolidVerify工藝路線模擬

通過對搖臂內齒圈結構特點及工藝路線的分析可知，本工序包括外軟爪夾持、內軟爪支撐兩個工步，均由數控車床進行加工。

（1）外軟爪夾持外圓車成內齒口

工件內孔以及兩端面已經由半精車工序加工完成。依據先重要表面后次要表面的工藝原則，先加工內齒口代相連接的圓角，后加工工件外圓上的倒角（按余量加大車成）。其刀具的路線仿真如圖13所示。

圖13 搖臂內齒圈內齒口加工SolidVerify驗證

（2）內軟爪支撐內齒口車成另一端

搖臂內齒圈另一端主要包括臺階孔、外圓及外圓上環形槽、相關端面、圓角、倒角等結構。如圖14所示，內軟爪支撐內齒口后，加工臺階孔及相關的端面、圓角等結構，然后加工工件外圓以及相關倒角，最后利用車槽刀切削位于外圓上的環形槽。

圖14 搖臂內齒圈其余結構加工SolidVerify驗證

5.3 刀具路線及過切/殘料驗證

兩個工步的走刀路線如圖15所示。通過刀具路線及SolidVerify模擬功能可知，本工序刀路正確，不會發生撞刀、干涉等現象。

圖15 搖臂內齒圈各工步刀具路線驗證

搖臂內齒圈過切/殘料驗證結果如圖16所示。可知各同軸孔及相應的端面、密封槽都加工完成。圖中紅色部分殘料為由于毛坯設置時簡化的內齒與兩面直槽，其中內齒精車前已粗插，精車后仍有精插工序；兩面直槽已經在精車工序前加工完畢。其余各面的形狀與尺寸都與設定好的加工形狀吻合，最終加工形狀符合預期。

圖16 搖臂內齒圈過切/殘料驗證

6 搖臂內齒圈的生產加工及使用

在前期工作提供的各項工藝資料的支持下，此零部件通過使用數控車、Y58插齒機等數控設備，順利完成了零部件的加工并進行了裝配。通過使用扇形可調節軟爪裝夾在數控車床上使搖臂內齒圈圓柱度的要求得到了保證，經三坐標測量儀檢測，改進后的搖臂內齒圈圓柱度為0.024 mm，滿足設計要求。該智能化采煤機經過三機配套聯合調試，運行狀況良好，搖臂未出現異常噪聲。

7 結束語

本研究通過對工件夾緊力與工藝路線的分析，得到了一套合理的大直徑薄壁件夾持方案，并進一步對搖臂內齒圈進行了加工過程的仿真與驗證。通過對零部件各部分結構的刀具路線、加工過程的走刀情況、加工后有無過切或殘料情況的驗證，有效確保了本套搖臂內齒圈裝夾工裝以及加工工藝方案的正確性，為實際生產提供了技術數據，保障了智能化采煤機由設計方案向現實產品的轉化，為國家煤機智能化事業中薄壁類疑難零部件的加工提供了經驗參考。