（机械工程专业论文）曲轴内铣技术的研究及其在曲轴内铣机床设计中的应用.pdf

沈阳工业大学硕士学位论文 摘要 曲轴内铣技术作为一种最先进的曲轴加工技术，目前得到国际上机械设计领域学者的 广泛关注。本文旨在研究曲轴内铣加工技术，文中从数控曲轴内铣机床的基本结构、组 成、机床方案和机床原理等几个方面进行了介绍，并对加工曲轴的工艺结构进行分析和比 较。本文的全部工作均以提高加工精度和工作效率为指导思想。 曲轴在内燃机中是承受冲击载荷、传递动力的重要零件，在内燃机五大件中是最难以 保证加工质量的。其结构参数和加工工艺水平不仅影响着整机的尺寸和重量，面且在很大 程度上影响着发动机的可靠性和寿命。 数控曲轴内铣机床具有一次装卡多部位加工的特点，既提高了零件加工精度又可提高 工作效率，是目前国内曲轴连杆颈及主轴颈加工中普遍采用的机床。 本文研究了曲轴等速切削理论，并建立其数学模型，依此对加工主要误差进行了分 析。推导出双导程蜗杆传动的设计计算理论公式，并成功地应用于机床的进给系统，解决 了装配过程中间隙难调整的问题，大大提高了加工的精度。同时建立起了非线性接触问题 的数学模型。 利用a n s y s 有限元分析软件对铣头箱体进行热一结构耦合分析。以温度为边界条 件，抓住设计目标的核心问题，计算出其应力和应变分布以及温度场分布，并依据此结果 成功地设计出铣头箱体的冷却装置。充分地证明了此种设计方法的可行性。 关键词：曲轴，铣床，双导程蜗杆，有限元分析 沈阳工业大学硕士学位论文 s t l l d yo f i n n e rm i l l i n g 融l l i l i ca n di t sa p p l i c a t i o ni i lm e d e s 咖o f h 哪m i l l 崦c r a i l k s h mm a c h i n e t o o l a b s t r a c t t h ei 脚m i l l i n gt e c h 吣w 私伽咀曲捌t 1 1 ei n o s ta ( i v a i l c e dt e c h i l o l o g yo fp r o c e 嚣i n g a 批血s 1 1 a f 乙g t 她t b ei n t e m 砒i i a l 幽l a r sa 【t t m 时v ea t t e 州o ni i ll h er e a l mo f m 髓h a 面c a ld e s i g i l m a i mo f t l l i s 喊哪c a n j e d 龇i 加e r 砌l i l l g 础o fp f o 啷i l l g 伽蝴s 呲 砸p e c t so f i m l 盯m m i i 培c r 卸k i k 血c n cm b i n et 0 0 l ，s u c h 勰t h eb a s i cc o n 丘目m 岫c o l l s t j ， p 删e c tm l dp i i n c i p l eo f t o o l s ，w e i n m ) d u c e d a n dt 。c b l l j c s 蚰：m o f p r o c e s s i i l gc r 锄k s h a f tw 雏 酬a n d 洲i l p a r c di nt l l i s1 b c s i s a 皿恤ew o f k si i lm e 恤s i sw 骶g i l i d c db y 岫脚v i i l g m 觚h i i l i l 坞p r e c i s i o na n dw o r ke 崩| c i e n c y m 锄她b a f l w 器l e s t j m l ，0 r t a n t p 砷缸证g i n e ，瓢i l i n g 恤姻删叵v e l o a d a i l d 锄渤吨位聊榭，a n d i t s 删q u a 脚删b 莉t o p r 0 i i l i 锄0 n g m e m a i l l 髓衄p a n s s on o to m yd i m c i l s i o n 锄dw e i g h to fe i l 垂n e ，b i i ta l s o 出p m d a b i l j t y 趾dl i f eo fm e 锄西i 圮w e 咒 缸f e c t e dg r e a n yb yi t s 蚰m c t i l 阳l 徉哦眦i 鼬盯a n dp i o c c 豁i i l gt e c 蛔血a ll e v e l h lt h ei n n 盯m i u i i 培a n cm 粒l l i i 他t 0 0 l ，m a n yp a r t sc o u l db ep r o c 鹤s c di f 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嘲士l l 陀6 e l dd i s 缸b 面b y m e a 璐o f 圮血l 洳1 a l s n l l 曲聆d o u b l 枷d d c da l l a l y s i sp r i 魏n t c db y 圮a f h a 坨a n s y s ， t a k i n gt h et e m 拼：r z i t i 】鹤c 0 脚c 0 删6 0 n 锄da i m i n g 砒恤c r i 6 c a l 删锄o f 协ed 韶i 盟 - 一 曲轴内铣技术的研究及其在曲轴内铣机床设计中的应用 。