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随着国内发动机行业的飞速发展,产品更新换代加速,零部件的制造精度越来越高,与之相反的新品开发周期愈来愈短,快速试制成为一种趋势。某厂针对柴油机主要自制件之一气缸体曲轴孔精加工工艺准备周期长、工装复杂、成本高的难点,突破常规采用专机进行线镗排加工的工艺,采用角度头在加工中心上完成加工,对提高工装柔性,缩短制造周期,实现快速试制上取得了很大的进步。 

精镗曲轴孔的工作原理 

1.角度头镗刀工作原理 

角度头种类很多,根据加工精度等级需选用精密型用于镗削的专用角度头(见图1)。角度头通过内部伞齿轮等一系列精密传动机构来转换输出轴的旋转轴线方向,达到金属加工所需的角度。要求角度为90°,镗刀头通过连接平面和定位短销与角度头联接。镗刀头为具有一定调整量的微调镗刀,可精确调整到Φ0.02mm,整个刀具可具有很强的柔性,灵活适应产品的变化或不同的产品对象。动力由机床主轴通过传动机构传递给角度头再传递到镗刀,镗刀按程序设定参数进行切削。

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2.精镗曲轴孔工艺 

角度头镗刀需伸进曲轴腔进行加工,大功率柴油机气缸体比较有利的条件是外形尺寸大,曲轴腔有比较大的容刀空间,使角度头镗曲轴孔成为了可能。气缸体预加工状态为零件已完成半精加工,曲轴孔完成粗镗、半精镗加工,加工质量符合工艺要求。角度头镗刀用来完成曲轴孔精镗内容。采用工件顶面定位夹具,工件底面朝上,曲轴腔完全敞开。具体加工工艺安排为(上图):进刀→工进(镗第1档曲轴孔)→退刀→进刀→工进(镗第2档曲轴孔)→…进刀→工进(镗第7档曲轴孔)→退刀,依次加工,共完成所有七档曲轴孔加工。

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工艺要求及设备选型 

1.工艺要求 

曲轴孔加工精度要求比较高,主要难点是对主轴孔跳动的保证上,具体要求见表1,通常采用线镗排结合专用设备才能保证。

表1 主轴孔跳动要求(单位:mm) 
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2.设备及刀辅具的选择 

设备需具备四轴联动功能,机床刚性足,定位准确,静态精度和动态精度较高;此外,机床主轴端面还需专配连接器供角度头连接用。 

该厂试制车间刚引进不久的德国MC80HV系列立卧复合加工中心具有精度高, X/Y/Z行程范围大的优势,且主轴端面配有角度头连接销可以满足使用要求,设备主要技术参数见表2。

表2 设备主要技术参数 
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在国产、日韩及欧洲等众多角度头产品中,德国ROMAI角度头技术成熟,精度高,且应用范围广;在镗刀的选择上选用了德国KOMET微调镗刀,其精度可控制在:连接端面跳动0.012mm,连接定位销圆跳动0.005mm。 

角度头精镗工艺试验 

1.工艺准备 

加工零件:气缸体组件(13L柴油机);缸体材料:HT250;轴承盖材料:QT450;加工刀具:90°角度头及可调精镗刀;加工内容:精镗曲轴孔;精镗余量:0.25~0.5mm;镗孔深度:50mm;加工形式:外冷湿式。 

夹具形式:考虑到工件加工时,角度头需从缸体底面进入,所以夹具设计时缸体底面的开放性要好,因试验对象侧面定位较困难,采用工件顶面及其两销孔定位。 

2.换刀调试及切削加工 

(1)装刀及自动换刀调试 机床能否实现自动换刀是进行试验的前提,由于角度头与机床主轴除莫氏锥孔连接外,机床主轴端面还有三个定位销与角度头连接,所以必须先执行自动换刀检查,将角度头放入刀库刀夹,试验发现角度头定位销孔位置和机床主轴端面定位销需保证较高的定位精度,调整定位销位置,在手动换刀成功的情况下再执行自动换刀,规避了盲目自动换刀撞坏设备的风险。 

(2)刀具静态精度检查 角度头精度结合机床精度及其他因素的影响分析(见表3),这样可保证曲轴孔0.02mm的跳动要求。

表3 其他因素影响分析(单位:mm) 
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对角度头实际精度用杠杆千分表进行了检测,连接端面检测在端面每隔45°均分八个点取八个数据,见表4。

表4 检测数据 
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(3)切削试验 通过优化切削参数,加工质量不断得到提高,曲轴孔跳动要求符合性情况见表5。

表5 曲轴孔跳动要求符合性情况(单位:μm) 
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从表5可以看出,在切削参数调到Vc=110m/min,f=10mm/min加工质量能够得到很好的控制。 

结论 

角度头精镗气缸体曲轴孔工艺可保证产品的快速试制要求,并具有一定的调整范围以适应产品的变化,在产品试制期间是一种比较理想的气缸体曲轴孔精加工方法。 

优点:工艺准备周期短,适用于新品快速试制加工;柔性强,只需调整可调镗刀头就可完成不同产品零件的加工;角度头结合普通夹具即可进行加工,投资小、供货周期短,较线性镗排精加工曲轴孔工艺,夹具设计也简单。 

缺点:对设备精度要求较高;对气缸体零件曲轴箱内腔有空间要求,原则上功率越大的气缸体越适用,因为容刀空间大可使角度头及镗刀系统的设计刚性更强。单刃加工,刀具寿命有待进一步提高,以扩展到大批量生产。

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