曲轴制造技术及特种工艺.doc

曲轴制造技术及特种工艺| 随着发动机日益向轻量化、结构简单化、性能优质化方向发展，发动机曲轴制造技术和工艺发生了很大的变化。在当今市场产品严重同质化的情况下，为提高产品竞争力，近年来发动机曲轴加工采用了不少特种工艺，以增强企业的竞争优势。先进的曲轴加工生产线一般都比较短，但效率高、产量大，加工出的曲轴质量好且很稳定。如美国底特律Ford发动机厂曲轴生产线只有17道工序，占地面积6967m2，但年产V8发动机球铁曲轴53.5万件。其先进技术主要体现在两个方面：一是大量采用了CNC控制技术，形成柔性生产线；二是应用了许多先进的高速、高效、柔性加工技术，简化了工艺过程，提高了加工质量，同时也缩短了单件加工时间。另外，为适应降低成本等需要，近年来发动机曲轴加工采用了很多特种工艺，相比之下，国内大多数生产线还存在较大差距。先进加工技术及装备1、钻质量中心孔技术曲轴属于细长类零件，加工过程中主要定位基准是两端中心孔，按其加工位置可分为两种:一种是利用双V型块或其它方式找出曲轴支承轴颈的几何中心，在此中心上加工出的中心孔称为几何中心孔；另一种是利用专门的质量定心机测出曲轴的质恐行模诖酥行纳霞庸龅闹行目壮莆柿恐行目住捎诿鞯募负涡巫次蟛詈椭柿糠植疾辉鹊仍颍话懔秸卟恢睾稀?国内生产线中多采用几何中心孔，但是利用几何中心孔作定位中心进行车加工或磨加工时，工件旋转会产生离心力，不仅影响加工质量，降低定心元件的使用寿命，而且在加工后剩余的动不平衡量较大。基于这种原因，国外大都采用质量中心孔，利用专门设计的测试设备来测试质量中心，然后加工出中心孔，并且可将铣两端长度和加工质量中心孔合并为一道工序，采用CNC技术控制，加工效率很高。但需要注意的是，若毛坯弯曲变形严重或质量严重分布不均匀，采用质量中心孔仍不能彻底解决上述问题。因此，笔者认为曲轴的质量中心孔和几何中心孔应按毛坯质量的好坏合理选用：如果毛坯质量好，加工余量小且加工余量分布均匀，这时曲轴的质量中心孔与几何中心孔会基本重合，不必花费较高的经费购置质量定心设备；如果毛坯质量较差，加工余量大且加工余量分布不均匀，则优先选用质量中心孔。2、数控车-车拉技术车拉技术在国外大量用于半精加工曲轴的主轴颈和连杆轴颈。其加工形式可分为3种：直线车拉、内环刀具旋转车拉和外环刀具旋转车拉。3、数控高速外铣技术对于平衡块侧面需要加工的曲轴，CNC高速外铣技术比CNC车削、CNC内铣、车-车拉的生产效率更高。以四拐曲轴为例，CNC车-车拉工艺加工连杆轴颈要二道工序，而CNC高速外铣只要一道工序即可完成（应用工件回转和铣刀进给伺服连动控制技术，可以一次装夹不改变曲轴回转中心随动跟踪铣削曲轴的连杆轴颈）。CNC高速外铣的优点包括：切削速度高（可高达350m/min）、切削和工序循环时间较短、切削力较小、工件温升较低、刀具寿命高、换刀次数少、加工精度更高且柔性更好，因此CNC高速外铣将是曲轴主轴颈和连杆轴颈粗加工的发展方向。4、CNC内铣技术CNC内铣加工性能指标高于普通外铣加工，尤其对于锻钢曲轴，内铣更有利于断屑，刚性特别好。数控内铣铣削工艺是目前国际上曲轴连杆颈粗加工先进的加工方法之一，尤其是大功率锻钢曲轴的加工，内铣工艺更是首选。5、数控磨削技术曲轴传统的磨削工艺均采用磨削线速度为35m/s的普通曲轴磨床，砂轮进给和修整为手动进给，轴径和台肩的磨削余量大，砂轮耐用度低，需技术工人精工细作才能磨出精品。目前，曲轴磨削采用多种磨削方式来加工曲轴磨削可采用的技术有单序加工和复合加工等工艺。采用单序加工方式加工磨削效率很高，磨削后轴颈的跳动量容易控制，砂轮一次修整完毕后能保证各轴颈尺寸的一致性。缺点是柔性差，只能加工一个系列产品。加工曲轴前端和后端的有宽砂轮组合磨削等。例如，磨削四拐曲轴主轴颈采用的工艺有五，磨削四拐曲轴连杆颈采用的工艺有双砂轮磨削。复合加工是指一次装夹磨削所有主轴颈和连杆轴颈，磨削连杆轴颈采用先进的摆动跟踪磨削技术，这种磨削方式最大的优点是柔性化好。复合加工有两种可以采用的工艺：顺序磨削主轴轴颈及连杆轴和同步磨削主轴轴颈及/或连杆。6、曲轴深油孔加工采用枪钻技术曲轴深油孔加工是曲轴尤其是锻钢曲轴加工中的一个难题。曲轴深油孔的直径一般在58mm之间，从主轴颈到连杆颈倾斜贯通，属典型细长孔，而且在曲面上加工，工艺性差。加工深油孔最好的办法是采用枪钻工艺。枪钻不但可用来加工深孔（径长比1:250），而且也可用来加工浅孔（径长比1:1）。枪钻由钻柄（用于装夹刀具）、钻杆（用于连接刀头，按加工孔的长度确定，采用韧性较好的材料）、钻头（切削部分，刀尖是偏心的，采用硬质合金材料）三部分焊接在一起，中间有一通孔，外侧面有一直V型槽。依靠中间通孔实现内冷却，冷却液从后刀而上的小孔处喷出，可直接对切削区冷却。当使用高压冷却液时，其切屑能从被加工孔中通过直V型槽有效排出，无需在钻削过程中定期退刀来排出切屑。在加工细长孔时，枪钻可以将钻孔、镗孔、铰孔一次完成，一次走刀便可加工出高精度（IT68级）、直线度（0.160.33mm/1000mm）、粗糙度值（Ra3.20.1）孔。据一汽大众资料介绍，当用枪钻加工发动机曲轴的深油孔时，必须使用尺寸适合的专用钻套。