鑄鐵發(fā)動(dòng)機缸體曲軸孔的精加工方案

發(fā)布日期:2013-09-10    蘭生客服中心    瀏覽:5376

  曲軸孔的加工質(zhì)量對發(fā)動(dòng)機的工作性能具有重大影響,奇瑞公司發(fā)動(dòng)機事業(yè)部根據實(shí)際加工情況,對鑄鐵發(fā)動(dòng)機缸體曲軸孔的精加工方案不斷進(jìn)行研究和持續改進(jìn),收效顯著(zhù),使加工質(zhì)量和效率都得到了有效提升。

  缸體是發(fā)動(dòng)機重要的基礎件,其主要功用是將各機構、各系統組裝成一體,而發(fā)動(dòng)機最主要的運動(dòng)部件——曲軸、活塞和連桿都與缸體有著(zhù)非常密切的關(guān)系。圖1為曲柄連桿機構示意圖。目前,我們常見(jiàn)的汽油發(fā)動(dòng)機最高轉速達6 000r/min以上,曲軸在發(fā)動(dòng)機缸體的曲軸孔中與軸瓦之間形成油膜,以滑動(dòng)軸承的方式支撐和潤滑高速運轉的曲軸,這就對曲軸孔的精加工提出了較高的工藝要求。

  由于曲軸孔的加工質(zhì)量對發(fā)動(dòng)機的工作性能具有極大的影響,所以我們對發(fā)動(dòng)機曲軸孔工藝的要求一般比較嚴格,包括直徑、位置度、圓度、各檔曲軸孔中心的直線(xiàn)度及表面粗糙度等。為了滿(mǎn)足這些要求苛刻的工藝指標,精加工一般采用精鏜或鉸珩兩種加工方式。

  一、精鏜加工方式分析

  精鏜方式精加工曲軸孔相對于鉸珩方式而言,初期投入成本較低,可在加工中心或專(zhuān)機上與其他部位的精加工共同安排在一道工序。因考慮到特殊的工藝要求,目前我們采用的精鏜方案是兩把精鏜刀組合,第一把精鏜刀進(jìn)行引導鏜1、2檔曲軸孔(見(jiàn)圖2),第二把精鏜刀在1、2檔曲軸孔的支撐下精鏜剩余的各檔曲軸孔(見(jiàn)圖3)。由于曲軸孔各檔之間需要保持較高的同軸度,所以精加工時(shí)必須在同一個(gè)方向進(jìn)刀加工,但這么長(cháng)的曲軸孔鏜刀在加工第1檔曲軸孔時(shí)會(huì )出現因缺少支撐而跳動(dòng)過(guò)大的情況,所以采用一長(cháng)一短兩把精鏜刀組合的方式精加工曲軸孔。

圖2 加工1、2檔曲軸孔的精鏜刀

圖3 加工最后幾檔曲軸孔的精鏜刀

  目前,精鏜曲軸孔的鏜刀一般采用硬質(zhì)合金或CBN材質(zhì)的刀片。硬質(zhì)合金的刀片成本較低,但加工工件的表面粗糙度不好,且刀片的耐用度較低。針對這一問(wèn)題,我們協(xié)同刀具供應商共同收集了業(yè)內較為普遍的刀片涂層材料以及在刀片切削角度上的經(jīng)驗技術(shù),對16款硬質(zhì)合金刀片進(jìn)行切削實(shí)驗,并嘗試了對各種合適的加工參數進(jìn)行優(yōu)化,具體的粗糙度波動(dòng)情況如圖4所示。通過(guò)大量驗證,硬質(zhì)合金刀片在滿(mǎn)足粗糙度等工藝要求的前提下最好的實(shí)驗結果為一次性加工80件,仍不能滿(mǎn)足大批量生產(chǎn)的要求。

圖4 測試的硬質(zhì)合金刀片中滿(mǎn)足要求的部分刀片粗糙度波動(dòng)

  隨后,我們對精鏜刀的刀片材質(zhì)進(jìn)行了另外一種方案的驗證,即更換現有的硬質(zhì)合金刀片材料為CBN刀片材料。我們依靠刀具供應商開(kāi)發(fā)出了10多款不同的CBN刀片對曲軸孔進(jìn)行切削驗證,測試結果顯示:在粗糙度的控制方面,CBN刀片明顯優(yōu)于硬質(zhì)合金刀片,加工壽命能夠突破200件。但同時(shí)也產(chǎn)生了一些新的問(wèn)題:用CBN材質(zhì)的刀片加工約150件時(shí),開(kāi)始在孔側出現輕微毛刺,嚴重時(shí)將會(huì )出現翻邊現象。此處的毛刺甚至翻邊成為影響發(fā)動(dòng)機性能的質(zhì)量隱患,嚴重時(shí)會(huì )造成軸瓦劃傷及曲軸抱死等質(zhì)量事故。在曲軸孔毛刺問(wèn)題的處理方面,我們增加了曲軸孔的毛刷,在一定程度上緩解了毛刺的存在,但仍存在較大的質(zhì)量風(fēng)險。 此外,曲軸孔精鏜方案的質(zhì)量穩定性相對鉸珩而言較差,且因為換刀頻繁會(huì )極大地增加質(zhì)量控制的風(fēng)險。精鏜刀加工出的工件表面粗糙度變化趨勢隨刀具耐用度的減少而下降較快,精鏜曲軸孔采用CBN刀片加工的工件表面粗糙度對比如圖5、6所示。

