左 峰 程敢峰
(中車戚墅堰機車有限公司 江蘇 常州 213011)
機體和油底殼作為柴油機的關(guān)鍵核心零部件之一,其精度的保證,對整個柴油機的組裝運行乃至整個機車的運行至關(guān)重要,其關(guān)鍵尺寸,必須得到保證方能確保柴油機運行過程中的穩(wěn)定性[1-2]。
280系列柴油機油底殼總長接近4 m,由前后端板、中間殼體組焊而成,屬于鋼結(jié)構(gòu)薄壁件。在柴油機組裝時,油底殼前后端面與機體前后端面應(yīng)平齊,并保證機油泵孔中心距,才能滿足密封和齒隙要求,保障柴油機平穩(wěn)運行。
油底殼作為薄壁件,其平面度、長度尺寸、孔系位置度等關(guān)鍵精度一直以來都是難點,尤其是加工過程中的變形對精度的影響,成為關(guān)鍵要素。缺少系統(tǒng)的理論計算、分析,沒有防變形手段和措施[3]。
油底殼由自由端板、輸出端板、中間側(cè)板和底板組成(見圖1),自由端板上機油泵孔主要固定機油泵齒輪,為柴油機供油,自由端板前端面與機體前端面平齊,前端罩殼密封,輸出端板與機體后端面平齊,后端罩殼密封,如圖2所示。油底殼主要精度項點為自由端板內(nèi)機油泵孔、油底殼總長、在中間底板上的定位銷孔和中間底板的平面度。
圖1 油底殼結(jié)構(gòu)圖
圖2 機體與油底殼安裝結(jié)構(gòu)圖
總長:(3 040±0.05)mm;機油泵孔的位置度:?0.05 mm; 定位銷直線度:0.02 mm;定位銷位置度:?0.05 mm。
目前油底殼加工分粗加工和精加工。粗加工在龍門銑床負(fù)責(zé)前后端面和上平面及側(cè)邊的加工,落地鏜床負(fù)責(zé)機油泵孔粗鏜;精加工在五面體龍門加工中心負(fù)責(zé)前后端面、機油泵孔和各螺孔的加工。
精加工環(huán)節(jié),利用加工過的大平面定位,采用等高塊和壓板在兩頭和中間3個位置處壓裝,左右對稱,共6個壓緊點。加工時前后面和上平面約有4 mm加工余量,采用?200 mm面銑刀加工,每刀切削量控制在2 mm左右。左右機油泵孔單邊約有10 mm加工余量,采用粗鏜刀、半精鏜刀和精鏜刀分次加工,主要刀具切削參數(shù)如表1所示。
表1 主要刀具切削參數(shù)
油底殼加工后,拆除工裝,自由狀態(tài)下對其平面度進行測量,變形較大。為了進一步掌握變形情況,對人工壓裝的壓緊力利用扭矩扳手進行測定,結(jié)果為300 N· m。對油底殼前后端面進行三維仿真分析,最大變形區(qū)域產(chǎn)生在壓裝位置,具體如圖3、圖4所示。
圖3 前端夾緊力矩300 N·m下的變形量
圖4 后端夾緊力矩300 N·m下的變形量
經(jīng)過仿真分析,在壓板位置出現(xiàn)最大變形量,壓裝點位置下凹,兩端位置凸起。仿真計算,前端變形最大約為0.42 mm,后端變形最大約為0.37 mm;現(xiàn)有壓裝位置如圖5所示。
圖5 油底殼壓裝圖
為了保證油底殼的加工精度,必須科學(xué)合理地計算、分析夾緊力和壓裝位置,同時優(yōu)化改善既有工裝和工藝,便于控制工件的變形情況,提高工件加工精度。
銑削抗力P用式(1)計算:
(1)
式中:P為銑削抗力,N;t為銑削深度,mm;sz為每齒進給量,mm;D為銑刀直徑,mm;B為銑削寬度,mm;z為銑刀齒數(shù)。
