你了解曲轴高效加工的专用机床吗?看完就成半个专家了

2015年12月01日

发动机曲轴加工机床的高效专用性是曲轴制造装备的一大典型特征,“高效专用”对机床的基本要求是高刚度、高速度、大功率。高效专用机床的基本特征是量体裁衣型,即按照用户需求提供个性化产品。

 

  高效专用机床具有精益性——去除冗余功能,具有高效率和极强针对性的特点。现代高效专用机床的供货方式是整体解决方案。整体解决方案有如下要求:

 

  (1)协同工程 要求从设备研制到投产后都采用协同工程——与上下游合作伙伴(供应商)及用户,通过异地设计建立动态联盟。联合研制贯穿于全过程,为用户服务贯穿于产品全生命周期。

 

  (2)集成能力 要求供货商熟悉用户产品(包括预测中期发展的新产品),熟悉用户工艺,具有编程能力、设备优化使用能力、工艺装备成套能力及集成能力,即可将工艺系统、物流系统、信息系统集成为制造单元及完成相应的人员培训。

 

  (3)具备自主技术创新能力 要求供货商提供的不仅是全面的,还必须是当代技术水平可达到的“最佳”方案。促使供货商实现用户需求“拉动”的自主创新。同时,与用户联合研制过程中积累的大大小小创新,为开发的产品“原创性”打下基础。

 

  (4)具备经济分析能力 要求供应商能够根据用户资金(包括动态资金)提出几个方案及报价,并且为用户提出投资回报周期及盈利分析。

 

  (5)能生产样件 按照用户提供拟加工工件图样或典型工件的图样和技术要求,提出应达到的生产率(单件加工工时)和质量水平(均应适当地高出现有的水平),工件在本机床加工前后工序的情况,试制出合格样件。使得机床一到厂即可立即投入生产,而且加工效率和加工质量均能立刻稳定可靠地符合或高于用户原来提出的要求,立即开始创造效益。

 

典型曲轴高效专用机床

 

1.曲轴质量定心机

  曲轴属于细长类零件,加工过程中主要定位基准是两端中心孔。按其加工位置可分为两种:几何中心和质量中心。几何中心就是利用双V形块或其他方式找出曲轴支承轴颈的几何中心,在此中心上加工出的中心孔称为几何中心孔;质量中心是利用专门的质量定心机测出曲轴的质量中心,在此中心上加工出的中心孔称为质量中心孔。由于毛坯的几何形状误差和质量分布不匀等原因,一般两者并不重合。国外大都采用了质量中心孔,利用专门设计的测试设备来测试质量中心,然后加工出中心孔,并且可将铣两端和加工质量中心孔合并为一道工序,采用CNC技术控制,加工效率很高。这样就基本上解决了由于采用几何中心孔而造成的问题。但值得一提的是,若毛坯弯曲变形严重或质量严重分布不均匀,采用质量中心孔仍不能彻底解决上述问题。

 

  全自动曲轴质量定心机的工作原理是:曲轴放置在两端滑动单元法兰盘的支撑上并被夹紧,法兰盘回转中心形成测量中心线。回转过程中,支撑的位置即曲轴的位置不断调整,使质量中心线靠近回转中心线。当曲轴毛坯不平衡量很小,接近设定值时,钻削单元钻中心孔。此中心孔作为后续加工步骤的定位基准。

2.数控车-车拉机床

  车拉技术是起源于美国的一项技术专利,在曲轴加工中逐渐得到发展。目前应用较为普遍,在国外大量用于半精加工曲轴的主轴颈和连杆轴颈。车拉技术加工形式可分为三种:直线车拉、内环刀具旋转车拉和外环刀具旋转车拉。

 

  车拉工艺大约在1983年开发出来,从1983~1988年短短的五年中,车拉工艺从直线式发展成回转式,到1988年发展到车-车位工艺,到目前为止其拉削方法也逐步改为梳刀工艺代替。

 

  其主要特点有:一次设定能完成所有同心圆的车削,具有在同一台机床上完成车-车拉加工、高效率、通过使用特殊卡盘和刀具系统实现柔性加工、机床保养简便及维护成本低等优点,特别适用于平衡块侧面不需加工、轴颈有沉割槽的曲轴。其中拉削工艺可用高效的梳刀技术代替,梳刀加工通常放到该工序的最后工步,通过微量的径向进给和纵向车削实现高速精加工。

 

  采用梳刀工艺的优点在于精度高、效率高、切屑易清理、轴向进刀量小等。

3.数控高速外铣机床

  20世纪90年代中期开发出来的CNC高速外铣技术,对于平衡块侧面需要加工的曲轴,比CNC车削、CNC内铣、车-车拉的生产效率还要高。以四拐曲轴为例,CNC车-车拉工艺加工连杆轴颈要两道工序,而CNC高速外铣只要一道工序就能完成(应用工件回转和铣刀进给伺服连动控制技术,可以一次装夹不改变曲轴回转中心,随动跟踪铣削曲轴的连杆轴颈)。CNC高速外铣技术具有以下优点:切削速度高(高达350m/min)、切削时间较短、工序循环时间较短、切削力较小、工件温升较低、刀具寿命高、换刀次数少、加工精度更高及柔性更好。所以CNC高速外铣将是曲轴主轴颈和连杆轴颈粗加工的发展方向。

