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1 曲轴数控复合加工技术 青海第二机床制造有限责任公司

2 一 概述 汽车制造装备在汽车产业的自主创新中有举足轻重的作用, 从汽车整车和关键零部件总成生产线装备中, 瞄准汽车装备巿场中长期需求 锁定那些急需尽快缩小的重要差距, 以及世界汽车制造技术与装备发展的前沿技术进行研究是目前装备制造行业的紧迫任务 汽车市场与汽车技术的发展要求生产系统柔性化 高效化和精益化 作为生产系统重要组成部分制造设备和制造技术必须与之相适应 现代复合加工技术是实现生产系统柔性化 高效化和精益化的重要技术手段之一

3 现代复合加工技术是在数控技术发展的基础上发展起来, 所采取的理念是不仅要大幅度提高加工效率 降低加工成本, 同时兼顾加工精度, 采用工序集成技术, 利用尽可能少的加工工艺和加工附件, 完成尽可能多的工序 通过加工设备和加工技术的手段缩短机动时间和辅助时间来实现生产过程高效化 高速复合加工机床是实现高效化 精密化的关键之一 由于我国机床的技术水平与国外机床有很大的差距, 同样在复合加工技术上也有很大差距, 特别是复合加工技术中所包含的诸多先进技术研究不足, 限制了国内复合机床使用效果

4 二 复合加工技术 在激烈的市场竞争环境中 缩短 和保证交货期十分重要 一个产品的 加工过程链越长 生产周期就越难以 控制 随着数控机床性能的提高 机 动时间越来越短 影响交货期的瓶颈 往往在于机床辅助时间和工件在工序 之间的滞留 减少工作地的数目也就 意味着缩短生产周期 这时 以工序 集约化的新型复合加工机床为先导的 完整加工应运而生 复合加工 是指当工件在机床上 一次装夹后 能进行同一类工艺方法 的多工序加工或者不同类工艺方法的 多工序加工 从而能在一台机床上顺 序地完成工件的全部或大部分加工工 序 把许多加工工序集中到一台机床 上完成 不仅消除了分散加工时工件 在各工序流通过程中的运输和等待时 间等加工辅助时间 又符合在统一基 准的多工序加工 从而提高了工件的 加工精度

5 现代的复合机床主要归结为 : 第一类以铣削为基础的复合加工机床, 由加工中心发展演变而来 ; 第二类以车削为基础的复合加工机床, 由车削中心发展演变而来 ; 第三类是针对某一类零件加工而研发的专用复合加工机床, 是为适合较大批量生产零件专门设计的机床 另外还有将激光加工 超声波加工 热处理等各种工艺组合而成的复合加工机床 曲轴加工机床的复合化是随着数控系统和切削刀具的发展而兴起的, 经过十几年的发展, 曲轴复合加工机床呈现全面发展的态势 从粗加工到精加工均出现不同功能的复合机床, 并可组成新型曲轴加工生产线, 实现柔性加工和工艺替代

6 国外曲轴专业机床生产厂商已开发出一批曲轴加工的复合机床, 其中主要有曲轴车铣复合加工机床 曲轴车 - 车拉机床 曲轴高速外铣机床 曲轴强化滚压校直机床 曲轴止推面精车滚压机床 曲轴随动跟踪磨床

7 三 曲轴加工工艺 曲轴是内燃 ( 发动 ) 机的重要零件之一, 曲轴加工工艺方法在几十年发生了根本性变化, 近几年, 数控机床的大量应用, 使加工效率和加工质量迅速提高

8 汽车曲轴粗加工的发展历史在四十年代以前, 采用粗车然后粗磨的方式加工 自四十年代中期开始, 采用外铣的方式加工 从七十年代早期开始, 以内铣加工的方式为主 从八十年代中期开始, 采用车拉方式 从九十年代早期开始, 采用车 车拉方式 自九十年代中期开始采用高速切削外铣的方式加工

