CN112453960B - 一种控制大型金属箱体式工件底面加工平面度的方法 - Google Patents

Abstract

一种控制大型金属箱体式工件底面加工平面度的方法，用于大型金属箱体式工件底面平整度的精准控制，涉及机械工件的加工技术领域，具体是一种对大型金属箱体式工件底面实施平整度精确控制的技术领域，包含还原扭转变形量的贝塞尔点确定方法，其中五个支撑件和四个支撑点包括待安装的曲轴座孔同轴度的工件，在工件底面分别设置第一支撑件、第二支撑件、第三支撑件、第四支撑件和第五支撑件，以工件支撑面空间矢量方向为基准，分别构建有四个支撑点位，分别为第一支点、第二支点、第三支点和第四支点，第一支点和第二支点置于工件支撑面的任意一条边b₁上，第三支点和第四支点置于与边b₁相对应的边b₂上；解决了工件上四个支点受力不均而发生变形问题。

Description

一种控制大型金属箱体式工件底面加工平面度的方法

技术领域

一种控制大型金属箱体式工件底面加工平面度的方法，涉及机械工件的加工技术领域，适用于大型箱体式工件内部需要安装很高精确的曲轴座孔同轴度的工件，属于工件加工技术领域，具体是一种对大型金属箱体式工件底面实施平整度精确控制的技术领域。

背景技术

查阅曲轴箱体零件图纸，一般标注有关于底面平面度和曲轴座孔同轴度以及两者之间的平行度等公差要求，规定底面与曲轴座孔的空间形位误差，但在加工中，可能发生底面与曲轴座孔状态不一致的情况，在加工工装夹状态下，底面平面度差，曲轴座孔同轴度合格。

在对零件的检测过程中，参考曲轴座孔坐标，通过调整支点的位置，大多能还原加工状态，数据显示底面平面度和座孔同轴度都合格，但在装配状态下，装配于底座的底面与曲轴座孔的位置关系却可能呈现另一种情形，底面平面度合格，曲轴座孔同轴度差。

基于传统思维，底面只是起联接固定作用，而曲轴座孔装配曲轴传动部件，对于底面的要求往往比曲轴座孔低得多，比如曲轴座孔同轴度0.03mm，底面平面度0.10mm，严重忽略了底面平面度对曲轴座孔同轴度的影响，按此标注，如果联接箱体的底座平面度理想，装配后的曲轴座孔同轴度极端情况下可以是0.23mm，这显然不被允许，事实上，图纸标注的底面平面度对于加工没有任何意义，即使加工出符合图纸要求的底面，到了装配环节，很多都将是次废品，对于底面的加工，唯有遵循更严苛的标准。

两个支点的物体，参考贝塞尔点理论，两个支点位于距离两端各2/9且等距位置时其弯曲变形最小；三个支点的物体，只要物体的重心处于三个支点构成的三角形内，物体始终处于稳定的力矩平衡状态，理想的状态是，物体的重心与三个支点组成的三角形重心重合；四个支点的物体，只有在物体重心所处的三个支点组成的三角形的这三个支点才受力，而另一个支点不受力；四个以上支点的物体也是如此，如果物体没有变形，受力的也只是其中三个支点，以上都是物理非共点力力矩平衡状态，确定物体的重心和支点的位置，可以列出力矩方程，理论上求解各支点受力的大小。

对于底面的加工，两个和三个支点是理想的方案，然而，基于工件材料及结构力学属性、装夹压紧以及切削受力等因素的影响，机械加工的实际情况却是四个及以上支点成为必选，所有的支点都受力且无法量化，造成受力的假象，工件发生了扭转和弯曲变形，理论与实际存在矛盾。