4.数控内铣机床

  数控内铣是20世纪80年中期出现的工艺,数控内铣加工性能指标要高于普通外铣加工,尤其是对于锻钢曲轴,内铣更有利于断屑,刚性特别好。数控内铣铣削工艺是目前国际上曲轴连杆颈粗加工先进的加工方法之一,尤其对于大功率锻钢曲轴的加工内铣工艺更是首选。内铣机床有多种加工形式,使用最多的是曲轴固定型数控曲轴内铣加工工艺。其主要特点是:生产效率高、加工精度好、适用范围广、柔性好。

5.CBN数控曲轴磨床曲轴

  加工传统的磨削工艺均采用磨削线速度为35m/s的普通曲轴磨床,砂轮进给和修整为手动进给,轴径和台肩的磨削余量大,砂轮寿命低,需技术工人精工细作才能磨出精品,因此产量和质量总是非常矛盾。目前曲轴磨削采用多种磨削方式来加工,图4为曲轴CBN磨削

6.曲轴深油孔加工专机

  曲轴深油孔加工是曲轴尤其是锻钢曲轴加工中的一个难题。曲轴深油孔的直径一般在5~8mm,从主轴颈到连杆颈倾斜贯通,属典型细长孔而且在曲面上加工,工艺性差。

 

  加工深油孔最好的办法是采用枪钻工艺。枪钻不但可用来加工深孔(径长比1∶250),而且也可用来加工浅孔(径长比1∶1)。枪钻由钻柄(用于装夹刀具)、钻杆(用于连接刀头,按加工孔的长度确定,采用韧性较好的材料)、钻头(切削部分,刀尖是偏心的,采用硬质合金材料)三部分焊接在一起,中间有一通孔,外侧面有一直V形槽。依靠中间通孔实现内冷却,切削液从刀上的通孔喷出,可直接对切削区冷却。当使用高压切削液时,其切屑能从被加工孔中通过直V形槽有效排出,无需在钻削过程中定期退刀来排出切屑。在加工细长孔时,枪钻可以将钻孔、镗孔、铰孔一次完成,一次进给便可加工出精度IT6~IT8级、直线度0.16 ~0.33mm/1000mm和表面粗糙度值R a=3.2~0.1µ m的孔。

 

  加工发动机曲轴的深油孔时需选择专用的枪钻油。一般枪钻用的切削液应有极压添加剂,以保证在高压下形成油膜,防止产生干摩擦。切削液的黏度与钻孔直径有关,直径越小,黏度越低。送往枪钻切削区的切削液和一般金属切削加工的切削液相比具有压力高、流量大、过滤精度高的特点。流量应随孔深的增大而增大,以保证切削液有更大的流速,达到通畅排屑的目的。

 

  7.曲轴圆角滚压机床

  曲轴工作时需承受较大而复杂的冲击载荷,对抗疲劳强度有较高的要求。曲轴轴颈与侧面的连接过渡圆角处为应力集中区,也是曲轴疲劳破坏的敏感区域,是薄弱环节。因此,国外发展了圆角深滚压技术代替成形磨削方式。曲轴的圆角滚压,就是利用滚轮的压力作用,在曲轴的主轴颈和连杆轴颈过渡圆角处形成一条滚压塑性变形带,这条塑性变形带具有以下特点。

 

  (1)产生残余压应力 可与曲轴在工作时的拉应力抵消或部分抵消,从而提高疲劳强度。


  (2)硬度提高 滚压使圆角处形成高硬度的致密层,使曲轴的机械强度和疲劳强度得到提高。


  (3)表面粗糙度值降低 圆角滚压可使圆角表面粗糙度值Ra达到0.1µ m以下,从而大大减小了圆角处的应力集中,提高了疲劳强度。

 

  国外应用的曲轴圆角滚压技术已相当先进,可一次对所有圆角进行滚压完成,且可做到主轴颈与连杆轴颈圆角的压力不同,同一连杆轴颈圆角在不同方向上的压力也可不同。这样可经济地达到最佳的滚压效果,最大限度地提高曲轴的抗疲劳强度。

 

结语

 

  高效专用机床提供了曲轴加工的整体解决方案,使曲轴加工技术走向高效复合化。但曲轴高效专用机床也有它的加工局限性,只有合理应用合适的加工机床,才能发挥出曲轴加工机床的高效专用性,从而提高工序的加工效率。

来源:河南省锐环商贸有限公司
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