扇形件加工工藝優化及效率提升

茹磊磊，蘇 斌，劉 昊，王 銳，郭 亮，李 韜，閆旺星，肖俊宇，李鵬飛

（智奇鐵路設備有限公司，山西 太原 030000）

0 引言

扇形件是一種應用于軌道交通制動系統的關鍵零部件之一，其表面通過安裝摩擦副實現列車制動，因此，扇形件的質量好壞直接影響軌道車的安全運行。另外，扇形件為短周期易耗件，列車每運行一段時間需進行整體更換，因此扇形件具有生產批量大、交付周期短等特點。

扇形件由于受到安裝空間限制，所以，產品結構合理且輕量化，這大增加了扇形件加工的難度。現有加工工藝難以滿足扇形件加工質量，同時扇形件生產批量大，必須探索更好的加工工藝，降低加工成本、提高生產效率。本研究提出一種高效、合理的扇形件加工工藝。

1 產品要求

扇形件采用模鍛方式成型，材料為高強度合金鋼，最終熱處理為調質處理，調質后硬度為35HRC～40HRC。扇形件整體外形呈約1/4 ～1/3 的圓弧狀（圖1），零件中部尺寸a較小（a= 12 mm），加工過程中若工藝路線安排不當，極易導致零件變形。扇形件在加工至成品后，平面B通過一系列均布孔與上一級組件進行連接，為保證上一級組件裝配高度一致，B平面的平面度要求控制在0.05 mm 以內；平面A連同B平面上的組件一起固定在主件上，為保證其連接的可靠性，平面A相對B平面的平行度要求控制在0.05 mm 以內。

圖1 扇形件結構圖

扇形件在小批量試制過程中，按照粗銑-熱處理-半精銑-精銑-鉆孔-鏜孔-磨削的工藝路線進行加工；約40%的扇形件加工至成品后，B面平面度和A面平行度出現超差，導致扇形件與上一級組件無法進行正常裝配。

通過現場工藝分析，由于原加工工藝設計不合理，同時刀具選型不能適應加工要求，導致產品合格率不高、生產效率低、加工成本高等問題。通過對扇形件原加工工藝合理性進行分析，針對存在的問題制定具體的工藝改進措施，從而達到提高產品質量、加工效率及降低產品生產成本的目的。

2 工藝性分析與改進

2.1 原加工工藝存在的問題

根據扇形件結構特點，扇形件小批量試制按照粗銑-熱處理-半精銑-精銑-鉆孔-鏜孔-磨削的工藝路線進行加工。通過分析，原加工工藝主要存在以下問題：

（1）扇形件在立式加工中心精銑并經磨削成型后，B面平面度和A面平行度超差，導致零部件與上一級組件無法正常裝配。

（2）采用銑削加工方式生產效率低、輔助加工耗時過長，是整個扇形件生產工藝中的瓶頸工序，嚴重影響產品生產流轉，無法滿足批量生產需求。

（3）扇形件粗銑、半精銑及精銑均采用T 型成型銑刀進行加工；通過對小批量試制過程中刀具使用情況及磨損情況統計分析發現：刀具切削刃崩刃嚴重，每把T 型刀只能完成3～4 片扇形件加工，需要經常停機更換刀具，加工成本高。

2.2 問題分析

針對扇形件原加工工藝存在的問題，從扇形件工藝路線、各加工工序、產品結構、產品力學性能屬性等，分析產生問題的原因，主要有以下幾個方面：

（1）銑削加工過程中，B 面銑削量小且均勻，而A面銑削量較大且不均勻；扇形件精加工后會產生應力釋放，兩平面由于伸縮量不一致將產生變形，導致B面平面度和A 面平行度超差；在加工平面B 的一些列均布孔時，由于以上變形，會出現均布孔位置度超差現象。

（2）扇形件加工過程涉及多道工序流轉，其中銑削加工工序需要預先加工工藝孔，且需要進行重復多次裝夾找正。每次裝夾只能完成單件生產，嚴重影響產品的產能。

（3）扇形件材料為高硬度合金鋼且經調質處理，T型刀接觸材料所受的抗力較大，更容易使刀片產生崩刃現象；在銑削過程中，前道加工使得刀尖圓弧半徑變小，后刀面磨損相當于負倒棱，刀片再次切入時，工件對刀具的力變小，刀具的磨損使得刀具斷屑棱寬度變小，切削刃的強度下降，所以在后續的加工中，增加銑刀崩刃的可能性[1]；故采用T 型刀銑削的過程中，刀具由于崩刃需要多次停機更換，增加了扇形件的加工成本。

