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曲轴法兰端中心孔加工工艺分析

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摘要:

曲轴法兰端中心孔通常采用先钻底孔、再铰孔的工艺方法。这种方法加工时间长、生产效率低。为了解决该问题,采用特殊结构的刀具实现钻铰复合的加工方案。该方案已通过曲轴生产线批量使用验证,其加工质量稳定,加工时间和刀耗显著降低,取得了良好的应用效果。

关键词:

曲轴;中心孔;钻铰复合加工

神龙公司曲轴L2生产线生产EC5发动机曲轴,在第一道工序OP10采用德国LARU的两端加工中心完成中心孔的加工,生产节拍为72s/件。随着动力总成的演变,EC5发动机曲轴法兰端中心孔深度需要增加7mm,采用现有工艺,生产节拍为76s/件,超出生产线的设计节拍。尽管提高转速和进给参数可以缩短加工时间,但刀具寿命明显降低,生产成本升高。因此,为满足设计节拍和刀具寿命要求,需要对现有工艺进行优化。

1工艺分析

1.1技术要求及加工现状图1所示为曲轴法兰端中心孔的技术要求。中心孔由Φ34mm沉台、60°锥面和Φ16mm盲孔构成。动力总成演变后,中心孔深度由24.5mm变更为31.5mm。图2所示为法兰端中心孔的刀具布置及加工内容。图2a采用T102铣刀加工端面和Φ46mm外圆;图2b采用T111刀具套车法兰外圆Φ87mm及钻60°锥面和底孔,锥面和底孔留余量0.3~0.5mm;图2c采用T109刀具加工Φ34mm沉台及120°倒角;图2d采用T107单刃镗刀加工60°锥面和底孔至图1要求的尺寸。中心孔深L=24.5mm时的节拍为72s,当孔深增加7mm后,在不改变生产条件的情况下,节拍会增加4s,将超出生产线节拍72s,使生产能力下降5.6%。生产部门尝试压缩辅助时间,比如加快夹紧定位的动作,但改变幅度不大,因为机床的动态响应参数已经调整到允许的极限值。通过调整切削参数,减少了加工时间,但增加了刀具消耗。表1所示为参数调整前后加工时间及刀具寿命对比情况。从表中可以看出,参数调整后的刀具寿命与调整前相比,铣刀、套车刀和钻头寿命下降明显,U钻和镗刀寿命没有变化。

1.2工艺分析及方案制订对上述工艺进行分析,存在如下问题。a.铣刀和套车刀在加工时,毛坯余量分布不均匀,最大切深达到4mm,最小切深1.5mm,而且线速度超过200m/min,局部加工工况超出了刀具的适用范围,容易产生打刀和崩刃。b.套车刀的三个刀片在圆周方向上按不等距进行分布,刀片的径向切削合力和离心力不为零,使钻头产生偏心。增加孔深或提高切削用量后,这种偏心作用更显著,使刀片更容易磨损,钻头更容易折断。c.底孔和镗孔机械位置实际存在同轴度偏差,导致加工锥面的实际圆周余量不均匀,使锥面产生振纹,内孔表面粗糙度降低,这也限制了镗刀的速度提升。解决上述问题,在节拍合格的条件下提高刀具寿命。提高刀具寿命一般有以下三种途径。a.改善刀具材质和结构;b.调整余量和加工参数;c.改变工艺流程。基于以上三种途径,考虑工艺改进方案。由于钻、镗中心孔合计占了整个切削时间的50%,改善的余地比较大,提出以下方案。a.首先合并钻和镗的加工工步,在钻孔时完成60°锥面和Φ16mm直孔,取消镗孔。通过合并可以节省11.7s。在满足节拍72s的前提下,还剩余7.7s。b.T111套车采用对称分布的2个刀片替代三个不等距的刀片,粗加工法兰外圆至Φ88mm;在T109的U钻上增加一个加工法兰外圆的套车刀,加工法兰外圆和Φ34mm沉台至要求尺寸。c.调整加工参数,适当降低T102铣刀和T111刀具的切削速度,所延长的时间由剩余的7.7s来弥补。采用这个方案,需要解决两个关键问题。a.中心孔的直径尺寸和粗糙度合格并稳定,而且刀具费用不能提高;b.Φ34沉台加工后,锥面与沉台结合处不能有毛刺和翻边。