发明内容

基于以上问题，本发明提供了一种控制大型金属箱体式工件底面加工平面度的方法，解决了工件上四个支点受力不均而发生变形的问题。

为解决以上技术问题，本发明采用的技术方案如下：

一种控制大型金属箱体式工件底面加工平面度的方法，包括在工件底面设置的五个支撑件和四个支撑点，本发明的还原扭转变形量的贝塞尔点的确定方法包括如下步骤：

S1、第一支撑件支撑第一支点，第二支撑件支撑第二支点，在边b2上放置第三支撑件和第四支撑件；

S2、在边b2上几何中心位置放置第五支撑件，直到边b2上的第三支撑件和第四支撑件处于未接触工件为止；

S3、移动机床于边b2上任意一端末端对应的工件底面指定位置s1，百分表接触工件直至读数置零，移动机床于边b2上另一端末端对应的工件底面指定位置s2，记录两个位置百分表读数差值m；

S4、调节第三支撑件高度使得第三支撑件与工件接触，调节第四支撑件高度使得第四支撑件与工件接触，移除第五支撑件；

S5、在边b2上调整第三支撑件和第四支撑件位置，直至工件底面指定位置s1和工件底面指定位置s2的百分表读数差值恢复到m为止，此时第三支撑件的位置为第三支点的贝塞尔点，第四支撑件的位置为第四支点的贝塞尔点。

进一步，所述五个支撑件和四个支撑点包括待安装的曲轴座孔同轴度的工件，在工件的底面分别设置第一支撑件、第二支撑件、第三支撑件、第四支撑件和第五支撑件，以工件支撑面空间矢量方向为基准，分别构建四个支撑点位，分别为第一支点、第二支点、第三支点和第四支点，所述第一支点和第二支点置于工件支撑面的任意一条边b1上，所述第三支点和第四支点置于与边b1相对应的边b2上。

进一步，所述第五支撑件为高度调节式支撑件，所述百分表连接在磁力表座上，所述磁力表座置于机床Z轴上。

进一步，所述第一支撑件支撑第一支点，所述第二支撑件支撑第二支点，所述第三支撑件和第四支撑件形成一体式的等臂杠杆分别支撑第三支点和第四支点，所述等臂杠杆的支点与第一支点和第二支点形成等腰三角形。

进一步的，所述第三支点和第四支点为圆弧支点。

优选的，所述第三支撑件和第四支撑件均为高度调节式支撑件，所述第一支点和第二支点置于工件上平面边b1上，所述第三支点和第四支点置于与边b1相对应的边b2上，所述第三支点和第四支点位于边b2还原扭转变形量的贝塞尔点上，所述第一支撑件支撑第一支点，所述第二支撑件支撑第二支点，所述第三支撑件支持第三支点，所述第四支撑件支撑第四支点。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

1、本发明可广泛应用于大型箱体式工件的加工，如天然气压缩机曲轴箱体、大马力柴油机曲轴箱体、石油天然气勘探开发钻井用大功率柴油发动机曲轴箱体及其他大型曲轴箱体的加工。本发明已多次成功应用于本公司外形加工尺寸最大达5x1.3x1.04米、重达9吨的曲轴箱体的加工，配装长达5米、重达3吨的曲轴。经验证，对提高曲轴箱体加工平面度、保证曲轴孔同心度具有明显效果。

2、在本技术发明之前，如果在加工之前不能发现铸件坯体本身的平面度问题，加工完成以后，由于工件金属材料的弹性，加工好的两个面会发生挠曲，曲轴轴瓦孔还会回到原来铸件的不同心度，对于大型曲轴箱体这种情况发生的概率更大。

3、如果工件在加工完成后不经检测就直接使用，由于曲轴箱体加工平面和曲轴孔同心度都具有挠曲，这将造成曲轴和曲轴箱轴瓦支点的严重磨损，乃至烧瓦等严重后果。即使加工完成后进行检测，曲轴孔同心度合格，由于曲轴箱体平面度问题，而导致装配后曲轴孔的同心度不理想，因此现场运行常常出现曲轴烧瓦等故障。

4、本技术可以很好地解决大型曲轴箱体上下面加工平面度和曲轴孔同轴度的问题。通过第一支点、第二支点、第三支点和第四支点分别满足贝塞尔支撑点原理，各点受力相同，形成一个稳定的平衡状态，使得工件的扭转和弯曲变形尽可能达到最小，解决了工件上四个支点受力不均而发生变形的问题。按照本发明进行大型箱体式工件上下两个平面的加工，能实现箱体与曲轴孔的精准配合，达到曲轴孔同心度标准要求。

