扇形件加工工艺优化及效率提升

茹磊磊，苏 斌，刘 昊，王 锐，郭 亮，李 韬，闫旺星，肖俊宇，李鹏飞

（智奇铁路设备有限公司，山西 太原 030000）

0 引言

扇形件是一种应用于轨道交通制动系统的关键零部件之一，其表面通过安装摩擦副实现列车制动，因此，扇形件的质量好坏直接影响轨道车的安全运行。另外，扇形件为短周期易耗件，列车每运行一段时间需进行整体更换，因此扇形件具有生产批量大、交付周期短等特点。

扇形件由于受到安装空间限制，所以，产品结构合理且轻量化，这大增加了扇形件加工的难度。现有加工工艺难以满足扇形件加工质量，同时扇形件生产批量大，必须探索更好的加工工艺，降低加工成本、提高生产效率。本研究提出一种高效、合理的扇形件加工工艺。

1 产品要求

扇形件采用模锻方式成型，材料为高强度合金钢，最终热处理为调质处理，调质后硬度为35HRC～40HRC。扇形件整体外形呈约1/4 ～1/3 的圆弧状（图1），零件中部尺寸a较小（a= 12 mm），加工过程中若工艺路线安排不当，极易导致零件变形。扇形件在加工至成品后，平面B通过一系列均布孔与上一级组件进行连接，为保证上一级组件装配高度一致，B平面的平面度要求控制在0.05 mm 以内；平面A连同B平面上的组件一起固定在主件上，为保证其连接的可靠性，平面A相对B平面的平行度要求控制在0.05 mm 以内。

图1 扇形件结构图

扇形件在小批量试制过程中，按照粗铣-热处理-半精铣-精铣-钻孔-镗孔-磨削的工艺路线进行加工；约40%的扇形件加工至成品后，B面平面度和A面平行度出现超差，导致扇形件与上一级组件无法进行正常装配。

通过现场工艺分析，由于原加工工艺设计不合理，同时刀具选型不能适应加工要求，导致产品合格率不高、生产效率低、加工成本高等问题。通过对扇形件原加工工艺合理性进行分析，针对存在的问题制定具体的工艺改进措施，从而达到提高产品质量、加工效率及降低产品生产成本的目的。

2 工艺性分析与改进

2.1 原加工工艺存在的问题

根据扇形件结构特点，扇形件小批量试制按照粗铣-热处理-半精铣-精铣-钻孔-镗孔-磨削的工艺路线进行加工。通过分析，原加工工艺主要存在以下问题：

（1）扇形件在立式加工中心精铣并经磨削成型后，B面平面度和A面平行度超差，导致零部件与上一级组件无法正常装配。

（2）采用铣削加工方式生产效率低、辅助加工耗时过长，是整个扇形件生产工艺中的瓶颈工序，严重影响产品生产流转，无法满足批量生产需求。

（3）扇形件粗铣、半精铣及精铣均采用T 型成型铣刀进行加工；通过对小批量试制过程中刀具使用情况及磨损情况统计分析发现：刀具切削刃崩刃严重，每把T 型刀只能完成3～4 片扇形件加工，需要经常停机更换刀具，加工成本高。

2.2 问题分析

针对扇形件原加工工艺存在的问题，从扇形件工艺路线、各加工工序、产品结构、产品力学性能属性等，分析产生问题的原因，主要有以下几个方面：

（1）铣削加工过程中，B 面铣削量小且均匀，而A面铣削量较大且不均匀；扇形件精加工后会产生应力释放，两平面由于伸缩量不一致将产生变形，导致B面平面度和A 面平行度超差；在加工平面B 的一些列均布孔时，由于以上变形，会出现均布孔位置度超差现象。

（2）扇形件加工过程涉及多道工序流转，其中铣削加工工序需要预先加工工艺孔，且需要进行重复多次装夹找正。每次装夹只能完成单件生产，严重影响产品的产能。

（3）扇形件材料为高硬度合金钢且经调质处理，T型刀接触材料所受的抗力较大，更容易使刀片产生崩刃现象；在铣削过程中，前道加工使得刀尖圆弧半径变小，后刀面磨损相当于负倒棱，刀片再次切入时，工件对刀具的力变小，刀具的磨损使得刀具断屑棱宽度变小，切削刃的强度下降，所以在后续的加工中，增加铣刀崩刃的可能性[1]；故采用T 型刀铣削的过程中，刀具由于崩刃需要多次停机更换，增加了扇形件的加工成本。