9 曲轴圆角滚压强化工艺, 是目前提高曲轴疲劳强度的最有效的工艺方法 曲轴圆角滚压校直是 20 世纪 70 至 80 年代国外研究出的新技术, 目前在曲轴制造行业运用越来越广泛 早期的曲轴圆角滚压和校直是分别在两台不同的机床上完成的 曲轴的滚压和校直一般是由一个主轴颈滚压钳和一个连杆颈滚压钳完成 现在通过采取工序集成的技术, 发展出四钳 ( 两个主轴颈钳, 两个连杆颈钳 ), 九钳 ( 用于四缸曲轴, 五个主轴颈钳, 四个连杆颈钳 ), 十三钳 ( 用于六缸曲轴, 七个主轴颈钳, 六个连杆颈钳 ), 滚压校直则采用滚压后再进行一次校直加工, 或直接在滚压过程中实现校直功能

10 我公司通过与国内高校 研究所进行 产学研 合作, 在曲轴 凸轮轴等关键零件制造设备和制造技术方面取得了一定的突破, 为今后曲轴 凸轮轴等精密制造设备的开发打下了良好的基础

11 四 数控高速曲轴外铣 曲轴高速外铣机床可以加工 : 带沉割槽和不带沉割槽的主轴颈, 带沉割槽和不带沉割槽的不同冲程和分度的连杆颈, 平衡块两侧面, 平衡块外圆及部分非圆外轮廓 数控高速外铣将成为曲轴主轴颈和连杆轴颈粗加工及曲轴外轮廓加工的主要工艺

12 我公司到目前为止已经设计制造了多个型号的曲轴数控高速铣床, 最典型的是 QH2-062 和 QH2-060 高速数控曲轴铣床, 前者是单刀盘铣床, 后者是双刀盘铣床 高速数控曲轴铣床采用工件回转和铣刀进给伺服联动控制技术, 在一次装夹不改变曲轴回转中心的条件下, 随动跟踪铣削曲轴的连杆轴颈 平衡块外圆 机床工件采用数控两端同步旋转驱动 (QH2-062 采用机械同步 ) 和中间采用自定心液压中心架 ( 我公司自行设计制造 ) 支承, 具有干式切削 加工精度高 切削效率高等特点 通过输入零件的基本参数即可自动生成加工程序, 可以加工长度 450~1500mm 回转直径在 430mm 以内的各种曲轴, 连杆轴颈直径误差为 ±0.05mm

13 QH2-060 高速数控曲轴铣床

14 1 高速切削技术 : 高速切削是一种新兴的先进制造技术, 但从思想的提出到工业的应用却经历了近 60 年的时, 主要是由于当时相应的生产设施不能满足高速加工的需要 美国学者在研究中发现, 如能克服刀具磨损大和机床稳定性问题, 生产率有望大幅提高, 生产成本也将会明显降低 20 世纪 80 年代初, 高速切削技术得到了进一步的发展, 其基础理论也日趋完善, 并首先在铝合金切削试验中得到应证 一般认为, 对大多数工件材料而言, 高速切削是指切削速度超过传统切削速度 5~10 倍的切削速度加工方式 切削速度取决于主轴转速和刀具的直径 对于大直径刀具高速切削的选取参数, 由于大直径刀具的转动惯性 参与切削刃等综合因素, 还没有统一的结论, 目前处于摸索中

15 国外成功经验表明 : 研究高速切削必须从工艺与机床这个整体出发, 才有可能获得预期的结果 而高速加工工艺技术是高速切削技术领域中极为关键的支撑技术群, 其中关键技术主要包括切削方法和切削参数选择等切削要素的优化 高速切削的工艺技术是进行高速切削加工的关键 只有合理科学的拟定加工工艺, 才能充分发挥高速加工设备的效益 高速切削可以提高机床生产率, 缩短产品的制造周期 高速切削粗加工工序, 确保机床以大进给 大切深的工艺参数去除毛坯材料, 从而提高机床的切削效率 在精加工工序中, 通过采用轻切削以及稳定的加减速控制, 确保机床高速平稳运转, 从而提高工件的表面质量 高速切削可以延长刀具寿命 在粗加工工序中, 虽然采用大进给量切削, 但由于主轴转速非常高, 刀具每齿分担的进给量反而小, 这样切削力就小, 磨损也少 另外切屑快速飞出不粘刀, 因而刀具表面温度低, 硬度也就基本不变, 加之主轴具有良好的刚性和运转稳定性, 从而有利于延长刀具寿命