巧c c d o 璐，d 韶i g i l i l 1 9t h ec l i n gd e “o f 吐圮台u l l k 叫c c e 鹤f i l l l y ，b yw l l i c h 1 ef e am e 吐1 0 dw 勰 p 哇d v e df b s i b i l i 锣p 既诧c n y 蛐n g 山e 珥o 鼹o f d 船i g nf o r 也ec 0 0 l i i l gd e v i k e y w o r d s ：c r a n l 【s h a 矗，m i u i n gm a c h j n et o o i ，d o u b kl 船d0 f w o 珊，珊渔 一i v 独创性说明 本人郑重声明：所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工 作及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方 外，论文中不包含其他人已经发表或撰写的研究成果，也不包含为获得 沈阳工业大学或其他教育机构的学位或证书所使用过的材料。与我一同 工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中做了明确的说明并表 示了谢意。 签名：圣天岂日期：，一c ；，执 关于论文使用授权的说明 本人完全了解沈阳工业大学有关保留、使用学位论文的规定，即： 学校有权保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公 布论文的全部或部分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论 文。 签名： ( 保密的论文在解密后应遵循此规定) 敷邑导师签名：日期：力韶肛砷 沈阳工业大学硕士学位论文 1 绪论 1 1 引言 “十五”期间，我国汽车制造业加大投资力度，用于购买设备，加快发动机、变速箱 及其零配件生产线技术改造【”。加之目前，在中央关于重振东北老工业基地的决策下，在 给汽车行业带来更大的发展的同时，也给机床制造业提供了更好发展机遇。乘用车、商用 车的销售量从东向西逐步扩张，个人购买轿车已成为主流，所以汽车生产厂及零部件供应 商对数控机床的需求将持续稳定，而且上升势头大增b 3 】。 发动机被行业人士通称为汽车的心脏，发动机的优劣不但直接影响到汽车的动力性 能，而且还影响到能源、环保、健康、安全。作为发动机的核心零件一曲轴，其精度、 使用寿命、加工难度等要求在发动机各零部件中首屈一指，作为典型复杂零件，易变形， 工序长，加工难度大。曲轴在内燃机中是承受冲击载荷传递动力的重要零件，由于工况条 件恶劣，对曲轴的材质、毛坯加工精度和表面粗糙度、热处理、动平衡等要求都十分严 格，其中任何一个环节没有保证质量，即可严重影响曲轴的寿命和整机的可靠性【l 。因此 世界各国对曲轴的加工都十分重视，不断地改进曲轴加工工艺。以提高曲轴的使用寿命。 这样就相应发展了曲轴加工设备，加工设备由原来的手动操作到单机自动加工再到生产线 高效率加工，同时加工精度亦愈来愈高，因为现在加工工艺更加注重生产线上每一工序的 精度控制，追求将零件的最终精度合理的分解到每一序，尤其是曲轴加工。传统加工中， 在后序的精加工中留量很大，对磨削设备的压力也很大，所以，为了平衡各序的精度分 布，在曲轴的半精加工曲轴铣削工序中精度要求有所提高。 1 2 曲轴加工技术国内外开发与应用状况分析 1 2 1 国外曲轴加工技术的发展状况 国外曲轴机加技术大致可归纳为以下几个特点【m ： ( 1 ) 广泛采用数控技术及自动线。生产线一般由几个独立的自动化生产单元组成，具 有很高的灵活性和适应性。采用龙门式自动上下料、集放式机动滚道传输，切削液分粗加 工和精加工两段集中供应和回收处理。 曲轴内铣技术的研究及其在曲轴内铣机床设计中的应用 ( 2 ) 曲轴中心孔一般采用质量定心加工方式，这样可保证后续工序加工时工件运转稳 定，有利于提高产品质量。另外，在曲轴动平衡工序中，不平衡量很小，有利于改善曲轴 的内部质量补偿。 ( 3 ) 轴颈的粗加工一般采用数控铣削或车拉工艺。工序质量可以达到国内粗磨后的水 平，且切削变形小、效率高。铣削和车拉是曲轴粗加工的发展方向。 ( 4 ) 国外的数控磨床多采用c n c 控制技术，具有自动进给、自动修正砂轮、自动补偿 和自动分度等功能，使曲轴的磨削精度和效率显著提高。