Izvedena je bila analiza procesa nepravilne ekscentrične strukture uravnoteženega kolena v obliki črke Z-, pa tudi težav pri obdelavi zaradi njegove velike velikosti, visoke natančnosti in nezmožnosti vpetja. Predlagana je bila standardizirana shema obdelave. Zasnovano je bilo posebno vpenjalo za stružnico, ki je primerno za obdelavo več modelov in velikih serij izdelkov, s čimer se rešuje težave visoke težavnosti obdelave, nestabilne kakovosti in nizke učinkovitosti obdelave uravnoteženega komolca v obliki črke Z-.
01
Uvod
Ravnotežno koleno je osrednja komponenta sistema vzmetenja posebnih vozil na gosenicah. Deluje v povezavi z elastičnimi elementi, kot sta torzijska gred in blažilnik, da zagotovi elastično podporo za karoserijo vozila in cestno kolo [1]. Ravnotežno koleno lahko prenese veliko količino udarne energije, ki nastane zaradi gibanja kolesa gor{3}}in-dol, na torzijsko gred, ublaži in absorbira energijo tresljajev, zmanjša udarno silo na karoserijo vozila, izboljša udobje potnikov, zmanjša poškodbe sestavnih delov ter zagotovi stabilnost in manevriranje vozila pri vožnji po slabih cestah [2]. Splošni sklop uravnoteženega kolena vključuje utorno gred, uravnoteženo koleno in gred cestnega kolesa. Ravnotežno koleno v obliki črke Z- je integrirano ravnotežno koleno, ki združuje vse tri komponente. Integrirano ravnotežno koleno ima značilnosti visoke okretnosti, visoke zanesljivosti in majhne teže ter se pogosto uporablja v sodobnih posebnih vozilih [3]. 02
Analiza strukture in izzivov obdelovanja uravnoteženega kolena v obliki črke Z-
Struktura uravnoteženega kolena v obliki črke Z-, kot je prikazano na sliki 1, je ekscentrična struktura nepravilne oblike. Je velike velikosti in težke, zahteva visoko hitrost odstranjevanja materiala, visoko dimenzijsko in pozicijsko natančnost ter dolg obdelovalni cikel s številnimi postopki. Vključuje različno opremo in obrti, vključno s horizontalnimi vrtalnimi stroji, CNC stružnicami, obdelovalnimi centri, stroji za vlečenje in stroji za žično erozijo. V prejšnji proizvodnji so bile v vsakem koraku postopka izpostavljene številne težave, kot so iz--tolerančne mere zunanjega kroga gredi, neporavnanost med luknjo za utor in zunanjim krogom, ne-vzporednost med osema velike gredi (gred z utorom) in majhne gredi (gred bremenskega kolesa), podstandardna hrapavost površine, neuravnotežen čas procesnega cikla in nizek učinkovitost strojne obdelave, kar resno vpliva na kakovost izdelka in razpored dostave.
03
Procesna shema
Obdelovalni postopek uravnoteženega kolena v obliki črke Z: Grobo vrtanje čelne ploskve in notranje luknje → Grobo struženje velike gredi → Grobo struženje majhne gredi → Končno vrtanje čelne ploskve in notranje luknje → Končno struženje velike gredi → Končno struženje majhne gredi → Rezkanje zunanje oblike in vrtanje → Raztezanje (žični EDM zlepek). Surovec izdelka je kovanka. Pri grobem in končnem obdelavi velikih in majhnih gredi je potrebno posebno stružnico s protiutežmi. To vpenjalo uravnoteži centrifugalno silo, ki nastane med vrtenjem obdelovanca, s čimer zmanjša vibracije in poveča hitrost vretena ter učinkovito izboljša natančnost obdelave izdelka in hitrost rezanja.
