Byla provedena procesní analýza nepravidelné excentrické struktury vyvažovacího kolena ve tvaru Z- a také obtíží při obrábění kvůli jeho velkým rozměrům, vysoké přesnosti a nemožnosti upnutí. Bylo navrženo standardizované schéma obrábění. Byl navržen speciální soustružnický přípravek, který je vhodný pro obrábění více modelů a velkých sérií výrobků, řešící problémy vysoké obtížnosti obrábění, nestabilní kvality a nízké efektivity obrábění vyvažovacího kolena tvaru Z-.
01
Zavedení
Vyvažovací koleno je základní součástí systému zavěšení pásových speciálních vozidel. Funguje ve spojení s elastickými prvky, jako je torzní hřídel a tlumič nárazů, aby poskytly pružnou podporu karoserii vozidla a silničnímu kolu [1]. Vyvažovací koleno může přenést velké množství nárazové energie generované pohybem jízdního kola nahoru-a{4}}do torzního hřídele, tlumit a absorbovat vibrační energii, snížit sílu nárazu na karoserii vozidla, zlepšit pohodlí cestujících, snížit poškození součástí a zajistit stabilitu a ovladatelnost vozidla při jízdě na nerovných vozovkách [2]. Sestava obecného vyvažovacího kolena obsahuje drážkovaný hřídel, vyvažovací koleno a hřídel silničního kola. Balanční koleno ve tvaru Z- je integrované balanční koleno, které kombinuje všechny tři komponenty. Integrované balanční koleno se vyznačuje vysokou manévrovatelností, vysokou spolehlivostí a nízkou hmotností a je široce používáno v moderních speciálních vozidlech [3]. 02
Analýza struktur a obráběcích výzev balančního lokte ve tvaru Z-
Struktura balančního lokte ve tvaru Z{0}}, jak je znázorněna na obrázku 1, je nepravidelně tvarovaná excentrická struktura. Má velké rozměry a vysokou hmotnost, vyžaduje vysokou rychlost úběru materiálu, vysokou rozměrovou a polohovou přesnost a dlouhý obráběcí cyklus s mnoha procesy. Zahrnuje různá zařízení a řemesla, včetně horizontálních vyvrtávaček, CNC soustruhů, obráběcích center, protahovaček a drátových EDM strojů. V předchozí výrobě byly v každém kroku procesu odhaleny četné problémy, jako jsou mimo{5}}ne-toleranční rozměry vnějšího kruhu hřídele, nesouosost mezi drážkovaným otvorem a vnějším kruhem,-nerovnoběžnost mezi osami velkého hřídele (drážkový hřídel) a malého hřídele (hřídel zátěžového kola), nestandardní drsnost povrchu, nevyvážená doba cyklu obrábění a kvalita výroby.
03
Schéma procesu
Proces obrábění vyvažovacího kolena ve tvaru Z-: Hrubé vyvrtávání čelní plochy a vnitřní díry → Hrubé soustružení velké hřídele → Hrubé soustružení malého hřídele → Dokončovací vyvrtávání čelní plochy a vnitřní díry → Dokončovací soustružení velké hřídele → Dokončovací soustružení malé hřídele → Frézování vnějšího tvaru a vrtání → Protahování (drátová EDM drážka). Polotovar výrobku je zápustkový výkovek. Při hrubování a dokončování velkých a malých hřídelí je zapotřebí speciální upínač soustruhu s protizávažím. Tento přípravek vyrovnává odstředivou sílu generovanou během otáčení obrobku, čímž snižuje vibrace a zvyšuje otáčky vřetena, čímž účinně zlepšuje přesnost obrábění produktu a řeznou rychlost.
04
Proces obrábění
(1) Hrubé vyvrtávání čelních ploch a vnitřních otvorů: Používá se CNC horizontální vyvrtávačka. Na každé straně je ponechána rezerva 2 mm jak pro čelní plochy, tak pro vnitřní otvory. Hlavní funkcí tohoto procesu je rychlé odstranění velkého množství materiálu a vytvoření procesních středových otvorů pro hrubé-obrobené vnější průměry velkých a malých hřídelí. CNC horizontální vyvrtávačka má pracovní stůl otočný o 360 stupňů, což umožňuje univerzální obrábění v rovině XOY v jednom nastavení. Může obrábět čtyři čelní plochy a vnitřní otvory najednou, což zajišťuje, že procesní středové otvory na obou koncích velkého a malého hřídele jsou koaxiální a že středové čáry velkého a malého hřídele jsou rovnoběžné. Hrubé vyvrtávání čelních ploch a vnitřních otvorů je znázorněno na obrázku 2, kde tlustá plná čára představuje obrobený povrch.
Obrázek 2. Hrubé vyvrtání čelní plochy a vnitřní díry
(2) Hrubé soustružení velké hřídele: Obrábění se provádí na CNC soustruhu s přídavkem 1,5 mm na každou stranu vnějšího průměru. Hlavní funkcí tohoto procesu je rychlé odstranění velkého množství materiálu a vytvoření procesní reference pro dokončovací vyvrtávání čelní plochy a vnitřní díry. Protože se těžiště vyvažovacího kolena ve tvaru Z- při soustružení posouvá ze středu otáčení, je zapotřebí speciální přípravek soustruhu s protizávažím, který vyrovnává odstředivou sílu, snižuje vibrace a zvyšuje otáčky vřetena. Hrubé soustružení velkého hřídele je znázorněno na obrázku 3.
