CN113732637B - 大直径剖分式薄壁齿圈加工方法 - Google Patents

Abstract

一种大直径剖分式薄壁齿圈加工方法，包括毛坯制作步骤，制作D字形齿圈毛坯，所述D字形齿圈毛坯包括C字形齿圈和铸造拉筋；工件半精加工步骤，在所述C字形齿圈上加工多个工艺孔，使用工艺拉筋连接至少2个所述工艺孔，去除所述D字形齿圈毛坯的铸造拉筋；工件精加工步骤，精车所述C字形齿圈内圆及一端面，钻出端面孔，在精车后的所述C字形齿圈端面侧过盈安装支撑胎具，去除工艺拉筋，在带支撑胎具的同时精车所述C字形齿圈另一端面。摆脱了工件弱刚性结构对制造过程中起吊、翻转、装卡、加工的限制，有效的控制了工件的变形，缩短了加工流程，具有工艺流程短、加工成本低、运输方便、安装快捷、质量易保证的优点。

Description

大直径剖分式薄壁齿圈加工方法

技术领域

本发明涉及大直径剖分式薄壁齿圈加工技术领域，具体涉及一种大直径剖分式薄壁齿圈加工方法。

背景技术

随着我国航空航天、船舶与海洋工程、新能源(核电、海上风电、水电)、矿山、路桥、雷达天线、大型工程机械等产业的高速发展，机械制造市场对超大直径重载加工机床的需求日益增加。

为了适应国家发展需要，我国众多机床厂家加紧研制超大直径重载加工机床，陆续有φ16米重型数控立式车铣加工中心、φ22米重型数控立式车铣加工中心问世。这类超大直径重型回转类加工设备的平稳运行，离不开一种大直径剖分式薄壁齿圈，像一条“腰带”一样束紧在工作台的下端外圆上，将动力传递到工作台。

本发明针对的这种大直径剖分式薄壁齿圈是一种新结构齿圈，他们直径很大，通常在φ5000mm-φ14000mm之间，但壁厚和高度相对较小，截面尺寸仅300×300mm左右，同时为了制造、运输方便，设计为分瓣组合结构，每段齿圈极限情况下，长径比达到70:1，比传统意义上的细长轴(20:1)刚性更弱。可以说工件制造过程中的起吊、翻转、装卡、加工等过程，都有可能造成工件塑性变形，由于变形量太大导致后续无加工量而报废。

不同于以往的大型回转类机床设备齿圈，以往的工作台直径较小，所用的齿圈直径普遍在φ5000mm以下，按薄壁整圆结构设计，虽然也存在刚性弱，但是其结构对称，且在机械设备中普遍存在，有成熟的制造经验可以借鉴，总体质量可控。

也不同于矿山机械(工业窑炉、矿用磨机)用的大齿圈，虽然也采用剖分式结构，并且直径最大可达到φ15米左右，但这类齿圈采用的是大壁厚、宽齿幅，内圆铸以“T”或“Y”字型幅板的加强结构，工件自身刚性较好，加工过程变形可控。

自然的，针对这种新结构齿圈我们可以想到设计各种工艺装备，以增强制造过程中工件的刚性，同时限制工件的变形。基于此思路，发明人发明了一种大直径剖分式薄壁齿圈约束加工方法，解决了此类齿圈加工难题。

发明内容

本发明的目的是提供一种大直径剖分式薄壁齿圈加工方法，以解决大直径薄壁齿圈刚性弱、易变型导致的加工变形问题。

本发明的技术方案是：

一种大直径剖分式薄壁齿圈加工方法，包括以下步骤：

毛坯制作步骤，制作D字形齿圈毛坯，所述D字形齿圈毛坯包括C字形齿圈和铸造拉筋；

工件半精加工步骤，在所述C字形齿圈上加工多个工艺孔，使用工艺拉筋连接至少2个所述工艺孔，去除所述D字形齿圈毛坯的铸造拉筋；

工件精加工步骤，精车所述C字形齿圈内圆及一端面，钻出端面孔，在精车后的所述C字形齿圈端面侧过盈安装支撑胎具，去除工艺拉筋，在带支撑胎具的同时精车所述C字形齿圈另一端面。

