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工序集中实现曲轴油孔的高效加工 |
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作者：重庆长安铃木汽车有限公司 李方彪 来源：AI汽车制造业 |
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曲轴油孔加工是曲轴加工中的难点之一，除了具有深孔加工的特点外，还因为孔与孔之间是三维分布。由于各断面尺寸、形状和刚度均不同，因此给定位、夹紧、钻孔及冷却等都带来很大难度。目前，比较传统的加工方法是：工序分散的并行加工工艺，且大多采用复合刀具。这样的工艺占地面积大、干扰因素和不确定因素多、刀具复杂且管理成本较高。
由于我公司车间厂房比较狭小，如果采取传统工艺很难适应我公司的生产需要。这就要求我们工序集中在单台设备上完成曲轴油孔系的全部加工，进一步提高效率。下面介绍一下我公司现在使用的加工工艺，不仅做到了在单台设备上一次安装后完成全部油孔系加工，而且提高了加工效率，降低了成本，不失为一种值得大家借鉴的工艺方法。
曲轴油孔系及加工要求
1. 我公司的曲轴加工线是一条全自动化生产线，其节拍为150s。受场地限制，只能采用工序集中的原则组成自动化生产线。在建线初期经综合技术评定，在方案审查时，最终同意采纳在一台专机上完成油孔系所有孔的加工工艺。
2. 从图1中可以看出，有4个φ5.5mm×52mm主轴颈通孔，4个φ5.5mm×100mm两两向反15°的主轴颈油孔与连杆轴颈油孔贯通的孔，同时，尝试采用带中心注油孔的麻花钻刀具实施孔加工。
图1 长安铃木公司目前生产的四缸发动机曲轴结构
3. 曲轴毛坯材料是中碳锰钒合金钢，其硬度是HB230～285。
4. 刀具采用普通硬质合金涂层麻花钻。
曲轴油孔系加工专用机床
本专用机床设置左右两个主轴头Ⅰ和Ⅱ，这样的设置也是为了进一步提高生产效率。下面对图2中各主要部件的运动和功能做以描述：首先曲轴安装到本专机上时，按照图1主视图水平放置在头架和尾架之间。图2中各部件均处于垂直平面之内，本专机的坐标系如图3。主轴头Ⅰ和Ⅱ各自有X、Y、Z三个方向的平动，还有各自B向转动，钻头的主切削运动，并能实现自动换刀。其基本参数见表1、2、3。头架和尾架实现夹紧，并带动曲轴C向转动。尾架可以延X轴向移动，实现曲轴投入本机。其基本参数参见表4。定位夹具可延X轴向移动，实现曲轴安装时的相位定位，并抵抗曲轴在钻孔时的切削力。主轴头Ⅰ和Ⅱ两侧各设置一个刀库，刀库中设有刀具监测装置，发现有刀具折断时，设备自动报警，防止因刀具折断对设备和曲轴造成破坏。此外，电气控制系统采用西门子系统。
表1 主轴头Ⅰ和Ⅱ线性移动技术参数
 
图2 专用机床的轴系分布
表2 主轴头Ⅰ和Ⅱ的B向旋转技术参数
 表3 主轴头Ⅰ和Ⅱ主轴参数
 
图3 专机坐标系
加工工艺过程
1. 安装曲轴：由于是全自动线，上下曲轴均由机械手完成。安装曲轴时，主轴头Ⅰ和Ⅱ延Y方向后退，定位夹具和尾架延X方向前进至规定位置，定位夹具（见图4）有两个夹爪和一个顶升油缸，这时两个夹爪张开，顶升油缸处于落下位置。机械手将曲轴送入，夹爪合拢曲轴相位被定位，头架和尾架同时夹紧，顶升缸顶起。曲轴被准确定位夹紧到位。用时10s。
图4 定位夹具
2. 使用短钻头钻4个φ5.5mm×52mm孔，利用C轴转动180°，对钻曲轴轴颈油孔；左侧主轴头Ⅰ钻左侧2个油孔，右侧主轴头Ⅱ钻右侧2个油孔；用时40s（刀具No.1与曲轴之间姿态改变8次）。
3. 铣削连杆轴颈油孔平台，用时10s（刀具No.2与曲轴之间姿态改变4次）。
4. 钻削连杆轴颈油孔引导孔，用时10s（刀具No.1与曲轴之间姿态改变4次）。
5. 钻削4个φ5.5mm×100mm连杆轴颈油孔与曲轴颈油孔的连接孔，用时40s（刀具No.3与曲轴之间姿态改变4次）。
6. 曲轴颈油孔两端倒角，用时10s（刀具No.4与曲轴之间姿态改变8次）。
7. 曲轴颈油孔内去毛刺，用时10s（刀具No.1与曲轴之间姿态改变4次）。
