Foi realizada uma análise de processo da estrutura excêntrica irregular do cotovelo de equilíbrio em formato-Z, bem como das dificuldades de usinagem devido ao seu grande tamanho, alta precisão e impossibilidade de fixação. Um esquema de usinagem padronizado foi proposto. Foi projetado um acessório de torno especial, adequado para usinar vários modelos e grandes lotes de produtos, resolvendo os problemas de alta dificuldade de usinagem, qualidade instável e baixa eficiência de usinagem do cotovelo de equilíbrio em forma de Z-.
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Introdução
O cotovelo de equilíbrio é o componente central do sistema de suspensão de veículos especiais sobre esteiras. Ele funciona em conjunto com elementos elásticos, como o eixo de torção e o amortecedor, para fornecer suporte elástico à carroceria do veículo e à roda [1]. O cotovelo de equilíbrio pode transferir uma grande quantidade de energia de impacto gerada pelo movimento para cima{3}}e{4}}para baixo da roda para o eixo de torção, amortecer e absorver energia de vibração, reduzir a força de impacto na carroceria do veículo, melhorar o conforto dos passageiros, reduzir danos aos componentes e garantir a estabilidade e manobrabilidade do veículo ao dirigir em estradas irregulares [2]. O conjunto do cotovelo de equilíbrio geral inclui um eixo estriado, um cotovelo de equilíbrio e um eixo da roda. O cotovelo de equilíbrio em forma de Z-é um cotovelo de equilíbrio integrado que combina todos os três componentes. O cotovelo de equilíbrio integrado tem características de alta manobrabilidade, alta confiabilidade e leveza, e é amplamente utilizado em veículos especiais modernos [3]. 02
Análise dos desafios estruturais e de usinagem do cotovelo de equilíbrio-em forma de Z
A estrutura do cotovelo de equilíbrio-em forma de Z, conforme mostrado na Figura 1, é uma estrutura excêntrica de formato irregular. É grande em tamanho e pesado, exigindo alta taxa de remoção de material, alta precisão dimensional e posicional e um longo ciclo de usinagem com numerosos processos. Envolve vários equipamentos e atividades, incluindo mandriladoras horizontais, tornos CNC, centros de usinagem, brochadoras e máquinas de eletroerosão a fio. Na produção anterior, vários problemas foram expostos em cada etapa do processo, como dimensões fora{5}}da{6}}tolerância do círculo externo do eixo, desalinhamento entre o furo estriado e o círculo externo, não-paralelismo entre os eixos do eixo grande (eixo estriado) e do eixo pequeno (eixo da roda de carga), rugosidade superficial abaixo do padrão, tempo de ciclo de processo desequilibrado e baixa eficiência de usinagem, afetando seriamente a qualidade do produto e o cronograma de entrega.
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Esquema de Processo
Processo de usinagem de cotovelo balanceado em formato Z-: Mandrilamento de desbaste da face final e furo interno → Torneamento desbaste de eixo grande → Torneamento desbaste de eixo pequeno → Mandrilamento final da face final e furo interno → Torneamento final de eixo grande → Torneamento final de eixo pequeno → Fresamento de formato externo e furação → Brochamento (estria de eletroerosão a fio). O produto em branco é um forjamento em matriz. Ao desbaste e acabamento de eixos grandes e pequenos, é necessário um torno especial com contrapesos. Este acessório equilibra a força centrífuga gerada durante a rotação da peça, reduzindo assim a vibração e aumentando a velocidade do fuso, melhorando efetivamente a precisão da usinagem do produto e a velocidade de corte.
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Processo de usinagem
(1) Mandrilamento de desbaste de faces finais e furos internos: Uma mandriladora horizontal CNC é usada. Uma margem de 2 mm é deixada em cada lado para as faces finais e os furos internos. A principal função deste processo é remover rapidamente uma grande quantidade de material e criar furos centrais de processo para os diâmetros externos-usinados grosseiramente dos eixos grandes e pequenos. A mandriladora horizontal CNC possui uma mesa de trabalho giratória de 360 graus, permitindo usinagem universal no plano XOY em uma única configuração. Ele pode usinar quatro faces finais e furos internos ao mesmo tempo, garantindo que os furos centrais do processo em ambas as extremidades dos eixos grandes e pequenos sejam coaxiais e que as linhas centrais dos eixos grandes e pequenos sejam paralelas. O mandrilamento em desbaste das faces finais e dos furos internos é mostrado na Figura 2, onde a linha sólida espessa representa a superfície usinada.
