（机械工程专业论文）机车工艺设备的柔性化方法研究与应用.pdf

摘要 随着国际市场竞争的日益激烈，产品更新换代的周期越来越短；而 另一方面，从消费者的角度来看，他们总希望拥有与他人不同的东西。 所以，多品种、中小批量的产品需要越来越多，传统的单机加工和刚性 自动生产线均无法满足这种需要。这就迫切需要另外一种生产方式以较 好的满足这种需求，即柔性制造系统。本论文就是基于这个背景而展开 的。 论文工作主要以机车内燃机主要构件摇臂轴座的加工作为研究 对象，系统研究了加工过程中夹具、滑台、动力头的柔性化以及其它一 些相关工艺的改良。论文的主要贡献如下： 1 综述了柔性化理念及其发展趋势，结合机车工艺设备概括、分析、 比较了各种柔性化方法，选择通过对夹具、滑台、动力头及液压、电气 的柔性化来达到对摇臂轴座专用机床结构柔性、工艺柔性、设计柔性。 2 分别对夹具、滑台、动力头的柔性化方法进行总结和分述，针对 实际情况和客观条件选择适当的柔性化方法，较好处理了经济性和柔性 化关系，使摇臂轴座加工达到了高精度、高效率、低成本和合理的柔性。 3 在夹具柔性化方面采用成组技术，在滑台方面采用液压无级调速 技术，在动力头方面采用齿轮变速技术，使得原有机床可加工不同规格 的摇臂轴座成为可能，同时电气系统采用了可编程控制器，通过编程很 方便实现各种自动逻辑控制，总体结构上采用了模块化设计，具有很好 柔性，并且使得本厂在机车制造方面有了新的突破。 最后对全文工作进行了总结并对今后的研究方向做出了展望。 关键词：机车工艺设备、柔性化方法、摇臂轴座、专用机床设计 a b s t r a c t a l o n gw i t h 吐l ei n c r e a s i n g l yv i g o r o u sc o m p e t i t i o ni nt h ei n t e m a t i o n a l m a r k e t ，m eu p 出瞳ec y c l eo f p r o d u c “sm o r e 龇l dm o r es h o r t o nt l eo t t l e rs i d e i nt 1 1 ee y e so fc o n s m e r ，m et h i n g s 血a ta r ed i 圩e r e n t 行o mo t t l e r sa r em o r e p o p u l 札s ov a r i o u sa n ds m a l lb a t c hp r o d u c i n gp r o d u c t sa r ei nu r g e n tn e e d ， w h i c ho n l yn e x i b l em 柚u f a c t u r i n gs y s t e m ( f m s ) c a i lm e e tr a m e rt l l a nm e t m d i t i o n a lo n em a c h 抽ep r o d u c t i o na 工l dr i g i da u t o m a t i cp r o d l l c t i o nl i n ec a n m e e t t h et h e s i s 、o r k sm a i n l yw i t hm a i np i e c eo f m el o c o m o t i v cc o m b u s t i o n e n g i n e a ) 【1 eb e do fm er o c k e rs h a f t ，m ep r o c e s s i n go f w t l i c hi st h er e s e a r c h o b j e c t b a s e do nt h e p h i l o s o p h y o fn e x i b l em a n u f a c t u r i n gs y s t e m ， i t s y s t e m a t i c a l l yd e a l sw i t hm en e x i b i l i t yo fc 1 锄p i n gf t u r c ，s l i dp l a t f o 姗a 1 1 d u 1 1 i th e a di nt h ew o r k p i e c ep r o c e s s ，a sw e l la ss o m ei m p r o v e m e n to fr e l a t e d t e c h n o l o g yt h em a i nc o m e n t so f t h em e s i sa r ca sf o l l o w s ： 1 1 h ea u t h o rs u m m 撕z e st l l en e x i b l l i t yi d e aa n di t st r e n d si n d e v e l 叩m e n t t h e nh eg e n e m l i z e s ，跚a l y s e sa n dc o m p a r e sv 鲥o u sf l e x i b l e