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新聞主題 |
柴油發電機飛輪殼孔系和結合面的加工方案 |
摘要：柴油發動機飛輪殼產品為典型殼類產品，本文以具體產品為例介紹了產品功能、加工難點及加工方案；設計了自動化、柔性化程度不同的三種加工工藝方案，并分析各自特點。飛輪殼安裝于柴油發動機缸體與發電機之間，外接缸體、起動機、油底殼，內置飛輪總成，起到連接機體、防護和載體的作用。
一、飛輪殼孔系加工方案
如圖1所示是康明斯柴油發電機組飛輪殼典型關鍵尺寸技術要求簡圖。為保證各孔及油底殼面至定位銷孔孔距尺寸，必須將2-φ18+0.018mm的定位銷孔、油底殼面、中心孔φ140mm（即曲軸安裝孔）安排在同一道工序內完成，減少二次裝夾帶來的定位誤差，特別是中心孔φ140+0.063mm的加工，此中心孔除了位置精度要求較高外同，此孔還是一個階梯孔，與缸體結合面不在同一個方向上。應φ140+0.063mm的中心孔與2個φ18+0.018mm的定位銷孔在一道工序內完成，減少二次定位帶來的誤差。
1、中心孔的加工工藝設計
中心孔即曲軸油封安裝孔，由于中心孔是階梯孔，結構如圖2所示。為了保證產品的精度要求，刀具只能從缸體結合面方向進入，由于產品結構的特點，加工上只能選擇特殊的刀具：用階梯銑刀粗銑φ140mm孔；用精鏜刀背鏜φ140mm的中心孔。背鏜加工原理如圖3所示，刀具中心至B點后，主軸準停，主軸沿刀尖的反方向偏移Q，然后快速定位至孔底Z點，再沿刀尖正向偏移Q至E點，主軸正轉，刀具向上工進至R點，在R點主軸再準停，刀具反向偏移Q，快退離開工件。
2、定位銷孔精加工工藝設計
兩定位銷孔孔徑及中心孔距要求較為嚴格，精加工刀具有兩種方案：鉸孔和鏜孔。
在鏜刀選擇上應采用具有高精度微調機構的刀具，最小可調刻度1μm/φ。加工過程中，如孔徑尺寸發生變化，可通過調整圖片中的微調機構對孔徑進行調整。
綜合分析并結合現有刀具的制造水平，應優先采用精鏜孔工藝完成兩銷孔加工。經驗證，加工精度滿足產品要求，Cpk過程能力達到1.62。數據分析如圖4所示。
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圖1 柴油機飛輪殼產品尺寸圖 |
圖2 曲軸油封安裝孔結構局部放大圖 |
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圖3 曲軸油封安裝孔背鏜加工原理 |
圖4 飛輪殼定位銷孔過程能力分析 |
二、與缸體結合面加工方案
缸體結合面即為基準A面，該面表面粗糙度要求為Ra1.6，采用常用的銑削工藝即可滿足粗糙度要求，關鍵是0.05mm的平面度要求較為嚴格。由于產品平面度精度要求較高，如果通過銑削加工方式來保證，還需要通過銑削工藝試驗進行驗證，表1是工藝試驗參數說明。
表1 工藝試驗參數說明
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序號
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使用設備
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使用刀具
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切削參數
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夾緊松開前/mm
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夾緊松開后/mm
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1
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立工加工中心
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面銑刀
(seco)
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v=250m/min，
vf=500mm/min
(f=0.1mm/z)
ap=0.5mm
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0.0219
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0.0518
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2
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0.0206
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0.0542
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3
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0.0128
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0.0531
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4
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0.0234
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0.0506
