曲轴的机械加工分析（共8篇）
曲轴的机械加工分析 篇1
摘要：在车辆发动机上曲轴作为重要部件, 受力情况较为复杂。发动机的工作性能受其影响, 因此, 对曲轴的机械加工质量要求较高。对于曲轴的机械加工设备设施的研究, 技术的改进, 具有重大的实用意义。
关键词：曲轴加工,轴颈
目前, 汽车市场在整体呈现健康发展、速度快的特点。据中国汽车工业协会发布的统计资料显示, 2012年全国汽车产销1927.18万辆和1930.64万辆, 同比分别增长4.6%和4.3%, 预测2013年中国汽车全年销售2065万辆, 与去年同期相比增长7%。中国汽车行业的良好发展, 给国内汽车装备制造业带来了巨大的机遇和挑战。在车辆发动机上, 作为关键的旋转部件, 曲轴是机械加工工艺较难的, 发动机使用的寿命和使用过程中的可靠性完全受其加工质量的影响。
目前, 曲轴的机械加工质量, 世界各国都非常重视, 各个科研机构都在研制新的加工工艺, 设计并制造出许多优秀的加工设备, 使曲轴的制造水平有了很大提高。这给我国曲轴生产装备的技术条件提出了挑战, 促使我们必须加快对曲轴加工国内的技术力量和机械装备性能。
作为发动机的关键部件, 曲轴的机械加工质量直接关系到发动机的使用时间和在使用过程中的可靠性和安全性, 曲轴工作时, 负责将连杆产生的上下往复运动转换成发动机输出轴的旋转运动。在工作过程中由于气体压力和惯性力矩, 曲轴每个工作循环中都承受的扭转和弯曲应力较大, 并且受力分布不匀, 因此, 在设计制造时需要考虑曲轴能承受较高的冲击、刚度大、抗拉强度、耐磨性好等。而且连杆颈的轴线相对于主轴颈的轴线不同心, 轴颈的过度磨损和疲劳断裂是曲轴的主要失效形式, 这给曲轴的加工质量提出的很高的要求, 尤其是曲轴连杆颈部位的加工。
目前汽车用发动机的曲轴材质主要有球墨铸铁和钢两大类。主轴颈表面还需要进行高频淬火或者渗碳等热处理, 最后经过精磨, 获得较高的精度和表面质量。由于调质钢的曲轴成本是球墨铸铁曲轴成本的3倍左右, 在加工时, 球墨铸铁切削阻力小, 各种理想的结构形状都易于实现加工, 并且在机械加工后, 对其进行各种表面热处理和强化处理就能实现和钢质一样的效果, 从而实现曲轴产品的高硬度化、高抗疲劳强度化、耐磨性强的特点。因此, 球墨铸铁材料在曲轴的生产加工中, 国内外都的使用都较为广泛。据数据显示统计, 车用发动机曲轴采用球墨铸铁材质的比例在日本、英国、美国分别为85%、60%和90%, 另外, 其他一些国家, 例如比利时、德国等也在大批量最为常用材质生产加工。球墨铸铁曲轴在我国的加工中使用比例也在日趋增长, 160k W功率以上的发动机才采用锻钢, 而中小型功率的发动机85%以上采用球墨铸铁。
作为发动机最重要的构件之一, 曲轴通常由主轴颈、曲柄、连杆轴颈、平衡块以及前后端组成。一个曲拐由单个主轴颈、曲柄和连杆颈构成。V型发动机上气缸数的一半是曲轴曲拐数。直列式发动机气缸数等于曲拐数量,
目前, 国内外曲轴轴颈和连杆轴颈的加工工艺, 主要经历了以下几个阶段的演变:传统的曲轴主轴颈和连杆轴颈的车削工艺, 生产效率和自动化程度相对较低, 多刀车床车削加工作为粗加工, 生产的产品质量稳定性、尺寸的一致性差, 质量不稳定, 并且产生的内应力较大, 不易留好合适的精加工余量, 对于内应力较大的工件, 还需要进行回火热处理来消除内应力, 加工较为繁琐。第二阶段为数控车、外铣加工阶段, 此阶段加工设备价格相对便宜, 刀具简单, 但生产规模较小, 适合小批量生产。第三阶段为数控内铣阶段, 此阶段加工时, 性能比外铣好, 对于加工锻钢类的曲轴工件, 内铣加工时切屑易断, 加工刚性好, 但是设备成本较高, 刀具投入费用较多, 主要用于大批量生产。第四阶段为数控车——车拉阶段, 此阶段的机械加工形式有:直线车拉方式、外环刀具旋转和内环刀具旋转车拉工艺。在国外该技术大量用于半精加工曲轴的主轴颈和连杆轴颈。优点是对宽轴径可以进行分层加工, 切削精度高、效率高, 加工质量稳定, 加工后的曲轴直接进行精磨, 可以节省粗磨工序。但该工艺刀具结构复杂, 技术含量高, 长期依赖进口。CNC高速外铣工艺, 该工艺加工精度高, 柔性化程度高, 但设备价格昂贵。
目前我国曲轴加工工艺主要是由普通机床和专用机床组成, 自动化程度和生产效率相对较低。高端的曲轴加工设备主要还是依赖于进口设备, 这就增加了曲轴加工的成本。曲轴复合加工车床是一种以加工连杆颈和轴颈为主的新型机床。该机床的设计集多种功能于一体, 具有广阔的前景, 对其进行结构改进和操作研究将有利于改善曲轴的加工质量, 提高我国曲轴加工水平。
曲轴加工复合车床是通过随动车削的方式对连杆轴颈进行车削加工。机床采用平行四边形刀架的机构来实现随动车削。通过对车削的过程进行分析, 可以得到一个圆为刀尖点的运动轨迹, 此圆的半径为连杆侧臂的长度, 由此将平行四边形机构作为刀具运动的执行机构。接着对刀尖点的相对运动进行进一步研究, 利用软件对曲轴和刀架机构组成的系统进行仿真, 当刀架机构和曲轴的转动同步时, 得到了刀尖点相对曲轴连杆轴颈的运动轨迹为圆周运动, 且半径等于轴颈的半径。
车辆的制造水平作为一个国家机械装备行业能力的体现, 而曲轴作为车辆发动机的关键部件, 其机械加工质量的高低能反映出装备制造工业的发展状况。近几年, 我国的汽车市场不断扩大, 配件生产需求越来越多, 因此需要大力发展制造、装备行业, 积极学习和掌握国外的先进制造技术, 加大技术和设备投入力度, 创新攻关高、精、尖端制造技术, 缩小与国外发达国家先进加工技术的距离, 这对我国汽车制造行业的发和国家整体实力的提升都具有十分重要的意义。目前, 世界各国对汽车制造以及车辆的质量提升都十分重视, 作为发动机的关键部件曲轴的加工工艺要求不断的改进, 设计改进新型加工设备。而我国国内大多曲轴制造技术还比较薄弱, 高端曲轴加工设备还依赖于进口, 这些昂贵的设备和技术导致了我国曲轴产品成本大幅提高。因此, 对于我们而言, 更应该认识到形势的紧迫性, 不断提高曲轴加工工艺和改进加工设备的自主创新, 整体提高曲轴加工的制造技术水平, 创立自主的曲轴加工技术民族品牌, 将有利于推动整个曲轴加工的水平, 增强国际竞争力。
参考文献
[1]曲轴设计制造工艺与安装维修技术及质量检验标准规范 (上卷) .机械工业出版社, 2007, 8.
