Am Beispiel der Bearbeitung eines neuen Motorzylinderkopfs untersucht diese Studie den Herstellungsprozess hinsichtlich der Positionsgenauigkeitsanforderungen für Getriebemontage-/Positionierungslöcher und Doppelnockenwellenlöcher. Durch den Vergleich verschiedener Kontrollmethoden wird ein neuer Ansatz zur Positionsgenauigkeitskontrolle vorgeschlagen; Die NC-Makroprogrammierung wird verwendet, um die Bearbeitungskoordinaten für die Positionierungslöcher zu berechnen und so effektiv die erforderliche Genauigkeit des Mittenabstands zwischen den Getriebebefestigungs-/Positionierungslöchern und den beiden Nockenwellenlöchern sicherzustellen.
TEIL 1
Einführung
Das Werk entwickelt einen brandneuen Motor, der auf die Abgasnorm „China VII“ abzielt und eine überlegene Emissionsleistung und führende technische Spezifikationen anstrebt. Um eine präzise Steuerung des Einlass- und Auslassluftstroms innerhalb der Brennkammer zu erreichen, verwendet der Motor eine Struktur mit zwei obenliegenden Nockenwellen (DOHC). Das neue Produkt stellt strenge Installationsanforderungen an die Zahnräder, die mit dem Doppelnockenwellen-Antriebssystem verbunden sind. Daher ist die effektive Sicherstellung der Positionsgenauigkeit der Getriebebefestigungs-/Positionierungslöcher eine entscheidende Herausforderung bei der Probeproduktion und Bearbeitung des Zylinderkopfs.
TEIL 2
Anforderungen an die Teilebearbeitung und Prozessanalyse
2.1 Gängige Bearbeitungsprozesse für Nockenwellenlöcher und Getriebemontage-/Positionierungslöcher
Die Positionsgenauigkeitsanforderungen für die Nockenwellenlöcher und Getriebemontage-/Positionierlöcher sind in Abbildung 1 dargestellt. Die Positionstoleranz für die beiden -obenliegenden-Nockenwellenlöcher ist mit φ0,2 mm angegeben, während die Genauigkeitsanforderung für den Mittenabstand zwischen den Getriebemontage-/Positionierungslöchern und den Nockenwellenlöchern ±0,03 mm beträgt.
Abbildung 1: Anforderungen an die Positionsgenauigkeit für Nockenwellenlöcher und Getriebemontage-/Positionierungslöcher
Durch die Bearbeitung der beiden Nockenwellenlöcher und der Getriebebefestigungs-/Positionierungslöcher in einer einzigen Aufspannung (Spannung) wird deren relative Positionsgenauigkeit effektiv gewährleistet. Üblicherweise kommen zwei etablierte Bearbeitungslösungen zum Einsatz:
1) Unter Verwendung einer speziellen Mehrspindel--Kopfausrüstung: Mit einer einzigen Aufspannung und einer speziellen Bohrvorrichtung [1] werden die Nockenwellenlöcher und Getriebemontage-/Positionierungslöcher gleichzeitig entweder von derselben Seite oder von gegenüberliegenden Seiten des Werkstücks aus bearbeitet. Diese Ausrüstung erfordert jedoch eine hohe Kapitalinvestition (mehr als 10 Millionen RMB) und bietet eine geringe Vielseitigkeit.
2) Verwendung eines großen horizontalen Bearbeitungszentrums: Mit einer einzigen Aufspannung und einer speziellen Bohrvorrichtung greift die Maschinenspindel automatisch in eine Reihenbohrstange [2] ein. Die Nockenwellenlöcher werden zunächst von einer Seite des Werkstücks bearbeitet; Anschließend werden das Werkstück und das Reihenbohrwerkzeug gemeinsam um 180 Grad gedreht, und eine Bohrlehre wird verwendet, um die Befestigungs-/Positionierungslöcher für das Getriebe zu bearbeiten. Dieses Bearbeitungsschema erfordert, dass die Ausrüstung innerhalb der Bearbeitungszone über einen großen sicheren Schwenkradius verfügt; Darüber hinaus stellt der Abstand zwischen den beiden Nockenwellenbohrungen besondere Anforderungen an die Außenabmessungen des Spindelkastens. Der vergrößerte Schwenkradius und die spezifischen Anforderungen an den Spindelkasten führen zu einem starken Anstieg der Anschaffungskosten der Ausrüstung.