他们采用的钻套是用硬质合金或合金工具钢制造的精密枪钻钻套，其硬度为HRC 6365，内孔表面粗糙度为Ra1.63.2，内外径最大允许同轴度误差为2um，前端面最大允许跳动误差为5um，钻套底面和工件表面的距离不超过0.5mm，钻套和主轴的同轴度误差不超过5um，钻套与枪钻头部的间隙保持在38um之内。使用枪钻的机床主轴必须有较高的轴向和径向刚度，使用时应正确选取切削用量。一般情况下，切削速度Vc为60100m/min，进给量f为0.0150.03mm/r，油压P为2.56.0MPa，流量Q为0.20.65L/s。此外，加工发动机曲轴的深油孔时还需选择专用的枪钻油。一般枪钻用切削液应有极压添加剂，以保证在高压下形成油膜，防止产生干摩擦。切削液的粘度与钻孔直径有关，直径越小，粘度越低。送往枪钻切削区的切削油和一般机械加工相比具有压力高、流量大、过滤精度高的特点。流量应随孔深的增大而增大，以保证切削油有更大的流速，达到通畅排屑的目的。曲轴特种加工工艺1、圆角滚压工艺曲轴的圆角滚压是利用滚轮的压力作用，在曲轴的主轴颈和连杆颈过渡圆角处形成一条滚压塑性变形带。这条塑性变形带的特点包括：（1）产生的残余压应力可与曲轴在工作时的拉应力抵消或部分抵消，从而提高疲劳强度。（2）硬度提高。滚压使圆角处形成高硬度的致密层，从而使曲轴的机械强度和疲劳强度提高。（3）表面粗糙度降低。圆角滚压可使圆角表面粗糙度达到Ra0.1以下，从而大大减小圆角处的应力集中，提高疲劳强度。国外应用的圆角滚压技术已相当先进，可一次完成对所有圆角的滚压，且可做到主轴颈与连杆轴颈圆角的压力不同，同一连杆轴颈圆角在不同方向上的压力也可不同。这样可经济地达到最佳的滚压效果，最大限度地提高曲轴的抗疲劳强度。经德国赫根塞特（HEGENSCHEID）公司测定，球铁曲轴经滚压后寿命可增至100%280%。2、滚磨光整工艺光整加工技术应用于发动机曲轴，可以使其表面质量大幅度提高。其主要工作原理是：由颗粒状磨料和多功能磨液以及水组成磨具，磨具在料箱中做复杂的自由运动，将工件沉没于磨具之中旋转运动，工件与磨具以一定的相对速度和作用力发生摩擦、挤压、刻划和微量切削，以达到表面质量的提高。尤其对曲轴而言，由于结构复杂人工去除毛刺困难，光整技术就显得尤为重要。光整加工技术的具体效果和主要特点包括：（1）能较全面地去除毛刺、圆化尖角锐边；（2）能去除手工无法去除的锈蚀、氧化层和改善缺陷，使表面光亮夺目柔和；（3）细化表面组织，提高轴颈表面残余压应力的数值；（4）改善装配性，提高可靠性和使用寿命，降低磨合期；（5）可大幅度地提高表面轮廓支撑长度率Tp值，提高表面耐磨性。3、砂带抛光工艺曲轴的主轴颈、连杆轴颈及止推面都要求进行超精加工和抛光。传统工艺是采用靠模油石超精加工机床，加工后严重地破坏了轴颈的几何形状，形成马鞍形（凹形），而且对轴颈尺寸影响较大。国外曲轴的超精加工早已采用数控砂带抛光工艺，而且这种砂带是防潮静电植砂的（保证砂粒尖锋朝外）。为了能对圆角和轴肩抛光，砂带两侧开槽以便与加工面贴合。国外的曲轴砂带抛光机可同时抛光主轴颈、连杆轴颈、圆角、轴肩及止推面。其结构均采用对夹式，每个轴颈上用4片垫块（中凹型）压紧砂带；垫块和砂带宜根据工件材质和硬度选择；机床上的卷带机能保证每个轴颈都有一段新砂带（长度可调）参加工作；抛光的方式以超精加工的原理进行。其效率和效果都远远优于油石。对于球铁曲轴的抛光与磨削，由于球铁内的铁素体磨削后会形成突起毛刺，所以应使轴的磨削转向与工作转向相反，抛光转向与工作转向相同。这样才能在抛光中有效地去除毛刺，避免工作时刮伤轴瓦。JTEKT发动机生产线-缔造轴类加工完美解决方案（冯卫 王晶 ）| 株式会社JTEKT是日本丰田汽车集团中的重要成员，是原丰田工机株式会社和光洋精工的合并企业。该公司以满足汽车制造行业对于生产设备高开动率、低运转成本的要求为根本，以高稳定性、高精度、高效率为主要特征，在世界汽车制造领域享有盛誉。在磨床制造方面，从1955年交付第一台磨床，并生产了日本第一台曲轴磨床和世界第一台数控凸轮磨床开始，JTEKT公司的交货业绩有口皆碑。凭借丰富的经验和机床种类，JTEKT公司可以根据用户的需要量身打造，提供各种轴类生产线和单机设备的解决方案。随着世界汽车行业竞争的日益加剧，对设备制造业的要求向更低的制造成本，更快的交货期方向发展，至此，生产线的整线交钥匙工程（TURN KEY）成为目前流行的订货方式。JTEKT公司顺应市场要求，凭借其60年汽车发动机加工工艺的丰富经验，联合日本的优秀设备制造企业（如小松工机、不二越、长浜制作所、岛田化成、电气兴业等）组成了强大的“整体解决方案”体系。根据不同用户的具体要求，制造各种高效、高柔性的生产线，并且全线贯穿JTEKT公司60年来对丰田精益生产方式的深刻理解，从而帮助用户在市场竞争中赢得主动。另外，由于JTEKT公司具有强大的开发设计能力，因此拥有非常丰富的机场种类：高效型、高柔性型、经济型等，可以根据用户及加工工件的具体情况配备不同的机床，以达到最合适的效果，从而降低生产线成本，增强用户的市场竞争力。这里主要为大家介绍一下曲轴加工生产线和凸轮轴加工生产线的生产案例，以及主要设备的特点。