Figura 2. Mandrilamento em desbaste da face final e do furo interno
(2) Torneamento de desbaste do eixo grande: A usinagem é realizada em torno CNC, com folga de 1,5mm em cada lado do diâmetro externo. A principal função deste processo é remover rapidamente uma grande quantidade de material e criar uma referência de processo para o mandrilamento de acabamento da face final e do furo interno. Como o centro de gravidade do cotovelo de equilíbrio em forma de Z- se desloca do centro de rotação durante o torneamento, é necessário um acessório de torno especial com contrapesos para equilibrar a força centrífuga, reduzir a vibração e aumentar a velocidade do fuso. O torneamento bruto do eixo grande é mostrado na Figura 3.
Figura 3. Torneamento bruto do eixo grande
(3) Torneamento de desbaste do eixo pequeno: A usinagem é realizada em torno CNC, com folga de 1,5mm em cada lado do diâmetro externo e face final. A principal função deste processo é remover rapidamente uma grande quantidade de material e liberar tensões de usinagem. O torneamento em desbaste do eixo pequeno é mostrado na Figura 4. Após o torneamento em desbaste, os eixos grandes e pequenos apresentam diâmetros externos regulares. O grampo em formato AV-é usado para um acabamento mais estável durante o mandrilamento de acabamento.
Figura 4. Torneamento bruto do eixo pequeno
(4) Mandrilamento de acabamento da face final e do furo interno: Isso é feito usando uma mandriladora horizontal CNC, com o torneamento de desbaste do diâmetro externo do eixo grande como ponto de referência do processo e ponto de referência de fixação. A principal função deste processo é usinar as quatro faces finais e o furo interno do produto no tamanho acabado, garantindo precisão dimensional e rugosidade superficial, ao mesmo tempo em que cria um chanfro para o torneamento de acabamento dos diâmetros externos dos eixos grandes e pequenos. O mandrilamento de acabamento da face final e do furo interno é mostrado na Figura 5, onde a linha sólida espessa representa a superfície usinada neste processo.
Figura 5. Acabamento do mandrilamento da face final e do furo interno
(5) Torneamento final do eixo grande: Isso é feito usando um torno CNC, usinando o diâmetro externo até o tamanho final, garantindo precisão dimensional, precisão geométrica e rugosidade superficial. Este processo utiliza o chanfro criado durante o mandrilamento de acabamento do furo interno como referência de fixação, garantindo a coaxialidade do diâmetro externo e do furo interno do eixo grande. O torneamento final do eixo grande é mostrado na Figura 6.
Figura 6. Torneamento de precisão do eixo principal
(6) Torneamento de precisão do eixo pequeno: Usando um torno CNC, o diâmetro externo é usinado no tamanho final, garantindo precisão dimensional, precisão geométrica e rugosidade da superfície. Este processo utiliza o chanfro feito durante o mandrilamento de precisão do furo interno como referência de fixação e posicionamento, garantindo a coaxialidade do diâmetro externo do eixo pequeno e do furo interno, bem como o paralelismo das linhas centrais do eixo pequeno e do eixo principal. O torneamento de precisão do eixo pequeno é mostrado na Figura 7.
Figura 7. Torneamento de precisão do eixo pequeno
(7) Fresamento da forma externa e perfuração: Usando um centro de usinagem vertical, a forma externa do produto é usinada na posição desejada e furos para cavilhas são perfurados. O fresamento do formato externo e a furação são mostrados na Figura 8, onde as linhas sólidas grossas representam as superfícies usinadas neste processo.
Figura 8. Fresamento da forma externa e furação
(8) Brochamento do spline (spline de eletroerosão a fio): Quando o lote do produto é grande, esse processo geralmente é realizado por meio de uma brochadeira com ferramenta de brochamento, garantindo a eficiência da produção e a consistência das dimensões do furo do spline. Quando uma brocha não está disponível e o tamanho do lote é pequeno, este processo pode ser realizado usando uma máquina de eletroerosão a fio. O diâmetro externo do eixo principal serve como referência de fixação e posicionamento, garantindo a coaxialidade do furo estriado com o diâmetro externo do eixo principal. O spline brochado (spline wire-EDM) é mostrado na Figura 9, onde a linha sólida espessa representa a superfície usinada neste processo.
Figura 9: Spline perfurado (Wire-EDM Spline)
Neste ponto, o cotovelo de equilíbrio em forma de Z-concluiu todos os processos de usinagem. Os processos subsequentes incluem detecção de falhas e tratamento de superfície.
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Dispositivo de torno dedicado
O acessório de torno dedicado inclui componentes como flange, chassi, corpo de suporte, centro, contrapeso e parafusos de fixação [4, 5].
O flange serve como componente de conexão entre o torno e o acessório. Geralmente é usado um flange padrão. Uma extremidade se conecta ao fuso do torno CNC através de um furo cônico, e a outra extremidade se conecta ao chassi através de uma saliência de localização, garantindo que o centro de rotação do acessório do torno esteja alinhado com o fuso do torno.