Beide oben genannten Systeme sind mit hohen Investitionskosten für die Ausrüstung verbunden und die Schwierigkeit, die Präzision spezieller Werkzeuge und Vorrichtungen anzupassen, nimmt exponentiell zu. Die derzeitigen Anlagenkapazitäten können die Anforderung nicht erfüllen, gleichzeitig die beiden Nockenwellenbohrungen und die Getriebebefestigungs-/-positionierungslöcher in einer einzigen Aufspannung zu bearbeiten.
2.2 Analyse der Präzisionssteuerung des Lochabstands -zu-
Da die derzeitigen technischen Möglichkeiten die gleichzeitige Bearbeitung der Doppelnockenwellenbohrungen und der Getriebebefestigungs-/Positionierungslöcher in einer einzigen Aufspannung nicht zulassen, muss ein Prozessablauf übernommen werden, bei dem zuerst die Doppelnockenwellenbohrungen bearbeitet werden, gefolgt von einer Prozessänderung zur Bearbeitung der Zahnradbefestigungs-/Positionierungslöcher. Positionierungsfehler und Verschiebungen der tatsächlichen Position der Doppelnockenwellenbohrungen während des Prozessübergangs können dazu führen, dass der Abstand zwischen den Getriebemontage-/Positionierungslöchern und den Doppelnockenwellenbohrungen die Toleranzgrenzen überschreitet.
Um die Anforderungen an die Positionsbeziehungen zwischen den Getriebebefestigungs-/Positionierlöchern und den Doppelnockenwellenbohrungen zu erfüllen, wird die Machbarkeit der folgenden gängigen Bearbeitungsmethoden analysiert.
(1) Methode mit festen Koordinaten (Toleranzzuordnungsmethode): Bei der Methode mit festen Koordinaten werden die Getriebebefestigungs-/Positionierungslöcher auf der Grundlage der in den Konstruktionszeichnungen oder der Prozessdokumentation angegebenen Koordinatenwerte bearbeitet, nachdem die Doppelnockenwellenbohrungen bearbeitet wurden. Um die erforderliche Genauigkeit des Lochabstands -zu- von ±0,03 mm zwischen den Getriebebefestigungs-/Positionierlöchern und den Doppelnockenwellenbohrungen sicherzustellen, muss der Bearbeitungsbezugswert für die Zahnradmontage-/Positionierlöcher während der Prozessplanung mit dem der Doppelnockenwellenbohrungen ausgerichtet werden und die endgültige Abstandstoleranz muss über eine Positionsmaßkette zugewiesen werden [3]. Die Summe der Positionstoleranzen für die Doppelnockenwellenbohrungen und die Getriebebefestigungs-/Positionierungslöcher beträgt 0,06 mm; Die Toleranzverteilung ist in Abbildung 2 dargestellt.
Abbildung 2: Schematische Darstellung der Positionstoleranzverteilung für Doppelnockenwellenbohrungen und Getriebemontage-/Positionierlöcher
Die Positionstoleranz für die Doppelnockenwellenbohrungen beträgt φ0,03 mm und die Positionstoleranz für die Getriebemontage-/Positionierlöcher beträgt φ0,03 mm. Basierend auf den Ergebnissen der Positionsbemaßungskettenzuordnung erfordern die Doppelnockenwellenbohrungen und die Getriebebefestigungspositionslöcher während ihrer jeweiligen Bearbeitungsvorgänge eine hohe Positionsgenauigkeit. Eine Analyse der Positionierungsfehler für jeden Vorgang zeigt, dass Fehler bei der Datumsverschiebung das Hauptproblem darstellen. Das Werkstück wird mit der Methode „eine-Fläche, zwei-Stifte“ positioniert. Der maximale Abstand zwischen den Fixierstiften und den entsprechenden Löchern am Werkstück beträgt φ0,035 mm [4], und die Bearbeitungsausrüstung hat eine Wiederholgenauigkeit von φ0,01 mm. Wenn nur die Auswirkungen von Werkstückpositionierungsfehlern und Maschinenwiederholgenauigkeit berücksichtigt werden, können die Anforderungen an die Positionsgenauigkeit für die einzelnen Vorgänge -Bearbeitung der Doppelnockenwellenbohrungen und der Bohrungen für die Zahnradmontageposition-nicht erfüllt werden; Folglich entspricht die Genauigkeit des Mittenabstands zwischen den Getriebebefestigungslöchern und den Nockenwellenbohrungen nicht den Konstruktionsspezifikationen.
