高效加工B12D曲軸斜油孔工藝

柳州歐維姆機(jī)械股份有限公司設(shè)備廠 （廣西 545006） 黃藝年

曲軸斜油孔加工是曲軸加工中的難點(diǎn)之一，除了具有深孔加工的特點(diǎn)外，還因?yàn)榭着c孔之間是三維分布，各斷面尺寸、形狀和剛度均不同，因此給定位、夾緊、鉆孔及冷卻等都帶來很大難度。目前，比較傳統(tǒng)的加工方法是：工序分散的并行加工工藝，而且大多采用復(fù)合刀具。采用這樣的加工工藝干擾因素和不確定因素多，刀具復(fù)雜，管理成本較高，且加工設(shè)備占地面積大。由于公司機(jī)加工車間廠房比較狹小，如果采取傳統(tǒng)工藝很難適應(yīng)生產(chǎn)需要。這就要求工序集中在單臺設(shè)備上完成曲軸斜油孔的全部加工，且僅需在單臺設(shè)備上進(jìn)行曲軸的一次裝夾，是提高生產(chǎn)效率的高效加工工藝方法。下面介紹一下我公司現(xiàn)在使用的加工工藝。

1.B12D曲軸斜油孔及加工要求

（1）我公司受場地限制，只能采用工序集中的原則組成自動化生產(chǎn)線。在建線初期經(jīng)綜合技術(shù)評定，最終同意采用在一臺日本HORKOS專用機(jī)床上完成斜油孔所有孔的加工工藝。

（2）從圖1中可以看出，B12D曲軸有4個φ5.5mm×90mm主軸頸通孔，4個φ5.5mm×90mm兩兩相反的14.5°主軸頸油孔與連桿軸頸油孔貫通的孔，同時，嘗試采用帶中心注油孔的麻花鉆刀具實(shí)施孔加工。

圖1 目前生產(chǎn)的B12D四缸發(fā)動機(jī)曲軸結(jié)構(gòu)

（3）曲軸毛坯材料是球墨鑄鐵，其硬度是216～285HBW。

（4）刀具采用普通硬質(zhì)合金涂層麻花鉆。

（5）曲軸斜油孔加工專用日本HORKOS數(shù)控機(jī)床 。

本專用機(jī)床設(shè)置有1個主軸頭，其上面設(shè)置一個刀庫，刀庫中設(shè)有刀具監(jiān)測裝置和刀具芯片管理系統(tǒng)，發(fā)現(xiàn)有刀具折斷時，設(shè)備自動報警，防止因刀具折斷對設(shè)備和曲軸造成破壞。此外，控制系統(tǒng)采用發(fā)那科系統(tǒng)。

圖3 日本HORKOS加工中心坐標(biāo)系

圖2中各主要部件的運(yùn)動和功能：首先曲軸安裝到本專機(jī)上時，按照圖1主視圖水平放置在頭架和尾架之間，圖2中各部件均處于垂直平面之內(nèi)，本專機(jī)的坐標(biāo)系如圖3所示。主軸頭有X、Y、Z三個方向的平動，還有各自B向轉(zhuǎn)動，鉆頭的主切削運(yùn)動，并能實(shí)現(xiàn)自動換刀?；緟?shù)如表1、表2、表3所示。頭架和尾架實(shí)現(xiàn)夾緊，并帶動曲軸C向轉(zhuǎn)動。尾架可以延X軸向移動，實(shí)現(xiàn)曲軸裝夾到本機(jī)床，基本參數(shù)如表4所示。定位夾具可延X軸向移動，實(shí)現(xiàn)曲軸安裝時的相位定位，并抵抗曲軸在鉆斜油孔時的切削力（見圖4）。

表1 主軸頭線性移動技術(shù)參數(shù)

表2 主軸頭的B向旋轉(zhuǎn)技術(shù)參數(shù)

表3 主軸頭主軸參數(shù)

表4 頭架C向旋轉(zhuǎn)技術(shù)參數(shù)

2.加工工藝過程

（1）安裝曲軸。由于是全自動生產(chǎn)線，上下曲軸均由機(jī)械手完成。安裝曲軸時，主軸頭沿+Y方向后退，定位夾具和尾架延X方向前進(jìn)至規(guī)定位置，定位夾具（見圖5）有兩個夾爪和一個頂升液壓缸，這時兩個夾爪張開，頂升液壓缸處于落下位置。機(jī)械手將曲軸送入，兩夾爪合攏，曲軸相位被定位，頭架和尾架同時夾緊，頂升缸頂起。曲軸被準(zhǔn)確定位且夾緊到位，最后探測曲軸工件類型，即B12D類型曲軸。此過程用時26s。

（2）使用短鉆頭鉆4個φ5.5mm×90mm斜油孔的平臺，利用C軸轉(zhuǎn)動180°，使用長鉆頭鉆通曲軸斜油孔；主軸頭先鉆左側(cè)2個油孔，然后鉆右側(cè)2個油孔；用時52s（刀具No.3與曲軸之間姿態(tài)改變8次）。