主轴颈一般采用多砂轮磨削，连 杆轴颈一般采用双砂轮磨削。 ( 5 ) 油孔的加工采用鼓轮钻床和自动线。近几年来，随着枪钻技术的应用，油孔的加 工大多采用枪钻自动线钻孔修缘抛光。 ( 6 ) 曲轴的抛光采用c n c 控制的砂带抛光机，所有轴颈一次抛光只需2 0 几秒。粗糙 度可达r a o 4 以下，大大缩短了发动机的磨合期。 动平衡一般采用c n c 控制的综合平衡机，测量、修正一次完成。 ( 8 ) 检测一般在生产线上配备m a r p o s s 或h o m w 0 r k 综合检测机，实现在线检 测，对曲轴的几乎所有机加工项目均可一次完成检测、显示、打印。 ( 9 ) 曲轴的清洗采用专用清洗机定点定位清洗，能有效地保证曲轴的清洁度要求。 ( 1 0 ) 广泛采用了轴颈过渡圆角滚压技术。专用圆角滚压机自动控制，对所有轴颈圆角 进行一次滚压，而且滚压力和滚压角度自动调节，使圆角处产生最佳的残余压应力，提高 了曲轴的疲劳强度。 1 2 2 国内曲轴加工技术的发展状况 我国内燃杌曲轴专业生产改进企业共有6 3 家”研( 据2 0 0 0 年中国内燃机年鉴注册 数据) ，今年来随着行业的不断发展，通过引进技术消化吸收和自行开发，总体水平有了 较大的提高。但是我国内燃机曲轴生产技术距世界先进水平仍相差很远，甚至还满足不了 内燃机行业技术发展的要求。国内曲轴专业生产厂家虽然不是很多，但存在整体规模小、 专业化程度低、企业设备陈1 日、产品设计和工艺落后、性能和可靠性差、品种杂乱和“三 化”程度低等问题。它是影响整机适应国内和国际市场能力的重要因素。 沈阳工业大学硕士学位论文 国内大部分专业厂家普遍采用普通机床和专用组合机床组成的流水线生产，生产效 率、自动化程度较低1 1 1 丑。粗加工设备多采用沈阳第一机床厂生产的s l 2 0 6 a 、s l 2 1 7 或s l 一1 3 0 曲轴车床加工主轴颈及连杆颈，工序质量稳定性较差，容易产生较大的内部应 力，难以达到合理的加工余量。外圆的磨削余量一般留o 5 0 8 姐( 单边余量) ；止推面 单边余量一般留0 3 o 4 n 蚰，为保证成品尺寸，采用多次磨削方式。一般精加工采用 m 0 8 2 6 0 曲轴磨床进行粗磨，然后半精磨精磨抛光。通常靠手工操作，加工质量 不稳定，废品率较高。“八五”期间，国内部分企业也曾先后引进数控内铣床、数控磨 床、数控砂带抛光机等先进设备加工主轴颈和连杆颈，使国内的曲轴加工水平有了一定的 提高。但整体工艺水平仍很低，曲轴的关键技术项目与国外发达水平相比差l 2 个数量 级。 曲轴的主轴颈、连杆颈及扇板面的加工是曲轴整个加工中所占工序最长的，传统加工 工艺方法( 目前国内仍有部分厂家采用) 都采用主轴颈车床、连杆颈车床( 偏心卡具) 分 别加工曲轴的主轴颈、连杆颈及扇板面，加工时变形大、刀具磨损快、节拍时间长、精度 低【1 3 】。曲轴的主轴颈、连杆颈及扇板面加工所采用铣削的方式始于上世纪7 0 年代，当时 国内还没有这方面的技术，而国外包括德国的h e l l e r 公司生产曲轴内( 外) 铣、奥地利 的g 刚公司生产曲轴内铣、俄罗斯s a r a t o v 公司生产曲轴内铣，以及日本的日k 嘶a t s u 公 司生产的数控曲轴铣床。 1 3 曲轴加工不同工艺的对比分析 1 3 1 三种曲轴加工工艺的对比 曲轴是发动机中的关键重要零件之一。由于它形状复杂、刚性差、加工余量大、重量 分布不平衡，要求的加工精度又高，所以曲轴是发动机中最难加工的工件之一。 目前，曲轴轴颈加工主要有三种工艺，即车削工艺、铣削工艺、车拉工艺。下面对三 种加工工艺进行分析比较螂。 ( 1 ) 车削加工工艺 主轴颈和连杆轴颈的车削，分别是在不同结构的曲轴车床上进行加工，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，但在我国仍然在曲轴加工行业中占主导地 曲轴内铣技术的研究及其在曲轴内铣机床设计中的应用 位。主要设备来源是俄罗斯、美国的w j c k s e 公司和沈阳第一机床厂。曲轴车削机床由于 采用多刀径向切削轴颈的方式，因此存在以下缺点【1 5 ，1 6 1 ： 变形大、效率低。由于是多刀切削加之在切削夹板面时是间断车削，振动大， 易产生较大变形。根据测量，车削变形量有时可达1 5 m m ，这样就需要多次校直曲轴，然 而校直虽然解决了本序的精度要求，但由于受外力影响产生的较大内应力堆积，将在后序 释放，产生变形，影响曲轴寿命。同时多刀切削又需增大磨削余量，提高了生产成本。 加工精度低。据用户反映，随着对曲轴加工精度要求的提高，车削工艺已不能满 足加工耩度的要求，轴颈径向跳动大，轴向尺寸不稳定。尤其有的企业曲轴轴颈磨削选 用了先进的无火花、自动跳挡数控磨床，如果车削轴向尺寸达不到要求，将直接影响这种 先进磨床的使用。 柔性差。由于车削采用多刀径向切削的方，其卡具和刀具的组装，都需要根据不 同的工件而单独设计。