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采煤机用薄壁薄片件淬火加工工艺优化
摘要：采煤机中采用一种薄壁薄片件，其具有外圆及厚度精度要求高、热处理淬火硬度高的特点，但薄壁薄片件在淬火过程中会使其加工精度要求无法保证。通过对工艺进行优化，将单件淬火改为多件一起进行淬火，在达到淬火硬度的同时，保证零件变形量较小及后序加工精度要求。该方案保证了热处理硬度高的薄壁薄片耐磨垫的加工精度要求。同时，新刀具、新工艺的应用使生产成本大大降低，并提高了生产效率，值得推广应用。
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采煤机中薄壁薄片类耐磨垫，其外圆、端面与太阳轮配合，避免了太阳轮端部之间的相互摩擦。为保证采煤机太阳轮在实际过程中正常运行，此类薄壁薄片零件具有高硬度、高耐磨性及外圆、端面精度高的特点。因此，在生产过程中热处理硬度较高，同时车削过程中的装夹力、切削力都极易使薄壁零件产生变形影响零件精度，加工难度大。
1、薄壁薄片件加工工艺存在的问题
薄壁薄片件加工图如图1所示。由于薄壁薄片件的形状结构，在零件需要进行淬火处理时，一般的工艺流程是多件下料，在淬火前将工件切成单件，留大磨量，热处理采取措施防止变形，通过磨削的方式保证尺寸精度及粗糙度，做到产品各尺寸要素全部合格。加工路线：下料→粗车→半精车→热处理淬火（用工装）→磨内外圆（用工装）→磨平面。在半精车时切成单件，为防止热变形导致的不合格件必须增大精加工余量，同时，热处理时必须采取措施防止热变形，而磨床磨削时装夹加工难度较大，需要设计工装保证零件的正确装夹。综上所述，该零件主要加工难点：
图1 薄壁薄片件加工图
(1）薄壁薄片件的形状结构使其在车床切削过程中，切削热、切削应力对零件尺寸变化影响较大。
(2）薄壁薄片件在加工时车床无法装夹，若多件一起下料，能加工到内、外圆的淬火前余量，此时若先切单件再进行整体淬火，零件厚度很薄，磨削到成品尺寸难度较大；若先不切单件，多件下料一起进行整体淬火，之后再多件一起进行磨削加工，但淬火后零件硬度到达50～55 HRC，而常规切槽刀具加工的零件硬度在40 HRC左右，无法实现整体淬火后硬度50～55 HRC的切单件加工。
(3）薄壁薄片类零件由于热处理原因，会造成不同程度的废品率，对生产进度、生产成本造成一定影响。
2、工艺优化措施
针对此类工件在加工过程中存在的问题，在原工艺基础上对其进行工艺优化设计。
2.1 设计工艺方案
针对薄壁薄片类零件在加工时不易保证其尺寸精度的问题，通过对以往加工数据及零件变形情况分析，本次工艺设计过程中充分考虑变形问题，采取多件下料一起加工的方式增加夹头，便于装夹及找正。
淬火之后零件硬度高，一般刀具不能满足要求，经过对新刀具的研究，选用了超硬切槽刀，之后再多件一起进行车削及磨削加工，并对工艺进行优化。
优化后的工艺路线：下料→粗车→淬火→半精车→磨削外圆→切单件→磨削端面。
2.2 原工艺与优化后工艺对比
(1）原加工工艺
①下料在加工过程中10件一起下料，下料规格直径φ100 mm，总长为84 mm（留有夹头）；
②粗车考虑零件壁厚较薄，因此粗车余量直径留10 mm;
③半精车由于淬火前需要切单件，考虑热处理变形量及壁厚较薄、余量较大，因此需要对零件进行半精车，内、外圆直径各留3 mm余量，同时切单件，端面留余量；
④淬火保证零件整体硬度达到50～55 HRC（由于单件薄壁、薄片特点，热处理在淬火过程中需要利用淬火工装保证较小变形量）；
⑤磨削内、外圆将单件零件进行磨削加工，磨削内孔、外圆至成品尺寸（磨内孔时设计外圆夹持工装，磨外圆时设计磨床芯轴撑内孔）；
⑥磨削端面磨削两端面，保证厚度尺寸。
(2）优化后加工工艺
①下料在加工过程中10件一起下料，下料规格φ100 mm，总长为84 mm（留有夹头）；
