某曲軸平衡重凹槽加工技術(shù)攻關(guān)
2021-8-23 來(lái)源：- 作者：-
摘要：針對(duì)某大型曲軸生產(chǎn)研制以來(lái)，平衡重凹槽加工中的難點(diǎn)問(wèn)題。根據(jù)實(shí)際情況對(duì)比分析與模擬仿真，采用車(chē)銑中心進(jìn)行空間3D銑削及相位旋轉(zhuǎn)與補(bǔ)償?shù)姆椒ㄖ鹨患庸ぃ瓿闪?組共12個(gè)平衡重凹槽的攻關(guān)，為類(lèi)似零件的研制提供了新的思路與工藝方法。
關(guān)鍵詞：大型曲軸；配重槽；仿真；空間三維；銑削相位旋轉(zhuǎn)與補(bǔ)償
0 引 言
曲軸是發(fā)動(dòng)機(jī)中的關(guān)鍵零件，起著傳遞動(dòng)力的作用，工作時(shí)承受著復(fù)雜的交變應(yīng)力，曲軸的質(zhì)量直接影響發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力性能和整機(jī)使用壽命。在其每一拐徑上的平衡重凹槽裝配平衡重，是為了平衡連桿大頭、連桿軸頸和曲柄等產(chǎn)生的離心力及其力矩，以使發(fā)動(dòng)機(jī)平穩(wěn)運(yùn)轉(zhuǎn)，減少主軸頸負(fù)荷。平衡重一般有2種類(lèi)型：第一種平衡重與曲軸連為一體，也就是與曲柄模鍛為一體，設(shè)置在曲柄前端，一般用于小型曲軸中；第二種平衡重是單獨(dú)設(shè)置一平衡塊，用螺栓與曲柄前端面連接，常用于大型曲軸中。某平行重凹槽為空間遞減3D結(jié)構(gòu)，不易加工與測(cè)量，且尺寸精度與形位公差要求嚴(yán)格，在每拐徑上分布的相位不同，加工數(shù)量多、風(fēng)險(xiǎn)高、難度大，直接影響某型柴油機(jī)裝配與試驗(yàn)進(jìn)度。1 零件結(jié)構(gòu)與材料切削加工性每一零件在加工前都必須對(duì)其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、技術(shù)要求、材料可切削性能等進(jìn)行細(xì)致分析，找到加工的關(guān)鍵環(huán)節(jié)及難點(diǎn)所在。以根據(jù)實(shí)際情況選擇機(jī)床、刀具及裝夾方法，最終制定工藝路線。
1)零件結(jié)構(gòu)如圖1所示，其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)是：零件為大型軸類(lèi)鍛件，該曲軸的外形尺寸全長(zhǎng)為5495 mm，總質(zhì)量約為5700 kg，軸頸、拐頸外圓尺寸相同157.5 mm，每一拐頸相位相隔120°呈圓周均勻分布共2組6拐。在拐頸的兩邊都有一個(gè)拐臂，拐臂上的凹槽用于掛載平衡重。其工藝參
數(shù)要求：R40、R5、120°、30°、20°、159±0.2、83.5、45、Ra0.8、Ra3.2。
圖 1 某曲軸平衡重加工示意圖
2)零件材料為42GrMo,硬度41～45 HRC屬于難加工材料。由于被加工零件硬度較高，刀具與零件在切削區(qū)摩擦因數(shù)增大，切削過(guò)程中產(chǎn)生的熱量大、溫度高，使硬化加劇。工件材料強(qiáng)度、硬度不斷提高，切削力增大，致使加工刀具磨損較快，機(jī)床消耗功率過(guò)大[1]。
3)零件加工容差及檢測(cè)方法。需要測(cè)量相對(duì)于基準(zhǔn)B面的誤差0.05°，表面粗糙度Ra0.8 μm,以及R40、R5、20°。基于加工后的檢測(cè)要制作專(zhuān)用角度卡規(guī)以測(cè)量0.05°誤差，R40、R5、20°可用樣板測(cè)量，以照光間隙測(cè)量是否合格。
2 、加工工藝性分析
1）該凹槽不在同一加工平面內(nèi)為空間尺寸，加工斜面、圓弧、底邊、直角邊，需連續(xù)變換相位，形位公差、線性尺寸（159±0.2、83.5）、表面質(zhì)量要求高（Ra3.2 μm、Ra0.8 μm）。
2）42×R5圓弧面銑刀、D45×R0.8立銑刀加工時(shí)刀桿受到凹槽120×51×154.9尺寸限制，直徑（28）小、長(zhǎng)度（126）大，造成剛性差、強(qiáng)度低，切削時(shí)易產(chǎn)生振動(dòng) 。
