大型發(fā)動(dòng)機(jī)的“心臟”原來是這么制造的!
曲軸的工作原理
?。ㄏ葋砜匆欢我曨l,此視頻介紹了寶馬曲軸生產(chǎn)線,自動(dòng)化程度很高。)
曲軸的結(jié)構(gòu)及材料
曲軸屬細(xì)長桿件,主要由主軸頸、連桿頸、油封軸頸、齒輪軸頸組成,在主軸頸、連桿頸上有油孔,兩端有螺紋孔。
根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu),曲軸主要有直列和V型曲軸,上圖為直列曲軸,主軸頸用于支撐整個(gè)曲軸,連桿頸與連桿相連,帶動(dòng)連桿活塞做上下往復(fù)運(yùn)動(dòng)根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)的工作狀況。
曲軸常用材料有:球墨鑄鐵、合金鋼。對于汽油機(jī)曲軸和小型柴油機(jī)曲軸,由于功率較小,曲軸毛坯一般采用球墨鑄鐵和優(yōu)質(zhì)碳素鋼,常用材料有:QT700-2、45鋼等;中、重型柴油機(jī)曲軸毛坯一般采用合金鋼,常用材料有:48MnV、35CrMo等。
曲軸是發(fā)動(dòng)機(jī)中的重要零件,由于曲軸具有結(jié)構(gòu)復(fù)雜、剛性差、技術(shù)要求高的特性,因此加工工藝難度大,而其加工質(zhì)量又直接影響到發(fā)動(dòng)機(jī)的技術(shù)性能和壽命,且曲軸屬細(xì)長桿件零件,在加工中極易產(chǎn)生變形,這就需要在進(jìn)行加工工藝設(shè)計(jì)時(shí),根據(jù)曲軸的材料、技術(shù)要求、生產(chǎn)能力等要求,綜合、考慮加工方案。
曲軸加工工藝
曲軸加工工藝過程雖然曲軸的品種較多,結(jié)構(gòu)上一些細(xì)節(jié)有所不同,但加工工藝過程大致相同。
主要工藝介紹
1)曲軸主軸頸及連桿頸外銑加工
現(xiàn)在的數(shù)控外銑機(jī)床,采用了模塊化設(shè)計(jì),使外銑數(shù)控機(jī)床具備可變形的多種不同的結(jié)構(gòu),從而適應(yīng)曲軸品種規(guī)格變化的需要。在進(jìn)行曲軸零件加工時(shí),由于圓盤銑刀本身結(jié)構(gòu)的影響,刀刃與工件始終是斷續(xù)接觸,有沖擊。因此,機(jī)床整個(gè)切削系統(tǒng)中控制了間隙環(huán)節(jié),降低了加工過程中因運(yùn)動(dòng)間隙產(chǎn)生的振動(dòng),從而提高了加工精度和刀具的的使用壽命。
外銑機(jī)床可由兩個(gè)外銑刀盤組成,刀盤在做主運(yùn)動(dòng)切削的同時(shí)還可以上下擺動(dòng),從而適應(yīng)于加工連桿頸的需要。此時(shí),曲軸轉(zhuǎn)動(dòng),連桿頸繞主軸頸中心轉(zhuǎn)動(dòng),銑刀盤隨連桿頸旋轉(zhuǎn)而上下擺動(dòng),實(shí)現(xiàn)隨動(dòng)切削。由于兩銑削頭可沿著主軸軸心線移動(dòng),從而完成對曲軸每個(gè)主軸頸和連桿頸的銑削。
2)曲軸主軸頸及連桿頸磨削
目前隨著機(jī)床制造技術(shù)的發(fā)展,連桿頸的磨削則采用跟蹤磨削法。跟蹤磨削法是以主軸頸中心線為回轉(zhuǎn)中心,一次裝夾依次完成曲軸連桿頸的磨削加工(也可用于主軸頸磨削),磨削連桿軸頸的實(shí)現(xiàn)方式是通過CNC控制砂輪的進(jìn)給和工件回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)兩軸聯(lián)動(dòng),來完成曲軸加工進(jìn)給。跟蹤磨削法采用一次裝夾、在一臺(tái)數(shù)控磨床上依次完成曲軸主軸頸和連桿頸的磨削加工,能有效地減少設(shè)備費(fèi)用,降低加工成本,提高加工精度和生產(chǎn)效率。
3)曲軸主軸頸、連桿頸圓角滾壓機(jī)床
