Planowanie procesu obróbki wału korbowego: zasady i wybór układu odniesienia

Zasady planowania obróbki wału korbowego i dobór punktu odniesienia

Zasady projektowania tras procesowych

1. Najpierw należy ustalić układy odniesienia: Podczas planowania procesu obróbki pierwsza lub druga operacja powinna, w miarę możliwości, służyć do wyobróbki precyzyjnych punktów odniesienia wału korbowego. Kolejne operacje mogą następnie wykorzystywać te precyzyjne punkty odniesienia do pozycjonowania elementu, co ułatwia zapewnienie dokładności pozostałych powierzchni.
2. Obróbka powierzchni przed wykonaniem otworów: Jeśli konieczne jest wykonanie otworów w czopach wału korbowego lub na powierzchniach kołnierzy, należy najpierw obrobić czopy i powierzchnie kołnierzy, a dopiero potem wykonać otwory w tych powierzchniach. Ułatwia to zapewnienie dokładności otworów.
3. Najpierw należy obrabiać główne powierzchnie maszyny, a dopiero potem powierzchnie drugorzędne: Planowanie procesu powinno skupiać się na istotnych powierzchniach czopów głównych i czopów korbowodu. Operacje dotyczące powierzchni drugorzędnych można wstawić pomiędzy te operacje.
4. Zgrubna obróbka przed wykończeniem, z oddzielną obróbką zgrubną i wykańczającą: Rozdzielenie obróbki zgrubnej i wykańczającej ma następujące cele.
   1. Zapewnienie jakości obróbki: Podczas obróbki zgrubnej duży naddatek materiału powoduje powstanie dużych sił skrawania i ciepła skrawania. W związku z tym układ obróbczy ulega odkształceniom sprężystym, odkształceniom termicznym oraz powstają wysokie naprężenia szczątkowe w obrabianym elemencie. Obróbka zgrubna nie pozwala na osiągnięcie wysokiej dokładności ani niskiej chropowatości powierzchni. Kolejne operacje muszą stopniowo zmniejszać parametry skrawania i błędy obróbki, aby spełnić wymagania dotyczące jakości elementu. W przypadku półfabrykatów z resztkowymi naprężeniami wewnętrznymi obróbka zgrubna może z czasem doprowadzić do redystrybucji tych naprężeń i spowodować odkształcenia. Rozdzielenie obróbki zgrubnej od wykańczającej pozwala uniknąć wpływu odkształceń związanych z naprężeniami na obróbkę wykańczającą; pozostałe odkształcenia można również wyeliminować na późniejszych etapach obróbki wykańczającej.
   2. Wczesne wykrywanie wad związanych z pustymi miejscami: Obróbka zgrubna pozwala na usunięcie dużej naddatku i umożliwia wczesne wykrycie wad półfabrykatu, co pozwala na terminowe wycofanie go z produkcji lub naprawę oraz pozwala uniknąć strat wynikających z dalszej obróbki.
   3. Należy prawidłowo korzystać z obrabiarek: Do obróbki zgrubnej można wykorzystywać maszyny o dużej mocy i sztywności, ale o umiarkowanej dokładności, natomiast do obróbki wykańczającej stosuje się maszyny o wysokiej dokładności. Pozwala to w pełni wykorzystać możliwości każdej z maszyn. Rozdzielenie obróbki zgrubnej i wykańczającej ma zastosowanie zarówno w przypadku obróbki pojedynczej powierzchni, jak i całego elementu. W miarę jak dokładność odlewów i odkuwek stosowanych w nowoczesnych półfabrykatach motoryzacyjnych stale się poprawia, a całkowity naddatek materiałowy maleje, różnica między etapami obróbki zgrubnej i wykańczającej staje się coraz mniej wyraźna.
5. Należy racjonalnie zaplanować operacje obróbki cieplnej i procesy wzmacniania powierzchni.
6. Wały korbowe są elementami smukłymi, dlatego należy zminimalizować odkształcenia powstające podczas obróbki. Planowanie procesu obróbki wałów korbowych opiera się zazwyczaj na następujących zasadach: obróbka zgrubna przed obróbką wykańczającą; ustalenie punktu odniesienia przed obróbką pozostałych elementów; powierzchnie przed otworami; powierzchnie główne przed powierzchniami drugorzędnymi; oraz czopy główne przed czopami korbowymi.

