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西馬克曲軸加工技術研究
2014-4-24  來源:中國第一重型機械股份  作者:戴錦輝 崔瑛 賈亮

      西馬克曲軸是出口產品西馬克切頭剪床中,噸位最大的零部件,也是最難加工的關鍵件。其特點是噸位大(凈重19.8t,長6.1m)、軸心多(共有8個軸心,其中7個是偏心)、圖樣技術要求高。

   

      國外靠專業的曲軸機床加工,國內曲軸機床較少,一般是以車床和磨床配合加工,而且軸心最多不超過三個。為此我們大膽創新,解決了曲軸定心問題、平衡問題和表面粗糙度問題。

   

1. 曲軸加工的技術難點

   

      (1)該曲軸共有8個定位中心,其中7個是偏心。

   

      (2)偏心距e =75mme =175mm的軸心線與基準線平行度≤φ 0.1mm/6 110mm,偏心距(175±0.2mm、(75±0.2mm、(37.5±0.2mm,如何保證平行精度和定位精度問題。

   

      (3)各配合軸頸尺寸公差0.05mm、圓度0.05mm,這對機床精度有個適應和選擇問題。

   

      (4)零件最大偏心距e =175mm時,經計算零件凈重最大偏重積為3.896t·m,如何解決配重平衡問題。

   

      (5)如何解決各配合軸頸、相關端面、圓根表面粗糙度值R a=0.8 μm問題及各圓根R橫向紋理方向問題。

針對西馬克曲軸軸心多、技術要求高的特點,采取了各種有效實施辦法,集中解決以下幾個方面問題。

   

2. 曲軸加工工藝

   

      (1)曲軸軸心特點 軸心特點是所有軸心均在一個垂直于軸線的平面上,各軸心相鄰最近的17.5mm,最遠的175+75=250mm,如果每個中心孔定為75°,D =100mm,那么8個中心孔在軸頭端面一條中線上根本無法定心(見圖1)。同時,一些精度要求,如偏心距e =75±0.2mme =175±0.2mm軸心線與主軸中心線平行度≤φ 0.1mm/6 010mm等 ,也無法保證。

   

                  

   

      (2)曲軸常規定心方法 過去加工曲軸、偏心軸軸心較少,一般2~3個軸心,精度要求不高,在零件兩端軸頭上,由鏜床定心。這是傳統的定心方法,沿用至今。精度要求高的都要依賴數控鏜床或采用銑基面的方法定心,以保證精度和偏心距的準確性。不過數控鏜床定心成本比普通鏜床定心成本高三倍多。因此,在定心問題上必須找到最佳定心方案。

   

      (3)可調式定心夾具和調心方法 當認識到定心的重要性,以保證精度為前提,優先研究解決曲軸定心方法是至關重要的。于是我們破常規提出采用可調式定心夾具,用于曲軸精加工,方案經論證是可行的(可調式定心夾具見圖2,下文簡稱夾具)。

   

      這種準用夾具兩套為一組,只要一次性的定位,按工藝要求準確地分別安裝在曲軸兩端工藝軸頭上,將中心孔滑塊置于夾具長槽內,8個軸心分別用特制的成對等高偏心墊塊進行調正,就可以加工了(夾具與曲軸工藝夾頭組合形式見圖3)這一技術措施對保證曲軸加工精度起到了關鍵性作用。

   

             

 

      可調式定心夾具中心孔定位調整方法,必須按工藝規定的加工順序進行調整,比如車主軸頸時,將可調中心孔滑塊放置0位,兩端同時加厚度為175mm的墊塊,將螺釘、壓緊螺栓擰緊,并檢查間隙,0.02mm塞尺不入。如果車偏心(75±0.2mm軸頸時,將可調中心孔滑塊從0位下調至75mm,上墊的墊塊尺寸為232.5+17.5=250mm),將楔板、壓緊螺栓固緊即可,檢查方法同上。如果車偏心(175±0.2mm軸頸時,將中心孔滑塊從0位下調到底,下墊墊塊厚度不限,將中心孔塊頂擠住即可。其余的偏心圓加工時,中心孔調整方法以此類推。

   

                                  

   

      (4)可調式定心夾具精度要求 定心方法確定以后,要想達到曲軸的技術要求,e =17.5±.02mm,曲軸中心線與主軸頸中心線平行度≤φ 0.1mm/6 110mm,必須靠可調中心夾具的設計、制造精度來保證。因而可調式定心夾具在設計時,要注意以下問題。

   

      第一,要考慮定位精度問題。夾具本體的設計精度如圖4所示。

   

      夾具中φ 140k6定位臺,是夾具與軸頭兩者的定位基準,保持夾具裝好之后,兩端同軸度≤0.05mm。

   

      第二,要求夾具長槽440mm×193mm深度85mm三個面相互垂直誤差≤0.05mm,槽寬193mm兩側平行度≤0.05mm,定位臺φ 140mm至長槽上平面為(250±0.04mm,兩個夾具應做成一致。 

   

                  

   

      第三,要求每調整一次中心,所用的一組2個墊塊厚度公差為±0.01mm并要同時加工。中心滑塊與墊塊的制造誤差應該一致。

   