16 曲轴高速外铣刀具采用大直径密齿刀具, 成组镶嵌刀片, 刀具直径一般为选用 700~1200mm 可通过更换刀座调整切削宽度或更换不同形式的刀片来加工轴颈或沉割槽 双刀盘机床一般安装两个不同切削宽度或不同形式的刀盘, 分别加工不同部位 机床采用切削参数根据刀具的形式和材质一般选择 180m/min~350m/min 每刀齿的切削量为 0.1~0.2mm 在切削中每一刀片只承受很小的切削量, 由于单一刀片的切削速度很快, 所产生的切削热很少, 因此采用干式切削

17 2 数控编程技术 概括地说, 数控编程的主要内容包括 : 分析加工要求并进行工艺设计, 以确定加工方案 ; 选择合适的机床 刀具 夹具, 确定合理的走刀路线及切削用量等 ; 建立工件的几何模型 计算加工过程中刀具相对工件的运动轨迹或机床运动轨迹 ; 按照数控系统可接受的程序格式, 生成零件加工程序, 然后对其进行验证和修改, 直到得到合格的加工程序 数控编程技术的关键是刀具轨迹和加工参数的配合 数控系统中一般包含直线插补 圆弧插补等基本的控制方式 在精度和系统响应速度的要求下, 均可将复杂的刀具轨迹转化成直线和圆弧的组合序列 对于刀具轨迹是不超过二次的函数方程, 则可以通过数控系统的 宏指令 方式, 将函数转化成 宏指令, 通过输入必要的参数, 由数控系统自身运算出刀具位置 对于不可转换成函数方程的轨迹或者函数方程十分复杂的轨迹, 则需要通过外部编程系统完成

18 在曲轴 凸轮轴多刀盘的高速切削中, 工件旋转采用同步双驱动带动工件旋转, 避免了单一驱动造成工件在加工过程中的扭曲变形 因此, 将工件旋转 (C 轴 ) 作为数控编程的基准, 通过旋转量推算出刀具回转中心的位置, 通过相对量的方式控制刀盘的移动 在曲轴和凸轮轴跟踪切削时, 刀具的切削点是在变化的, 瞬时切削速度 切削力以及排屑状态也是在变化的, 因此, 针对跟踪切削, 相继提出了 恒速率切削 恒功率切削 恒切除率切削 等一系列的切削方式的概念 为适应其中的某一概念, 数控 NC 加工程序则需考虑这些因素 通过手工是根本不可能完成的 目前, 国外开发出大量的通用型 CAD/CAM 软件, 而且其中的高速切削方面也比较成熟 但针对曲轴 凸轮轴等采用跟踪切削方式软件目前没有商业化 曲轴和凸轮轴在跟踪切削方面有许多共性, 凸轮轴加工中的很多技术可以直接应用与曲轴加工 一般来说, 曲轴铣床可加工凸轮轴, 但凸轮轴铣床由于所配刀具直径较小, 因此不适合加工曲轴

19 凸轮形线复杂, 表示其形线的一般是理论轮廓曲线的升程表 在数控加工时要将理论轮廓曲线的升程表转换为凸轮的实际轮廓曲线, 然后将实际轮廓曲线转化为刀具中心的运动轨迹, 通过插补方式实现凸轮曲线的加工 目前除少数高档磨削数控系统中包含的 表插值 功能可以部分满足外, 通用数控系统是没有此功能的 我公司自行开发凸轮轴加工数控编程系统软件是根据我公司出产的数控凸轮轴铣床的特点而开发, 专为本公司出产的数控凸轮轴铣床配套的专用数控编程软件 软件可以自动生成凸轮加工的 C 轴和 X 轴联动的 NC 子程序 进行一般凸轮轮廓检查 刀具干涉检查 加工状态模拟 柴油机凸轮凹段过切补偿 双刀盘加工程序合成 软件采用曲线三次样条函数拟合等算法, 软件计算值和理论值误差小于 ,NC 子程序的数值精度为 , 可以满足铣削的精加工要求 目前该软件 ( 柴油机凸轮专用 汽油机专用 ) 已交付用户使用

