康明斯动力设备（深圳）有限公司

 

新闻主题	柴油发电机飞轮壳孔系和结合面的加工方案

 

摘要：柴油发动机飞轮壳产品为典型壳类产品，本文以具体产品为例介绍了产品功能、加工难点及加工方案；设计了自动化、柔性化程度不同的三种加工工艺方案，并分析各自特点。飞轮壳安装于柴油发动机缸体与发电机之间，外接缸体、起动机、油底壳，内置飞轮总成，起到连接机体、防护和载体的作用。

 

一、飞轮壳孔系加工方案

 

       如图1所示是康明斯柴油发电机组飞轮壳典型关键尺寸技术要求简图。为保证各孔及油底壳面至定位销孔孔距尺寸，必须将2-φ18_+0.018mm的定位销孔、油底壳面、中心孔φ140mm（即曲轴安装孔）安排在同一道工序内完成，减少二次装夹带来的定位误差，特别是中心孔φ140_+0.063mm的加工，此中心孔除了位置精度要求较高外同，此孔还是一个阶梯孔，与缸体结合面不在同一个方向上。应φ140_+0.063mm的中心孔与2个φ18_+0.018mm的定位销孔在一道工序内完成，减少二次定位带来的误差。

1、中心孔的加工工艺设计

      中心孔即曲轴油封安装孔，由于中心孔是阶梯孔，结构如图2所示。为了保证产品的精度要求，刀具只能从缸体结合面方向进入，由于产品结构的特点，加工上只能选择特殊的刀具：用阶梯铣刀粗铣φ140mm孔；用精镗刀背镗φ140mm的中心孔。背镗加工原理如图3所示，刀具中心至B点后，主轴准停，主轴沿刀尖的反方向偏移Q，然后快速定位至孔底Z点，再沿刀尖正向偏移Q至E点，主轴正转，刀具向上工进至R点，在R点主轴再准停，刀具反向偏移Q，快退离开工件。

2、定位销孔精加工工艺设计

      两定位销孔孔径及中心孔距要求较为严格，精加工刀具有两种方案：铰孔和镗孔。

       在镗刀选择上应采用具有高精度微调机构的刀具，最小可调刻度1μm/φ。加工过程中，如孔径尺寸发生变化，可通过调整图片中的微调机构对孔径进行调整。

      综合分析并结合现有刀具的制造水平，应优先采用精镗孔工艺完成两销孔加工。经验证，加工精度满足产品要求，C_pk过程能力达到1.62。数据分析如图4所示。

 

图1  柴油机飞轮壳产品尺寸图	图2  曲轴油封安装孔结构局部放大图
图3  曲轴油封安装孔背镗加工原理	图4  飞轮壳定位销孔过程能力分析

 

二、与缸体结合面加工方案

 

      缸体结合面即为基准A面，该面表面粗糙度要求为R_a1.6，采用常用的铣削工艺即可满足粗糙度要求，关键是0.05mm的平面度要求较为严格。由于产品平面度精度要求较高，如果通过铣削加工方式来保证，还需要通过铣削工艺试验进行验证，表1是工艺试验参数说明。

表1  工艺试验参数说明

 

      通过验证，设备能够满足产品加工精度要求，但产品平面度与工装夹紧变形关系密切，只要减少夹紧变形，铣削工艺即可满足产品要求（夹具结构如图5所示）。为此通过试验，工艺上采用“铣两遍”的方式，解决了夹紧变形对平面度的影响，即：平面A预留0.1mm的加工余量，待该工序（即A面及其上孔系）加工完成后，松开夹紧，重新用较小的夹紧力压紧，对A面再次进行精铣。结果验证，这样加工后的产品能够满足图样样要求，数据分析如图6所示，通过分析，C_pk过程能力达到1.87。

 

图5  缸体结合面夹具结构图

图6  飞轮壳和缸体结合面平面度过程能力分析

 

三、油底壳面加工方案

 

      由于产品精度要求较高，只有±0.02mm，为了保证加工过程中刀具更换的稳定性、减少刀具摆差以及提高刀具的刚性，应采用液压刀柄，以获得高的夹持回转精度（＜0.003m m）和重复夹紧精度（＜0.002mm）、稳定可靠的夹紧力，并具有阻尼减震性能等。采用

立式加工中心，用硬质合金立铣刀加工，通过加工验证，此加工方案能够满足图样要求。

 

四、螺栓窝座反锪加工方案

 

