曲軸連桿頸的跟蹤磨削工藝
曲軸是發(fā)動機的關(guān)鍵件之一,零件結(jié)構(gòu)復(fù)雜,生產(chǎn)批量大(在中、小批量生產(chǎn)中需進行多品種輪翻生產(chǎn)),精度要求高(連桿頸的尺寸精度IT6-IT7,圓度≤0.005mm,表面粗糙度Ra0.2-Ra0.4)。目前,曲軸的終加工,仍普遍采用磨削工藝。為滿足曲軸日益提高的加工要求,對曲軸磨床提出了很高的要求。現(xiàn)代曲軸磨床除了要有很高的靜態(tài)、動態(tài)剛度和很高的加工精度外,還要求有很高的磨削效率和更多的柔性。近年來,更要求曲軸磨床具有穩(wěn)定的加工精度,為此,對曲軸磨床的工序能力系數(shù)規(guī)定了Cp=1.67,這意味著要求曲軸磨床的實際加工公差要比曲軸給定的公差小一半?,F(xiàn)代驅(qū)動和控制技術(shù),測量控制,CBN(立方氮化硼)砂輪和先進的機床部件的應(yīng)用,為曲軸磨床的高精度、高效磨削加工創(chuàng)造了條件。一種稱之為連桿頸跟蹤磨削工藝(圖1)正是體現(xiàn)了這些新技術(shù)綜合應(yīng)用的具體成果。
而這種跟蹤磨削工藝可顯著地提高曲軸連桿頸的磨削效率、加工精度和加工柔性。在對連桿頸進行跟蹤磨削時,曲軸以中間軸頸為軸線進行旋轉(zhuǎn),并在一次裝夾下磨削連桿頸。在磨削過程中,磨頭實現(xiàn)往復(fù)擺動進給,跟蹤著偏心回轉(zhuǎn)的連桿頸進行磨削加工。實現(xiàn)跟蹤磨削,X軸除了必須具有高的動態(tài)性能外,還必須具有足夠的跟蹤精度,以確保連桿頸所要求的圓度:3mm-7mm。示例:載重汽車的曲軸連桿頸直徑Dh:94mm砂輪直徑Ds:650mm沖程半徑Rh:75mm曲軸轉(zhuǎn)速Nw:60r/min磨削時間Tc:12minX軸必需具有的動態(tài)性能X軸的速度Vmax:約28m/minX軸的加速度Amax:約3m/s²圖1連桿頸跟蹤磨削的運動原理(Naxos)a-C軸的旋轉(zhuǎn)方向:b-X軸的往復(fù)擺動運動(跟蹤運動):c-沖程偏移;d-C軸不同位置時的砂輪;Dh-連桿頸直徑;Rh-沖程半徑;Ds-砂輪直徑。CBN砂輪的應(yīng)用是實現(xiàn)連桿頸跟蹤磨削的重要條件。
由于CBN砂輪耐磨性高,在磨削過程中砂輪的直徑幾乎是不變的,從而可以減少運動學(xué)方面的繁瑣計算。CBN砂輪可以采用很高的磨削速度,在曲軸磨床上一般可采用高達125-140m/s的磨削速度,有的甚至可更高些。例如在磨削球墨鑄鐵GGG70(相當(dāng)于我國的QT70-2),硬度為HRC35,磨削余量為0.25mm的曲軸時,采用的砂輪圓周速度高達165m/s,從而大大縮短了磨削加工的基本時間。這種圓周速度實際上已達到了銑削加工材料的切除率,而常規(guī)的砂輪是不可能達到這樣的加工效率的。
這特別對于有著較高軸肩的載重汽車的大型曲軸,在磨削時需要較大的切入行程,而采用CBN砂輪可以顯著減少工藝循環(huán)時間,大大提高了生產(chǎn)效率。CBN砂輪具有很高的刀刃強度和輪廓穩(wěn)定性,砂輪修整的間隔時間長,耐用度很高,從而減少了砂輪的更換次數(shù)。CBN砂輪價格昂貴,但由于加工效率和耐用度高,分?jǐn)偟矫總€工件上的刀具費用反而比采用價格低廉的普通砂輪的要低,據(jù)德國Naxos磨床廠的資料,采用CBN砂輪加工時間通??煽s短50%,而加工費用可節(jié)約50%以上。