Obrázek 3. Hrubé otáčení velkého hřídele
(3) Hrubé soustružení malého hřídele: Obrábění se provádí na CNC soustruhu s přídavkem 1,5 mm na každé straně vnějšího průměru a čelní plochy. Hlavní funkcí tohoto procesu je rychlé odstranění velkého množství materiálu a uvolnění napětí při obrábění. Hrubé soustružení malého hřídele je znázorněno na obrázku 4. Po hrubém soustružení mají velký a malý hřídel pravidelný vnější průměr. Svorka ve tvaru AV- se používá pro stabilnější dokončovací práce při dokončovacím vyvrtávání.
Obrázek 4. Hrubé otáčení malého hřídele
(4) Dokončení vyvrtávání čelního čela a vnitřního otvoru: To se provádí pomocí CNC horizontálního vyvrtávačky, s hrubým soustružením vnějšího průměru velkého hřídele jako výchozím bodem procesu a upínacím výchozím bodem. Hlavní funkcí tohoto procesu je opracování čtyř čelních ploch a vnitřního otvoru výrobku na konečnou velikost, čímž je zajištěna rozměrová přesnost a drsnost povrchu a zároveň se vytváří zkosení pro dokončovací soustružení vnějších průměrů velkých a malých hřídelí. Dokončovací vyvrtávání čelní plochy a vnitřního otvoru je znázorněno na obrázku 5, kde tlustá plná čára představuje povrch obrobený v tomto procesu.
Obrázek 5. Dokončete vyvrtání čelní plochy a vnitřního otvoru
(5) Dokončovací soustružení velké hřídele: To se provádí pomocí CNC soustruhu, obrábění vnějšího průměru na konečnou velikost, zajišťující rozměrovou přesnost, geometrickou přesnost a drsnost povrchu. Tento proces využívá zkosení vytvořené během dokončovacího vyvrtávání vnitřního otvoru jako upínací základ, čímž je zajištěna souosost vnějšího průměru a vnitřního otvoru velkého hřídele. Dokončení otáčení velkého hřídele je znázorněno na obrázku 6.
Obrázek 6. Přesné otáčení hlavního hřídele
(6) Přesné soustružení malého hřídele: Pomocí CNC soustruhu je vnější průměr obroben na konečnou velikost, což zajišťuje rozměrovou přesnost, geometrickou přesnost a drsnost povrchu. Tento proces využívá zkosení vytvořené během přesného vyvrtávání vnitřního otvoru jako referenční upínací a polohovací referenci, zajišťující souosost vnějšího průměru malého hřídele a vnitřního otvoru, jakož i rovnoběžnost středových linií malého hřídele a hlavního hřídele. Přesné otáčení malého hřídele je znázorněno na obrázku 7.
Obrázek 7. Přesné soustružení malého hřídele
(7) Frézování vnějšího tvaru a vrtání: Pomocí vertikálního obráběcího centra je vnější tvar výrobku opracován do požadované polohy a jsou vyvrtány otvory pro kolíky. Frézování vnějšího tvaru a vrtání je znázorněno na obrázku 8, kde tlusté plné čáry představují obrobené plochy v tomto procesu.
Obrázek 8. Frézování vnějšího tvaru a vrtání
(8) Protahování drážky (drátová EDM drážka): Když je výrobní dávka velká, tento proces se obecně provádí pomocí protahovacího stroje s protahovacím nástrojem, což zajišťuje efektivitu výroby a konzistenci rozměrů drážkovaných otvorů. Když není k dispozici protahovač a velikost dávky je malá, lze tento proces provést pomocí drátěného EDM stroje. Vnější průměr hlavního hřídele slouží jako referenční upínací a polohovací, zajišťující souosost drážkovaného otvoru s vnějším průměrem hlavního hřídele. Protažená drážka (drátová-EDM drážka) je znázorněna na obrázku 9, kde tlustá plná čára představuje povrch obrobený v tomto procesu.
Obrázek 9: Broached Spline (Wire-EDM Spline)
V tomto okamžiku produkt vyvažovacího kolena ve tvaru Z - dokončil všechny procesy obrábění. Následné procesy zahrnují detekci vad a povrchovou úpravu.
05
Dedikovaný přípravek pro soustruh
Vyhrazený přípravek soustruhu obsahuje komponenty, jako je příruba, podvozek, nosné těleso, střed, protizávaží a upevňovací šrouby [4, 5].
Příruba slouží jako spojovací prvek mezi soustruhem a přípravkem. Obvykle se používá standardní příruba. Jeden konec se připojuje k vřetenu CNC soustruhu kuželovým otvorem a druhý konec se připojuje k podvozku pomocí polohovacího nálitku, což zajišťuje, že střed otáčení upínače soustruhu je zarovnán s vřetenem soustruhu.