Przy opracowywaniu planu technologicznego należy uwzględnić następujące zasady: zgodność z programem produkcyjnym, osiągnięcie najlepszego wyniku ekonomicznego oraz aktywne wdrażanie nowych procesów i technologii dostosowanych do programu produkcyjnego.

Plan procesu ocenia się głównie na podstawie trzech kryteriów: jakości, kosztów i terminu realizacji.

Opracowanie ogólnej ścieżki procesu

W przypadku wału korbowego integralnego głównymi materiałami wyjściowymi są stal kuta i żeliwo sferoidalne. Typowe schematy technologiczne są następujące:

• Wał korbowy ze stali kutej: przygotowanie półfabrykatu, kucie, normalizowanie, obróbka zgrubna, hartowanie i odpuszczanie powierzchniowe oraz obróbka wykańczająca.
• Wał korbowy z żeliwa sferoidalnego: odlewanie, normalizowanie, odpuszczanie, obróbka zgrubna, hartowanie i odpuszczanie powierzchniowe oraz obróbka wykańczająca.

Opracowanie procesu obróbki zgrubnej

Do typowych metod obróbki zgrubnej wałów korbowych należą toczenie, frezowanie wewnętrzne, toczenie z przeciąganiem oraz toczenie z dwukrotnym przeciąganiem. Obecnie stosuje się wszystkie cztery metody. Wybór metody zależy od produktu, wielkości produkcji, czasu taktu, wymagań procesowych oraz nakładów inwestycyjnych.

Obrót: zapewnia największą wszechstronność. Frezowanie wewnętrzne: nadaje się do obróbki czopów korbowodu i boków ramion korbowodu, zwłaszcza gdy półfabrykat ma duży naddatek materiałowy. Przecinanie obrotowe: stawia wysokie wymagania wobec półfabrykatu i słabo dostosowuje się do zmian w produkcie, dlatego nadaje się do produkcji jednego produktu na dużą skalę. Przecinanie z nawracaniem: łączy w sobie toczenie i przecinanie; jego dokładność dorównuje dokładności przecinania, wydajność jest niższa niż w przypadku frezowania wewnętrznego, a elastyczność wyższa niż w przypadku przecinania i frezowania wewnętrznego.

W przypadku wału korbowego 4H do obróbki zgrubnej stosuje się połączenie toczenia i frezowania wewnętrznego.

Opracowanie procesu szlifowania

Kolejność szlifowania i jakość obróbki: Nie ma jednoznacznej odpowiedzi na pytanie, czy najpierw należy zeszlifować czopy główne, czy czopy korbowodowe.

1. Szlifowanie czopów głównego wału, a następnie szlifowanie czopów korbowodu: Rozładowanie naprężeń spowodowane szlifowaniem czopu korbowego może sprawić, że bicie czopu głównego przekroczy dopuszczalną wartość, a zjawisko to jest trudne do opanowania.
2. Szlifowanie czopów korbowych, a następnie szlifowanie czopów głównych: Zmiana układu odniesienia może spowodować, że błąd promienia korbowodu przekroczy dopuszczalną wartość; jest to trudne do kontrolowania i wymaga dodatkowego sprzętu.

Wraz z rozwojem technologii obróbki zgrubnej czopów wału korbowego oraz technologii hartowania znacznie zmniejszyła się naddatka na szlifowanie. Odkształcenia i naprężenia szlifierskie są mniejsze, a precyzyjne szlifowanie czopów można wykonać w jednym przejściu, co pozwala zrezygnować z szlifowania półwykończeniowego i upraszcza proces.