      第四,要求夾具上的楔板與中心孔滑塊、等高墊塊上的10°斜面接觸率不少于80%,見圖5,目的讓中心孔滑塊在夾具長槽內紋絲不動。

   

                     

   

      第五, 要求夾具與曲軸工藝軸頭組合互相平行度≤0.05mm,而兩端軸頭端面上的止口φ 140mm同軸度≤0.05mm。夾具與工藝軸頭組合之后,兩端夾具長槽側面必須平行,平行度≤0.05mm。上述要求均由鏜床保證。

   

      根據上述五項技術要求,夾具本身的制造精度和組合精度一定要嚴格控制,保證質量,否則即使工藝方案、夾具設計再先進,曲軸的最終加工精度也無法實現,導致前功盡棄。

   

      可調式定心夾具在西馬克曲軸精度加工的實踐中證明,這一工藝措施是有效的,是可靠的。不僅取得了三根曲軸精加工的成功經驗,經中德雙方共同檢驗,完全達到了西馬克公司圖樣要求。 

   

3. 設備選擇

   

      從曲軸精度上看,最理想的加工設備為曲軸車床或曲軸磨床,但我公司沒有大型專用設備,只能對現有機床進行篩選、利用。開始想利用德國磨床磨削曲軸,它有磨3150e熱模鍛偏心軸的先例,效果很好。經考察后,終因磨床砂輪有效半徑不足而被否定。研究重點還得放在重型車床上。我公司當時所用重車多數役齡長而老化,精度喪失,精度較高的唯有1M675重車。其機床床頭、床尾圓度0.02mm,負荷100t,基本能滿足曲軸加工的精度要求,不過該機床卡盤不能裝配重,這給曲軸加工中如何解決旋轉平衡提出了新問題。由于篇幅有限,配重方法不再介紹。

   

4. 采用大直徑氈輪以拋代磨

   

      西馬克曲軸凡有配合的主軸頸、偏心軸頸、相關端面、圓角、圓弧表面粗糙值都是Ra=0.8 m,特別是φ680mm軸頸兩端R20mm表面紋理方向均要求橫向拋光。上述要求在一般軸類件,是容易達到的,對曲軸來說就難了。單靠車床刀具加工只能達到Ra=3.2 m,如果用砂帶拋光,不能拋圓角及端面,況且砂帶太長,剛性太差,振動大而加工表面質量低,又因受偏心軸擋距窄和工作條件所限,砂帶拋光機無法使用。如何解決表面粗糙度問題,也是曲軸加工的一大難題。

   

      經過反復研究并查閱已有的超精手段,認為采用大直徑氈輪拋光,以拋代磨是比較理想的加工方法。過去氈輪只限于拋光軸類件圓根,效果很好,但用它拋光軸頸代替磨頭還是第一次。所以拋光機在設計上選用大功率、支架剛性好的專用拋光機克服氈輪直徑大易振動的弊病。

   

      實踐結果證明,以拋代磨的軸頸,經表面粗糙度儀鑒定可達到Ra=0.4~0.8 m,完全可與磨床加工的表面媲美。采用氈輪拋光代替磨頭有以下四個方面的優點:

   

1)氈輪具有彈性、體輕、振動小等特點。

   

      在拋光中能起到磨削的作用,實踐證明用粒度100的氈輪,每拋磨一次,零件直徑減小0.02~0.05mm;用粒度240的氈輪拋光一次,零件直徑減小0.005~0.01mm,因為氈輪線速度高30m/s,切削用量即吃刀深度0.005~0.01mm,進給量8~10mm/r,產生的摩擦熱量非常小,所以拋光時不用冷卻,沒有燒傷現象,拋后檢查鑒定均達到要求。

   

2)曲軸各配合軸頸公差非常?。?span>0.044~0.05mm),操作者不易控制,為保證質量,工藝規定精車時留出0.06mm拋光余量,R a=3.2 m以下,采用以拋代磨的辦法,在提高表面質量的基礎上操作者就比較容易控制公差了。

   

3)采用氈輪拋光,將Ra=0.8 m軸頸及端面、圓根均一次拋光,個個達到圖樣要求,質量好、效率高,這與用珩磨、砂帶拋光相比可提高效率2~3倍。

   

4)西馬克曲軸要求圓根R20mm處理成橫向紋理,在此之前從未遇到這種要求。它要求圓根拋痕與軸頸的拋痕方向垂直,也就是拋輪在圓根處的旋轉中心線與零件轉動中心線成90°。我們的處理方法是,先用氈輪拋光圓根R20mm表面粗糙值達Ra=0.8 m,打好基礎,再用φ40mm紗布與S40風動機組合后夾在刀架上,沿圓根作橫向拋光,零件只需轉2~3轉即可將環狀的紋理方向改變成橫向紋理,達到圖樣要求。

   

5. 結語

   

      西馬克曲軸自制成功之舉,主要在于大膽地采用可調式中心夾具解決了最關鍵性的技術難題,即定心方法和定心精度的問題,同過去曲軸定心由鏜床打出固定中心孔的方法相比,取得了創造性的突破。

 

  

  

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