冰箱壓縮機(jī)曲軸箱缸孔與軸孔垂直度超差分析與控制

廖小寧 尹小兵 黎 明 鄒國鋒

（華意壓縮機(jī)股份有限公司，江西 景德鎮(zhèn) 333001）

0 引言

近些年來，隨著冰箱壓縮機(jī)日益小型化、高效化的發(fā)展，壓縮機(jī)對(duì)零部件的加工精度要求正逐漸提高。曲軸箱是壓縮機(jī)泵體的主要零件，是活塞、連桿、曲軸等零件的裝載體。壓縮機(jī)工作時(shí)，電機(jī)帶動(dòng)曲軸、連桿組成的曲柄連桿機(jī)構(gòu)，進(jìn)而推動(dòng)活塞壓縮制冷劑氣體。實(shí)現(xiàn)由電能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能，再轉(zhuǎn)化為內(nèi)能的目標(biāo)與功能?；钊颓S運(yùn)動(dòng)的中心是垂直的，壓縮機(jī)泵體運(yùn)動(dòng)要求曲軸箱有嚴(yán)格的缸孔與軸孔垂直度（以下以兩孔垂直度代替），兩孔垂直度也是曲軸箱生產(chǎn)過程中重要控制的參數(shù)。本文對(duì)冰箱壓縮機(jī)曲軸箱兩孔垂直度超差原因進(jìn)行分析，并提出相應(yīng)的控制、解決方法。

1 加工過程中兩孔垂直度超差的原因

曲軸箱加工過程中，產(chǎn)生兩孔垂直度超差的主要原因有如下幾方面：

1.1 物料原因

曲軸箱材料一般為鑄鐵。如果鑄鐵材料不均勻，特別是兩孔加工處材料不均勻，這將導(dǎo)致加工材料硬度有差異。鉆孔加工時(shí)，材料硬度大的一邊相對(duì)硬度小的一邊產(chǎn)生擠壓力差，從而使刀具發(fā)生斜偏，兩孔垂直度便無法保證。例如曲軸箱缸孔或軸孔加工處的一側(cè)出現(xiàn)白口鐵或疏松，鉆頭加工時(shí)，受到非對(duì)稱擠壓力，加工出來的孔中心就容易偏斜，影響垂直度。

1.2 設(shè)備原因

設(shè)備精度是機(jī)械零部件加工精度的有效保證。其中設(shè)備的剛度、定位精度、重復(fù)定位精度等都是設(shè)備精度的關(guān)鍵。設(shè)備剛度是首要前提，機(jī)械加工中，切屑過程會(huì)產(chǎn)生巨大的沖擊力，設(shè)備具有足夠的剛度才能保證加工零件的精度。尤其是動(dòng)力頭剛度，動(dòng)力頭剛度不足，容易變形，那么刀具就容易偏斜，加工時(shí)還可能出現(xiàn)較大的振動(dòng)；曲軸箱一般常采用組合機(jī)床加工，工藝流程比較復(fù)雜，缸孔和軸孔需要經(jīng)過鉆孔、擴(kuò)孔、精鏜、珩磨等多道工序才能加工完成。多次加工往往需要多次定位。多次定位設(shè)備的動(dòng)力頭的位置一致性對(duì)兩孔垂直度產(chǎn)生較大的影響。例如，氣缸孔擴(kuò)孔和精鏜兩道工序都是采用曲軸箱定子安裝面、定子面螺栓沉孔定位。如果后序精鏜刀和前序擴(kuò)孔刀位置度差別較大，則容易造成兩次加工中心同軸度偏大，兩孔垂直度變大，甚至造成鏜孔單邊。

1.3 夾具原因

1.3.1 夾具夾緊力的偏小。機(jī)械加工過程中，巨大切削力會(huì)直接對(duì)工件產(chǎn)生沖擊力和振動(dòng)、加工過程中如果出現(xiàn)夾緊力不夠、工件夾不穩(wěn)，則容易造成加工精度超差。

