缸體曲軸孔和凸輪軸孔的加工方法

（上海柴油機(jī)股份有限公司，上海200438）

缸體曲軸孔和凸輪軸孔的加工方法

程權(quán)

（上海柴油機(jī)股份有限公司，上海200438）

介紹了某型柴油機(jī)缸體曲軸孔、凸輪軸孔的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和技術(shù)要求，分析了加工工藝，重點(diǎn)闡述了鏜夾具的設(shè)計(jì)制造過程，通過優(yōu)選設(shè)計(jì)方案和選用合理的工藝方法，來保證鏜夾具的質(zhì)量滿足曲軸孔和凸輪軸孔高精度的加工要求。

曲軸孔凸輪軸孔鏜孔夾具

1 前言

曲軸孔和凸輪軸孔是柴油機(jī)缸體零件的2組關(guān)鍵孔，加工精度要求高，加工質(zhì)量直接決定柴油機(jī)的技術(shù)性能、工作可靠性、平穩(wěn)性和使用壽命。為保證加工精度，國內(nèi)發(fā)動(dòng)機(jī)制造企業(yè)多采用進(jìn)口專機(jī)來加工；但進(jìn)口專機(jī)價(jià)格非常昂貴，且交貨期長。為滿足該型發(fā)動(dòng)機(jī)缸體小批量生產(chǎn)的需求，采用了一種低成本的加工方案，即利用現(xiàn)有舊的普通臥式鏜床，設(shè)計(jì)、制造專用鏜夾具。因此，鏜夾具的設(shè)計(jì)和制造質(zhì)量直接決定了曲軸孔和凸輪軸孔的加工精度。本文介紹了在鏜夾具設(shè)計(jì)上采用優(yōu)選的設(shè)計(jì)方案，在制造中采用合理的工藝方法，來保證鏜夾具的質(zhì)量，滿足了曲軸孔和凸輪軸孔的高精度加工要求，大幅減少了設(shè)備投入。

2 曲軸孔、凸輪軸孔的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和技術(shù)要求

2.1結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

某型柴油機(jī)缸體零件長度尺寸近800 mm，曲軸孔和凸輪軸孔對(duì)兩端孔公共軸線基準(zhǔn)的同軸度分別為0.025 mm，對(duì)缸體底面和2個(gè)工藝定位孔的位置精度為0.07 mm，精度要求高，加工難度大。該柴油機(jī)的曲軸孔和凸輪軸孔結(jié)構(gòu)如圖1所示。在沿缸體長度方向上，2組孔均由7個(gè)單孔組成，軸心線相互平行且與底面平行，凸輪軸孔長度與直徑比為10多倍，屬深孔加工。加工時(shí)鏜排的剛性差且易變形，凸輪軸孔處內(nèi)腔空間狹小，布置導(dǎo)向機(jī)構(gòu)困難。

2.2技術(shù)要求

（1）曲軸孔和凸輪軸孔分別對(duì)兩端孔公共軸線基準(zhǔn)的同軸度為0.025 mm。

（2）兩端曲軸單孔公共軸線對(duì)缸體底面和底面上2個(gè)工藝定位孔d的位置精度為0.07 mm，凸輪軸孔對(duì)兩端曲軸單孔公共軸線平行度為0.06 mm，位置精度為0.1 mm。

（3）曲軸孔尺寸精度為ⅠT6，凸輪軸孔尺寸精度為ⅠT7級(jí)。

3 加工方法

根據(jù)曲軸孔和凸輪軸孔的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和技術(shù)要求分析，加工時(shí)主要解決2個(gè)方面的問題：一是保證2組孔的同軸度和位置精度要求，特別是凸輪軸細(xì)長孔的加工質(zhì)量，二是如何提高加工效率。加工方法的選擇既要保證質(zhì)量，又要滿足生產(chǎn)效率和經(jīng)濟(jì)性的要求。根據(jù)缸體的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和技術(shù)要求，確定的加工方法是：曲軸孔和凸輪軸孔的7個(gè)單孔各用1根鏜刀桿上7把半精鏜刀和7把精鏜刀同步加工，每個(gè)單孔用半精鏜和精鏜2把刀連續(xù)加工，如圖2所示。缸體工件先放置在鏜夾具的讓刀位置，分別將2根鏜刀桿穿到各導(dǎo)套和所對(duì)應(yīng)的加工孔中，然后移動(dòng)缸體到定位位置進(jìn)行工件的定位夾緊，隨后完成曲軸孔和凸輪軸孔的半精鏜和精鏜加工。