2.3 改進方案

通過以上分析可以看出，如何在保證扇形件加工質量的前提下，提高生產效率、降低加工成本是工藝改進的核心內容。因此，本研究根據扇形件結構特點、精度要求、工藝布局制定了如下改進措施：

（1）采用反變形法抑制扇形件加工變形，扇形件在半精銑后，采用液壓千斤頂在變形方向施加反作用力，使B 平面產生不小于0.1 mm 的位移并保壓10 min直至產生塑性變形；矯形完成后，采用低溫回火直至應力完全釋放，再進行扇形件的精加工。

（2）針對扇形件加工效率低，無法滿足產能需求的問題，本研究通過對扇形件的結構特點進行分析，在扇形件粗加工后增加如圖2 所示工藝孔，將3～4 片扇形件以圓周分布的形式固定在如圖3 所示工裝夾具上，采用車削方式代替銑削方式同時對多片扇形件進行加工。

圖2 扇形件粗加工工藝基準

圖3 扇形件車削加工方式

（3）T 型槽銑刀價格一般為400 ～500 元，而一把銑刀在加工3 ～4 片扇形件后就出現不同程度的崩刃現象；而采用普通車刀，一次加工就可以完成3 ～4片扇形件加工，每把車刀只需30 元左右，而且車刀強度較高，能夠在多次使用下保證車削加工精度。

3 加工工藝路線優化

通過對扇形件進行工藝分析，對原加工工藝路線進行如下調整：

（1）在劃線平臺上，以扇形件鍛造面為基準，確定X、Y、Z方向基準面及加工余量。

（2）根據劃線平臺上確定的X、Y、Z方向基準，在立式加工中心進行裝夾并找正A背面，要求跳動量≤0.1 mm，采用T 型銑刀粗銑平面B。

（3）粗銑完成后將扇形件翻轉并按圖4 所示采用壓板固定，百分表找正已加工面，要求跳動量不大于0.05mm。

圖4 扇形件粗加工定位方式

（4）在立式加工中心加工如圖2 所示工藝孔，作為后道工序定位基準；半精銑B面，要求單邊余量不小于2 mm。

（5）以工序4 加工的工藝孔為定位基準，將3～4片扇形件圓周分布并固定在如圖3 所示工裝上，產品加工前采用百分表測量圓周分布的定位銷沿徑向的跳動量，要求≤0.02 mm；確認合格后，采用壓板夾緊所有扇形件并進行車削加工。

（6）采用液壓千斤頂在變形方向施加反作用力，使B 平面產生不小于0.1 mm 的位移并保壓10 min直至產生塑性變形；矯形完成后，采用低溫回火直至應力完全釋放后。

（7）采用工序5 相同的方法，將扇形件加工至精加工尺寸要求。

（8）將扇形件B平面朝上固定至數控加工中心，懸臂部分采用等高塊進行支撐，確保加工過程中不產生變形及振刀；裝夾固定后，按照鉆孔→粗鏜→精鏜工藝路線加工扇形件表面的均布孔，加工后應確保B表面預先加工的所有工藝孔全部去除。

（9）將扇形件B平面朝上固定至平面磨床，懸臂部分采用等高塊進行支撐，確保加工過程中不產生變形及振刀；裝夾固定后，將平面B磨削至成品尺寸，完成整個扇形件的加工。

4 改善效果對比

采用改進后的加工工藝連續生產100 件后，與原加工工藝進行對比（表1），可以看出：

表1 改善效果統計表

（1）產品的合格率顯著提升，由原來的不到60%提高至96.7%。

（2）生產效率由原來的2.5 件/h 提高到了4 件/h，生產效率顯著提高。

（3）生產成本較原加工工藝降低了26.2%。

因而工藝改善效果明顯，可以采用該加工方法進行批量生產。

5 結語

通過對原加工工藝進行優化，并設計適合生產需要的工裝夾具，提升了產品的合格率，滿足了零部件裝配的需求。由車削加工代替銑削加工，提高了扇形件的生產效率，在滿足產品的產能需求的同時，降低了單個扇形件的生產成本。此次工藝改進為同類產品的生產提供了參考，具有極高的推廣價值。