基于TRIZ理論的大直徑長距離同軸心孔系加工裝備設計

劉浩東，李靜宇，張杰義，孫宇航

河南衛(wèi)華重型機械股份有限公司 河南長垣 453400

劉浩東

1 序言

近年來隨著我國制造業(yè)升級步伐的不斷加快，各生產企業(yè)對高效率及高效益的執(zhí)著追求，整體起運吊裝現(xiàn)象越來越普遍，這就要求吊裝用起重機的起升質量、作業(yè)幅度和起升高度越來越大，大型起重機的使用需求不斷增加[1]。在大型起重機中，大噸位冶金橋式起重機作為金屬冶煉、軋制與熱加工等施工領域中重要的作業(yè)設備，其需求數量也隨著我國鋼鐵行業(yè)的發(fā)展不斷增長，其研發(fā)和制造越來越受到起重機生產企業(yè)的重視[2]。

橋架是大噸位橋式冶金起重機中的重要部件，其臺車連接孔及端面的加工又是橋架制作流程中最重要的一環(huán)。加工連接孔時，橋架吊運及校正困難，且機床移動安裝校準時間耗時太長，傳統(tǒng)加工方法是通過制造一根專門的鏜桿使鏜頭與鏜床連接，增加鏜刀伸長距離，從而完成鏜孔加工。但由于橋架連接孔間的間距較大，所以為保證強度及剛度，加工時所需要的鏜桿需加粗加長?？墒晴M桿使用次數較低，造成材料的嚴重浪費。此外，鏜桿加工難度較大，加工成本高，制作效率較低，占用設備時間長，影響公司的生產計劃。因此開發(fā)專門的工藝裝備以降低成本和提高生產效率成為亟需解決的問題。

在對連接孔間距為4500mm、孔徑450mm的橋架整體加工時，由于傳統(tǒng)加工方法加工成本高，材料浪費嚴重，加工效率低，與國家提倡的“綠色制造”發(fā)展模式不符[3]，因此為了解決此類加工難題，優(yōu)化加工工藝，減少材料浪費，降低生產成本，提高加工效率，我們結合公司實際情況，設計制造了一套加工大直徑、長距離孔系的加工裝備，以完成此種規(guī)格的起重機橋架臺車連接孔及端面的加工。

2 設計方案

2.1 問題分析

TRIZ理論是發(fā)明問題的解決理論，其為人們創(chuàng)造性地發(fā)現(xiàn)問題和解決問題提供了系統(tǒng)的理論和方法工具。在設計工藝裝備時，不同的發(fā)明創(chuàng)造往往遵循同樣的設計規(guī)律，因此通過使用TRIZ理論中的40條發(fā)明創(chuàng)造原理及其統(tǒng)一規(guī)則，并結合生產實際情況，可快速確定工藝裝備設計時的核心問題，找出其中的物理沖突及技術沖突并加以解決[4]，沖突解決模式流程如圖1所示。

圖1 沖突解決模式流程

加工孔時，加工所產生的彎矩可能會超過機床鏜桿自身的強度，使鏜桿端部彎曲，造成整根鏜桿報廢。為減少材料浪費，通過使用分割原則，將鏜桿分割為錐柄、端部鏜桿、鏜桿中間節(jié)和尾部鏜桿4部分，增加鏜桿的分割程度，使鏜桿成為可拆卸的，當某節(jié)鏜桿發(fā)生彎曲時，只需更換這節(jié)鏜桿，就可完成設備維修。同時通過這種方式，鏜桿的直徑由原來的200mm減少到90mm左右，極大地減少了材料浪費。

根據力學分析，由于重力作用，鏜桿中心線與水平方向存在一定夾角，所以鏜桿越長，向下的作用力越大，夾角越大。主軸旋轉時產生的向心力會與鏜桿自身重力一起作用，增大夾角，變相增加鏜孔尺寸，造成工件報廢[5]。為避免此類現(xiàn)象發(fā)生，利用反重力原則和“預先放枕頭”原則，設計工裝時在鏜桿上增加一個支撐機構，為鏜桿提供支持力，抵消重力作用，同時限制鏜桿的自由度，降低鏜桿旋轉時的抖動，減小加工時鏜桿中心線與水平方向的夾角[6]。

傳統(tǒng)鏜削工序的精髓在于通過手動敲擊來調整刀具的進給量，工件的鏜削精度完全取決于操作人員的技術水平和操作熟練程度，不利于標準化生產，同時傳統(tǒng)鏜孔方法繁瑣、勞動強度大、加工效率低，故而為降低勞動強度，提高鏜削精度，基于多功能原則，結合生產實際，決定設計一個轉換機構[7]，將主軸旋轉產生的力分為兩部分，一部分帶動刀具做回轉運動，另一部分通過轉換機構推動刀具徑向進給，實現(xiàn)一個物體的多功能作用。

2.2 結構設計

該孔系加工裝備主要由鏜桿保持架、聯(lián)接裝置、分段式鏜桿及鏜頭4部分組成，通過各部件的相互協(xié)作，可完成臺車連接孔間距為4500mm、孔徑450mm的橋架的加工，其主要結構如圖2所示。