5、就加工件本体而言，由本技术完成检测加工的一个大型曲轴箱体价值38～110万元，一根大型曲轴价值32～95万元不等，另外，曲轴箱体主要用于天然气增压输送，如果发生烧瓦导致停机，更换同型号曲轴、曲轴箱体及轴瓦等部件，至少需要半个月以上加工、运输、安装等工期，一台压缩机组每天的输气量达100～200万m³，每停产一天，将造成100～200万元的经济损失，同时还可能对国家能源安全造成不良影响。因此，本技术所创造的直接和间接经济效益、社会效益非常显著，具有意想不到技术效果。

附图说明

图1为实施例1的受力分析示意图；

图2为实施例2的结构示意图；

图3为本实施2的另一工作状态结构示意图；

图4为实施例2的另一工作状态结构示意图；

图5为实施例2的受力分析示意图。

其中，工件1、第一支撑件2、第二支撑件3、第三支撑件4、第四支撑件5、第五支撑件6。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步的说明。本发明的实施方式包括但不限于下列实施例。

实施例1

如图1所示，一种控制大型金属箱体式工件底面加工平面度的方法，包括待安装的曲轴座孔同轴度的工件1，第一支撑件2、第二支撑件3、第三支撑件4和第四支撑件5，以工件1支撑面空间矢量方向为基准，构建四个支撑点位分别为第一支点、第二支点、第三支点和第四支点，其中，第三支点和第四支点为圆弧支点，其作用在于减小工件1与第三支撑件4和第四支撑件5之间的摩擦；第一支点和第二支点置于工件1支撑面的任意一条边b1上，第三支点和第四支点置于与边b1相对应的边b2上，第一支撑件2支撑第一支点，第二支撑件3支撑第二支点，第三支撑件4和第四支撑件5形成一体式的等臂杠杆分别支撑第三支点和第四支点，等臂杠杆的支点与第一支点和第二支点形成等腰三角形。

工作原理：进行等臂杠杆的平衡原理分析入下：

1、基于等臂杠杆原理，作用在该等臂杠杆上的两个力矩的大小和等臂杠杆的支点到力F3和F4的距离都相等，即

F3×L3＝F4×L4 (1)

L3＝L4 (2)

其中，F3为第三支撑件4的支撑力，L3为第三支撑件4的力臂，F4为第四支撑件5的支撑力，L4为第四支撑件5的力臂，由公式(1)和公式(2)可得，F3＝F4；

再由作用力＝反作用力可得：F0＝F3+F4 (3)；

2、F4、F1、F2组成等腰三角形，由于F1的力臂L1和F2的力臂L2相等，即L3＝L4，因此，F1＝F2(4)，由公式(3)和公式(4)以及静力学原理可得：

G＝F0+F1+F2 (5)；

其中G为重力，F1为第一支撑件2的支撑力，L1为第一支撑件2的力臂，F2为第二支撑件3的支撑力，L2为第二支撑件3的力臂；

3、第一支点和第二支点的中心取距，根据力矩平衡原理，则有：

F0×a＝G×(a/2) (6)

其中，a为工件1上与边b₁相邻的一条边的长度，将公式(5)带入公式(6)可得：

F0×a＝(F0+F1+F2)×(a/2) (7)

由公式(7)简化后可得：F0＝F1+F2 (8)；

4、由公式(3)和公式(8)可得出F3+F4＝F1+F2,由于F3＝F4，F1＝F2，因此，F1＝F2＝F3＝F4。

基于上述推导过程，可知，等臂杠杆相当于一个平衡装置，始终保持工件1在重力方向的自由度，等臂杠杆的支点与第一支点和第二支点组成的等腰三角形形成稳定的力矩平衡状态，第一支点、第二支点、第三支点和第四支点彼此满足贝塞尔点原理，受力一致，工件1的扭转和弯曲变形最小，解决了工件1上四个支点受力不均而发生变形的问题。

