劉浩東，李靜宇，張杰義，孫宇航

河南衛(wèi)華重型機(jī)械股份有限公司 河南長(zhǎng)垣 453400

劉浩東

1 序言

近年來(lái)隨著我國(guó)制造業(yè)升級(jí)步伐的不斷加快，各生產(chǎn)企業(yè)對(duì)高效率及高效益的執(zhí)著追求，整體起運(yùn)吊裝現(xiàn)象越來(lái)越普遍，這就要求吊裝用起重機(jī)的起升質(zhì)量、作業(yè)幅度和起升高度越來(lái)越大，大型起重機(jī)的使用需求不斷增加[1]。在大型起重機(jī)中，大噸位冶金橋式起重機(jī)作為金屬冶煉、軋制與熱加工等施工領(lǐng)域中重要的作業(yè)設(shè)備，其需求數(shù)量也隨著我國(guó)鋼鐵行業(yè)的發(fā)展不斷增長(zhǎng)，其研發(fā)和制造越來(lái)越受到起重機(jī)生產(chǎn)企業(yè)的重視[2]。

橋架是大噸位橋式冶金起重機(jī)中的重要部件，其臺(tái)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(huán)。加工連接孔時(shí)，橋架吊運(yùn)及校正困難，且機(jī)床移動(dòng)安裝校準(zhǔn)時(shí)間耗時(shí)太長(zhǎng)，傳統(tǒng)加工方法是通過(guò)制造一根專門的鏜桿使鏜頭與鏜床連接，增加鏜刀伸長(zhǎng)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(qiáng)度及剛度，加工時(shí)所需要的鏜桿需加粗加長(zhǎng)。可是鏜桿使用次數(shù)較低，造成材料的嚴(yán)重浪費(fèi)。此外，鏜桿加工難度較大，加工成本高，制作效率較低，占用設(shè)備時(shí)間長(zhǎng)，影響公司的生產(chǎn)計(jì)劃。因此開發(fā)專門的工藝裝備以降低成本和提高生產(chǎn)效率成為亟需解決的問(wèn)題。

在對(duì)連接孔間距為4500mm、孔徑450mm的橋架整體加工時(shí)，由于傳統(tǒng)加工方法加工成本高，材料浪費(fèi)嚴(yán)重，加工效率低，與國(guó)家提倡的“綠色制造”發(fā)展模式不符[3]，因此為了解決此類加工難題，優(yōu)化加工工藝，減少材料浪費(fèi)，降低生產(chǎn)成本，提高加工效率，我們結(jié)合公司實(shí)際情況，設(shè)計(jì)制造了一套加工大直徑、長(zhǎng)距離孔系的加工裝備，以完成此種規(guī)格的起重機(jī)橋架臺(tái)車連接孔及端面的加工。

2 設(shè)計(jì)方案

2.1 問(wèn)題分析

TRIZ理論是發(fā)明問(wèn)題的解決理論，其為人們創(chuàng)造性地發(fā)現(xiàn)問(wèn)題和解決問(wèn)題提供了系統(tǒng)的理論和方法工具。在設(shè)計(jì)工藝裝備時(shí)，不同的發(fā)明創(chuàng)造往往遵循同樣的設(shè)計(jì)規(guī)律，因此通過(guò)使用TRIZ理論中的40條發(fā)明創(chuàng)造原理及其統(tǒng)一規(guī)則，并結(jié)合生產(chǎn)實(shí)際情況，可快速確定工藝裝備設(shè)計(jì)時(shí)的核心問(wèn)題，找出其中的物理沖突及技術(shù)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(shí)，加工所產(chǎn)生的彎矩可能會(huì)超過(guò)機(jī)床鏜桿自身的強(qiáng)度，使鏜桿端部彎曲，造成整根鏜桿報(bào)廢。為減少材料浪費(fèi)，通過(guò)使用分割原則，將鏜桿分割為錐柄、端部鏜桿、鏜桿中間節(jié)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(dāng)某節(jié)鏜桿發(fā)生彎曲時(shí)，只需更換這節(jié)鏜桿，就可完成設(shè)備維修。同時(shí)通過(guò)這種方式，鏜桿的直徑由原來(lái)的200mm減少到90mm左右，極大地減少了材料浪費(fèi)。