O chassi, que serve de base para a fixação do torno, apresenta uma ranhura circular alongada. Um corpo de suporte e dois contrapesos estão presos a ele, e essa distribuição de massa de três{1}}pontos garante uma rotação mais suave da peça durante a usinagem, reduzindo a vibração e melhorando a precisão cilíndrica externa e a qualidade da superfície do produto.
O corpo de suporte, soldado ao chassi, também apresenta uma ranhura circular alongada com dimensões correspondentes às da ranhura do chassi. Essa ranhura tem duas finalidades: reduzir o peso total do acessório do torno e evitar interferência entre o eixo de não{1}}usinagem do cotovelo de equilíbrio em forma de Z-e o acessório do torno. Vários conjuntos de parafusos de fixação estão localizados em ambas as extremidades da ranhura para fixar o eixo de não{4}}usinagem do cotovelo de equilíbrio em forma de Z-. O design de ranhura circular alongada permite a usinagem de cotovelos de equilíbrio em forma de Z de diferentes tamanhos e modelos usando este acessório de torno, alcançando funcionalidade-multifuncional.
O centro e o batente de posicionamento do corpo de suporte são encaixados e soldados ao corpo de suporte. Durante a usinagem, o centro e o centro do contraponto do torno, respectivamente, suportam as duas extremidades do eixo de usinagem do cotovelo de equilíbrio em forma de Z-, obtendo uma configuração de fixação-central dupla. Para garantir que a superfície do cone de posicionamento central seja coaxial com o fuso do torno, a superfície do cone de posicionamento central deve ser usinada com precisão-em um torno depois que o acessório do torno for soldado. O contrapeso consiste em diversas placas de contrapeso em formato de leque. O número de placas de contrapeso pode ser ajustado para equilibrar a força centrífuga gerada durante a usinagem de diferentes modelos de cotovelos de equilíbrio em forma de Z. Os dois contrapesos são distribuídos uniformemente a 120 graus em relação ao centro de gravidade do suporte, garantindo assim melhor equilíbrio dinâmico durante a usinagem do produto.
Para acomodar a usinagem de cotovelos de equilíbrio em forma de Z de diferentes tamanhos, vários conjuntos de parafusos de fixação são instalados em ambos os lados da longa ranhura oval do corpo de suporte. As posições de fixação dos parafusos de fixação são mostradas na Figura 10. A linha central de cada conjunto de parafusos de fixação é maior que a distância H entre o centro do círculo externo do eixo não{3}}usinado do cotovelo de equilíbrio em forma de Z-. Este método de fixação garante que a força de fixação dos parafusos de fixação no cotovelo de equilíbrio em forma de Z- seja oposta à força centrífuga, reduzindo efetivamente a força centrífuga gerada quando a peça gira. Os estados de fixação para usinagem de eixos pequenos e eixos grandes são mostrados nas Figuras 11 e 12, respectivamente.
Figura 10. Diagrama esquemático da posição de fixação do parafuso de fixação
Figura 11. Estado de fixação ao usinar o eixo pequeno
Figura 12. Estado de fixação ao usinar o eixo grande
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Verificação de resultados de usinagem
Atualmente, esse processo de usinagem de cotovelo-equilibrado em forma de Z e o acessório de torno dedicado têm sido aplicados na linha de produção há mais de um ano. Vários modelos e grandes lotes de produtos de cotovelos balanceados em forma de Z são usinados usando esse processo, resultando em qualidade de produto estável e confiável e eficiência de usinagem significativamente melhorada. Isso verifica totalmente a viabilidade e eficácia do processo e do dispositivo de torno dedicado. Uma fotografia de algumas etapas de usinagem do cotovelo de equilíbrio em forma de Z- é mostrada na Figura 13.
a) Mandrilamento em desbaste da face final e do furo interno
b) Torneamento brusco do eixo principal
c) Acabamento do mandrilamento da face final e do furo interno
Figura 13: Fotos reais do processo de usinagem do cotovelo de equilíbrio em formato Z-
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Conclusão
O processo de usinagem e o acessório de torno especial para o cotovelo de equilíbrio em forma de Z-proposto neste artigo são aplicáveis à usinagem de vários modelos de produtos de cotovelo de equilíbrio em forma de Z-, independentemente do material do produto ou do tipo de peça bruta. Ele fornece uma abordagem completa de processo e fixação para este tipo de produto, resolvendo os problemas de alta dificuldade de usinagem, incapacidade de fixação, qualidade instável do produto e baixa eficiência de usinagem causada pela estrutura excêntrica irregular, tamanho grande, peso pesado e requisitos de alta precisão do cotovelo de equilíbrio em forma de Z-. A verificação de campo mostra que esse processo de usinagem pode garantir que os produtos de cotovelo balanceado em forma de Z atendam aos requisitos de precisão do projeto, reduzam a dificuldade de usinagem e melhorem a consistência da qualidade do produto e a eficiência da usinagem.
