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編者按
面對引進先進設備、使用高效刀具和採集關鍵數據進行大數據分析的行業趨勢，針對工程機械產品結構件機械加工的特點，介紹設備、刀具及工藝等方面的現狀及發展。
近年來，隨著國家基礎建設的增速穩步回升及國內工程機械租賃行業的投資規模日益擴大，從2016年開始，工程機械行業形勢明顯好轉，2018年挖掘機等工程機械產品甚至達到了歷史銷量的最高點，挖掘機全年銷量達到18.4萬臺。另外，從2019年7月份開始，國家陸續推行「國六」排放標準的工程機械車輛。針對上述行業形勢，引進先進的設備擴大產能，使用高效的刀具提升加工效率，依靠設備聯網和關鍵數據採集、大數據分析等手段來保證產品質量成為行業發展的趨勢。
1. 設備方面
為了便於產品裝配，工程機械產品常採用鉸接形式，結構件設計有較大的鉸點孔，為了保證裝配的精度，常需要加工較窄空間內的鉸點孔端面，如果使用標準的對置式雙面鏜銑加工中心進行加工，則需要使用白鋼條車刀進行反刮，一方面效率較低且長期使用會對工具機精度產生不良影響，另一方面人工幹預程度較高，存在一定的安全隱患。因此，目前各工程機械主機廠商多採用非標專機或定製非標附件銑頭的方式來解決上述問題。
圖1所示是某型工程機械車輛的支腿加工專機，具有銑面及鏜孔等功能，這臺專機的特點是帶有一把直徑500mm的反銑刀盤，一般情況下標準的對鏜加工中心（通用設備）無法使用這樣大規格的刀盤，一方面是由於刀具尺寸太大及超重無法放入刀庫，另一方面裝卸刀具比較費力，但是作為專機卻很好實現這一點，刀具在主軸上安裝好之後，就不需要反覆拆卸，專門用於此種類型的結構件加工，加工效率較高。
圖1 支腿加工專機
圖2所示是一種用於加工挖掘機動臂的非標附件銑頭，該附件銑頭安裝在雙面對鏜加工中心的兩個主軸上，以銑面加工代替反刮加工，使用這種附件銑頭要求對鏜加工中心的數控系統具有雙通道功能，能夠實現工具機的X 軸 及Y 軸同步移動，加工效率較高且不會造成工具機劇烈振動。
圖2 非標附件銑頭
對於臂架類工程機械產品而言，常常有一些較長的型材需要機加工，例如矩形鋼管等零件，這些零件的長度有時能夠達到12m，雖然橫截面長寬尺寸不大（例如120mm×80mm），但工件過長，無法使用標準的小型三軸立式加工中心進行加工，因為這類工具機往往採用動工作檯的形式，裝夾上述工件不方便。針對這種情況，部分工具機廠商研製了專用的型材加工設備，很好地解決了這一問題。
圖3所示是佛山普拉迪公司研製的型材加工中心，該型工具機的工作檯尺寸可以達到12 000mm×600mm，採用工作檯固定、立柱移動的結構形式，非常適合較長的型材加工，設備利用率較高。
圖3 型材加工中心
2. 刀具方面
挖掘機、起重機、泵車等工程機械產品， 上車與下車通過迴轉支承來連接，可以實現轉臺等結構件的迴轉動作，因此在轉臺和車架結構上都有均布的螺紋孔，一般情況下使用搖臂鑽或龍門加工中心通過切削絲錐加工螺紋孔，部分車架等結構件上的螺紋孔加工深度較深，例如深度超過100mm的M16螺紋孔，這些螺紋孔在加工過程中存在排屑不暢的問題，導致絲錐易損壞折斷。
針對上述問題，採用擠壓絲錐加工車架上的螺紋孔。圖4所示是瓦爾特M16擠壓絲錐，加工的車架座圈材質是Q460，加工效果良好。擠壓絲錐使工件材料發生塑性變形然後形成螺紋，這種加工方式不會產生切屑，避免了因排屑不暢造成的絲錐磨損的問題。