1.3.2 夾具的磨損。曲軸箱是批量生產(chǎn)的產(chǎn)品，夾具頻繁和工件接觸，容易導(dǎo)致夾具磨損，當(dāng)磨損量到達(dá)一定的極限時(shí)，夾具對(duì)工件就不能產(chǎn)生有效的夾緊作用。這樣必然對(duì)加工精度造成影響。

1.3.3 定位夾具的清潔度。定位夾具既有固定夾緊的作用，同時(shí)也有定位作用。如果定位夾具清潔度不夠，必將影響工件的加工精度。例如，曲軸箱缸孔、軸孔加工。缸孔、軸孔鉆孔和精鏜兩道工序均采用定子安裝面和定子安裝面沉孔定位。前序鉆孔時(shí)，定位夾具上沒有雜質(zhì)，定子安裝面能有效地與定位面貼合，如圖1。但后序精鏜兩孔時(shí)，其中某些定位面有雜質(zhì)，這樣便變相地將定子安裝面抬高如下圖2。前序加工中心線和后序加工中心線成一個(gè)角度，造成兩孔垂直度超差。

圖1

圖2

1.4 刀具原因

機(jī)械加工過程中，刀具直接與工件作用，進(jìn)行切削。刀具的材料、結(jié)構(gòu)、參數(shù)、性能等因素對(duì)工件加工都起到重要作用。刀具的材料決定刀具的用途和使用功能，同時(shí)也決定了刀具的使用壽命，耐用程度。刀具的參數(shù)是決定了刀具的加工性能的主要因素，前角、后角，頂角、螺旋角、刃長等參數(shù)都對(duì)加工精度產(chǎn)生影響。隨著機(jī)械加工技術(shù)的發(fā)展，許多刀具都采用了組合刀具形式，一把刀桿往往安裝幾個(gè)刀頭。一個(gè)工步便能完成零件幾個(gè)結(jié)構(gòu)的加工，隨著刀具的組合形式的發(fā)展，刀體體積、質(zhì)量分布、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)日趨復(fù)雜。刀具的剛性、動(dòng)平衡等性能對(duì)刀具的影響也越來越大。

1.4.1 刀具磨損。曲軸箱是批量生產(chǎn)的產(chǎn)品。刀具容易磨損，磨損后刀具分布不均，切削加工時(shí)受力不同，容易導(dǎo)致加工精度超差。如兩孔鉆屑加工時(shí)，鉆頭一側(cè)切削刃磨損，而另一側(cè)完好，必然導(dǎo)致兩側(cè)切削能力的不同，受力也有所不同，隨著鉆削深度的加深，孔中心線也容易隨之偏斜。導(dǎo)致兩孔垂直度超差。

1.4.2 刀桿的變形。由于曲軸箱加工結(jié)構(gòu)復(fù)雜、生產(chǎn)數(shù)量多。曲軸箱加工往往采用多工位組合機(jī)床設(shè)備加工。在設(shè)備維修、或調(diào)換刀具、更換設(shè)備零件等情況下常有一些失誤操作，導(dǎo)致動(dòng)力頭帶動(dòng)刀桿碰撞工件，引起刀桿變形。由于某些原因，設(shè)備操作者未將碰撞后的刀桿更換，致使工件加工后的精度超差。

1.5 加工工藝參數(shù)設(shè)計(jì)原因

曲軸箱兩孔鉆、鏜、珩磨等加工時(shí)，工藝設(shè)定的切削速度、進(jìn)給速度、加工余量等參數(shù)，加工兩孔的加工精度都有影響。特別是鉆兩孔工序，鉆削量大，作用力大，如果進(jìn)給速度設(shè)置過大，就會(huì)產(chǎn)生振動(dòng)，影響加工品質(zhì)。

1.6 加工工藝設(shè)計(jì)和流程設(shè)計(jì)原因

曲軸箱產(chǎn)品設(shè)計(jì)完成初，工藝設(shè)計(jì)者根據(jù)產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)來設(shè)計(jì)加工工藝和加工工藝流程。設(shè)備設(shè)計(jì)者又根據(jù)加工工藝和工藝流程來設(shè)計(jì)設(shè)備，工步設(shè)定、工件定位和裝夾、刀具的選擇以及清洗冷卻的設(shè)計(jì)等因素都會(huì)對(duì)加工件精度產(chǎn)生影響。如，曲軸箱缸孔加工，鉆屑加工量大。采用一次性鉆屑完成或兩次鉆屑分步完成，再或是一次鉆孔后再擴(kuò)孔完成。三種不同的工藝，必然有不同的精度。當(dāng)然，設(shè)計(jì)者也應(yīng)結(jié)合考慮相應(yīng)的工藝成本。