2关键问题的解决措施

2.1改进钻头的结构在方案验证中,直接用目前形式的直槽钻加工,中心孔的直径尺寸和粗糙度不稳定。主要原因是钻头径向震动和排屑不畅导致表面划伤。针对这个问题,改进钻头结构(图3),其改进方案如下。a.如图3所示,设计整体硬质合金四刃钻铰刀,采取大容屑槽和双内冷孔及导流反冲结构,使铁屑容易排出,消除排屑不畅导致钻头扭矩过大而折断。内冷孔直径为Φ2.5mm,内冷孔距为Φ9.5mm,与常规钻头(内冷孔直径为Φ2mm,内冷孔距为Φ7.5mm)相比,使其流量更大,分布更靠近外侧。这样有利于对整段刃口,尤其是对靠近外圆处的刃口冷却效果最好。b.如Y视图所示,钻尖刃部设计0.5×90°的倒棱,棱边对已加工面进行修光和挤压,提高钻孔直径的精度和表面质量。c.如D视图所示,锥齿采取双后角,第一后角采用1°的特殊后角,刃宽为0.5mm,对锥面起到修光作用,同时避免出现振纹。

2.2增加去毛刺功能将加工Φ34mm沉台的刀具结构进行更改,使其既能加工沉台,又可以去毛刺和翻边。其结构如图4所示,U钻刀头安装两个三角转位刀片,大刀片加工120°的倒角,并去毛刺和翻边,小刀片加工Φ34沉台至尺寸。

3改进方案的实施及应用效果

3.1改进方案的实施图5所示为改进后的刀具布置实物。加工内容如下。a.采用T102铣刀加工端面和Φ46mm外圆;b.用T111刀具套车法兰外圆至Φ88mm及钻60°锥面和直孔;c.用T109刀具加工法兰外圆至Φ87mm、Φ34mm沉台和120°倒角以及去毛刺。

3.2应用效果采用改进后的工艺,重新分配余量并采用适当的切削用量,加工质量和设备稳定性得到提高。采用改进的钻头直接将中心孔的锥面和直孔加工至要求尺寸,直径尺寸稳定在0.02mm以内,表面粗糙度在R8~R12(相当于Ra2.5~Ra3.2),满足质量要求。表2所示为方案改进前后的参数及刀具消耗对比情况。从表中的数据可得出如下结论。a.工艺实际节拍71.4s,满足节拍72s的要求,比改进前节拍减少4.6s。b.刀具消耗2.34元/件,比改善前3.53元减少了34%。c.刀具寿命最低为120件,比改善前80件提高了50%。

3.3经济效益a.以年产20万件曲轴的生产线计算,与改进前工艺相比,每年节约刀具费用23.8万元。b.刀具寿命提高,降低换刀的次数和换刀检查时间,减少劳动强度,提高机床综合利用率。c.通过工艺优化,提高加工效率,解决了产品演变导致的产能不足的问题,节约了工业化投资资金和时间。

4结论

a.在加工过程中采用带倒棱结构的钻头,倒棱起到定心和修光作用,可以提高钻孔精度和表面质量。这种结构的刀具制造简单,可以推广到其他曲轴线或者铸铁材料的盲孔加工。b.球铁曲轴法兰端中心孔采用直接钻削成型工艺,取消铰孔加工,提高了加工效率;将法兰外圆进行粗/精分开加工,提高刀具寿命和质量。因此,适当合并和分解加工内容,对提高效率和降低成本具有重要的意义。这种工艺布局也为相似的零件加工提供参考。c.产品演变涉及工艺的变更,在进行工业化过程中,应从加工设备、工艺改进、刀具选型、加工参数等多个维度综合考虑,通过技术创新节省投资、降低后续生产成本。

参考文献:

[1]袁哲俊,刘华明.刀具设计手册[M].北京:机械工业出版社,1999.

[2]卢建湘.钻削精孔的方法[J].机械工程师,2005(8):115-116.

作者:周贤军 刘将先 单位:神龙汽车有限公司技术中心

曲轴法兰端中心孔加工工艺分析责任编辑:杨雪    阅读:人次