圖4 使用擠壓絲錐加工車架上的螺紋孔
使用這種擠壓絲錐要注意，螺紋底孔比切削絲錐用的螺紋底孔略大，具體數值需查閱刀具廠家提供的樣本，儘量使用剛性攻螺紋的方式來加工，對應的刀具需使用絲錐專用彈簧夾套及ER彈簧夾套刀柄，另一方面還要求數控工具機具備剛性攻螺紋功能，圖4中的設備採用電主軸的驅動方式，加工成品上的螺紋孔質量較高。
部分工程機械產品因為要承受很大的力，所以車架及轉臺上的螺紋孔規格較大，有的螺紋孔規格達到了M48×5mm，這種規格的螺紋孔就不能使用切削絲錐或擠壓絲錐來加工，且工具機的功率也不足，因此一般使用螺紋銑刀來進行加工。圖5所示是瓦格斯TM4SC 40W42-120-3U螺紋銑刀，用於加工M48×5mm的螺紋孔效果良好。
圖5 螺紋銑刀
上述的這種螺紋銑刀採用單齒形式，刀頭直徑為32mm，可以加工直徑＞32mm的任意螺距規格的螺紋孔，編程刀具路徑如圖6所示。值得注意的是，銑螺紋工序要採用專業定製的後處理程式，否則易出現螺紋不合格的情況。
圖6 銑螺紋刀具路徑
3. 工具機附件方面
由於工程機械產品的部件主要通過焊接成形，結構件普遍存在焊接變形的問題，工件毛坯來料個體差異性較大，而且工件加工的第一道工序往往沒有精定位基準，所以經常每個工件都需要單獨設置工件坐標系，使用雷尼紹RMP60工件測頭就能高效地完成上述流程。圖7所示是雷尼紹RMP60工件測頭測量車架座圈凸臺中心點坐標的過程，雷尼紹公司提供了凸臺測量的子程序L9812，用戶自行編程調用即可。L9812子程序將測量出來的凸臺中心坐標自動賦值到用戶指定的工件坐標系中，避免了人工對刀可能造成的失誤。除了測量凸臺中心坐標，用戶還可以在凸臺上表面的四周取4個點測量Z 軸坐標，用於判斷工件是否需要調平，較大程度地提升了機加工自動化程度，降低了操作工的勞動強度。
圖7 工件測頭測量凸臺中心點坐標
在零部件機加工過程中，有時會出現刀具破損或者磨損的情況，這時就需要及時更換刀具或者修改刀具的刀補數據。傳統的方式是靠經驗及肉眼判斷刀具的磨損情況，常需要中止正在自動運行的程序，降低了機加工全過程的自動化率。雷尼紹公司針對上述情況，研製了TS-27R型刀具破損檢測系統，該裝置能夠檢測刀具是否出現磨損，並能自動將半徑及刀長等數據賦值進數控系統的刀補數據中，避免了因刀具造成的工件尺寸超差問題，且操作工不需要再將刀具運至固定式對刀儀上進行對刀，縮短了輔助工時。
隨著國內人力成本的不斷提高，公司往往需要一名操作工同時操作多臺設備，採用上述工具機附件能提升機加工的自動化程度，儘量減少人工幹預，使操作工不需要在多臺設備間奔波，實現了一人多機的生產模式。
4. 結語
本文針對工程機械產品結構件的加工特點，從加工設備、刀具、工具機附件這三方面介紹了新工藝在工程機械行業的應用情況。在當前的行業發展形勢下，提升機加工的自動化程度、提升生產效率、釋放設備產能是企業面臨的主要問題。除了上述幾方面以外，用戶還可以從高效自動化夾具、加工模擬仿真、關鍵生產數據監控及採集等角度考慮，提升加工效率及質量。
本文發表於《金屬加工（冷加工）》2020年第12期12~14頁，作者： 徐工消防安全裝備有限公司李雲，原標題：《工程機械產品結構件加工現狀及發展》。
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