进一步的，在钻出端面孔后，多个精车后的所述C字形齿圈端面侧过盈安装支撑胎具内形成齿圈。

进一步的，在粗滚齿、精滚齿、工件运输过程中，所述C字型齿圈带着支撑胎具。

优选的，在所述工件半精加工步骤，所述工艺拉筋安装在所述C字型齿圈的工件安装基准面，在所述工件精加工步骤，所述支撑胎具安装在所述C字型齿圈的背离工件安装基准面的一面。

其中，工件安装基准面指C字型齿圈安装在基座上时，贴合于基座的一面。

优选的，所述支撑胎具采用与所述C字型齿圈一致的剖分方式，在安装所述大直径剖分式薄壁齿圈的过程中，所述C字型齿圈带着支撑胎具，在安装所述大直径剖分式薄壁齿圈后，去除所述支撑胎具。这样，在C字型齿圈和支撑胎具把合的情况下，可以进行带胎具的工件的拆分和组圆。

优选的，所述支撑胎具的定位外圆和定位端面按C字形齿圈内圆和齿幅的实际尺寸配对加工，成对定位止口采用过盈配合，过盈量控制在0.12mm～0.20mm；所述支撑胎具的胎具定位段的高度控制在齿幅高度的60％～80％，余量为工件后续的加工找正基准。

本发明的有益效果是：

1.采用本方法在加工大直径剖分式齿圈时，摆脱了工件弱刚性结构对制造过程中起吊、翻转、装卡、加工的限制，有效的控制了工件的变形，缩短了加工流程，具有工艺流程短、加工成本低、运输方便、安装快捷、质量易保证的优点，也为类似结构其它机械零件的加工提供了解决方案。能够在超大直径重载加工设备、大型风电、桥梁回转支承等关键机械领域得到广泛应用。

附图说明

图1为毛坯制作步骤的D字形齿圈毛坯的结构示意图。

图2为工件半精加工步骤加工出的带工艺拉筋的剖分式齿圈的结构示意图。

图3为2个带支撑胎具的剖分式齿圈拼合成齿圈的结构示意图。

图4为本发明的一种大直径剖分式薄壁齿圈加工方法的工艺流程图。、

具体实施方式

下面结合附图，以实施例的形式说明本发明，以辅助本技术领域的技术人员理解和实现本发明。除另有说明外，不应脱离本技术领域的技术知识背景理解以下的实施例及其中的技术术语。

本发明中大直径剖分式薄壁齿圈加工方法的重点和关键在于如何提高工件刚性，控制加工过程中变形，其原理如下：

如图1所示，对组成齿圈的两件半齿圈增加其刚性，在两个半齿圈的开口处，从结合面起，向弓顶方向移动200mm，铸造工艺拉筋，将工件由不稳定的“C”型结构变为较稳定的“D”型结构。让开结合面200mm的空间便于加工结合面并设置连接机构，将两件半齿圈连接成整圆后加工。

如图2所示，在工件热处理后，先半精加工外圆和基准端面(工件安装基准面)，然后按零件最终安装孔位预先加工几处成小螺纹孔，以便安装工艺拉筋；随后加工去掉铸造拉筋。

如图3所示，在工件精加工阶段，先精加工成非基准端面和内圆，实测内圆尺寸；以内圆为基准，划出端面孔分布圆及各孔孔位，将其中8孔加工成小螺孔，其余加工成。

将支撑胎具定位外圆和定位端面按齿圈内圆和齿幅的实际测量尺寸配对加工，成对定位止口应采用过盈配合，过盈量控制在0.12-0.20mm；胎具定位段的高度应控制在齿幅高度的70％左右，留出30％作为工件后续的加工找正基准。

