數控機床

        摘要: 通過對汽車發動機曲軸某一段主軸頸的加工工藝研究，以（yǐ）及對曲軸加工（gōng）刀盤工作原理的分（fèn）析，提出了刀盤結構的設計要求（qiú），並對刀盤單元切削模塊進（jìn）行了分類，實現了刀盤結構的（de）模塊化設計。針對車梳拉刀（dāo）盤模塊中的刀夾-刀盤組合進行尺寸鏈的優化設計，刀盤的尺寸公差值從原來的12μm放寬到25μm，製造的經濟性和合理性得到了提高。根據曲軸加工工藝要求，完成了車-車梳( 拉) 實驗刀盤驅動裝置的設計和切削力校核。曲軸加工實驗（yàn）刀盤已成功應用於車-車梳( 拉) 切削實驗。
 

       關鍵詞: 曲軸; 車（chē）-車梳( 拉) 刀（dāo）盤; 單元切削（xuē）模塊（kuài）; 裝配尺寸（cùn）鏈

 
       0 引言
   
 
      作為汽車發動機關鍵（jiàn）零件之一，曲軸的加（jiā）工工藝和加（jiā）工刀具的研究一直受到人們的廣泛關注。車-車梳( 拉) 加工刀盤作為曲軸（zhóu）加工設備的核心部件，為曲軸的加工工藝研究提供了硬件保證。車-車梳( 拉) 刀盤（pán）在一（yī）次（cì）裝夾中就可完成曲軸的法蘭（lán）前端部位、主軸頸穩定帶，主軸頸根切、曲臂的倒角以及主軸頸的齒輪環座的加工，加（jiā）工效率高（gāo）。在德國、瑞（ruì）典、日本（běn）等國，車梳拉工藝以及車梳拉刀盤技術已經非常成（chéng）熟，而國內車拉刀盤（pán）的研發仍處於起步階段，相關的曲軸加工設備（bèi）基本上依賴進口（kǒu）。所以，擁有一套完（wán）善的（de）曲（qǔ）軸（zhóu）加工刀具係（xì）統是非常有必要的。
   

      采用曲軸車-車梳（shū）( 拉) 刀盤加（jiā）工曲（qǔ）軸具有以下特點［1］:①多刀切削，刀具壽命長。一個刀盤上裝有多（duō）把刀片參（cān）與（yǔ）切削，加工時分配到每把刀片上的切削量少;如（rú）果其中某一（yī）個刀片（piàn）失效，可以（yǐ）用刀盤上其他位置的同類刀片替換，不用卸載刀（dāo）片重（chóng）新安裝，減少了刀具係統的重複裝配次數。②粗精加工分類明確。刀盤上不同刀夾對（duì）應不同刀片，負責曲軸不同部位的粗、精加工。粗加工負責切除曲軸（zhóu）多餘材料（liào），精加工負責保證加工精度。③加工節拍高，生產效率高。做到一次裝夾，能夠完成主軸端麵、軸頸、曲軸（zhóu）臂、平（píng）衡塊、沉割槽等部位（wèi）的半精（jīng）加工，並可省去粗磨工序。根據以上特點，本文對刀盤的整體結構進行了模塊化設（shè）計，並對刀盤的（de）裝配精度進行（háng）了優化，最後完成了刀盤驅（qū）動裝置設計（jì）和刀盤粗（cū）加工時的切削力校核。曲軸（zhóu）加（jiā）工（gōng）實驗刀盤的成功開發與應用，為曲軸加工設備的國產化奠定了基礎。
 
