曲軸油孔的柔性加工

曲軸作為發(fā)動(dòng)機(jī)總成中最關(guān)鍵的部件之一，對制造工藝裝備有著很高的要求。曲軸油孔的傳統(tǒng)加工采用專機(jī)自動(dòng)線(Transferline)方式，曲軸油孔的自動(dòng)線由鉆直油孔、鉆斜油孔、孔口倒角和曲軸旋轉(zhuǎn)甩油等工位組成，其特點(diǎn)是占地面積大、結(jié)構(gòu)復(fù)雜，盡管可以很好地滿足產(chǎn)量最大化的要求，但其柔性相對較差，在加工新品種曲軸時(shí)的設(shè)備改造周期和本錢都很高。
　　
　　近幾年，以德國TBT深孔鉆技術(shù)有限公司(以下簡稱“TBT公司”)為代表的發(fā)動(dòng)機(jī)制造設(shè)備供給商開發(fā)出了集鉆直油孔、鉆斜油孔、孔口倒角和曲軸旋轉(zhuǎn)甩油等加工功能于一體的曲軸油孔柔性加工中心。這種加工中心可以加工從單缸到六缸發(fā)動(dòng)機(jī)的曲軸，加工長度范圍為300～3100mm，具有很高的柔性，同時(shí)可以滿足大批量生產(chǎn)線的加工節(jié)拍要求。自問世以來，這種設(shè)備已逐漸在國外著名汽車生產(chǎn)廠商的曲軸生產(chǎn)線上廣泛運(yùn)用。下面就以該曲軸油孔柔性加工中心扼要介紹設(shè)計(jì)方案及應(yīng)用特點(diǎn)等。
　　
　　設(shè)計(jì)方案
　　
　　TBT曲軸油孔柔性加工中心由床身、立柱、鉆孔動(dòng)力頭單元、工作臺、夾具、冷卻液系統(tǒng)、液壓和集中式潤滑系統(tǒng)、Siemens840D數(shù)控系統(tǒng)以及刀庫、自動(dòng)換刀裝置和鉆套自動(dòng)更換裝置等組成。共有X軸、Y軸、Z軸、W軸、A軸、B軸和C軸共七個(gè)數(shù)控運(yùn)動(dòng)軸(見圖1)。

　　
　　X軸：立柱帶動(dòng)安裝其上的鉆孔動(dòng)力頭進(jìn)行橫向水平移動(dòng)，以實(shí)現(xiàn)工件上軸向位置的油孔加工；
　　
　　Y軸：鉆孔動(dòng)力頭沿立柱方向進(jìn)行垂直移動(dòng)；
　　
　　Z軸：鉆孔動(dòng)力頭實(shí)現(xiàn)鉆孔深度的工進(jìn)和快進(jìn)；
　　
　　W軸：工作臺快進(jìn)或快退以調(diào)整工件和刀具的間隔，并和X軸、Y軸一起多軸聯(lián)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)斜油孔口的環(huán)銑倒角；
　　
　　A軸：工件旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)裝置，實(shí)現(xiàn)周向位置的鉆孔加工；
　　
　　B軸：工作臺帶動(dòng)夾具360°旋轉(zhuǎn)，以調(diào)整工件和刀具的相對角度，完成加工工位和上下料工位的轉(zhuǎn)換；
　　
　　C軸：刀具進(jìn)行旋轉(zhuǎn)切削運(yùn)動(dòng)。
　　
　　主要規(guī)格
　　
　　TBT曲軸油孔加工中心的規(guī)格分為W200-KW、BW250-KW和MD30-KW三個(gè)系列，分別適用于加工轎車曲軸、卡車曲軸和船用曲軸。
　　
　　小型曲軸油孔加工中心BW200-KW適用于加工轎車發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸。BW200-KW可以根據(jù)客戶的節(jié)拍要求配備1～3套主軸(槍鉆主軸和倒角主軸)同時(shí)加工，鉆孔直徑為2～12mm，X軸、Y軸、Z軸、W軸的運(yùn)動(dòng)行程分別為1000mm、320mm、800mm、800mm，最大鉆孔深度達(dá)400mm，工件夾持長度范圍為300～700mm，主軸轉(zhuǎn)速無級調(diào)速范圍為1000～20000r/min，配備立柱式刀庫、自動(dòng)換刀和鉆套自動(dòng)更換裝置。
　　
　　中型曲軸油孔加工中心BW250-KW適用于加工卡車發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸。BW250-KW可配備1～3套主軸(槍鉆主軸和倒角主軸)同時(shí)加工，鉆孔直徑為2～15mm，X軸、Y軸、Z軸、W軸的運(yùn)動(dòng)行程分別為1920mm、560mm、1000mm、870mm，最大鉆孔深度達(dá)600mm，工件最大夾持長度為1300mm(可根據(jù)客戶要求特殊設(shè)計(jì))，主軸轉(zhuǎn)速無級調(diào)速范圍為1000～20000r/min，同時(shí)配備了立柱式刀庫、自動(dòng)換刀和鉆套自動(dòng)更換裝置。
　　
　　大型曲軸油孔加工中心VarioflexMD30-KW適用于加工船用柴油機(jī)等大型曲軸，這里不做具體介紹。
　　
　　應(yīng)用特點(diǎn)
　　
　　1．采用槍鉆工藝和MQL冷卻技術(shù)，進(jìn)步油孔精度和加工效率。
　　
　　槍鉆作為一種高效的半精密孔加工工藝，孔徑精度一般可達(dá)IT7～I(xiàn)T9，表面粗糙度為Ra1.6左右，對于鑄鐵和中碳非調(diào)質(zhì)鋼材料，普通槍鉆的鉆孔進(jìn)給量可達(dá)150mm/min。TBT公司將40年來對槍鉆工藝的研發(fā)應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)運(yùn)用于曲軸油孔的加工，率先開發(fā)出多軸曲軸油孔柔性加工中心，將柔性和高效率加工完美地結(jié)合起來。
　　
　　近10年來，TBT公司一直在研究MQL冷卻技術(shù)在槍鉆工藝中的運(yùn)用，經(jīng)過不同工件材料的多次對比加工試驗(yàn)，率先成功地將MQL技術(shù)運(yùn)用于槍鉆加工，并相應(yīng)地開發(fā)出了槍鉆刀具涂層和刃磨配套技術(shù)，使加工效率進(jìn)一步大幅進(jìn)步，鉆孔進(jìn)給量進(jìn)步到300～500mm/min。以小轎車的四缸曲軸為例，加工內(nèi)容為鉆削所有的直斜油孔和孔口，一臺TBT三軸曲軸油孔加工中心的年生產(chǎn)能力超過20萬件。
　　
　　2．采用高柔性的夾具(見圖2)，進(jìn)步工序集中化程度，打破了機(jī)床加工能力對曲軸規(guī)格尺寸的局限。
　　