曲轴的机械加工分析 篇2
今日实习目的地：南车柴油机二分厂
实习车间：曲轴加工车间
在王工的带领下，进入了曲轴加工车间，首先，向我们介绍了曲轴的用途，以及各个部位特点，如何加工而成、曲轴是活塞式发动机中最重要、承受负荷最大的零件之一。其主要功用是将活塞的往复运动通过连杆变成回转运动，即把燃料燃烧的爆发力通过活塞、连杆转变成扭矩输送出去做功，同时还带动发动机本身的配气机构和相关系统工作
曲轴一般由主轴颈，连杆轴颈、曲柄、平衡块、前端和后端等组成。一个主轴颈、一个连杆轴颈和一个曲柄组成了一个曲拐，曲轴的曲拐数目等于气缸数(直列式发动机)；V型发动机曲轴的曲拐数等于气缸数的一半。主轴颈是曲轴的支承部分，通过主轴承支承在曲轴箱的主轴承座中。主轴承的数目不仅与发动机气缸数目有关，还取决于曲轴的支承方式。曲轴的支承方式一般有两种，一种是全支承曲轴，另一种是非全支承曲轴。曲轴的形状和曲拐相对位置(即曲拐的布置)取决于气缸数、气缸排列和发动机的发火顺序。
轴典型加工工艺
曲轴的典型加工过程如下
铣端面打中心孔粗精车所有主轴颈及周轴颈铣角向定位面粗精车所有连杆颈粗磨第四主轴颈
车平衡块钻直斜油孔半精磨
1、主轴径7车铣割 滚压精磨所有主轴颈及周轴颈淬火 回火 探伤精磨第四主轴颈喷丸 钻工艺孔
两端孔的加工精磨所有连杆颈动平衡抛光所有轴颈清洗防锈
铣键槽
曲轴加工第一工序铣端面、钻中心孔。通常以两端主轴颈的外圆表面和中间主轴颈的轴肩为粗基准，这样钻出的中心孔可保证曲轴加工时径向和轴向余量均匀。
径向定位主要以中心线为基准，还可以两端主轴颈外圆为精基准。轴向定位用曲轴一段的端面或轴肩。角度定位一般用法兰盘端面上的定位销孔或曲柄臂上铣出的定位平台。采用不同的加工工艺方法和设备，定位基准的选用亦有不同。
铣端面，钻中心孔利用钻铣组合机床、利用数控车床主轴颈，利用深孔组合钻床钻油孔、曲轴的主轴颈和连杆轴颈的精加工用磨削完成。在精磨后还要对各轴颈及侧端面进行光整加工。生产中用油石抛光作预光整加工，砂带抛光作最终光整加工。抛光中还将各轴颈圆角及油封轴颈也光整加工出来。抛光加工只减小轴颈表面粗糙度值，而不能提高其尺寸精度和位置精度。
在实习中参观的厂中数控技术都担当了重要的角色，由此可见机电一体化已经是现在生产的主流。在东风实习让我看到了我国机械行业发展的远大前景，从而也反映出了我国机械行业一片欣欣向荣的景象，这更加让我坚定了学好本专业知识的决心和信心，今后我一定会
曲轴的机械加工分析 篇3
曲轴是发动机的核心部件之一,其加工精度要求较高,传统的卧式车削和立式铣削已经无法满足曲轴越来越高的精度要求。目前,国内曲轴制造业面临着成本和效率的双重压力。
针对传统加工方法在加工精度上的不足,笔者与杭机数控机床有限公司合作研制一种整体结构为正T型的曲轴端面加工中心。它采用整体式床身设计,主轴箱非重心驱动,避免一些由于客观原因而造成的精度误差。大型机床能够达到的加工精度与机床结构及其稳定性直接相关[1],因此合理的结构设计可以提高曲轴加工的效率和精度,从而提高曲轴加工的自动化水平[2]。康方、范晋伟等人通过分析立柱各阶模态的特点,找到变形最大区域,并在此区域选取一点进行谐响应分析以对其进行更有效分析[3]。可见对曲轴端面加工中心进行必要的结构动力学分析,能了解结构不足之处,为后续改进提高结构强度、刚度提供依据, 使其更加合理化。
由于床身体积较大,整体刚度好,因此本研究将基于ANSYS软件,根据动力学分析理论重点针对立柱以及主轴箱进行动力学分析,以研究其在不同工况下的动态特性。这些分析可对该曲轴端面加工中心立柱的结构改进提供重要的理论依据。
1机床立柱及主轴箱结构模型
在立柱的结构设计中,整体刚度越高越稳定。本研究考虑了加工中心的高精度和刚度要求,尽可能减少零件数量,采用整体式立柱设计,整个立柱呈空腔结构; 主轴箱作为重要部件之一采用非重心驱动设计。 传统的主轴形式会因为加工过程中主轴重心位置的变化而引起主轴轴心位置偏移,而采用非重心驱动的方式很好地避免了由于加工过程中主轴由于重心位置改变而产生的“低头”现象。
本研究运用Solidworks建立立柱及主轴箱的结构模型,机床立柱结构图如图1所示。
机床在工作时,立柱和主轴箱会受到来自内、外部的激振,这些都会使其产生不必要的振动,从而引起变形。若振动变形过大,将会严重影响加工中心的加工精度。因此,十分有必要对加工中心整体结构进行动力学分析。
2动力学分析理论
本研究基于ANSYS软件对立柱及主轴箱进行有限元分析[4]。根据模态分析理论与谐响应分析理论对立柱结构进行动力学分析[5]。
2.1模态分析理论
模态是机械结构的固有振动特性,每一个模态具有特定的固有频率、阻尼比和模态振型。模态分析主要用于确定结构和及其零部件的振动特性( 固有频率和振型) ,是其他动力学分析的基础。
使用小位移理论的模态分析计算方程为:
式中: [K]—结构刚度矩阵,[M]—结构质量矩阵, ωi—振动频率,φi—模态。
这里假定刚度矩阵[K]、质量矩阵[M]是定值,这就要求材料是线弹性的。
2.2谐响应分析理论
谐响应分析用于确定线性结构在承受随时间按正弦( 简谐) 规律变化载荷时稳态响应的一种技术。
其通用的运动方程为:
式中: K—结构刚度矩阵; M—结构质量矩阵; C—结构阻尼矩阵; ω—振动频率; i—外激振载荷数; φ1,φ2—模态; F—外载荷激振力矩阵。
3建立有限元求解模型
3.1简化有限元模型
在有限元分析之前,通过对复杂的机械结构进行适当的模型简化能够在很大程度上提高计算效率。由于床身体积较大,本研究通过简单的固定块来做等效床身,重点分析立柱及主轴箱的动态特性。笔者对Solid Works中建立的立柱及主轴箱模型进行适当简化,简化后主要由立柱,四根导轨,主轴箱,以及等效床身的固定块组成。立柱结构参数如表1所示。然后笔者将模型导入ANSYS Workbench中进行材料属性设置和网格划分。分析模型中,一般结构及导轨的实体部分可以用三维实体单元模拟,接触面间的接触特性则采用六节点的等参数单元模拟结合部的接触特性[6]。机床立柱求解模型示意图如图2所示。[7]
3.2模型边界条件设置
动态特性分析首先对立柱结构进行模态分析,得到结构各阶固有频率及振型; 在模态分析的基础上,通过谐响应分析得到立柱结构在分析频率范围内的动态响应特性。
1. 2. 3. 4 点—4 个测试点; D—主轴箱与立柱底部之间的距离
根据实际加工情况,本研究在底座上施加固定约束,在加工刀具刀头位置施加通过运动学仿真得到的轴向载荷( 限于篇幅文中未给出仿真过程) ,分析主轴箱分别位于立柱最低端、中部,最高端这3个情况时的立柱的动态特性。整个加工工况的加载情况也如图2所示,边界条件如表2所示。
4动态特性结果分析
通过对3种工况进行有限元计算,本研究得到了立柱结构的固有频率,以及动态响应特性,并对结果进行比较分析[8,9,10,11]。
4.1模态分析结果
通过模态分析,本研究得到了立柱结构的固有频率。可知在激振频率接近立柱结构的固有频率时,会产生共振现象。在有较高精度要求的加工过程中,电机所产生的不必要的振动直接作用在立柱上,会严重影响加工精度。因此,分析结构固有频率可以尽可能减少因共振所产生的影响。
计算得到立柱结构在3种加工情况下的前6阶固有频率,各工况各阶固有频率表如表3所示。
电机所产生的振动频率在0 ~ 130 Hz之内。由表3可知,固有频率随着阶数增加而增加,且前两阶固有频率( 60 Hz = 3 600 r/min、90 Hz = 5 400 r/min) 正好在这个范围之内。因此在加工过程中,电机使用中高速转速的时候会比较接近固有频率,会有可能引起共振, 需要进行更进一步分析。另外,通过对3种工况下的固有频率进行比较后发现,即使在结构不变的情况下, 固有频率也有可能会因为其他因素发生改变,并存在一定的规律。以第1阶固有频率为例,当主轴箱处于最低端时,立柱结构的静刚度高,其固有频率也较高。 固有频率与静刚度之间存在一种近似线性比例的关系。其后几阶次都存在这种规律。这个结果可以为后续的结构优化提供一定的依据。
4.2谐响应分析结果
在加工过程中,除电机本身运转时产生的振动外, 刀具与工件间的接触会产生一个有规律的动态载荷。 因此有需要在模态分析的基础上,分析立柱在同一频率下,3种不同工况的动态响应情况[12]。
根据图2所示,整个立柱结构在Z向上的长度远大于X、Y向上的长度,因此立柱Z方向的位移响应要远高于X、Y方向。立柱在3种不同的工况下的最大位移响应情况如图3所示。