所以在更换工件时就需要换下全部的卡具和刀具。 效率低、稳定性差。由于是间断车削，切肖峨e 度一般为3 0 4 0 m m i n ，每台连杆颈 车床只能进行同相位两个轴颈的加工，效率低。由于刀具受力大，易产生较大的变形，造 成加工质量不稳定。 ( 2 ) 铣削加工工艺 在上世纪6 0 年代初，国外出现了曲轴铣削加工工艺及相应的曲轴铣削机床，我国从 上世纪八十年代开始先后引进了十多台数控曲轴铣床，如洛拖、潍柴、北内等。曲轴的粗 加工选用内铣加工工艺。而不选用我国传统的曲轴主轴颈多刀车床( s l 2 0 6 曲轴主轴颈 车床) 、曲轴连杆颈多刀车床( s l 一2 1 7 曲轴连杆颈车床) 车削，主要就是控制曲轴粗加 工的切肖变形、多刀车床为宽对成型车削，带状切屑，径向切削力大，在车削过程中使曲 轴产生较大的变形。以六缸柴油机为例，粗加工后中间主轴颈对两端主轴颈的跳动量可以 高达1 i i 蚰。为了使后续工序能继续加工，往往经过几道校直工序，严重影响曲轴的加工精 度。曲轴在加工过程中通常不允许冷校直，冷校直后曲轴会产生附加内应力，虽然校直时 达到了跳动量的要求，可以继续进行加工，但经过一段时间后曲轴内应力重新分布。弹性 恢复，又破坏了原来的加工精度。严重的甚至产生校直裂纹而报废。为了稳定地保证曲轴 加工质量，应控制曲轴粗加工变形或减少加工变形。先进工业国家先后研制了曲轴内铁削 沈阳工业大学硕士学位论文 工艺设备利用展成的办法来加工曲轴的主轴颈及连杆颈，在加工过程中曲轴承受的切向大 ( 周向为) 有中心架支承并目是小片状切屑使曲轴粗加工的军削变形大大减小，中间 主轴颈对两端主轴的跳动可控制在0 1 0 0 3 m 衄之间，跳动量的大小还受毛坯内应力去 除情况的影响，如内应力消除得好，则铣削或车削拉剂后的跳动量小。 铣削工艺有如下特点【l 刀： 生产效率高。曲轴铣床刀盘一般装有1 2 1 8 组不重磨硬质合金刀片，切削速度可 达1 2 嘶l ，m i i l ，迸给量为o 1 5 o 2 m 齿，由于刀盘连续不断地高速铣削加工，加工一 个曲轴轴颈约需1 m i i l ，大大提高了生产效率。 以加工六缸曲轴连杆颈为例，车削采用三台机床进行三个相位六个连杆颈的加工，而 铣削只需一台机床，就能快速地完成六个连杆颈的加工，节省了装卡时间，缩短了机加时 间，减少了操作者，节省占地面积，减少了磨削余量，可降低成本，提高生产效率。 加工精度高、质量稳定。为了稳定地保证曲轴加工质量，利用曲轴内铣削包络办 法来加工曲轴的主轴颈及连杆颈。在加工过程中曲轴承受的切向( 周向力) 有中心架支 承。并目是小片状切屑使曲轴粗加工的车削变形大大减小，经内铣加工后主轴颈对两端 主轴的跳动可控制在0 1 0 o 3 0 i l l l n 之间，跳动量的大小还受毛坯内应力去除情况的影 响，内应力消除得好。则铣削后轴颈的跳动更小。 由于铁削的刀盘采用多刀片加工方式，每个刀片只铣除少量金属，产生的变形小。加 上采用了先进的数控技术，从而提高了曲轴的加工精度和加工质量。 适用范围广、柔性强。多功能数控曲轴铣床可以加工曲轴的主轴颈、连杆颈、夹 板面、斜面、外圆等，特别适合于毛坯余量较大的曲轴加工。同时，数控曲轴铣床能贮存 多种曲轴的加工程序，在更换工件时，一般只需更换刀盘和卡瓜，调入新程序，即可加工 新工件，调整方便，柔性强。 ( 3 ) 车拉加工工艺 最早生产的是一种直线型车拉机床，由于机床尺寸大，操作调整不方便，只生产了几 台。在8 0 年代中期开发出了圆盘型车拉机床。如我国北京吉普、江西五十铃先后引进了 这种机床。在八十年代后期，德国的b 0 e 1 1 r i n g 髓公司和 l e l l e r 公司不约而同地开发 出 曲轴内铣技术的研究及其在曲轴内铣机床设计中的应用 更为完善的曲轴车一车拉机床。我国玉林柴油机厂、丹东五一八厂先后引进了这种机床， 通过我国用户的使用可以看出机床有以下特点嗍： 生产效率高。由于车拉工艺在加工中，每个刀片切削刃仅切削工件一次，从而提 高了刀具寿命。减少了换刀时间，机床利用率高，在不加工夹板面情况下，可高效快速地 完成轴颈的加工。 适合于有沉割槽曲轴的加工。如果曲轴轴颈有沉割槽需要加工，在车一车拉机床 刀盘上可设置专门刀片将轴颈、轴肩及沉割槽同时加工出来，而不必再另外增加加工沉割 槽的机床，可节省设备投资。 不适合我国目前国情。车拉工艺最适合加工于夹板面不需要加工的曲轴，而目前 由于我国热加工装备较为落后，大多数厂家的曲轴夹板面加工余量加大，所以针对这一实 际情况，使用车拉工艺不能发挥其全部优势。 ( 4 ) 三种加工工艺的对比 三种加工工艺的加工精度比较见表1 1 表1 1 三种加工工艺加工精度比较 t 曲1 lc 鲫p a r i 湖o f t l l l 1 ( i n dp f o c e s s i n gt e c | l i l j cp r e c i s i o n 从以上分析可以得出一个结论，近些年来曲轴加工机床的技术水平有了很大的突破， 使曲轴加工工艺发生了重大变革。