m e t h o d st h r o u g hl o c o m o t i v em 砌m f a c t 嘶n ge q u i p m e m b ym a l 【访gc l a i 】1 p i n g f i x t u r e ，s l i dp l a 怕m ，l 】n i th e a d ，h y 胁啪a t i ca n de l e c t r i c a ld e v i c e st ob e n e x i b l e ，t h cs p e c i a lp u r p o s em a c h i n eo fa ) ( 1 eb e do fm c k e rs h a rw i l lb em o r c f l e x i b l ei ns t m c t u f e ，d e s i g na n dt e c h n o l o 豺 2 1 1 1 ea u t h o ri n d i v i d u a l l yg e n e r a l i z e st h cf l e x i b l em e t h o d so fc l a i r l p i n g f i x t u r e ，s l i dp l 耐b 蚰，u n i th e a d a c c o r d i n gt o 也ep r a c t i c a ls i t u a t i o na n d o b j e c t i v ec o n d i t i o n ， p r o p e r n e x i b l em e t h o d sa r e a d o p t e d i no r d e rt o c o o r d i n a t e t h er e i a t i o n sb e “v e e ne c o n o m i ce 拜b c t i v e n e s sa n dn e x i b i l i 母 1 1 1 e r e f o r c ，t h em a c h i n i n ga x l eb e do fr o c k e rs h a nc a nr e a c ht h eg o a lo f h i 曲 p r e c i s i o n ，h i 曲e f f i c i e n c y ，l o wc o s ta l l dr e a s o n a b l en e x i b i l i t y 3 t h ea u l 1 l o rs u g g e s t st h a tb y e m p l o y i n gg r 0 1 印t e c h n o l o g ) ri nt h e n e x i b i l i t yo fc l a i l l p i n gf t u r e ，a d o p t i n gh y d r a i l l i cs t e p l e s ss p e e dc o n t r o li n m ef l e x i b i l i t yo fs l i dp l a t f o 肌，a n du s i n gg e a rc h a n g ec o n 仃o l i nt h ef l c x i b i l i t y o fu n i th e a di nm es h o pp r o d u c t i o n ，i ti s p o s s i b l et om a c l l i n ev a r i o u s s p e c m c a t i o n so fa ) ( 1 eb e do fr o c k e rs h m so nm ee x i s t i n gm a c h i n e s ： m e a l l w h i l e ，m ea p p l i c a t i o no fp r o 印l f n m a b l ec o n t r o l i nm ee l e c t r i c a ls y s t c m m a k ei tv e r ye a s yt oa c c o m p l i s hm a n yd i 丘b r e n ta u t o 1 0 9 i cc o n 订0 1 sb y p r o g r a m m i n g i nt h ea s p e c to fo v e r a l ld e s i g n ，b l o c kd e s i g ni su s e d t h e s ea r e p m v e dt ob eg o o di nf l e x i b i l i ua n da c l l i e v eat e c h n i c a lb r e m ( t h m u g hi nt h e l o c o m o t i v em a n u f a c t t l r i n gi n d u s t 珥 f i n a l l yt 1 1 ea u t h o rs u m su pm er e s e a r c hw o r ka n dp