根据图3可知,在3种工况下,立柱的动态响应趋势基本上一致。随着主轴箱位置升高,立柱位移响应幅度增大; 可知随着主轴箱位置的提高,立柱结构的刚度变小,使得动态变形增大。主轴箱在最高端时,刀具最大位移 出现在频 率为55 Hz ( 一阶固有 频率56. 4 Hz) ; 主轴箱在中端时,刀具最大位移出现在频率为58. 3 Hz( 一阶固有频率60. 2 Hz) ; 主轴箱在最低端时,刀具最大位移出现在频率为61. 6 Hz( 一阶固有频率62. 8 Hz) ; 在3种工况下,刀具最大位移均出现在各自一阶固有频率附近,该结果与之前的模态分析结果相吻合,一定程度上也验证了分析的有效性。3种工况的选择范围正好囊括了整个主轴箱的行程,因此可知,使得刀具发生最大位移的频率范围为55 Hz ~ 62 Hz( 3 300 r / min ~ 3 720 r / min) 。最高端最大位移为0. 022 mm,中端最大位移为0. 013 mm,最低端最大位移为0. 005 mm,最高端最大位移约为最低端最大位移的4. 4倍。在3种工况下的动态响应均符合刚度要求,但其之间的差异还是较大的。
现在分析3种工况中动态响应最大时( 频率为56 Hz时) 的一种工况。主轴箱在最高端时,4个测试点在不同频率下的位移响应图如图4所示。
4个点的位移响应规律基本一致。在数值上表现出测试点位置越高,位移响应越大的情况,在接近固有频率时更为明显。
激振频率56 Hz时的应力和应变分布云图如图5所示。
通过应力应变云图可以看出,立柱变形主要集中在导轨结合部以及立柱下半部分。结合4个测试点位移响应图和应力应变云图的结果可知,立柱的振动是以立柱顶部振动为主。
笔者认为,立柱在结构上应采用上小下大的形式来提高立柱Z向的刚度,并提高立柱下半部的刚度, 这值得在后续的结构优化设计中引起注意。
5结束语
曲轴机加工尺寸分析与工艺控制 篇4
曲轴结构复杂、刚性差,是发动机中难加工的零件之一。在当今所用发动机曲轴中,曲轴轴颈圆角一般采用高频淬火方式,特别是连杆颈是曲轴的薄弱部位。为了提高抗疲劳强度,在曲轴加工工艺中采高频淬火(特别是主轴颈和连杆颈的R部位)可提高表面硬度,但淬火硬度过高,会造成淬火裂纹(以42CrMo材料来说,淬火硬度一般在HRC58～63),同时淬火后的轴向尺寸比车、铣时的轴向尺寸变长0.1～0.2mm,因此在车主轴颈和铣连杆颈过程中,应进行工艺尺寸基准的选择和公差控制,以保证成品能够满足零件图中对长度尺寸的技术要求。
曲轴连杆颈的角度(Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ连杆相对Ⅰ连杆的角度大端销孔相对Ⅰ连杆的角度)和平行度(0.02mm/100mm)在线无法直接测量;由于受定位因素的影响,本身技术要求又高,同时工装、夹具的误差直接影响到连杆颈位置度和平行度的质量。本文根据工厂实际的设备,采用数控磨床磨主轴颈和连杆颈来保证角度、平行度及偏心距。另外采用换定位块来调整偏心距,以达到一台设备可以磨几种产品,在保证质量的前提下,既降低成本又大大提高生产效率,对指导生产具有现实意义。
2 曲轴加工的工艺路线
以无锡凯马KD488曲轴4缸发动机曲轴为例(如图1)来阐述曲轴加工工艺路线(材料:42CrMo)。具体如下:铣两端面钻中心孔→粗车大端外圆、端面(此时注意曲轴的分中尺寸)→车扇板外圆→粗车小头→粗车主轴颈→精车主轴颈→铣Ⅰ、Ⅳ连杆颈→铣Ⅱ、Ⅲ连杆颈(数控铣床)→钻斜油孔→斜油孔倒角及研磨→淬火前探伤→淬火前打毛刺清洗→高频淬火→低温回火→检查跳动→探伤→精车大端外圆、端面、修中心孔→精车小头外圆、端面→钻小头孔及攻丝→加工大端销孔及螺纹孔(加工中心)→精磨主轴颈→精磨连杆颈→铣键槽→动平衡→精磨大头→精磨小头→精磨锥度→成品探伤→油孔抛光→砂带抛光→成品检验→清洗+烘干→浸油清洗涂防锈油→包装入库。
3 曲轴连杆颈角度的工艺控制
一般发动机曲轴连杆颈角度为±0.15mm。影响连杆颈角度因素有:(1)连杆颈外圆尺寸;(2)头尾架定位块的平行度。在实际加工过程中,连杆颈外圆尺寸由外圆测量仪控制,如果尺寸超差,重新调整参数就可以了。特别难控制的就是连杆颈的角度。控制连杆颈的角度的步骤:首先,检查定位块圆弧加工的表面粗糙度。然后把定位块装在数控磨床头尾架的工装上,把红丹粉薄薄地抹一层在定位块圆弧面上,用标棒去合,吃在标棒上的红丹粉至少达到50%,如果达不到就调整定位块重新再合,反复多次直到达到要求为止。最后,把标棒装夹在工装上,用带座的百分表检测标棒的上母线和侧母线,要求头尾架差值在0.02mm以内(见图2、3),在保证偏心距的前提下,调整定位块的方法:(1)调整上母线,用带座的千分表打头尾架的标棒上母线,看头尾架的值,如果头架低就用铜皮垫定位块的底面,然后又打表。(2)调整侧母线,用带座的千分表打头尾架的标棒,如果头架低就用铜皮垫定位块的侧面,然后又打表,最后保证头尾架上标棒的上母线、侧母线差值在0.02mm以内。
用废曲轴加工完后,在检验平板上用V型块架Ⅰ、Ⅴ主轴颈,用带座的百分表检查两主轴颈是否水平(见图4),再算Ⅰ主轴颈与连杆颈的差值来找平Ⅰ连杆颈(见图5),如两者差2mm,打表时在Ⅰ主轴颈上多压2mm,Ⅰ连杆颈上百分表指针对零;或者用2mm辅助垫块,这时百分表指针在Ⅰ主轴颈和Ⅰ连杆颈同时指到零位。最后用百分表推Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ连杆颈外圆上表面,算出与Ⅰ连杆颈的差值记录下来,然后再把曲轴翻转180°,重新找平推表算出其差值,两差值之和除以2是否在±0.15mm以内(见图6),如果不在,则重新调整工装、夹具,直到达到要求为止。
4 曲轴连杆颈平行度工艺控制
在曲轴加工过程中,有一个对连杆颈平行度的尺寸要求(0.02mm/100mm),它的评价基准是曲轴第Ⅰ和第Ⅴ档主轴的中心线。在KD488发动机中曲轴连杆颈平行度为(0.02mm/100mm),即在100mm长以内,只允许有0.02mm的锥度。连杆颈的平行度与曲轴的连杆颈磨削工艺密切相关,不同的磨削工艺对产生连杆颈平行度有不同的影响。下面以采用偏心夹具曲轴磨削连杆颈工艺为例(见图2、3),对连杆颈平行度和工艺控制进行分析研究。曲轴连杆颈平行度测量时:用三座标仪先测量第Ⅰ和第Ⅴ主轴颈的外圆,计算出第Ⅰ和第Ⅴ主轴颈中心连线是否水平(见图4),作为评价连杆颈平行度的基准,然后用带座的千分表测连杆颈开档左右两端(取两点)的值(R部分除外),看差值是多少(取连杆颈开档长度20mm),那么平行度只能在0.004mm以内(见图4、5、7)。采用偏心夹具磨削连杆颈产生的连杆颈平行度偏差,其实质是磨削时2个定位块定Ⅰ、Ⅴ主轴颈相对位置发生了偏差。
从以上分析可以看出:连杆颈角度(俗称扭度)和连杆颈平行度产生的原因都跟定位块有直接关系,所以在制造工装、夹具时,一定要按技术要求要求加工,否则就很难保证产品的形状、位置度误差。
5 曲轴长度尺寸工艺控制
5.1 曲轴加工轴向长度尺寸的基准的选择
曲轴加工第一道工序铣两端面打中心孔时,轴向长度毛基准选在第三主轴颈中部(即分中尺寸),利用工装定位第Ⅲ主轴颈平衡块两侧面。因为经过计算和实际测量对比,轴类零件选择第Ⅲ主轴颈作为铣削两端面的尺寸基准,可使得两端的切削余量最均匀,同时也为后面做动平衡工序打下基础,如果分中不准确,动平衡超差,发动机在工作中抖动很大。另外,从粗车小头到铣连杆颈工序都是以大头端面(法兰盘端面)为定位(加工)基准;而精磨工序是以第Ⅴ主轴颈止推面(见图8)为测量基准,由此实现了曲轴加工工艺基准、设计基准与装配基准的统一。
5.2 曲轴淬火后对长度尺寸的影响
发动机曲轴主轴颈和连杆颈要高频淬火(以KD488为例),来增强曲轴的耐磨性和抗冲击能力,提高曲轴轴颈抗疲劳强度,但淬火后轴向尺寸变长0.1～0.2mm,而且变长的增量不一致,以Ⅴ第主轴颈止推面(靠小头方向)为测量基准,到第Ⅳ连杆颈止推面尺寸变长几丝,以此内推变长十几丝、二十丝。
5.3 加工中曲轴轴向尺寸余量的控制
以KD488曲轴加工尺寸为例,第Ⅴ主轴颈止推面(见图8)至第Ⅳ连杆颈止推面零件图尺寸(磨削尺寸)为19±0.05mm,至第Ⅲ连杆颈止推面尺寸为113±0.05mm,至第Ⅱ连杆颈止推面尺寸为207±0.05mm,至第Ⅰ连杆颈止推面尺寸为301±0.1mm;第Ⅴ主轴颈止推面(靠小头方向)至第Ⅳ主轴颈止推面零件图尺寸(磨削尺寸)为66±0.05mm,至第Ⅲ主轴颈止推面尺寸为160±0.05mm,至第Ⅱ主轴颈止推面尺寸为254±0.05mm,至第Ⅰ主轴颈止推面尺寸为348±0.1mm。精磨的磨削余量一般留0.2mm,根据淬火后轴向尺寸变化的情况,在实际编制工艺中,有意将该工序的轴向尺寸缩短几丝、十几丝,以保证精磨后达图纸要求。如图8所示,精磨之前尺寸理论上应该为19.2±0.05mm,由于淬火轴向尺寸的变化,而实际尺寸为19.15±0.05mm左右,以此类推,变化大的在精磨之前轴向尺寸反而越小。
6 小结
本文结合工厂具体的KD488曲轴加工工艺。分析了用偏心夹具加工曲轴时连杆颈角度和平行度产生因素,由于高频淬火导致轴向尺寸变化,在加工中应控制轴向尺寸,以及正确测量连杆颈角度和平行度。
摘要：分析了曲轴机加工工艺中连杆颈的平行度和角度产生的原因,提出了在线间接测量连杆角度的方法,直接测量连杆颈平行度的方法,淬火对曲轴轴向尺寸的变化及影响方面进行了工艺分析。
关键词：曲轴,机加工工艺,平行度,角度
参考文献
[1]杨黎明.机床夹具设计手册[M].北京:国防工业出版社,1996.