基于上述实施例1进行储气库项目压缩机组实验，得到下表：

检测数据表明，正是由于加工中底面平面度问题，造成装配后的曲轴座孔同轴度发生变化，曲轴在转动中“抱死”，导致严重塑性变形，引发机组故障，单次直接经济损失大，如执行最严苛的标准，将可避免类似故障发生。

基于上述实施例1进行加工精度验证：

任意抽取5只4CFC箱体(尺寸2195mm×792mm×762mm/质量2000kg)，传统加工方法与本加工方案对比

对实施例1方案重复性验证：

任意抽取1只6CFB箱体(尺寸4239mm×1300mm×1045mm/质量10000kg)，传统加工方法加工1次和实施例1加工3次的底面平面度数据：

使用传统加工方法，其加工精度和重复性没有保障，本实施例1将底面平面度和由于底面平面度问题导致的加工次废品率从之前的90％降为0％，成果显著。

实施例2

如图4所示，第三支撑件4和第四支撑件5均为高度调节式支撑件，第一支点和第二支点置于工件1上平面边b1上，第三支点和第四支点置于与边b1相对应的边b2上，第三支点和第四支点位于边b2还原扭转变形量的贝塞尔点上，第一支撑件2支撑第一支点，第二支撑件3支撑第二支点，第三支撑件4支持第三支点，第四支撑件5支撑第四支点。

本实施例中，还包括第五支撑件6、百分表、磁力表座和机床，磁力表座置于机床Z轴上，百分表连接在磁力表座上，第五支撑件6为高度调节式支撑件，边b2还原扭转变形量的贝塞尔点的确定方法包括如下步骤：

S1、如图2所示，翻转状态的工件1底面经粗铣完成，第一支撑件2支撑第一支点，第二支撑件3支撑第二支点，在边b2上放置第三支撑件4和第四支撑件5；

S2、如图3所示，在边b2上几何中心位置放置第五支撑件6，直到边b2上的第三支撑件4和第四支撑件5处于未接触工件1为止；

S3、移动机床于边b2上任意一端末端对应的工件1底面指定位置s1，百分表接触工件1直至读数置零，移动机床于边b2上另一端末端对应的工件1底面指定位置s2，记录两个位置百分表读数差值m；

S4、调节第三支撑件4高度使得第三支撑件4与工件1接触，调节第四支撑件5高度使得第四支撑件5与工件1接触，移除第五支撑件6；

S5、如图4所示，在边b2上调整第三支撑件4和第四支撑件5位置，直至工件1底面指定位置s1和工件1底面指定位置s2的百分表读数差值恢复到m为止，此时第三支撑件4的位置为第三支点的贝塞尔点，第四支撑件5的位置为第四支点的贝塞尔点。

工作原理：如图5所示，将一重量为M的工件1放在受力为F1、F2、F3、F4组成的四边形上，四边形的形心为O，工件1重心坐标为(x,y)，列力矩平衡公式为：

[(F1+F2)-(F3+F4)]×(a/2)-yM＝0 (1)

[(F2+F4)-(F1+F3)]×(b/2)-xM＝0 (2)

F1+F2+F3+F4-M＝0 (3)

其中，F1为第一支撑件2的支撑力，F2为第二支撑件3的支撑力，F3为第三支撑件4的支撑力，F4为第四支撑件5的支撑力，a为工件1上与边b₁相邻的一条边的长度，b第三支撑件4到第四支撑件5的距离，将公式(1)、(2)、(3)求解后得到：

F4＝G/2-F3-yG/a (4)

F2＝F3+yG/a+xG/b (5)

F1＝G/2-F3-xG/a (6)

将工件1的重心与第一支点、第二支点、第三支点和第四支点形成的四边形的形心重合，即x＝0,y＝0，带入公式(4)、(5)、(6)可得：

F1＝F2＝F3＝F4

基于上述推导过程，可知，传统加工工件1时，松开装夹压板，自由状态下的精铣底面，如采用第一支点、第二支点、第三支点和第四支点等高支撑，会形成如图3所示的变形状态，因此，需要通过高度调节式支撑件的第三支撑件4和第四支撑件5来还原工件1的扭转形变，并找寻贝塞尔点。

