电梯曳引机箱体轴承孔的工艺优化设计*

程豪华，谢 黧，刁文海

（广州市机电技师学院，广州 510435）

0 引言

近年来，随着电梯行业的飞速发展，人们对电梯产品质量的要求越来越高。企业需要通过不断改进生产工艺来满足人们对美好产品的需求。作为电梯产品重要组成部分的电梯曳引机箱体零件（以下简称箱体），里面有大小不同的斜齿轮，其轴承孔的精度直接影响斜齿轮在高速运转中带动绳轮的稳定性，从而影响电梯在升降中的稳定性，乃至电梯在升降中的安全[1]。其中一组轴承孔ϕ215H7的结构如图1所示，其同轴度要求在0.05 mm以内，粗糙度Ra1.6μm，对箱体产品是否合格起到决定性作用。分析箱体加工特点，优化其轴承孔加工工艺方法，保证轴承孔精度质量显得至关重要。

图1 箱体轴承孔结构示意图

1 工艺问题的提出

如图1所示，箱体左、右两轴承孔ϕ215H7的加工质量经常不合格，特别是孔径尺寸在加工过程易发生变化，其粗糙度也达不到要求。产品加工一次合格率只有60%左右。箱体形体庞大，质量约600 kg，毛坯成本高，每件3 000多元。同时，由于箱体产品形体结构尺寸较大，使用一般的数控机床无法加工，故选用工作台尺寸规格在1 000 mm×1 000 mm以上的卧式加工中心，以镗削加工的方式加工箱体的轴承孔部位置。箱体的加工时间较长，每件累计装夹调整等辅助时间，共需要加工时间约300 min。

图2 箱体轴承孔镗削精加工示意图

在这种加工方式下，由于左、右两轴承孔加工处相距最远为550 mm，尺寸较深，并且两孔之间的同轴度要求高，加工难度较大，如图2所示。从箱体结构上分析，工艺安排只限于先从右边的轴承孔开始加工，所以在两孔粗加工后，最后以精加工的方式保证孔径尺寸，左、右两孔一次性进刀完成精加工。因此，选择了直径为ϕ80 mm，长度为650 mm的圆柱钢料作为镗刀刀杆进行镗削加工。这样的操作类似于深孔镗削加工，接着出现的问题就是加工中容易产生振动。加工振动使得箱体ϕ215H7轴承孔表面出现明显振纹，尺寸精度和表面质量都难以控制，产品合格率难以保证。根据生产实际情况得知，产品加工后，质量检测部门对产品检测的数据显示，精度普遍较低。特别是表面粗糙度和同轴度要求，多有不符合要求的情况。即使改变了切削进给等工艺参数亦无多大改善。所以，由于深尺寸的左、右两轴承孔镗削加工中振动大，产品合格率低。

2 箱体轴承孔原加工工艺

简单对原有的箱体轴承孔加工工艺进行介绍与分析，便于进一步了解造成产品不合格的可能原因。其原有的加工步骤如下：

（1）装夹箱体。夹具紧固在面积为1 000 mm×1 000 mm的工作台上，夹具结构如图3所示。夹具上有ϕ23.8 mm的定位螺杆和M24的夹紧螺杆。把工件吊装到夹具上，用4个M24螺母将其紧固，再加上“码模夹”锁紧工具，可将箱体零件稳固地安装在工作台上。

（2）粗加工。按粗加工的切削工艺参数，对轴承孔粗加工至工序要求尺寸，余量留0.8 mm。使用长度为650 mm、直径为214.2 mm的两刃内冷粗镗刀粗镗ϕ215 mm孔，加工时主轴转速为100 r/min，进给量为16 mm/min。

（3）精加工。使用直径刀杆为ϕ80 mm、长650 mm的单刃内冷精镗刀精镗ϕ215H7孔，加工时主轴转速为180 r/min，进给量为16 mm/min，对轴承孔精加工至图纸要求尺寸。