[2]陈宏钧.实用机械加工工艺手册[M].北京:机械工业出版社,2004.
曲轴的机械加工分析 篇5
关键词：曲轴,MSC.patran,有限元分析
1 引言
曲轴是发动机中最重要、载荷最大、价格最高的零件之一。曲轴承受着气缸内的气体压力及往复和旋转质量惯性力引起的周期性变化的载荷, 并对外输出扭矩, 曲轴还有扭转振动, 因此在曲轴内产生交变的弯曲应力和扭转应力, 可能引起曲轴疲劳失效, 而一旦曲轴失效, 就可能引起其它零件随之破坏[1]。所以对于整体式多缸机曲轴, 如何比较准确地得到应力、变形的大小及分布, 对用于指导曲轴的设计和改进, 具有重要意义。
本文采用有限单元法, 对某工程机械发动机曲轴进行了符合实际情况的三维建模, 研究了整体曲轴的变形和应力状态, 得出的结论可用作改进曲轴设计的参考依据。
2 有限元模型的建立及计算
2.1 曲轴模型
某工程机械发动机曲轴, 利用三维建模软件PRO/E对曲轴进行建模, 建立完成的模型如图1所示。
2.2 载荷状况的确定
根据某厂所提供的图纸及其主要的数据资料, 可以求得作用在曲轴上的实际载荷[2]。厂方提供的工程机械发动机曲轴数据为:缸径:140mm, 行程:152mm, 排量:14L, 连杆长度:201mm连杆组件质量:1.635kg, 其中摆动质量0.505kg, 旋转质量:1.12kg, 连杆重心位置 (从大端中心算起) 64.1mm, 活塞组质量:1765g, 活塞质量:1182g。其最大负荷工况的示功图如图2所示。
作用于曲柄连杆机构上的力为:
pg为缸内最大爆发压力 (MPa) ;
pj为活塞销中心的往复惯性力 (MPa) 。
连杆对曲柄销的作用力可分解为:
α为曲柄转角, β为连杆摆动角, 且有, λ为曲轴半径与连杆长度之比。作用于曲柄销的负荷为连杆推力与连杆旋转质量m2产生的离心力矢量和。负荷大小用下式计算:
m''为连杆大头质量;Fn为活塞顶部面积。
根据上述公式编程后, 将柴油机的有关设计参数代入 (这里取转速2100转/分) 计算出的曲柄销负荷图见图3。图中*为合力, -往复惯性力, +为气缸压力, 横坐标为曲轴转角 (弧度) , 纵坐标为压力 (Pa) 。
曲轴在工作时承受缸内的气体压力、往复和旋转质量惯性力的作用, 根据已给定的发动机参数, 通过发动机动力学计算, 求得此发动机连杆轴颈载荷的最大值, 及随后的曲轴再转过120°, 240°, 300°, 480°, 600°时连杆轴颈载荷的数值。表1为发动机曲轴连杆轴颈载荷。由于曲轴主要是因弯曲而破坏的, 所以不考虑扭转应力, 因此为简便起见, 可假设对发火的气缸, 当活塞处于上止点位置时连杆轴颈载荷达到最大值Pa, 这样对六缸发动机, 我们只需考虑各个气缸分别处于压缩终了活塞在上止点位置时的六种受力状况即可[3], 发动机各缸的发火顺序为1-5-3-6-2-4, 通过计算六种受力状况, 在3缸发火时, 变形量和应力值较大, 其受力状况见图4。
2.3 支撑边界条件
将主轴承对曲轴的支撑视为弹性支座, 设弹簧刚度为K;认为K值在曲轴纵向对称面内沿主轴颈轴向均布。对于图1的曲轴网格模型, 可视K均分在曲轴纵向对称面内主轴颈中截面左右的两个对称结点上, 每个结点处的刚度为K/2。取K为6×10 N/m进行计算;这一刚度值接近主轴承的实际刚度[4]。
由于不考虑扭转应力, 故曲轴的几何与受力状况都是关于曲轴纵向对称面前后对称的。因此在进行有限元分析时, 可以令曲轴纵向对称面内各点沿X向的位移为零。为了防止曲轴沿轴向产生刚体位移, 将其左端纵向对称面上靠近轴心的两个结点z向位移取为零。显然这种边界条件的取值是接近实际情况的[5]。
考虑曲轴惯性力的影响, 输入额定转速2100r min时的角速度219.8rad/s在patran这个有限元软件中, 需要自己去设置添加到整个曲轴上。采用有限元软件patran根据曲轴的结构特点和软件提供的单元类型, 选择的是4节点的四面体单元。通过patran程序整体曲轴有限元模型划分为142127个节点, 706242个单元。整体曲轴划分网格之后的模型如图5所示。
3 计算结果分析
计算结果表明, 视主轴承为弹性支座时曲轴的变形较大。在3缸发火与弹性支座的条件下, 发生在三、四连杆轴颈及第一曲柄臂处, 曲轴纵向最大位移发生数值为1.16mm, 见图6所示。由此可见, 曲轴的变形量较小, 能满足曲轴刚度设计要求。
有限元分析给出发动机曲轴在三缸发火时的应力分布云图, 见图7。应力值较大的部位是:第一连杆轴颈过渡圆角处, 应力达601MPa。三、四连杆轴颈过渡圆角处, 应力最大可达644MPa。曲轴材料牌号为42Cr Mo A, 屈服强度为930MPa, 在应力最大位置处的强度较弱, 这为发动机曲轴的改进提供了依据。
4 结论
(1) 在PRO/E中建立曲轴的三维实体模型, 然后把其导入MSC.PATRAN有限元软件中, 建立了符合实际情况的三维有限元分析模型。
(2) 视主轴承为弹性支座时曲轴的变形较大。在3缸发火与弹性支座的条件下, 发生在三、四连杆轴颈及第一曲柄臂处, 曲轴纵向最大位移发生数值为1.16mm, 曲轴的变形量较小, 能满足曲轴刚度设计要求。
(3) 有限元分析表明, 应力值较大的部位是:第一连杆轴颈过渡圆角处, 应力达601MPa。三、四连杆轴颈过渡圆角处, 应力最大可达644MPa。在两个位置处的强度较弱, 这为发动机曲轴的改进提供了依据。
参考文献
[1]杨连生.内燃机设计.北京:中国农业机械出版社, 1981
[2]冯国胜, 杨绍普.车辆现代设计方法[M].科学出版社.2006
[3]庞永, 刘君德.发动机曲轴应力的有限元分析[C].93SAP5/SAP5P年会论文集.1993.36～51
[4]郝志勇, 韩松涛.主轴承刚度对曲轴振动特性的影响[J].车辆与动力技术, 2001 (2) :31～35
曲轴的机械加工分析 篇6
正是在这样的背景下, 诞生了借助高效的专用设备执行质量定心的工艺模式, 并从20世纪50年代起在欧美各大主流汽车发动机厂得到了日益广泛的应用。20多年前, 国内最早建立、技术水平堪比当时国外水平的现代企业中, 如东风康明斯、北京吉普、上海大众等, 在曲轴生产线上均采用了质量定心方式。
业内人士的观点和看法
改革开放20多年来, 国内经济获得了快速发展, 而在内燃机尤其是其中的汽车发动机制造界, 新的工厂、生产线不断建成, 期间, 工艺规划始终是一项基础工作, 并必然会遇到不同工艺模式的选择问题。曲轴是内燃机的心脏, 在规划曲轴生产线时同样会面临众多的工艺选择, 并会涉及到投资、质量、可靠性、性价比等各项因素。“定心”工序也不例外, 且多年来已有一些业界的专业人士就这一题目发表了深刻的见解。当然, 随着科技的进展, 情况也在不断发生着演变, 很大程度上体现出了一种进步。
(1) 20世纪90年代中期, 一位业内资深人士结合当时情况, 对这一问题表达了如下观点:
采用质量定心工艺比几何定心工艺能使曲轴到最后动平衡之前的不平衡量要减少几倍。这样就使曲轴在动平衡时去重工作量减小, 同时还提高了动平衡的合格率。采用质量定心工艺比几何定心工艺明显改善了曲轴内部质量补偿, 所以建议曲轴定心应采用质量定心工艺。此外, 对于“ (调整) 钻中心孔”+“动平衡”致使中心孔位置向“质量定心”趋近的方法, 这位人士认为该方法还是略逊于质量定心工艺。
(2) 前几年, 另一业界人士根据近10年来的情况, 对“曲轴质量中心孔和几何中心孔的选用原则”发表了这样的看法:
