基于TRIZ理論的大直徑長距離同軸心孔系加工裝備設計

劉浩東，李靜宇，張杰義，孫宇航

河南衛華重型機械股份有限公司 河南長垣 453400

劉浩東

1 序言

近年來隨著我國制造業升級步伐的不斷加快，各生產企業對高效率及高效益的執著追求，整體起運吊裝現象越來越普遍，這就要求吊裝用起重機的起升質量、作業幅度和起升高度越來越大，大型起重機的使用需求不斷增加[1]。在大型起重機中，大噸位冶金橋式起重機作為金屬冶煉、軋制與熱加工等施工領域中重要的作業設備，其需求數量也隨著我國鋼鐵行業的發展不斷增長，其研發和制造越來越受到起重機生產企業的重視[2]。

橋架是大噸位橋式冶金起重機中的重要部件，其臺車連接孔及端面的加工又是橋架制作流程中最重要的一環。加工連接孔時，橋架吊運及校正困難，且機床移動安裝校準時間耗時太長，傳統加工方法是通過制造一根專門的鏜桿使鏜頭與鏜床連接，增加鏜刀伸長距離，從而完成鏜孔加工。但由于橋架連接孔間的間距較大，所以為保證強度及剛度，加工時所需要的鏜桿需加粗加長?？墒晴M桿使用次數較低，造成材料的嚴重浪費。此外，鏜桿加工難度較大，加工成本高，制作效率較低，占用設備時間長，影響公司的生產計劃。因此開發專門的工藝裝備以降低成本和提高生產效率成為亟需解決的問題。

在對連接孔間距為4500mm、孔徑450mm的橋架整體加工時，由于傳統加工方法加工成本高，材料浪費嚴重，加工效率低，與國家提倡的“綠色制造”發展模式不符[3]，因此為了解決此類加工難題，優化加工工藝，減少材料浪費，降低生產成本，提高加工效率，我們結合公司實際情況，設計制造了一套加工大直徑、長距離孔系的加工裝備，以完成此種規格的起重機橋架臺車連接孔及端面的加工。

2 設計方案

2.1 問題分析

TRIZ理論是發明問題的解決理論，其為人們創造性地發現問題和解決問題提供了系統的理論和方法工具。在設計工藝裝備時，不同的發明創造往往遵循同樣的設計規律，因此通過使用TRIZ理論中的40條發明創造原理及其統一規則，并結合生產實際情況，可快速確定工藝裝備設計時的核心問題，找出其中的物理沖突及技術沖突并加以解決[4]，沖突解決模式流程如圖1所示。

圖1 沖突解決模式流程

加工孔時，加工所產生的彎矩可能會超過機床鏜桿自身的強度，使鏜桿端部彎曲，造成整根鏜桿報廢。為減少材料浪費，通過使用分割原則，將鏜桿分割為錐柄、端部鏜桿、鏜桿中間節和尾部鏜桿4部分，增加鏜桿的分割程度，使鏜桿成為可拆卸的，當某節鏜桿發生彎曲時，只需更換這節鏜桿，就可完成設備維修。同時通過這種方式，鏜桿的直徑由原來的200mm減少到90mm左右，極大地減少了材料浪費。

根據力學分析，由于重力作用，鏜桿中心線與水平方向存在一定夾角，所以鏜桿越長，向下的作用力越大，夾角越大。主軸旋轉時產生的向心力會與鏜桿自身重力一起作用，增大夾角，變相增加鏜孔尺寸，造成工件報廢[5]。為避免此類現象發生，利用反重力原則和“預先放枕頭”原則，設計工裝時在鏜桿上增加一個支撐機構，為鏜桿提供支持力，抵消重力作用，同時限制鏜桿的自由度，降低鏜桿旋轉時的抖動，減小加工時鏜桿中心線與水平方向的夾角[6]。

傳統鏜削工序的精髓在于通過手動敲擊來調整刀具的進給量，工件的鏜削精度完全取決于操作人員的技術水平和操作熟練程度，不利于標準化生產，同時傳統鏜孔方法繁瑣、勞動強度大、加工效率低，故而為降低勞動強度，提高鏜削精度，基于多功能原則，結合生產實際，決定設計一個轉換機構[7]，將主軸旋轉產生的力分為兩部分，一部分帶動刀具做回轉運動，另一部分通過轉換機構推動刀具徑向進給，實現一個物體的多功能作用。

2.2 結構設計

該孔系加工裝備主要由鏜桿保持架、聯接裝置、分段式鏜桿及鏜頭4部分組成，通過各部件的相互協作，可完成臺車連接孔間距為4500mm、孔徑450mm的橋架的加工，其主要結構如圖2所示。

