为机床工具企业提供深度市场分析                     

用户名:   密码:         免费注册  |   申请VIP  |  

English  |   German  |   Japanese  |   添加收藏  |  
东台精机
加工中心

车床 铣床 钻床 数控系统 加工中心 锻压机床 刨插拉床 螺纹加工机床 齿轮加工机床
磨床 镗床 刀具 功能部件 配件附件 检验测量 机床电器 特种加工 机器人

加工中心

电工电力 工程机械 航空航天 汽车 模具
仪器仪表 通用机械 轨道交通 船舶

搜索
热门关键字:

数控机床

 | 数控车床 | 数控系统 | 滚齿机 | 数控铣床 | 铣刀 | 主轴 | 立式加工中心 | 机器人
您现在的位置:加工中心网> 技术前沿>某曲轴平衡重凹槽加工技术攻关
某曲轴平衡重凹槽加工技术攻关
Aug 23, 2021  来源:-  作者:-


      摘要:针对某大型曲轴生产研制以来,平衡重凹槽加工中的难点问题。根据实际情况对比分析与模拟仿真,采用车铣中心进行空间3D铣削及相位旋转与补偿的方法逐一加工,完成了6组共12个平衡重凹槽的攻关,为类似零件的研制提供了新的思路与工艺方法。

      关键词:大型曲轴;配重槽;仿真;空间三维;铣削相位旋转与补偿

      0 引 言
  
      曲轴是发动机中的关键零件,起着传递动力的作用,工作时承受着复杂的交变应力,曲轴的质量直接影响发动机的动力性能和整机使用寿命。在其每一拐径上的平衡重凹槽装配平衡重,是为了平衡连杆大头、连杆轴颈和曲柄等产生的离心力及其力矩,以使发动机平稳运转,减少主轴颈负荷。平衡重一般有2种类型:第一种平衡重与曲轴连为一体,也就是与曲柄模锻为一体,设置在曲柄前端,一般用于小型曲轴中;第二种平衡重是单独设置一平衡块,用螺栓与曲柄前端面连接,常用于大型曲轴中。某平行重凹槽为空间递减3D结构,不易加工与测量,且尺寸精度与形位公差要求严格,在每拐径上分布的相位不同,加工数量多、风险高、难度大,直接影响某型柴油机装配与试验进度。1 零件结构与材料切削加工性每一零件在加工前都必须对其结构特点、技术要求、材料可切削性能等进行细致分析,找到加工的关键环节及难点所在。以根据实际情况选择机床、刀具及装夹方法,最终制定工艺路线。

     1)零件结构如图1所示,其结构特点是:零件为大型轴类锻件,该曲轴的外形尺寸全长为5495 mm,总质量约为5700 kg,轴颈、拐颈外圆尺寸相同157.5 mm,每一拐颈相位相隔120°呈圆周均匀分布共2组6拐。在拐颈的两边都有一个拐臂,拐臂上的凹槽用于挂载平衡重。其工艺参
数要求:R40、R5、120°、30°、20°、159±0.2、83.5、45、Ra0.8、Ra3.2。
  
  
  
图 1 某曲轴平衡重加工示意图
  
     2)零件材料为42GrMo,硬度41~45 HRC属于难加工材料。由于被加工零件硬度较高,刀具与零件在切削区摩擦因数增大,切削过程中产生的热量大、温度高,使硬化加剧。工件材料强度、硬度不断提高,切削力增大,致使加工刀具磨损较快,机床消耗功率过大[1]。
  
     3)零件加工容差及检测方法。需要测量相对于基准B面的误差0.05°,表面粗糙度Ra0.8 μm,以及R40、R5、20°。基于加工后的检测要制作专用角度卡规以测量0.05°误差,R40、R5、20°可用样板测量,以照光间隙测量是否合格。
  
     2 、加工工艺性分析
 
     1)该凹槽不在同一加工平面内为空间尺寸,加工斜面、圆弧、底边、直角边,需连续变换相位,形位公差、线性尺寸(159±0.2、83.5)、表面质量要求高(Ra3.2 μm、Ra0.8 μm)。