如果毛坯质量好, 加工余量小且加工余量分布均匀, 这时曲轴的质量中心孔与几何中心孔基本重合, 则不必花费较高的经费购置质量定心设备而直接钻几何中心孔。如果毛坯质量较差, 加工余量大且加工余量分布不均匀, 则优先选用质量中心孔。因初始不平衡量较大, 如果钻几何中心孔, 质量分布不均匀, 转动惯量较大, 损坏后续加工设备精度。再者, 采用几何中心孔在进行动平衡时, 初始不平衡量可能超出平衡机要求而无法平衡。在这种情况下应优先选用质量定心机。
(3) 近期, 在一些主流汽车发动机厂工艺规划人员的交流中, 则进一步形成了如下共识:
几何定心和质量定心两种工艺在国内都有应用, 到底该如何选择, 先要看曲轴毛坯的质量水平, 如果毛坯好, 可以用几何定心;如果毛坯不太好, 才可能考虑质量定心方案。采用质量中心孔牵涉到质量定心设备, 会增加大量设备投资。如果曲轴毛坯质量均衡性尚可, 一般采取几何中心孔就可以保证不平衡量, 故厂家不会去考虑选用质量定心工艺。
近年来, 一个客观事实是, 几何定心工艺已在汽车发动机厂中得到了越来越广泛的应用, 随着毛坯制造水平的提高, 发展趋势必然为几何定心工艺。
曲轴定心方式选用所反映的趋势
笔者近期对国内30多家主要的内燃机 (多数为汽车发动机厂) 的60余条曲轴生产线进行了调查, 期间还与相关工艺规划人员进行了有针对性的探讨。事实表明, 无论是新线筹建还是老线更新、改造, 在制定曲轴定心工序时, 优先选用几何定心方式已成为一种趋势, 参见图1的统计图。
需要指出的另一点是, 20多年来国内内燃机行业的快速发展致使生产能力不断增大, 表现为相等时段内新建生产线数量的上升。就以这次调研所采集的样本为例, 从不同时段建线数量所占的比例可以清楚地看出这种势头。1990年之前占有比例为13%, 1990~1996年占有比例为20%, 1997~2004年占有比例为32%, 2005年之后的占有比例为35%。这进一步说明了一典型生产工序所执行的的工艺取向, 这一点随着新线数量的迅速增加而显得更加清晰。众所周知, 就技术而言, 质量定心工艺能获得更好的曲轴动平衡效果, 那又是什么原因使传统的几何定心方法又重新取得主流地位呢?
两种工艺模式的技术经济性分析
1. 毛坯质量有了明显改善
曲轴毛坯主要有铸铁和锻钢两类, 采用铸铁毛坯的占极大多数, 目前国产化的程度已很高。那么国产毛坯质量如何呢?至少在基本满足曲轴动平衡这一点上, 已经历了较长时期实践的检验。
上海通用提供了最有代表性的例子:1997~2005年, 在上海建成的三条排量2.0~3.0L的曲轴生产线, 以及这前后在山东建成的三条排量1.6~1.8L的生产线, 全部都采用几何定心工艺, 而这些产品中曲轴的不平衡量允值均为10g·cm。一般情况下, 轿车发动机曲轴的这项指标大约在10~30g·cm范围内, 故通用执行的标准是比较高的。而其毛坯的供货商都是上海圣德曼。这只是一家很普通的合资企业, 但随着经验的积累和制造质量的不断改进, 事实上已达到和适应了技术要求比较高的美国“通用”汽车产品的需求。仅这个实例就充分说明了采用几何定心的可行性。
下面通过几何定心和质量定心两种工艺的运行概况, 进一步对两种工艺模式作些技术经济性分析。
2. 几何定心工艺的运行概况
图2是典型曲轴工艺流程中的粗加工部分, 钻几何中心孔和铣工件两端面是在第一道工序OP10中同时完成的, 曲轴的粗加工阶段经O P20的车-车-拉和O P30的高速外铣基本完成。通过生产线旁的一台人工动平衡机 (即钻孔、去重操作需在另一台专用钻床上人工进行) , 利用不同批次的毛坯, 对粗加工后的半成品进行测试并分析测得结果。试验用毛坯依然是上海圣德曼的, 产品是1.6L的发动机曲轴, 不平衡量是25g·cm。图3是实测所得不平衡量的分布概况, 从图中可见, 小于100g·cm的半成品占了大部分, 而这一点对之后的终平衡有很大影响。
终平衡一般都由自动化设备执行, 也就是在第一步自动测出工件的初始不平衡量后, 根据设定的次数, 通过钻孔去重使曲轴的不平衡量小于允许值。多数企业将设置的次数定为2, 也就是若经过第二次去重还不低于额定值, 这根工件将被剔出。图4是终平衡结果的分布示意, 由此可见, 经一次去重完成这道工序的占大多数, 真正因为无法修正而被排出的仅占3%~5%, 这些工件将被送至图2中的人工动平衡机那儿处理。
以上试验结果虽然只是出自某一企业的特定案例, 但也有相当的代表性, 据2008年投产的神龙汽车一条1.6L发动机曲轴生产线提供的情况, 经终平衡后直接合格的工件比例约为96%, 该线选用的工艺也是几何定心。
3. 质量定心与几何定心的运行实践及比较
为便于叙述, 把曲轴毛坯钻完中心孔后的不平衡量称为“原始不平衡量U0”, 经粗加工之后的不平衡量称为“初始不平衡量U1”, 进入终平衡前的状态称为“初始不平衡量U2”。图5是分别执行几何定心和质量定心工艺时的各个阶段工件的不平衡量与加工进程之间关系的简单示意。图中位置“0”指示的是原始不平衡量U0, 而位置R和F为结束粗加工阶段后的初始不平衡量U1和完成终平衡、最后达到允许值时的Uf, 该图清晰地表明了当采用两种不同工艺方法时各阶段不平衡量的差别。事实上两者间的最大差值只是发生在刚钻完中心孔时, 在粗加工期间, 工件的不平衡量会呈动态变化, 按几何中心加工的会减少, 而按质量中心加工的则变大, 这是一个普遍规律。
正因为如此, 即使在采用质量定心时, 为确保动平衡效果, 在面对这样一些情况, 如毛坯质量较差或不太稳定, 毛坯材料不是铸铁而是锻钢, 曲轴所配的发动机排量较大 (1.8L及以上) , 或者其他现象时, 生产部门往往还会采取一些预检和预调措施。最常用的做法是每班一次或二次 (一般在早晨或午后刚上班时) 从粗加工完毕后的工件中连续抽取3~5根, 置于生产线旁的人工动平衡机进行测试, 若初始不平衡量超过100g·cm, 就需对定心机床的钻中心孔动力头进行微调。若用U表示不平衡量, 以w表示工件的重量, 则微调量r可以通过下式得到:
当工件质量约为20kg时, 临界状态下的调整量r为0.05mm。
鉴于不平衡量U为一矢量, 在设备上指示出U值的同时还会给出一个角度, 分别取r与该角度余弦、正弦的乘积, 即可获得确切的钻孔动力头沿水平、垂直方向的调整量x、y, 从而完成预调操作。注意, 上述临界值100g·cm只是针对某型发动机曲轴加工而内部设定的, 其不平衡量允值为25g·cm, 对于不同情况, 还应根据经验自定。
在经过了以上的预检、预调步骤后, 确保了终平衡时的一次合格率超过90%, 二次不合格率基本就降为零。
上述这种反馈补偿性质的调整操作, 其实同样适用于几何定心工艺过程。一般来说, 当生产线的运行水平达到图3、图4的状态时, 并不会实施这一操作。而对于小排量 (1.6L及以下) 发动机曲轴的铸铁毛坯来讲, 偶然出现终平衡不合格率过高时, 就会采取类似上面的针对性措施, 即抽取、检测若干根粗加工后工件的初始不平衡量U1, 据此来调整工序O P10机床钻中心孔的动力头位置。当然, 必须注意的一点是, 实施这项操作前后的毛坯是同一批次, 否则就失去了意义。
结语
对于前面的表述、分析做一个归纳, 有以下几点可供参考。
(1) 若纯粹从技术角度进行比较, 相比几何定心工艺, 执行质量定心的最大优点是其工艺特点保证了进入“终平衡”前的初始不平衡量U2较小, 从而减少了去重量, 缩短了终平衡时间, 提高了一次合格率。鉴于过度的修正 (去重) 会恶化发动机内部的质量补偿, 影响其功能, 因此这样通过采取“减少去重量”的措施, 会产生很好的效果。