3）整個(gè)凹槽加工中，材料不易切削且去除率高，致刀具散熱條件差，切削溫度升高，使刀具的耐用度降低[2]。試切時(shí)需反復(fù)嘗試改變刀路、修改切削參數(shù)、更換切削刀片，以降低切削溫度，提高刀具耐磨性。
4）R40圓弧與底面和斜面相切時(shí)，42×R5圓弧面銑刀具路徑需空間三軸連續(xù)多次圓弧移動(dòng)，程序編制難度較大。
5）某曲軸全長(zhǎng)5495 mm，要求相位誤差不大于30′。每加工一組先要對(duì)機(jī)床進(jìn)行檢測(cè)，主軸徑距凹槽直角面直線距離159 mm。記錄誤差值做出反方向差值補(bǔ)償。
3、 工藝方案
1）方案1。某曲軸粗、精銑凹槽在落地FPT鏜銑床加工，其加工原理是：把零件定位在V形架上并夾緊，利用六等分體手動(dòng)保證相位角度，銑頭旋轉(zhuǎn)后逐一加工。此方案的缺點(diǎn)是加工誤差大、效率低。手動(dòng)旋轉(zhuǎn)相位時(shí)，松開(kāi)壓緊的曲軸后慢慢轉(zhuǎn)動(dòng)，待端面固定的六等分體大致水平時(shí)，利用百分表找平曲臂平面在0.03 mm內(nèi)，壓緊曲軸加工凹槽豎直部分與R40圓角。然后旋轉(zhuǎn)銑頭加工20°斜面與R40相切，同時(shí)保證83.5 mm尺寸。一組加工完后，再次手動(dòng)旋轉(zhuǎn)六等分體及銑頭120°，銑削另一組平衡重凹槽。以此類(lèi)推全部加工完成。在每組銑削中需手動(dòng)找正曲軸曲臂平面，費(fèi)時(shí)費(fèi)力，且存在銑頭旋轉(zhuǎn)與找正疊加誤差。此方案加工效率低、尺寸誤差大，質(zhì)量與研制節(jié)點(diǎn)難以保證。
2）方案2。車(chē)間現(xiàn)有的HTM1251000車(chē)銑復(fù)合加工中心（如圖2）是沈陽(yáng)機(jī)床廠生產(chǎn)的，目前是國(guó)內(nèi)最大的車(chē)銑復(fù)合加工中心。該機(jī)床采用西門(mén)子840D數(shù)控系統(tǒng)，配有左右兩個(gè)旋軸B﹑C和X﹑Y﹑Z三個(gè)直角坐標(biāo)，左旋轉(zhuǎn)頭為主頭用于車(chē)﹑銑加工，通過(guò)左右轉(zhuǎn)頭使相位自動(dòng)旋轉(zhuǎn)，以有效保證120°相位角，同時(shí)在加工中利用相位的變換，縮短刀具與刀柄的長(zhǎng)度，減少刀具費(fèi)用并提高刀具剛度，有效地對(duì)側(cè)臂與斜面進(jìn)行精加工，同時(shí)對(duì)于不同拐徑上的凹槽尺寸一致性好，加工精度高、質(zhì)量穩(wěn)定、效率高。
結(jié)合工藝要求經(jīng)對(duì)比分析，充分利用車(chē)間現(xiàn)有技術(shù)、設(shè)備、刀具，確定為在HTM1251000車(chē)銑復(fù)合加工中心上加工。先粗銑去除大部分余量，二次開(kāi)粗進(jìn)行半精加工，最后利用相位角的變換進(jìn)行光整加工。粗、半精、精加工分步進(jìn)行，使得整個(gè)生產(chǎn)過(guò)程精確、高效、可靠。
圖2 HTM1251000車(chē)銑復(fù)合中心示意圖
3.1 刀具選用
平衡重凹槽空間材料去除率大、形位公差小、表面質(zhì)量要求高，相誤差不大于30′。這就要求在刀具選擇上，既要高質(zhì)量又要高效率。通過(guò)對(duì)零件圖樣尺寸精度、材料等綜合分析，選用數(shù)控機(jī)夾刀具進(jìn)行切削[3]。粗、精銑選用42×R5銑刀，精銑120°側(cè)面選用25平底立銑刀，精銑20°斜面選用50平底立銑刀。某曲軸粗、精銑單個(gè)曲臂平衡重凹槽面刀具選用表如表1所示。
表1 某曲軸粗、精銑單個(gè)曲臂平衡重凹槽面刀具選用表
3.2 數(shù)控程序編制
數(shù)控程序的編制包括：三維模型的建立、粗精加工刀具切削參數(shù)的設(shè)定、模擬仿真、程序的導(dǎo)出。本程序通過(guò)以下步驟來(lái)加工整個(gè)平衡重凹槽。
1)根據(jù)圖樣要求建立三維模型。編寫(xiě)程序時(shí)所涉及的刀具位置軌跡，需在三維軟件中做出曲軸平衡重凹槽數(shù)字模型。打開(kāi)NX軟件，進(jìn)入XOY平面建立草圖，繪制B-B剖視圖截面，拉伸出實(shí)體即可。
