Tomando como ejemplo el mecanizado de la culata de un nuevo motor, este estudio investiga el proceso de fabricación con respecto a los requisitos de precisión posicional para los orificios de montaje/ubicación de engranajes y los orificios de doble árbol de levas. Al comparar varios métodos de control, se propone un nuevo enfoque para el control de precisión posicional; La programación macro-NC se utiliza para calcular las coordenadas de mecanizado para los orificios de ubicación, lo que garantiza de manera efectiva la precisión requerida de la distancia entre centros-a-entre los orificios de montaje/ubicación del engranaje y los dos orificios del árbol de levas.
PARTE 1
Introducción
La fábrica está desarrollando un motor-nuevo que cumple con los estándares de emisiones "China VII", con el objetivo de lograr un rendimiento de emisiones superior y especificaciones técnicas líderes. Para lograr un control preciso sobre el flujo de aire de admisión y escape dentro de la cámara de combustión, el motor emplea una estructura de doble árbol de levas-en cabeza-(DOHC). El nuevo producto impone estrictos requisitos de instalación en los engranajes que interactúan con el sistema de transmisión de doble árbol de levas-; en consecuencia, garantizar de manera efectiva la precisión posicional de los orificios de montaje/ubicación de los engranajes es un desafío crítico en la producción de prueba y el mecanizado de la culata.
PARTE 2
Requisitos de mecanizado de piezas y análisis de procesos
2.1 Procesos de mecanizado comunes para orificios de árboles de levas y orificios de montaje/ubicación de engranajes
Los requisitos de precisión posicional para los orificios del árbol de levas y los orificios de montaje/ubicación de los engranajes se ilustran en la Figura 1. La tolerancia posicional para los orificios del árbol de levas-en cabeza-doble se especifica como φ0,2 mm, mientras que el requisito de precisión para la distancia de centro-a-centro entre los orificios de montaje/ubicación de los engranajes y los orificios del árbol de levas es ±0,03 mm.
Figura 1: Requisitos de precisión posicional para orificios de árbol de levas y orificios de montaje/ubicación de engranajes
El mecanizado de los orificios dobles del árbol de levas y de los orificios de montaje/ubicación de los engranajes en una sola configuración (sujeción) garantiza de manera efectiva su precisión posicional relativa. Normalmente se utilizan dos soluciones de mecanizado establecidas:
1) Utilizando equipo especializado de cabezal múltiple--husillo: con una única configuración y una plantilla de mandrinado dedicada [1], los orificios del árbol de levas y los orificios de montaje/ubicación de engranajes se mecanizan simultáneamente desde el mismo lado o desde lados opuestos de la pieza de trabajo. Sin embargo, este equipo implica una elevada inversión de capital (superando los 10 millones de RMB) y ofrece poca versatilidad.
2) Usando un centro de mecanizado horizontal grande: con una única configuración y una plantilla de mandrinado dedicada, el husillo de la máquina engancha automáticamente una línea-barra de mandrinado [2]. Los orificios del árbol de levas se mecanizan primero desde un lado de la pieza de trabajo; Posteriormente, la pieza de trabajo y la herramienta de perforación lineal-se giran 180 grados juntas y se utiliza una plantilla de perforación para mecanizar los orificios de montaje/ubicación de los engranajes. Este esquema de mecanizado requiere que el equipo tenga un gran radio de giro seguro dentro de la zona de mecanizado; Además, la distancia entre los orificios dobles de los árboles de levas impone requisitos específicos sobre las dimensiones exteriores de la caja del husillo. El mayor radio de giro y los requisitos específicos de la caja del husillo provocan un fuerte aumento en el coste de adquisición del equipo.
Ambos esquemas antes mencionados implican altos costos de inversión en equipos, y la dificultad de ajustar la precisión de herramientas y accesorios especializados aumenta exponencialmente. Las capacidades actuales del equipo no pueden satisfacer el requisito de mecanizar simultáneamente los orificios de los árboles de levas dobles y los orificios de montaje/ubicación de engranajes en una sola configuración.
