16RK270型船用柴油机传动箱划线创新

2023-11-10陈仁平

中国重型装备 2023年4期

陈仁平

(中车大连机车车辆有限公司,辽宁大连 116021)

16RK270型船用柴油机是一种增压、中冷、高功率、四冲程技术先进的中速柴油机,功率覆盖面达2.75～7.55 MW,市场需求大。传动机构是将一部分曲轴动能,通过齿轮传递给保证柴油机正常工作所必须的附件[1]。传动箱作为传动机构的零部件(见图1),将发动机的输出扭矩传输到船舶的轴系上面,而使船舶前进。传动箱可以起到减少振动、降低噪音、保护船舶结构,以及提高船舶安全性的作用。

图1 16RK270型船用柴油机传动箱装配图Figure 1 Assembly of 16RK270 marine diesel engine drive housing

传动箱体积不能过大,过大的传动箱既增加了整机的重量,又增大了整机的体积。为了减小传动箱的体积和重量,箱体内部的空间不能太大,各种零件装配后,剩余的空间已经很小了[2]。因此,划线创新及其操作法是保证成品传动箱质量的关键。

1 传动箱主要技术参数

16RK270型船用柴油机传动箱为铸铁材质整体铸造件,用于安装油泵、水泵、检查孔盖、输出轴、密封结构等[3]。安装孔分布在箱体的顶面上,各孔的尺寸精度和形位精度要求很高。

传动箱检查孔孔径的尺寸公差为+0.05 mm,孔的形位公差,是孔的加工表面与设计的基准平面,即箱体的顶面垂直度为0.025 mm,表面粗糙度为Ra1.6 μm。两个安装主动齿轮孔径的尺寸公差为轴孔公差0.066 mm,两个安装从动齿轮的孔径尺寸公差为轴孔公差0.066 mm。上述4个安装孔的形位公差,是孔径的加工表面到基准平面的垂直度为0.025 mm,表面粗糙度Ra1.6 μm。底面形位公差是到顶面的平行度公差为0.05 mm,表面粗糙度为Ra1.6 μm。

2 划线难点分析

(1)16RK270型船用柴油机传动箱形体较大,铸造过程中产生的尺寸偏差和形状偏差也相对较大,造成待加工孔系的加工余量不足,给划线带来了一定的困难。

(2)传动箱的长、宽、高三个方向尺寸相差不大。在立体划线,即空间划线翻转箱体时,合理地选择第一划线粗基准是划线的关键。

传动箱体积较大,且外形特异,找正箱体需要调整千斤顶。选择安全可靠的支承点是完成划线作业、规避作业安全风险的保证。

(3)划出第一个方向的基准线,翻转箱体进行第二个、第三个方向找正时,由于基准线不在垂直于基准平面,即划线平台的立面上,用直角尺找正,视觉误差的大小决定着划线的误差程度。

因此,合理的选择划线基准、规范的选择借料的大小和方向,是保证箱体内各种零部件顺利装配的关键。

3 划线创新

根据图样分析、生产安排及设备使用情况,划线工艺设计为一次划线完成划线工序。

3.1 Z方向的尺寸确定

将传动箱用三个可调千斤顶支持在划线平台上,为了保证合理的装配空间,选择箱体顶面的内表面为第一划线粗基准。

选择粗基准的原则是:

(1)以不加工表面作为粗基准时,应以与加工面的位置精度要求较高的表面作粗基准。

(2)如工件需保证其重要表面的加工余量均匀时,则应以该表面为粗基准。

(3)已能使用精基准定位时,不再重复使用粗基准。

(4)已确定使用的粗基准,应力求定位准确、夹紧可靠。夹具结构应简单、操作方便。

因此,把划线盘通过顶面∅298.450 mm+0.050 mm的观察孔,放到作为基准平面的划线平台上。把自制的弯头弧面划针锁在划线盘上,用划针的弧面磨取箱体顶面的内表面,使其处在一个平面内。取出划线盘后,对准测高尺零线,确定零点。用另一个锁有直杆尖头划针的划线盘,向上+46.038 mm,划出传动箱顶面的加工界限。检验4.763 mm凸台尺寸,是否满足零件的结构要求。检验坐标尺寸为422.275 mm处,直径为∅88.900 mm安装机油溢流阀的4个螺纹孔,是否在加工平面的合理的位置上。最后,划出传动箱底面的设计尺寸498.475 mm的尺寸界限。