1、全自动曲轴生产线这条生产线主要用于加工汽油发动机曲轴，其生产纲领为236000件/年（C/T：1.1分/件）。其整线原则是：实现全自动化，有效提高生产效率，避免人为误操作；以提高市场竞争力为核心，实现高开工率，并且运转成本低。此外，该生产线全线使用水溶性切削液。2、全自动曲轴精加工生产线这条生产线主要的加工对象工件是4缸汽油发动机曲轴，生产纲领为150000件/年（C/T：1.2分/件）。该整线原则在秉承了全自动曲轴生产线整线原则的基础上，还能够自动实现工件品种更换的对应。此外，为保证曲轴成品跳动精度的优异，使其在发动机中的运转平稳、安静，该生产线采用了先加工连杆颈，后加工主轴颈的工艺。这条生产线中的主要设备是数控CBN双砂轮台随动磨床GF50M-70T，其主要特点包括：（1）同步控制工件回转（C轴）与砂轮台进给（X轴）的随动磨削曲轴的连杆颈。适合于不同种类曲轴（拐部行程和相位角度不同）的共线生产，节省了换型步骤。（2）数控双砂轮台各自独立控制，可以独立进行各轴颈磨削，以提高生产效率。（3）使用TOYODA磨床一贯的TOYODA STAT静压砂轮主轴轴承和静压导轨技术；砂轮台驱动使用先进的直线电机技术。（4）磨削使用可回收的水溶性冷却液，与使用冷却油方式相比，大大节约了加工成本。凸轮轴加工生产线全自动凸轮轴精加工生产线的加工对象工件是汽油发动机凸轮轴，生产纲领为30万件/年（C/T：1分/件）。其整线原则是：实现全自动化、高开工率、全柔性及CBN高速磨削，全线使用水溶性切削液。其生产线使用的主要设备是数控直线电机CBN砂轮凸轮轴磨床GC32M-63和双顶尖驱动CBN砂轮主轴颈磨床 GL5P-63III。其中，数控直线电机CBN砂轮凸轮轴磨床GC32M-63的特点是：（1）拥有世界领先的加工效率。砂轮表面线速度可达200m/s，快速进给速度为60m/min。加工余量为6mm的冷激铸铁8凸轮工件加工只需要52s，是目前世界上加工速度最快的凸轮磨床。（2）工件回转为无级变速控制，保证凸轮在一周转动中完成最大的磨削量，磨削阻力更加均衡，轮廓型线的加工精度提高，并因此有效缩短了加工节拍，从而实现高速、高精度磨削。（3）静压导轨进给、直线电机驱动的高灵敏度移动的轻质砂轮台进给构造，能实现无空转、无间隙进给。最新技术的快速响应伺服系统与砂轮台进给系统在减少凸轮磨削时间的同时，提高了凸轮加工面的质量。（4）TOYODA GC50开放式控制系统将各种自动修正功能等作为标准配置，并增加换型支持功能，运转操作简便可靠，轻松实现了高精度加工。（5）可通过安装双片砂轮，进行同相角凸轮的同时磨削，进一步提高加工效率；也可使用单砂轮磨削方式增强机床的柔性。双顶尖驱动CBN砂轮主轴颈磨床GL5P-63III最主要的特点是高柔性和高精度。它使用了独特的双顶尖同步驱动方式，依靠机床的双顶尖通过摩擦力驱动凸轮轴转动，进行磨削加工。顶尖通过伺服系统同步驱动，顶尖套筒可以数控移动，实现了不同长度的工件混线加工。此外，机床配有主动量仪，对磨削的每一个轴颈可进行主动测量，实现精确加工。JTEKT公司凭借其60年丰富的发动机生产线制造经验，已经拥有30000台以上的设备交货业绩，并因此成为世界顶级发动机装备制造企业。在中国市场，JTEKT公司凭借着强大的技术实力，专业、敬业的售后服务队伍，为中国汽车产业的发展起着积极的推动作用。相信JTEKT公司凭借其“追求技术的梦想，带给您具有价值的技术”这一理念，会与国内广大用户创造出更美好的未来。复合加工技术引领潮流（蒲长新）在全球机床制造和金属加工领域，复合加工技术正以其强大的加工能力被不断发展与应用。所谓复合加工技术，即是在一台设备上完成车、铣、钻、镗、攻丝、铰孔、扩孔等多种加工要求，复合加工机床的最突出优点是可以大大缩短工件的生产周期、提高工件加工精度。为了实现复杂形状工件的加工，使在一台机床上能完成复数工序和复数工种的加工，这样的机床称为复合加工机床。就是说，在复合化机床上可以实现完全不同性质加工过程的加工。复合加工机床功能范围随着时代变化而变化。有一时期，曾经把加工中心称春霞庸?a href= target=_blank class=heiw机床。可是，一般的加工中心不能超出某种切削加工范围。现在的复合加工机床已不是那时的复合加工机床，具有本质上差异。现代的复合加工机床是更进一步复合化的开发，如在车削中心上装载有回转刀具的铣削功能，在加工中心上有车削功能，最近又出现了不同原理加工方法的集约如激光加工和切削加工的复合等，进一步提高机床复合化程度。复合加工机床的发展历史1845年美国丁菲奇发明转塔车床，1911年美国格林里公司为汽车零件加工开发了第一台组合机床。1952年三轴数控铣床研制成功。1958年美国KT公司研制出带有刀具自动交换装置的加工中心，有力地推动了工序集中的加工方法的发展。复合加工及其制造装备的出现已有百余年的历史，但是真正得到较广泛的应用还是在20世纪80年代，数控技术和数控机床成为制造技术的主流后出现的。20世纪80年代中后期，随着加工中心功能和结构的完善，显示了这种工序集中数控机床的优越性，开始出现车削中心、磨削中心等，使复合加工得到扩展而不再局限于镗、铣等工序。