04
Postopek obdelave
(1) Grobo vrtanje končnih ploskev in notranjih lukenj: uporablja se CNC horizontalni vrtalni stroj. Na vsaki strani ostane 2 mm dodatka za končne ploskve in notranje luknje. Glavna funkcija tega postopka je hitro odstranjevanje velike količine materiala in ustvarjanje središčnih lukenj za grobo-obdelane zunanje premere velikih in majhnih gredi. CNC vodoravni vrtalni stroj ima 360-stopinjsko vrtljivo delovno mizo, ki omogoča univerzalno obdelavo v ravnini XOY v eni nastavitvi. Obdeluje lahko štiri končne ploskve in notranje luknje hkrati, pri čemer zagotavlja, da so središčne luknje procesa na obeh koncih velike in majhne gredi koaksialne in da so središčnice velike in majhne gredi vzporedne. Grobo vrtanje končnih ploskev in notranjih lukenj je prikazano na sliki 2, kjer debela polna črta predstavlja obdelano površino.
Slika 2. Grobo vrtanje čelne ploskve in notranje luknje
(2) Grobo struženje velike gredi: Obdelava se izvaja na CNC stružnici z 1,5 mm dodatka na vsaki strani zunanjega premera. Glavna funkcija tega postopka je hitro odstranjevanje velike količine materiala in ustvarjanje referenčnega procesa za končno vrtanje čelne ploskve in notranje luknje. Ker se težišče ravnotežnega kolena v obliki črke Z- med struženjem premakne iz središča vrtenja, je za uravnoteženje centrifugalne sile, zmanjšanje vibracij in povečanje hitrosti vretena potrebna posebna vpenjalna naprava za stružnico s protiutežmi. Grobo struženje velike gredi je prikazano na sliki 3.
Slika 3. Grobo struženje velike gredi
(3) Grobo struženje majhne gredi: obdelava se izvaja na CNC stružnici, z dodatkom 1,5 mm na vsaki strani zunanjega premera in čelne ploskve. Glavna funkcija tega postopka je hitro odstranjevanje velike količine materiala in sprostitev obdelovalne napetosti. Grobo struženje majhne gredi je prikazano na sliki 4. Po grobem struženju imata velika in mala gred pravilen zunanji premer. Objemka v obliki AV- se uporablja za bolj stabilno končno obdelavo med končnim vrtanjem.
Slika 4. Grobo struženje majhne gredi
(4) Končno vrtanje čelne ploskve in notranje luknje: To se izvede z uporabo CNC vodoravnega vrtalnega stroja z grobim struženjem zunanjega premera velike gredi kot referenčne točke postopka in referenčne točke vpenjanja. Glavna funkcija tega postopka je strojna obdelava štirih čelnih ploskev in notranje luknje izdelka na končno velikost, s čimer se zagotovi natančnost dimenzij in površinska hrapavost, hkrati pa ustvari posneti rob za končno struženje zunanjih premerov velikih in majhnih gredi. Končno vrtanje čelne ploskve in notranje luknje je prikazano na sliki 5, kjer debela polna črta predstavlja površino, obdelano v tem procesu.
Slika 5. Končno vrtanje čelne ploskve in notranje luknje
(5) Končno struženje velike gredi: To se izvede z uporabo CNC stružnice, ki obdeluje zunanji premer do končne velikosti, kar zagotavlja dimenzijsko natančnost, geometrijsko natančnost in hrapavost površine. Ta postopek uporablja posnetje, ustvarjeno med zaključnim vrtanjem notranje luknje, kot vpenjalno izhodišče, ki zagotavlja soosnost zunanjega premera in notranje izvrtine velike gredi. Končno struženje velike gredi je prikazano na sliki 6.
Slika 6. Natančno struženje glavne gredi
(6) Natančno struženje majhne gredi: z uporabo CNC stružnice se zunanji premer obdela na končno velikost, kar zagotavlja dimenzijsko natančnost, geometrijsko natančnost in hrapavost površine. Ta postopek uporablja posnetje, narejeno med natančnim vrtanjem notranje luknje, kot referenco za vpenjanje in pozicioniranje, kar zagotavlja soosnost zunanjega premera majhne gredi in notranje luknje ter vzporednost srednjih linij majhne gredi in glavne gredi. Natančno struženje majhne gredi je prikazano na sliki 7.