传统的车削工艺势必将被铣削工艺( 包括目前的车拉、 沈阳工业大学硕士学位论文 车车拉工艺) 所代替，针对我国目前情况，国内曲轴生产厂家选用数控曲轴铣床是曲轴 加工的最佳选择，是提高曲轴加工精度和生产效率等经济技术指标的重要手段。 1 3 2 曲轴内铣与曲轴外铣的加工工艺对比 ( 1 ) 曲轴外铣加工原理 外铣的基本原理为：主轴颈加工时工件顶尖预支撑，完成轴向定位，工件旋转，外铣 刀旋转( 主运动) 与动力头的进给运动的复合运动完成主轴颈的加工，一个主轴颈对应一 个刀盘。连杆颈加工：采用偏心卡具，将同相位的连杆颈中心线同机床主轴中心线重合， 每次只能进行同相位的连杆颈铣削加工。如：六缸曲轴，l 、6 连杆颈同时加工，2 、5 连 杆颈同时加工，3 、4 连杆颈同时加工。图1 1 a 为外铣加工原理图。 p p 2 s p i 恕d 6 p i a 外铣加工原理 b 内铣加工原理 a p r o c e s s 吨p f i i l c i p l e o f 伽研l l l i l l 啦b p r 0 懈豳gp r i 】【l c i p k o f i 珊埘t i l i l l i l l g d l 主轴直径；d 2 一刀刃直径：p a 一主轴驱动力：p s 一刀盘铣削力 d l b a 咖蛐d i 加晰d _ b h d cd i 锄哪n v i n g 蠡m eo f b 勰i cd i 矾p s c 删盯h d 矗x 优 图1 1 曲轴铣削加工原理 f 培1 1h m $ i f l g 研n c i p l e o f m k s l l m l l l i u i l i g ( 2 ) 曲轴内铣加工原理 内铣的基本原理为：工件一次装卡完成轴向、角向定位，内铣刀盘通过系统控制对应 在相应轴颈上，动力头通过复合运动包络加工主轴轴颈、连杆颈。内铣加工分为工件固定 一7 一 曲轴内铣技术的研究及其在曲轴内铣机床设计中的应用 不动和工件旋转两种形式，通俗讲就是将内铣刀盘套在被加工轴颈上进行铣削。不管采用 哪种内铣形式，主轴颈、连杆颈都可以在一台机床上完成全部加工，而且都采用跟随式的 中心架，防止刀盘铣削时的工件变形。图1 2 b 为内铣加工原理图。 ( 3 ) 分析比较 内铣所需的动力要小于外铣。即驱动力p a 小于切削力p s ，从图1 1 中我们很容易看 出，曲轴外铣刀盘直径比支承刀盘的主轴颈大的多，所以驱动力p a 也远大于切削力p s ； 而曲轴内铣刀盘刀刃直径比支承刀盘的主轴颈小的多，所以驱动力p a 也远小于切削力 p s 。曲轴内铣适合大切削余量的曲轴。因此，从分析结果看，曲轴外铣比曲轴内铣产生的 振动要大。 曲轴内铣的加工精度好于曲轴外铣。主轴轴承的间隙对刀盘的径向跳动、侧向摆动都 有一定影响，从而对加工工件的精度产生一定的影响。从图1a 中可以看出，主轴回转间 隙对刀盘侧摆和径向允差都是一种放大。从图2b 可以看出，曲轴内铣刀盘在主轴中间。 因为刀盘直径同主轴的直径之比一般小于1 2 5 ，所以刀盘刀刃的侧向、径向摆差比轴承 间隙小得多，而该项指标又是影响曲轴开档宽度误差及加工工件圆度误差的重要因素之 一口 曲轴外铣在铣削连杆颈时一台设备只能加工同相位的连杆颈，仍以六缸曲轴为例， 1 、6 连杆颈用一台外铣加工，2 、5 连杆颈用一台外铣加工，3 、6 连杆颈用一台外铣加 工，主轴颈又需要一台设备，共需要四台外铣，需要操作者多，占地面积大。如果采用曲 轴内铣加工曲轴的主轴颈、连杆颈，完全可以在一台机床上进行加工，效率高，占地面积 小，只需要一名操作者。这就取决于用户的厂房面积、人员情况、资金等综合因素。 但是，曲轴外铣有其自身的优点：主轴通过低转速即可获得较高的切削速度，刀盘尺 寸较大，安装的刀片数量相对较多，所以提高了刀具的耐用度，机床体积小，价格低，容 易实现全防护。 据有关报道称，从目前的国内外需求分析来看，曲轴外铣占有相当比重，原因是毛坯 质量越来越好，较之以前质量发生了很大变化，加工余量越来越小，余量越来越均匀，所 以所需加工功率下降，对机床震动的影响降低。所以当曲轴毛坯质量较好时，可以采用曲 轴外铣1 9 姗。 沈阳工业大学硕士学位论文 1 4 国内曲轴加工机床的发展现状及趋势 我国从建立第一汽车厂开始就开始了曲轴的加工，经历了从初级到高级、从自学到西 学、从自产到出口等不同方面的历史变化过程。几十年来，技术水平取得了突飞猛进的发 展，曲轴加工机床同样被带动。自上世纪八十年代，国内出现了曲轴内铣加工设备，及到 目前的外铣设备的出现。 技术上，我国在曲轴研发中，广泛采用了优化设计、有限元分析、变参数图形设计等 技术，应用三维设计等数字化设计，对曲轴加工设备进行充分的理论分析，实现经验向理 论过度迈出坚实的一步。 曲轴内铣的出现，无疑提高了曲轴加工的精度、效率等各方面，目前，曲轴内铣加工 设备，国外几家机床制造厂已经技术成熟，并各自发挥自身优势。