90年代后期又进一步发展了车铣中心、铣车中心、车磨中心等，近年来又出现由激光、电火花和超声波等特种加工方法与切削、磨削加工方法组合的复合机床，使复合加工技术成为推动机床结构和制造工艺发展的一个新热点。一、车削为主型以车削加工为主的复合加工机是车削复合中心。车削复合中心是以车床为基础的加工机，除车削用工具外，在刀架上还装有能铣削加工的回转刀具，可以在圆形工件和棒状工件上加工沟槽和平面。这类复合加工机常把夹持工件的主轴做成2个，既可同时对2个工件进行相同的加工，也可通过在2主轴上交替夹持，完成对夹持部位的加工。现在，加工2个工序以上的工件占车削加工的大多数。对这些工件进行高效、高精度加工，有以下3种技术：1、内外加工集中化：在机内装有1次加工（外表面）以及2次加工（内表面）的各种功能的1次/2次加工机。2、加工的复合化：除车削加工，机内还装有铣削加工、磨削加工等各种功能的工序集中的加工机。3、智能化：机内具有储存、运输、加工一体化、工件识别、工件夹持控制、适应控制、信息网络等最新监控技术的单元加工机。该类复合机床有德国INDEX公司的TRAUB TNX65多功能数控车削中心，具有双主轴、4个刀塔，第二主轴可作Y轴移动；德国DMG公司的TWIN65双主轴车削中心，上下各有一个转塔刀架，可实现6面加工，第二主轴可作横向移动等。二、铣削为主型1、加工中心的多轴化A、五轴控制，除X、Y、Z三轴控制外，为适应使刀具姿势变化，可以使各进给轴回转到特定的角度位置并进行定位的五轴加工机。五轴加工机的使用方法有两种：1用回转轴分度，使工件相对于刀具倾斜，在这个状态进行三轴控制加工。2同时使所有的控制轴作连续运动，即五轴联动，可以对叶轮等具有外延伸曲面形状的工件进行加工。五轴联动加工机的特点是可以避开切削速度变为零的加工条件；可以用伸出长度很短的刀具；可以在一次装夹下加工外延伸曲面形状的工件等。B、六轴控制，用多轴控制铣削类加工机不能模拟复杂形状工件加工，而复合加工可以。例如对有锥度形状和四角形状槽类等工件的加工，以前不变换加工工种是无法完成加工的，必须把工件转到电加工机床上加工。可是如采用回转刀具，使刀具一边作6轴控制运动，一边作摆动切削加工，就可在一台机床上完成加工。而且精度、效率也可以提高。如使用非回转刀具，必须控制回转主轴的回转位置，此时六轴控制是必要的。用六轴控制加工时，采用非回转刀具时，切削速度等同于进给速度，不能进行高速加工；而用回转刀具则能适应原不能加工部位和形状的加工，无需转换工种，仅用切削加工就能一次完成全部加工，效率较高。2、加工中心的复合化除铣削加工外，还装载有一个能进行车削的动力回转工作台。以铣削为主的复合机床有日本MAZAK公司的INTEGREX e800V/5五轴卧式铣车中心，是在五轴卧式加工中心的基础上，使回转工作台增加车削功能，可以在一次装卡下对圆形零件实现车、铣完全加工；意大利Milanese公司的NTXI铣车复合中心，是在立式加工中心的右端增添一个车削主轴。三、磨削为主型磨床的多轴化，原来只在无心磨床上可见，多数是以装卸作业自动化为目的。现在，开发了在一台机床上能完成内圆、外圆、端面磨削的复合加工机。例如在欧洲，开发了综合螺纹和花键磨削功能的复合加工机。该类复合机床的代表为瑞士MAGERLE公司的MGR立式车磨复合加工机，机床上方配有多个磨头和一个车刀架，可以对零件进行磨削和精车；日本森精机制作所的IGV-3NT磨头可回转式立式磨床，可在一次装卡下对零件内外圆和端面进行加工；瑞士STUDER公司的S33万能数控磨床，可以在一次装卡下实现多线螺纹加工和内外圆、端面加工。四、不同工种加工的复合化把多种不同原理的加工类型集约，如切削与磨削、研磨的复合；用激光功能把加工后热处理、焊接、切割合并；加工和组装同时实施等。还有，集中车削和铣削功能，特别是齿轮加工功能等的独特的生产型复合加工机；与激光加工复合，开发了装有磨削功能和激光淬火功能的复合机床等。在欧洲还开发了机械铣削功能、激光三维加工功能等集约的复合加工机。复合加工技术的发展趋势复合加工技术是未来机械加工的发展方向。随着社会各个领域的不断发展，对机械加工领域的要求也不断提高，高速度、高精度和高效率的“三高”加工是对未来机械加工的基本要求，而仅仅靠传统的加工理念是很难满足这一要求的。因此，机械加工领域要求不断突破传统的观念，不断改善和提高加工的技术，以适应未来的要求，而复合加工技术正好满足了这一要求。今天的复合加工技术，是针对以普通的数控车削中心和加工中心为基础，发展到复合车铣加工中心。这要求机床制造业应以现有的技术水平为基础，研发、制造、稳定和推广具有高效、复合、稳定、成本低廉的，适合于现代加工技术的高水平机床。复合加工技术提高制造设备潜能复合加工技术的优势不仅体现在复合刀具上，采用具有复合结构的机床，可以简化加工工序、提高加工效率，大大提高设备的生产潜能。变速器作为汽车传动系统中的关键部件，其加工质量将直接影响到汽车的动力性能和稳定性能。南京依维柯汽车有限公司变速箱分公司在生产制造过程中，恰当地应用复合加工技术，发挥制造设备的潜能，达到了很好的效果。