加工是發動機制造技術的鮮明特征,曲軸加工的技術進步是的證實之一。車-車拉、高速隨動外銑、內銑和數控隨動cbn磨削等加工技術的相繼應用,使曲軸的生產效率得到了很大的進步。
進進21世紀以來,加工技術與設備在曲軸制造中得到了迅速的推廣應用,曲軸生產效率得到了很大的進步。車-車拉、高速隨動外銑、內銑和數控隨動cbn磨削等加工技術和設備相繼應用,不僅效率高,而且加工精度非常高。由于這些技術和設備的和柔性,曲軸生產線的生產設備數目比以往少了很多,總體生產本錢相應降低。筆者曾考察過上海大眾、通用等企業的轎車發動機曲軸生產線,全線僅有15~20臺*的設備,并分為幾個模塊單元,產品周轉線短,加工效率非常高,且易于質量治理。
與此同時,新型硬質合金刀具已經被廣泛使用,cbn(立方晶氮化硼)、pcd(聚晶金剛石)刀具和陶瓷刀具等代表當今技術發展水平的超硬刀具在發動機制造中的應用也越來越多,組合式刀具和復合刀具也正大展效能,為加工和降低制造本錢提供了更多選擇。
圖1梳刀刀片
車-車拉技術
車-車拉技術在國外被大量用于曲軸主軸頸和連桿軸頸的半精加工,其加工可分為三種形式:直線車拉、內環刀具旋轉車拉和外環刀具旋轉車拉。車拉工藝在1983年左右被開發出來,到1988年短短5年中,車拉工藝從直線式發展成回轉式,到1988年發展到車-車拉工藝,目前,其拉削方法又逐步發展為梳刀工藝。
車-車拉工藝通過一次設定能夠完成所有同心圓的車削,具有率、通過使用特殊卡盤和刀具系統實現柔性加工、機床保養簡便且維護本錢低等優點,特別適用于平衡塊側面不需加工、軸頸有沉割槽的曲軸加工。其中拉削工藝可用的梳刀工藝代替,梳刀(見圖1)加工通常在該工序的zui后工步,通過微量的徑向進給和縱向車削實現高速精加工。采用梳刀工藝的優點在于精度高、效率高、切屑易清理且軸向進刀量小。
圖2模塊化的高速外銑刀盤
高速外銑技術
高速外銑技術產生于20世紀90年代中期,對于平衡塊側面需要加工的曲軸,高速外銑技術比車削、內銑和車-車拉的生產效率還要高。以四拐曲軸為例,車-車拉工藝加工連桿軸頸要兩道工序,而高速外銑工藝一道工序就能完成。高速外銑具有以下優點:應用工件回轉和銑刀進給伺服連動控制技術,可以一次裝夾不改變曲軸回轉中心隨動跟蹤銑削曲軸的連桿軸頸,切削速度高(可達350m/min)、切削時間和工序循環時間較短、切削力較小、工件溫升較低、刀具壽命高、換刀次數少、加工精度更高以及柔性更好,所以高速外銑技術將是曲軸主軸頸和連桿軸頸粗加工的發展方向。圖2是模塊化的高速外銑刀盤。
cnc內銑技術
cnc內銑是20世紀80年代中期出現的工藝,cnc內銑加工性能指標要高于普通外銑加工,尤其是對于鍛鋼曲軸,內銑更有利于斷屑,剛性特別好。cnc內銑工藝是目前曲軸連桿頸粗加工的*加工工藝,尤其對于大功率鍛鋼曲軸的加工,cnc內銑工藝更是。內銑機床有多種加工形式,應用zui多的是曲軸固定型cnc曲軸內銑加工工藝。內銑加工的主要特點是:生產效率高、加工精度好、適用范圍廣且柔性好,其具有代表性的設備如德國heller公司開發的cnc數控曲軸內銑機床系列等,該機主要功能特點是:曲軸固定后不動,銑刀跟隨連桿頸銑削;機床床身為復合材料一體化結構;工件兩端電子同步電動機旋轉驅動;具有干式切削、加工精度高和切削效率高等特點;控制系統中輸進零件的基本參數即可天生自動加工程序。
圖3模塊化的內銑刀盤
數控磨削技術
傳統的曲軸磨削工藝均采用磨削線速度為35m/s的普通曲軸磨床,砂輪進給和修整為手動進給,軸徑和臺肩的磨削余量大,砂輪耐用度低,需技術工人精工細作才能磨出精品,因此產量和質量總是非常矛盾。為進步產品加工精度和效率,目前有多種新的磨削方式。