      1 、曲軸加工刀盤模塊化設計原理
   
      1． 1 曲軸主軸頸加工工藝分析及刀盤加工原理
   
      曲軸主（zhǔ）軸頸的加（jiā）工需要（yào）經過多道工序，一般的主軸頸加工工藝流程（chéng）如圖1 所示，圖中虛線部分為待加工表麵，每道工序中所示加工刀（dāo）具即為完成該道工序所使用的單元切削模塊。在（zài）曲軸車梳拉（lā）加工過程中，所有工序（xù）加工刀片同（tóng）時安裝於刀盤體上，通過編程的方式（shì）將曲軸車梳拉加工所有工序編程至同一個程序中。程序啟動後，刀盤根據程序設定旋轉至指定刀夾（jiá）工作位置，進行切削加工，當此道工序完成（chéng）後，刀盤又旋轉至下一刀夾位置進（jìn）行加工，直到加工程序結束為止。

                          圖（tú）1 曲軸主軸頸加工工藝（yì）流程圖（tú）
 
 
     車-車梳拉加工工藝實際上由車削（xuē）加工和拉削加工組合而成。車-車梳拉加工工藝前幾步采用車削加工，最後一步采用車梳或車拉加工。車削原理基本相同，機床主（zhǔ）軸帶動（dòng）曲軸工件高（gāo）速旋轉，刀（dāo）盤待加工刀（dāo）片刀尖旋轉到曲軸回轉中心，然後向曲軸作徑向或軸向進給運動，切削（xuē）量由進給量確定。車梳與車拉工藝的主要（yào）區別（bié）在於加（jiā）工過程中刀盤的運動方式不同。車拉加工（gōng）過程中，曲軸工件圍繞機床主軸高速旋轉的同時，車拉（lā）刀盤（pán）旋轉到車拉刀夾後徑向向曲軸（zhóu）作（zuò）進給運動，切入工件後刀盤按（àn）一定轉速（sù）隨動旋轉切削，從而實（shí）現刀盤的車拉（lā）加（jiā）工，刀盤旋轉的角度為切削刃長度對應刀盤角度; 車梳加工過程中，刀盤（pán）旋轉至梳刀位置後靜止，徑（jìng）向進給（gěi）一個（gè）齒升量進行梳削，然後軸向移動一個（gè）齒間距進行車削，這樣往複交替進行複合加（jiā）工。
 
 
      1． 2 曲軸加工刀盤設計要求

      車-車梳（shū）( 拉) 刀盤是曲軸主軸頸加工工藝中最重要的設備之一。國（guó）外常（cháng）見的車-車拉刀盤結構見圖2。
 

                   圖2 國（guó）外車-車拉刀具
   
 
     對國外幾家知名企業的曲軸（zhóu）加工刀（dāo）具結構進行（háng）分析可（kě）知，曲軸加工（gōng）刀盤可分解（jiě）為刀盤體和單元（yuán）切削（xuē）模塊兩（liǎng）部分組成。刀盤體是單元切（qiē）削模塊的載體（tǐ），負責與機床連接並為單元切（qiē）削模塊（kuài）提供空間安裝位置。單元切削模塊可分（fèn）解為刀夾和刀片（piàn）。單元（yuán）切削模塊根據選（xuǎn）擇刀（dāo）片的不同，對應不同的刀夾，從而實現不同的切（qiē）削功能。刀夾負責為刀片提供夾持力和安裝位（wèi）置（zhì）角度（dù）。為了實現（xiàn）模塊化構型（xíng）設計，方便單元切削模塊的（de）更換，刀夾與刀盤的裝配（pèi）要求采用統一的定位（wèi）和固定方式。不同的刀夾（jiá）可以（yǐ）在刀盤的不同位置自由安裝。通過改變刀盤體上麵單元切削模塊的種類和加工順序，可以滿足（zú）不（bú）同曲軸的加工要求。
   
     1． 3 曲軸加工刀盤的模塊（kuài）化分解
   
     通過對曲軸主（zhǔ）軸頸加工工（gōng）藝和（hé）刀盤設計結構的分析，完成曲軸主軸（zhóu）頸的粗（cū）加工與半精加工需要（yào）多種單元切削模塊參與切削（xuē），一個完整的車-車梳( 拉) 刀盤集成了曲軸主軸頸半精加工所需的（de）全部單元切削模（mó）塊。根據單（dān）元切削模塊的加工精度將其分為兩大模塊（kuài）: 粗加工模塊和半精加工（gōng）模塊。同時粗加工（gōng）模塊根據其加工曲軸部位不同分為開槽刀夾、粗車軸頸端麵刀夾; 精加工模塊根據其加工部位不同分為半精加工沉（chén）割槽刀夾、半精加工主軸頸刀夾( 如圖3) 。

