曲軸車-車梳加工工藝分析及切削模擬實驗研究

張朝輝，何 云，劉 晉，徐忠意

（華東理工大學(xué)機械與動力工程學(xué)院、機械工程系，上海200237）

曲軸車-車梳加工工藝分析及切削模擬實驗研究

張朝輝，何 云，劉 晉，徐忠意

（華東理工大學(xué)機械與動力工程學(xué)院、機械工程系，上海200237）

車-車梳工藝是現(xiàn)今汽車發(fā)動機曲軸主軸頸的粗、半精加工中廣泛應(yīng)用的切削工藝。以車-車梳工藝為研究對象，分析了車梳復(fù)合切削特性以及車-車梳加工工藝流程。并以一套自主改造的車-車梳數(shù)控機床和配套的刀具系統(tǒng)為實驗平臺，進行了車-車梳切削模擬實驗，從軸頸圓度、表面粗糙度及軸頸側(cè)壁表面粗糙度三個方面對加工質(zhì)量進行了評估。實驗數(shù)據(jù)及研究結(jié)果對國內(nèi)曲軸加工工藝的改進和應(yīng)用有一定的參考價值。

曲軸車-車梳工藝分析

1 前言

曲軸是汽車發(fā)動機的重要部件，其制造質(zhì)量好壞直接影響了汽車的性能。多年來，汽車發(fā)動機曲軸制造工藝和切削用刀具一直是眾多學(xué)者和企業(yè)關(guān)注的熱點。

作為切削工藝和配套刀具最復(fù)雜的曲軸軸頸的高效復(fù)合加工技術(shù)，近30年來發(fā)生了很大變化。1983年美國LUMCO公司研制出了直線車?yán)に?，隨后美、德、英在其基礎(chǔ)上研制出了旋轉(zhuǎn)車?yán)に嚕?，2］。1988年德國兩大公司BOEHRINGER公司和HELLER公司開發(fā)出了曲軸車-車?yán)瓩C床，該加工工藝是將曲軸車削工藝與曲軸車?yán)に囃昝澜Y(jié)合，生產(chǎn)效率高，加工精度好，柔性大［3］。2004年BOEHRINGER公司開發(fā)出了一種梳刀來代替車-車?yán)に囍械睦镀?，這樣就形成了車-車梳加工工藝。車-車梳加工過程中刀盤將不存在旋轉(zhuǎn)運動而是改為軸向橫走，對刀盤而言使布局結(jié)構(gòu)更為緊湊［4，5］。同時，對于新工藝的更新?lián)Q代的成本更低。近幾年來，車-車梳切削在汽車發(fā)動機曲軸加工中已開始逐漸取代較傳統(tǒng)的車-拉和車-車?yán)邢鞴に?，成為了曲軸軸頸加工的一種新的主流切削技術(shù)。

車-車梳工藝中，多齒車梳切削是最關(guān)鍵的工序，直接影響了曲軸主軸頸表面最終的半精加工質(zhì)量。其切削方式較為特殊，不同于傳統(tǒng)的車削、拉削，對其切削特性的分析及車-車梳工藝的分析有著重要的理論和應(yīng)用價值。此外，本文在理論分析的基礎(chǔ)上，利用一臺自主改造的車梳拉加工機床進行了車-車梳模擬切削實驗。

2 曲軸車-車梳加工工藝分析

2.1 車梳復(fù)合切削特性分析

車梳切削基本過程如圖1所示，首先車梳刀片以一定的進給速度徑向切入工件，該過程可以看做是多切削刃同時切槽。當(dāng)?shù)镀兄猎摯晤A(yù)定深度后，刀片保持徑向鎖定，進行軸向梳削，梳削的長度略大于一個齒間距，即保證切除各槽間多余的工件材料，同時消除接刀痕，完成一次車梳切削。刀具在退刀后快速移動至下一個加工部位，進行多次循環(huán)切削。

曲軸軸頸車梳復(fù)合切削工藝，其復(fù)合特點體現(xiàn)在兩個方面：一是刀具運動軌跡的復(fù)合，即徑向切入和軸向走刀相繼往復(fù)切削，這種復(fù)合運動軌跡在普通的數(shù)控車床上均可實現(xiàn)；二是刀具結(jié)構(gòu)上的復(fù)合，即多刃多點同時參與切削，這種復(fù)合刀具可以用現(xiàn)有的涂層硬質(zhì)合金刀片技術(shù)生產(chǎn)制作。