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26 3 跟踪切削技术 曲轴的主轴颈和连杆颈有不同的回转中心, 对于切削与曲轴主轴颈有一个偏心距的连杆颈表面, 有两种方法 : 一种常规的工艺是, 曲轴以正要加工的连杆颈进行定心装夹. 在切削连杆颈时, 刀具仍然可以按照像切削主轴颈那样的工作原理进行切削 这种加工工艺, 对控制和调节的要求不高 但是, 缺点是曲轴需要在不同的位置上进行精确找正, 一次是对主轴颈进行找正, 然后一次是对每个连杆颈进行找正. 这些找正需要花费较多的时间 与常规切削工艺不同的是跟踪切削工艺, 曲轴始终是以主轴颈的轴心线进行定心装夹 当切削曲轴连杆颈时, 刀具跟踪连杆颈的表面作往复摆动 这种工艺原则上是合理的, 切削头在以秒计的节拍内必须跟踪一个复杂的 在最简单的情况下由三个叠加的三角函数决定的轨迹, 切削头通过附加的切削头运动按预先设定的轨迹以高精度的准确性接近轴颈的给定轮廓 使用这种工艺时, 会由于短的加工时间 较高的加工精度和较高的柔性而得到回报

27 跟踪切削就是采用刀具运动轮廓于要加工工件轮廓重合的技术 对于凸轮轴或其它非同心圆的光滑表面, 均可采用跟踪切削技术 跟踪切削的关键是将工件的轮廓点影射为刀具中心的位置点 一般是以工件回转角度 在数控加工中的 C 轴 - 作为计算基准, 通过数学跟踪模型和工件的轮廓模型推算相应刀具中心的数学模型

28 跟踪切削目前常见的是两轴 (C 轴 -X 轴 ) 联动 三轴 (C 轴 -X 轴 -Y 轴 ) 联动方式 三轴联动方式技术难度很大, 对 X 轴和 Y 轴的移动要求非常高, 移动响应要求在 0.001mm, 因此加工速度比较低 但对于刀具没有过高要求, 可以加工十分复杂的零件 在两轴联动方式下, 跟踪点变化较大, 为避免切削时不至于刀具于工件脱离和切削力变化过大, 一般选用大直径刀具, 刀具直径一般为最大偏心距的 10 倍左右, 这样可以保证切削点的变化角度在 ±20 左右, 避免滑动死点

29 针对两轴联动方式的跟踪加工, 相继提出了 恒速率切削 恒功率切削 恒切除率切削 等一系列的切削方式的概念 恒速率切削 : 是指在任意切削点, 保证切削的线速度一致 虽然在切削中, 工件和刀具的旋转可以保证恒定, 但由于实际切削点是合成运动, 切削的线速度并不恒定, 致使加工工件在某些位置速度过慢 切削力加大 排屑困难, 引起工件烧伤和变形 恒功率切削 : 是指在任意切削点, 保证切削时的功率一致 由于切削力的变化, 使切削功率变化, 引起振动, 使加工表面下降 恒切除率切削 : 是指在任意切削点, 使每一刀齿的切削量保持一致 这个概念依然是基于切削力变化 对于像凸轮等工件, 由于初始留量的不一致, 因此切削力在整个切削周期发生急剧变化, 引起严重的振动, 对工件的加工精度影响严重 上述概念目前还处于研究中, 其中部分的成果应用于实际加工过程中, 取得了很好的效果

30 五 曲轴的滚压校直机 曲轴是内燃机 发动机 的心脏 其制造质量要求很高 曲轴是典 型的非均质结构的轴类零件 它的弯曲刚度较低 而且各向异性 圆角滚压工艺是一种在曲轴的曲柄和轴颈过渡圆角等应力集中部 位 用机械的方法 对圆角表面进行滚压 使其表面产生冷加工硬化 从 而形成残余压应力表面层 并消除亚微观裂纹 从而提高曲轴疲劳强度的 一种工艺方法