     2)42×R5圆弧面铣刀、D45×R0.8立铣刀加工时刀杆受到凹槽120×51×154.9尺寸限制,直径(28)小、长度(126)大,造成刚性差、强度低,切削时易产生振动 。

     3)整个凹槽加工中,材料不易切削且去除率高,致刀具散热条件差,切削温度升高,使刀具的耐用度降低[2]。试切时需反复尝试改变刀路、修改切削参数、更换切削刀片,以降低切削温度,提高刀具耐磨性。

     4)R40圆弧与底面和斜面相切时,42×R5圆弧面铣刀具路径需空间三轴连续多次圆弧移动,程序编制难度较大。

     5)某曲轴全长5495 mm,要求相位误差不大于30′。每加工一组先要对机床进行检测,主轴径距凹槽直角面直线距离159 mm。记录误差值做出反方向差值补偿。

     3、 工艺方案
  
     1)方案1。某曲轴粗、精铣凹槽在落地FPT镗铣床加工,其加工原理是:把零件定位在V形架上并夹紧,利用六等分体手动保证相位角度,铣头旋转后逐一加工。此方案的缺点是加工误差大、效率低。手动旋转相位时,松开压紧的曲轴后慢慢转动,待端面固定的六等分体大致水平时,利用百分表找平曲臂平面在0.03 mm内,压紧曲轴加工凹槽竖直部分与R40圆角。然后旋转铣头加工20°斜面与R40相切,同时保证83.5 mm尺寸。一组加工完后,再次手动旋转六等分体及铣头120°,铣削另一组平衡重凹槽。以此类推全部加工完成。在每组铣削中需手动找正曲轴曲臂平面,费时费力,且存在铣头旋转与找正叠加误差。此方案加工效率低、尺寸误差大,质量与研制节点难以保证。

     2)方案2。车间现有的HTM1251000车铣复合加工中心(如图2)是沈阳机床厂生产的,目前是国内最大的车铣复合加工中心。该机床采用西门子840D数控系统,配有左右两个旋轴B﹑C和X﹑Y﹑Z三个直角坐标,左旋转头为主头用于车﹑铣加工,通过左右转头使相位自动旋转,以有效保证120°相位角,同时在加工中利用相位的变换,缩短刀具与刀柄的长度,减少刀具费用并提高刀具刚度,有效地对侧臂与斜面进行精加工,同时对于不同拐径上的凹槽尺寸一致性好,加工精度高、质量稳定、效率高。

     结合工艺要求经对比分析,充分利用车间现有技术、设备、刀具,确定为在HTM1251000车铣复合加工中心上加工。先粗铣去除大部分余量,二次开粗进行半精加工,最后利用相位角的变换进行光整加工。粗、半精、精加工分步进行,使得整个生产过程精确、高效、可靠。
  
  
  
图2 HTM1251000车铣复合中心示意图
  
      3.1 刀具选用
 
      平衡重凹槽空间材料去除率大、形位公差小、表面质量要求高,相误差不大于30′。这就要求在刀具选择上,既要高质量又要高效率。通过对零件图样尺寸精度、材料等综合分析,选用数控机夹刀具进行切削[3]。粗、精铣选用42×R5铣刀,精铣120°侧面选用25平底立铣刀,精铣20°斜面选用50平底立铣刀。某曲轴粗、精铣单个曲臂平衡重凹槽面刀具选用表如表1所示。
 
表1 某曲轴粗、精铣单个曲臂平衡重凹槽面刀具选用表
  
  

      3.2 数控程序编制
  
      数控程序的编制包括:三维模型的建立、粗精加工刀具切削参数的设定、模拟仿真、程序的导出。本程序通过以下步骤来加工整个平衡重凹槽。
  
      1)根据图样要求建立三维模型。编写程序时所涉及的刀具位置轨迹,需在三维软件中做出曲轴平衡重凹槽数字模型。打开NX软件,进入XOY平面建立草图,绘制B-B剖视图截面,拉伸出实体即可。
  