（3）銑削連桿斜油孔平臺，用時12s（刀具No.1與曲軸之間姿態(tài)改變4次）。

（4）鉆削連桿斜油孔引導(dǎo)孔，用時10s（刀具No.2與曲軸之間姿態(tài)改變4次）。

（5）鉆削4個φ5.5mm×90mm連桿頸油孔與曲軸主軸頸油孔的連接孔，用時52s（刀具No.3與曲軸之間姿態(tài)改變8次）。

（6）曲軸斜油孔兩端倒角，用時12s（刀具No.4與曲軸之間姿態(tài)改變8次）。

圖5 定位夾具

（7）曲軸斜油孔內(nèi)去毛刺，用時10s（刀具No.5與曲軸之間姿態(tài)改變4次）。

（8）連桿軸斜油孔去毛刺，用時10s（刀具No.5與曲軸之間姿態(tài)改變4次）。

（9）主軸頭退出，夾具機(jī)械手下料，用時10s。

3.實(shí)現(xiàn)高效鉆削曲軸斜油孔的措施

實(shí)現(xiàn)高效加工一般有以下幾個大的方向：

（1）設(shè)備要求能適應(yīng)高速、深孔連續(xù)切削要求。從曲軸斜油孔加工工序的各工步可以看出，刀具與曲軸之間的姿態(tài)變換達(dá)32次。為了滿足加工效率的要求，設(shè)備自身動態(tài)性能必須穩(wěn)定。床身采用非金屬整體澆注，并與地面采用非剛性聯(lián)接；盡可能減小移動部件重量（采用無極伺服電動機(jī)）；提高移動部件移動副的剛度（采用有預(yù)壓力軌道）；盡可能減少設(shè)備其他部分的振動（刀庫門運(yùn)動中的振動，如設(shè)備防護(hù)門在設(shè)備運(yùn)行中的振動）對加工的影響。頭架、尾架和定位夾具部分整體安裝在床身上面，它們運(yùn)動所產(chǎn)生的振動大部分被床身全部吸收，并且在實(shí)際鉆孔過程中，僅有C軸旋轉(zhuǎn)運(yùn)動，不會對主軸頭產(chǎn)生明顯的影響。從表4中可以看出，頭架的靜態(tài)剛度是比較高的。此外，主軸頭的前軸承盡可能安裝在離鉆頭近的地方。刀庫安裝在主軸正上方，盡可能減小刀庫的重量（實(shí)際設(shè)計(jì)刀庫容量最大是16把刀），可順利更換刀具。定位夾具的頂升液壓缸壓力可以根據(jù)實(shí)際需要設(shè)定具體參數(shù)，最大限度地保證曲軸在鉆孔時的剛度需要。

（2）滿足本工序精確要求的定位精度。由于機(jī)床各軸采用實(shí)時控制，有效保證了曲軸和刀具時時處于正確的位置狀態(tài)下。這樣設(shè)備時時處于監(jiān)控中，一遇異常立刻報警。B向旋轉(zhuǎn)和C向旋轉(zhuǎn)要求定位精度是0.003°；X、Y、Z向的移動定位精度是0.001mm。

綜合上述1、2項(xiàng)，由于我們采取了各種措施提高并保證設(shè)備的動態(tài)剛度和定位精度，為高效鉆孔的實(shí)現(xiàn)搭建了一個可靠的硬件平臺。

（3）刀具和刀具更換。刀具采用普通硬質(zhì)合金涂層麻花鉆。為了提高刀具壽命，除采用已經(jīng)非常成熟刀具的涂層技術(shù)外，還采用了微量潤滑技術(shù)（不再使用切削液），保證使用麻花鉆能夠連續(xù)不間斷鉆削深孔，提高了加工效率；同時也避免了切削液系統(tǒng)的不穩(wěn)定性帶來不利影響，使制造成本大大降低。

在上述條件下，我們鉆4個φ5.5mm×90mm連桿軸頸油孔與曲軸主軸頸油孔的連接孔時，切削速度是0.63m/s，進(jìn)給速度是0.25mm/s；其他情況下的切削速度是0.20m/s，進(jìn)給速度為0.3mm/s。經(jīng)過摸索，所用刀具的使用壽命最短是No.3（見表5），其加工達(dá)到498件后提示準(zhǔn)備換刀。當(dāng)達(dá)到這個要求時，No.3刀具鉆孔長度已達(dá)180m，遠(yuǎn)高于相同條件下其他刀具的使用壽命。同時，為了實(shí)現(xiàn)刀具自動更換，采用了HSK63A標(biāo)準(zhǔn)接口刀柄，除換刀實(shí)現(xiàn)自動外，也便于修磨刀具。

表5 各種刀具使用壽命

（4）縮短輔助時間。為了盡可能縮短輔助時間，對刀具使用進(jìn)行了充分的優(yōu)化，從表5可以看出，此全部加工過程僅使用了5把刀具，這樣不僅縮短了輔助時間，也有效地降低了制造成本和管理成本。在整個172s加工循環(huán)過程中，刀具切削實(shí)際時間不足106s，大量的時間用于刀具與曲軸的姿態(tài)調(diào)整。精確的定位和定位可靠確認(rèn)，則交由設(shè)備自身完成并確認(rèn)，平均分配到每次姿態(tài)調(diào)整的用時也只有2s左右。

另外，通過不斷探索，我們掌握了各種刀具的最短使用壽命，并設(shè)置在刀具參數(shù)表中，換刀后當(dāng)前被加工曲軸數(shù)達(dá)到預(yù)警件數(shù)時，系統(tǒng)會自動做出預(yù)警，提示及時準(zhǔn)備更換對應(yīng)編號的刀具。

綜合上述3、4項(xiàng)，由于我們在工藝方面采取的各項(xiàng)積極措施，曲軸線節(jié)拍時間是46s，共有4臺HORKOS加工中心同時加工，使高效加工和降低制造成本兩者得以同時實(shí)現(xiàn)，滿足了整條曲軸生產(chǎn)線協(xié)調(diào)有序生產(chǎn)的需求。