2.3 改进方案

通过以上分析可以看出，如何在保证扇形件加工质量的前提下，提高生产效率、降低加工成本是工艺改进的核心内容。因此，本研究根据扇形件结构特点、精度要求、工艺布局制定了如下改进措施：

（1）采用反变形法抑制扇形件加工变形，扇形件在半精铣后，采用液压千斤顶在变形方向施加反作用力，使B 平面产生不小于0.1 mm 的位移并保压10 min直至产生塑性变形；矫形完成后，采用低温回火直至应力完全释放，再进行扇形件的精加工。

（2）针对扇形件加工效率低，无法满足产能需求的问题，本研究通过对扇形件的结构特点进行分析，在扇形件粗加工后增加如图2 所示工艺孔，将3～4 片扇形件以圆周分布的形式固定在如图3 所示工装夹具上，采用车削方式代替铣削方式同时对多片扇形件进行加工。

图2 扇形件粗加工工艺基准

图3 扇形件车削加工方式

（3）T 型槽铣刀价格一般为400 ～500 元，而一把铣刀在加工3 ～4 片扇形件后就出现不同程度的崩刃现象；而采用普通车刀，一次加工就可以完成3 ～4片扇形件加工，每把车刀只需30 元左右，而且车刀强度较高，能够在多次使用下保证车削加工精度。

3 加工工艺路线优化

通过对扇形件进行工艺分析，对原加工工艺路线进行如下调整：

（1）在划线平台上，以扇形件锻造面为基准，确定X、Y、Z方向基准面及加工余量。

（2）根据划线平台上确定的X、Y、Z方向基准，在立式加工中心进行装夹并找正A背面，要求跳动量≤0.1 mm，采用T 型铣刀粗铣平面B。

（3）粗铣完成后将扇形件翻转并按图4 所示采用压板固定，百分表找正已加工面，要求跳动量不大于0.05mm。

图4 扇形件粗加工定位方式

（4）在立式加工中心加工如图2 所示工艺孔，作为后道工序定位基准；半精铣B面，要求单边余量不小于2 mm。

（5）以工序4 加工的工艺孔为定位基准，将3～4片扇形件圆周分布并固定在如图3 所示工装上，产品加工前采用百分表测量圆周分布的定位销沿径向的跳动量，要求≤0.02 mm；确认合格后，采用压板夹紧所有扇形件并进行车削加工。

（6）采用液压千斤顶在变形方向施加反作用力，使B 平面产生不小于0.1 mm 的位移并保压10 min直至产生塑性变形；矫形完成后，采用低温回火直至应力完全释放后。

（7）采用工序5 相同的方法，将扇形件加工至精加工尺寸要求。

（8）将扇形件B平面朝上固定至数控加工中心，悬臂部分采用等高块进行支撑，确保加工过程中不产生变形及振刀；装夹固定后，按照钻孔→粗镗→精镗工艺路线加工扇形件表面的均布孔，加工后应确保B表面预先加工的所有工艺孔全部去除。

（9）将扇形件B平面朝上固定至平面磨床，悬臂部分采用等高块进行支撑，确保加工过程中不产生变形及振刀；装夹固定后，将平面B磨削至成品尺寸，完成整个扇形件的加工。

4 改善效果对比

采用改进后的加工工艺连续生产100 件后，与原加工工艺进行对比（表1），可以看出：

表1 改善效果统计表

（1）产品的合格率显著提升，由原来的不到60%提高至96.7%。

（2）生产效率由原来的2.5 件/h 提高到了4 件/h，生产效率显著提高。

（3）生产成本较原加工工艺降低了26.2%。

因而工艺改善效果明显，可以采用该加工方法进行批量生产。

5 结语

通过对原加工工艺进行优化，并设计适合生产需要的工装夹具，提升了产品的合格率，满足了零部件装配的需求。由车削加工代替铣削加工，提高了扇形件的生产效率，在满足产品的产能需求的同时，降低了单个扇形件的生产成本。此次工艺改进为同类产品的生产提供了参考，具有极高的推广价值。