工件非基准端面朝上，支垫平稳；吊支撑胎具，倒装在齿圈内圆，8处工艺螺孔穿螺杆，对称有序逐步把紧，将齿圈压装在支撑胎具上。

按内圆30％找正基准找正，跳动允差0.05以内，精车成外圆及基准端面；采用大型滚齿机或梳齿机，装卡在支撑胎具上，粗精加工成齿形。

齿圈和胎具之间的连接螺栓保持把紧状态，齿圈与齿圈、胎具与胎具之间的连接螺栓拆下，带胎具分瓣单独包装，运输。

在现场重新将齿圈与齿圈、胎具与胎具分别穿螺栓把紧，塞尺检查齿圈结合面间隙，满足图纸要求。

在胎具支撑下，先由胎具与产品相关件配合定位，松开齿圈与胎具把合螺栓，用螺钉把齿圈顶起即可使齿圈快速装到相关配合件的相应位置。

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

1、齿圈主要技术指标

φ22米重型数控立式车铣加工中心用大齿圈的主要技术指标为：齿数z＝462，模数m＝20mm，压力角α＝20°，变位系数x＝0，分度圆螺旋角12°15′30″，齿全高h＝45mm，齿顶高系数ha*＝1，精度等级GB/T 10095 7级；齿顶圆直径φ9495.585mm，内孔尺寸φ9060H7(+0.6,0)mm，壁厚尺寸217.5mm，齿幅宽度300mm，分为两段，每段180°，每段弧长为14915.63mm,材料ZG40CrNi2Mo，硬度HB260-302。

2、工艺流程

按照大直径剖分式薄壁齿圈的技术要求和特点，制定工艺流程，如图4所示。

3、加工设备

经过分析，结合面加工选用TK6920数控落地铣镗床加工；内外圆及端面加工选用DMVT16000数控重型立车加工；齿部加工选用SH1200玛格梳齿机加工。

4、加工工艺方法：

铸造：毛坯铸造的同时在工件内圆铸造200×200mm拉筋，如图1所示。铸造完成后，进行铸后正火处理，细化组织，消除网状碳化物，消除铸造应力，提高其机械性能，之后进行粗加工。

粗加工：内圆带拉筋暂不加工；采用数控落地铣镗床加工结合面，留量5mm；采用16米立车粗加工外圆及两端面，单面余量20mm；并超声波探合格。

热处理：内圆带拉筋进行热处理，满足硬度要求。

半精加工：内圆带拉筋暂不加工；采用数控落地铣镗床加工结合面，留量1.5mm；采用16米立车半精加工外圆及两端面，单面余量6mm。

如图2所示，按两件工艺拉筋上6-φ26孔，在两半齿圈基准端面分别配加工出2×6-M24；领取工艺拉筋的工装图纸及连接件将工艺拉筋紧固在工件上；铣去铸造拉筋与毛坯面接平。

1/2齿圈振动时效。

精加工：采用数控落地铣镗床加工成结合面，并精镗成结合面连接孔。采用16米立车精车成内圆及非基准端面，此时零件整体刚性相对差，精车时采取如下措施：零件带工艺支撑端向下装卡，卡爪只能卡在工艺支撑位置，工件绝对自由放置于垫铁上，在工件上对应于垫铁位置编号，塞尺检查工件与垫铁之间的间隙并做记录。领取薄铜皮将工件与垫铁之间的间隙塞实。安装压板和支座，要求12套支座的位置基本在同一圆上且均布，并且12套螺杆的位置基本在同一圆上且均布按线找圆，压板压在齿端面上将工件固定，注意固定时用扭矩扳手装卡，应对称紧固，卡爪只能辅助，不能加力，垫铁与工件之间0.02mm塞尺检查不入。扭矩值由操作者根据经验自定，但所有装卡点的扭紧，力矩应相等。粗车内孔及上端面，适当留量。松开压板，释放应力后，重新装卡,精车成。注意：重新装卡时必须用扭矩扳手对称装卡，装卡点、扭矩值一致，并且应略低于前次装卡的扭矩值。精车应采用小切深，小进给切削。

精车后不松压板测量内孔尺寸，记录，并做测量位置标记，内圆实际尺寸为φ9060.3mm，按过盈量0.18mm加工成支撑胎具配合外圆。

如图3所示，为保证零件有足够的刚性，借鉴窑磨类矿山设备的剖分式大齿圈结构，我们将胎具设计成带铸造拉筋的单幅板铸钢件。横截面成“T”字型。其最大外圆φ9380mm，壁厚600mm，高度510mm。