圖5 鏜刀加工首件的表面粗糙度報告

圖6 鏜刀加工200件時(shí)的表面粗糙度報告

  二、鉸珩加工方式分析

  對鏜削精加工的曲軸孔方案我們做了大量的探索工作,并開(kāi)發(fā)出多種新型刀片進(jìn)行加工驗證,但仍然未達到理想的加工效果,因此我們再次考慮曲軸孔鉸珩方案。從成本方面考慮,曲軸孔鉸珩的一次性投入較大,德國某知名珩磨機廠(chǎng)商的初步報價(jià)為40萬(wàn)歐元(因配置要求不同,價(jià)格會(huì )有差異),但后期加工成本比精鏜低很多,且加工質(zhì)量穩定。曲軸孔鉸珩方案的具體實(shí)施如圖7所示。

圖7 曲軸孔鉸珩方案的實(shí)施

  曲軸孔的鉸珩采用臥式珩磨機進(jìn)行加工,因為臥式珩磨機的工作行程較長(cháng),適用于像曲軸孔這類(lèi)的深孔珩磨,深度最大可達3 000mm。在加工過(guò)程中,珩磨頭的油石在脹縮機構作用下作徑向進(jìn)給,把工件逐步加工到所需尺寸。珩磨頭外周鑲有2~10根長(cháng)度約為孔長(cháng)1/3~3/4的油石,在珩孔時(shí)既旋轉運動(dòng)又往返運動(dòng),同時(shí)通過(guò)珩磨頭中的彈簧或液壓控制而均勻外漲,所以與孔表面的接觸面積較大,加工效率較高。

  珩磨余量一般不超過(guò)0.2mm。對鑄鐵或有色金屬進(jìn)行加工,珩磨的圓周速度可達50m/min以上;珩磨的往復速度不宜超過(guò)15~20m/min。油石對孔壁的壓力一般為0.3~0.5MPa,粗珩時(shí)可達1 MPa左右,精珩可小于0.1 MPa。由于珩磨時(shí)油石與工件是面接觸,每顆磨粒對工件表面的垂直壓力只有磨削時(shí)的1/50~1/100,加上珩磨速度低,故切削區的溫度可保持在50℃~150℃范圍內,有利于減小加工表面的殘余應力,提高表面質(zhì)量。為了沖刷切屑,避免堵塞油石,同時(shí)降低切削區的溫度和表面粗糙度,珩磨時(shí)采用的切削液要有一定的工作壓力并經(jīng)過(guò)過(guò)濾。切削液大都采用煤油或煤油加錠子油,也可采用極壓乳化液。

  從圖8粗糙度測量報告數據的波動(dòng)趨勢來(lái)分析,其鉸珩的加工穩定性非常高,并且珩磨頭一次更換砂條的耐用度可加工1萬(wàn)余件,生產(chǎn)效率大幅提高。采用CBN刀片的精鏜加工方式,每200件需要換刀一次,平均每次換刀和首件檢測需要42min。如果將頻繁換刀所花費的時(shí)間折算到每個(gè)工件上,將損失12.6s/件。按照現有某生產(chǎn)線(xiàn)的加工節拍為120s/件,生產(chǎn)綱領(lǐng)為16萬(wàn)件/年來(lái)計算,全年將損失加工時(shí)間201.6萬(wàn)s,利用這段時(shí)間每年可以多加工出1.68萬(wàn)件。

圖8 連續20天實(shí)施鉸珩方案的首檢件粗糙度測量報告

  表為曲軸孔不同精加工方式所產(chǎn)生的刀具損耗成本對比,從表可以分析出,單件的刀具成本差距較為明顯。按照理論分析計算,當生產(chǎn)103萬(wàn)件工件時(shí),鉸珩方案相對于CBN精鏜方案的刀具損耗節約381.1萬(wàn)元左右,略同于鉸珩設備的價(jià)格,并且鉸珩方案的質(zhì)量控制難度和風(fēng)險都小得多。

  曲軸孔不同精加工方式所產(chǎn)生的刀具損耗成本(單位:元)

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