u t sf b n a r d 曲ef u t u r e r e s e a r c hp r o s p c c t k e yw o r d s ：l o c o m o t i v em a i l u f h c t l l r i n ge q u i p r n e n t ；n e x i b l em e t h o d ；a x l eb e d o f r o c k e rs h a 危s p e c 谢p u r p o s em a c h i n e 北京交通大学工程硕士专业学位论文 第一章绪论 第一章绪论 本章介绍柔性制造的背景知识，对常用的柔性制造方法进行回顾和 比较，根据各种柔性制造方法的特性引出内燃机构件制造工艺合理柔性 化的理论和方法。 1 1 课题研究的背景和现状 根据对机械制造产品零件大量的统计分析，一般可以把机械产品零 件分为三种类型： a 类为特别件、复杂件，它的特点是结构比较复杂，专用性强，继 承性差，产值高，设计、工艺工作量大约占总件数的5 1 5 。 b 类为相似件，结构复杂程度中等，功能相同，形状和尺寸相近， 工艺相似，但品种多，数量大，约占总件数的7 0 一7 5 。 c 类为标准间，特点是结构简单，继承性强，约占总件数的1 5 2 0 。 当前绝大多数企业机械制造都是按传统的批量法则来组织生产。当 市场需求产品为中小批量生产时，绝大多数采用较落后的工艺方法，选 用普通万能机床和工效较低的万能工艺装备来生产，机床布置也是机群 式的，造成生产能源消耗高、效率低、加工周期长、设备利用率低，成 本高，而且产品质量也相对低。据统计，在中小批量生产中，工件实际 切削时间只占生产周期的1 5 ，而机床每年的实际切削时间却占机床可 利用时间的6 到8 。当市场需求的产品批量大时，如铁路货车、拖拉机、 汽车等的生产，就可以采用先进的工艺方法、高效的加工设备和工艺装 备来组织机械化、自动化程度较高的流水线和自动化生产方式来生产， 因而其生产的加工成本低而效率高。 批量生产的企业里，采用成组技术， 对于b 类相似件，在多品种、中小 使产品零件按其形状、功能、尺寸、 工艺等的相似性进行分类集中、分组、以扩大其工艺批量，使中小批量 北京交通大学工程硕士专业学位论文第一章绪论 也能获得大批量生产的经济效益，使产品设计、生产准备、工艺和生产 管理工作等更加科学合理化。 对于e 类的标准件，已按大批量生产方式，采用专用自动机或通用 自动机来组织生产。 至于a 类特别件及复杂件，虽然只占零件总数的1 0 左右。但是它 们的制造成本却占整个机器制造成本的5 0 以上，因此，在中小批量生 产时，如何提高生产效率，缩短加工周期，提高产品质量和降低成本， 就成为人们急待解决的现实问题。 专用机床的“刚性”和“柔性”问题，一直是人们争论关注的焦点。 众所周知，传统的组合机床属刚性的专用机床，它具有较高的生产效率、 较低的制造成本和较稳定的产品质量。在初期这种生产单+ 品种的高效 率单能机床大受青睐。但是进入2 0 世纪8 0 年代以后，市场竞争加剧， 特别是随着新经济时代的到来和我国加入w t 0 ，市场格局发生了根本的 变化。现代制造业面临的市场已发生了变化，全球化大市场消除了贸易 壁垒及区域性小市场，新产品的不断涌现，更多的企业参与市场竞争， 使得原来趋于平稳的“大块”市场变得“碎小” 1 。为适应多品种、中 小批量快速多变的市场，迎合人们个性化的需求，产品的结构和功能日 趋复杂，多品种、小批量生产方式的比重增大，产品生命周期大大缩短， 短期交货期己成为全球化技术市场竞争的首要目标，要求制造业具有高 度的柔性和应变能力。传统加工单一品种的刚性机床，当产品变化时必 须对其进行昂贵而费时的改造，否则只能报废。所以，必须提高其柔性 2 ，进行柔性设计。 1 2 课题的提出 北京二七机车厂是具有百年历史的老厂，目前主要专业生产东风7 型、g k 型和北京型为主的三大系列机车产品。随着铁道部提出跨越式发 展目标，铁路改革的速度越来越快，同时机车车辆工业南北两大集团的 北京交通大学工程硕士专业学位论文第一章绪论 成立及外国著名企业加入我国铁路机车车辆市场，机车车辆市场的竞争 越来越激烈并日趋白热化。为了适应国内国际市场对机车车辆产品多品 种、中小批量、高技术水平要求，工厂全面实施打造调车机车第一品牌 经营战略，提出“速度、质量、成本”六字方针。要实现这一经营战略， 工艺和加工设备的快速应变及高效率低成本能力可为至关重要。为此提 出了“机车工艺设备的柔性化方法研究与应用”的课题。 1 3 柔性制造技术的研究背景 1 3 1 概况和发展过程 1 3 1 1 含义及作用柔性制造技术( f 1 e x i b l em a n u f a c t u r i n g t e c h n o l o g y ，简称f m t ) 是对各种不同形状加工对象进行有效的且适应性 地转化为成品的各种技术总称。 柔性制造技术是当代的一种高新技术，它是对今后制造业的发展影 响最大的先进制造技术之一。它是以微电子技术、智能化技术与传统加 工技术融合在一起，是电子计算机技术在生产过程及其装备上的应用， 具有先进性、柔性化、省力化、效率化、自动化的制造技术。