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发动机曲轴复合加工技术成为发展趋势

话题调查中国仪表网2006年05月30日 09:46人气:704

进入21世纪以后,发动机曲轴在制造工艺、刀具等方面都发生了巨大的变化。领导了近半个多世纪的多刀车削工艺和手工磨削工艺,由于加工精度低和柔性差等原因,正在逐步退出历史舞台。高速、高效的复合加工技术及装备迅速进入汽车及零部件制造业,高速高效复合加工技术在曲轴加工生产中已有相当程度的应用,并将是其必然发展趋势。
 曲轴加工技术设备现状
  目前,国内较陈旧的曲轴生产线多数由普通机床和专用机床组成,生产效率和自动化程度相对较低。粗加工设备一般采用多刀车床车削曲轴主轴颈及连杆轴颈,工序质量稳定性差,容易产生较大的加工应力,难以达到合理的加工余量。精加工普遍采用MQ8260等普通曲轴磨床进行粗磨、半精磨、精磨、抛光,通常靠人工操作,加工质量不稳,尺寸一致性差。
  老式生产线一个主要的特点就是普通设备太多,按加工球墨铸铁曲轴来计算,一条生产线有35~40台设备。笔者曾考查过国内某一锻钢曲轴生产线,粗加工采用普通外铣加工主轴颈和连杆颈,然后数控精车主轴颈和连杆颈,再经过多道工序的磨削方转入精加工工序。所以这条生产线设备达60多台,导致产品周转线长、场地占用面积大,其生产效率完全是靠多台设备分解工序和余量来提高的。
  而当今的汽车发动机曲轴制造业面临的却是以下几个问题:
  1.多品种、小批量生产;
  2.交货期大大缩短;
  3.降低生产成本;
  4.难切削材料的出现使加工难度明显增加,加工中提出了许多需要解决的课题,如硬切削;
 5.为保护环境,要求少用或不用切削液,即实现干式切削或准干式切削;
  正是基于以上情况,进入21世纪以来,高速、高精、高效的复合加工技术及装备在汽车曲轴制造业中得到了迅速的应用,生产效率得到了很大提高,因此发动机曲轴生产线中生产设备数量得以减少。笔者曾在某一轿车发动机曲轴生产线看到,全线设备(包括热处理、表面强化)只有13台设备左右,产品周转线短、加工效率高、易于质量控制管理。
 曲轴复合加工技术的发展
  20世纪80年代后期,德国BOEHRINGER公司和HELLER公司开发出了完善的曲轴车-车拉机床,该加工工艺是将曲轴车削工艺与曲轴车拉工艺完美结合,生产效率高、加工精度好、柔性强、自动化程度高、换刀时间短,特别适合有沉割槽曲轴的加工,加工后曲轴可直接进行精磨,省去粗磨工序。因此,曲轴车-车拉加工工艺是目前国际上曲轴粗加工中流行的加工工艺之一。
  20世纪90年代中期出现的新型CNC高速曲轴外铣机床使曲轴粗加工工艺又上了一个新台阶。CNC曲轴内铣与CNC高速曲轴外铣对比,内铣存在以下缺点:不容易对刀、切削速度较低(通常不大于160m/min)、非切削时间较长、机床投资较多、工序循环时间较长。而CNC高速曲轴外铣具有以下优点:切削速度高(可高达350m/min)、切削时间较短、工序循环时间较短、切削力较小、工件温升较低、刀具寿命高、换刀次数少,加工精度更高、柔性更好。因此,CNC高速曲轴外铣将是曲轴粗加工的发展方向。
 笔者在江苏南亚自动车有限公司菲亚特轿车曲轴生产线见到德国BOEHRINGER公司两台设备,其中1台为数孔曲轴车-车拉机床,另外1台为CNC高速曲轴外铣,亲身体验了一次“削铁如泥”的感觉。据专家介绍,曲轴车-车拉机床特别适合于轴颈有沉割槽、平衡块侧面不用加工的曲轴;而高速外铣则不能加工轴向有沉割槽的曲轴。该铣床为德国BOEHRINGER公司的VDF 315 OM-4高速随动外铣床,它是德国BOEHRINGER公司专为汽车发动机曲轴设计制造的柔性数控铣床,该设备应用工件回转和铣刀进给伺服连动控制技术,可以一次装夹不改变曲轴回转中心,并随动跟踪铣削曲轴的连杆轴颈。VDF 315 OM-4高速随动外铣采用复合材料一体化结构床身,工件两端电子同步旋转驱动,具有干式切削、加工精度高、切削效率高等特点;该铣床使用SIEMENS 840D CNC控制系统,通过输入零件的基本参数即可自动生成加工程序,可以加工长度在450~700mm、回转直径在380mm以内的各种曲轴,连杆轴颈直径误差为±0.02mm。
  由上可以看出,曲轴粗加工比较流行的工艺是:主轴颈采用车拉工艺和高速外铣,连杆颈采用高速外铣,而且倾向于高速随动外铣,全部采用干式切削。由于国外此类设备价格昂贵,产品加工成本很高,国内一些机床生产厂家(如青海第二机床制造有限责任公司)相继开发出了数控曲轴车床、数控高速曲轴铣床,数控曲轴车拉机床等专用机床。
  曲轴精加工采用国内数控磨床磨削情况已相当普遍,产品加工精度已有相当程度的提高。为满足曲轴日益提高的加工要求,对曲轴磨床提出了很高的要求。现代曲轴磨床除了要有很高的静态、动态刚度和很高的加工精度外,还要求有很高的磨削效率和更多的柔性。近年来,更要求曲轴磨床具有稳定的加工精度,为此,对曲轴磨床的工序能力系数规定了Cp≥1.67,这意味着要求曲轴磨床的实际加工公差要比曲轴给定的公差小一半。随着现代驱动和控制技术、测量控制、CBN(立方氮化硼)砂轮和先进的机床部件的应用,为曲轴磨床的高精度、高效磨削加工创造了条件。一种称之为连杆颈随动磨削的工艺。正是体现了这些新技术综合应用的具体成果。这种随动磨削工艺可显著地提高曲轴连杆颈的磨削效率、加工精度和加工柔性。在对连杆颈进行随动磨削时,曲轴以主轴颈为轴线进行旋转,并在一次装夹下磨削所有连杆颈。在磨削过程中,磨头实现往复摆动进给,跟踪着偏心回转的连杆颈进行磨削加工。要实现随动磨削,X轴除了必须具有高的动态性能外,还必须具有足够的跟踪精度,以确保连杆颈所要求的形状公差。CBN砂轮的应用是实现连杆颈随动磨削的重要条件。由于CBN砂轮耐磨性高,在磨削过程中砂轮的直径几乎是不变的,一次修整可磨削600~800条曲轴。CBN砂轮还可以采用很高的磨削速度,在曲轴磨床上一般可采用高达120~140m/s的磨削速度,磨削效率很高。
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