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    發動機機加工生產線向柔性自動化方向不斷發展
    2013-3-27  來源:  作者:張書橋

    上海大眾汽車有限公司發動機廠旋轉件車間經理

    文/張書橋·上海大眾汽車有限公司發動機廠旋轉件車間經理

     

          隨著發動機產品更新換代周期縮短和發動機生產品種的不斷豐富,以及生產管理對勞動生產率要求的不斷提高,發動機機加工生產線工藝規劃也在不斷向柔性自動化方向發展。

     

          下面以某發動機廠三代曲軸生產線的工藝變化來介紹機加工生產線在柔性自動化方面的發展變化。

     

    曲軸加工工藝路線的發展變化

     

          從EA827曲軸到EA113曲軸,再到EA888曲軸,比較這三代時間跨度達三十年的曲軸加工工藝路線發展變化,可以看出曲軸加工工藝在高效、柔性和自動化程度方面的進步。

     

          EA113曲軸生產線與EA827曲軸生產線相比,主要有兩方面變化,一為自動化程度提高,從單機操作變為工序之間由機械手輸送系統連接;另一個變化是軸頸粗加工由內銑變為車-車拉加工,車-車拉工藝能夠使得軸頸徑向跳動尺寸控制在0.10mm以內,這樣可以降低后道磨削工序的加工余量。

     

          EA888曲軸生產線的工藝路線變化與前面兩者相比則要進步得多。主要有以下特點:

     

    采用幾何中心孔取代質量中心孔。工序節拍縮短,但對毛坯尺寸精度要求提高;

    連桿頸采用外銑。工序柔性程度提高,不同升程曲軸換型時間與車-車拉工藝相比可以縮短90%以上;

    斜油孔采用麻花鉆加MQL工藝取代單刃鉆加油冷卻工藝。設備投資和占地面積大大降低;

    曲軸表面熱處理用余溫回火取代回火爐工藝。設備投資和占地面積大大降低;

    曲軸軸頸采用CBN砂輪跟蹤磨削取代傳統的剛玉砂輪加偏心卡盤工藝。工序柔性程度提高,不用升程曲軸生產換型時間縮短,砂輪修正損失時間極大降低,砂輪耐用度可以提高5~10倍;

    曲軸兩端加工使用加工中心取代程控加工,采用高速切削提高加工效率,簡化加工設備。

     

          如上所述,EA888曲軸生產線采用較新的工藝方法,使得曲軸生產線能夠采用較少的生產工序實現柔性高效地生產,目前曲軸生產線的單線節拍能夠做到60s,設備有效工時利用率達到85%。

     

    曲軸車-車拉設備

    曲軸車-車拉設備

     

    幾種曲軸新加工工藝方法

     

          1. 幾何中心孔

     

          曲軸鉆幾何中心孔從加工工藝本身來看并不能算新工藝,但用幾何中心孔工藝取代質量中心孔工藝卻是一種新趨勢。與曲軸質量中心孔工藝相比,幾何中心孔工藝節拍快、設備簡單、工序少。幾何中心孔工藝可以和曲軸兩端面銑削結合在同一臺設備中,一次工件裝卡就能同時完成銑削端面和鉆中心孔,使得加工工序減少。質量中心孔工藝則需將銑削兩端面和鉆質量中心孔分成兩道工序,而且鉆質量中心孔工序由于在鉆孔前必須先將工件作動平衡測量并作徑向補償,工序加工節拍長,鉆質量中心孔工序往往是曲軸生產線的瓶頸工序之一。由于定位和夾緊的特殊性,鉆質量中心孔的工序能力也較低。

     

          采用幾何中心孔工藝則對毛坯的一致性要求較高,這也是過去毛坯生產技術水平較低的時候不采用幾何中心孔工藝的一個原因。無論是采用幾何中心孔還是質量中心孔,要保證曲軸終平衡有較高的一次平衡率,在軸頸粗加工結束后進行不平衡量反饋,及時通過鉆中心孔修正由于毛坯批次變化或加工設備變化產生的不平衡量誤差都是必要的。

     

    曲軸連桿頸外銑設備

    曲軸連桿頸外銑設備

     

          2. 連桿頸外銑

     

          連桿頸外銑工藝實現了曲軸連桿頸粗加工的柔性化。采用連桿頸車-車拉工藝時,四缸曲軸需要兩道車-車拉工序來完成連桿頸的粗加工,而外銑工藝則可以用一道工序來完成,并且兩者的節拍時間相當。外銑工藝還可以極大地縮短不同升程曲軸之間生產的換型時間,與車-車拉工藝相比,單工序換型時間可以縮短90%。

     

          當然,外銑工藝的零件表面質量沒有車-車拉工藝好,尤其是溝槽圓弧面的加工質量。因此如何保證工件表面加工質量是外銑工藝需要持續改進的地方。

     

    曲軸磨床

    曲軸磨床

     

          3. 曲軸余溫回火

     

    曲軸熱處理

    曲軸熱處理

     