2.2 Análisis del control de precisión del espaciado entre orificios-a-agujeros
Como las capacidades técnicas actuales no permiten el mecanizado simultáneo de los orificios de los árboles de levas dobles y los orificios de montaje/ubicación de los engranajes en una sola configuración, se debe adoptar un flujo de proceso en el que los orificios de los árboles de levas dobles se mecanicen primero, seguido de un cambio de proceso para mecanizar los orificios de montaje/ubicación de los engranajes. Los errores de posicionamiento y los cambios en la ubicación real de los orificios del doble árbol de levas durante la transición del proceso pueden causar que el espacio entre los orificios de montaje/ubicación de los engranajes y los orificios del doble árbol de levas exceda los límites de tolerancia.
Para cumplir con los requisitos de relación posicional entre los orificios de montaje/ubicación de engranajes y los orificios de los árboles de levas dobles, se analiza la viabilidad de los siguientes métodos de mecanizado comunes.
(1) Método de coordenadas fijas (método de asignación de tolerancia): el método de coordenadas fijas implica mecanizar los orificios de montaje/ubicación de los engranajes según los valores de coordenadas especificados en los dibujos de ingeniería o la documentación del proceso después de que se hayan mecanizado los orificios del árbol de levas doble. Para garantizar la precisión requerida de espaciado entre orificios-a-de ±0,03 mm entre los orificios de montaje/ubicación de los engranajes y los orificios de los árboles de levas duales, la referencia de mecanizado para los orificios de montaje/ubicación de los engranajes debe estar alineada con la de los orificios de los árboles de levas duales durante la planificación del proceso, y la tolerancia de espaciado final debe asignarse mediante una cadena de dimensiones posicionales [3]. La suma de las tolerancias posicionales para los orificios del doble árbol de levas y los orificios de montaje/ubicación de los engranajes es de 0,06 mm; la asignación de tolerancia se ilustra en la Figura 2.
Figura 2: Esquema de asignación de tolerancia posicional para orificios de doble árbol de levas y orificios de montaje/ubicación de engranajes
La tolerancia posicional para los orificios de los árboles de levas dobles es φ0,03 mm, y la tolerancia posicional para los orificios de montaje/ubicación de engranajes es φ0,03 mm. Según los resultados de la asignación de la cadena de dimensiones posicionales, los orificios del doble árbol de levas y los orificios de ubicación de montaje del engranaje requieren una alta precisión posicional durante sus respectivas operaciones de mecanizado. Un análisis de los errores de posicionamiento para cada operación revela que el error de desplazamiento del datum es el problema principal. La pieza de trabajo se coloca utilizando un método de "una-cara, dos-pasadores"; el espacio libre máximo entre los pasadores de ubicación y los orificios correspondientes en la pieza de trabajo es φ0,035 mm [4], y el equipo de mecanizado tiene una repetibilidad de φ0,01 mm. Al considerar únicamente los efectos del error de posicionamiento de la pieza de trabajo y la repetibilidad de la máquina, no se pueden cumplir los requisitos de precisión posicional para las operaciones individuales-mecanizado de los orificios del árbol de levas doble y los orificios de ubicación de montaje de los engranajes-; en consecuencia, la precisión de la distancia entre centros-a-entre los orificios de ubicación de montaje de los engranajes y los orificios del árbol de levas no satisface las especificaciones de diseño.