由于采用多齒多刃梳型涂層硬質(zhì)合金刀片，加工時以梳削（徑向進給一個齒升量）和車削（軸向進給一個齒間距）往復(fù)交替的復(fù)合切削方式進行（如圖1所示），起到了減小切削力熱，降低切削溫度和利于切屑分流控制的效果，并有效地保證了切屑的折斷，因此，大大提高了曲軸的加工節(jié)拍和切削效率［6，8］。

2.2 曲軸軸頸加工余量分析

車-車梳工藝在加工曲軸毛坯時，均要完成曲軸主軸頸部位的粗加工，然后分別完成主軸頸側(cè)壁、沉割槽和主軸頸部位的半精加工。曲軸主軸頸部位需要加工的余量分布如圖2所示。其中，L=22.18或19 mm，A=63°，E=e=5.3 mm，R1=2.5或1.375 mm，直徑D=52.5 mm，c=1.05 mm。

圖1 車梳復(fù)合切削方式示意圖

圖2 主軸頸加工余量分布

2.3 曲軸主軸頸車-車梳加工工藝流程分析

基于對車-車梳工藝分析和曲軸主軸頸的余量分布，車-車梳加工曲軸主軸頸工藝流程可以歸納為如圖3所示：粗車主軸頸中間部位→粗車主軸頸左部及左側(cè)壁→粗車主軸頸右部及右側(cè)壁→沉割槽專用刀片半精車削左側(cè)壁及左沉割槽→沉割槽專用刀片半精車削右側(cè)壁及右沉割槽→梳刀片半精車梳加工主軸頸。

圖3 曲軸車-車?yán)に嚵鞒?/p>

3 車-車梳加工實驗研究

3.1 實驗條件

有了崗位就要有流程，專人專崗，按照流程規(guī)范進行，就會減少出錯的幾率，我們規(guī)范了各級的業(yè)務(wù)流程，分為常規(guī)作業(yè)業(yè)務(wù)流程、應(yīng)急作業(yè)業(yè)務(wù)流程、重大活動保障作業(yè)業(yè)務(wù)流程等。

實驗工件材料選用45號鋼，硬度約為164 HB，比發(fā)動機曲軸材料硬度140～160 HB略高。由于實驗?zāi)康氖悄M曲軸主軸頸部位的加工工藝，因此對實驗工件結(jié)構(gòu)進行特殊處理。為了增加尾架頂針位置材料的剛度，工件采用Φ100 mm的圓料。工件總的長度為300 mm，夾持部分長約25 mm，具體尺寸見圖4。

根據(jù)車-車?yán)?車-車梳機床切削原理和切削實驗平臺要求，本實驗使用自主改造的車梳拉機床CH7520。結(jié)合改造后的機床條件和車-車梳加工工藝特點，自主設(shè)計制造了一套符合實驗要求的配套刀盤。刀盤實物如圖5所示。

3.2 實驗方案

在自主研制的實驗平臺上對實驗工件進行主軸頸的車-車梳模擬加工，切削刀具及實驗參數(shù)見表1。加工完成后測量主軸頸的圓度、表面粗糙度和軸頸側(cè)壁的表面粗糙度。

圖4 實驗工件

圖5 刀盤實物圖

表1 車-車梳加工實驗參數(shù)

3.3 實驗結(jié)果及分析

本文采用RA-200型號的電感式粗糙度儀進行粗糙度測量，測量圓度的設(shè)備選用日本東京精密的RONDCOM43C-S型號圓度儀。在進行測量數(shù)據(jù)時，為了便于測量，將加工好的工件進行了切斷處理，如圖6所示。

圖6 切斷后工件示意圖

3.3.1 工件軸頸圓度實驗結(jié)果分析

測量采用RONDCOM43C-S圓度儀，其相關(guān)參數(shù)設(shè)置如下：濾波器種類為2RC，測量速度為6/min。測得的圓度輪廓見圖7～圖9，以及圓度值見表2。

表2 車-車梳加工不同位置軸頸圓度

通過車-車梳加工工藝得到的軸頸圓度測量結(jié)果，分析可知：

（1）車-車梳加工得到的軸頸圓度值在位置1到位置3之間呈降低趨勢，原因可能在于：位置1離工件夾持部分最遠，而且工件較長，加工過程中工件呈懸臂梁狀態(tài)，由于切削時徑向力的作用導(dǎo)致加工不穩(wěn)定；而位置3距離夾持部位較近，相對來說加工過程較為穩(wěn)定。

圖7 位置1主軸頸圓度

圖8 位置2主軸頸圓度

圖9 位置3主軸頸圓度

（2）車-車梳加工得到的軸頸圓度的最大測量值為0.031 mm，小于曲軸主軸頸的加工精度為± 0.07 mm，可以看出車-車梳加工得到的工件軸頸圓度完全符合曲軸主軸頸的加工精度要求。