它也是从 机械转化、道具更换、夹具可调等硬件柔性化的基础上发展起来的一种 崭新的技术。 当今机械产品市场的激烈竞争，是柔性制造技术发展的直接原因。 因此，柔性制造技术发展的目的是满足市场的需要。不仅是节省劳动力， 改善生产条件，更重要的是提高机械产品的市场竞争能力，即对市场变 化的快速适应能力和高速度，包括提高生产效率，提高和保持产品质量 的一致性，降低生产成本，缩短生产周期，加速产品的更新换代等等， 当然，它也是提高机械制造业经济效益的重要途径。 1 3 1 2 柔性制造技术的发展过程 第一代柔性制造技术，以 北京交通大学工程硕士专业学位论文第一章绪论 数控机床( 诞生于1 9 5 8 年) 、加工中心和工业机器人( 诞生于1 9 6 2 年) 为代表，其主要特点是单机柔性化、自动化。目前它己进入普及应用阶 段。 第二代柔性制造技术，以离散型生产中的柔性制造系统( f m s ，诞生 于1 9 6 7 年) 和连续生产过程中的分散型控制系统( d c s ，诞生于1 9 7 6 年) 为代表，其主要特点是生产线柔性化、自动化，其技术已经成熟，进入 实用化阶段。 第三代柔性制造技术，以计算机集成制造系统( c i m s ，1 9 7 4 年提 出，1 9 8 1 年开始进入实用阶段) 为代表，其主要特点是生产系统柔性化、 自动化。 第四代柔性制造技术，是把制造和产品开发、经营管理的自动化连 成一个整体，以信息流控制物质流的智能制造系统( i m s ，1 9 8 8 年提出， 1 9 9 0 年开始研究) 为代表，其特点是工厂柔性化、自动化。 第三代、第四代柔性制造技术耳前分别处于适用阶段和研究开发阶 段。柔性制造技术的范畴包括数控机床技术、加工中心技术、工业机器 人技术、柔性制造系统技术、计算机辅助技术( c a d c a f c a p p c a m ) 计 算机集成制造技术、工业控制计算机技术、现代物流输送系统技术等。 1 3 2 柔性制造技术现状及水平 柔性制造技术作为一项先进制造技术得到了工业发达国家和生产厂 家的高度重视，纷纷制定了柔性制造技术开发规划并付诸实施，随着计 算机及其相关技术的飞速发展，生产设备的控制装置正在向小型化、高 效化、高精度化、智能化、柔性化、自动化方向发展，生产过程控制更 向自动化、系统化、无人化发展，目前发达国家机械制造业所用设备的 数控化率已达3 0 左右，有些现代化加工车间数控化率已超过9 0 。 柔性制造系统( f m s ) 是为适应中小批量生产的自动化而发展起来的， 至今已在国外发展成为一种成熟的加工设备，并可提供市场。据联合国 北京交通大学工程硕士专业学位论文第一章绪论 有关组织统计，1 9 8 5 年全世界拥有3 5 0 条，1 9 9 0 年已达到1 5 0 0 条，主 要分布在日本、美国、俄罗斯、德国、英国等工业发达国家。德国的f m s 加工零件品种数可达5 0 2 5 0 种，是世界上柔性最强的系统，大部分用于 中型企业；美、日一条f m s 加工零件品种属一般可达到7 种以上，最多 达1 5 0 种，多数用于大企业：俄罗斯的f m s 大部分是在西方技术的基础 上改进的。成功的柔性制造系统可获得可观的经济效益，它可大大缩短 新产品开发周期，它使汽车换代寿命自原来的1 5 年缩短到5 年或更短， 它可减少编制工艺的工作量，节省5 0 以上的劳动力，设备利用率也可 提高j 0 一1 0 0 ，生产场地可减少5 0 以上，且可降低成本6 0 。 从8 0 年代开始。国外把柔性制造设备同c a d c a p p c a m 及生产管理 经济系统进行集成，借助计算机技术和网络技术有效地将管理信息和制 造活动联系起来，以谋求实现整个企业生产管理的现代化，美、德、日、 英等国家，计算机集成制造系统c i m s 已进入实用化。 目前已使用或正在研制的c i m s ，绝大多数都是以汽车、机电、飞机 等制造业为应用对象，使整个机械制造业生产制造技术有了一个新的飞 跃，使机械工厂有可能实现全面的自动化和无人化生产。以美国厂商建 成使用的c i m s 为例：生产能力提高4 0 一7 0 ，工程设计费减少1 5 一3 0 ， 生产周期缩短3 0 一6 0 ，在制品减少3 0 一6 0 ，设备开机时间增加2 3 倍， 工作人员费用减少5 一2 0 ，经济效益显著。 在国内外市场激烈竞争和经济快速发展下，我国对先进制造技术也 给予了足够重视。特别是改革开放以来，以柔性制造技术为代表的先进 制造技术也有了较快发展。 我国从2 0 世纪8 0 年代开始引进、消化国外数控机床的制造技术。 目前累计生产数控机床5 0 0 余个品种，机床产量数控化率为1 5 ，数控 机床国产化率在7 0 左右。但是，目前我国制造业拥有数控设备比例很 低，仅占o 5 ，而数控设备的市场需求量却很大。近年来，每年进口各 种数控机床万台左右，耗资数亿美元，其次，采用引进消化吸收加自行 开发的路子，引进使用了箱体、板材加工柔性制造系统，研制了由国外 北京交通大学工程硕士专业学位论文第一章绪论 控制系统支持的1 0 多种先进制造单元样机，开发了数条箱体、板材、轴 类零件加工等柔性制造系统。