②粗车考虑零件壁厚较薄，因此淬火前的粗车余量直径留4 mm，既满足热处理变形量，对淬火后加工成本也有所控制；
③淬火保证零件整体硬度达到50～55 HRC;
④半精车由于淬火前考虑壁厚较薄、余量较大，需要对零件进行半精车，去掉内、外圆多余余量，将内孔加工至成品尺寸，外圆加工至磨削前余量；
⑤磨削外圆将10件一起下料的零件进行磨削加工，磨削外圆至成品尺寸（或根据零件精度精车至尺寸）；
⑥切单件用超硬外圆切槽刀，切单件留磨量；
⑦磨削端面磨削两端面，保证厚度尺寸。
2.3 成本对比
按一般的工艺方法与优化后的工艺方法加工10件零件进行成本对比。
(1）节约工时成本
一般工艺方法在下料、粗车工序中与优化后工艺方法用时一致，但由于在半精车时切成单件，为防止热变形导致的不合格件必须增大精加工余量，而切单件后零件厚度较薄，导致磨外圆、磨端面余量较大，2种工艺方法具体用时如表1、表2所示。一般工艺方法加工1件零件用时148 min，优化后工艺方法加工1件零件用时75 min，节约工时73 min，大大提高了生产效率。同时，加工1件零件的总价格由94.23元降为50.17元，大大节约了工时成本。
表1 一般工艺方法加工时间（单件工时）
表2 优化工艺方法加工时间（单件工时）
GZK4232设备工时单价为25元/h,CAK50135gi设备工时单价为43元/h,ME1432B设备工时单价为32元/h,M7475B设备工时单价为54元/h。
(2）节约工装成本
一般工艺方法在半精车时切成单件，单件在进行热处理淬火时极易发生变形，因此热处理时必须采取措施防止热变形，需要设计相应防止变形的淬火工艺装备。同时，磨床磨削时装夹加工难度较大，磨外圆时需要设计与其配套的磨床芯轴。优化后工艺方法减少了工艺装备成本的投入，节约了工艺装备的生产成本。
(3）提高产品合格率
即使热处理淬火时采取防止变形的淬火工艺装备来防止热变形，但在实际加工过程中由于受热不均，淬火之后的残余应力较大，都会导致零件发生变形，进而导致在磨外圆时无法达到规定尺寸要求，尤其对于薄壁薄片类零件变形尤为明显；一般工艺方法加工时，一次投产10件，合格产品为7或8件，合格率为70%～80%；采用优化后的工艺方法加工，一次投产10件，合格产品为10件，合格率为100%，大大提高了产品合格率，保证了生产进度。
3、结语
通过对薄壁类零件的加工工艺进行优化提升，保证了此类工件的加工要求，通过将单件淬火改为多件一起淬火的加工方式，使生产成本大大降低，并提高了生产效率。
(1）优化热处理过程多件一起淬火比单件薄壁薄片淬火变形量小得多，不需要针对每个薄壁类零件制造相匹配的工装，在简化工艺流程的同时避免了工装成本的投入；
(2）优化机加工过程多件一起淬火可实现多件同时磨外圆的批量加工方式，由于变形量小，机加工过程中磨削余量更小，在产品合格率大幅提升的前提下提高了生产效率。
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文章来源:何悦,王浩翔,王存宇,等.采煤机用薄壁薄片件淬火加工工艺优化[J].煤矿机械,2024,45(11):109-111.
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期刊名称：煤矿机械
期刊人气：2110
主管单位：国家煤矿安全监察局
主办单位：哈尔滨煤矿机械研究所
出版地方：黑龙江
专业分类：煤矿
国际刊号：1003-0794
国内刊号：23-1280/TD
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创刊时间：1980年
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2024-11-04
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