滾輪型線加工工藝研究

□ 焦澤鈞 □ 宋代驕 □ 甘 勇 □ 唐 松 □ 黎大勇 □ 李東斌

重慶紅江機械有限責任公司 重慶 402162

1 滾輪概述

滾輪作為船用柴油機及機車上與凸輪磨合的運動件,主要結構如圖1所示。滾輪結構主要由中孔、外圓及兩側面構成,四面均作為工作面,尺寸公差一般要求在0.05 mm以內,形位公差在0.015 mm以內。

圖1 滾輪結構

滾輪外圓直接與凸輪接觸,為避免磨合時產生咬卡現象,滾輪外圓一般要求中凸10 μm左右,稱為Pt值,即定長距離上單側外表面的落差,從而使接觸時為點接觸,避免運動中咬卡,傷及滾輪及凸輪表面。中孔根據工作方式的不同,大致有三種類型。

(1) 接觸式。中孔直接與滾輪銷接觸、磨合,此種滾輪中孔與外圓表面相似,設計為中凸式,粗糙度要求小于Ra0.2 μm或Rz1.6 μm,以降低咬卡概率。

(2) 分體式。滾輪中孔與滾輪襯套接觸,襯套與滾輪銷接觸,襯套一般以合金鋼作為材料,三者相互轉動,三者的形位要求及粗糙度要求均較高,此類滾輪中孔常使用中凸或整體圓柱形設計。

(3) 整體式。滾輪中孔過盈裝配嵌入銅合金襯套后作為整體與滾輪銷接觸,此類滾輪中孔常采用圓柱式設計,以增大與襯套的接觸面積,同時中孔粗糙度多要求不大于Ra0.8 μm。稍大的粗糙度值能夠帶來更好的摩擦效果,從而避免襯套從滾輪中脫出,造成運行失控咬卡。

2 形狀特征

根據滾輪結構特征進行形狀上的分類,將含有中凸結構的表面稱為有型面,外形大體可分為無型面和有型面兩種。無型面即外圓或中孔表面為圓柱面,有型面即外圓或中孔表面為曲面或含有曲面。

無型面結構簡單,為圓柱形外圓或中孔,基本結構如圖2所示。兩柱面圓柱度要求一般在0.003 mm以內,不允許中凹。

圖2 無型面結構

有型面基本結構如圖3所示,外圓或中孔設計為整圓弧面、圓弧與直線相切面、斜線與直線相接等,整體呈現為中凸狀。該類滾輪多要求弧面的面輪廓度在0.008 mm以內,型面粗糙度一般會同時要求Rz與Rpk指標。

圖3 有型面結構

3 加工方案

筆者對兩種結構滾輪的典型加工方案進行探討和總結。

滾輪外圓為有型面,中孔為有型面,典型加工工序為下料,粗車外形,熱處理,精車外形,磨中孔型面,磨外圓型面。

機加工要點在于外圓及中孔的磨削。外圓可采用切磨的方式加工,即在磨床上將砂輪進行成型修磨,再將滾輪調整至砂輪中部或端面,定位準確后進行切磨成型加工。在兩側Pt值較大的情況下,應在精車工序中進行去余量處理,避免磨削時磨削量過大,砂輪磨損過快,導致邊緣處Pt值達不到要求。同時,磨削量大會產生大量磨削熱,輕則會燒損零件,降低使用性能,嚴重時會產生磨削裂紋,造成零件報廢。中孔可采用主軸連續轉動的設備進行加工,使磨頭轉速配合磨頭進給速度,即磨頭母線始終處于圓弧切線方向,從而形成弧面。在無該設備時,可采用將普通磨床主軸偏置并同時固定磨頭進給速度的方式形成雙曲線,從而進行特定半徑曲線的磨削。

在擁有高精度車床的情況下,可采用精車外形方案,重點在于車削外圓中孔型線工序。如采用三爪卡盤裝夾進行加工,則對夾緊力的把控要求很高,且在安全加工的情況下,中孔會出現4 μm左右三棱形狀的輕微變形,無法消除。通過調整車削參數,可以將粗糙度控制在Ra0.2 μm以內,再通過拋光手段達到圖紙要求。此方式對刀具的要求較高,因直接對淬火工件進行精加工,為了保證粗糙度及型線輪廓,刀片更換頻率高,損耗大。

滾輪外圓為有型面,中孔為無型面,如圖4所示,典型加工工序為下料,粗車外形,熱處理,精車外形,磨外圓型面,精加工中孔。

圖4 外圓有型面、中孔無型面結構

機加工要點同有型面結構,同時也可采用車削方式,但受制于車床的精度,調整零件的錐度難度較大,且車削時錐度的影響較大,不能很好地保證中孔圓柱度。因此,車床的精度需要進一步提高,成本亦會再次提高。

4 滾輪型線檢測

(1) 兩側Pt值檢測。可以使用粗糙度儀的未濾波功能,去除滾輪外表面兩側倒圓之后,直接檢測出數據,如圖5所示。

圖5 粗糙度儀未濾波功能測量

(2) 定距Pt值檢測。同樣可以使用粗糙度儀的未濾波功能,確定對稱中心后,拖動ΔX至理論位置,記錄ΔZ值,即為Pt值。也可以使用輪廓儀進行檢測,方法同上述,標定對稱中心之后,檢測相對位置處的落差值。

(3) 面輪廓檢測。在三坐標測量儀上導入數據模型后可以進行輪廓評價,在沒有三坐標測量儀的情況下,可以采用未濾波功能或輪廓儀進行理論定距Pt值檢測,然后根據公式計算最大差值,近似檢測面輪廓,如圖6所示。經多次檢測實踐,兩者誤差在1 μm內。

圖6 面輪廓檢測

5 結束語

船用柴油機及機車上使用的滾輪,在經過多年的發展及使用實踐后,已基本成型。筆者對滾輪型線加工工藝進行研究。受加工設備優化的進程推動,滾輪整體車削化水平將提高。同時,滾輪大部分結構相對簡單,自動化加工流水線作業形式將更快地應用于滾輪加工,在現有的基礎上解放人工,提高生產力,實現滾輪的加工技術變革。