目前我国已有1 5 条左右柔性制造系统投入 调试和使用，使我国机械制造业开始迈入柔性制造系统使用年代。其次 在发展研究c a d c a p p c a m 技术、网络技术、集成技术等基础上，正组织 力量开发和应用计算机集成制造系统。 1 3 3 柔性制造技术发展趋势 随着高技术和工业产业化的发展，柔性制造技术渗透、扩散到制造 技术的各个领域，将对世界的生产方式发生深刻变革。2 0 世纪传统的单 品种，大批量生产正向多品种、小批量生产以至“变种变量”的生产方 式过渡，到2 l 世纪将是适应“多变短小”的定制生产方式时代，从以生 产者为主导的生产方式逐步向以消费者为主导的生产方式转变。应该说 柔性制造技术正是适应上面生产方式转变的最佳生产技术。柔性制造业 和其他制造行业有根本的不同，有8 0 左右产品零部件属于中小批量生 产。据统计，批量在5 0 件以下的零件约占机械产品零件数的2 5 一3 5 ， 再过若干年，这个比例可能达到7 5 或以上，这就决定了制造技术向柔 性化发展的趋势。 1 计算机辅助设计技术( c a d ) 工业发达国家应用c a d 技术已成为不可阻挡的潮流，今后c a d 技术 发展将引入专家系统，使之具有智能化，能处理各种复杂问题。c a d 在 设计质量、效率和成本方面都显示其优越性，当前设计技术最新的一个 突破是光敏立体成型技术。 2 数控机床( c n c ) 为适应未来工厂柔性化、自动化发展需要的机床是智能化的c n c 机 床，它己从一般功能的单台设备种植发展到功能复合化加工的系统控制， 其趋势是向高速化、高精度化、高效加工、复合化和智能化方向发展， 并通过数控装置与系统的结构优化设计，开发支持软件和职能传感器， 6 北京交通大学工程硕士专业学位论文第一章绪论 进而向超高速、超高精度和自适应控制、自律型数控技术发展。 3 工业机器人 今后工业机器人开发和应用的重点将是新代高度智能的工业机器 人，作业极限机器人( 指在条件恶劣和危险环境下作业的机器人) ，海底 机器人、宇宙机器人、服务性机器人等。工业机器人的趋势是向小型化、 轻量化、高速化、精密化、人际接口高级化、智能化、仿生化、系统化 方向发展。 4 计算机集成制造系统( c i m s ) 未来企业和工厂自动化，将从目前的“线”、“面”的自动化向立体 自动化发展，以实现企业的生产、技术、研究开发、销售和流通等方面 的职能一1 体化、集成化及全部业务的高效化。计算机集成制造系统是实 现未来工厂的新的概念模式核心的发展趋势，它还是决定制造业企业未 来前途的具有战略意义的举措。制造技术集成化、接口集成化、网络集 成化和系统集成化是c i m s 发展的主要趋势，技术集成和系统集成尤其是 c i m s 发展的关键。 1 4 本文的结构 本文共分八章。第一章介绍柔性制造的背景知识，对常用的柔性制 造方法进行回顾和比较，根据各种柔性制造方法的特性引出内燃机构件 制造工艺合理柔性化的理论和方法。第二章总结一般内燃机主要构件的 设计及加工技术。第三章提出并总结从工件安装的改进方面实现制造系 统柔性化的方法。第四章提出并总结柔性化制造中动力头柔性化的思想 及实现柔性化动力头的方法。第五章提出并总结液压滑台的数控化原理、 优缺点及实现方法。第六章提出并总结柔性化制造中装配、传送等相关 工艺重要性及发展现状。第七章介绍将各种柔性化方法应用于摇臂轴座 专用机床的设计上。第八章总结全文并提出今后研究的设想。 7 北京交通大学工程硕士专业学位论文第二章机车内燃机构件及其工艺 第二章机车内燃机构件及其工艺 本章总结内燃机主要构件的设计及加工技术。 2 1 机车构件及其分类 机车构件主要指机车核心内燃机构件。内燃机的构件主要包括曲轴、 机体、连杆、凸轮轴，下面分别作简要介绍。 2 2 曲轴加工技术 2 2 1 曲轴车削技术 曲轴主轴颈和连杆轴颈加工的传统工艺方法是车削加工，分别是在 不同结构的曲轴车床上进行主轴颈和连杆轴颈的车削加工，国内也有用 普通车床加工曲轴主轴径的，对普通车床的损坏很大，维护成本很高。 这种曲轴加工技术目前在世界发达国家和地区正在逐步淘汰，但在我国 内燃机车制造企业仍然在曲轴加工行业中占主导地位，选用的设备如 c w 6 l l o o 普通车床和c 4 1 1 0 0 双头曲轴车床。 曲轴轴颈的车削技术，可有效地进行曲轴轴颈的粗加工，目前 仍为一种可靠的曲轴加工技术，并在世界上被广泛采用，但这种车削工 艺存在明显不足： 1 加工主轴颈和连杆轴颈设备不可互换，曲轴车床通用性低， 曲轴加工技术经济性不好。 2 这种工艺是采用宽刃、低速、大走刀量方法对轴颈进行加工， 曲轴承受较大的切削力，所以在加工过程中易使工件弯曲，这就直接影 响了曲轴加工精度，甚至影响曲轴使用的可靠性，降低其使用寿命。 3 加工自动化程度低，受人为影响大，曲轴加工精度波动大。由 北京交通大学工程硕士专业学位论文 第二章机车内燃机构件及其工艺 于所采用成形车刀的材料为高速钢 的利用率较低。 4 曲轴车削加工的柔性较差 加工单一品种的曲轴。 2 2 2 曲轴铣削技术 刀具寿命低，从而换刀频繁，机床 ，特别是靠模式曲轴车床只适用于 在2 0 世纪5 0 年代，奥地利g f m 公司改进了传统的曲轴车削 轴颈方法，首先研制成外刃式曲轴铣床。