国内能够生产内铣的机 床厂家只有沈阳第一机床厂，该厂目前对此类设备进行几次重大改进，借鉴国外先进的设 计技术，结合我国国情，设计制造适于我国曲轴生产需求的加工设备。 图1 2 为沈阳第一机床厂设计生产的曲轴内铣机床s l 3 0 5 c 的三维实体模型，该机床 是参照g f m 公司p i 2 0 机床自行开发设计的，是一种高效率的半自动机床，手动装卸工 件，采用液压自动卡紧，可以一次加工主轴径和连杆径，或只加工主轴径或连杆径，工件 加工过程由c n c 控制自动完成。表1 2 及表1 3 为该型机床的基本参数。 图1 t2s 1 - 3 0 5 c 数控曲轴铣三维实体模型 f 皓1 2 1 h r 娟m 即s i 锄a l u d m o d e l o f s l - 3 0 5 c 曲轴内铣技术的研究及其在曲轴内铣机床设计中的应用 表1 3 铣头转数及切削速度 n | b 1 3 c i i t v e i o c n y 锄d 删f r 岫o f t i m0 f m i l l h 朗d l o _ 沈阳工业大学硬士学位论文 我国数控曲轴铣床的设计和制造技术，其发展趋势主要表现在以下几个方面团捌： 多品种的发展方向。汽车行业的快速发展，对曲轴的设计制造及加工工艺都不断 提出新的要求，这样就不可能用单一品种的设备来满足曲轴加工工艺条件的要求，所以多 品种发展我国曲轴加工机床的方向是正确的。 设计制造的多方位发展。目前，我国的曲轴加工设备还处于起步阶段，除了专业 机床制造厂以外，用户单位，一些研究机构， 户单位，在曲轴加工方面积累了丰富的经验， 机床的开发研制提供了较好的技术保障。 都在从事该方面的技术研究工作，尤其是用 而且接触国际先进水平较多这样就为该类 理论研究与技术开发的高水平发展。近年来，随着我国机床行业整体技术水平的 提高，机床机械理论、电气理论等方面都有了长足进步，这些理论指导着技术开发也取得 了较好的成果。例如：机构运动理论、节能理论、平衡理论、运动特性、动力特性分析理 论等，都对发展越铀加工设备起到了指导作用。 1 。5 本课题研究的主要内容及意义 1 5 1 本课题的背景及意义 随着我国汽车工业的发展，将有几家轿车生产厂在“九五”末期达到年产3 0 万辆的 经济规模；我国少量的多缸小缸径柴油机生产厂也将达到年产2 0 3 0 万台的经济规模， 个别的六缸柴油机生产厂也将达到2 d 万台的经济规模，从而彻底打破我国内燃机生产规 模小、低水平重复生产的格局，向着专业化大批量、多品种、系列化生产方向迈进，迎头 赶上世界内燃机生产的先进水平。缩短与世界先进内燃机生产国的差距。现在我国单缸 柴油机总产量已雄居世界首位，某些单缸机生产厂已跃居世界第一名，排列在世界前列。 “九五”末期至2 0 1 0 年，这种局面在小缸径多缸柴油机生产厂也将出现，只有瞄准世界 先进水平来制定我们国家内燃机曲轴的机械加工工艺，才能使我们的工艺水平赶上世界先 进的工业国，并生产出世界一流质量的内燃机曲轴。基于这种考虑。我们愿意为我们的民 族工业贡献自己的技术力量，愿意在曲轴加工方面向国内的众多相关厂家进行学习于技术 交流，更愿意为国内提供高水平的曲轴加工设备，并希望通过我们产品的高性能、高可靠 性、低价格来抵制进口。 曲轴内铣技术的研究及其在曲轴内铣机床设计中的应用 1 5 2 本课题研究的主要内容及关键技术 根据沈阳第一机床厂现有曲轴铣床的结构及现在的加工精度，结合目前市场对曲轴加 工精度越来越高的要求，从机床的结构、性能、影响精度的实际测量结果分析，找到影响 加工精度的直接、间接原因，从传动结构、测量装置、温升变形等方面入手，改变结构、 增加相应装置，来提高传动精度，降低温升影响，提高控制精度等。 主要研究内容及关键技术如下： 双模数蜗轮副的设计应用。多数传动机构中，涉及蜗轮蜗杆传动的机构，多数为 普通蜗轮蜗杆。沈阳第一机床厂生产的数控曲轴铣床的两轴传动在原设计中采用的普通蜗 轮蜗杆副传动，由于制造及安装误差的原因，传动间隙大，不能保证达到要求的传动间 隙，导致加工的工件圆度超差。现在，通过推导双模数蜗轮传动的设计计算公式，将双导 程蜗杆副应用于传动进给系，解决装配过程中间隙难调整问题，并且可以消除由制造误差 带来的影响。 等速切削原理模型的建立。加工曲轴的连杆轴颈时，为了获得好的光治度及减小 机床的磨损，必须保证切削速度恒定。因此，切削时曲轴旋转速度必须按一定规律变化。 为此，我们要建立曲轴等速切削的原理模型，并对主要加工误差进行分析。 互换型专用刀盘的设计。原有的曲轴内铣刀盘虽然能够满足零件的加工要求，但 存在一些不足，如刀盘的制造精度、刀片的互换性等。制造精度如果控制的不好，将直接 影响曲轴主轴颈、连杆颈的开档尺寸，并且由于刀片受力的不均匀，影响刀片的使用寿 命。互换性是在新型工艺条件下提出的新概念，通过对互换性原理的研究，以及对曲轴加 工时运动机理的分析，设计出可互换性内铣专用刀盘，提高刀具互换的柔性化，提高加工 精度。