(2) Datumskompensationsmethode: Bei dieser Methode werden die tatsächlichen Mittelpunktskoordinaten der Nockenwellenbohrungen als Bearbeitungsbezugspunkt für die Bohrungen für die Getriebemontagepositionen verwendet-und der Bearbeitungsbezugspunkt effektiv mit dem Konstruktionsbezugspunkt ausgerichtet. Dieser Ansatz eliminiert Fehler, die durch eine Fehlausrichtung des Bezugspunkts und eine Verschiebung des Bezugspunkts verursacht werden [5] und hat sich bei Anwendungen mit einer obenliegenden Nockenwelle (SOHC) als wirksam erwiesen. Für Anwendungen mit doppelter obenliegender Nockenwelle (DOHC) ist ein Positionsausgleich für beide Nockenwellenbohrungen erforderlich. Bei der Kompensationsmethode wird der Ursprung des Bearbeitungskoordinatensystems für die Getriebemontagepositionslöcher auf den Mittelpunkt der X- und Y-Koordinaten der beiden Nockenwellenbohrungen (X1, Y1 und X2, Y2) festgelegt. Konkret sind die Ursprungskoordinaten als X=(X1 + X2) / 2 und Y=(Y1 + Y2) / 2 definiert. Die Datumskompensationsmethode birgt Qualitätsrisiken. Wenn sich beispielsweise die tatsächlichen Mittelkoordinaten von Nockenwellenbohrung 1 und Nockenwellenbohrung 2 um 0,1 mm entlang der Die Positionstoleranz der beiden Nockenwellenbohrungen bleibt innerhalb der Spezifikationen. Obwohl in diesem Szenario der berechnete Ursprung für das Bearbeitungskoordinatensystem des Zahnradmontage-/Positionierungslochs-und die tatsächliche Bearbeitungsposition des Lochs-unverändert bleiben, haben sich die tatsächlichen Positionen der beiden Nockenwellenbohrungen verschoben, wodurch sich der Abstand zwischen dem Zahnradmontage-/Positionierungsloch und den beiden Nockenwellenbohrungen geändert hat. Daher stellt bei einer Konfiguration mit zwei -Nockenwellen-bohrungen die Verwendung der Bezugspunktkompensationsmethode zur Steuerung der Positionsgenauigkeit zwischen der Zahnradbefestigungs-/Positionierungsbohrung und den Nockenwellenbohrungen ein Qualitätsrisiko dar.
TEIL 3
Positionsgenauigkeitskontrolle für die Getriebemontage-/Positionierungsbohrung
3.1 Erstellen eines mathematisch-geometrischen Modells
Die Position der Zahnradbefestigungs-/Positionierungsbohrung ist als Schnittpunkt zweier Kreisbögen definiert: einer ist auf der Achse der Nockenwellenbohrung 1 und der andere auf der Achse der Nockenwellenbohrung 2 zentriert, wobei die Radien den angegebenen Abständen zwischen der Zahnradbefestigungs-/Positionierungsbohrung und den jeweiligen Nockenwellenbohrungen entsprechen. Die physikalische Analyse bestätigt, dass es nur einen solchen Schnittpunkt gibt; Die tatsächliche Koordinatenposition des Zahnradbefestigungs-/Positionierungslochs variiert als Reaktion auf Änderungen in den Mittelkoordinaten der beiden Nockenwellenbohrungen. Darauf aufbauend wurde ein neues Bearbeitungsverfahren entwickelt. Durch den Einsatz von -prozessinterner Messtechnik, geometrischen Prinzipien und NC-Programmierung-und der Einbeziehung der tatsächlichen Mittelpunktskoordinaten der Doppelnockenwellenbohrungen neben den erforderlichen Abständen zur Zahnradmontage-/-positionierungsbohrung-errechnet das System automatisch die Bearbeitungskoordinaten für die Zahnrad-Montage-/Positionierungsbohrung und führt sie aus, wodurch die Anforderungen an die Positionsgenauigkeit relativ zu den Doppelnockenwellenbohrungen erfüllt werden.