3.3.2 工件軸頸表面粗糙度實驗結(jié)果分析

為了提高測量的準(zhǔn)確性，每個位置都進行了5次測量，并求取了平均值。車-車梳加工得到的工件軸頸粗糙度Ra測量結(jié)果見表3。

表3 車-車梳加工軸頸表面粗糙度

由工件軸頸表面粗糙度的測量結(jié)果可知，車-車梳加工得到的軸頸表面粗糙度在3個位置有所不同，從位置1、位置2到位置3的表面粗糙度值成降低趨勢，因為位置1離機床主軸三爪卡盤最遠，而工件尺寸較長，在加工過程中由于徑向切削力的作用導(dǎo)致工件加工不穩(wěn)定；而位置3距離夾持部位較近，相對來說加工過程較為穩(wěn)定，加工過程產(chǎn)生的聲響也能證明這一點。在加工過程中位置1嘯叫厲害，而位置3加工較為平穩(wěn)?？偟膩碚f，3個位置測得的粗糙度范圍在0.985～2.269 μm，符合曲軸軸頸半精加工的要求。

3.3.3 工件軸頸側(cè)壁表面粗糙度分析

車-車梳加工得到的工件軸頸側(cè)壁粗糙度Ra測量結(jié)果見表4。由工件軸頸側(cè)壁表面粗糙度的測量結(jié)果可知，車-車梳加工得到的軸頸側(cè)壁表面粗糙度從位置1到位置3成遞減趨勢，原因同上節(jié)主軸頸表面粗糙度?？偟膩碚f，3個位置測得的粗糙度范圍在0.968～1.410 μm，完全符合曲軸軸頸側(cè)壁半精加工的要求。

表4 車-車梳加工主軸頸側(cè)壁表面粗糙度

此外，對比工件軸頸表面粗糙度測量結(jié)果，可以看出軸頸側(cè)壁的表面粗糙度值明顯低于軸頸的表面粗糙度，這可能是這兩方面原因造成的：（1）車梳加工過程為循環(huán)的進刀車削和軸向移動梳削組合而成，當(dāng)完成一次車梳后移動到下個位置進行車梳時很容易造成累積誤差的產(chǎn)生，導(dǎo)致表面粗糙度較差；（2）由于梳刀刀片在加工過程中所有齒高與理論高度都存在著一個高度公差，由于目前技術(shù)條件的限制，在加工梳刀刀片時無法保證每個齒高與理論高度零公差，因此梳刀在加工過程總是無法保證加工表面達到一個很高的精度。

4 結(jié)論

（1）車-車梳加工過程中，梳刀片以梳削（徑向進給一個齒升量）和車削（軸向進給一個齒間距）往復(fù)交替的復(fù)合切削方式進行，多齒同時參與切削，起到了降低切削溫度和利于切屑分流控制的效果，并有效地提高了切削效率。

（2）通過車-車梳模擬切削實驗可知，加工得到的工件軸頸圓度、表面粗糙度和軸頸側(cè)壁表面粗糙度，完全符合曲軸軸頸加工精度要求，且軸頸側(cè)壁的表面粗糙度值明顯低于軸頸的表面粗糙度。

（3）由車-車梳模擬切削實驗中不同軸頸位置的圓度、表面粗糙度值的不同可知，機床剛度和工件夾持的可靠性會影響車-車梳加工的精度和穩(wěn)定性。

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Analysis and Experimental Cutting Simulation Research on Turn-turn Chasing Process of Crankshaft

Zhang Chaohui，He Yun，Liu Jin，Xu Zhongyi
（East China University of Science and Technology，School of Mechanical and Power Engineering，Shanghai 200237，China）

Turn-turn chasing process is widely u sed in the rough and semi-finish machining of crankshafts of modern vehicles.In this paper，taking the process as the research subject，the turn-turn chasing process and cutting characteristics was analyzed.Based on an experimental platform which includes a remolded CNC machine applied to turn-turn chasing process and a newly manufactured tool system，the simulated turn-turn chasing cutting experiment was conducted.Machining quality was evaluated in three aspects，the shaft collar roundness，surface roughness and shaft collar side wall surface roughness. Experimental data and the results of the study have a certain reference value for the improvement and application of domestic crankshaft processing.

crankshaft，turn-turn chasing，process analysis

10.3969/j.issn.1671-0614.2015.04.011

來稿日期：2015-05-27基金項目：國家重大科技專項“高檔數(shù)控機床與基礎(chǔ)制造裝備”（2012ZX04003041）

張朝輝（1990-），男，在讀碩士研究生，主要研究方向為曲軸加工工藝及刀具技術(shù)。