                                 圖3 單（dān）元切削模塊

     曲軸加工刀盤的模塊化分解為（wéi）刀盤（pán）的構型製造提（tí）供了理（lǐ）論基礎，加快了刀盤的（de）製造速度，縮短了曲軸工藝的研發周期。
    

     2 、曲軸加工刀盤模塊化構（gòu）型設計
   
     車-車梳( 拉) 刀盤的（de）模塊化構（gòu）型設計包括刀盤體設計（jì）和單元切削模塊的設計［2］。
 
     2． 1 刀盤體結構（gòu）設計
   
     由於實驗機床設備的（de）限製（zhì），刀盤體直徑不能夠設計的很（hěn）大，因此限製了刀盤體上安（ān）裝刀夾的數量，但仍能夠實現曲軸主軸頸的整套加工工藝需求。另外，刀盤體與刀盤驅動裝置通過定（dìng）位銷定位，采用螺釘方式連接，連（lián）接可靠，易拆卸。刀盤體經有限元分析［3］，符合曲軸加工剛度要求。刀盤（pán）結構示意圖如圖4。

                     圖4 刀盤體結構（gòu）示意圖
     
     實（shí）驗刀盤體主要參數如表1 所示:
 

                               表（biǎo）1 刀盤體尺寸及材料參數（shù）表
  
      

  
     2． 2 單元切削模塊的設（shè）計
    
     單元切（qiē）削模塊是車-車梳( 拉) 刀盤模塊化設計的關鍵，單元切削模塊設計的合理（lǐ）性直接決定了刀（dāo）盤的加工（gōng）柔性（xìng）。
   
     單元切削（xuē）模塊主（zhǔ）要由刀夾和刀片組成。由於采用的是自主設計的（de）刀盤，因此需要設（shè）計一套與刀盤體（tǐ）相配合的（de）刀夾（jiá）。
 
     刀夾是連接刀盤、傳遞扭矩的關鍵部位，刀夾的定位精度影（yǐng）響了曲軸的加工精度。由於刀夾需要根據不同工藝需（xū）求經常進行更換，因此單元（yuán）切削（xuē）模塊的刀夾與刀盤的連接方式必須一致，而且要求定位精（jīng）確，具有良（liáng）好（hǎo）的可（kě）拆卸能力。設計刀夾采用鍵定位傳力，上螺栓固定夾（jiá）緊( 偏心夾緊方式) 。
 
     刀片是易損件，也需要（yào）經常更換，采用螺釘（dìng）連接設計，方便拆卸。刀片（piàn）都（dōu）選用常見的車削刀（dāo）片( 少部（bù）分（fèn）刀片為特製刀片) 。刀夾與刀盤體（tǐ）的（de）連接部位根據刀盤體結構設計，刀片在刀夾上的固定結構根據刀片形狀設計。圖5 為粗車軸頸端麵刀夾的安裝方式示（shì）意圖，圖6 為粗車軸頸（jǐng）端（duān）麵刀夾對應刀片的安裝方式示意圖。

                   圖5 刀夾（jiá）安（ān）裝方式
 
 

                              圖6 刀片安裝方（fāng）式
 
   

     3 、刀盤模（mó）塊精度優化
   
     由於曲軸加（jiā）工精度要求較高（gāo），因此刀夾與（yǔ）刀盤的製造精度有要格的要求。為了提高刀盤-刀夾製造的經濟性和合理性，現針對車梳拉刀盤模塊的裝配尺寸鏈進行建模，對刀（dāo）夾-刀盤（pán）的製造公差進（jìn）行優化。
 
