基于加工中心的線鏜工藝研究與應(yīng)用

周伙英， 馬小娟

（1.一汽海馬汽車有限公司，?？?70216；2.海南大學(xué)，?？?570228）

0 引言

曲軸孔的作用主要是支撐曲軸，傳遞從曲軸柄傳來的轉(zhuǎn)矩并通過法蘭輸出，同時吸收活塞運(yùn)動過程中產(chǎn)生的軸向和側(cè)向力[1]。由于曲軸孔的加工質(zhì)量對發(fā)動機(jī)的工作性能具有極其重大的影響，所以對發(fā)動機(jī)曲軸孔工藝的要求一般比較嚴(yán)格，包括直徑、位置度、圓度、同軸度、各檔曲軸孔中心的直線度及表面粗糙度等[2]。為了滿足這些要求苛刻的工藝指標(biāo)，精加工一般采用專機(jī)線鏜或鉸珩兩種加工方式[3-4]。為了降低投資，實(shí)現(xiàn)三、四缸發(fā)動機(jī)的共線生產(chǎn)，海馬某型號缸體曲軸孔精加工取消了鉸珩，采用加工中心線鏜加工工藝，實(shí)現(xiàn)機(jī)床內(nèi)機(jī)械手自動調(diào)刀，質(zhì)量得到可靠的保證。該曲軸孔整個加工工藝流程為：半圓孔粗加工→瓦蓋合裝后的兩次半精加工→精加工，所有工序都在加工中心上完成。

圖1 曲軸孔粗加工夾具

1 曲軸孔粗加工

1.1 曲軸孔粗加工夾具

曲軸孔粗加工夾具如圖1所示，本工序選擇缸體瓦蓋結(jié)合面和缸孔來定位，以保證缸孔的加工余量均勻及缸孔與結(jié)合面的垂直度。工件進(jìn)入夾具后，導(dǎo)軌下降，缸體瓦蓋結(jié)合面落在定位支撐上，而后自定心結(jié)構(gòu)下降到指定位置，通過四個缸孔定位，自定心結(jié)構(gòu)定位后中心在同一直線上。定位完成后，油缸開始動作并壓緊缸體。若缸體定位氣密檢測通過，機(jī)床便開始運(yùn)行加工程序；若氣密檢測報(bào)警，則需重定位夾緊。

1.2 曲軸孔粗加工刀具

曲軸孔粗鏜刀如圖2所示，刀片分為3組，每組3片，粗加工后曲軸孔留下單邊0.85 mm的余量。

圖2 曲軸孔粗加工刀具

粗鏜刀最初使用R0.4刀片，刀具壽命太短，而且加工后的曲軸孔粗糙度較高。經(jīng)改進(jìn)，換用R0.8刀片，試用后粗糙度有明顯改善，壽命也有很大提高。

1.3 曲軸孔粗加工

主軸夾緊刀具→刀具進(jìn)入曲軸孔→鏜刀與曲軸孔同軸→粗鏜3、4、5檔（第一組刀片鏜第3檔、第二組鏜第4檔、第三組鏜第5檔）→刀具退出→夾具旋轉(zhuǎn)180°→刀具進(jìn)入曲軸孔→鏜刀與曲軸孔同軸→粗鏜1、2檔（第一組刀片鏜第2檔、第二組鏜第1檔）→刀具退出，加工過程如圖3所示。

2 曲軸孔線鏜

2.1 采用加工中心設(shè)備線鏜的可行性分析

在大批量生產(chǎn)中，用專機(jī)線鏜曲軸孔是常見的加工工藝。用CNC替代專機(jī)，其難點(diǎn)有兩個：1）夾具設(shè)計(jì)較為復(fù)雜，工序內(nèi)要實(shí)現(xiàn)工件的上升和再次夾緊動作；2）此工藝是否能滿足曲軸孔的表面粗糙度及孔位、孔徑，孔的圓度、同軸度的過程能力CPK≥1.33或CP≥1.33的質(zhì)量要求。

圖3 曲軸孔粗加工示意圖

夾具的上升與下降可以通過PLC控制系統(tǒng)與油缸等機(jī)械部件實(shí)現(xiàn)，夾具設(shè)計(jì)要保證工件的定位精度。

曲軸孔位的精度，由于缸孔未精加工，僅需考慮曲軸孔與設(shè)計(jì)基準(zhǔn)的加工誤差。影響因素為工件的定位誤差、設(shè)備的定位與重復(fù)定位的誤差，托盤的定位與重復(fù)定位誤差。依據(jù)ISO標(biāo)準(zhǔn)，若機(jī)床主軸的定位精度為0.006，重復(fù)定位精度為0.003，托盤的定位為5″，重復(fù)定位精度為2″；導(dǎo)套的位置偏差控制在0.003的范圍內(nèi)，若工件的定位誤差≤0.02，經(jīng)計(jì)算，長度400 mm的曲軸孔，在設(shè)備的精度范圍內(nèi)，理論上其位置度將在0.034的區(qū)間范圍內(nèi)（可信度≥99.74%）。再考慮到實(shí)際加工刀具的受力情況及原點(diǎn)定位的系統(tǒng)偏差，則加工后工件的位置均值保證在0.05的偏差范圍內(nèi)則可保證工序能力CPK≥1.33。