(2) Método de compensación de referencia: este método implica utilizar las coordenadas centrales reales de los orificios del árbol de levas como referencia de mecanizado para los orificios de ubicación de montaje de engranajes-alineando efectivamente la referencia de mecanizado con la referencia de diseño. Este enfoque elimina los errores causados por la desalineación del punto de referencia y el cambio de punto de referencia [5] y ha demostrado ser eficaz para aplicaciones de árbol de levas en cabeza único (SOHC). Para aplicaciones de doble árbol de levas en cabeza (DOHC), se requiere compensación posicional para ambos orificios del árbol de levas. El método de compensación implica establecer el origen del sistema de coordenadas de mecanizado para los orificios de ubicación de montaje de los engranajes en el punto medio de las coordenadas X e Y de los dos orificios del árbol de levas (X1, Y1 y X2, Y2); En concreto, las coordenadas de origen se definen como X=(X1 + X2) / 2 e Y=(Y1 + Y2) / 2. El método de compensación del dato conlleva riesgos de calidad. Por ejemplo, si las coordenadas centrales reales del orificio 1 del árbol de levas y del orificio 2 del árbol de levas se desplazan hacia afuera 0,1 mm a lo largo del eje X- mientras permanecen sin cambios a lo largo del eje Y-, las coordenadas centrales se convierten en (X1 − 0,1, Y1) para el orificio 1 y (X2 + 0.1, Y2) para el orificio 2; la tolerancia posicional de los orificios del doble árbol de levas se mantiene dentro de las especificaciones. En este escenario, aunque el origen calculado para el sistema de coordenadas de mecanizado del orificio de montaje/ubicación del engranaje-y la posición de mecanizado real del orificio-permanecen sin cambios, las posiciones reales de los orificios de los árboles de levas dobles han cambiado, alterando así la distancia entre el orificio de montaje/ubicación del engranaje y los dos orificios del árbol de levas. Por lo tanto, para una configuración de orificio de -árbol de levas-doble, utilizar el método de compensación de referencia para controlar la precisión posicional entre el orificio de montaje/ubicación del engranaje y los orificios del árbol de levas plantea un riesgo de calidad.
PARTE 3
Control de precisión posicional para el orificio de montaje/ubicación del engranaje
3.1 Establecimiento de un modelo matemático-geométrico
La posición del orificio de montaje/ubicación del engranaje se define como la intersección de dos arcos: uno centrado en el eje del orificio del árbol de levas 1 y el otro en el eje del orificio del árbol de levas 2, con radios correspondientes a las distancias especificadas entre el orificio de montaje/ubicación del engranaje y los respectivos orificios del árbol de levas. El análisis físico confirma que sólo existe un punto de intersección; la posición de coordenadas real del orificio de montaje/ubicación del engranaje varía en respuesta a cambios en las coordenadas centrales de los dos orificios del árbol de levas. A partir de esto se desarrolló un nuevo método de mecanizado. Al utilizar en-tecnología de medición de procesos, principios geométricos y programación NC-e incorporar las coordenadas centrales reales de los orificios de los árboles de levas duales junto con las distancias requeridas hasta el orificio de montaje/ubicación del engranaje-el sistema calcula y ejecuta automáticamente las coordenadas de mecanizado para el orificio de montaje/ubicación del engranaje, cumpliendo así con los requisitos de precisión posicional en relación con los orificios del árbol de levas duales.
La Figura 3 ilustra el modelo geométrico que muestra la relación posicional entre los orificios del doble árbol de levas y el orificio de montaje/ubicación del engranaje. Aquí, CA y BA representan las distancias de diseño (en mm) entre el orificio de montaje/ubicación del engranaje y los orificios del árbol de levas (con CA=BA), y el sistema de coordenadas de mecanizado (sistema de coordenadas de cálculo) se establece con el centro del orificio del árbol de levas 2 como origen. Figura 3: Modelo geométrico que muestra la relación posicional entre los orificios del árbol de levas doble y el orificio de ubicación del montaje del engranaje
3.2 Proceso de cálculo matemático
Después de posicionar y montar la pieza de trabajo, en-la tecnología de inspección de procesos se utiliza para determinar las coordenadas de los centros de los orificios 1 y 2 del árbol de levas dentro del sistema de coordenadas de la máquina herramienta-indicado como (XB, YB) y (XC, YC), respectivamente-y para calcular las coordenadas (XA, YA) para el centro (punto A) del orificio de ubicación del montaje del engranaje. El proceso de cálculo es el siguiente: ∠2=∠1; CE=antes de Cristo/2; ∠3=∠4 − ∠2. A partir de esto, se pueden derivar las coordenadas del punto A (el centro del orificio de ubicación del montaje del engranaje) con respecto al origen del sistema de coordenadas de mecanizado.. 3.3 Conversión del programa NC