31 QH2-040A 数控曲轴圆角滚压智能柔性加工机床, 是我公司与东风汽车工艺研究所等单位共同合作开发的机床, 配有计算机校直专家系统, 具有循环启动 自诊断 程序存储等功能, 适用于各种曲轴的圆角滚压强化及校直 该机床的主要关键部件为在线检测装置 连杆颈滚压钳 主轴颈滚压钳 机床采用工业控制计算机和 C++ 编制的控制程序控制电机的运转和液压系统的压力变化, 将多路位移传感器的检测信号通过放大 运算 分析确定工件的弯曲状态由校直专家系统自动确定校直参数

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33 目前, 我公司正与东风汽车工艺研究所合作开发新型数控曲轴圆角滚压校直机床 工作过程分为滚压 测量 校直三个过程 所有的主轴颈和连杆颈在一个工作循环过程全部滚压完成 通过测量, 找出最大弯曲位置和弯曲量, 通过专家系统确定校直位置和滚压力完成校直工序 全部的滚压校直循环周期基本可控制在 20~24 圈内 机床的滚压校直工作原理 F1 为工件的夹紧力 F2 为工件的滚压力 F3 为工件的校直力 F4 为工件的最大校直力

34 1 圆角滚压强化技术 曲轴圆角滚压强化工艺, 是目前提高曲轴疲劳强度的最有效的工艺方法, 曲轴圆角滚压校直是 20 世纪 70 至 80 年代国外研究出的新技术 表面滚压强化是一种无屑光整加工方法 它是在常温状态下, 利用高硬度材料 ( 如淬火钢, 硬质合金以及红宝石等 ) 制成的工具对被加工零件表面施加一定的压力, 使表面层金属产生塑性变形, 产生表面残余压应力的一种强化方法

35 圆角滚压强化是一种特殊的表面滚压强化 它是在曲轴的轴颈与主轴颈 曲柄与连杆之间的圆角上采用滚压旋转加压在轴颈部位形成塑性变形带, 改变危险界面处的拉应力状态, 使之形成合理分布的压应力状态的一种特殊的表面强化方法 它跟其它的曲轴强化方法比较起来具有以下的特点 : 能够降低曲轴表面粗糙度, 强化被滚压的表面, 经滚压后产生残余压应力, 硬化层深度一般为 0.5~1.5mm, 硬度可提高 5%~50% 能减小切削加工时留下的刀痕迹等表面缺陷, 从而降低了应力集中程度

36 目前, 广泛采用的是沉割滚压 该工艺要求预先在曲轴圆角处加工一沉割槽, 滚压强化部位在槽内, 轴颈磨削时不会破坏滚压层, 又消除了滚压凸缘和滚压变形, 生产效率高, 滚压强化效果好 采用沉割圆角滚压可减少磨削时间, 提高砂轮的寿命

37 滚压主要工艺参数有 : 滚压力 滚压次数 ( 圈数 ) 和滚压速度 滚压力 : 强化效果主要以残余压应力和滚压层深度 ( 硬化层 ) 来衡量 在一定范围内, 加大滚压力, 则残余压应力和滚压层深度相应增加, 强化效果提高 滚压力增加还涉及到滚压工具 滚压机床的刚性和冷却润滑等间题 因此, 往往把滚压力限制在中等数值范围内 滚压次数 : 曲轴圆角在滚压过程中形成环形压痕, 金属沿切线和圆角方向流动, 圆角两侧堆积的金属形成凸缘 试验表明, 在给定压力下, 当滚压至一定次数后, 压痕深度和凸缘高度达到最大值, 不再继续扩展, 滚压层深度和残余压应力亦不会再增加, 滚压次数一般应选在 10~25 次为宜 材料硬度高, 需要的滚压力较大, 滚压次数应适当减少 滚压速度 : 滚压速度与曲轴圆角的半径大小及硬度 滚压工具的结构形状 滚压力 滚压机床等有关 一般情况下, 取 5~15 m/min