圖1 曲軸孔和凸輪軸孔簡圖

圖2 鏜刀桿

（1）半精鏜孔：主要是切除孔徑余量，修正粗加工時(shí)孔的位置度偏差，提高同1組孔中7檔孔的同軸度，為精鏜孔留0.15～0.20 mm的加工余量，選用90°可轉(zhuǎn)位鏜刀加工。

（2）精鏜孔：曲軸孔和凸輪軸孔的最終精加工，要保證2組孔的同軸度、位置度、圓度、尺寸精度和表面粗糙度。為提高加工質(zhì)量和效率，精鏜刀選用山特維克公司的模塊式精鏜單元，曲軸孔切削速度為120 m/min，凸輪軸孔因受缸體內(nèi)腔空間的限制滑動(dòng)導(dǎo)套的切削速度相對(duì)要低。

4 夾具的設(shè)計(jì)

因該發(fā)動(dòng)機(jī)缸體目前還處于小批量生產(chǎn)階段，從降低成本的角度考慮，夾具采用手動(dòng)定位夾緊方式，操作人吊裝工件。

4.1鏜刀桿的導(dǎo)向

由于加工的曲軸孔和凸輪軸孔長徑比大于8倍，鏜孔的同軸度和位置精度要求高，要求鏜刀桿的剛性好，因此選用導(dǎo)向距離長的雙面單導(dǎo)向結(jié)構(gòu)布置，在工件鏜孔的前后端各設(shè)置1組滾動(dòng)軸承導(dǎo)套結(jié)構(gòu)的主導(dǎo)向。為增加鏜刀桿的剛性，在工件內(nèi)腔中間各布置2組中間導(dǎo)向，用4個(gè)導(dǎo)向來確定同1組孔的軸線位置，提高凸輪軸孔細(xì)長軸鏜刀桿在切削加工時(shí)的剛性，見圖3。這種導(dǎo)向結(jié)構(gòu)鏜刀桿與機(jī)床主軸采用浮動(dòng)連接，鏜孔精度完全由夾具保證，不受機(jī)床主軸的傳動(dòng)精度和幾何誤差的影響。

圖3 凸輪軸孔導(dǎo)向機(jī)構(gòu)

4.2導(dǎo)向裝置的結(jié)構(gòu)

1）滾動(dòng)軸承導(dǎo)套

其結(jié)構(gòu)如圖4（a）所示。工件兩端距離長、空間大，各設(shè)置1個(gè)主導(dǎo)向裝置，采用滾動(dòng)導(dǎo)向結(jié)構(gòu)，由2個(gè)角接觸球軸承和旋轉(zhuǎn)導(dǎo)套組成。特點(diǎn)是導(dǎo)向精度和切削速度高，能承受徑向和軸向負(fù)荷。

2）滾針軸承導(dǎo)套

其結(jié)構(gòu)見圖4（b）。曲軸孔中間內(nèi)腔中設(shè)置2個(gè)滾針軸承結(jié)構(gòu)的導(dǎo)套，受工件內(nèi)腔空間限制無法安裝角接觸球軸承。為減小外形尺寸采用滾針軸承，由滾針、保持架、固定襯套和旋轉(zhuǎn)導(dǎo)套組成。

3）滑動(dòng)導(dǎo)套

其結(jié)構(gòu)如圖4（c）所示。工件凸輪軸孔處內(nèi)腔空間狹小，2個(gè)中間導(dǎo)向機(jī)構(gòu)無法用滾動(dòng)和滾針導(dǎo)向機(jī)構(gòu)。采用外形尺寸小的滑動(dòng)導(dǎo)向，由旋轉(zhuǎn)導(dǎo)套和固定導(dǎo)套座組成。導(dǎo)套回轉(zhuǎn)速度小于上述2種導(dǎo)向，需要配有良好的潤滑。

圖4 導(dǎo)向裝置

4.3導(dǎo)向精度的誤差分析

1）導(dǎo)套的跳動(dòng)誤差

導(dǎo)向裝置的上述3種結(jié)構(gòu)中，因軸承和運(yùn)動(dòng)副配合存在間隙，導(dǎo)套在旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)中產(chǎn)生徑向跳動(dòng)和軸向竄動(dòng)，造成鏜刀桿軸線發(fā)生漂移。鏜孔時(shí)由于承載區(qū)在孔上的位置變化與刀尖回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)不同步，會(huì)降低工件的加工質(zhì)量。

2）同軸度和位置度誤差

雙面導(dǎo)向從一面加工同軸線的7個(gè)單孔。鏜孔軸線的誤差由兩端和中間4個(gè)導(dǎo)套軸線的同軸度誤差，以及刀具旋轉(zhuǎn)軸線在鏜刀桿和導(dǎo)套的間隙所產(chǎn)生的幾何偏移共同組成。導(dǎo)套的位置度誤差就是導(dǎo)套軸線對(duì)夾具定位面和2個(gè)定位銷d的位置誤差，是由導(dǎo)套座零件在夾具體上安裝位置的誤差形成。