Durante el mecanizado real, el proceso de cálculo matemático debe convertirse en un programa NC. Utilizando un sistema CNC Siemens como ejemplo [6], las coordenadas (XB, YB) y (XC, YC) de los centros del orificio del árbol de levas 1 y del orificio del árbol de levas 2-obtenidas mediante-inspección durante el proceso u otros medios técnicos-se leen en las variables de la máquina R201, R202, R301 y R302; las distancias requeridas entre centros-a-BA (entre el orificio de ubicación del montaje del engranaje y el orificio del árbol de levas 1) y CA (entre el orificio de ubicación del montaje del engranaje y el orificio del árbol de levas 2) se leen en las variables R401 y R402. El programa para calcular las coordenadas de mecanizado del centro del orificio de localización del montaje del engranaje es el siguiente. R201=XB; Escriba la coordenada X-del centro del orificio 1 del árbol de levas en la variable de usuario de la máquina R201. R202=YB; Escriba la coordenada Y-del centro del orificio 1 del árbol de levas en la variable de usuario de la máquina R202. R301=XC; Escriba la coordenada X-del centro del orificio 2 del árbol de levas en la variable de usuario de la máquina R301. R302=YC; Escriba la coordenada Y-del centro del orificio 2 del árbol de levas en la variable de usuario de la máquina R302. R401=BA; Escriba la distancia de centro-a-centro entre el orificio de ubicación del montaje del engranaje y el orificio 1 del árbol de levas en la variable de usuario de la máquina R401. R402=CA; Escriba la distancia de centro-a-centro entre el orificio de ubicación del montaje del engranaje y el orificio 2 del árbol de levas en la variable de usuario de la máquina R402. R501=R301-R201; Calcule la distancia entre los centros del orificio 1 del árbol de levas y el orificio 2 del árbol de levas a lo largo del eje X-. R502=R202-R302; Calcule la distancia entre los centros del orificio 1 del árbol de levas y el orificio 2 del árbol de levas a lo largo del eje Y. R503=ATAN2(R502, R501); Calcula el valor de ∠1 (en grados). R504=SQRT(R501* R501+ R502* R502); calcular la longitud del segmento de línea BC (mm) R506=R504/2; calcular la longitud del segmento de línea CE (mm) R507=ACOS(R506/R402); calcular el valor de ∠4 (grado) R508=R507-R503; calcular el valor de ∠3 (grado) R509=SIN(R508)*R402; calcular la longitud del segmento de línea AF (mm) R510=COS(R508)*R402; calcular la longitud del segmento de línea CF (mm) R101=R301-R510; calcule la coordenada del eje X del centro del orificio de ubicación del montaje del engranaje en relación con el centro del orificio del árbol de levas 2 R102=R302-R509; Calcule la coordenada del eje Y del centro del orificio de ubicación del montaje del engranaje en relación con el centro del orificio 2 del árbol de levas.
Los valores almacenados en las macro variables R101 y R102 representan las coordenadas del punto central del orificio de ubicación del montaje del engranaje A; en el programa de mecanizado posterior, el mecanizado se realizará en función de las coordenadas centrales calculadas A (R101, R102). Las coordenadas de mecanizado para el orificio de localización del montaje del engranaje se calculan utilizando las coordenadas mecánicas reales del orificio 1 del árbol de levas y del orificio 2 del árbol de levas como referencias durante la operación de mecanizado específica para ese orificio; esto elimina los errores causados por la desalineación o el desplazamiento del datum. En consecuencia, toda la tolerancia posicional de 0,06 mm para la distancia entre el orificio de ubicación del montaje del engranaje y los orificios 1 y 2 del árbol de levas se tiene en cuenta dentro de esta única operación, sin necesidad de considerar la precisión posicional de los orificios 1 y 2 del árbol de levas de operaciones anteriores. Al mecanizar diferentes piezas de trabajo, las coordenadas de posición reales (R101, R102) del orificio de ubicación del montaje del engranaje variarán de acuerdo con los cambios en las coordenadas centrales reales de los orificios 1 y 2 del árbol de levas, en lugar de permanecer fijas. La verificación práctica del mecanizado demuestra que la tolerancia de distancia entre centros-a-entre el orificio de montaje/ubicación del engranaje y los orificios dobles del árbol de levas se puede controlar dentro de ±0,01 mm, cumpliendo plenamente con las especificaciones de diseño.