根據(jù)力學(xué)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(zhǎng)，向下的作用力越大，夾角越大。主軸旋轉(zhuǎn)時(shí)產(chǎn)生的向心力會(huì)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(bào)廢[5]。為避免此類現(xiàn)象發(fā)生，利用反重力原則和“預(yù)先放枕頭”原則，設(shè)計(jì)工裝時(shí)在鏜桿上增加一個(gè)支撐機(jī)構(gòu)，為鏜桿提供支持力，抵消重力作用，同時(shí)限制鏜桿的自由度，降低鏜桿旋轉(zhuǎn)時(shí)的抖動(dòng)，減小加工時(shí)鏜桿中心線與水平方向的夾角[6]。

傳統(tǒng)鏜削工序的精髓在于通過(guò)手動(dòng)敲擊來(lái)調(diào)整刀具的進(jìn)給量，工件的鏜削精度完全取決于操作人員的技術(shù)水平和操作熟練程度，不利于標(biāo)準(zhǔn)化生產(chǎn)，同時(shí)傳統(tǒng)鏜孔方法繁瑣、勞動(dòng)強(qiáng)度大、加工效率低，故而為降低勞動(dòng)強(qiáng)度，提高鏜削精度，基于多功能原則，結(jié)合生產(chǎn)實(shí)際，決定設(shè)計(jì)一個(gè)轉(zhuǎn)換機(jī)構(gòu)[7]，將主軸旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的力分為兩部分，一部分帶動(dòng)刀具做回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，另一部分通過(guò)轉(zhuǎn)換機(jī)構(gòu)推動(dòng)刀具徑向進(jìn)給，實(shí)現(xiàn)一個(gè)物體的多功能作用。

2.2 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

該孔系加工裝備主要由鏜桿保持架、聯(lián)接裝置、分段式鏜桿及鏜頭4部分組成，通過(guò)各部件的相互協(xié)作，可完成臺(tái)車連接孔間距為4500mm、孔徑450mm的橋架的加工，其主要結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 孔系加工設(shè)備結(jié)構(gòu)

鏜桿保持架、聯(lián)接裝置和分段式鏜桿是整個(gè)裝備中動(dòng)力的傳遞機(jī)構(gòu)，其中鏜桿保持架包括軸承、調(diào)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(guò)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(jié)（每節(jié)長(zhǎng)度為1000mm）及尾部鏜桿4部分組成，為便于拆卸，使用聯(lián)接套將兩節(jié)相鄰鏜桿通過(guò)螺紋聯(lián)接起來(lái)，確保聯(lián)接緊固。聯(lián)接裝置主要部件為萬(wàn)向聯(lián)軸器，確保錐柄與端部鏜桿聯(lián)接方式為柔性聯(lián)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(fā)生彎曲。

本孔系加工裝備作為鏜銑類機(jī)床的輔助加工設(shè)備，主要完成鏜孔、銑端面和鏜環(huán)形槽、階梯孔等多種加工工藝。使用時(shí)，依據(jù)工件實(shí)際情況，將端部鏜桿、適當(dāng)節(jié)數(shù)的鏜桿中間節(jié)及尾部鏜桿相互聯(lián)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(jù)待加工孔孔徑，調(diào)節(jié)鏜床保持架中調(diào)整架，確保主軸軸線、鏜桿軸線及待加工孔軸線重合；調(diào)節(jié)鏜頭刀架滑塊上刀柄的伸縮長(zhǎng)度至合適位置，通過(guò)撥銷設(shè)置進(jìn)給速度，固定手柄后開始加工工件。

2.3 裝備特點(diǎn)