夾具設(shè)計(jì)上要求同一軸線上4個(gè)導(dǎo)套分別對(duì)兩端導(dǎo)套公共軸線的同軸度在0.01 mm內(nèi)，同一軸線上4個(gè)導(dǎo)套的旋轉(zhuǎn)跳動(dòng)在0.005 mm內(nèi)，鏜刀桿與導(dǎo)套的間隙為0.01～0.015 mm。

4.4定位機(jī)構(gòu)和定位誤差

1）定位機(jī)構(gòu)

缸體的定位基準(zhǔn)是底平面和底面上2個(gè)工藝定位孔，夾具采用一平面和2組齒輪齒條式可活動(dòng)伸縮定位圓銷和菱銷，平面限制3個(gè)自由度，圓銷限制2個(gè)移動(dòng)自由度，菱銷限制1個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)自由度，見圖5。為消除定位銷和基準(zhǔn)孔的間隙，設(shè)置了2個(gè)側(cè)向推靠機(jī)構(gòu)，夾具還設(shè)置了粗定位讓刀機(jī)構(gòu)。

2）定位誤差分析

定位誤差有2個(gè)定位銷與工件定位基準(zhǔn)孔的配合間隙產(chǎn)生的幾何偏移，以及定位面的平面度誤差造成的定位誤差。伸縮活動(dòng)定位圓銷和菱銷與固定襯套采用單配，間隙小于0.005 mm。

圖5 活動(dòng)定位銷

4.5夾緊機(jī)構(gòu)

夾具采用2組回轉(zhuǎn)式浮動(dòng)夾緊機(jī)構(gòu)。夾緊力的作用方向垂直向下、4個(gè)夾緊作用點(diǎn)位于缸體頂面，浮動(dòng)壓塊與工件接觸處用銅制材料保護(hù)工件頂面不被壓壞。為保證夾緊力，一致采用扭力扳手夾緊操作，見圖6。從操作方便角度考慮也可用液壓夾緊，通過夾緊座內(nèi)腔中的2個(gè)油缸頂起壓板進(jìn)行夾緊，夾緊力大小通過液壓系統(tǒng)可以調(diào)整。

圖6 夾具簡圖

4.6潤滑機(jī)構(gòu)

精鏜加工的切削速度高，導(dǎo)向裝置的導(dǎo)套也在高轉(zhuǎn)速下同步旋轉(zhuǎn)，因此導(dǎo)向裝置需要有良好的潤滑，以避免導(dǎo)套高速旋轉(zhuǎn)發(fā)熱產(chǎn)生變形咬死。夾具潤滑機(jī)構(gòu)采用手動(dòng)潤滑泵通過銅管、分油器把潤滑油輸送到導(dǎo)向裝置的內(nèi)腔，保證運(yùn)動(dòng)副有充分良好的潤滑。

5 夾具制造中精度的保證

根據(jù)上述對(duì)影響夾具精度因素的分析，要保證夾具的精度必須要在制造中保證導(dǎo)套的旋轉(zhuǎn)跳動(dòng)精度、導(dǎo)套軸線的同軸度和導(dǎo)套軸線對(duì)定位面定位銷基準(zhǔn)的位置度精度。

5.1導(dǎo)套的旋轉(zhuǎn)跳動(dòng)精度

1）提高滾動(dòng)軸承導(dǎo)套的回轉(zhuǎn)精度

滾動(dòng)軸承間隙對(duì)鏜刀桿回轉(zhuǎn)精度有很大的影響，軸承有間隙時(shí)鏜刀桿軸線會(huì)發(fā)生漂移，造成加工孔產(chǎn)生相應(yīng)的誤差，因此需要對(duì)軸承進(jìn)行預(yù)緊，消除間隙提高接觸剛性。夾具上2根鏜刀桿的兩端導(dǎo)套均采用成對(duì)角接觸球軸承，軸承是通過其內(nèi)外圈產(chǎn)生相對(duì)位移來實(shí)現(xiàn)軸承調(diào)整預(yù)緊的。具體是在兩軸承之間的內(nèi)圈和外圈之間放厚度不同的2個(gè)隔套，隔套的厚度差可以用如圖7所示的方法測(cè)量出。

圖7 軸承預(yù)緊測(cè)量

2）消除軸承外圓與導(dǎo)套座配合間隙

為消除角接觸球軸承外圓與導(dǎo)向座孔的配合間隙，根據(jù)實(shí)測(cè)軸承外圓尺寸后，確定導(dǎo)向座孔的精鏜尺寸，既方便裝配又保證消除配合間隙。