1.7 其他原因

包括溫度、振動(dòng)、動(dòng)力穩(wěn)定等其他隨機(jī)因素。人員因素也是其中之一。機(jī)械加工時(shí)，加工部位的散熱程度；切屑液潤滑、清潔、冷卻程度；機(jī)床工作時(shí)，本身的振動(dòng)，動(dòng)力頭軌道的平整度、直線度；加工過程中動(dòng)力的穩(wěn)定性等等。這些因素都會(huì)對(duì)零件的加工精度產(chǎn)生影響。

總之，引起曲軸箱兩孔垂直度超差的原因有很多。曲軸箱材料不均勻、工裝夾具的磨損、刀具的磨損、設(shè)備的清潔度是眾多因素中的主要原因。加大對(duì)這些因素的檢測(cè)控制，能大大減少精度超差現(xiàn)象的出現(xiàn)。

2 減少曲軸箱兩孔垂直度超差現(xiàn)象的措施

2.1 加強(qiáng)來料檢驗(yàn)控制

對(duì)曲軸箱來料的進(jìn)行嚴(yán)格檢驗(yàn)控制。從曲軸箱本體上取出檢測(cè)樣塊，對(duì)樣塊進(jìn)行化學(xué)元素檢驗(yàn)分析。對(duì)比各元素控制標(biāo)準(zhǔn)，見表1，確保來料各元素含量符合標(biāo)準(zhǔn)。

表1 某款曲軸箱元素控制標(biāo)準(zhǔn)表

取本批曲軸箱同一爐樣件，對(duì)樣件進(jìn)行機(jī)械性能分析。根據(jù)鑄鐵的用途，結(jié)合影響機(jī)械加工的重要機(jī)械性能。重點(diǎn)對(duì)抗拉強(qiáng)度和硬度進(jìn)行檢驗(yàn)。

表2 某款曲軸箱機(jī)械性能控制標(biāo)準(zhǔn)表

在確保元素含量、機(jī)械性能符合標(biāo)準(zhǔn)同時(shí)，盡量要求材料生產(chǎn)廠家提高鑄鐵件組織的均勻性、碳化物含量的合理分布、合金元素的科學(xué)配置等，提高鑄件加工性能，保證曲軸箱兩孔垂直度加工精度。

2.2 確保工裝、夾具的穩(wěn)定性、可靠性

曲軸箱加工流程較復(fù)雜，從毛坯到成品要經(jīng)過多道工序。多次定位裝夾，特別是批量生產(chǎn)的產(chǎn)品。這就要求工裝、夾具具有較高的一致性、穩(wěn)定性和可靠性。

確保定位的有效性。定位部位磨損在加工中時(shí)有出現(xiàn)，當(dāng)磨損量超過一定范圍時(shí)，定位工裝就會(huì)失去它的定位作用。例如，用于加工定位定子面安裝沉孔的定位銷。隨著加工定位次數(shù)的增多和上下料的撞擊。定位銷容易磨損、變形、甚至產(chǎn)生較大的彎曲。對(duì)曲軸箱加工兩孔時(shí)的精度產(chǎn)生影響。及時(shí)更換夾具，能大大減少不合格品的產(chǎn)生，提高零件精度。

保證裝夾的有效性。加工時(shí)產(chǎn)生的巨大作用力不可避免，裝夾穩(wěn)定才能保證加工品質(zhì)。曲軸箱缸孔鉆削加工工序，加工余量較大，加工過程沖擊力也較大，工件加工時(shí)易振動(dòng)，依靠原本的夾爪難以解決這個(gè)問題，如圖3。經(jīng)過改進(jìn)裝夾方式，軸承加工部位上方加入一個(gè)環(huán)形壓緊夾爪。徹底解決了因加工余量大，加工過程中壓緊不完全的問題，如圖4。