6 0 年代德国又在外刃式曲轴铣 床的基础上面研制出了内刃式曲轴铣床，它使得曲轴加工质量和效率得 到较大提高。目前我国曲轴铣削加工也较为普及，曲轴铣削技术比车削 有了明显的提高，主要有以下优点： 1 铣削用机夹不重磨式合金刀头，刀具寿命长。 2 由于铣削工件。般是低速转动，离心作用影响小，加上切削力 小，加工精度高于车削。 3 铣削加工克服了车削中工件承受较大的切削力，易产生弯曲和 扭曲变形的不足，它采用的是窄刀，小走刀量方式，实现了小切削截 面，小切削力的高效切削。 内铣除了以上优点外，还具有比外铣更多的优点：啮合性比外铣 好，稳定性比外铣高，刀具的使用寿命长，通用性强。内铣只要稍加调 整就可以加工不同品种的曲轴主轴颈和连杆轴颈，从而节省了加工设备 的投资，具有良好的加工柔性。 尽管曲轴铣削有以上优点，但也存在以下不足之处： 1 由于铣刀在铣削中，每个刀刃一开始就全部参与切削过程。工件 精度和粗糙度的进一步提高就受到一定限制： 2 刀盘的更换和调整技术要求高，操作者要有较高的技术素质。 北京交通大学工程硕士专业学位论文第二章机车内燃机构件及其工艺 2 2 3 曲轴车一拉技术 车拉工艺在1 9 6 4 年原苏联的机械工程手册中被概括为三种方式： 1 直线式刀具车拉： 2 内环式刀具旋转车拉： 3 外环式刀具旋转车拉。 直到8 0 年代初，在美国才用直线刀具车拉加工曲轴轴颈获得成 功。后来德国、英国、日本等国也先后研制成功曲轴车一拉机床。这使 得曲轴加工粗和精加工合二为，大大提高了曲轴的加工精度和加工效 率。 曲轴的车一拉加工具有更多优点，主要表现为： 1 刀具寿命长。因为在切削中每一刀齿与工件只有短暂的一次接 触，因而这种刀具寿命是铣刀的4 5 倍。 2 加工精度高。因为它在曲轴轴颈加工中，在任何时间内只有一 片刀具和工件接触，结果使得工件所受的切削力比车削和铣削都要小， 而较小的弯曲使加工精度大大提高，而且车一拉的刀具本身就分为粗、 细刀齿，每二。一刀齿仅参与较短的切削时间。所以，车一拉后的工件精度 高，表面粗糙度好，弯曲和扭曲变形小。 3 加工效率高。因为车一拉加工切削速度要高于车削和铣削。 4 技术经济好。由于车一拉加工是集粗、精加工于一身，可以省 去粗磨等工序。 5 柔性好。只要对夹具、刀具等作简略调整就能很快适应多品种 的不同批量生产。 2 2 4 车一车拉曲轴加工技术 8 0 年代末，德国在曲轴铣削技术、数控车削技术和车一拉技术的 基础上，又开发了当今最新的车一车拉曲轴加工技术。这一新的技术是 北京交通大学工程硕士专业学位论文第二章机车内燃机构件及其工艺 将以前曲轴铣削，车一拉和计算机数控( c n c ) 技术溶于一体的一种机 床，它代表着当今曲轴加工的最新技术水平。 2 3 机体加工技术 机体是内燃机的核心零件，一般采用铸焊结构或全铸的毛坯。需要 加工主轴孔、凸轮轴孔、缸孔及底面、顶面和两端面等。机体的设计、 工艺加工水平，直接影响到内燃机性能及可靠性。 2 3 1 机体传统的加工技术 8 0 年代以前，国内内燃机机体的加工主要采用普通机床和专用加工 机床来完成机体的加工。一般用机体三孑l 镗专用机床加工凸轮轴孔，用 机体缸孔镗、机体组合机床加工机体缸孔，用机体专用龙门铣和普通镗 床加： 顶面、端面及底面等。传统制造工艺有以下不足： l 需要设备投入多，占地面积大，加工零件运输周转量也较大，不 利于生产组织。 2 生产效率低，加工成本高。 3 加工精度差特别是由于主轴孔圆度、同轴度及组装清洁度问题 极易造成内燃机烧轴和烧瓦事故。 4 零件加工找正复杂，对操作者技术要求高，劳动强度大。 5 加工设备缺乏柔性，不能适应产品开发和市场的变化需要。工厂 就因为产品更新换代。造成机体组合加工机床、机体缸孔镗床及北京型 三孔镗的报废和闲置。 2 3 2 机体现代的加工技术 进入8 0 年代以后，科学技术的突飞猛进，使高速度、高精度、高效 率、工序复合及柔性化加工设备和工艺越来越得到广泛应用。工厂广泛 北京交通大学工程硕士专业学位论文第二章机车内燃机构件及其工艺 采用数控机床、数控加工中心来完成内燃机机体各个工序加工。北京一 机床和德国科堡的合作产品1 7 1 0 f p 龙门数控加工中心，规格是2 0 0 0 5 0 0 0 ，配备7 个附件头和6 0 把刀库，可在7 2 8 0 小时内完成主轴孔、 凸轮轴孔，底面及端面等机体所有加工工序。现代的制造工艺有如下优 点： 1 制造具有较高的柔性，能够适应6 缸、1 2 缸、1 6 缸等不同缸径 的全铸、铸焊结构机体加工。 2 具有较高的加工精度，工序集中加工，效率高，成本低。 3 占地面积小，加工零件周转量小。 2 4 连杆优化设计 连杆是内燃机的主要运动件之一，连杆的作用是将活塞的往复直线 运动变成曲轴的回转运动，并在活塞和曲轴之间传递作用力。下面讨论 内燃机连杆的工作条件及结构优化设计。 2 4 1连杆的组成及工作条件 2 4 1 1连杆的组成 连杆由连杆小头、连杆大头、连杆杆身 组成。其中连杆小头由连杆体的小头部分和连杆衬套组成。连杆大头由 连杆体的大头部分、连杆螺钉( 栓) 、连杆轴瓦组成。