图3 夹具结构图

3 轴承孔加工优化设计研究

3.1 加工振动对轴承孔质量的影响

箱体两轴承孔总长550 mm，左孔为ϕ215 mm、深115 mm；右孔为ϕ215 mm、深200 mm，中间避空235 mm，如图2所示。加工该孔时，刀具产生振动，产生振动的振纹高低约有0.3 mm。加工中使用的刀粒为山特维克螺钉固定三角形刀粒，材料为立方氮化硼，在行业内算是很好的材料。即使这样，高质量的刀粒在轴承孔加工振动中也很容易磨损[2]。刚换新刀粒时情况较好，一般加工两件后情况就会发生变化，虽然多次尝试更改进给速度和转速，但效果不明显。精镗刀加工时，由于与开粗时留下的振纹出现了共振现象，致使孔径经常达不到要求。得出结论，主要因刀具振动致使轴承孔尺寸精度和表面质量达不到要求。

3.2 加工振动因素的排查

箱体产品轴承孔同轴度要求高，而刀杆在加工中跳动对产品产生直接影响。要改变这种情况就必须解决振动问题。如何解决加工时产生的振动，从夹具、刀粒、刀杆悬长等几个方面进行了试验分析，以排查加工振动的产生因素[3]。

（1）夹具因素。夹具用1 000 mm×1 000 mm×50 mm的45#钢作为底板，如图3所示。将4个支承座烧焊在底板上，由4支M24螺杆定位工件。当工件装夹在夹具上，由4个M24螺母夹紧。加上工件本身有一个重力，箱体工件将被牢牢固定在夹具上。此夹具设计简单且刚性好，几乎不影响孔径加工精度。

（2）刀粒因素。加工中使用的刀粒由山特维克公司提供，各型号和各种材料均可供选择。使用刀粒材料多数是立方氮化硼。为了减小振动做了多次试验，分别选用后角为5°、7°、11°的刀粒加工，选用不同的刀粒材料，如硬质合金YG6、YT15等。结果是改变刀粒类型对改进振动情况没有明显效果。

（3）刀杆悬臂长度因素。加工箱体的刀具同样是山特维克公司提供，且加工ϕ215H7孔的刀具是专门设计加长杆的刀具，刚性较好。为验证在加工深度大、精度要求高的情况下，使用长杆刀具加工是否合适，对刀具的悬臂长度和加工位置的直径进行试验对比。由表1所示的试验结果内容分析可知，刀具刀杆悬臂越长，振动问题越突出。这些刀具的刀杆都是ϕ80 mm，刚性较好，之所以振动，就是因为刀杆悬臂过长。

表1 刀杆悬臂长度与加工振动情况列表

3.3 设计刀杆支撑瓦（架）解决振动问题

由于两轴承孔的加工深度无法改变，即加工中刀杆长度无法缩短，但刀杆的悬臂长度可以缩短。因此，若能解决刀杆的悬臂长度问题，就等于增加了刀具刀杆的刚性，可降低加工振动。设计制作一个合适的刀杆支撑瓦（架），减少刀杆悬臂长度，对刀杆在加工中起支撑作用，使用在轴承孔精加工的最后阶段，即可解决振动引起的精度问题[4]，保证箱体轴承孔的尺寸，如图4所示。

图4 使用刀杆支撑瓦（架）精加工左轴承孔示意图

结合实际，考虑工艺优化对策，设计制作刀杆支撑瓦（架）。

（1）刀杆支撑瓦（架）的设计与制作要求。因考虑到零件配合与加工的稳定性问题，对刀杆支撑瓦（架）的设计与制作必须要满足以下几点要求：（a）外径尺寸与轴承孔ϕ215H7尺寸相匹配，粗糙度Ra1.6μm。（b）内孔尺寸与刀杆尺寸相适应，粗糙度Ra1.6μm，且留有油槽结构，以便于与刀杆配合时储备油类物质起润滑作用。（c）制作刀杆支撑瓦（架）须选用耐磨性较好、适合中速运转场合的材料，可选用铜锡青铜、铝青铜等几类材料。（d）刀杆支撑瓦（架）方便拆卸与安装，可考虑胀力螺钉结构[5]，如图5所示。