2.3 刀具的正常使用和改進(jìn)

對(duì)于刀具在機(jī)加工過程中容易磨損問題。一是盡量采購質(zhì)量較好的刀具，盡量避免刀具使用過程中的單邊磨損嚴(yán)重、切削刃崩裂等現(xiàn)象的出現(xiàn)，曲軸箱是鑄鐵件，盡量采用合金鋼和高速鋼材料刀具加工。二是應(yīng)加強(qiáng)刀具使用管理，要求設(shè)備管理者定時(shí)對(duì)刀具的使用情況進(jìn)行檢查，讓刀具盡可能處于正常使用狀態(tài)。三是改進(jìn)刀具的一些結(jié)構(gòu)，保持其加工合理性。例如，加工內(nèi)徑較小的軸孔時(shí)，鉆頭橫刃較長會(huì)導(dǎo)致定心差，影響軸孔垂直度。將橫刃改短后，這個(gè)問題能得到很好的解決。

圖3

圖4

因某些過失操作造成的刀桿碰傷，中心線偏斜，而沒有及時(shí)發(fā)現(xiàn)，導(dǎo)致兩孔精度超差問題?？稍谠O(shè)備上加入紅外線感應(yīng)系統(tǒng)，當(dāng)?shù)毒邉?dòng)力頭進(jìn)給時(shí)，紅外線感應(yīng)到刀具前方有金屬物體，立即停止進(jìn)給運(yùn)動(dòng)。避免撞刀現(xiàn)象發(fā)生。

2.4 合理地選擇加工工藝參數(shù)

有研究表明，機(jī)械加工工件的精度與加工時(shí)的切削余量、進(jìn)給速度、切削速度有密切的聯(lián)系。切削余量加大會(huì)導(dǎo)致加工時(shí)加長，加工部位熱量的增加，并加大排屑的難度。切削速度的增大會(huì)加大刀具與工件間的作用力，加大刀具的磨損，降低刀具的壽命，并影響加工精度。進(jìn)給速度的增加，會(huì)加大刀具的背吃刀量，也會(huì)加大刀具與工件的相互作用力，對(duì)刀具產(chǎn)生較大的擠壓，若刀具剛度不足，極易造成制造精度降低。因而，根據(jù)實(shí)際加工情況，合理設(shè)置加工參數(shù)，能大大地改善零件的加工精度。例如，曲軸箱缸孔，粗鉆時(shí)切削速度78.5m/min,粗鏜切削速度為93m/min，粗鏜切削速度為150m/min。根據(jù)粗鉆、粗鏜、精鏜工藝不同的加工余量和走刀量，設(shè)定不同的轉(zhuǎn)速，根據(jù)工藝流程順序和加工工藝特點(diǎn)，轉(zhuǎn)速逐級(jí)提升。對(duì)延長刀具壽命和提高加工精度都大有裨益。

2.5 其他措施

目前，曲軸箱加工未實(shí)現(xiàn)全程自動(dòng)化，每道工序仍采用人工上、下料方式。而上、下料對(duì)工件的定位起到至關(guān)重要作用，所以，生產(chǎn)者的素養(yǎng)也是影響曲軸箱兩孔精度的原因之一，提高生產(chǎn)者職業(yè)素養(yǎng)，也非常重要。曲軸箱兩孔垂直度精度要求較高，采用精密度高的檢測(cè)工具也是控制、提高零部件精度的重要手段。

3 結(jié)語

曲軸箱是冰箱壓縮機(jī)泵體中的重要零部之一，加工結(jié)構(gòu)復(fù)雜。缸孔、軸孔垂直度是曲軸箱關(guān)鍵的工藝參數(shù)。來料、設(shè)備、刀具、工裝夾具等是影響這一工藝參數(shù)的關(guān)鍵因素，通過對(duì)這幾方面的控制和改進(jìn)，能很好地控制曲軸箱兩孔垂直度精度，提高壓縮機(jī)性能。

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[2]林文煥，陳本通.機(jī)床夾具設(shè)計(jì)[M].國防工業(yè)出版社，1987，8.

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