近年來,滾壓機(jī)床應(yīng)用越來越多,主要是為了提高曲軸的疲勞強(qiáng)度。據(jù)統(tǒng)計(jì)資料表明,球墨鑄鐵曲軸經(jīng)圓角滾壓后的曲軸壽命可提高120%~230%;鍛鋼曲軸經(jīng)圓角滾壓后壽命可提高70%~130%。滾壓的旋轉(zhuǎn)動(dòng)力來源于曲軸的旋轉(zhuǎn),帶動(dòng)滾壓頭中的滾輪轉(zhuǎn)動(dòng),而滾輪的壓力是由油缸實(shí)施的。滾壓力的大小直接影響到滾壓的效果。力大則在短時(shí)間內(nèi)就會(huì)滾壓出規(guī)定的深度,但由于壓力過大,除了易使?jié)L壓輪破損外,更易使曲軸整體產(chǎn)生彎曲變形。為此,油缸的壓力是可變的、可調(diào)的,在曲軸旋轉(zhuǎn)過程中的任一角度都可隨時(shí)變化,靠液壓伺服閥控制,實(shí)現(xiàn)脈沖滾壓。
在滾壓過程中,因滾壓輪薄、硬度高,在壓力作用下超過一定的時(shí)間會(huì)破損,因此,滾壓頭具有滾壓輪破損檢測報(bào)警功能。由于在滾壓過程中曲軸的高速旋轉(zhuǎn),受滾壓力的作用及滾壓臂的隨動(dòng)負(fù)載的影響,盡管脈沖滾壓能保證曲軸在滾壓過程中的變形很小,但曲軸還是有變形存在。因此,滾壓機(jī)床采用了在線檢測技術(shù),測頭可在任意位置對曲軸進(jìn)行彎曲變形檢測,若變形超差,確定變形方向,通過專家系統(tǒng)控制,使?jié)L壓油缸的力根據(jù)變形方向而變化,從而達(dá)到校直的目的,一般需19~21KN的校直力。在滾壓加工過程中,為了控制滾壓力的大小,在滾壓臂最易產(chǎn)生變形的位置安裝了一個(gè)應(yīng)變儀,通過滾壓臂受張力產(chǎn)生變形的大小,來監(jiān)控滾壓力,從而對壓力進(jìn)行控制。
4)曲軸油道孔數(shù)控鉆削機(jī)床
曲軸油道孔的加工經(jīng)歷了普通鉆床、組合機(jī)床、槍鉆等不同時(shí)代的不同的加工方法,而今已開始采用數(shù)控柔性鉆床。其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)如下:
?。?)采用帶中孔的涂鈦硬質(zhì)合金鉆頭;
(2)采用油氣通過鉆頭中孔對切削部位進(jìn)行潤滑,其用油為菜子油,不含硫、硅、氯等成分,也不含石油成分,潤滑效果好;
?。?)可同時(shí)加工兩根曲軸;
?。?)可自動(dòng)換刀;
?。?)油道孔加工角度在一定范圍內(nèi)可調(diào);
?。?)實(shí)現(xiàn)6軸運(yùn)動(dòng)。即主軸運(yùn)動(dòng),主軸頭擺動(dòng);
主軸頭前后移動(dòng);主軸頭左右移動(dòng)(換刀和油道孔加工位置用);主軸頭上下進(jìn)給運(yùn)動(dòng);被加工曲軸的轉(zhuǎn)動(dòng)。這種鉆床,大大減少了切削液的使用量,而且提高了加工的柔性。切削液的使用,在曲軸加工中也是需要關(guān)注的問題,如何減少加工現(xiàn)場的油霧,一些專業(yè)的切削液廠家也提供了相應(yīng)的解決方案。
5)曲軸法蘭孔加工
針對曲軸法蘭孔的加工。在鉆孔工序常采用整體硬質(zhì)合金階梯鉆,適合高精度鉆孔加工。攻絲常采用新型整體硬質(zhì)合金切削絲錐及擠壓絲錐,一般會(huì)采用針對不同材質(zhì)的加工特點(diǎn)而特別設(shè)計(jì)的絲錐在攻絲過程中經(jīng)常遇到絲錐的纏屑問題,OSG提供了相應(yīng)的解決方案。
當(dāng)然,大型曲軸作為國之重器,在加工過程中會(huì)存在很多問題和困難,需要工藝人員不斷的積累經(jīng)驗(yàn),為大型發(fā)動(dòng)機(jī)做出好的“心臟”。
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