曲軸孔的圓度與同軸度，則與主軸的遠(yuǎn)端跳動及整個系統(tǒng)的剛性有關(guān)。

因曲軸孔為雙材質(zhì)（軸承蓋材質(zhì)為粉末冶金，缸體材質(zhì)為鑄鐵），其表面粗糙度與孔徑的工序能力較難保證，對刀具的剛性和刀片的材質(zhì)有較高的要求。經(jīng)考證，刀具供應(yīng)商有類似加工案例，可以作為借鑒。

綜上，采用CNC線鏜技術(shù)在當(dāng)前的技術(shù)條件下是可行的，可以進(jìn)入實(shí)施階段。

圖4 曲軸孔精加工夾具

2.2 曲軸孔線鏜夾具

曲軸孔精加工夾具如圖4所示，該工序選擇缸體底面及底面兩銷孔來定位。工件進(jìn)入夾具后，支撐導(dǎo)軌動作，缸體下降到定位支撐處，圓銷與菱銷上升進(jìn)入定位銷孔，油缸開始動作并夾緊缸體，待缸體定位氣密檢測通過后，機(jī)床開始運(yùn)行加工程序。加工曲軸孔時，在鏜刀進(jìn)入曲軸孔前，夾具油缸動作，夾爪松開，支撐導(dǎo)軌動作，缸體上升2.38 mm，待上升氣密檢測通過后，鏜刀偏心進(jìn)入，鏜刀定位后，缸體恢復(fù)至初始夾緊狀態(tài)。加工結(jié)束后，之前動作重復(fù)一次，鏜刀偏心退出。

上升氣密裝置如圖5所示，在實(shí)際加工中，該氣孔容易進(jìn)入鐵屑，造成氣密檢測報(bào)警，影響缸體線正常生產(chǎn)。為了解決這個問題，臨時措施是經(jīng)常用水槍沖洗氣孔面，后期對夾具進(jìn)行改造，改造后的氣密檢測裝置如圖6所示。該氣密檢測位于裝置內(nèi)部，鐵屑無法進(jìn)入，類似的報(bào)警問題將不會再出現(xiàn)。

導(dǎo)套是運(yùn)用于發(fā)動機(jī)曲軸孔加工的一個精密機(jī)床部件。滾動導(dǎo)套的結(jié)構(gòu)、精度、安裝、調(diào)試、使用、維護(hù)及與之相配的直線鏜桿的精度、直線鏜桿與滾動導(dǎo)套的配合間隙等將直接影響所加工的曲軸孔的粗糙度、圓柱度、同軸度。本夾具使用GATCO精密滾動導(dǎo)套，由靜止外套、與鏜桿一起旋轉(zhuǎn)的淬硬并經(jīng)過磨削的內(nèi)套、精密軸承、密封件組成。導(dǎo)套在夾具上的安裝定位方式采用導(dǎo)套外徑定位，與夾具定位孔的配合選用間隙配合，這樣可以避免軸承外圈因溫度升高而膨脹影響滾動導(dǎo)套回轉(zhuǎn)精度和壽命，一般要求滾動導(dǎo)套外徑與夾具定位孔的內(nèi)徑至少留有0.008 mm的間隙。

圖5 原氣密檢測裝置

圖6 改造后氣密檢測裝置

2.3 曲軸孔線鏜刀具

2.3.1 線鏜刀

曲軸孔線鏜刀通過刀桿頭部的導(dǎo)向鍵與導(dǎo)套實(shí)現(xiàn)固定聯(lián)接，刀桿材質(zhì)為重金屬，在刀桿上分布著五組半精鏜刀片和精鏜刀片，如圖7所示。第二次半精鏜留下單邊0.05～0.06的余量。其中每個精鏜單元都可以單獨(dú)調(diào)整，調(diào)整精度在直徑方向能達(dá)到0.002 mm，保證極好的孔徑公差。刀片磨損后在機(jī)床數(shù)控系統(tǒng)輸入孔徑數(shù)據(jù)，可通過自動補(bǔ)償機(jī)械手調(diào)節(jié)精調(diào)單元，調(diào)整刀尖高度。自動補(bǔ)償機(jī)械手卡爪上帶有金剛石涂層，具有防滑效果。