Pęknięcia i przypalenia powstające podczas szlifowania, zwłaszcza na szerokich powierzchniach oporowych, bicie czopów głównych oraz dokładność położenia czopów korbowodowych względem czopów głównych – w tym bicie promieniowe, promień korbowodu i równoległość – stanowią kluczowe czynniki, które należy uwzględnić przy projektowaniu procesu szlifowania.

Z punktu widzenia procesu produkcyjnego, jeśli wpływ siły szlifowania czopów korbowych na odkształcenie wału korbowego można utrzymać w granicach dopuszczalnego bicia czopów głównych, szlifowanie czopów głównych przed czopami korbowymi stanowi zoptymalizowany proces o prostej ścieżce realizacji i niskich nakładach inwestycyjnych. Operacje służące wyłącznie do ustalenia położenia w procesie są czynnościami nieprzynoszącymi wartości dodanej i należy je ograniczyć lub wyeliminować.

Wybór punktu odniesienia do pozycjonowania wału korbowego

Na przykładzie wału korbowego silnika 4H: wał ten posiada cztery czopy korbowe i pięć czopów głównych. W celu wyboru punktu odniesienia promieniowego na wale korbowym silnika rzędowego jako punkty odniesienia promieniowe można wykorzystać otwory środkowe na obu końcach lub czopy główne, takie jak linia łącząca środki pierwszego i piątego czopu głównego lub linia łącząca dwa otwory środkowe.

Dostępnych jest kilka punktów odniesienia osiowych. Aby ograniczyć ruch osiowy i zapobiec przesunięciu osiowemu spowodowanemu siłami osiowymi, jako punkty odniesienia osiowe wykorzystuje się występ, czyli powierzchnię oporową, czwartego czopu głównego oraz powierzchnię czołową czopu kołnierzowego.

Ponieważ wał korbowy jest częścią o złożonej budowie, posiada on również kilka punktów odniesienia kątowych, takich jak występ kątowy na wyważce pierwszego czopu głównego, pierwszy czop korbowy oraz otwory kątowe w kołnierzu.

1. Wybór punktu odniesienia dla obróbki zgrubnej wału korbowego 4H: Półfabrykaty wału korbowego mają zazwyczaj zakrzywiony kształt. Aby zapewnić, że otwory środkowe na obu końcach zostaną wywiercone w geometrycznych środkach powierzchni czołowych, punkt odniesienia zgrubnego w kierunku promieniowym wybiera się na podstawie średnic zewnętrznych czopów w pobliżu obu końców. Punktem odniesienia osiowego są występy po obu stronach trzeciego czopu głównego. Ponieważ ramiona korbowe po obu stronach trzeciego czopu głównego znajdują się w środkowej części wału korbowego, wykorzystanie ich jako punktu odniesienia zgrubnego zmniejsza błąd położenia w pozostałych ramionach korbowych. Jako kątowy punkt odniesienia zgrubnego wybiera się kątowy występ procesowy na obciążniku wyważającym pierwszego czopu głównego.
2. Wybór punktu odniesienia precyzyjnego wału korbowego 4H: Ponieważ powierzchnia wału korbowego ma złożony kształt, posiada ona wiele punktów odniesienia precyzyjnych. W trakcie całego procesu obróbki wykorzystuje się dwa z nich: najważniejsze to otwory środkowe na obu końcach, a drugim są pierwszy i piąty czop główny. Dostępnych jest również kilka osiowych punktów odniesienia precyzyjnych, w tym otwory centralne, powierzchnia czołowa połączenia kołnierza z czopem oraz występ, czyli powierzchnia oporowa, czwartego czopa głównego. W większości przypadków do precyzyjnego pozycjonowania kątowego wykorzystuje się otwory technologiczne w kołnierzu, które ograniczają swobodę obrotu podczas szlifowania czopów głównych i czopów korbowych. Pierwszy czop korbowy jest również sporadycznie wykorzystywany jako punkt odniesienia do pozycjonowania kątowego.