圖2高柔性的夾具
　　
　　夾具可隨工作臺360°旋轉(zhuǎn)，以調(diào)整工件和刀具的相對角度以及加工工位和上下料工位的轉(zhuǎn)換；夾具上有工件旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)裝置，以實(shí)現(xiàn)周向位置不同的鉆孔加工；數(shù)控定位的尾架夾緊頂尖可根據(jù)工件的長度進(jìn)行調(diào)整；曲軸的徑向定位通過數(shù)控調(diào)整實(shí)現(xiàn)；孔口密封卡爪通過數(shù)控實(shí)現(xiàn)相應(yīng)主軸徑油孔的密封，以使斜油孔與對應(yīng)主軸頸上的直油孔相通時(shí)不致于因油壓忽然降低產(chǎn)生爆炸毛刺。
　　
　　綜上所述，可以看出TBT曲軸油孔加工中心具有以下突出特點(diǎn)：
　　
　　■可以一次裝夾完成鉆孔、孔口倒角和甩干切削油；
　　
　　■可以加工不同長度、不同油孔位置和數(shù)目、不同沖程、不同開檔寬度、不同軸頸的曲軸，具有非常高的柔性；
　　
　　■品種更換非常輕易實(shí)現(xiàn)，只要更換相應(yīng)的刀輔具和夾緊卡爪等元件，并采用相應(yīng)的加工程序即可，通常的品種變換只需10～15min即可實(shí)現(xiàn)。
　　
　　3．采用鉆套構(gòu)成封閉式的槍鉆加工過程。
　　

圖3鉆套封閉式加工
　　
　　TBT曲軸油孔加工中心的鉆套安裝在排屑箱上，并緊貼工件表面，與正在加工的斜油孔相交的主軸頸直油孔被密封卡爪牢牢包住，切削油通過刀具內(nèi)部通向切削區(qū)，然后與切屑一起通過槍鉆排屑槽與鉆套間的空隙排到排屑箱里，形成一個(gè)相對封閉的加工過程(見圖3)。這種方法主要有以下優(yōu)點(diǎn)：
　　
　　■鉆套在開始鉆進(jìn)時(shí)對鉆頭起導(dǎo)向作用，槍鉆鉆孔時(shí)無需在工件表面預(yù)鉆導(dǎo)向孔，因而縮短了加工過程，降低了加工本錢，而且不會在孔口出現(xiàn)門路孔；
　　
　　■封閉的環(huán)境使切削液、切屑和油霧只能排放到排屑箱里，不會落到工作臺上和機(jī)床里，減小了切削液的消耗，降低了機(jī)床清潔的工作強(qiáng)度，便于油霧的抽取，有利于環(huán)保衛(wèi)生。
　　
　　4．避免了在加工循環(huán)過程進(jìn)行換刀，大大縮短了待機(jī)時(shí)間。
　　
　　該加工中心配備了鉆套更換裝置替換鉆導(dǎo)向孔刀具，每個(gè)主軸可換用5個(gè)不同角度或長度的鉆套，鉆套更換在加工下一位置調(diào)整過程中同時(shí)進(jìn)行。
　　
　　5．實(shí)施加工過程監(jiān)控，避免刀具磨損。
　　
　　該加工中心主要通過進(jìn)給壓力變化和驅(qū)動(dòng)功率變化兩種監(jiān)控方式來避免刀具的磨損：
　　
　　■配置帶學(xué)習(xí)曲線的ARTIS刀具監(jiān)控裝置，設(shè)定功率最大值和最小值極限變化范圍；
　　
　　■或配置BLUM激光刀具監(jiān)控裝置；
　　
　　■或配置SANDVIK進(jìn)給壓力監(jiān)控裝置，設(shè)置進(jìn)給壓力最大值和最小值極限變化范圍。
　　
　　綜上所述，TBT曲軸油孔柔性加工中心具有很高的柔性，加工能力打破了曲軸具體規(guī)格的局限，而且生產(chǎn)效率很高，完全符合大批量生產(chǎn)線的節(jié)拍要求。目前，在全球已交付使用的曲軸油孔加工機(jī)床中，TBT公司是最主要的供給商，國外用戶主要包括Daimler-Chrysler、BMW、Porsche、VW、VOLVO、Renault和TriumphMotorcycles等，中國用戶有上海通用、沈陽華晨、奇瑞、昌河鈴木和一汽發(fā)動(dòng)機(jī)廠等。
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