关键技术在于互换性的保证，主要控制刀盘体、刀座、刀片等相关零件的精度，提 高相应的加工手段。 铣头箱体热结构耦合有限元分析。沈阳第一机床厂生产的数控曲轴铣床，原有 的铣头箱容易发热，产生热变形。结果主轴中心跟随变化，严重影响了加工精度，主要影 响零件的圆度及连杆颈的偏心距。为了分析铣头箱体在外部温度环境中的应力和应变分 布，借助于a n s y s 软件强大的热应力耦合有限元分析功能，对其进行热分析和结构分 沈阳工业大学硕士学位论文 析，确定铣头箱体温度场的分布和应力应变的分布，为以后进行冷却装置的设计提供了有 力的理论依据。 铣头箱冷却装置的设计。铣头箱体发热的主要原因一是传动零件及轴承的运转引 起的，二是铣头箱采用自润滑方式，既润滑油在铣头箱内通过油泵往复循环引起的热量， 再有就是主轴的大齿轮搅动润滑油池引起的，最高温升可达到4 0 。依据前期箱体热一结 构耦合分析的结果，设计出冷却装置。 测量装置的设计。由于曲轴的设计基准与加工时的装卡基准不统一，为保证曲轴 的加工精度，在机床上增加工件测量装置，对工件装卡基准、工艺基准迸行测量。其关键 技术在于测量元件的选取、测量结构的设计及测量程序的编写。保证工件装卡基准与设计 基准不统一的情况下零件的加工精度。 一1 3 一 沈阳工业大学硕士学位论文 2 数控曲轴铣关键技术理论研究 2 1 曲轴内铣的加工原理 2 1 1 曲轴内铣加工原理分类 内铣的基本原理为：工件一次装卡完成轴向、角向定位，内铣刀盘通过系统控制对应 在相应轴颈上，动力头通过复合运动包络加工主轴轴颈、连杆颈。 从目前各曲轴内铣生产制造厂商的产品来看，可以进行以下划分陟倒： ( 1 ) 按加工工件的运动形式划分： 工件固定不动 工件旋转参与复合运动( 德国既l u r 产品见图2 1 ) 工件进行相应相位分度实现连杆颈加工( 俄罗斯s a r a t o v 公司产品) ( 2 ) 按动力头的运动形式分： 摆动运动与前后往复运动的合成运动( 日本小松公司产品见图2 2 ) 该种加工方法工件固定不转，动力头绕一中心做往复摆动，而该中心又做前后往复移 动，通过两种运动的复合完成刀盘中心围绕加工工件中心的公转。加工过程如图2 5 所 示。 两垂直伺服轴差补运动( 沈阳第一机床厂产品见图2 3 ) 该种加工方法工件固定不转，动力头能够沿着两垂直方向运动，通过两伺服轴的圆周 差补运动实现刀盘中心围绕工件中心公转。加工过程如图2 6 所示。 前后往复式运动( 德国 玎z u 正r 产品见图2 1 ) 该种加工方法为工件以相应速度转动，动力头能够沿着水平方向运动，通过动力头的 水平运动与工件的旋转运动复合运动加工曲轴。两种运动必须匹配来保证刀盘每齿进给量 的固定不变，加工过程如图2 7 所示。 偏心轴承传动 该种加工方法，动力头采用三列或双列带有齿型的偏心轴承，通过小轴承实现主动 力，在通过分度马达带动大轴承实现刀盘中心围绕工件中心的公转，该种结构需要特殊制 作轴承。图2 4 为其偏心轴承的结构简图。 曲轴内铣技术的研究及其在曲轴内铣机床设计中的应用 图2 1 德国般l l 既公司 产品加工示意图 图2 2 日本小松公司产 品加工示意图 f g 2 2 p f o d u c t 芦0 c 鼬i n g 洲0 f x i s o 唱 图2 3 沈阳第一机床厂产品加工示意图 图2 4 偏心轴承结构简图 f i g 2 3p i o d u c tp m c 黜i l l gs k c t c ho f s m t c l f i 晷2 4s 测曲【e t c ho f e 枷b e a r i i l g 图2 5 摆动与往复运动的合成运动 h 吕2 5 硼恤吐m 蝴珊e i l t o f a n 印1 a l i n g m o t i 锄is w i l l g n l 州 一1 6 一 沈阳工业大学硕士学位论文 图2 6 两垂直伺服轴复合运动 f 培2 6c o 唧o s 他m 嘶伽o f 佃ov e 撕c a is e f v 0s h a 盘 第一行为主轴颈加工第二行为连杆颈加工 图2 7 前后往复与工件旋转的复合运动 f i g 2 7 c 锄p 他m 嘶o f f b r e 锄d a 腑f i p n 瑚把锄d 、啪f k 陀v o l 埘册 2 1 2 不同原理的分析对比 曲轴外铣在铣削连杆颈时一台设备只能加工同相位的连杆颈，例如六缸曲轴，l 、6 连 杆颈用一台外铣加工，2 、5 连杆颈用一台外铣加工，3 、6 连杆颈用一台外铣加工，主轴 颈又需要一台设各，共需要四台外铣，需要操作者多，占地面积大。 如果采用曲轴内铣加工曲轴的主轴颈、连杆颈，完全可以在一台机床上进行加工，效 率高，占地面积小，只需要一名操作者。这就取决于用户的厂房面积、人员情况、资金等 综合因素。 