中高速柴油机(9 000kW)大型曲轴:长5 730mm×主轴颈直径3 7 0m m× 曲柄销直径350mm,成品质量6 200㎏,是目前国内中高速柴油机中规格**大的曲轴。曲轴零件如所示, 曲柄销过渡圆角是指曲柄销与曲臂联接的过渡圆角, 尺寸R27mm×R10mm,主轴颈方向切深2.4mm,曲柄臂方向切深0.5mm。该部位对应力集中非常敏感,过渡圆角对提高曲轴疲劳强度和使用寿命有非常重要的意义,直接影响柴油机的质量和使用寿命。
1. 传统加工方法传统的曲轴曲柄销过渡圆角加工方法,是在曲轴专用车床上,用圆弧车刀走程序加工。曲轴固定在工作台上,刀盘绕曲轴旋转切削,每加工一拐,工人都必需吊装移动6t多的曲轴,重新定位、装夹和对刀。加工出的过渡圆角形状不精确、表面质量差,由于曲轴变形大,过渡圆角形状很不规则,圆周方向深浅不一,钳工打磨工作量大。由于机床性能不稳定,对工人技能要求很高,曾经由于加工该部位时扎刀,报废过一根曲轴,故加工风险很大。
曲轴生产线购进车铣复合中心后, 过渡圆角铣削刀具选用粗、精两把球头铣刀铣铣削加工,粗铣刀采用镶刀片结构,精铣刀为整体高速钢焊接结构。在车铣中心上,用球头铣刀铣削过渡圆角,刀具悬伸太长,刚性差,振刀严重。
2. 技术方案曲轴生产线购进车铣复合中心后,该设备为国内首台首制,没有成熟的设备使用经验。现除过渡圆角加工工序外,即可实现磨削前所有要素加工。为提高零件的加工质量和生产效率,对整个曲轴的加工工艺过程进行了优化、改进,粗加工、半精加工分别上一次车铣中心,即可实现磨削前所有要素加工。过渡圆弧加工工序如果安排在车铣复合中心进行,将会大大提高曲轴生产效率。为了克服上述现有技术中的不足,为车铣复合中心设计选型一种专用曲轴圆角加工盘铣刀,在车铣复合加工中心实施曲轴曲柄销过渡圆角加工,使大型曲轴加工封闭在车铣复合加工中心和磨床上,提高曲轴加工工艺稳定性和生产效率,提高曲轴产品质量。
刀具方案确定是解决圆弧加工的瓶颈。前期其他机型曲轴配置的刀具为球头铣刀,在使用过程中,该刀具暴露出振刀严重,表面粗糙度值达不到图样要求,刀具磨损快的缺陷,且球头铣刀加工方案只能加工单一圆弧的过渡圆角,两种以上圆弧铣削加工国内暂无成功经验。
曲柄销过渡圆角专用铣刀设计选型。刀具方案制定时,首先需要考虑盘铣刀铣削加工时,机床、刀具与工件不能发生干涉、碰撞现象,同时还需考虑铣刀对曲轴不能产生过切现象,并且加工的圆弧形状尺寸必须满足图样要求。通过对机床结构、零件结构进行分析, 利用模拟仿真技术,**终确定刀具参数。
该型曲轴曲柄销过渡圆角为R27mm×R10mm,是由2段圆弧组合形成的光滑过渡圆角,用传统的刀具和方法无法加工。针对这种问题,我们设计了成型盘铣刀,由R27mm和R10mm两种圆弧刀片,搭接组合形成完整的R27mm×R10mm过渡圆角。为防止刀具与机床附件发生干涉,经过计算机模拟作图分析,确定刀盘直径为125mm,带内冷,刀片数量12个,其中R 27mm的9个,R10mm的3个,有效齿数zeff=3;刀具长度308mm。为保证刀具足够的刚性和强度,刀杆直径为80mm,与机床接口为CAPTO C8。为防止刀具在切削时发生振刀现象,配置了重金属减振刀杆。
装刀方式为加工时机床主轴倾斜2°。车铣复合中心共有5个控制轴,数控系统为西门子840D,可以实现任意3轴联动。曲轴在车铣复合中心上旋转时,曲柄销的位置也随着旋转, 要加工该部位的过渡圆角,刀具就必须随着曲柄销的位置变化而移动。我们采用随动铣削的加工方法进行加工,就是刀具切削部位始终和曲柄销的过渡圆角保持相切。为了避免铣刀远端与曲柄销产生过切,加工时机床主轴必须倾斜2°。曲轴绕主轴颈中心回转,主轴沿X 、Y 轴方向上下、左右移动,铣刀与曲轴始终保持相切位置,三轴联动铣削加工。具体加工如图3所示。
进刀方向为垂直进刀。由于曲柄销过渡圆角与曲柄侧面切深很浅,只有0.5mm,从曲柄侧面**浅处垂直进刀,简化了程序,避免45°方向进刀时在曲柄销上加工出一小平面。
加工出的曲轴曲柄销过渡圆角形状用设计的样板检验,表面粗糙度值用粗糙度测量仪检测。
3. 效果实现了曲轴曲柄销过渡圆角为两段圆弧的铣削加工,提高了产品质量和生产效率。通过现场调试与跟踪,这种方法在车铣复合中心加工出的圆弧,用样板检验符合图样要求,表面粗糙度值由原来的Ra=12.5μm提高到Ra=3.2μm。
原来在曲轴专用车床上,按单拐找正加工曲轴过渡圆角,包括找正每拐需8h,现在只需每拐2h,以某型12V曲轴为例,单件单工序可节约工时36h,生产效率显著提高。加工出的过渡圆角形状规整,表面质量好,减少了后续钳工手工打磨工作量,提高了产品质量,工艺稳定性好。