连杆小头通过活塞 销与活塞连接，作往复直线运动，连杆大头与曲轴的曲柄销连接作旋转 运动，而连杆杆身则作复杂的平面合成运动，即随活塞销中心的平动以 及绕活塞销中心的摆动。 2 4 1 2连杆的工作条件 连杆工作时承受的作用力有： 1 由气体压力p g 和活塞组往复运动惯性力p j n 的合力p 分解 在连杆轴上的分量，即为连杆力p 1 ( 如图2 1 所示) 。由于气体压力和 往复运动质量惯性力随活塞位置的不同，使连杆力的大小和方向也随之 1 2 北京交通大学工程硕士专业学位论文 第二章机车内燃机构件及其工艺 改变。 图2 1力分析图 p i 七p - 2 连杆本身运动质量的惯性力。连杆各部分的质量在运动中由于状 态不同，惯性力也不同。连杆本身的运动质量惯性力，使连杆承受附加的 力和力矩。 2 4 2设计要求 2 4 2 1强度要求 由以上分析可知，连杆所受的作用力是交 变载荷，这就使连杆产生交变应力。因此要求连杆具有足够的强度，还应 避免连杆上的应力集中。如果连杆零件强度不足，零件发生断裂，将破坏 机体和曲轴，危及工作人员的安全和造成整个内燃机的报废，所以对连杆 的强度应有足够的重视。 2 4 2 2 刚度要求同时，在连杆力的作用下，将使连杆在摆动 平面和垂直于摆动平面内都产生弯曲。这样不仅增加了连杆的工作应力， 而且前一种弯曲将增加附加的侧压力，使活塞和气缸套的磨损加剧。而后 北京交通大学工程硕士专业学位论文第二章机车内燃机构件及其工艺 一种弯睦，将破坏连杆轴承的正常工作，造成活塞销和曲柄销的偏磨。此 外，如果连杆的大头和小头变形，会造成连杆轴承的工作不良、轴颈偏磨。 故要求连杆具有足够的刚度。 2 4 2 3结构要求 但是，增加连杆的强度和刚度，不能简单 地依靠加大连杆的尺寸来实现，因为连杆质量增加，将加大惯性力，对内 燃机的强度、轴承载荷、平衡和振动等都带来不良的后果，也限制了内 燃机转速的提高。因此对内燃机的要求既要强度和刚度高，又要尺寸小、 重量轻。这就要求在材料选用、结构设计和制造工艺上采取必要的措施。 2 4 3连杆的结构优化设计 2 4 3 1连杆小头设计 连杆小头与活塞销连接，作角度不大 的摆动，它承受连杆力和活塞组往复运动质量的惯性力，连杆小头的结构 与它和活塞销的连接方式有关。活塞销可以固定在连杆小头或固定在活 塞销座上，也可以采用不固定的“浮动”式。 1 对于二冲程内燃机和转速不高而增压压力较高的四冲程内燃机， 由于连杆承受沿轴线方向的单向载荷( 压缩载荷) ，连杆小头可以采用半 圆环形。当它与活塞销采用固定连接时，由于不存在轴承的比压和间隙， 所以连杆小头可以较窄，活塞销的弯曲力矩可以减小，还可以消除活塞销 与连杆小头的撞击和噪音以及减少活塞的晃动。但是，这种结构定要保 证活塞在达到正常运转温度以前，活塞销就能在活塞销座中转动，即活 塞应采用膨胀系数小的铸铁或高硅铝合金材料。 2 一般内燃机常采用连杆小头能绕活塞销转动的结构，特别是广 泛采用浮动式活塞销。这时，连杆小头就有衬套作为轴承，其结构主要有 两方面问题：一是如何正确选定连杆小头的尺寸和结构；二是如何保证 连杆小头轴承能正常工作。 首先，连杆小头的内径和宽度应保证连杆小头有足够的承压面积，连 杆小头衬套的内径是根据活塞销外径和轴承间隙决定的，而小头衬套的 北京交通大学工程硕士专业学位论文 第二章机车内燃机构件及其工艺 长度应与活塞销座的长度配合协调，也就是使连杆衬套和活塞销座的承 压面积与它们的承载能力相对应。连杆衬套材料的承载能力比铝合金高， 因而它的长度可以比活塞销座短些。同时，连杆小头与活塞销座之间每侧 还应留有2 5 3 m 的间隙，用以补偿机体、曲轴等在轴向尺寸上可能 出现的制造公差。以及热膨胀所引起轴向相对位置变化等。对于高强化 四冲程内燃机，气体压力比往复运动质量惯性力大得多，为了同时加大 活塞销座和连杆小头衬套的承压面积，把连杆小头做成上、下宽度不一 样的阶梯形或锥形如图2 2 所示。 ， 图2 2 连杆示意图 其次，连杆小头的结构形状对强度和刚度有很大影响。连杆小头必 须有足够的刚度，以免变形过大影响轴承的工作：同样连杆小头必须有 足够的强度，特别应避免出现应力集中。 在对连秆的应力进行计算和实测验可以知道，在连杆小头与连杆杆 身衔接处的应力绝对值和变化幅度都是最大的。在同样的载荷下，杆身 与小头过渡处越低，则过渡处的应力越大。图2 3 连杆小头与杆身之间 过渡方式与应力分布关系。 北京交通大学工程硕士专业学位论文第二章机车内燃机构件及其工艺 l 八 、，_ l u i ，广 v f 卜 l u 健信握 图2 3连杆应力分布关系图 另外，将连杆小头外形做成由三段半径不同的圆弧连接形状，且项 部壁厚较两侧的大如图2 4 所示。实测应力表明，在其它几何参数( 如 小头孔的内径、杆身截面尺寸等) 相同的情况下，这种变厚度的连杆小 头，其外壁面过渡处的最大应力值，比一一般等厚度圆筒形的小头稍低， 但相差不大，而小头顶部处的应力则有明显的降低，同时刚度也有很大 的提高。当连杆承受的拉伸力大于压缩力时，用这种变厚度连杆小头是 合适的。 ，。 翁fr 5 焙渤 故刘 图2 4连杆具体结构 北京交通大学工程硕士专业学位论文 第二章机车内燃机构件及其工艺 2 4 4连杆杆身设计 连杆杆身的结构设计主要是决定连杆长度和截面形状。 