轴类零件的车加工在变速箱轴的车削加工过程中，工件部分外圆和孔具有较高的同轴度要求和一定的尺寸精度要求。在传统的加工方式中，通常先以两端中心孔定位，车B处外圆；夹持B处外圆，加工右端内孔和外台阶；以两端中心孔定位，加工所有外圆端面和沟槽。这种加工方式中工件需要重复装夹，必定会产生加工定位误差，因此，很难保证被加工工件的精度。经过对工艺流程的仔细分析和判断，我厂采用了高性能的数控车床。在该机床上，工件只需装夹一次，便可完成轴所有内、外表面的加工，不仅提高了加工效率，同时也提高了加工精度。该机床具有上、下两个刀塔和刀具驱动装置，可配置动力刀具。其下刀塔备有中心架和零件托架，主轴配有双活塞拉式夹紧液压缸和带端面驱动的液压夹盘。变速箱轴经过铸造和锻造后，首先进行两端面的铣削，并钻中心。车削加工时，将工件毛坯放在机床下刀塔的零件托架上，由机床自动选择工件的夹持方式，进行加工。整个加工循环过程和夹持方式是：1、用顶针以轴两端中心孔定位，主轴夹盘的端面驱动爪夹持工件左端面，车削外圆面。2、左端夹持外圆面，顶针顶紧右端中心孔，车削外圆面。3、夹持外圆面，并用中心架夹持外圆面，右端尾架退出，车削轴内表面、切内槽、钻中心孔等。4、由于外圆面和因夹具夹紧而造成表面质量下降，因此，此工序重车该两处表面，依然采用顶针顶紧两端面中心孔的夹持方式，但不同的是，此时右端面的中心孔已变为内端面中心孔。盘类零件的车削加工齿坯的内孔及两侧端面是后道工序齿加工用的工艺基准面，要求有较好的尺寸精度和垂直度、平行度。在齿坯的车削加工中，我厂通过采用一台具有副主轴结构的数控车床，实现了人工一次装夹，完成全部车削加工内容。该机床与其他形式的双主轴机床相比，工件在主轴之间的转换交接不需要机械手来完成，只需在主轴上安装好工件毛坯，即可在副主轴上取下加工好的工件。1、把工件毛坯放入左端主轴夹盘。2、主轴夹盘夹紧工件左端外圆，机床完成工件右侧台阶外圆、端面和孔的车削加工。3、右端的副主轴自动前移，从右端夹持工件内孔，主轴夹盘松开，副主轴退后。4、副主轴夹持工件内孔，车削工件左侧端面和外圆。磨削加工齿轮在经过热处理后，需要进行外锥面、两侧内端面和内孔的磨削加工。传统的加工方式是：先以外齿定位，磨削内孔、右侧端面；以孔定位磨削外锥面，磨削左侧端面。经过工艺分析，我厂最终选用的高性能数控磨床，仅需一次装夹，即可完成所有的加工内容。该机床有一个外圆磨头和一个内圆磨头，而且内圆磨头可以进行端面磨削加工。加工时，用节圆夹具夹持工件外齿，采用端面定位；磨削内圆的砂轮具有特殊的形状，既可磨削内孔又可磨削两侧端面，如图7所示。由于在一次进给中完成了内、外圆和端面的加工，避免了因定位基准不同而引起的尺寸和形位误差变速箱壳体加工变速箱壳体，采用铝合金压铸方式制造，除底面外，四周及顶部都包含有加工面，且关联尺寸和形位误差要求都较高，如：前、后两面的平行度；后面上孔相对于前面上孔的位置度；顶面孔及左右面相对于前、后面上孔的位置度等。经过对加工内容的仔细分析和工艺安排，我厂选用了主轴具有立、卧转换功能的加，该设备可实现刀具的自动更换。工件装夹后，主轴处于卧式状态，依靠旋转工作台加工前、后、左、右四个面上的所有内容，随后主轴转换为立式，加工顶面内容，从而实现了在一次装夹中，完成所有铣、钻、扩、锪、攻螺纹等加工内容。在该加工设备上完成箱体的加工，避免了分工序加工产生的重复定位误差，可靠地保证了产品的加工精度。在加工过程中，为了准确实现工艺目的，除要求机床主轴具有立、卧转换功能外，还要求变速箱壳体毛坯必须设计有合理的供工艺定位和夹持的工艺孔以及工艺凸台，同时采用的夹具必须在夹持工件后，不干涉刀具系统的正常运行。结语复合加工是在一次装夹工件中完成大部分或是全部加工工序的加工技术。在零部件结构逐渐复杂化的条件下，其应用实现了减少机床和夹具，免去工序间的搬运和储存，提高工件加工精度，缩短加工周期和节约作业面积的目的。 平面磨床评述复合加工技术的优势不仅体现在复合刀具上，采用具有复合结构的机床，可以简化加工工序、提高加工效率，大大提高设备的生产潜能。变速器作为汽车传动系统中的关键部件，其加工质量将直接影响到汽车的动力性能和稳定性能。南京依维柯汽车有限公司变速箱分公司在生产制造过程中，恰当地应用复合加工技术，发挥制造设备的潜能，达到了很好的效果。轴类零件的车加工在变速箱轴的车削加工过程中，工件部分外圆和孔具有较高的同轴度要求和一定的尺寸精度要求。在传统的加工方式中，通常先以两端中心孔定位，车B处外圆；夹持B处外圆，加工右端内孔和外台阶；以两端中心孔定位，加工所有外圆端面和沟槽。这种加工方式中工件需要重复装夹，必定会产生加工定位误差，因此，很难保证被加工工件的精度。经过对工艺流程的仔细分析和判断，我厂采用了高性能的数控车床。在该机床上，工件只需装夹一次，便可完成轴所有内、外表面的加工，不仅提高了加工效率，同时也提高了加工精度。该机床具有上、下两个刀塔和刀具驱动装置，可配置动力刀具。其下刀塔备有中心架和零件托架，主轴配有双活塞拉式夹紧液压缸和带端面驱动的液压夹盘。变速箱轴经过铸造和锻造后，首先进行两端面的铣削，并钻中心。车削加工时，将工件毛坯放在机床下刀塔的零件托架上，由机床自动选择工件的夹持方式，进行加工。