(2) 另一方面, 同样是由工艺特征决定, 在进入粗加工工序后, 按几何定心方式又显现了加工余量比较均匀的优点, 而采用质量定心有时候就会遇到这方面的问题, 如因加工余量不均匀而导致刀具磨损的加剧等。实际上, 这种方法受毛坯质量影响也较大。
(3) 事实表明, 无论执行哪一种曲轴定心工艺, 毛坯质量带来的影响都是很大的。前面曾介绍过的通过抽检、分析样本, 对钻孔动力头位置进行微调的补偿措施, 其实就是弥补毛坯的系统性缺陷的一种方式。不过, 这里提到的毛坯必须是同一批次的。
(4) 若从经济性考虑, 采用质量定心工艺由于占用设备多, 而专用质量定心设备的价格又极其昂贵, 因此完全无法与几何定心工艺抗衡。后者的工艺集中度高, 从图2可见, 铣两端面和钻中心孔是在一台机床上完成, 不但占据空间少, 投资更是省了很多。
曲轴的高效加工 篇7
多动力头机床和多通道数控
这里所指多动力头机床是指一台机床, 结构上有数个能同时执行程序完成不同功能的动力头。如玉柴机器股份有限公司引进的:
(1) 具有双刀架的车-车拉床, 两个刀架可以在同一工件上以同一转速对工件不同位置同时进给切削 (如图1所示) 。
(2) 具有相互独立的磨削和砂轮修整系统的精密磨床, 磨削装置磨削的同时砂轮修整装置进行砂轮修整。
SIEMENS公司近期推出的数控装置多采用了“通道 (Channel) ”控制技术, 而且还引入了“操作方式组 (Operating Mode Group) ”概念。这种数控装置结构上有若干个方式组, 一个方式组包括若干个通道。一个通道实际上就是一个独立的N C系统, 可以根据需要安排管理数个需要相互插补的数控轴和主轴, 执行一个数控程序, 当然他们需要自己的机床数据和与PLC的接口等。对一个多通道数控装置, 可以同时启动各通道运行, 亦可以启动任何一个通道运行。同时启动各通道后各通道同时执行自己的数控程序, 即并行处理, 所以这种系统可以同时处理多个数控程序。对各个方式组, 可以选择各自的运行方式。一个方式组中可以包括数个通道, 在一个操作方式组中的各个通道只能在该方式组选择的运行方式运行。
如果对各动力头分别由不同通道控制, 运行过程各通道执行自己的数控程序并相互合理协调, 就可以缩短加工时间, 提高效率。
曲轴主轴轴颈和连杆轴颈粗加工
引进的德国HEGENSCHEDT公司DHU/DPU型曲轴主轴轴颈/连杆轴颈双刀盘车-车拉床, 控制系统采用SIEMENS SINUMERIK 880T型数控装置, 配置有两套SIEMENS SIMATIK S5-135WB型PLC。机床设计有左右两个刀盘, 系统主要控制六个数控轴和一个工件主轴, 把左刀盘轴向分度轴Z1、左刀盘径向进给轴X1、左刀盘回转轴U1和工件主轴安排于通道1, 把右刀盘轴向分度轴Z2、右刀盘径向进给轴X2和右刀盘回转轴U2安排于通道2。机床起动后, 通道1和通道2可以同时执行自己的程序。程序执行过程, 由Z1/Z1把左、右刀盘分度对准各自欲加工的轴颈, 由U1/U1把左、右刀盘回转使欲选择的刀具到加工位置, 由X1/X1进给车削或由X1/X1先进给, 后由U1/U2进给拉削欲加工的轴颈 (拉刀的安装参考图2) 。但程序要求在两个刀盘同时加工过程, 对工件类似轴颈 (对DPU型机床为相位相同的两个连杆轴颈) 的同一个工序, 使用类型相同的一套刀具。使用同一种刀具加工轴颈的类似部位, 要在同一种工件转速进行。这种功能的机床, 特别适合于平衡块侧面不需要加工且轴颈有沉割槽的六缸发动机曲轴, 加工后曲轴可直接进行精磨, 省去粗磨工序, 并能使尺寸的一致性得到改善。
1.刀盘2.安装的拉刀
DHU型曲轴主轴轴颈双刀盘车-车拉床以主轴颈中心为回转中心, 同时加工两个主轴颈;DPU型曲连杆轴颈双刀盘车-车拉床采用旋转卡盘先分度到具体一组同相位的连杆轴颈中心为回转中心, 加工该组连杆轴颈, 加工完成后, 旋转卡盘再分度, 切换到另一组连杆轴颈中心为回转中心加工另一组连杆轴颈。对六缸曲轴, 可以同时加工两个主轴轴颈或两个相位 (分度角) 相同的连杆轴颈, 因此加工效率高、速度快。
因为事前已经对六缸曲轴的第四主轴轴颈的曲臂端面进行了半精加工, 而该车-车拉床经过测量以此为基准, 轴颈的轴向分度尺寸比较准确, 保证了批量产品尺寸的一致性, 给后续磨削精加工具体轴颈轴向调整减少了位移量。
曲轴主轴轴颈和连杆轴颈精加工
引进的德国NAXOSUNION公司RMA 400X1250CNC-S/KA 500X1250 CNC-S型曲轴主轴轴颈/连杆轴颈磨床, 控制系统采用SIEMENS SINUMERIK 3G型数控装置, 配置有两套SIEMENS SIMATIK S5-130WB型PLC。
系统配备HYDRO COMPENSER HK 5000型砂轮自动动平衡装置, M A R P O S S (前期) 或S N D26 (后期) 步进电动机驱动中心架自动跟踪装置, M A R P O S S E39型曲轴径向、轴向自动测量装置, S5100U型砂轮速度监控系统, 恒线速度等功能。系统主要控制五个数控轴和一个工件主轴, 把砂轮轴向进给/分度轴Z, 砂轮径向进给轴X, 工件轴向调整轴B (仅主轴轴颈磨床) 和工件主轴安排于通道1, 把砂轮自动修整系统金刚石砂轮修整轴向进给轴W, 砂轮修整径向进给轴U安排于通道2。机床起动后, 轴Z把砂轮分度到欲加工轴颈, 轴X或Z进给, 砂轮磨削工件, 轴V和轴W配合控制金刚石砂轮修整, 金刚石修整和砂轮磨削同时进行, 磨削和修整两不误。通道1和通道2各自执行自己的程序, 配合完成加工任务。但程序要求在每次砂轮修整结束后, 才能对工件细磨, 或者说在细磨前, 砂轮修整必须结束。
砂轮自动平衡装置在砂轮起动后根据振动传感器测量结果, 确定砂轮的动不平衡量的大小和方向, 使用四个阀接通有关注水喷嘴对分四个象限的砂轮配重用空腔注水, 使砂轮总成平衡。只有补偿到允许的不平衡范围, 才能执行磨削程序。
中心架自动跟踪装置 (如图3所示) 在精磨过程驱动步进电动机控制装置, 移动中心架消除工件加工中的应力弯曲。连杆轴颈磨床零件程序中的有关辅助功能H用于指定磨削对象是曲轴两端的轴颈还是中间的轴颈, 以确定对中心架的驱动方式。
自动测量装置在磨削加工过程, 可以根据需要测量曲轴轴颈径向、轴向尺寸, 在曲轴轴向分度过程测量曲轴的整体装夹位置和具体轴颈前面工序的加工轴向偏差, 在磨削过程, 随机测量轴颈直径尺寸。输出开关量给P L C, 有关开关量经P L C处理后对N C提供外部信号, 进行:
(1) 曲轴整体轴向分度加工过程工件磨削子程序把工件工艺基准面对应的轴颈 (第四轴颈) 分度到加工/测量位置后调用工件轴向位置B轴调整子程序 (实例曲轴整体轴向调整程序为L951) , 对工件整体轴向装夹位置测量并轴向调整 (轴向调整曲轴与机床床身的相对位置, 仅主轴轴颈磨床) 后磨削。这样做可以消除此前工序加工偏差和装夹偏差对本工序的影响 (实际就是本工序将错就错地处理) 。
(2) 具体轴颈轴向分度由于此前工序加工结果不一定能保证在对曲轴整体轴向调整程序 (L951) 执行后, 欲加工的轴颈完全与砂轮对准。这时可以借助轴向测量在Z向对工件和砂轮的相对关系作微量调整。本功能由Z向调整子程序L952完成。对其他轴颈, 工件磨削子程序把工件分度到欲加工轴颈对准砂轮;然后, 再调用工件轴向位置Z轴调整子程序 (实例程序L952) 对每个具体轴颈测量并轴向调整后磨削。这样做可以消除此前工序加工偏差对本工序的影响 (实际就是本工序将错就错地处理) 。