根據(jù)刀具切削現(xiàn)狀,t=2 mm、D=200 mm、sz=0.06 mm、B=100 mm、z=14,對面銑刀的切削力進行計算,得到銑削抗力P=275.6。
在油底殼現(xiàn)場加工壓裝時,根據(jù)現(xiàn)有夾具、油底殼結(jié)構(gòu)和以往加工經(jīng)驗,采用前后端面靠近尾部區(qū)域支撐和壓緊的方式,壓板位置為左右各2個,壓板到前后端面的距離約為總長度的1/6處,切削區(qū)域中間到支點的距離約150 mm,壓板到支點的距離約為60 mm。
將上式的銑削抗力P計算值代入式(2),便可計算每塊壓板上所需的夾緊力:
(2)
式中:F0為每塊壓板上所需的夾緊力,kgf;f為工件與支承面間的摩擦因數(shù);P為銑削抗力,kgf;L為切削合力至支點O的距離,mm;l1、l2、L、ln為各壓板至支點O的距離,mm;M為安全系數(shù)。
M取值1.5,f取值0.15,L取值150,l1+l2+L+ln=60,計算得到每塊壓板所需要的夾緊力F0=89.5 kN。
油底殼的壓緊機構(gòu)是常用的螺桿壓緊形式,而夾緊力又取決于螺母在旋壓過程中對壓板的壓力,而這壓力來自于旋緊螺母的扭矩,該扭矩應(yīng)是一個在一定力值范圍內(nèi)的相對定值,將式(2)的F0每塊壓板上所需的夾緊力代入式(3),可得:
Mt=K×P0×d×10-3
(3)
式中:K為擰緊力系數(shù);P0為預(yù)緊力;d為螺紋公稱直徑。
經(jīng)過計算,得到Mt=120 N·m,壓緊螺栓選擇8.8級M24螺栓,查表得到M24螺栓預(yù)緊力可以達到222~254 N·m,滿足現(xiàn)有的預(yù)緊力需求。
針對計算出的壓緊力,同時結(jié)合人工仿真的300 N·m變形位置,對現(xiàn)有等高墊和壓板的簡易壓緊模式進行了改進設(shè)計。一方面在前后主定位壓裝的基礎(chǔ)上增加中間位置的輔助支撐;同時增加側(cè)面輔助支撐。另一方面在壓板相對前后端面的位置也進行了調(diào)整,優(yōu)化后的工裝設(shè)計如圖6所示。該裝備使用簡便,輔助時間大幅縮短;同時定位可靠,結(jié)合科學(xué)計算的120 N·m壓緊力,利用扭矩扳手,可以防止工件由于壓裝帶來的變形和波動。
圖6 優(yōu)化后的工裝設(shè)計
根據(jù)優(yōu)化工裝、油底殼支撐和夾緊形式、結(jié)構(gòu)、區(qū)域位置以及計算的壓緊力,并針對計算出的120 N·m螺栓壓緊力矩,進行仿真分析。
當(dāng)夾緊力矩為120 N·m時,X方向變形量較大,但僅為0.03 mm,且在自由端板端面處,對油底殼整體關(guān)鍵精度影響不大,滿足組裝需求(見圖7)。
圖7 夾緊力矩120 N·m下X方向變形量
通過定位位置及壓緊力的優(yōu)化設(shè)計,實現(xiàn)了工件變形的精確控制及產(chǎn)品精度的提升。經(jīng)過三坐標(biāo)檢測,油底殼在自由狀態(tài)的平面度從0.35 mm變?yōu)?.08 mm,滿足了0.1 mm的要求。油底殼上前后兩定位銷孔在3 000 mm長度上的直線度由0.15 mm變?yōu)?.02 mm,滿足要求。工裝、壓緊力等過程參數(shù)進行了工藝固化,目前產(chǎn)品精度穩(wěn)定輸出。