應(yīng)指出的是,隨著高速磨削工藝的開發(fā),CBN磨削工藝已從單純的精加工工藝演變?yōu)橐环N普通的加工工藝,采用CBN砂輪磨削工藝時,工件可以留有較大的加工余量,相繼實現(xiàn)粗磨和精磨。圖2直線電機結(jié)構(gòu)原理圖為能充分利用這種新工藝的潛力,現(xiàn)代磨床必須要具備較高的靜、動態(tài)剛度和較高動態(tài)性能,磨頭重量要輕,在它進行往復(fù)擺動實現(xiàn)跟蹤磨削時以便保持較小的運動質(zhì)量。
并通過采用直線電機(圖2)以提高磨頭的動態(tài)性能。采用這種直接驅(qū)動模式,免去了將常規(guī)的回轉(zhuǎn)運動轉(zhuǎn)換為直線運動的傳動組件,由此不僅消除了傳動間隙和傳動件誤差所造成的運動誤差,并顯著提高了軸的動態(tài)性能和移動速度。為了讓工件的轉(zhuǎn)速和砂輪圓周速度之間的比例不要相差太大,由此避免造成磨削燒傷。工件必須盡可能保持較高的回轉(zhuǎn)速度,這就意味著磨頭在以往復(fù)擺動進行跟蹤磨削時,磨頭需要有較高的往復(fù)擺動速度,而采用常規(guī)的滾珠絲杠傳動是難以實現(xiàn)的。磨削時,磨頭以往復(fù)擺動對連桿頸的跟蹤精度,要依靠對磨頭運動軸的計算、控制和監(jiān)控來保證,這就要求機床控制系統(tǒng)具有很高的計算效率和與機床的快速連接,為此,特別要求通過過程監(jiān)控來實現(xiàn)。
為對連桿頸的尺寸和橢圓度精度進行監(jiān)控,在磨床上通常采用安裝在V型體上的測量頭測量正待磨削的和已磨削的連桿頸直徑。在中、小批量生產(chǎn)中,為進行曲軸不同品種的輪翻生產(chǎn),要求磨床具有更多的柔性。而采用跟蹤磨削工藝就能十分容易實現(xiàn)曲軸簇類不同型號曲軸的磨削加工:在相同軸頸寬度的條件下,在這樣的磨床上,可以通過不同的沖程高度來實現(xiàn)對以180°、72°和120°分布的4、5和6缸曲軸不同數(shù)量的連桿頸進行磨削加工,而不需要進行任何機械調(diào)整。
不同的夾緊長度可以通過NC工件頭架和可移動的尾座來達到,連桿頸的分度和沖程高度所改變的運動聯(lián)系只需通過調(diào)用儲存在CNC控制系統(tǒng)里的相應(yīng)程序參數(shù)來實現(xiàn)。因此,對曲軸簇類不同品種間的輪翻生產(chǎn),磨床所需的調(diào)整時間很短,只需(1-5)分鐘。而對于傳統(tǒng)的曲軸磨床,曲軸是通過偏心夾具進行夾緊,待加工的連桿頸繞其軸線回轉(zhuǎn)進行磨削,在進行不同品種的磨削時機床的調(diào)整時間就較長,往往需要1個多小時。修整CBN砂輪必須采用涂有多層金剛石顆粒的驅(qū)動式成型滾輪,通過NC軸以(2-5)mm的修整進給將砂輪修整到所要求的形狀。由于跟蹤磨削工藝具有高效、高精度和柔性等優(yōu)點,目前已成為連桿頸磨削加工的主要工藝方法,并在曲軸生產(chǎn)廠中獲得愈來愈多的應(yīng)用。