(3) 轴颈直径尺寸测量磨削过程测量头介入后, 连续测量轴颈直径尺寸, 根据测量结果发出四个开关量信号, 这些信号通过与系统联系既控制进给速度和工件转速, 亦影响中心架对进给量的同步配合跟踪, 减少因切削应力造成的变形, 提高磨削质量。
(4) 位置精确控制测量系统在粗磨中间介入, 在精细磨和光磨过程, 协助数控系统 (优先于数控, 比数控准确) 更精确地控制磨削尺寸。
(5) 砂轮速度监控系统在砂轮整个磨削过程中, 它能防止砂轮加速到超出最高许可速度。控制系统使用声纳——超声长度测量系统测定砂轮的实际直径和并使用转速计提供转速的实际值, 因此该装置知道砂轮的瞬时圆周速度有多高。如砂轮的实际圆周速度超出最大许可圆周速度 (此值与砂轮的实际直径相关) , 则会发出故障报警, 并停止驱动。
为保证磨削质量可以选择恒线速度切削。R M A400X1250 CNC-S型机床以主轴轴颈中心为回转中心, 加工主轴颈;KA 500X1250 CNC-S型机床用偏心分度盘把欲加工的连杆轴颈的中心分度到回转中心, 加工连杆轴颈。
曲轴典型加工工序演变提供的启示 篇8
曲轴粗加工工序主要包括:在完成了工件毛坯铣两端面和打中心孔之后, 对主轴轴颈、连杆轴颈及法兰和小头两端进行加工, 有时还需按某些产品的要求, 对平衡块的侧面进行加工。
20世纪70、80年代, 曲轴粗加工采用的方式经历了由多刀车床车削的传统工艺逐渐过渡到以采用CNC车削、CNC外铣加工为主的工艺模式, 使工件的加工精度、适应多品种生产的柔性和质量的稳定性都有了明显的改善。90代前后开发出的曲轴车拉、车-车拉工艺, 更以其所具有的加工精度高、工作效率高等一系列优点, 证明了特别适合于那些平衡块侧面不需要加工且轴颈有沉割槽 (包括轴向沉割槽) 的曲轴。由于经这样加工后的工件可以直接进行精磨, 因此省去了精加工阶段的粗磨工序。进入90年代中期, 又开发出了CNC高速外铣, 它对平衡块侧面需要加工的曲轴, 较之CNC车削、CNC内铣、车-车拉等工艺, 具有更高的生产效率。随着21世纪的到来, 复合加工这一新的制造理念已开始进入曲轴的生产过程。一些不久前开发出来的复合机床具有工序集成功能, 如有一种卧式车铣复合加工中心, 可在工件进入热处理之前完成所有的曲轴粗加工工序。
由以上演变可以看出, 曲轴的加工工艺正向着高速、高效、复合化方向发展。目前, 较为流行的粗加工工艺是主轴轴颈采用车-车拉工艺和高速外铣, 连杆轴颈采用高速随动外铣, 全部采用干式切削。
图1是一条建成于20世纪80年代后期的曲轴生产线工艺流程中的粗加工部分。从图1可见, 最终完成主轴轴颈和连杆轴颈粗加工的是CNC数控车床。但鉴于当时机床的性能水平, 为了达到必要的制造精度, 之前还需要利用被企业称为“旋风铣”的外铣方式先对工件毛坯的轴颈外圆进行加工。
图2是一条建成于2005年左右的曲轴生产线的3道主要粗加工工序。从图2可以看出, 通过采用高效的车-车拉和CNC高速外铣这两道工艺, 不仅提高了加工精度和工作效率, 更提升了制造过程的工序集成度。
但在上述的曲轴粗加工工艺的演变过程中, 还有一道很值得引起注意的工序, 那就是作为之后各道工序基础的加工中心孔, 即“定心”工序。
2 曲轴定心模式的沿革与工艺选用
曲轴定心工序采用的方法有几何定心和质量定心。前者以工件两端主轴轴颈外圆为径向基准, 以中间主轴轴颈止推面为轴向基准, 形成的两端中心孔位于曲轴的几何中心上;后者是先通过两端的浮动支承, 对曲轴进行动平衡, 再按此找出质量中心继而加工出中心孔。几何定心作为一种传统的工艺方法, 普遍用于各种轴类零件的加工, 是之后各道工序运行的基础。但鉴于曲轴是一种典型的不对称、不规则零件, 且形状复杂, 在毛坯精度不太高的情况下, 必然会产生按几何定心法形成的几何中心偏离客观存在的质量中心的问题。由此会带来曲轴在进入动平衡工序之前的不平衡量可能过大, 动平衡中工件去重过多, 甚至会出现无法达到动平衡要求的情况。
正是在这样的背景下, 诞生了借助高效专用设备的质量定心工艺, 并从20世纪50年代起在欧美各大主流汽车发动机厂得到了日益广泛的应用。20多年前, 国内最早建立、技术水平堪比当时国外水平的现代企业, 如东风康明斯、北京吉普、上海大众等, 在曲轴生产线上均采用了质量定心方式。
近期对国内30多家主要汽车发动机厂 (含少数柴油机厂) 的60余条曲轴生产线进行了调查, 期间还与相关工艺规划人员进行了有针对性的探讨。
事实表明, 无论是筹建新线还是更新、改造老线, 在制定曲轴定心工序时, 优先选用几何定心方式已成为一种趋势, 其统计数据见表1。
%
3 两种工艺模式的技术经济分析
3.1 毛坯质量有了明显改善
曲轴毛坯主要有铸铁和锻钢两类, 采用铸铁毛坯的占绝大多数。目前曲轴国产化的程度已很高, 国产毛坯质量已基本满足曲轴的动平衡。1997 2005年, 在上海通用公司建成了3条排量2.0~3.0 L的曲轴生产线, 以及在山东也建成了3条排量1.6~1.8 L的生产线, 全部都采用几何定心工艺, 而这些产品中曲轴的不平衡量允许值均为10 g·cm。一般情况下, 轿车发动机曲轴的这项指标大约在10~30 g·cm范围内, 故通用公司执行的标准是比较高的。而其毛坯的供货商都是上海圣德曼公司, 这只是一家很普通的合资企业, 随着经验的积累和制造质量的不断改进, 该企业产品已达到和适应了技术要求比较高的美国“通用”的需求。此例充分说明了采用几何定心的可行性。
3.2 几何定心工艺的运行
从图2所示的曲轴粗加工工艺流程可知, 打几何中心孔和铣工件两端面是在第一道工序OP10中同时完成的, 曲轴的粗加工阶段经OP20的车-车-拉和OP30的高速外铣基本完成。通过生产线旁的一台人工动平衡机 (即打孔、去重操作需在另一台专用钻床上人工进行) , 利用不同批次的毛坯, 对粗加工后的半成品进行测试, 并分析测试结果。
试验用毛坯依然是上海圣德曼的产品, 即1.6 L的发动机曲轴, 不平衡量是25 g·cm。图3是实测所得不平衡量的分布概况, 从图3可见, 小于100 g·cm的半成品占了大部分, 而这一点对之后的动平衡有很大影响。
动平衡一般都由自动化设备执行, 也就是在第一步自动测出工件的初始不平衡量后, 根据设定的次数, 通过钻孔去重使曲轴的不平衡量小于允许值。多数企业将设置的次数定为2, 也就是若经过第2次去重还不低于额定值, 这根工件将被剔出。图4是终平衡结果的分布示意, 由此可见, 经一次去重完成这道工序的占大多数, 真正因为无法修正而被剔出的仅占3%~5%。
以上试验结果虽然只是出自某一企业的特定案例, 但也有相当的代表性, 据2008年投产的神龙汽车1.6 L发动机曲轴生产线提供的情况, 经终平衡后直接合格的工件比例约为96%, 该线选用的工艺也是几何定心。
3.3 质量定心与几何定心的运行实践及比较
为便于叙述, 把曲轴毛坯打中心孔后的不平衡量称为“原始不平衡量U0”, 经粗加工之后的不平衡量称为“初始不平衡量U1”, 进入终平衡前的状态称为“初始不平衡量U2”。图5是分别执行几何定心和质量定心工艺时的各个阶段工件的不平衡量与加工进程之间关系的简单示意。图中位置“0”指示的是原始不平衡量U0, 而位置R和F为结束粗加工阶段后的初始不平衡量U1和完成终平衡、最后达到允许值时的UF, 该图清晰地表明了当采用两种不同工艺方法时各阶段不平衡量的差别。事实上两者间的最大差值只是发生在刚打完中心孔时, 在粗加工期间工件的不平衡量会呈动态变化, 按几何中心加工的会减少, 而按质量中心加工的则变大, 这是一个普遍规律。