      从产品的结构上分析，因刀具无法从发电机安装面方向进入，只能从缸体结合面（基准面A）方向采用“反锪”。

1、方案一

      采用进口专用反锪刀具在立式加工中心上进行加工。

2、方案二

       采用自制专用反向锪刀，在钻床上，人工装卸刀具完成加工。

3、两种方案比较

（1）方案一操作简单，但刀具前期投入成本较高，且刀具刚性较差，当毛坯余量发生变化，特别是毛坯内壁余量变化，存在刀具“单边”切削情况，易出现打刀情况。

（2）方案二操作较方案一繁琐，但是刀具成本低，且刀具刚性好，当毛坯尺寸变化时，不会出现打刀现象。

      综合分析，当毛坯铸造质量较好时，优选方案一；产品批量较小时宜采用方案二。

 

五、止口面加工方案

 

      止口面及中心孔车削工艺采用立式数控车床加工完成，工装采用两销一面（2-φ18mm孔和基准面A）定位夹紧进行加工，其难点主要是保证0.05mm的平行度，影响平行度的主要因素是工件的装夹及加工变形，因此控制夹紧力和加工过程中的变形是该工序的关键。定位装夹方式如图7所示。

（1）夹具定位面基面自车，保证定位面的平面度；夹具设计上采用点对点压紧，减少夹紧变形。

（2）零件底部近1/2部分悬空，加工时悬空部分易产生震纹及加工变形，必须在悬空部位设置辅助支撑，其辅助支撑是设计关键。辅助支撑的设计也对加工质量有着极大的影响，其中最关键的就是既要起到“支承”的作用又要防止锁紧时将工件“顶起”产生变形。

      如图8所示是杰根斯手动辅助支撑，由于采用精确双锁夹钳从两边夹紧支撑体，产生类似虎钳的动作机制，实践验证锁紧抬起量＜6mm，解决了锁紧夹紧抬起变形问题，稳定可靠。由于此种手动辅助支撑，克服了传统手动辅助支撑的缺点，又比液压辅助支撑夹具制

造简单，不需要设计专门的液压油路，使用方便，适宜多品种加工。通过辅助支撑的合理运用，避免了刚性不足及夹紧变形对加工精度的影响。

 

图7  飞轮壳止口面加工装夹图

图8  杰根斯手动辅助支撑

 

六、设备选型

 

1、加工中心选型

      为保证产品定位销孔、中心孔、油底壳面的加工尺寸要求(±0.02mm），设备（立式加工中心）的合理选择是关键，因为这些尺寸跟设备的精度有很大关系。

      考虑到成本因素，可选用的立式加工中心目前常用的有两种：一种是带光栅尺的全反馈系统；另一种是不带光栅尺的半反馈系统。从价格上来看，第一种设备目前大约100万元左右，而第二种只需要50万元左右。通过实际加工验证国产设备能够满足产品要求：孔中心距250±0.02；208±0.02，过程能力Cpk均大于1.67，表明不带光栅半反馈系统的设备的精度是能够足产品图样要求的。

2、数控车床选型

      由于飞轮壳尺寸较大、零件较重，为装夹方便宜采用立式数控车床。在机床刀塔选型上应给予重视：最为常见有两种刀塔结构，如图13所示为立式刀塔，该结构刀具的安装数量较多，适宜加工工件高度不高盘类零件；飞轮壳工件高度较大，有些零件结构缸体结合面中心孔也需车削加工，则适宜选择如图14所示的卧式刀塔。

      由于飞轮壳产品结构特点，数控车削内容较少，所需的刀具数量也较少，并且机床刀塔部分是最易出现故障的地方，因此，最好的选择是采用“排刀”方案。采用排刀方案，不仅可取消机床刀塔降低设备采购费用，并且能够提高加工效率，消除了机床出现换刀故障的隐患。但是必须通过设计布刀图确定刀具型号、加工路径，防止出现超行程以及刀具与夹具、工件发生碰撞。

 

结语：

      随着新一轮产业升级浪潮的来临，自动化、智能化已成为传统制造业继续生存的必由之路。新的工艺设计理念不断出现，将传统组合机工艺特点与数控加工工艺特点相融合，针对不同类型工件的定制“数控专机”，不仅发挥了传统专机高效的特点，而且具备了数控设备高精度和通用（一定柔性）的特点，并充分考虑机械手自动上下料的方便性。同时，新型刀具、夹具和检测技术也不断涌现，特别是机床在线自动检测与找正技术的应用，大幅降低了工装定位精度的要求和夹具的复杂程度，甚至颠覆了传统工艺设计的一些禁忌，使得工艺设计更加灵活。在柴油发动机零部件质量要求不断提高、成本不断降低的市场背景下，零部件制造正朝着自动、高效、主动测量（自动补正）方向快速发展。

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