为了稳定地保证曲轴加工质量，利用曲轴内铣削包络办法来加工曲轴的主轴颈及连杆 颈在加工过程中曲轴承受的切向( 周向力) 有中心架支承并目是小片状切屑使曲轴粗 加工的车削变形大大减小，经内铣加工后主轴颈对两端主轴的跳动可控制在o 1 0 o 3 呖m 一1 7 曲轴内铣技术的研究及其在曲轴内铣机床设计中的应用 之间，跳动量的大小还受毛坯内应力去除情况的影响，内应力消除得好则铣削后轴颈的 跳动更小。 作为内铣机床，工件固定不转的形式优于工件旋转形式，因为工件固定不转，避免了 工件运动的动刚性对加工精度的影响。 两垂直伺服轴复合运动的内铣由于有上下运动，所以机床的上下运动的平衡是一项关 键技术，另外机床高度较其他内铣有所增加，且主轴中心距地面较高，不易实现全防护， 所以铁屑防护是一项需要解决的问题。 其他几种内铣方式，虽然结构简单，但由于是旋转运动与直线运动的复合运动，而且 要保证刀盘的每齿进给量固定不变，所以，加工操作控制程序较复杂。 2 2 等速切削原理的数学馍型及主要误差分析 2 2 1 等速切削原理的数学建模 加工曲轴的连秆轴颈时，为了获得好的光洁度及减小机床的磨损，必须保证切削速度 恒定朗。因此，切削时曲轴旋转速度必须按一定规律变化。 由此，我们建立起数控曲轴铣床在铣连杆轴颈时运动模型田捌，如图2 8 所示。 形夕 气、 n 父然叉 2。 ，0 。遗0 “ ， 一 ，工1 上t 厶 图2 8 铣连杆轴颈的运动模型 f 螗2 8m o 曲nm o d e lo f m i l l i n g sc 聊f l k 姗b e a r i i l g1 0 c 鲥o n 当曲轴主轴转过p 角时，其连杆轴颈相对于刀具转过了口角，( 铣刀半径r ：，连杆轴 径夥，曲轴曲拐长蜀) 可 ! 导以下的关系式； 胄ls i n 口= 忸2 一，7 ) s i n ( 2 1 ) 沈阳工业大学硕士学位论文 口= f + 卢( 2 2 ) 由( 2 1 ) 、( 2 2 ) 两式可得 口= 口+ a r c s i n 瓴s i n p ( j 如一叩) ) ( 2 3 ) 为使加工连杆颈时达到恒速切削必须使下式成立： d 。4 = d p + a r c s i n q ，s i n 口q ：一玎) ) ) 吐= l i ，k 一常数 ( 2 4 ) 即 以几+ 。c 。s 口伍：一叩) ) 6 一瓴s i i l 口q ：一玎) ) 2 卢办似：| i 2 5 ) 设毛= 马伍：一叩) ，且以面即为加工时曲轴的转速甜，因此有下式： 甜= 0 + 墨c o s p ( 1 一 。s i l l 口) 2 胪 ( 2 6 ) 由以上分析可知，只要系统随时给出当前的角度，经过上式运算后给出当前曲轴的转 速，就可以达到等切肖0 量的目的。 在实际的处理过程中，由于系统在处理( 2 4 ) 式时需要较多的时间，可以隔一定的角 度计算一次，也可以把( 2 4 ) 式用付立叶变换转换成二次多项式进行处理。 2 2 2 加工主要误差分析 曲轴在铣削这一道工序中主要保证各主轴颈、连杆轴颈的轴向位置：连杆轴颈的周向 分布位置；主轴颈、连杆轴颈的圆度。尤其主轴颈、连杆轴颈的圆度如果过大或者分布不 好则对后续的热处理、主轴颈磨、连杆轴颈磨影响很大，实践证明它也是造成废品的主要 原因。在实际的制造过程中，主轴颈的圆度在士0 o 抽衄以内，而连杆轴颈的圆度则严重超 差【2 踟。 结合机床的切削原理与切削工件的实际尺寸，以及形状公差分布，可用如下描叙分 析： 九= a q ) 十p ：p k + p 3 0 ) + p 。q k + 岛o p ， ( 2 7 ) 式中旷吗区动靠模的精度； 磊在铣削过程中由于左右夹头压力不够，曲轴毛坯可能产生的转动； s 机床的刚性； 一1 9 曲轴内铣技术的研究及其在曲轴内铣机床设计中的应用 以曲轴靠模驱动电磁离合器的打滑； j 轴颈的设定尺寸与靠模所要求的规定尺寸之间有误差。 实际的测量与分析得出p ，或，g ，屯项接近于零，可忽略不计，而轴颈的设定尺寸 的误差对圆度影响较大。在理论上分析出轴颈的设定尺寸误差与圆度大小及其周向分布之 间的关系对机床的实际调试工作有很大的帮助。 如图2 8 所示： 三1 = r l + 置2 一刁 ( 2 8 ) 式中 厶初始铣刀圆心与曲轴旋转中心的距离 当曲轴转过o 角时，铣刀圆心与曲轴旋转中心的距离工：为： 厶= 忸2 一，7 ) c o s 卢+ 焉c o s p 此时，铣刀移动的距离为p = 厶一岛，如果铣刀的初始位置有偏差， 角时，铣刀圆心与曲轴旋转中心的距离厶为： 厶= 厶一b ( 2 9 ) 则当曲轴转过0 ( 2 1 0 ) 曲轴的连杆轴颈的大小变为： 如一( ( 岛一r ，c 。s 日) 2 + e rc o s 口) 2 严 ( 2 1 1 ) 由此可计算出在一圆周内连杆轴颈的半径分布，从而得出由于铣刀初始位置偏差对连 杆轴颈圆度影响的大小。 2 3 刀具相关理论 2 3 1 互换性原理 ( 1 ) 互换性定义 定义：在制成的同一规格零件中，不需要作任何挑选或附加加工( 如钳工修配) 或再 调整就可装上机器( 或部件) 上，而且达到原定使用性能要求田l 。 互换性包括： 几何参数、机械性能和理化性能