2)粗銑平衡重凹槽。用 42×R5銑刀進(jìn)行3D空間凹槽開(kāi)粗，單邊預(yù)留1 mm余量。由于材料不易加工，且要從實(shí)心處去除材料，材料去除率高。在開(kāi)粗時(shí)要選用刀桿較短的刀柄，以防止切削中的振動(dòng)，在切削過(guò)程中加注乳化液，從而降低切削區(qū)的溫度，以減少工件變形、保持刀具的硬度和尺寸，同時(shí)利于切屑的排出，保證切削順暢不被卡住。切削深度為1 mm，主軸轉(zhuǎn)速為380
r/min，切削速度為120 mm/min，逼近速度為1000 mm/min，進(jìn)刀速度為100mm/min、移刀速度為1000 mm/min[4]。
3)精銑R40。粗加工后大體的形狀已加工完成，對(duì)于根部大圓角R40，用42×R5精銑刀具進(jìn)行光整加工，采用擬合逐步逼近的方法。為保證表面質(zhì)量，通過(guò)提高轉(zhuǎn)速、降低進(jìn)給量、減小步距來(lái)進(jìn)行精加工，且在加工中選擇步距應(yīng)用在部件上，以保證加工刀路在零件上的均勻。
4)精銑R5。用42×R5精銑刀精銑R5，由于刀具圓角半徑與平衡重凹槽根部相同，故順銑一刀完成精銑加工。在加工中注意與R40圓角過(guò)渡接刀光滑。
5)精銑 120°側(cè)面、20°斜面。精加工操作，同時(shí)旋轉(zhuǎn)B、C軸，使120°側(cè)面與主軸平行，用25立銑刀精銑出側(cè)面并與底部R5相切。滿(mǎn)足圖樣Ra0.8 μm表面粗糙度和角度誤差0.05°。同理，相位角轉(zhuǎn)過(guò)20°，用50立銑刀精銑出斜面與R40圓弧另一側(cè)相切。保證尺寸83.5 mm、表面粗糙度Ra3.2 μm。
6)加工前的數(shù)字化驗(yàn)證。曲軸屬大型關(guān)鍵件，加工要求高、研制風(fēng)險(xiǎn)大。為確保正確無(wú)誤，要進(jìn)行3D模擬仿真加工與試件實(shí)操加工[3]。為此我們制定了《曲軸平衡重凹槽三維模型與仿真模擬加工方案》，用來(lái)提前進(jìn)行數(shù)字化模擬驗(yàn)證，來(lái)進(jìn)一步確定方案的可行性與程序的正確性，以保證萬(wàn)無(wú)一失。加工模擬仿真如圖3所示。
圖3 加工模擬仿真圖
7) 制作后處理導(dǎo)出數(shù)控程序。由于數(shù)控機(jī)床種類(lèi)繁多，控制系統(tǒng)多樣，每一機(jī)床的NC代碼廠家自定義的指令各有不同，因此刀軌數(shù)據(jù)輸出，必須經(jīng)過(guò)定制的后處理生成機(jī)床可識(shí)別的指令。編寫(xiě)程序時(shí)所涉及的刀軌數(shù)據(jù)，需在三維軟件中做出曲軸數(shù)字模型、建立曲軸中心仿真系統(tǒng)模塊、配置刀具、選擇加工策略，生成刀路、后置處理，輸出程序。最終編輯為機(jī)床用數(shù)控程序。同時(shí)結(jié)合刀具、機(jī)床、零件計(jì)算理論切削參數(shù)。程序輸出示意圖如圖4
所示。
圖4 程序輸出示意圖
4 、加工后的平衡重凹槽與專(zhuān)檢結(jié)果
由于加工前準(zhǔn)備充分，成品某曲軸平衡重在首次加工過(guò)程中，切削抗力小、刀具運(yùn)行平穩(wěn)、機(jī)床載荷均勻、相位旋轉(zhuǎn)準(zhǔn)確，加工十分順利。凹槽加工尺寸與表面質(zhì)量好。測(cè)量結(jié)果滿(mǎn)足工藝要求，僅用了1個(gè)班次就完成了首個(gè)平衡重凹槽的加工。加工后的平衡重凹槽如圖5所示。
圖5 加工后的平衡重凹槽圖
5、結(jié) 語(yǔ)
通過(guò)對(duì)平衡重加工工藝的試驗(yàn)和技術(shù)攻關(guān)。采用數(shù)字化驗(yàn)證及對(duì)比加工方法進(jìn)行研究后，保證了最佳方法在實(shí)際生產(chǎn)中的有效應(yīng)用，為后續(xù)生產(chǎn)大型、特型零件的首件調(diào)試提供了新的工藝方法，且數(shù)字化驗(yàn)證較原有試加工驗(yàn)證更具先進(jìn)性和科學(xué)性，能有效排除加工質(zhì)量風(fēng)險(xiǎn)、優(yōu)化加工程序、提高生產(chǎn)效率，并確保一次加工合格，縮短產(chǎn)品研制周期。
作者:王逢濤1，童勇智1，金許濤1，陳浩安1，田永維2
來(lái)源：1.陜西柴油機(jī)重工有限責(zé)任公司， 2.駐咸陽(yáng)地區(qū)軍事代表
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