     由於刀（dāo）夾定位塊與刀盤體緊密配合，不影響刀夾尺寸鏈的計算，因此為了簡化模型、方便計算，將（jiāng）定（dìng）位塊和刀盤視（shì）為一體。刀片-刀夾-刀盤模塊的立體圖如下左（zuǒ）圖所示，刀片（piàn）-刀夾-刀盤模塊的裝配平麵（miàn）示意圖如圖7 所示。
  

    
  
                    圖7 刀片-刀夾-刀盤裝配示意圖
 
   
     如圖7 右圖，刀（dāo）夾裝配在（zài）刀盤上（shàng），刀夾上的螺釘孔的中心線與刀盤（pán）螺紋孔中心線有一（yī）個偏移量( 偏心夾緊方式) ，偏移量大小在（zài）由裝配後刀夾和刀盤的尺寸L2 和L1 決定，所以偏移（yí）量L0 可以作為封閉環，其中（zhōng）基（jī）本尺寸L2 = 7mm，L1 = 7． 1mm，通過分析可知，L1 為增環，L2 為（wéi）減環，L0 為（wéi）封閉（bì）環。各環之間關係為（wéi）: L0 =L1 － L2 = 0． 1mm。
 
     由於封閉環的公差是最大，所以對封閉環設定較低的精度（dù）等級（jí），通過查詢公差等級表及實（shí）際製造（zào）經驗，將封閉環公差設（shè）定為50μm( 介於IT10 ～ IT11 級之間) 。然後選用相等精度法［4］計算兩組（zǔ）成環公（gōng）差因子。

     4 、刀盤切削力校核（hé）及切削實驗應用
 
     4． 1 刀盤驅動機構分析及設計
   
     改造（zào）原有的數控機床( 機床（chuáng）型號: CH7520，如圖8所示) 刀塔部位。利用原有的數控（kòng）機床刀塔與機床的接口與（yǔ）控製部位，在其基礎上重新設計一個自帶電機的動力轉台( 由伺服電機驅動) 。動力轉台與車-車梳拉刀盤結構（gòu）連接，從而實現（xiàn）刀盤的普通車削、車梳( 拉) 加工功能。改（gǎi）造後刀（dāo）盤實物圖如（rú）圖9。

                   圖8 CH7520 機床
  
  

       
               圖9 刀盤實物圖（tú）
     
     由刀盤的切削原理可知，刀盤驅動（dòng）裝置不僅僅需要一個可以使（shǐ）刀盤旋轉的旋轉軸，還需要一個可以使刀盤沿著徑向運動的軸。在此選擇一級蝸杆傳動作為車拉刀（dāo）盤驅（qū）動裝置的主形式。一級蝸杆傳動的（de）傳動比大，蝸杆與蝸輪（lún）齧合處潤滑較好，傳動平穩，沒用（yòng）噪（zào）音，結構緊（jǐn）湊，環境適應性（xìng）好，且單頭蝸杆傳動具有重要（yào）的自鎖性。在蝸輪蝸杆傳動形式中，選擇平麵二次包絡環（huán）麵蝸杆傳動。這（zhè）種蝸杆傳動承載功率（lǜ）大（dà），傳動穩定，噪音小、平（píng）衡溫度低，具有普通蝸杆減速器所不具備的很（hěn）多優點。一級蝸輪（lún）蝸杆示意圖（tú）見圖10。

                            圖10 轉台蝸輪蝸杆示意圖
   
     轉台設計裝配圖見圖11。
  

     
  
                                    圖11 轉台裝配圖
   
    電機可安裝在轉台右側空間位置，電機通過轉台帶動刀盤的旋轉。刀盤與轉台通過螺栓連接。
 
     4． 2 刀盤切削力校核
 
    由於刀具（jù）在切削（xuē）過程中，刀盤所（suǒ）受載荷可通過（guò）刀夾刀片受（shòu）力來分析計算，前刀麵和後刀麵都受到切削力的作用，切削力包含切削力Fz、背向力Fy、進給力Fx，常用車削切（qiē）削力指數公式形式如下［5］:

     
  
     v—單位（wèi）為m/min。
 
     假定實驗加工曲軸材料為調（diào）質鋼，刀具為硬質合金，加工形式（shì）為切削外圓，切削參（cān）數選取（qǔ）粗加工切削參數，即v = 150m/min，ap = 1mm，f = 0． 1mm/r，公式參（cān）數可通過工具書查閱得知［6］，因此代入（rù）公式計算如下（xià）:

     
  
     以（yǐ）上算出值為刀盤在（zài）粗加工過程中產生的切削力。刀（dāo）盤直徑為380mm，可知:刀盤（pán）粗加工時，刀盤主軸受到扭矩:M = FZ·D/2 = 152． 38N·m由4． 1 中設計的（de）刀盤驅（qū）動裝置達到的傳動扭矩（jǔ）為1140N·m，大於刀盤粗（cū）加工時的扭矩，刀盤係統（tǒng）設計滿足曲軸加工需求。
 
     4． 3 刀盤的切削實驗應用（yòng）
   
     刀（dāo）盤的（de）模塊化設計為曲軸加（jiā）工工藝設計和實驗研究提供了（le）一個有效的試驗平台。通過刀盤試驗平台的建立，進行了以下幾（jǐ）個方麵的實驗研究:
 
     ( 1) 利用刀盤對曲軸常用材料QT700-2 進行（háng）車削模擬試驗，研（yán）究了單元切削刀具的主（zhǔ）要失效形式和磨損機理，建立單元切削刀具壽命模型，並（bìng）對具有不同刀尖圓角半徑的（de）單元切削刀具進行了對比試驗（yàn）［7］。
 
     ( 2) 利用刀盤進行車拉切削模擬實驗，對軸向切削力Fp 與工件加工後圓度 進行測量，推算出材料去除率MＲＲ、穩定刃寬Bw 的估算公式。並研究總切深和進給量對於這四個參數的影（yǐng）響［8］。
 
     ( 3) 利用刀盤模擬（nǐ）曲軸車梳切削實驗，研究不同齒數的梳刀（dāo）對（duì）刀片切（qiē）削性（xìng）能的影響［9］。
 
     ( 4) 利用刀盤模擬曲軸車-車拉工藝和車-車梳工藝（yì）的對比實驗，分析兩種不同加工工藝（yì）對曲軸主軸頸加工精度、粗糙度（dù）和加（jiā）工效率（lǜ）的影響［10］。
 

      5 、總結
   
     ( 1) 曲軸（zhóu）實驗刀盤由刀盤體和（hé）單元（yuán）切（qiē）削模塊兩部分組成。在刀盤體上選擇不同的單元切削模塊與安裝方式（shì），可以滿足不同曲軸的工藝需求。刀盤的模塊化設計為曲軸加工工藝設計和（hé）實驗研（yán）究（jiū）提供了一個有（yǒu）效的試驗（yàn）平台。
 
     ( 2) 合理的設計刀盤-刀夾（jiá）的製造精（jīng）度，可（kě）以提高（gāo）製造刀盤與刀夾的經（jīng）濟性（xìng）和合理性。本設計中刀盤和刀夾的製造公差值（zhí）被分別調整到T1 = 25μm 和（hé）T2 =24μm。
 
     ( 3) 針對配套刀盤切削載荷問（wèn）題，以刀（dāo）盤（pán）切削參數（shù）為基礎，根據切削力指數（shù）公式對刀盤切削載荷進行（háng）了（le）計算（suàn）。結果（guǒ）表（biǎo）明: 切（qiē）削過程產生的（de）切削力矩在轉台的傳動（dòng）扭矩之內，能（néng）夠滿足曲軸加（jiā）工需求，並可進行（háng）曲軸切削模擬實驗。