曲軸磨削可采用的技術有單序加工和復合加工等工藝。
單序加工如:磨削四拐曲軸主軸頸采用的五砂輪磨削(見圖4),磨削四拐曲軸連桿頸采用的雙砂輪磨削。這種工藝效率很高,磨削后軸頸的跳動量輕易控制,砂輪一次修整完畢后能保證各軸頸尺寸的一致性,缺點是柔性差,只能加工一個系列產品。
圖4五砂輪磨削曲軸主軸頸
復合加工是指一次裝夾磨削所有主軸頸和連桿軸頸,且磨削連桿軸頸采用隨動磨削技術,這種磨削方式zui大的優點就是柔性好。復合加工有兩種可以采用的工藝:順序磨削主軸軸頸及連桿軸頸和同步磨削主軸軸頸及連桿軸頸(見圖5)。
圖5同步磨削主軸軸頸及連桿軸頸
隨動磨削機床已成功地應用于曲軸的精加工,德國勇克公司(junker)、德國naxos-union公司、英國landis等公司均成功開發了隨動磨削機床,一般采用cbn砂輪和使用油冷卻的方式,適用于加工汽車發動機曲軸,質量可靠。*的隨動磨削機床在加工過程中能檢測并修正軸頸圓度和尺寸,切進式磨削及隨動式磨削理論上的偏差為零,在主軸上采用自動對中心的三點式中心架,cnc控制的冷卻劑供給保障了磨削區域的持久用量,砂輪軸適用于線速度高達120~140m/s的磨削。
刀具材料呈現多樣化
刀具性能的進步為高速加工發展提供了可能性,除了高速鋼、硬質合金以外,超硬材料的發展也起到了重要的作用,pcd、pcbn為難加工材料的切削、干切削和硬切削等加工創造了條件。
為適應曲軸加工高速化、率和干式切削的需求,目前用戶大量采用涂層刀具,涂層材料從tin發展為a12o3、tic和zro2,再到耐高溫的ticn、tialn、tisin和crsin等?,F在,pvd(物理氣相沉積)、cvd(化學氣相沉積)技術不斷推陳出新,由單層發展成多層、千層和復合涂層,現在又發展成納米涂層。
刀具及涂層的進步使深油孔的加工可以采用槍鉆加工代替普通加長高速鋼鉆頭,鉆孔和攻絲可以用硬質合金刀具來代替傳統的高速鋼刀具。目前國內的曲軸精加工數控磨床多數使用cbn砂輪加工,cbn砂輪價格昂貴,但由于加工效率和耐用度高,分攤到每個工件上的刀具用度反而比采用價格低廉的普通砂輪的要低,從“降本增效”來綜合考慮,使用cbn砂輪更具經濟性。
為達到加工的目的,組合式刀具和復合刀具的應用也越來越多,以簡化工序、減少刀具數目、減少換刀時間和加工節拍時間。現在,業界還出現了鉆孔和螺紋加工在一起的組合式刀具,這種復合刀具的前部用于鉆孔,緊接著是刀具的螺紋加工部分,在螺紋底孔被鉆出來后,該刀具即進行螺紋的銑削加工,僅用一把刀具即完成該孔的全部加工。
由于組合式刀具的應用大大進步了生產效率,但也增加了非標刀具的種類和數目,增加了對刀具治理的要求,特別是在刀具非正常消耗發生時,增加了快速獲得替換刀具的困難和影響生產線正常生產的風險,因此,怎樣做到既能保證為獲得高的生產率而大量采用復合刀具,又能盡可能地使刀具實現標準化,就成為了刀具制造業和汽車制造業需要共同關注和研究解決的題目,需要制定一些相關的標準,開發定向于平臺的刀具,建立一些標準的復合刀具結構,根據生產任務公道組合或者變換切削及功能模塊,并在這種復合刀具中盡可能地采用標準刀片,以快速價廉地制造各種刀具。這樣會大大降低刀具制造、采購和庫存本錢,縮短刀具供貨時間,并明顯進步出現刀具非正常消耗時的應急能力和快速響應能力。
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