Abbildung 3 zeigt das geometrische Modell, das die Positionsbeziehung zwischen den beiden Nockenwellenbohrungen und der Zahnradbefestigungs-/Positionierungsbohrung zeigt. Hier stellen CA und BA die Konstruktionsabstände (in mm) zwischen der Getriebemontage-/Positionierungsbohrung und den Nockenwellenbohrungen dar (mit CA=BA), und das Bearbeitungskoordinatensystem (Berechnungskoordinatensystem) wird mit der Mitte der Nockenwellenbohrung 2 als Ursprung festgelegt. Abbildung 3: Geometrisches Modell, das die Positionsbeziehung zwischen den beiden Nockenwellenbohrungen und dem Positionierungsloch für die Getriebebefestigung zeigt
3.2 Mathematischer Berechnungsprozess
Nachdem das Werkstück positioniert und montiert wurde, werden mithilfe der Prozessinspektionstechnologie die Koordinaten der Mittelpunkte der Nockenwellenbohrung 1 und der Nockenwellenbohrung 2 innerhalb des Koordinatensystems der Werkzeugmaschine ermittelt, die mit (XB, YB) bzw. (XC, YC) bezeichnet werden und die Koordinaten (XA, YA) für den Mittelpunkt (Punkt A) der Zahnradbefestigungsbohrung berechnen. Der Berechnungsprozess ist wie folgt: ∠2=∠1; CE=BC/2; ∠3=∠4 − ∠2. Daraus können die Koordinaten von Punkt A (der Mitte des Zahnradbefestigungslochs) relativ zum Ursprung des Bearbeitungskoordinatensystems abgeleitet werden. 3.3 NC-Programmkonvertierung
Bei der eigentlichen Bearbeitung muss der mathematische Berechnungsprozess in ein NC-Programm umgesetzt werden. Am Beispiel eines CNC-Systems von Siemens [6] werden die Koordinaten (XB, YB) und (XC, YC) der Mittelpunkte der Nockenwellenbohrung 1 und der Nockenwellenbohrung 2-, die durch prozessbegleitende Inspektion oder andere technische Mittel-erhalten wurden, in die Maschinenvariablen R201, R202, R301 und R302 eingelesen; Die erforderlichen Mittelpunkt-zu-Mittenabstände BA (zwischen der Zahnradbefestigungsbohrung und Nockenwellenbohrung 1) und CA (zwischen der Zahnradbefestigungsbohrung und Nockenwellenbohrung 2) werden in die Variablen R401 und R402 eingelesen. Das Programm zur Berechnung der Bearbeitungskoordinaten der Mitte der Getriebebefestigungsbohrung lautet wie folgt. R201=XB; Schreiben Sie die X--Koordinate des Mittelpunkts von Nockenwellenloch 1 in die Maschinenbenutzervariable R201. R202=YB; Schreiben Sie die Y--Koordinate der Mitte von Nockenwellenloch 1 in die Maschinenbenutzervariable R202. R301=XC; Schreiben Sie die X--Koordinate des Mittelpunkts von Nockenwellenloch 2 in die Maschinenbenutzervariable R301. R302=YC; Schreiben Sie die Y--Koordinate der Mitte von Nockenwellenloch 2 in die Maschinenbenutzervariable R302. R401=BA; Schreiben Sie den Mittelpunkt-zu-Abstand zwischen der Zahnradmontage-Positionierungsbohrung und der Nockenwellenbohrung 1 in die Maschinenbenutzervariable