整个加工循环过程和夹持方式是：1、用顶针以轴两端中心孔定位，主轴夹盘的端面驱动爪夹持工件左端面，车削外圆面。2、左端夹持外圆面，顶针顶紧右端中心孔，车削外圆面。3、夹持外圆面，并用中心架夹持外圆面，右端尾架退出，车削轴内表面、切内槽、钻中心孔等。4、由于外圆面和因夹具夹紧而造成表面质量下降，因此，此工序重车该两处表面，依然采用顶针顶紧两端面中心孔的夹持方式，但不同的是，此时右端面的中心孔已变为内端面中心孔。盘类零件的车削加工齿坯的内孔及两侧端面是后道工序齿加工用的工艺基准面，要求有较好的尺寸精度和垂直度、平行度。在齿坯的车削加工中，我厂通过采用一台具有副主轴结构的数控车床，实现了人工一次装夹，完成全部车削加工内容。该机床与其他形式的双主轴机床相比，工件在主轴之间的转换交接不需要机械手来完成，只需在主轴上安装好工件毛坯，即可在副主轴上取下加工好的工件。1、把工件毛坯放入左端主轴夹盘。2、主轴夹盘夹紧工件左端外圆，机床完成工件右侧台阶外圆、端面和孔的车削加工。3、右端的副主轴自动前移，从右端夹持工件内孔，主轴夹盘松开，副主轴退后。4、副主轴夹持工件内孔，车削工件左侧端面和外圆。磨削加工齿轮在经过热处理后，需要进行外锥面、两侧内端面和内孔的磨削加工。传统的加工方式是：先以外齿定位，磨削内孔、右侧端面；以孔定位磨削外锥面，磨削左侧端面。经过工艺分析，我厂最终选用的高性能数控磨床，仅需一次装夹，即可完成所有的加工内容。该机床有一个外圆磨头和一个内圆磨头，而且内圆磨头可以进行端面磨削加工。加工时，用节圆夹具夹持工件外齿，采用端面定位；磨削内圆的砂轮具有特殊的形状，既可磨削内孔又可磨削两侧端面，如图7所示。由于在一次进给中完成了内、外圆和端面的加工，避免了因定位基准不同而引起的尺寸和形位误差变速箱壳体加工变速箱壳体，采用铝合金压铸方式制造，除底面外，四周及顶部都包含有加工面，且关联尺寸和形位误差要求都较高，如：前、后两面的平行度；后面上孔相对于前面上孔的位置度；顶面孔及左右面相对于前、后面上孔的位置度等。经过对加工内容的仔细分析和工艺安排，我厂选用了主轴具有立、卧转换功能的加，该设备可实现刀具的自动更换。工件装夹后，主轴处于卧式状态，依靠旋转工作台加工前、后、左、右四个面上的所有内容，随后主轴转换为立式，加工顶面内容，从而实现了在一次装夹中，完成所有铣、钻、扩、锪、攻螺纹等加工内容。在该加工设备上完成箱体的加工，避免了分工序加工产生的重复定位误差，可靠地保证了产品的加工精度。在加工过程中，为了准确实现工艺目的，除要求机床主轴具有立、卧转换功能外，还要求变速箱壳体毛坯必须设计有合理的供工艺定位和夹持的工艺孔以及工艺凸台，同时采用的夹具必须在夹持工件后，不干涉刀具系统的正常运行。结语复合加工是在一次装夹工件中完成大部分或是全部加工工序的加工技术。在零部件结构逐渐复杂化的条件下，其应用实现了减少机床和夹具，免去工序间的搬运和储存，提高工件加工精度，缩短加工周期和节约作业面积的目的。丝锥方头的磨削加工丝锥方头在丝锥工作时用于传递扭矩，同时也可作为加工丝锥的基准。加工丝锥时，对丝锥方头有一定的尺寸、表面粗糙度及形位误差要求(如国家标准规定普通丝锥的方头对柄部轴线对称度不超过尺寸公差的1/2)。加工丝锥方头可采用铣削或磨削工艺。采用磨削工艺加工丝锥方头精度及效率较高，特别适合磨削量较小的小规格丝锥加工。笔者通过总结工厂多年磨削加工丝锥方头的生产经验，分析了丝锥方头磨削工艺和加工中常见的质量间题及解决措施。一、丝锥方头磨削工艺1. 加工原理为满足对丝锥方头加工的技术要求，我厂自行设计制造了丝锥磨方机。磨方机主要由砂轮架、传动部分、夹持和冷却装置等组成，其结构如图1所示。磨削丝锥方头时，由减速机构带动凸轮旋转，凸轮运动通过紧压其上的轴承再通过支臂传递到工件上。凸轮转动时，轴承沿凸轮外圆轨迹作上下往复运动，工件则随支臂的上下运动而摆动，按展成法原理磨出丝锥方头的一个面，然后侄饶銎溆嗳雒妗酵返哪鞒叽缤髡痘褂枰员庸3M12的小规格机用丝锥时，一般通过一个加工循环即可达到尺寸要求。2. 夹紧方式磨方机采用液压夹紧方式夹持丝锥。夹紧机构在丝锥刃部端采用反花顶尖，在丝锥柄部端采用导套加顶尖结构。加工循环启动后，主轴前进，将工件夹紧。液压马达起动后，带动凸轮及工件转动凸轮每转动一周，工件转动1/4周，完成丝锥方头一个面的磨削加工;凸轮转动四周，工件则转完一周，完成丝锥方头四个面的加工。此时液压马达停止.主轴退回，松开工件，完成一个加工循环。这种卡紧方式方便、迅捷，可大大提高生产效率。3. 冷却方式丝锥方头磨削采用强力磨削方式，在加工过程中产生大量磨削热。为此需要采用图2所示双向强力冷却方式，以有效降低磨削温度，消除因磨削热量引起的工件材料变形，同时便于工件装夹。二、常见质量问题与解决措施1. 磨糊烧伤由于磨削过程中产生大量磨削热，易造成丝锥方头磨糊烧伤。解决措施为加大冷却液的压力，选用冷却效果较好的冷却剂;此外，在热处理工序前磨削方头则可忽略磨糊烧伤的影响。2. 方头形状不规则造成丝锥方头加工后方形不规则的主要原因有凸轮设计不合理、顶尖磨损、工件未夹紧、砂轮外圆与工件外圆平行度不好等。解决措施为合理设计凸轮，经常更换顶尖，正确修整砂轮。3. 