基于上述实施例2进行储气库项目压缩机组实验，得到下表：

检测数据表明，正是由于加工中底面平面度问题，造成装配后的曲轴座孔同轴度发生变化，曲轴在转动中“抱死”，导致严重塑性变形，引发机组故障，单次直接经济损失大，如执行最严苛的标准，将可避免类似故障发生。

基于上述实施例2进行加工精度验证：

任意抽取5只4CFC箱体(尺寸2195mm×792mm×762mm/质量2000kg)，传统加工方法与本加工方案对比

对实施例2方案重复性验证：

任意抽取1只6CFB箱体(尺寸4239mm×1300mm×1045mm/质量10000kg)，传统加工方法加工1次和实施例1加工3次的底面平面度数据：

使用传统加工方法，其加工精度和重复性没有保障，本实施例2将底面平面度和由于底面平面度问题导致的加工次废品率从之前的90％降为0％，成果显著。

如上即为本发明的实施例。上述实施例以及实施例中的具体参数仅是为了清楚表述发明人的发明验证过程，并非用以限制本发明的专利保护范围，本发明的专利保护范围仍然以其权利要求书为准，凡是运用本发明的说明书及附图内容所作的等同结构变化，同理均应包含在本发明的保护范围内。

Claims (1)

1.一种控制大型金属箱体式工件底面加工平面度的方法，包括在工件底面设置的五个支撑件和四个支撑点，所述五个支撑件和四个支撑点包括待安装的曲轴座孔同轴度的工件(1)，在工件(1)的底面分别设置第一支撑件(2)、第二支撑件(3)、第三支撑件(4)、第四支撑件(5)和第五支撑件(6)，以工件(1)支撑面空间矢量方向为基准，分别构建有四个支撑点位，分别为第一支点、第二支点、第三支点和第四支点，所述第一支点和第二支点置于工件(1)支撑面的任意一条边b1上，所述第三支点和第四支点置于与边b1相对应的边b2上；所述第五支撑件(6)为高度调节式支撑件，百分表连接在磁力表座上，磁力表座置于机床Z轴上；所述第一支撑件(2)支撑第一支点，所述第二支撑件(3)支撑第二支点，所述第三支撑件(4)和第四支撑件(5)形成一体式的等臂杠杆分别支撑第三支点和第四支点，所述等臂杠杆的支点与第一支点和第二支点形成等腰三角形；所述第三支点和第四支点为圆弧支点；所述第三支撑件(4)和第四支撑件(5)均为高度调节式支撑件，所述第一支点和第二支点置于工件(1)上平面边b1上，所述第三支点和第四支点置于与边b1相对应的边b2上，所述第三支点和第四支点位于边b2还原扭转变形量的贝塞尔点上，所述第一支撑件(2)支撑第一支点，所述第二支撑件(3)支撑第二支点，所述第三支撑件(4)支持第三支点，所述第四支撑件(5)支撑第四支点；其特征在于：还原扭转变形量的贝塞尔点的确定方法包括如下步骤：

S1、第一支撑件(2)支撑第一支点，第二支撑件(3)支撑第二支点，在边b2上放置第三支撑件(4)和第四支撑件(5)；

S2、在边b2上几何中心位置放置第五支撑件(6)，直到边b2上的第三支撑件(4)和第四支撑件(5)处于未接触工件(1)为止；

S3、移动机床于边b2上任意一端末端对应的工件(1)底面指定位置s1，百分表接触工件(1)直至读数置零，移动机床于边b2上另一端末端对应的工件(1)底面指定位置s2，记录两个位置百分表读数差值m；

S4、调节第三支撑件(4)高度使得第三支撑件(4)与工件(1)接触，调节第四支撑件(5)高度使得第四支撑件(5)与工件(1)接触，移除第五支撑件(6)；

S5、在边b2上调整第三支撑件(4)和第四支撑件(5)位置，直至工件(1)底面指定位置s1和工件(1)底面指定位置s2的百分表读数差值恢复到m为止，此时第三支撑件(4)的位置为第三支点的贝塞尔点，第四支撑件(5)的位置为第四支点的贝塞尔点。