（1）操作簡(jiǎn)便 原有的鏜桿長(zhǎng)度超過(guò)4m，直徑超過(guò)200mm，每次使用時(shí)鏜桿都需要使用起重機(jī)進(jìn)行長(zhǎng)時(shí)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(jié)鏜桿長(zhǎng)度1m左右，直徑為100mm左右，鏜桿總自重降低到原來(lái)的1/4左右，同時(shí)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(zhǔn)備時(shí)間，減輕操作人員的勞動(dòng)強(qiáng)度。

（2）加工精度高 鏜頭采用自動(dòng)化進(jìn)給機(jī)構(gòu)，將主軸旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)裝換為兩部分，一部分帶動(dòng)刀具做回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，另一部分推動(dòng)刀具以一個(gè)相對(duì)固定的速率做橫向進(jìn)給運(yùn)動(dòng)，減少了傳統(tǒng)敲刀法因操作人員水平不同所帶來(lái)的工件加工質(zhì)量不一致的問(wèn)題，降低了加工過(guò)程中振刀次數(shù)，避免了接刀痕的產(chǎn)生，提高加工效率及加工面精度。

（3）使用范圍較廣 該設(shè)備可通過(guò)調(diào)整刀具在鏜頭滑塊上的安裝位置、鏜桿上鏜桿中間節(jié)的連接數(shù)量及鏜桿支撐架安裝數(shù)量，滿足長(zhǎng)度在1000～6000mm、孔徑或孔加強(qiáng)圈直徑在450mm以內(nèi)的工件的加工。

3 經(jīng)濟(jì)效益分析

通過(guò)對(duì)工藝優(yōu)化前后對(duì)比分析（見(jiàn)表1），可發(fā)現(xiàn)：與優(yōu)化前相比，優(yōu)化后橋架加工前的準(zhǔn)備時(shí)間縮短1/3左右，加工時(shí)間縮短約1/5；此外鏜桿質(zhì)量減少為原來(lái)的1/4左右，鏜桿報(bào)廢率減少為原來(lái)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(dòng)強(qiáng)度，提高了車間自動(dòng)化程度，提高了工件的加工精度，縮短了產(chǎn)品生產(chǎn)制作周期，同時(shí)降低了材料浪費(fèi)，提高了材料利用率。

表1 工藝優(yōu)化前后對(duì)比

在大直徑長(zhǎng)距離孔系加工裝備投入生產(chǎn)后，每年可節(jié)約成本20萬(wàn)元，加工效率提高20%，生產(chǎn)轉(zhuǎn)運(yùn)時(shí)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(zhì)量得到顯著提高。此裝備投入使用，減少了加工過(guò)程中橋架的吊運(yùn)次數(shù)，降低了操作人員的勞動(dòng)強(qiáng)度，避免了轉(zhuǎn)運(yùn)橋架時(shí)所帶來(lái)的安全隱患，提高了橋架制造的安全系數(shù)。

4 結(jié)束語(yǔ)

隨著制造業(yè)的發(fā)展，起重機(jī)的應(yīng)用越來(lái)越多，加工問(wèn)題越來(lái)越受到人們的重視。針對(duì)冶金起重機(jī)橋架連接孔間距在4500mm、孔徑450mm的橋架整體加工問(wèn)題，本文介紹了一種大直徑、長(zhǎng)距離孔系加工裝備，該裝置設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)嚴(yán)謹(jǐn)，使用經(jīng)濟(jì)，操作簡(jiǎn)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(guò)程中鏜桿彎曲問(wèn)題；同時(shí)通過(guò)調(diào)節(jié)鏜桿中間節(jié)數(shù)量，可用于多種規(guī)格橋架加工。此加工裝備中TRIZ理論的40條發(fā)明創(chuàng)造原理的合理應(yīng)用，降低了工藝裝備的設(shè)計(jì)難度，為后續(xù)相似問(wèn)題的解決提供了經(jīng)驗(yàn)。