38 2 圆角滚压校直技术 通常曲轴轴颈跳动, 通过冷弯校直方法进行校正, 冷弯校直是在轴颈跳动的反方向加机械裁荷使曲轴产生反向变形, 以减少曲轴跳动, 但是滚压后曲轴的跳动方向呈现多方位性, 所以冷弯校直不可能对曲轴各个方向上的跳动进行校正, 只能校正局部方向上的跳动, 而且冷弯校直使曲轴产生了弹性和塑性两类变形, 校正后曲轴有回弹现象, 因此不容易获得理想的校直效果, 冷弯校直工艺的最大缺点在于冷弯过程中产生了拉应力, 直接破坏了曲轴危险断面处已形成的压应力场, 降低了曲轴疲劳强度, 根据试验结果表明, 校正 0.2mm 的径向跳动, 需使曲轴反向冷弯 1.2mm, 使得滚压后获得的疲劳强度降低了约 40% 曲轴采用冷弯校直要降低曲轴疲劳强度 滚压校直工艺最大优势在于它给曲轴校直时连续在沉割槽圆周上施加了压力, 消除了拉应力对原有应力场的破坏, 因此这种工艺既达到了校直效果, 又不降低原有疲劳强度 液压校直工艺可以在随意方向上多点进行校直, 解决了冷弯单点校直的局限性, 而且由于滚压校直使曲轴产生局部的塑性变形, 基本上, 没有了弹性变形存在 因此避免了校直后回弹现象

39 滚压校直是在曲轴经过液压后, 由机内测量系统测量中间轴颈对两端支承轴颈的跳动量和跳动方向, 将结果反馈给计算机系统, 由计算机系统计算出每个方向上所需加载的压力, 控制系统接受计算机管理系统的信息后, 发出该压校直指令, 连续在沉割槽圆周上每个方向上加不同的压力, 使曲轴产生局部塑性变形, 从而达到校直效果 曲轴经圆角滚压后的变形规律只有依赖于实验, 获得成功校直的曲轴变形记录, 从这些经验数据中找出规律, 建立一个专家系统 东风汽车工艺研究所在这方面进行了大量的工作, 建立了国内首个圆角滚压校直专家系统 我公司生产的圆角滚压校直机床就是建立在此基础上的

40 六 结论 通过对曲轴复合加工机床研制和相关技术群的研究, 有助于提升我国汽车产业的自主创新能力, 推进 国家汽车创新工程 曲轴复合加工具有发展潜力, 但不同工艺方法的复合加工, 目前发展得尚不充分 曲轴复合加工技术的发展需要从两个方面一起推进 : 一是复合加工机床设计制造技术的优化改进 如何设计制造出符合生产实际应用的复合加工机床, 需要机床制造企业不仅要盯着机床本身, 还要努力研究用户的需求以及相关的工艺技术 切削技术等制造技术的发展 二是应用技术水平的提高 复合加工机床能否在工业生产中成功运行, 与应用技术水平密切相关, 需要机床使用企业不断挖掘机床的工艺潜力和提高编程技术 仿真检查技术 刀具技术等应用技术水平

41 因此, 提高曲轴复合加工技术水平, 是机床制造企业和曲轴生产企业共同的目标 通过机床制造企业与曲轴生产企业进行深入的技术交流, 不仅能够消除彼此之间的隔阂, 相互提供一定的参考价值技术经验, 而且可以把握市场 技术的发展脉络, 为市场提供质优价廉的产品 目前, 国外已经提出 曲轴加工中心 的概念, 并在进行积极的研究 但在国内, 对于上世纪九十年代发展的曲轴制造设备和制造技术的研究和应用才刚刚开始起步, 还没有形成具有同国际水平竞争的制造设备, 甚至在部分领域, 同国外的差距越来越大 为了缩短和国外在曲轴制造设备和制造技术方面的差距, 就要从有直接影响的市场因素和技术因素上进行深入研究和探讨, 才能打破国外对我们的技术垄断和技术封锁

42 我公司在曲轴加工机床的研制过程中遇到了很多困难 通过与研究所 高校 机床用户进行的紧密合作, 成功解决了大量的技术难题 在此, 衷心感谢东风工艺研究所在技术上对我们的大力支持, 感谢曲轴生产厂对我们的信任和支持 非常感谢! 敬请指正!

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nm 8 nm nm nm nm 8 nm 8 IC IC 100 100nm 8 nm 8 130 130-100 100nm nm 6 147 147 135 135 6 103 103 54 54 9 45 45 7 100 100nm 8 nm 8 IC IC 5 60 60 40 40 3500 3500 5 1600 1600mm mm X/Y/Z X/Y/Z 2200/400/400 2200/400/400mm mm 15 15m/min m/min

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