圖2 孔系加工設備結構

鏜桿保持架、聯(lián)接裝置和分段式鏜桿是整個裝備中動力的傳遞機構，其中鏜桿保持架包括軸承、調整架等部件，主要作用是限制鏜桿自由度，為鏜桿提供支持力，抵消鏜桿的重力作用，確保鏜桿與主軸的同軸度，降低加工過程中鏜桿的彎曲程度。分段鏜桿主要由錐柄、端部鏜桿、鏜桿中間節(jié)（每節(jié)長度為1000mm）及尾部鏜桿4部分組成，為便于拆卸，使用聯(lián)接套將兩節(jié)相鄰鏜桿通過螺紋聯(lián)接起來，確保聯(lián)接緊固。聯(lián)接裝置主要部件為萬向聯(lián)軸器，確保錐柄與端部鏜桿聯(lián)接方式為柔性聯(lián)接，分散鏜桿端部部分力的作用，減小鏜桿所受的彎矩，確保鏜桿不發(fā)生彎曲。

本孔系加工裝備作為鏜銑類機床的輔助加工設備，主要完成鏜孔、銑端面和鏜環(huán)形槽、階梯孔等多種加工工藝。使用時，依據工件實際情況，將端部鏜桿、適當節(jié)數的鏜桿中間節(jié)及尾部鏜桿相互聯(lián)接，并在鏜桿上安裝適量鏜桿保持架。校平校直工件后，安裝錐柄及鏜頭，根據待加工孔孔徑，調節(jié)鏜床保持架中調整架，確保主軸軸線、鏜桿軸線及待加工孔軸線重合；調節(jié)鏜頭刀架滑塊上刀柄的伸縮長度至合適位置，通過撥銷設置進給速度，固定手柄后開始加工工件。

2.3 裝備特點

（1）操作簡便 原有的鏜桿長度超過4m，直徑超過200mm，每次使用時鏜桿都需要使用起重機進行長時間的校平，而此孔系加工裝備中將1根鏜桿分為4部分，每節(jié)鏜桿長度1m左右，直徑為100mm左右，鏜桿總自重降低到原來的1/4左右，同時相鄰部分之間采用可拆卸的柔性連接，極大降低了鏜桿校平的難度，縮短加工準備時間，減輕操作人員的勞動強度。

（2）加工精度高 鏜頭采用自動化進給機構，將主軸旋轉運動裝換為兩部分，一部分帶動刀具做回轉運動，另一部分推動刀具以一個相對固定的速率做橫向進給運動，減少了傳統(tǒng)敲刀法因操作人員水平不同所帶來的工件加工質量不一致的問題，降低了加工過程中振刀次數，避免了接刀痕的產生，提高加工效率及加工面精度。

（3）使用范圍較廣 該設備可通過調整刀具在鏜頭滑塊上的安裝位置、鏜桿上鏜桿中間節(jié)的連接數量及鏜桿支撐架安裝數量，滿足長度在1000～6000mm、孔徑或孔加強圈直徑在450mm以內的工件的加工。

3 經濟效益分析

通過對工藝優(yōu)化前后對比分析（見表1），可發(fā)現(xiàn)：與優(yōu)化前相比，優(yōu)化后橋架加工前的準備時間縮短1/3左右，加工時間縮短約1/5；此外鏜桿質量減少為原來的1/4左右，鏜桿報廢率減少為原來的1/3左右，鏜桿制作效率提高200%左右。該工裝的使用降低了操作人員的勞動強度，提高了車間自動化程度，提高了工件的加工精度，縮短了產品生產制作周期，同時降低了材料浪費，提高了材料利用率。

表1 工藝優(yōu)化前后對比

在大直徑長距離孔系加工裝備投入生產后，每年可節(jié)約成本20萬元，加工效率提高20%，生產轉運時間減少，工藝流程更加合理，工序間銜接更加緊密，各工位相互配合，橋架加工質量得到顯著提高。此裝備投入使用，減少了加工過程中橋架的吊運次數，降低了操作人員的勞動強度，避免了轉運橋架時所帶來的安全隱患，提高了橋架制造的安全系數。

4 結束語

隨著制造業(yè)的發(fā)展，起重機的應用越來越多，加工問題越來越受到人們的重視。針對冶金起重機橋架連接孔間距在4500mm、孔徑450mm的橋架整體加工問題，本文介紹了一種大直徑、長距離孔系加工裝備，該裝置設計結構嚴謹，使用經濟，操作簡單方便，加工面平整光滑，加工效率高，很好地解決了橋架加工過程中鏜桿彎曲問題；同時通過調節(jié)鏜桿中間節(jié)數量，可用于多種規(guī)格橋架加工。此加工裝備中TRIZ理論的40條發(fā)明創(chuàng)造原理的合理應用，降低了工藝裝備的設計難度，為后續(xù)相似問題的解決提供了經驗。