R401. R402=CA; Schreiben Sie den Mittelpunkt-zu-Mittenabstand zwischen der Zahnradmontage-Positionierungsbohrung und der Nockenwellenbohrung 2 in die Maschinenbenutzervariable R402. R501=R301-R201; Berechnen Sie den Abstand zwischen den Mittelpunkten von Nockenwellenloch 1 und Nockenwellenloch 2 entlang der X--Achse. R502=R202-R302; Berechnen Sie den Abstand zwischen den Mittelpunkten von Nockenwellenloch 1 und Nockenwellenloch 2 entlang der Y-Achse. R503=ATAN2(R502, R501); Berechnen Sie den Wert von ∠1 (in Grad). R504=SQRT(R501* R501+ R502* R502); Berechnen Sie die Länge des Liniensegments BC (mm) R506=R504/2; Berechnen Sie die Länge des Liniensegments CE (mm) R507=ACOS(R506/R402); Berechnen Sie den Wert von ∠4 (Grad) R508=R507-R503; Berechnen Sie den Wert von ∠3 (Grad) R509=SIN(R508)*R402; Berechnen Sie die Länge des Liniensegments AF (mm) R510=COS(R508)*R402; Berechnen Sie die Länge des Liniensegments CF (mm) R101=R301-R510; Berechnen Sie die X-Achsen-Koordinate der Mitte des Zahnradbefestigungslochs relativ zur Mitte des Nockenwellenlochs 2 R102=R302-R509; Berechnen Sie die Y-Achsen-Koordinate der Mitte der Zahnradbefestigungsbohrung relativ zur Mitte von Nockenwellenloch 2.
Die in den Makrovariablen R101 und R102 gespeicherten Werte stellen die Koordinaten des Mittelpunkts A der Getriebemontage-Positionierungsbohrung dar; Im nachfolgenden Bearbeitungsprogramm erfolgt die Bearbeitung auf Basis der berechneten Mittelpunktskoordinaten A (R101, R102). Die Bearbeitungskoordinaten für das Zahnradbefestigungsloch werden unter Verwendung der tatsächlichen mechanischen Koordinaten von Nockenwellenloch 1 und Nockenwellenloch 2 als Referenzen während des spezifischen Bearbeitungsvorgangs für dieses Loch berechnet; Dadurch werden Fehler vermieden, die durch eine Fehlausrichtung oder Verschiebung des Bezugspunkts verursacht werden. Folglich wird die gesamte Positionstoleranz von 0,06 mm für den Abstand zwischen der Zahnradbefestigungsbohrung und den Nockenwellenlöchern 1 und 2 in diesem einzigen Arbeitsgang berücksichtigt, ohne dass die Positionsgenauigkeit der Nockenwellenlöcher 1 und 2 aus vorangegangenen Arbeitsgängen berücksichtigt werden muss. Bei der Bearbeitung unterschiedlicher Werkstücke variieren die tatsächlichen Positionskoordinaten (R101, R102) des Zahnradbefestigungslochs entsprechend den Änderungen der tatsächlichen Mittelkoordinaten der Nockenwellenlöcher 1 und 2 und bleiben nicht fest. Die praktische Überprüfung der Bearbeitung zeigt, dass die Abstandstoleranz zwischen Mitte{19}}zu- zwischen der Getriebebefestigungs-/Positionierungsbohrung und den Doppelnockenwellenbohrungen innerhalb von ±0,01 mm kontrolliert werden kann, wodurch die Konstruktionsspezifikationen vollständig erfüllt werden.
