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    淺談大型數控裝備用超大精密齒圈制造技術及運用

    產品結構及主要參數

    超大型精密齒圈具有外徑大、輪緣薄、易變形、回轉精度高等特點。并且由于外徑大,不易運輸,齒圈通常采用兩半組合結構,這就要求大齒圈在制造過程中充分考慮去應力,防裝夾、翻轉變形,保持高精度等措施。樣機產品主要參數。

    主要研究內容及成果

    針對大型數控裝備用超大精密齒圈易變形、難加工問題,合理制定工藝流程,主要研究超大精密齒圈熱處理及切割工藝技術、工件翻轉防變形工藝技術、端面基準精度工藝保證技術、銑加磨齒形加工工藝技術、銑削表面完整性工藝研究、磨齒加工、安裝基準同步工藝技術等工藝制造技術,實現了大幅度提高超大精密齒圈制造精度的目標。 

    1、齒圈鍛件毛坯制作及切割技術研究

    齒圈材料通常采用中碳鋼42CrMoA,鍛造后調質處理,然后切割,采用的工藝路線(見圖2):

    為減少切割帶來的變形,調質前需先進行正火處理。半環剖切前后還需進行去應力退火處理,這樣切割后半環直徑變形量由工藝優化前的19mm降至2.5mm。

    超大型精密齒圈正火及調質均采用9m天然氣臺車爐,零件處于爐體中心,與天然氣加熱管距離基本均等,保證零件加熱及冷卻中熱量傳遞均勻,減小熱應力變形。正火工藝采用階段式升溫加熱+開爐分散吊開冷卻方式,調質工藝采用階段式升溫+專用托盤PAG淬火液中串動方式。通過此類工藝,保證了齒圈組織和硬度達到的要求。

    2、工件翻轉防變形工藝技術方案研究

    翻面二工序之前,后工序用來定位的平面已精加工完畢,為了防止定位面因翻轉工件變形而導致精度損失,我們設計了專用翻身工裝來盡量減小此類變形。工裝設計主要由上下支撐板、芯軸、支點塊、吊耳、木塊及*類標準件組成。工裝的使用方法是將翻身工裝將齒圈*后,行車吊鉤與上下支撐板吊耳相連 ,并通過支點塊平穩地將工裝從0°位置翻轉至180°位置,實現起吊及翻身操作,然后松開*件,將下支撐板通過芯軸旋轉打開,最后將大齒圈與翻身工裝分離。

    整個工件翻轉過程中,起吊力未直接作用在大齒圈上,且翻轉支點平緩過渡,所以整個過程平穩、簡單,安全可靠,能有效地減小齒圈在翻轉過程時產生的變形,保持了齒圈已精加工面精度。 

    3、超大精密齒圈端面基準精度工藝保證技術

    由于大齒圈是薄壁結構,剛性差,故加工時易變形。除了工件本身的結構因素,還有下列因素對變形都有較大的影響:

    1)毛坯本身的不平整誤差,加工后將遺傳在零件上。

    2)因*力與裝夾方式選擇不當,會引起額外應力變形。

    3)機床、工裝的剛度本身帶來的變形。

    針對上述產生變形因素的總結及分析,并通過對加工誤差溯源及精度控制的研究,我們運用工藝的合理優化及設計專用工裝等方法,以達到保證產品精度目的。

    工藝合理優化方面:將把合后齒圈的翻面次數下降為1次,有效地避免了多次翻面而產生的累積變形;通過滾齒、磨齒加工基準的統一,避免了基準轉移時產生的誤差。

    專用工裝的設計運用:工裝的設計為四半拼接式專用胎具,通過銷定位、螺栓把緊成一體。材料為QT400,重量達24噸,16等分寬加強筋的設計增加胎具的剛性。工件定位端面與胎具上端面自然狀態下貼合,并用48個M24螺栓均布的壓緊固定,保證工件與胎具緊固成一體。在整個的精加工(鉆鉸、精車、滾齒、磨齒)及轉運過程中,胎具與工件不分開,加工基準保持統一。

    通過加工工藝的優化及專用工裝的設計運用,最大限度地減小了大齒圈精加工時基準面因轉移而產生的精度誤差,最大限度保留了齒圈各道工序的加工精度。

    4、大型齒圈銑削表面完整性工藝研究

    通過正交試驗法對盤形銑刀銑齒加工進行研究,利用極差分析研究銑齒參數對銑削力矩的影響規律。并利用極差分析和方差分析研究了銑齒參數對齒面質量的影響。該試驗是一個3因素3水平并以齒面粗糙度、加工硬化及殘余應力為指標的試驗,揭示了銑齒參數對各指標的影響規律,并確定了最優銑齒參數條件。

    本試驗主要研究銑齒加工參數對銑削力矩和表面質量的影響,因而采用正交試驗設計方案,該方法能夠以較少的試驗次數獲取目標信息。確定試驗因素為:盤銑刀銑削轉速(r/min)、軸向進給(mm/min)、徑向切深(mm)。切削用量的選擇范圍參考該機床實際加工生產所采用的切削用量。本試驗選擇L9(34)正交試驗方案。具體試驗因子水平和正交試驗方案。