在采用质量定心时, 为确保动平衡效果, 在面对毛坯质量较差或不太稳定、毛坯材料不是铸铁而是锻钢、曲轴所配的发动机排量较大 (1.8 L或以上) 及其他情况时, 生产部门往往还会采取一些预检、预调措施。最常用的做法是每班1次或2次 (一般在早晨或午后刚上班时) 从粗加工完毕后的工件中连续抽取3~5根, 置于生产线旁的人工动平衡机进行测试。若初始不平衡量超过100 g·cm, 则需对定心机床的打中心孔动力头进行微调, 微调量r可以通过下式得到:
式中, r为微调量, mm;w为工件质量, kg;U为不平衡量, g·cm。
当工件质量约为20 kg时, 临界状态下的调整量r为0.05 mm。鉴于不平衡量U为一矢量, 在设备上指示出U值的同时还会给出一个角度, 分别取r与该角度余弦、正弦的乘积, 即可获得确切的动力头沿水平、垂直方向的调整量x、y, 从而完成预调操作。注意, 上述临界值100 g·cm只是针对某型发动机曲轴的加工而内部设定的, 其不平衡量允许值为25 g·cm, 不同情况下应根据经验自定。
在经过了以上的预检、预调步骤后, 可确保终平衡时的一次合格率超过90%, 二次不合格率基本降为零。
上述这种反馈补偿性质的调整操作也适用于几何定心工艺过程。一般来说, 当生产线的运行水平达到图3、图4的状态时, 并不会实施这一操作。而对于小排量 (1.6 L及以下) 发动机曲轴的铸铁毛坯, 偶然出现终平衡不合格率过高时, 就会采取类似上面的针对性措施, 即抽取、检测若干根粗加工后工件的初始不平衡量U1, 据此来调整工序OP10机床打中心孔的动力头位置。当然, 需注意的是实施这项操作前、后的毛坯必须是同一批次的, 否则就失去了意义。
综合以上分析归纳如下几点。
(1) 若纯粹从技术角度进行比较, 相比几何定心工艺, 执行质量定心的最大优点是其工艺特点保证了进入“终平衡”前的初始不平衡量U2较小, 从而减少了去重, 缩短了终平衡时间, 提高了一次合格率。由于过度的修正 (去重) 会恶化发动机内部的质量补偿, 影响其功能, 因此这样通过采取“减少去重”的措施, 会产生很好的效果。
(2) 但另一方面, 同样是由工艺特征决定, 在进入粗加工工序后, 按几何定心方式又显现了加工余量比较均匀的优点, 而采用质量定心时受毛坯质量的影响较大。
(3) 事实表明, 无论执行哪一种曲轴定心工艺, 毛坯质量带来的影响都是很大的。前面曾介绍过的通过抽检、分析样本, 对打孔动力头位置进行微调的补偿措施, 其实就是弥补毛坯的系统性缺陷的一种方式。不过, 这里提到的毛坯必须是同一批次的。
(4) 从经济性考虑, 由于采用质量定心工艺占用设备多, 而专用质量定心设备的价格又极其昂贵, 因此完全无法与几何定心工艺抗衡。后者的工艺集中度高, 从图2可见铣两端面和打中心孔是在同一台机床上完成, 不但占据空间少而且节省投资。
不可否认, 质量定心工艺的优越性决定了它仍将占有相当的份额, 除了沿用多年前建成的老线外, 也还有不少近年来建成的新线。调研表明, 其主要用于排量较大的汽油机或多缸柴油机的生产, 且往往用的是铸钢毛坯。
4 提升曲轴动平衡运行水平的CDM技术
综上所述, 曲轴动平衡的运行水平并非就是最后能生产出符合不平衡量允许值要求的工件, 而是牵涉到很多因素, 如定心后加工过程的平稳 (均匀) 性、修正 (去重) 时间、去重的量、一次合格率等多项因素。虽然提高毛坯的制造精度和质量是最为重要的, 但通过前面的介绍和分析, 一个显而易见的事实是:若能减少进入终平衡工序前工件的“初始不平衡量U2”, 则将有效地提升动平衡的运行水平。前面提到的已在一些企业采用的“抽检、调整”这种反馈补偿措施, 意欲达到的目的也即在此。然而, 其不足之处很明显, 虽然同一批次毛坯的状态有规律性, 但以个别样本的测试结果作为调整依据必然会带来较大偏差, 尤其“不平衡量U”乃是一个矢量, 涉及量值和方向 (位) 。
正是深刻地意识到了这一点, 且看到了近年“曲轴定心工序”的走势, 设备供应商才适时地推出了运用现代信息技术的CDM (Centering Data Manager) 系统, 即“定心数据处理”, 以有效地提升曲轴动平衡的运行水平。这项技术既可用于质量定心, 也可用于几何定心, 但显然今后必然以后者为主。CDM系统的工作原理和具体操作步骤如下。
(1) 取同一批次毛坯经粗加工后的工件作为样本, 数量在30~50件之间, 利用图2中的人工动平衡机逐一测试, 其结果将自动保存在机器的控制器中。
(2) 调用控制器中的CDM系统, 自动对样本的测试值即初始不平衡量U1进行处理, 将得到两项统计分析结果。
a.通过图、表来显示该样本, 确切讲是这一批次毛坯的统计特性。图包含分组 (直方) 、平均值、标准偏差等几种, 但最直观和最重要的还是以圆作为置信区间来表示样本分散性的统计图——统计散点圆。
b.经自动统计计算后求得图2中OP10定中心孔机床两端动力头的确切调整值, 即位移量。图6中的2个“统计散点圆”, 各自代表了法兰端和小头端的情况, 通过对50个样本不平衡量的实测结果及CDM系统的统计计算, 可以得到相应的调整值:V1=0.019m m, H1=-0.0 8 4 m m;V2=-0.2 8 8 m m, H2=-0.102 mm。表2中的统计特性值包括不平衡量U1的平均值、U1在H和V方向分量的平均值、U1及其H和V分量的标准偏差, 以及置信度分别为99.73%、99%、98%和95%时的“统计散点圆”半径等。表2中用“去重面1”和“去重面2”表示在校准面1和2处的初始不平衡量U1的模 (矢量幅值) 的平均值分别为50.85 g·cm和92.55 g·cm。但一般情况下, 生产部门很少会用到表中的这些统计特征值, 只是在对比毛坯或加工过程状态时有可能会涉及。实际应用最多的还是位于极坐标中的散点圆, 图中众多的“×”和“+”标识分别表示50个样本经测试后在校准面1和2处的不平衡量矢量。经统计计算后, 最终形成对应一定置信度的2个圆, 它们的半径取决于样本测值的分散性。
图7是CDM应用效果的验证。为了验证CDM系统的应用效果, 在对OP10工序机床按上面的统计分析结果进行调整之前, 首先对用同一批次毛坯加工的工件在进入“终平衡”之前的初始不平衡量U2, 通过抽取一定数量的样本了解其真实状态。然后再调整机床, 经过一段时间后, 按同样方式抽取样本, 比较二者的测试结果。由于终平衡机在进行去重操作前必须先对工件进行一次测量, 并保存测得值, 且其控制器中也安装了CDM系统, 因此可以较方便地获得经统计处理后的结果, 图8a、图8b分别是执行CDM, 也即机床调整前后的“统计散点圆”, 直观地看就可发现, 经调整后的散点分布有了较明显的缩小, 意味着过大的初始不平衡量U2的数量减少。
应用CDM前、后不平衡量值U2的对比见表3。
g·cm
由表3可见, 经过统计计算后得到的调整后的U2矢量幅值比调整前有一定程度的减少。客观地说, 由于这一批次毛坯的质量还是不错的, 因此在校准面1和2处的初始不平衡量U1的水平仅为50.85 g·cm和92.55 g·cm, 均小于100 g·cm。在这种情况下, 利用CDM技术进行反馈补偿的效果必然受到影响。