3.4 Innovationen
Die wesentlichen Neuerungen dieser Bearbeitungsmethode sind folgende:
1) Es bietet eine neuartige Bearbeitungsstrategie, die die Herausforderung der Steuerung der Positionsgenauigkeit zwischen der Zahnradmontage-/Positionierungsbohrung und den Doppelnockenwellenbohrungen löst. Bei der Bearbeitung der Getriebemontage-/Positionierungsbohrung werden die Bearbeitungskoordinaten auf der Grundlage der tatsächlichen Positionen der Nockenwellenlöcher und der erforderlichen Positionsbeziehung zwischen der Getriebemontage-/Positionierungsbohrung und den Nockenwellenlöchern berechnet; Mit diesen berechneten Koordinaten wird dann die Bearbeitung durchgeführt. Die tatsächlichen Bearbeitungskoordinaten für die Zahnradbefestigungs-/Positionierbohrung passen sich dynamisch an die tatsächlichen Positionen von Nockenwellenloch 1 und Nockenwellenloch 2 an und stellen so die erforderliche Genauigkeit des Abstands zwischen der Zahnradmontage-/Positionierungsbohrung und den Nockenwellenlöchern sicher.
2) Es integriert geometrische Prinzipien mit der NC-Makroprogrammierung, um die automatische Berechnung der Bearbeitungskoordinaten für die Zahnradmontage-/Positionierungsbohrung zu ermöglichen. Es wurde ein geometrisches Modell erstellt, das die Positionsbeziehung zwischen der Zahnradmontage-/-positionierungsbohrung und den beiden Nockenwellenlöchern definiert, und der Berechnungsprozess für die Mittelkoordinaten der Zahnrad-Montage-/Positionierungsbohrung wurde abgeleitet; Anschließend wird die NC-Makroprogrammierung genutzt, um diese Koordinatenberechnung zu automatisieren.
3) Es nutzt eine flexible prozessinterne Messtechnik, um den Bearbeitungsbezugspunkt mit dem Konstruktionsbezugspunkt auszurichten und so Positionierungsfehler zu vermeiden. Während der Bearbeitung der Zahnradbefestigungs-/Positionierbohrung misst ein Messtaster automatisch die Koordinaten von Nockenwellenloch 1 und Nockenwellenloch 2 innerhalb des Maschinenkoordinatensystems. Diese Messwerte fließen dann in den Berechnungsprozess ein, um die Bearbeitungskoordinaten für die Getriebeaufnahme-/Aufnahmebohrung zu ermitteln. Dieser integrierte Prozess gleicht gleichzeitig den Bearbeitungsbezugspunkt mit dem Konstruktionsbezugspunkt aus und eliminiert so Positionierungsfehler effektiv.
4) Es reduziert die Bearbeitungsschwierigkeiten, die mit dem vorangegangenen Arbeitsgang der Herstellung von Nockenwellenloch 1 und Nockenwellenloch 2 verbunden sind. Die Bearbeitungskoordinaten für das Zahnradbefestigungsloch werden auf der Grundlage der tatsächlichen Positionen von Nockenwellenloch 1 und Nockenwellenloch 2 berechnet. Dieser Ansatz stellt keine besonderen Anforderungen an die Positionsgenauigkeit oder Konsistenz der in der vorherigen Stufe bearbeiteten Nockenwellenlöcher, wodurch die Schwierigkeit der Anpassung und Steuerung der Bearbeitungsgenauigkeit für diese Stufe verringert wird.
TEIL 4
Abschluss
In diesem Artikel wird der Herstellungsprozess im Hinblick auf die Anforderungen an die Positionsgenauigkeit für das Positionierungsloch für die Zahnradmontage und die Löcher für die Doppelnockenwelle untersucht. Durch ein innovatives Bearbeitungsschema, die Erstellung eines mathematischen geometrischen Modells und den Vorschlag einer neuen Methode zur Steuerung der Positionsgenauigkeit werden die Bearbeitungskoordinaten für das Positionierungsloch mithilfe eines NC-Makroprogramms basierend auf der räumlichen Beziehung zwischen dem Positionierungsloch und den beiden Nockenwellenlöchern berechnet. Dies löst effektiv die Herausforderung, strenge -Anforderungen an die Genauigkeit der Lochabstände-zu erfüllen, die andernfalls nur schwer zu gewährleisten sind-und bietet eine Lösung für die Bearbeitung ähnlicher Getriebelochkonfigurationen.