l _ 连杆长度为连杆大小头中心孔之间的距离，其值大小直接影响 内燃机的总体高度和连杆摆动的角度。当内燃机气缸直径和活塞行程一 定时，连杆长度愈大，内燃机的总体高度便愈大，在相对曲轴转角时的 连杆摆角便愈小。连杆摆角小，活塞侧压力值也小，因而摩擦损失功率 和气缸套的摩损小，对内燃机功率和气缸套的使用寿命有利。但是，连 杆越长，重量越高，活塞连杆组的往复运动惯性力加大。大量试验证明， 连杆长度对气缸套的磨损和摩擦损失功率没有明显的影响。因此，总是 希望尽可能采用短连杆。采用短连杆后，连杆有可能与气缸下端相碰， 在设计时，可以用模拟试验方法检查。如果相碰或间隙不够( 一般气缸套 与连杆外形之间，要留有2 5 m m 间隙) ，而气缸套又不能减短时，可在 气缸套上开槽。 此外，应检查活塞在下j j _ = 点时，平衡块是否与活塞相碰。活塞在上 止点时，曲柄臂是否与气缸套相碰。内燃机连杆的长度常用其与曲柄半 径比值九表示， 值一般为1 4 2 1 3 2 。 。 2 加大在连杆摆动平面内的惯性矩，可以提高连杆机构在摆动平 面和垂直于摆动平面内的稳定性。在保证强度和刚度的前提下，为使连 杆具有较轻的重量和合理地利用材料，采用模锻锻造的连杆杆身一一般都 采用“工”形截面：对于辊锻的连杆则采用圆弧形“工”字截面：对于生 产量小的自由锻连杆则多采用圆形截面如图2 5 所示。连杆在摆动平 面内的惯性力，随着离开连杆小头中心距离的加大而增加。为了使各处 的应力相等以及活塞销尺寸小而连杆轴颈大，所以杆身在摆动平面的尺 寸，由小头逐步向大头加大，并与连杆大、小头圆滑过渡。 北京交通大学工程硕士专业学位论文第二章机车内燃机构件及其工艺 审审率塞 图2 5各类连杆断面示意图 2 4 5连杆大头设计 2 4 5 1 连杆大头的结构要求 1 有足够的强度，特别应避免出现应力集中。 2 有足够的刚度，连杆大头在气体压力、运动质量惯性力及连杆轴 瓦装配预紧力作用下，如果刚度不足，就会引起轴孔失圆，导致“烧 瓦”、抱轴和增加连杆螺栓的附加弯眭，影响连杆轴瓦的工作性能和连杆 螺栓的工作可靠性。 3 有最小的外部轮廓尺寸和重量，以便在维修时，活塞连杆组能 从气缸中取出，减小曲轴箱的空间轮廓，以及减小旋转运动质量的离心 力，使内燃机重量和连杆轴瓦及主轴瓦的载荷和磨损都减小。四冲程内 燃机连杆大头和连杆盖的工作情况是不同的，连杆盖主要是受拉伸应 力，其最大值发生在连杆盖的中央断面处，连杆体大头部分主要是受气 体压力的压缩应力，最大值发生在连杆杆身与大头的过渡区。在拉伸时 该过渡区也产生较大的拉伸应力。在二冲程内燃机中，当沿连杆作用的 是单向力时，连杆盖不承受载荷，但应具有足够的强度以避免活塞可能 在气缸内咬住。 2 4 5 2其它要求 1 为了增加连杆盖的刚度，可以采用如图2 6 所示的加强筋，这 些加强筋除了增加刚度外，还可以帮助轴承散热。 北京交通大学工程硕士专业学位论文第二章机车内燃机构件及其工艺 囱嘲串串印国 图2 6具有加强筋的连杆盖示意图 2 连杆杆身与大头的过渡区，是应力变化最大的区域，而且它的 受力是交变的，所以这区域最容易产生疲劳破坏。 3 另外，为了提高轴承的承载能力和曲轴的强度和刚度，希望尽 量加大曲轴销直径，为了检修方便，义希望活塞连杆组能从气缸中取 出，在强化内燃机上广泛采用斜切口连杆。 2 5 凸轮轴数控加工 凸轮轴传统加工方法是用液压仿形车床、普通车床来完成凸轮轴的 粗加工，由凸轮轴专用磨床完成凸轮型面的精加工。由于凸轮型面的磨 削采用了机械靠模仿形，不具有柔性，加工质量不易保证，目前在国内 传统的凸轮轴加工工艺正趋于淘汰，取而代之的是数控铣削和数控磨削。 这里主要介绍凸轮轴的n c 铣削和n c 磨削的设计计算。整体加工的工艺 流程为：毛坯制造、凸轮轴粗加工、凸轮铣自0 半精加工、热处理、磨削 精加工。 2 5 1 数控铣削的计算分析 图2 7 是该凸轮轴的n c 铣削示意图。铣削时y 、z 、a 三轴联动使刀具 始终在凸轮的法线上。当一个凸轮铣削完成后，x 轴移动自动切换到另一 凸轮，使该凸轮轴一次装夹定位好后可自动完成。对于没有干涉的凸面 北京交通大学工程硕士专业学位论文第二章机车内燃机构件及其工艺 可使刀具始终保持在切削点的法线上，这时凸轮上任意一点p 的数控 编程坐标可由数控转台的转角a 、y 轴的移动坐标和z 轴的移动坐标 来表示。 广 i i i l i l 一1 一 图2 7n c 铣削凸轮示意 对于有干涉的凹面可使刀具始终保持在刀尖接触点连线的法线上。 这时如果编程取的控制点距离较大就可能在从p l 点到p 2 点联动过程 中产生过切现象。为了避免过切，一种办法可使刀具沿x 轴来回运动， 在刀具移出加工面时转到p 2 点：另一种办法可增加编程控制点以减小 p l 到p 2 的距离。另外，在凸轮凹面部分数控转台会有正反转( 图2 8 ) 户2 莲 刀尖接艘点法线 p j 转到坍酎位置 丹转到切削位置 图2 8 凸轮凹面铣削示意 北京交通大学工程硕士专业学位论文 第二章机车内燃机构件及其工艺 对于有凹面的凸轮可先计算法线再看刀具直径范围内刀尖是否过切 如果过切则按刀尖与轮廓的刚接触状态计算刀心