Podvozek, který slouží jako základna soustruhového přípravku, má podlouhlou kruhovou drážku. Je k němu připevněno nosné těleso a dvě protizávaží a toto tří{1}}rozložení hmoty zajišťuje hladší rotaci obrobku během obrábění, snižuje vibrace a zlepšuje vnější válcovou přesnost a kvalitu povrchu produktu.
Nosné těleso, přivařené k podvozku, má také podlouhlou kruhovou drážku s rozměry odpovídajícími rozměrům drážky podvozku. Tato drážka slouží dvěma účelům: snížení celkové hmotnosti upínače soustruhu a zabránění kolize mezi -osou obrábění vyvažovacího kolena ve tvaru Z- a upínačem soustruhu. Na obou koncích drážky je umístěno několik sad upevňovacích šroubů, které zajišťují -osu obrábění vyvažovacího kolena ve tvaru Z-. Konstrukce podlouhlé kruhové drážky umožňuje obrábění vyvažovacích kolen ve tvaru Z - různých velikostí a modelů pomocí tohoto přípravku soustruhu, čímž je dosaženo víceúčelové funkčnosti.
Střed a polohovací zarážka nosného tělesa jsou smontovány dohromady a přivařeny k nosnému tělesu. Během obrábění podpírá střed a střed koníku soustruhu oba konce osy obrábění vyvažovacího kolena ve tvaru Z-, čímž se dosahuje konfigurace dvojitého-středového upínání. Aby bylo zajištěno, že povrch polohovacího kužele středu je souosý s vřetenem soustruhu, musí být povrch polohovacího kužele středu přesně-obroben na soustruhu po svaření přípravku soustruhu. Protizávaží se skládá z několika desek protizávaží-ve tvaru vějíře. Počet desek protizávaží lze upravit tak, aby se vyrovnala odstředivá síla generovaná při obrábění různých modelů vyvažovacích kolen ve tvaru Z-. Dvě protizávaží jsou rovnoměrně rozmístěna pod úhlem 120 stupňů k těžišti podpěry, čímž je lépe zajištěna dynamická rovnováha při obrábění produktu.
Aby bylo možné obrábět vyvažovací kolena ve tvaru Z{0}} různých velikostí, je na obě strany dlouhé oválné drážky nosného tělesa nainstalováno několik sad upevňovacích šroubů. Upínací polohy upevňovacích šroubů jsou znázorněny na obrázku 10. Středová osa každé sady upevňovacích šroubů je vyšší než vzdálenost H mezi středem vnější kružnice -neobrobené osy vyvažovacího kolena ve tvaru Z-. Tento způsob upínání zajišťuje, že upínací síla upevňovacích šroubů na vyvažovacím kolenu ve tvaru Z- je opačná než odstředivá síla, čímž se účinně snižuje odstředivá síla generovaná při otáčení obrobku. Stavy upnutí pro obrábění malých hřídelí a velkých hřídelů jsou znázorněny na obrázcích 11 a 12, v tomto pořadí.
Obrázek 10. Schéma polohy upnutí upevňovacího šroubu
Obrázek 11. Stav upnutí při obrábění malé hřídele
Obrázek 12. Stav upnutí při obrábění velké hřídele
06
Ověřování výsledků obrábění
V současné době se tento proces obrábění vyvažovacího kolena ve tvaru Z a vyhrazený soustružnický přípravek používají na výrobní lince déle než rok. Tímto procesem se obrábí více modelů a velké série výrobků s vyvažovacím kolenem ve tvaru Z-. Výsledkem je stabilní a spolehlivá kvalita produktu a výrazně zlepšená efektivita obrábění. To plně ověřuje proveditelnost a efektivitu procesu a vyhrazeného soustružnického přípravku. Fotografie některých kroků obrábění vyvažovacího kolena ve tvaru Z- je zobrazena na obrázku 13.
a) Hrubé vyvrtání čelní plochy a vnitřního otvoru
b) Hrubé otáčení hlavního hřídele
c) Dokončete vyvrtání čelní plochy a vnitřního otvoru
Obrázek 13: Aktuální fotografie procesu obrábění vyvažovacího kolena ve tvaru Z-
07
Závěr
Proces obrábění a speciální soustružnický přípravek pro vyvažovací koleno ve tvaru Z- navrhované v tomto dokumentu lze použít pro obrábění různých modelů produktů vyvažovacího kolena ve tvaru Z-, bez ohledu na materiál produktu nebo typ polotovaru. Poskytuje kompletní procesní a upínací přístup pro tento typ výrobku, řeší problémy s vysokou obtížností obrábění, nemožností upnutí, nestabilní kvalitou výrobku a nízkou účinností obrábění způsobenou nepravidelnou excentrickou strukturou, velkými rozměry, vysokou hmotností a vysokými požadavky na přesnost vyvažovacího kolena ve tvaru Z-. Ověření v terénu ukazuje, že tento proces obrábění může zajistit, že produkty vyvažovacího kolena ve tvaru Z- splňují požadavky na přesnost návrhu, snižují obtížnost obrábění a zlepšují konzistenci kvality produktu a efektivitu obrábění.