Slika 7. Natančno struženje majhne gredi
(7) Rezkanje zunanje oblike in vrtanje: z navpičnim obdelovalnim centrom se zunanja oblika izdelka obdela do želenega položaja in izvrtajo se luknje za moznike. Rezkanje zunanje oblike in vrtanje je prikazano na sliki 8, kjer debele polne črte predstavljajo obdelane površine v tem procesu.
Slika 8. Rezkanje zunanje oblike in vrtanje
(8) Raztegovanje utora (žični EDM utor): Ko je serija izdelkov velika, se ta postopek običajno izvede z uporabo raztezalnega stroja z orodjem za raztezanje, kar zagotavlja učinkovitost proizvodnje in doslednost dimenzij lukenj v utoru. Ko raztegovanje ni na voljo in je velikost serije majhna, lahko ta postopek izvedete z žično erozijo. Zunanji premer glavne gredi služi kot referenčna točka za vpenjanje in pozicioniranje, ki zagotavlja soosnost luknje z utorom z zunanjim premerom glavne gredi. Raztegnjeni zlepek (žični-EDM zlepek) je prikazan na sliki 9, kjer debela polna črta predstavlja površino, obdelano v tem procesu.
Slika 9: Raztegnjeni utor (žični-EDM utor)
Na tej točki je izdelek z uravnoteženim komolcem v obliki črke Z zaključil vse postopke obdelave. Nadaljnji postopki vključujejo odkrivanje napak in površinsko obdelavo.
05
Namenska naprava za stružnico
Namensko pritrjevanje stružnice vključuje komponente, kot so prirobnica, podvozje, podporno telo, središče, protiutež in pritrdilni vijaki [4, 5].
Prirobnica služi kot povezovalna komponenta med stružnico in vpenjalom. Običajno se uporablja standardna prirobnica. En konec je povezan z vretenom CNC stružnice skozi stožčasto luknjo, drugi konec pa je povezan s šasijo skozi lokacijsko izboklino, kar zagotavlja, da je središče vrtenja vpenjala stružnice poravnano z vretenom stružnice.
Podvozje, ki služi kot osnova vpenjala stružnice, ima podolgovat krožni utor. Nanj sta pritrjena podporno telo in dve protiuteži, ta tri-točkovna porazdelitev mase pa zagotavlja bolj gladko vrtenje obdelovanca med obdelavo, zmanjšanje vibracij ter izboljšanje zunanje cilindrične natančnosti in kakovosti površine izdelka.
Podporno telo, privarjeno na šasijo, ima tudi podolgovat krožni utor z dimenzijami, ki se ujemajo z dimenzijami utora šasije. Ta utor ima dva namena: zmanjšanje skupne teže vpenjala stružnice in preprečevanje motenj med ne-obdelovalno osjo uravnoteženega kolena v obliki črke Z- in vpenjalo stružnice. Več sklopov pritrdilnih vijakov je nameščenih na obeh koncih utora za pritrditev ne-obdelovalne osi izravnalnega kolena v obliki črke Z-. Oblika podolgovatega krožnega utora omogoča strojno obdelavo uravnoteženih komolcev v obliki črke Z različnih velikosti in modelov z uporabo te vpenjalne naprave za stružnico, s čimer se doseže več-namenska funkcionalnost.