5.2用修配法提高滾針軸承導(dǎo)套的回轉(zhuǎn)精度

曲軸孔2個(gè)中間導(dǎo)向采用滾針軸承結(jié)構(gòu)，導(dǎo)套裝置的同軸度要求0.01 mm，導(dǎo)套部件的回轉(zhuǎn)跳動(dòng)精度小于0.005 mm，按尺寸鏈分析固定襯套、滾針、導(dǎo)套各組成環(huán)零件的精度需遠(yuǎn)小于0.005 mm，加工設(shè)備無法保證。為解決這個(gè)問題，裝配時(shí)采用修配法，即固定襯套內(nèi)孔與滾針外圓按經(jīng)濟(jì)精度制造，把導(dǎo)套外圓作為修配環(huán)來加工。即實(shí)測(cè)襯套孔和滾針外圓的實(shí)際尺寸，再計(jì)算導(dǎo)套外圓的實(shí)際尺寸來加工制造，既保證了精度又降低了成本。

5.3保證導(dǎo)套軸線同軸度和位置精度的工藝措施

1）導(dǎo)套座裝配的粗定位

夾具設(shè)計(jì)要求同一軸線上4個(gè)導(dǎo)套軸心線分別對(duì)兩端導(dǎo)套孔公共軸線的同軸度在0.01 mm內(nèi)，兩端導(dǎo)套孔公共軸線對(duì)夾具定位基準(zhǔn)面A和2個(gè)基準(zhǔn)孔d的位置精度為0.03 mm。如在夾具本體上先加工好連接螺孔安裝導(dǎo)套座，則各同一軸線上各導(dǎo)套的同軸度和位置精度誤差大，且很難調(diào)整。為使裝配方便，工藝上采用以導(dǎo)套孔軸線為基準(zhǔn)加工導(dǎo)套座上2個(gè)定位孔d1，孔距公差為±0.015 mm，在夾具本體A平面上，根據(jù)夾具2個(gè)定位銷d為坐標(biāo)基準(zhǔn)確定鏜刀桿中心位置，計(jì)算并加工出各導(dǎo)向座2個(gè)定位孔d1在夾具定位面A上相對(duì)應(yīng)的2個(gè)定位孔d2，孔距公差為±0.015 mm。用定位銷d1和d2定位安裝各導(dǎo)套座，可保證導(dǎo)套座在夾具本體上的粗定位。

2）導(dǎo)套座裝配的精定位

由于2組導(dǎo)向孔的同軸度要求為0.01 mm，根據(jù)夾具單件生產(chǎn)的特點(diǎn)，在裝配時(shí)采用修配調(diào)整法來保證同軸度要求：（1）在導(dǎo)套座粗定位的基礎(chǔ)上，夾具高度方向可通過修刮導(dǎo)套座底面的方法來加以保證；（2）在夾具寬度方向上，可通過在測(cè)量平板上搭角鐵進(jìn)行精密測(cè)量，調(diào)整導(dǎo)套座，或在精密鏜床上測(cè)量，調(diào)整導(dǎo)套座的位置，通過精密調(diào)整導(dǎo)套座位置來保證夾具上2組曲軸孔和凸輪軸孔導(dǎo)套軸線的同軸度達(dá)到0.01mm，如圖8所示。

圖8 導(dǎo)套座裝配示意圖

6 結(jié)論

缸體鏜夾具設(shè)計(jì)制造完成后經(jīng)檢驗(yàn)部門檢測(cè)，精度達(dá)到夾具設(shè)計(jì)圖紙的要求。交付使用之后，實(shí)際加工出的缸體曲軸孔和凸輪軸孔同軸度、位置精度等滿足工藝和產(chǎn)品圖紙的技術(shù)要求。該鏜夾具的設(shè)計(jì)制造實(shí)現(xiàn)了用低成本的工藝方法滿足缸體曲軸孔和凸輪軸孔高精度的加工要求。

Machining of Crankshaft and Camshaft Bores

Cheng Quan
（Shanghai Diesel Engine Co.,Ltd.,Shanghai 200438,China）

The process of machining the crankshaft and camshaft bores of an engine was analyzedaccording to their structure features,technical requirements and production conditions.The key issue was how to design and manufacture the boring tools and fixtures that can attain the required precisions of the bores.Optimal design and proper processing were made for making the boring fixture that can ensure the quality of the crankshaft and camshaft bores.

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10.3969/j.issn.1671-0614.2014.04.010

來稿日期：2014-07-29

程權(quán)（1964-），男，高級(jí)工程師，主要研究方向?yàn)楣ぱb技術(shù)。