圖2 孔系加工設備結構

鏜桿保持架、聯接裝置和分段式鏜桿是整個裝備中動力的傳遞機構，其中鏜桿保持架包括軸承、調整架等部件，主要作用是限制鏜桿自由度，為鏜桿提供支持力，抵消鏜桿的重力作用，確保鏜桿與主軸的同軸度，降低加工過程中鏜桿的彎曲程度。分段鏜桿主要由錐柄、端部鏜桿、鏜桿中間節（每節長度為1000mm）及尾部鏜桿4部分組成，為便于拆卸，使用聯接套將兩節相鄰鏜桿通過螺紋聯接起來，確保聯接緊固。聯接裝置主要部件為萬向聯軸器，確保錐柄與端部鏜桿聯接方式為柔性聯接，分散鏜桿端部部分力的作用，減小鏜桿所受的彎矩，確保鏜桿不發生彎曲。

本孔系加工裝備作為鏜銑類機床的輔助加工設備，主要完成鏜孔、銑端面和鏜環形槽、階梯孔等多種加工工藝。使用時，依據工件實際情況，將端部鏜桿、適當節數的鏜桿中間節及尾部鏜桿相互聯接，并在鏜桿上安裝適量鏜桿保持架。校平校直工件后，安裝錐柄及鏜頭，根據待加工孔孔徑，調節鏜床保持架中調整架，確保主軸軸線、鏜桿軸線及待加工孔軸線重合；調節鏜頭刀架滑塊上刀柄的伸縮長度至合適位置，通過撥銷設置進給速度，固定手柄后開始加工工件。

2.3 裝備特點

（1）操作簡便 原有的鏜桿長度超過4m，直徑超過200mm，每次使用時鏜桿都需要使用起重機進行長時間的校平，而此孔系加工裝備中將1根鏜桿分為4部分，每節鏜桿長度1m左右，直徑為100mm左右，鏜桿總自重降低到原來的1/4左右，同時相鄰部分之間采用可拆卸的柔性連接，極大降低了鏜桿校平的難度，縮短加工準備時間，減輕操作人員的勞動強度。

（2）加工精度高 鏜頭采用自動化進給機構，將主軸旋轉運動裝換為兩部分，一部分帶動刀具做回轉運動，另一部分推動刀具以一個相對固定的速率做橫向進給運動，減少了傳統敲刀法因操作人員水平不同所帶來的工件加工質量不一致的問題，降低了加工過程中振刀次數，避免了接刀痕的產生，提高加工效率及加工面精度。

（3）使用范圍較廣 該設備可通過調整刀具在鏜頭滑塊上的安裝位置、鏜桿上鏜桿中間節的連接數量及鏜桿支撐架安裝數量，滿足長度在1000～6000mm、孔徑或孔加強圈直徑在450mm以內的工件的加工。

3 經濟效益分析

通過對工藝優化前后對比分析（見表1），可發現：與優化前相比，優化后橋架加工前的準備時間縮短1/3左右，加工時間縮短約1/5；此外鏜桿質量減少為原來的1/4左右，鏜桿報廢率減少為原來的1/3左右，鏜桿制作效率提高200%左右。該工裝的使用降低了操作人員的勞動強度，提高了車間自動化程度，提高了工件的加工精度，縮短了產品生產制作周期，同時降低了材料浪費，提高了材料利用率。

表1 工藝優化前后對比

在大直徑長距離孔系加工裝備投入生產后，每年可節約成本20萬元，加工效率提高20%，生產轉運時間減少，工藝流程更加合理，工序間銜接更加緊密，各工位相互配合，橋架加工質量得到顯著提高。此裝備投入使用，減少了加工過程中橋架的吊運次數，降低了操作人員的勞動強度，避免了轉運橋架時所帶來的安全隱患，提高了橋架制造的安全系數。

4 結束語

隨著制造業的發展，起重機的應用越來越多，加工問題越來越受到人們的重視。針對冶金起重機橋架連接孔間距在4500mm、孔徑450mm的橋架整體加工問題，本文介紹了一種大直徑、長距離孔系加工裝備，該裝置設計結構嚴謹，使用經濟，操作簡單方便，加工面平整光滑，加工效率高，很好地解決了橋架加工過程中鏜桿彎曲問題；同時通過調節鏜桿中間節數量，可用于多種規格橋架加工。此加工裝備中TRIZ理論的40條發明創造原理的合理應用，降低了工藝裝備的設計難度，為后續相似問題的解決提供了經驗。