（2）刀杆的设计要求。为了能加工到长550 mm处的轴承孔，刀杆的长度要求为650 mm左右。刀杆柱体表面尺寸均匀，粗糙度Ra1.6μm，材料刚性、耐磨性好。

（3）因刀杆与刀杆支撑瓦（架）的配合要求。刀杆与刀杆支撑瓦（架）在加工过程中还需要相对转动，并且要保证不产生相对振动，因此是属于配合间隙较小的间隙配合类型。同时，加工的主轴转速和进给都须使用较低的数值，即以低转速慢进给的形式进行加工。

3.4 优化轴承孔工艺安排

原来的加工顺序是使用刀杆组装好刀具，对ϕ215H7左、右两个孔，一次性进给完成加工，刀具容易产生振动。通过前面的分析可知，只要能把刀具悬臂长度改短，就可以把振动问题降低。要改短刀具的长度，必须把长550 mm、ϕ215 mm的孔分段加工。由图2可知，ϕ215H7孔是由左、右两孔组成，把两个孔分开加工，右轴承孔的深度为200 mm，左轴承孔的深度为115 mm。使用刀杆支撑瓦的情况下，需要对加工工序进行优化调整，具体如下。

（1）粗加工内外轴承孔。将工件装夹后，工作台进入机床，使用刀杆长为650 mm，直径为214.5 mm的两刃内冷开粗镗刀粗镗深度为65 mm轴承孔，速度为S=180 r/min、F=25 mm/min，如图6所示。此工序为粗加工，加工过程中有微振动，但不影响后续尺寸的获得。

（2）精加工右轴承孔。待轴承孔粗加工完成后，使用长260 mm、ϕ215H7的精镗刀精镗，速度为S=200 r/min、F=18 mm/min。刀具的长度改短后，加工速度相应加快，加工的情况很稳定，如图7所示。

（3）精加工左轴承孔。机床主轴换上ϕ80 mm×650 mm规格的刀杆，安装好刀具后，先将刀尖移动至两轴承孔避空的位置，再将两片刀杆支撑瓦（架）涂上黄油，逐块地装配上去。然后拧紧胀力螺钉，使支撑瓦（架）与已经加工好的外轴承孔产生良好的配合，如图4所示。此时轻轻拨动刀具轴动，通过调试胀力螺钉，测试刀杆支撑瓦（架）的松紧情况。调试目的在于使用刀杆自动旋转时不产生障碍。这过程要注意刀杆与刀杆支撑瓦（架）的黄油分布情况，使油量保证在转动过程中起到充分的润滑作用[6]。

图5 刀杆支撑瓦（架）三维图

图6 粗加工左、右轴承孔示意图

图7 精加工右轴承孔示意图

调试完毕后，按照主轴转速为S=200 r/min、进给速度为F=18 mm/min的工艺切削参数进行切削加工。加工转速较低，而刀杆的实际伸出会产生较大振动的长度为235～350 mm，不会在加工中产生太大振动[7]。在测得ϕ215 mm，孔深115 mm处的尺寸符合要求时，停机退出刀具。为避免退刀时产生干涉，刀尖先退出至两孔之间的避空处。拆除刀杆支撑瓦（架）和刀粒，再将刀杆退出箱体轴承孔外，加工完毕。

4 结束语

优化工艺后，加工的产品送品质部门检验，尺寸精度完全达到图纸要求。连续加工孔径稳定，连续加工10件产品，内孔径精加工尺寸变化可控制在0.015 mm以内。产品加工一次，合格率提高到了90%以上，同时刀粒的寿命也得到了廷长。通过对箱体零件的工艺分析，设计制作刀杆支撑瓦（架），对工艺和刀具刀杆装置进行了修改，有效减少了加工振动现象。优化调整的工艺策略有效地提高了产品质量，降低了生产成本。这种工艺方法的优化改进，对同类产品的加工具有较高的生产指导意义。