          一般曲軸經過中頻感應表面淬火后需要再經過回火爐來完成整個熱處理過程,而EA888曲軸表面感應淬火后采用余溫回火的熱處理方式。與回火爐工藝相比,采用余溫回火的好處就是節約設備投資和設備占地面積。余溫回火工藝有局限性,它一般用于鋼件曲軸生產工藝,如果是鑄件曲軸,為保證熱處理質量,還是采用回火爐工藝。

     

          與余溫回火對應的是感應回火,兩者的差別在于,采用余溫回火工藝時,工件在一次感應加熱后一直處于降溫冷卻狀態,而采用感應回火工藝,工件有二次加熱的過程。

     

          4. 軸頸跟蹤磨削

     

    軸頸跟蹤磨削

    軸頸跟蹤磨削

     

          如果說連桿頸外銑解決了曲軸粗加工階段的柔性生產問題,那么曲軸軸頸跟蹤磨削則解決了曲軸精加工階段的柔性生產問題。采用軸頸跟蹤磨削后,全部連桿頸甚至主軸頸磨削可以在一臺磨床上完成。不同升程的曲軸生產換型僅需要切換對應的磨削程序即可。

      

          軸頸跟蹤磨削工藝在刀具方面一般同時采用CBN砂輪,一方面CBN砂輪比剛玉砂輪能更好地滿足往復磨削的剛度要求,另一方面CBN砂輪具有良好的刀具耐用度優勢,結合跟蹤磨削,能更加突出設備在生產效率方面的優勢。

     

    具體設備的使用問題及解決方法

     

          1、Boehringer加工設備

     

          Boehringer公司一般為曲軸生產線提供車床和銑床設備,在EA888曲軸生產線中主要完成法蘭、主軸頸、連桿頸和軸端的粗加工。從實際使用情況來看,該公司的設備能夠滿足現代曲軸生產線高效柔性化的生產要求,并且在設備自動控制和反饋方面也考慮得比較周到,譬如法蘭卡盤、中心架和尾架都配備模擬位移量監控功能,能夠確保加工時工件的裝卡精度。

     

          但Boehringer設備也同時存在曲軸加工(尤其是鋼曲軸加工)的切削難題。譬如,車-車拉曲軸法蘭和主軸頸時的切屑纏繞問題,一般該工序需要兩次裝卡法蘭外圓(第一次,先裝卡法蘭毛坯外圓,第二次再裝卡精車后的法蘭外圓),精車法蘭外圓時如果斷屑不好,就很容易造成第二次裝卡時卡爪面上卡有切屑,使得工件加工尺寸超差。解決這個問題需要從三方面著手:夾具旁邊設置合適的吹屑管;選擇合適的刀具斷屑槽和切削參數;卡盤、托架等的布置要有利于排屑。

     

          2、Alfing淬火設備

     

          Alfing公司為曲軸生產線提供專業的熱處理設備,包括曲軸中頻感應淬火機和回火設備。鋼曲軸熱處理工序現在一般將曲軸淬火和回火集成在一個加工工位上,采用余溫回火的方式。為了節約設備投資和設備占地面積,Alfing公司有的淬火機甚至集成了淬火前的預清洗工位(使用淬火液進行噴淋式清洗)。集成預清洗工位的淬火機在實際使用過程中會存在工件表面清洗不干凈導致淬火時設備頻繁報警的問題。因為感應淬火時,感應器與工件軸頸的間隙一般只有0.8mm,如果前道工序的切屑沒有清洗干凈,很容易造成淬火時感應器“接地”報警。所以曲軸淬火前的專門預清洗工位不能被省略掉。

     

          曲軸熱處理工序集成淬火和回火以后,生產流程被縮短,這會產生一個工件熱處理后余溫溫度與后道工序切削加工尺寸受工件熱脹冷縮的問題。所以,在驗收熱處理設備時,除了保證工件淬火質量,還要規定工件流出時的溫度,一般要求小于40℃。

     

          3、Landis磨削設備

     

          Landis磨床使用CBN砂輪和跟蹤磨削技術以后,使得曲軸生產線在精加工階段突破了柔性自動化生產的瓶頸。使用剛玉砂輪時,砂輪修正頻次為10-15件/次,CBN砂輪的修正頻次可以達到400件/次。砂輪耐用度增加以后,磨床的設備有效工時利用率得到提高,但也會產生一些新問題。譬如,對于軸頸表面有成形要求的磨削工藝,砂輪耐用度提高以后,能否在一個砂輪修正周期內保持允許的成形磨削要求需要重新做出評價。

     

          CBN砂輪需要油冷卻,油冷卻設備需要配備特殊的消防設備,譬如Minimax消防系統,它包括一套溫度閃光探測、消防報警、通風管道自動切斷和CO2自動滅火等系統更能。油冷卻設備的消防問題是生產線安全管理過程中需要面臨的一個新課題。

     

          機加工生產線柔性自動化程度不斷提高以后,能滿足多品種共線高效生產要求。譬如,同樣是30萬規劃產能的曲軸生產線,EA827曲軸線OEE是75%,單班直接生產人員需要21人;EA113曲軸生產線OEE是80%,單班直接生產人員需要17人;而EA888曲軸生產線OEE是85%,單班直接生產人員12人。

     

          箱體類零件的柔性自動化的發展趨勢是從原來的專機生產形式發展為加工中心,柔性自動化程度也得到極大提升。

     

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