3.2 Y方向坐标尺寸的确定

将传动箱直立,支持在三个可调千斤顶上。因为不共线的三个点确定一个平面,是平面几何领域一条不需要证明的公理,无论怎样调整千斤顶,最终只能确定一个平面,所以,采用“三点调整法”具有可靠的稳定性。用直角尺对齐Z方向划出的基准线,调整千斤顶,找正箱体相对于作为基准平面的划线平台滑动平面。用自制的弯头弧面划针弧面向下,磨取相应面积的平面,使各点处在一个平面内。向上+404.813 mm,对准测高尺确定坐标零点,并检验上端半圆弧面,即半径为R403.225 mm尺寸内表面的误差程度。如果误差较大,再做调整,使各处误差尺寸满足零件要求的装配空间。划出X方向的基准零线并延长到四个毛坯表面,以此线为箱体的X轴。划出传动箱上部安装油管的加工表面,即尺寸为363.538 mm的加工线,按照图样的坐标尺寸,检验相关各待加工孔在Y方向的尺寸坐标(见表1)和加工面的位置误差。

表1 16RK270型船用柴油机传动箱各加工孔圆心坐标及孔径尺寸(mm)Table 1 The center coordinates and hole size of each machining hole in the drive housing of 16RK270 marine diesel engine(mm)

3.3 X方向坐标尺寸的确定

将传动箱空间翻转侧立,用直角尺找正Y方向、Z方向相对于作为基准平面的划线平台滑动平面。用两个划线盘上锁紧的弯头弧面划针,磨取箱体底部,即半径为R403.225 mm的毛坯圆弧上、下两个内表面,平分两点的尺寸确定零线,作为零点坐标。划出基准线并延伸到毛坯的四个表面,作为坐标Y轴。以X轴、Y轴的交点为坐标原点(见图2),在X轴、Y轴方向分别划出正、负各150 mm的四条尺寸线。由此四条尺寸线合围成的边长为300 mm的正方形作为平面粗基准,以备数控立车车削顶面安装检查孔盖的∅298.450 mm+0.050 mm孔时,找正定位使用。而X、Y轴在四个表面的延伸线,作为五面体加工中心装夹找正、调整旋转方向时使用。按图样的坐标尺寸检验各待加工孔在X方向的坐标尺寸(见表1),以及加工面的加工余量。

图2 16RK270型船用柴油机传动箱坐标及尺寸图Figure 2 Coordinate and dimension of 16RK270 marine diesel engine drive housing

在确定X、Y方向尺寸基准线时,以箱体底部的内表面为粗基准,同时要检查顶部内表面的空间结构,以规避因顶部尺寸偏差过大,造成顶部内表面的空间不足而产生装配干涉,导致影响箱体内的零件无法顺利装配。

划线过程中应该考虑预后情况,由于铸造工艺产生的偏差,导致零件的形状与尺寸发生改变。对于划线完成后可能产生的结果,有个正确的预判。能够使划线作业少走弯路或不走弯路,以减少重新划线带来的空间翻转箱体,所造成工时的浪费。

4 划线过程的定位支承

稳定的支持点是划线质量和作业安全的保证。16RK270型船用柴油机传动箱毛坯,外形表面形状较复杂,没有一个稳定的平面提供给划线作业作为可靠支承。有的支持点需要把可调千斤顶放置在垫铁上增高,更加剧了支点的不稳定性。极易发生由于千斤顶底面滑动,而使箱体的支承结构倒塌,形成安全漏点,发生安全事故。因此,划线作业时,必须有吊车辅助牵引,支持面下方垫二块枕木,以最大限度地消除安全隐患,保证人员的安全和毛坯的质量。

5 划线基准的选择

基准的选择非常重要,如果基准选择不当,加工完成后的成品传动箱,会造成零件无法装配问题的发生。作为典型的箱体类零件,划X、Y方向尺寸界限时,如果仅仅选择箱体底部的内表面为粗基准,而怱略了对箱体顶部内表面空间的尺寸检验,会造成安装的零件在顶部发生装配干涉,无法顺利装配。如果以箱体顶部内表面为划线基准,箱体中心平面的误差反映到箱体的底面,箱内零件装配到顶部,合箱后顶部的零件同样与内表面发生干涉,无法顺利装配。并且箱体底面的安装孔伴随着尺寸偏差,一边的安装孔由于偏差过大而导致孔壁过薄,减弱了安装孔的强度。而相对的一边相应的在锪平安装孔时,刮削到箱体的外表面,同样影响箱体的外观质量和强度。因此,在选择划线基准时,不能仅仅只考虑箱体的底部空间,同时也要保证箱体的顶部有足够的安装空间。