磨削表面粗糙度达不到要求影响磨削表面质量的主要原因是砂轮选择不合理、砂轮修整质量不好等。解决措施为选择磨料粒度、硬度合适的砂轮，定时修整砂轮等。4. 方头对称度超差顶尖不合格是造成方头对称度超差的主要原因，解决措施为选用质量合格的顶尖。加工实践表明，采用磨方机磨削加工机用丝锥方头可提高机用丝锥的加工质量和生产效率，适合在丝锥生产中推广应用。精密磨削1 前言磨削(Grinding)是一种利用磨轮(Grinding Wheel)作高速旋转及微小深度（微小量），磨削工件表面或内孔，以获得精密形状及表面粗度的加工技术。磨削加工的特色：(1)每一颗微细磨粒，其作用相当于一把细微刀刃，磨削加工，如同无数细微刀刃同时切削。(2)可磨削硬脆材料，如硬化钢、玻璃、碳化物及陶瓷等。(3)磨削去除率小(Low Material Removal Rate) (4)磨削速率(Cutting Speed)大，进给率(Feed Rate)及磨削深度(Depth of cut)均小，因此比马力(Specific Horse Power)相当大HPs (Specific Horse Power)=HP(Horse Power)/MRR(Material Removal Rate) 2 深进缓给磨削(Creep Feed Grinding)所谓深进缓给磨削(Creep Feed Grinding)简称(C.F.G)，与一般的平面磨削不一样，磨削深度(Depth of cut)增加数倍至数十倍，而进给率(Feed Rate)以相同的倍数减慢，可以增加磨削速率及增进工作表面粗度的磨削技术。CFG磨床之特色：(1)磨削深度（即磨削量）大，具备减震装置(Damping Device)，以维持静，动平衡。(2)软质磨轮增进工件表面粗度。(3)为保持磨轮表面，不被磨屑阻塞，经常保持在锐利状态，因此在其上方按装表面含有钻石磨粒之整修砂轮(Dressing Wheel)，在制程中，不断整修磨轮，使其保持真圆度及锐利状态，以维持工件品质之稳定性。(4)为维持一定的切削速率(Cutting Speed)及磨削深度，磨轮转速不但可以无段变速，并且能够自动下降以获得理想且一致的工件品质。3 电解磨削(Electrolytic Grinding)电解研削(ECG)是由电解加工，亦可称为电化学加工(Electro Chemical Machining简称ECM)，亦就是反电镀(Deplating)加工与机械磨削(Mechanical Grinding)所组合之复合加工。电解磨削是1952年美国G.F Keeleric 研发成功。电解加工原理电解加工在原理上是将电铸的阳极金属溶解现象应用于金属加工，将预先成形为所定形状的电极隔着微小间隙(0.20.3mm)与被加工物表面相向，并压送电解液(electrolyte)，流速520m/s，以电极(electrode)为阴极，被加工物为阳极，施加一定的直流电压(520V)，则经电解液而通电流，被加工物从接近电极的部份开始电解，同时使电极以一定速度(0.53.0mm/min)向被加工物送入，达预先设定的加工深度时，即得所希望的加工形状。电解加工的特色(1)可同时加工广大面积之工件。(2)不拘被加工物的机械性质，都可加工。(3)不发生热变形、加工应变、加工变质层。(4)单一工程即可雕出复杂形状工件。(5)电极不消耗。(6)加工面粗糙度良好。(7)加工速度比放电加工(EDM)快510倍。电解加工的应用(1)锻造模、玻璃模、橡胶模等的雕形加工。(2)沟加工、斜面、轮廓加工、深孔加工等传统加工法的效率差者。(3)难切削材料的加工。(4)去除毛边，伤痕等不可能用机械加工的加工。电解磨削系利用金属结合剂及微细钻石磨料所组成的导电性砂轮同时进行电解加工与机械研削的方式，砂轮的导电部份为阴极，被加工物为阳极，接直流电源，在两者的间隙通电解液，在被加工物与砂轮的导电性结合材料之间进行电解加工，不易电解的物质或被加工而生成的不动态皮膜（即金属氧化膜），用磨料以机械研削除去，加工量的比率是电解加工量90、机械研削量10。磨料突出量为0.05mm以下，这可防止两极的短电路，并保持电解液通路必要的间隙。当进行粗、中等加工后，停供电解电流，只以机械研削细加工而提高加工精度的方式此方式是利用电解研削的高效率，除去加工量后，停止电解加工，不更换砂轮，以同一砂轮继续细磨。而得到期望的表面精度。电解液可提高电解研削速率，磨料微粒为不导电的材料，如：钻石、三氧化二铝（Al2O3）及晶方氮化硼（CBN）。4 电解拋光（Electrolytic Polishing）所谓电解拋光，即是将工件放置阳极，于电解液中通电，在适当操作参数下，使工件发生电解反应（亦称反电镀），工件表面而因电场集中效应而产生溶解作用，因而可达成工件表面平坦与光泽化之加工技术。电解拋光技术于1931年，由D.A.Jacquet发明采行。电解拋光技术可广泛运用在半导体制程设备、化工、航天以及其它高精密等表面处理加工。电解拋光应用范围：(1) 可处理铜、黄铜、铅、镍、钴、锌、钖、铝、不锈钢、铁、钨等材料。(2) 电解拋光技术广泛应用于半导体/LCD等级阀件、管配件、接头、IGS之表面处理。