3.4 Innovaciones
Las principales innovaciones de este método de mecanizado son las siguientes:
1) Proporciona una nueva estrategia de mecanizado que resuelve el desafío de controlar la precisión posicional entre el orificio de montaje/ubicación del engranaje y los orificios dobles del árbol de levas. Al mecanizar el orificio de montaje/ubicación del engranaje, las coordenadas de mecanizado se calculan en función de las posiciones reales de los orificios del árbol de levas y la relación posicional requerida entre el orificio de montaje/ubicación del engranaje y los orificios del árbol de levas; Luego se realiza el mecanizado utilizando estas coordenadas calculadas. Las coordenadas de mecanizado reales para el orificio de montaje/ubicación del engranaje se ajustan dinámicamente de acuerdo con las posiciones reales del orificio 1 del árbol de levas y del orificio 2 del árbol de levas, asegurando así la precisión requerida de la distancia entre el orificio de montaje/ubicación del engranaje y los orificios del árbol de levas.
2) Integra principios geométricos con la macro programación NC para permitir el cálculo automático de las coordenadas de mecanizado para el orificio de montaje/ubicación del engranaje. Se estableció un modelo geométrico que define la relación posicional entre el orificio de montaje/ubicación del engranaje y los dos orificios del árbol de levas, y se derivó el proceso de cálculo para las coordenadas centrales del orificio de montaje/ubicación del engranaje; Luego se utiliza la programación de macros NC para automatizar este cálculo de coordenadas.
3) Emplea tecnología de medición de procesos flexible en-para alinear la referencia de mecanizado con la referencia de diseño, eliminando así errores de posicionamiento. Durante el mecanizado del orificio de montaje/ubicación del engranaje, una sonda mide automáticamente las coordenadas del orificio 1 del árbol de levas y del orificio 2 del árbol de levas dentro del sistema de coordenadas de la máquina herramienta. Estos valores medidos luego se ingresan en el proceso de cálculo para determinar las coordenadas de mecanizado para el orificio de montaje/ubicación del engranaje. Este proceso integrado alinea simultáneamente la referencia de mecanizado con la referencia de diseño, eliminando efectivamente los errores de posicionamiento.
4) Reduce la dificultad de mecanizado asociada con la operación anterior de producir el orificio 1 del árbol de levas y el orificio 2 del árbol de levas. Las coordenadas de mecanizado para el orificio de ubicación del montaje del engranaje se calculan basándose en las posiciones reales del orificio 1 del árbol de levas y el orificio 2 del árbol de levas. Este enfoque no impone requisitos especiales con respecto a la precisión posicional o la consistencia de los orificios del árbol de levas procesados en la etapa anterior, reduciendo así la dificultad de ajustar y controlar la precisión del mecanizado para esa etapa.
PARTE 4
Conclusión
Este artículo investiga el proceso de fabricación con respecto a los requisitos de precisión posicional para el orificio de ubicación del montaje del engranaje y los orificios dobles del árbol de levas. A través de un esquema de mecanizado innovador, el establecimiento de un modelo geométrico-matemático y la propuesta de un nuevo método de control de precisión posicional, las coordenadas de mecanizado para el orificio de localización se calculan utilizando un macroprograma NC basado en la relación espacial entre el orificio de localización y los dos orificios del árbol de levas. Esto resuelve eficazmente el desafío de cumplir con estrictos-requisitos de precisión de espaciado de orificios-que de otro modo serían difíciles de garantizar-y proporciona una solución para mecanizar configuraciones de orificios de trenes de engranajes similares.