8. 连杆轴颈油孔去毛刺，用时10s（刀具No.4与曲轴之间姿态改变4次）。
9. 主轴头Ⅰ和Ⅱ退出，机械手下料，用时10s。
实现高效钻削曲轴油孔系的措施
实现高效加工一般有以下几个大的方向：
1. 设备本身能适应高速、深孔连续切削要求
从曲轴加工工序的各分工步可以看出，刀具与曲轴之间的姿态变换达36次。为了满足加工效率的要求，设备自身动态性能必须稳定。床身采用非金属整体浇注，并与地面采用非刚性连接；尽可能减小移动部件质量（采用高速电机，皮带传动）；提高移动部件移动副的刚度（采用有预压力轨道）；尽可能减少设备其他部分的振动（刀库门运动中的振动，设备防护门在设备运行中的振动）对加工的影响。
头架、尾架和定位夹具部分整体安装在床身上面，他们的运动所产生的振动大部分被床身全部吸收，并且在实际钻孔过程中，仅有C轴旋转运动，不会对主轴头产生明显的影响。从表4中可以看出，头架的静态刚度是比较高的。此外，主轴头Ⅰ、Ⅱ的前轴承尽可能安装在离钻头近的地方。表4 头架C向旋转技术参数
 刀库分为左右2个，尽可能减小刀库的质量（实际设计刀库容量最大是4把刀），以避免一个主轴头在加工，另一个主轴头在换刀所产生的影响。定位夹具的顶升油缸的压力可以设定，最大限度地保证曲轴在钻孔时的刚度需要。
2. 满足本工序精确要求的定位精度
由于各轴采用实时控制，有效保证了曲轴和刀具时时处于正确的位置状态下。这样设备时时处于监控中，一遇异常立刻报警。B向旋转和C向旋转要求定位精度是0.003°；X、Y、Z向的移动定位精度是0.007mm。
综合上述1、2项，由于我们采取了各种措施提高并保证设备的动态刚度和定位精度，为高效钻孔的实现搭建了一个可靠的硬件平台。
3. 刀具和刀具更换
刀具采用普通硬质合金涂层麻花钻。为了提高刀具耐用度，除采用了已经非常成熟的刀具涂层技术外，还采用微量润滑技术。曲轴毛坯硬度：HB230～285。
在上述条件下，我们钻4个φ5.5mm×100mm连杆轴颈油孔与曲轴颈油孔的连接孔时，切削速度是80m/min，进给速度是每转0.25mm；其他情况下的切削速度是100m/min，进给速度为每转0.3mm。经过我们的摸索，刀具重磨寿命最短是No.3（见表5）达到170件后提示准备换刀。当达到这一重磨要求时，其钻孔长度已达70m，远高于相同条件下刀具的耐用度。同时，为了实现刀具自动更换，采用了HSK-A 40标准接口刀柄，除换刀实现自动外，也便于修磨作业。表5 各刀具使用寿命
 由于采用了刀具涂层技术和微量润滑技术，不仅使刀具的使用寿命大为延长，更提高了加工效率；采用微量润滑技术除保证使用麻花钻连续不间断钻削深孔，而且由于不再使用切削液，也避免了切削液系统不稳定带来的不利影响，使制造成本大大降低。
4. 缩短辅助时间
为了尽可能缩短辅助时间，对刀具地使用进行了充分的优化，从表5可以看出，全部加工只使用了4把刀具，这样不仅缩短了辅助时间，也有效地降低了制造成本和管理成本。在整个150s加工循环中，刀具切削实际时间不足70s，大量的时间用于刀具与曲轴的姿态调整。精确的定位和定位可靠确认，交由设备自身完成并确认，平均分配到每次姿态调整的用时也只有2s左右。
另外，通过不断地探索，我们掌握了各种刀具的最短使用寿命，并设置在刀具参数表中，换刀后当前被加工曲轴数达到预警件数，系统自动做出预警，提示及时准备更换对应编号的刀具。表6 曲轴材质化学成分
 综合上述3、4项，由于我们在工艺方面采取的各项积极措施，使高效加工和降低制造成本得以同时实现，满足了整条曲轴生产线协调有序生产的需求。通过一年半的实际运行，证明该设备达到了我们初期的预想效果。
总结
高效加工和降低制造成本两者往往是矛盾的。我们利用现代技术，尝试使两者在现有的技术水平下达到我们希望的统一水平，并且取得了预期的结果。我们相信，未来会有更多更好的解决方案应用于生产中。 (end)
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(4/16/2009) |
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