    正交試驗的結果,其顯示了主軸電流強度、齒面粗糙度、表面硬度以及殘余應力的測試數據。通過對測試結果和銑齒參數的極差分析,能夠得到銑齒參數對切削力矩T、齒面粗糙度Ra、表面顯微硬度H和表面殘余應力σ的影響規律。

    在試驗范圍選擇的參數內,得出銑削力矩和齒面質量關于銑齒參數的規律,并確定了最佳的銑齒參數組合:n=100r/min,f=200mm/min,ap=25mm。在實際生產中,可以參照以上述結論,并結合加工的實際條件選擇銑齒參數。

    5、超大精密齒圈磨齒加工、安裝基準同步工藝技術

    針對超大型精密齒圈結構及使用特點,公司訂制了附帶磨外圓的ZP80磨齒機。在磨齒工序中先按工藝要求找正基準端面及內孔找正帶跳動,按工藝要求磨齒;然后利用ZP80磨齒機定制的附加磨外圓程序,在齒頂外圓上磨一找正帶。

    此技術保證了齒頂圓找正帶外圓尺寸的一致性,為分度圓弦齒厚的檢驗提供了測量基準;同時通過磨齒精度與外圓找正帶(安裝基準)精度同步,可以提高裝配精度和效率,避免了安裝時由于間接找正節圓引起的齒輪精度損失,有效地保證了大齒圈的安裝精度。

    6、超大精密齒圈銑加磨齒形加工工藝技術的研究

    銑加磨就是通過銑削加磨削組合工藝代替傳統的粗精滾齒工藝,通過對超大精密齒圈銑加磨齒形加工工藝技術的研究與推廣,不僅能提高了齒圈的精度、更能縮短了加工周期,節約了加工成本。

    國內外同類產品及技術指標對比

    項目產品和國內外產品的對比所示:從工藝上,磨齒工藝的質量明顯優于滾齒工藝,產品在齒輪精度和齒面粗糙度等指標上全面優于國內外同類產品;已經達到國際領先水平;產品的硬度達到國外同等水平,優于國內廠商;從成本上看,優于技術成熟,效率提高,產品價格要明顯低于國外,有很大的市場競爭力。

    總結及推廣運用

    南方宇航天山重工針對大型數控裝備用超大精密齒圈外徑大、輪緣單薄、兩半式、易變形、制造難、回轉精度高等設計制造特點,創新研究出了超大精密齒圈熱處理及切割工藝技術、工件翻轉防變形工藝技術、端面基準精度工藝保證技術、銑加磨齒形加工工藝技術、銑削表面完整性工藝研究、磨齒加工、安裝基準同步工藝技術等工藝制造技術,形成了專有的超大型齒圈制造成套技術,共獲得了授權專利合計共10件,其中發明專利2件,實用新型專利8件,取得了相應的研究成果。填補了國內直徑5~8m大型高精度數控裝備用精密大齒圈的技術空白,齒圈加工制造精度達到DIN3級標準,Ra≤0.8,達到國際領先水平,打破了國外壟斷,在國內率先搶占市場先機,并在國際市場爭取一席之地,進一步提升了公司產品的檔次和結構,目前已逐步供貨北京一機床、齊重數控、三一精機等大型數控裝備廠家。公司已建成大型生產線1條及生產車間1個,是目前世界最高精度水平的超大精密齒圈制造基地,市場應用前景廣闊。

    本項目在深入研究超大型高精度齒圈精密制造相關理論和技術基礎上,解決超大型高精度齒圈精密制造技術難題,在大型數控裝備用超大型高精度齒圈加工誤差及精度控制等方面形成自主創新能力,形成標志性成果,帶動大型精密數控機床行業的產業升級。同時該制造技術可以推廣至我國航空大型數控裝備制造及大型高端醫療設備制造等國家重點支持的新型領域。

    航空行業:大飛機機身桁架結構件呈現出材料昂貴、結構復雜、切削加工量大、加工精度高、工藝性差等特點,因此在大飛機機身桁架結構件加工制造中,要求航空數控加工裝備具備更高速度、高精度、智能化、柔性化和環保等特性,同時具備更好的抗震能力,這就要求機床回轉臺所用精密大齒圈具有更高的精度,所以在大型航空數控設備領域同樣具有較大的市場空間。此外,精密大齒圈本身的制造特點與大飛機機身桁架結構件有類似的地方,可以作為部分大型航空結構件的制造技術支撐。

    醫療行業:“十三五”國家重點項目大型質子治療儀中的旋轉機架齒圈與導軌就是一個直徑6m的薄壁齒圈,它具有更高精度、傳動平穩的要求,目前南方宇航天山重工已承接了中國科學院上海應用物理研究所的“旋轉機架齒圈與導軌制造項目”,正式打開了醫療行業的精密大齒圈市場。



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