在翻转箱体进行立体划线时,由于铸造过程中产生的偏差,在确定底面的加工界限后,并使用该方向的线条作为粗基准,翻转箱体会存在顶部和底部中心平面不重合问题的发生。因此,在确定划线粗基准,进行第一个方向的划线时,凭借积累的经验,通过预后,要对箱体的结果有一个准确的预判。尽量避免划线工序进行到最后时,采用借料划线来弥补铸造过程产生的偏差,所带来的铸件加工余量的不足和结构的改变,提高划线效率。

6 划线在机械加工中的使用

车削传动箱顶面和顶面检查孔,由数控立车完成。将箱体吊装到数控立车卡盘的三个可调千斤顶上,底面向下,调整千斤顶,用划线盘按底面周边所保留的加工界限的线条来找正该平面,使其与作为基准平面的卡盘表面平行。在找正顶面所划的作为平面粗基准的300 mm正方形四个顶点后,用4个卡盘爪夹紧。使用压板在安放三个可调千斤顶位置的上方压紧,使作用力与反作用力作用在一条直线上,可减轻夹紧变形,减小内应力,使装夹更加牢固[4]。

由于箱体顶面结构不是圆形表面,形状不规则会造成断续切削的发生。传动箱为整体铸铁件,切削性能好,抗振性强,对刀具的磨损较低,因此,对刀具的材料没有特殊要求[5]。但是,为了保证顶面加工后表面的粗糙度,使用数控立车进行插补程序加工。设定程序调整车削的切削用量,完成数控立车对传动箱的车削加工[6]。

将完成车削工序的传动箱顶面向下,把顶面安装检查孔盖的∅298.450 mm+0.050 mm的孔作为工艺定位孔,安放在五面体加工中心工作台的定位盘上。以X、Y轴在4个毛坯表面的延长线为装夹基准,调整传动箱的旋转方向,找正箱体装夹牢固后,设定定位盘的圆心为零点,编制加工程序[7],进行五面体加工中心工序的加工。

7 划线与智能制造结合

7.1 智能划线仪

本文所述的传动箱划线工艺,采用传统的划线手段在划线平台进行划线作业。随着智能技术的广泛应用,可以采用智能划线仪进行操作。

将传动箱支持在划线仪的工作台上,调整三个可调千斤顶,以箱体顶面的内表面为Z方向的粗基准,并以箱体的底部内表面为X、Y方向的粗基准,同时检验顶部内表面的结构尺寸后,设定三维坐标零点。把图样上的有关坐标尺寸注入三维划线仪的系统中,按照坐标尺寸注入系统显示在显示屏上。用划线仪滑头的卡锁锁紧的划针,完成三个坐标方向的划线操作。该操作可减少箱体在X、Y两个方向的翻转次数,仅在一个方向,即Z方向就完成箱体的划线工序,使立体划线变为平面划线,消除因翻转箱体带来的安全隐患,使划线变得简单,节省划线工时,提高划线效率。

7.2 智能划线的误差消除

由于三维坐标划线仪的划针在锁紧后,需要与卡锁有相对的旋转运动,来完成划针的移动,以达到在工件毛坯表面上,留下工件尺寸界线的线条和基准线线条的操作。因此,如果卡锁锁过紧,就会造成间隙小,摩擦力大,划针旋转就困难;如果卡锁锁过松,就会造成摩擦力小,间隙大,划线的误差就大。所以,为了消除锁紧间隙带来的划线误差,在划线操作中,划针应向卡锁的同一个方向靠着使用,以消除卡锁与划针的装配间隙,在划线操作过程中产生的不重合误差,使划线更加准确。

7.3 建立柔性生产线

建立柔性生产性,是追求工艺流程的合理性、生产管理的有序性、生产效率的高效性;能够快速灵活地生产,适应各种需要的高质量产品的工艺技术、生产技术和管理技术;使工艺更加流畅,生产更加有序,减少一个工序到下一个工序之间的时间浪费,缩短产品品种的转换关系,达到降低作业工时的目的[8]。

由于工艺布局的不合理,使得产线操作人员毫无价值的移动,从而降低生产效益,不能达到连续作业的流程。

企业动迁搬入新厂区后,重新进行工艺调整。由划线平台、数控立车、五面体加工中心组成柔性生产线。采用拉式生产方式,由库房根据Mes指令[9],将毛坯投送划线平台。经划线平台,数控立车,最后由五面体加工中心产出。经钳工打磨清洁,检查验收,列单入库,出库组装。准时化生产,全员参与改善,全力打造具有典型柴油机制造特征的智能制造工厂[10]。