工件非基准端面朝上，支垫平稳；吊支撑胎具，倒装在齿圈内圆，8处工艺螺孔穿螺杆，对称有序逐步把紧，将齿圈压装在支撑胎具上。配合长度210mm，留90mm作为后续找正基准。

按内圆90mm部分找正基准找正，跳动允差0.05以内，精车成外圆及基准端面；采用大型滚齿机同样按上述方法找正，进行了粗加工、自然时效，最后在梳齿机精加工成齿形。

齿圈和胎具之间的连接螺栓保持把紧状态，齿圈与齿圈、胎具与胎具之间的连接螺栓拆下，带胎具分瓣单独包装，运输。

在现场重新将齿圈与齿圈、胎具与胎具分别穿螺栓把紧，塞尺检查齿圈结合面间隙，满足图纸要求。在胎具支撑下，先由胎具与产品相关件配合定位，松开齿圈与胎具把合螺栓，用螺钉把齿圈顶起即可使齿圈快速装到相关配合件的相应位置。

通过以上方法，实现了大直径剖分式薄壁齿圈加工，齿圈的所有技术指标全部达到图纸要求，目前保密应用于φ22米重型立式车铣加工中心的回转工作中，使用状况良好。

上面结合附图和实施例对本发明作了详细的说明。应当明白，实践中无法穷尽地说明所有可能的实施方式，在此通过举例说明的方式尽可能的阐述本发明得发明构思。在不脱离本发明的发明构思、且未付出创造性劳动的前提下，本技术领域的技术人员对上述实施例中的技术特征进行取舍组合、具体参数进行试验变更，或者利用本技术领域的现有技术对本发明已公开的技术手段进行常规替换形成的具体的实施例，均应属于为本发明隐含公开的内容。

Claims (6)

1.一种大直径剖分式薄壁齿圈加工方法，其特征在于，包括以下步骤：

毛坯制作步骤，制作D字形齿圈毛坯，所述D字形齿圈毛坯包括C字形齿圈和铸造拉筋；

工件半精加工步骤，在所述C字形齿圈上加工多个工艺孔，使用工艺拉筋连接至少2个所述工艺孔，去除所述D字形齿圈毛坯的铸造拉筋；

工件精加工步骤，精车所述C字形齿圈内圆及一端面，钻出端面孔，在精车后的所述C字形齿圈端面侧过盈安装支撑胎具，去除工艺拉筋，在带支撑胎具的同时精车所述C字形齿圈另一端面。

2.如权利要求1所述的大直径剖分式薄壁齿圈加工方法，其特征在于，在钻出端面孔后，多个精车后的所述C字形齿圈端面侧过盈安装支撑胎具内形成齿圈。

3.如权利要求1所述的大直径剖分式薄壁齿圈加工方法，其特征在于，在粗滚齿、精滚齿、工件运输过程中，所述C字形 齿圈带着支撑胎具。

4.如权利要求1-3中任一项所述的大直径剖分式薄壁齿圈加工方法，其特征在于，在所述工件半精加工步骤，所述工艺拉筋安装在所述C字形 齿圈的工件安装基准面，在所述工件精加工步骤，所述支撑胎具安装在所述C字形 齿圈的背离工件安装基准面的一面。

5.如权利要求1-3中任一项所述的大直径剖分式薄壁齿圈加工方法，其特征在于，所述支撑胎具采用与所述C字形 齿圈一致的剖分方式，在安装所述大直径剖分式薄壁齿圈的过程中，所述C字形 齿圈带着支撑胎具，在安装所述大直径剖分式薄壁齿圈后，去除所述支撑胎具。

6.如权利要求1-3中任一项所述的大直径剖分式薄壁齿圈加工方法，其特征在于，所述支撑胎具的定位外圆和定位端面按C字形齿圈内圆和齿幅的实际尺寸配对加工，成对定位止口采用过盈配合，过盈量控制在0.12mm～0.20mm；所述支撑胎具的胎具定位段的高度控制在齿幅高度的60％～80％，余量为工件后续的加工找正基准。

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