Središče in omejevalnik položaja nosilnega telesa sta nameščena skupaj in privarjena na nosilno telo. Med obdelavo središče in središče repa stružnice podpirata oba konca obdelovalne osi obdelovalne osi uravnoteženega kolena v obliki črke Z, s čimer se doseže konfiguracija dvojnega-centralnega vpenjanja. Da bi zagotovili, da je površina stožca za pozicioniranje središča koaksialna z vretenom stružnice, mora biti površina stožca za pozicioniranje središča natančno-obdelana na stružnici, potem ko je vpenjalo stružnice zvarjeno skupaj. Protiutež je sestavljena iz več plošč protiuteži v obliki pahljača-. Število plošč protiuteži je mogoče prilagoditi za uravnoteženje centrifugalne sile, ki nastane med strojno obdelavo različnih modelov izravnalnih komolcev v obliki črke Z-. Dve protiuteži sta enakomerno razporejeni pod kotom 120 stopinj glede na težišče nosilca, s čimer je bolje zagotovljeno dinamično ravnotežje med strojno obdelavo izdelka.
Za prilagoditev obdelavi uravnoteženih kolen različnih velikosti v obliki črke Z- je na obeh straneh dolgega ovalnega utora nosilnega telesa nameščenih več kompletov pritrdilnih vijakov. Položaji vpenjanja pritrdilnih vijakov so prikazani na sliki 10. Središčna črta vsakega kompleta pritrdilnih vijakov je višja od razdalje H med središčem zunanjega kroga neobdelane osi uravnoteženega kolena v obliki črke Z-. Ta metoda vpenjanja zagotavlja, da je vpenjalna sila pritrdilnih vijakov na Z-oblikovanem uravnoteženem kolenu nasprotna centrifugalni sili, kar učinkovito zmanjša centrifugalno silo, ki nastane, ko se obdelovanec vrti. Vpenjalna stanja za obdelavo majhnih gredi in velikih gredi so prikazana na slikah 11 oziroma 12.
Slika 10. Shematski diagram položaja vpenjanja pritrdilnega vijaka
Slika 11. Stanje vpenjanja pri obdelavi majhne gredi
Slika 12. Stanje vpenjanja pri obdelavi velike gredi
06
Preverjanje rezultatov obdelave
Trenutno se ta obdelovalni postopek uravnoteženega kolena v obliki črke Z in namensko vpenjalo za stružnico uporabljata na proizvodni liniji že več kot eno leto. S tem postopkom je strojno obdelanih več modelov in velikih serij izdelkov z uravnoteženim kolenom v obliki črke Z, kar ima za posledico stabilno in zanesljivo kakovost izdelka ter znatno izboljšano učinkovitost obdelave. To v celoti preveri izvedljivost in učinkovitost postopka in namenske stružnice. Fotografija nekaterih korakov obdelave uravnoteženega kolena v obliki črke Z je prikazana na sliki 13.
a) Grobo vrtanje čelne strani in notranje luknje
b) Grobo struženje glavne gredi
c) Končno izvrtajte čelno stran in notranjo luknjo
Slika 13: Dejanske fotografije postopka obdelave uravnoteženega komolca v obliki črke Z-
07
Zaključek
Postopek obdelave in posebna vpenjalna naprava za stružnico za izravnalno koleno v obliki črke Z-, predlagana v tem dokumentu, sta uporabna za obdelavo različnih modelov izdelkov z uravnoteženim kolenom v obliki črke Z-, ne glede na material izdelka ali vrsto surovca. Zagotavlja celoten postopek in pristop vpenjanja za to vrsto izdelka, s čimer rešuje težave z visoko težavnostjo obdelave, nezmožnostjo vpenjanja, nestabilno kakovostjo izdelka in nizko učinkovitostjo obdelave, ki jo povzročajo nepravilna ekscentrična struktura, velika velikost, velika teža in visoke zahteve glede natančnosti uravnoteženega kolena v obliki črke Z. Preverjanje na terenu kaže, da lahko ta postopek strojne obdelave zagotovi, da izdelki z uravnoteženim kolenom v obliki črke Z izpolnjujejo zahteve glede natančnosti načrtovanja, zmanjšajo težave pri strojni obdelavi in izboljšajo doslednost kakovosti izdelka in učinkovitost strojne obdelave.