2.3.1.1 自動補(bǔ)償裝置

圖7 曲軸孔精鏜刀示意圖

表1 精鏜刀機(jī)械手調(diào)刀試驗(yàn)記錄表

在使用過程中，發(fā)現(xiàn)機(jī)械手調(diào)刀的準(zhǔn)確性、可靠性不能滿足要求。為驗(yàn)證機(jī)械手自動調(diào)整性能，我們做了調(diào)刀試驗(yàn)。試驗(yàn)方案為：1）試驗(yàn)前記錄每檔刀片高度；2）通過機(jī)械手自動調(diào)刀機(jī)構(gòu)將孔徑調(diào)大或調(diào)小2～6μm；3）自動調(diào)刀后，測量并記錄各檔刀片高度（表1），看其是否變化及其變化量。

從表1可知，機(jī)械手自動調(diào)刀不成功率為65%。對精鏜單元依據(jù)數(shù)據(jù)進(jìn)行持續(xù)改進(jìn)，經(jīng)過多次驗(yàn)證，發(fā)現(xiàn)改進(jìn)后的精鏜單元通過機(jī)械手調(diào)整的數(shù)值比實(shí)際輸入值小2 μm,按照此規(guī)律，目前已能用機(jī)械手自動調(diào)刀。

2.3.1.2 線鏜的精鏜刀片

線鏜刀首次實(shí)驗(yàn)刀片為SPCE731 UK20,是非涂層硬質(zhì)合金刀片，在用各種組合參數(shù)試切削后，曲軸孔的表面粗糙度為Rz12～18 μm，達(dá)不到圖樣要求。

通過更改刀片材質(zhì)，選用一款金屬陶瓷刀片SPCE731 VC610。此次變更刀片材質(zhì)后，表面粗糙度上有較大的改善，能到達(dá)Rz8～10 μm，但孔徑減小很快，刀片抗磨損能力較差。再次改善，選用SPCE732 VC610和TiAlN物理涂層的SPCE732 VC610兩種方案。試切削后，發(fā)現(xiàn)只是增大圓角方案SPEC732 VC610刀片的抗磨損能力沒有明顯增強(qiáng)，而加了涂層的刀片，雖在抗磨損方面有了很大的提升，但是粗糙度有所提高。而后又將涂層后的刀片做頂面拋光處理，使刀尖變得更圓滑，來降低加工粗糙度，結(jié)果還是不理想。

隨后，我們對線鏜刀的刀片材質(zhì)進(jìn)行了另外一種方案的驗(yàn)證，即更換現(xiàn)有的硬質(zhì)合金刀片材料為CBN刀片材料，選用型號為SPHN050204-T01015。然后，進(jìn)行了新刀片的驗(yàn)證工作，該刀片總共試驗(yàn)3次，第一次總加工件數(shù)為152件；第二次總加工件數(shù)為246件，平均加工29件調(diào)一次刀；第三次總加工件數(shù)為250件，平均加工27件調(diào)一次刀。從本次試驗(yàn)來看，在粗糙度的控制方面CBN刀片明顯優(yōu)于硬質(zhì)合金刀片，單刃均加工壽命能夠突破210件，調(diào)刀頻次也可滿足生產(chǎn)要求。經(jīng)過不斷地摸索與改進(jìn)，目前該刀片平均每刃加工件數(shù)可達(dá)260件。

2.3.2 曲軸孔線鏜

主軸夾緊刀具→刀具進(jìn)入曲軸孔→刀頭進(jìn)入導(dǎo)向套→夾具托盤下降→夾緊工件→鏜刀與曲軸孔同軸→半精鏜曲軸孔（五檔同步）→精鏜曲軸孔（拉鏜順序：5檔→2檔→3檔→4檔→1檔）→夾具放松→工件上升→鏜刀退出，加工過程如圖8所示。

經(jīng)過機(jī)床與刀具的多次實(shí)驗(yàn)調(diào)整，第1檔與第2檔的各項(xiàng)數(shù)據(jù)穩(wěn)定，達(dá)到Cpk≥1.33的要求,如圖9選取第1檔的直徑數(shù)據(jù)。但第3檔的直徑只達(dá)到Cpk=1.0。針對該問題，我們將繼續(xù)在刀片的材質(zhì)、調(diào)刀的穩(wěn)定性等方面做進(jìn)一步的改善。此狀態(tài)可以進(jìn)入量產(chǎn)，但需加大工件的抽檢頻次，并對數(shù)據(jù)做持續(xù)的監(jiān)控。

圖8 曲軸孔精鏜示意圖

圖9 第1檔直徑的過程能力

3 結(jié)語

本文研究并實(shí)踐基于加工中心的線鏜工藝，通過對線鏜夾具的設(shè)計(jì)、刀具和刀片的改進(jìn)，實(shí)現(xiàn)了多品種共線的生產(chǎn)模式，經(jīng)實(shí)踐驗(yàn)證，中、小批量生產(chǎn)質(zhì)量較為穩(wěn)定。鑒于缸體曲軸孔的重要性，在今后生產(chǎn)過程中還需對曲軸孔的粗、精加工進(jìn)行緊密跟蹤，通過不斷摸索與改進(jìn)，使其達(dá)到最佳狀態(tài)。