(3) 电解拋光可达镜面级光泽，拋光后产品表面可达Ra=0.20.5m。(4) 不锈钢电解拋光表面可生成钝化层，有效提升抗腐蚀能力。工研院机研所，两年来，在没有技术引进情况下，自行设计、开发夹治具、电解液和设立实验室，摸索出世界最新颖的表面处理电解拋光关键技术。机械所目前已建立电解拋光实验室，拥有内外孔电解拋光设备，除开发阀件内孔电解拋光技术外，更将触角延伸至管件内孔电解拋光高级技术发展，期能建立我国扎实的电解拋光加工能力。近年，国内半导体制造业蓬勃发展，但半导体制程设备工业却远远落后，详究其原因，主要在于国内缺半导体制程设备所需的精密表面加工技术。电解拋光应用于半导体制程设备中的控制阀内流道、厂务配管流道、反应腔壁表面之处，凡与制程气体接触之处理都需要电解拋光加工处理，应用范围多且广。将电解拋光应用于半导体制程设备的目的有三，一为可生成抗蚀钝化层，二为可产生高度洁净表面，三为可镜面拋光降低粗糙度。为建立电解拋光操作参数，机械所是从电流密度、电压、通电时间、温度、流速、电解液配方、比例、添加剂等，来了解其对钝化抗蚀性的影响，并委托清华大学进行电解拋光试片抗蚀性研究，已实验完成且有不错的成果。机械所在电解拋光高度洁净表面研究方面，则从制程和步骤着手，包括前处理溶液清洗、碱洗除油、酸洗除锈、电解液洁净和控制、后处理化学清洗，以及在无尘室进行超化学液配方、温度、操作时间、角度等研究。电解拋光效益（创造产值）：(1) 为一具备机械、电控、热流、材料化工高度整合性技术。(2) 1999年时国内半导体业者需求与EP有关之阀件、管配件等零组件消耗品总金额为67.5亿，其中EP技术产生价值约占22%，总值约为15亿。5 化学机械拋光（Chemical Mechamical Polishing，简称CMP）CMP是将工件压在旋转之弹性衬垫（研磨垫）上，利用相对运动加工之拋光技术。将具有腐蚀性之加工液供给到工件上，当工件进行腐蚀加工（化学性）时，同时供给超微磨粒（直径100奈米以下）拋光（机械性）材料，对工件之凸部进行选择性的拋光操作，故称机（械）化学拋光或化学机械拋光。在LSI往微细、高积体化发展之同时，形成于硅表面之装置构造也有多层化，其表面凹凸变大之倾向。为了实现多层化装置之配线的高信赖性、高成功率，在装置制造之过程中，每一层表面之凹凸必须很平坦化（Planarization）。在硅芯片上所形成内部配线之突出氧化膜部分，利用包含超磨粒拋光材之拋光衬垫进行拋光加工后，便会逐渐平坦。化学机械研磨（CMP）技术因其拥有全面平坦化（Global Planarization）的优势，因此在近年来成为各大IC相关产业竞相研发之技术。传统的平坦化技术以Spin On Glass（SOG）和Resist Etchback（REB）技术为主但在0.25m以下IC制程SOG及REB技术并无法达到全面平坦化（Global Planarization）的目标，因此极需寻找新平坦化技术，化学机械研磨技术经由IBM及Intel等公司积极研发，在近年来已成为全面平坦化的新兴技术。它不仅可以达成全面平坦化的目标，同时可增加组件设计的多样性，如可将铜及钨纳入新组件设计中且可减少乃各IC平坦化技术之比较，由可看出CMP在全面平坦化技术的优势。说明集成电路不同制程的平坦化能力。以集成电路产品16M（百万）DRAM的晶方边长在拾厘米以上，因此理想的平坦化距离也需要拾厘米以上长度，在制程上最早应用的硼磷玻璃回填（BPSG Reflow）平坦化技术，除了高温限制在金属化前的使用外，平坦化距离仅能适合数微米长。旋涂玻璃(Spin on Glass)是二层金属联机制程最常使用的平坦化技术，其平坦化距离仅及10微米长。以沉积蚀刻交替及电子回旋电浆（ECR）沈积薄膜非常适合深次微米制程中的填隙，如搭配化学机械研磨（Chemical Mechanical Polishing）则可完全应用在多层联机的制造，以阻剂填平后蚀刻（Resist Etch Back）的平坦化技术，因没有涂布玻璃材质的吸水性及有机物挥发等问题，故为美、日的主要集成电路制造商在高可靠度产品应用的平坦化技术。由于阻剂填平的平坦化间距仅及百微米范围，及综合图(八)的比较，化学机械研磨就成为全面平坦化的最佳选择。0.25m以下制程不可或缺之平坦化设备，化学机械研磨机在中科院主导及相关业者之协又合作F商品化研磨机已进入市场。以二氧化硅为主要成分的绝缘介质在CMP所使用的研磨剂目前Cabot公司所制造之研磨液系列产品为多数厂商所接受。Cabot公司能占有研磨液，大部份市场乃因其能自行制造之高纯度且稳定性佳Sio2粉末。同时Cabot公司拥有研磨液所需发展之技术即研磨粉末制造技术，研磨粉末分散技术及研磨液配方投术。研磨液乃是用来研磨二氧化硅介电层，BPSG介电层、浅沟隔绝层（Shallow Trench Isolation）及Polysillicon薄膜层之研磨液。研磨液一般包含下列组成SiO2研磨粉末（平均粒径根据不同配方约在100nm左右），固含量约1030%，PH值约在9.011.0（由KOH或NH4OH调整），以及去离子水约70%。以介电薄膜研磨所使用之SiO2研磨液为例，在