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5
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0.0186
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0.0568
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通過驗證，設備能夠滿足產品加工精度要求，但產品平面度與工裝夾緊變形關系密切，只要減少夾緊變形，銑削工藝即可滿足產品要求（夾具結構如圖5所示）。為此通過試驗，工藝上采用“銑兩遍”的方式，解決了夾緊變形對平面度的影響，即：平面A預留0.1mm的加工余量，待該工序（即A面及其上孔系）加工完成后，松開夾緊，重新用較小的夾緊力壓緊，對A面再次進行精銑。結果驗證，這樣加工后的產品能夠滿足圖樣樣要求，數據分析如圖6所示，通過分析，Cpk過程能力達到1.87。
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圖5 缸體結合面夾具結構圖 |
圖6 飛輪殼和缸體結合面平面度過程能力分析 |
三、油底殼面加工方案
由于產品精度要求較高，只有±0.02mm，為了保證加工過程中刀具更換的穩定性、減少刀具擺差以及提高刀具的剛性，應采用液壓刀柄，以獲得高的夾持回轉精度（＜0.003m m）和重復夾緊精度（＜0.002mm）、穩定可靠的夾緊力，并具有阻尼減震性能等。采用
立式加工中心，用硬質合金立銑刀加工，通過加工驗證，此加工方案能夠滿足圖樣要求。
四、螺栓窩座反锪加工方案
從產品的結構上分析，因刀具無法從發電機安裝面方向進入，只能從缸體結合面（基準面A）方向采用“反锪”。
1、方案一
采用進口專用反锪刀具在立式加工中心上進行加工。
2、方案二
采用自制專用反向锪刀，在鉆床上，人工裝卸刀具完成加工。
3、兩種方案比較
（1）方案一操作簡單，但刀具前期投入成本較高，且刀具剛性較差，當毛坯余量發生變化，特別是毛坯內壁余量變化，存在刀具“單邊”切削情況，易出現打刀情況。
（2）方案二操作較方案一繁瑣，但是刀具成本低，且刀具剛性好，當毛坯尺寸變化時，不會出現打刀現象。
綜合分析，當毛坯鑄造質量較好時，優選方案一；產品批量較小時宜采用方案二。
五、止口面加工方案
止口面及中心孔車削工藝采用立式數控車床加工完成，工裝采用兩銷一面（2-φ18mm孔和基準面A）定位夾緊進行加工，其難點主要是保證0.05mm的平行度，影響平行度的主要因素是工件的裝夾及加工變形，因此控制夾緊力和加工過程中的變形是該工序的關鍵。定位裝夾方式如圖7所示。
（1）夾具定位面基面自車，保證定位面的平面度；夾具設計上采用點對點壓緊，減少夾緊變形。
（2）零件底部近1/2部分懸空，加工時懸空部分易產生震紋及加工變形，必須在懸空部位設置輔助支撐，其輔助支撐是設計關鍵。輔助支撐的設計也對加工質量有著極大的影響，其中最關鍵的就是既要起到“支承”的作用又要防止鎖緊時將工件“頂起”產生變形。
如圖8所示是杰根斯手動輔助支撐，由于采用精確雙鎖夾鉗從兩邊夾緊支撐體，產生類似虎鉗的動作機制，實踐驗證鎖緊抬起量＜6mm，解決了鎖緊夾緊抬起變形問題，穩定可靠。由于此種手動輔助支撐，克服了傳統手動輔助支撐的缺點，又比液壓輔助支撐夾具制
造簡單，不需要設計專門的液壓油路，使用方便，適宜多品種加工。通過輔助支撐的合理運用，避免了剛性不足及夾緊變形對加工精度的影響。
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圖7 飛輪殼止口面加工裝夾圖 |
圖8 杰根斯手動輔助支撐 |
六、設備選型
1、加工中心選型
為保證產品定位銷孔、中心孔、油底殼面的加工尺寸要求(±0.02mm），設備（立式加工中心）的合理選擇是關鍵，因為這些尺寸跟設備的精度有很大關系。
考慮到成本因素，可選用的立式加工中心目前常用的有兩種：一種是帶光柵尺的全反饋系統；另一種是不帶光柵尺的半反饋系統。從價格上來看，第一種設備目前大約100萬元左右，而第二種只需要50萬元左右。通過實際加工驗證國產設備能夠滿足產品要求：孔中心距250±0.02；208±0.02，過程能力Cpk均大于1.67，表明不帶光柵半反饋系統的設備的精度是能夠足產品圖樣要求的。
2、數控車床選型
由于飛輪殼尺寸較大、零件較重，為裝夾方便宜采用立式數控車床。在機床刀塔選型上應給予重視：最為常見有兩種刀塔結構，如圖13所示為立式刀塔，該結構刀具的安裝數量較多，適宜加工工件高度不高盤類零件；飛輪殼工件高度較大，有些零件結構缸體結合面中心孔也需車削加工，則適宜選擇如圖14所示的臥式刀塔。
由于飛輪殼產品結構特點，數控車削內容較少，所需的刀具數量也較少，并且機床刀塔部分是最易出現故障的地方，因此，最好的選擇是采用“排刀”方案。采用排刀方案，不僅可取消機床刀塔降低設備采購費用，并且能夠提高加工效率，消除了機床出現換刀故障的隱患。但是必須通過設計布刀圖確定刀具型號、加工路徑，防止出現超行程以及刀具與夾具、工件發生碰撞。
結語：
隨著新一輪產業升級浪潮的來臨，自動化、智能化已成為傳統制造業繼續生存的必由之路。新的工藝設計理念不斷出現，將傳統組合機工藝特點與數控加工工藝特點相融合，針對不同類型工件的定制“數控專機”，不僅發揮了傳統專機高效的特點，而且具備了數控設備高精度和通用（一定柔性）的特點，并充分考慮機械手自動上下料的方便性。同時，新型刀具、夾具和檢測技術也不斷涌現，特別是機床在線自動檢測與找正技術的應用，大幅降低了工裝定位精度的要求和夾具的復雜程度，甚至顛覆了傳統工藝設計的一些禁忌，使得工藝設計更加靈活。在柴油發動機零部件質量要求不斷提高、成本不斷降低的市場背景下，零部件制造正朝著自動、高效、主動測量（自動補正）方向快速發展。
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