      2)粗铣平衡重凹槽。用 42×R5铣刀进行3D空间凹槽开粗,单边预留1 mm余量。由于材料不易加工,且要从实心处去除材料,材料去除率高。在开粗时要选用刀杆较短的刀柄,以防止切削中的振动,在切削过程中加注乳化液,从而降低切削区的温度,以减少工件变形、保持刀具的硬度和尺寸,同时利于切屑的排出,保证切削顺畅不被卡住。切削深度为1 mm,主轴转速为380
r/min,切削速度为120 mm/min,逼近速度为1000 mm/min,进刀速度为100mm/min、移刀速度为1000 mm/min[4]。
  
      3)精铣R40。粗加工后大体的形状已加工完成,对于根部大圆角R40,用42×R5精铣刀具进行光整加工,采用拟合逐步逼近的方法。为保证表面质量,通过提高转速、降低进给量、减小步距来进行精加工,且在加工中选择步距应用在部件上,以保证加工刀路在零件上的均匀。
  
      4)精铣R5。用42×R5精铣刀精铣R5,由于刀具圆角半径与平衡重凹槽根部相同,故顺铣一刀完成精铣加工。在加工中注意与R40圆角过渡接刀光滑。
  
      5)精铣 120°侧面、20°斜面。精加工操作,同时旋转B、C轴,使120°侧面与主轴平行,用25立铣刀精铣出侧面并与底部R5相切。满足图样Ra0.8 μm表面粗糙度和角度误差0.05°。同理,相位角转过20°,用50立铣刀精铣出斜面与R40圆弧另一侧相切。保证尺寸83.5 mm、表面粗糙度Ra3.2 μm。
 
      6)加工前的数字化验证。曲轴属大型关键件,加工要求高、研制风险大。为确保正确无误,要进行3D模拟仿真加工与试件实操加工[3]。为此我们制定了《曲轴平衡重凹槽三维模型与仿真模拟加工方案》,用来提前进行数字化模拟验证,来进一步确定方案的可行性与程序的正确性,以保证万无一失。加工模拟仿真如图3所示。
  
 
  

图3 加工模拟仿真图
  
      7) 制作后处理导出数控程序。由于数控机床种类繁多,控制系统多样,每一机床的NC代码厂家自定义的指令各有不同,因此刀轨数据输出,必须经过定制的后处理生成机床可识别的指令。编写程序时所涉及的刀轨数据,需在三维软件中做出曲轴数字模型、建立曲轴中心仿真系统模块、配置刀具、选择加工策略,生成刀路、后置处理,输出程序。最终编辑为机床用数控程序。同时结合刀具、机床、零件计算理论切削参数。程序输出示意图如图4
所示。
 
 
  

图4 程序输出示意图
      
      4 、加工后的平衡重凹槽与专检结果
  
      由于加工前准备充分,成品某曲轴平衡重在首次加工过程中,切削抗力小、刀具运行平稳、机床载荷均匀、相位旋转准确,加工十分顺利。凹槽加工尺寸与表面质量好。测量结果满足工艺要求,仅用了1个班次就完成了首个平衡重凹槽的加工。加工后的平衡重凹槽如图5所示。
   

 图5 加工后的平衡重凹槽图
 
      5、结 语
  
      通过对平衡重加工工艺的试验和技术攻关。采用数字化验证及对比加工方法进行研究后,保证了最佳方法在实际生产中的有效应用,为后续生产大型、特型零件的首件调试提供了新的工艺方法,且数字化验证较原有试加工验证更具先进性和科学性,能有效排除加工质量风险、优化加工程序、提高生产效率,并确保一次加工合格,缩短产品研制周期。
  
      
  
      作者:王逢涛1,童勇智1,金许涛1,陈浩安1,田永维2
      来源:1.陕西柴油机重工有限责任公司, 2.驻咸阳地区军事代表
    投稿箱:
        如果您有机床行业、企业相关新闻稿件发表,或进行资讯合作,欢迎联系本网编辑部, 邮箱:skjcsc@vip.sina.com