曲軸交叉油孔毛刺產(chǎn)生機(jī)理分析及控制措施

張風(fēng)順，賴明聰

（上汽通用五菱汽車股份有限公司，廣西 柳州545007）

隨著汽車制造業(yè)的飛速發(fā)展，顧客對(duì)于整車性能的要求越來(lái)越高。發(fā)動(dòng)機(jī)作為汽車的核心部件之一直接影響到整車的整體性能。曲軸作為發(fā)動(dòng)機(jī)的核心部件，其工作環(huán)境尤為惡劣，不僅承受著周期性變化的活塞連桿組往復(fù)運(yùn)動(dòng)及旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的力，還長(zhǎng)期處于彎曲、扭轉(zhuǎn)、振動(dòng)等循環(huán)應(yīng)力的作用。而曲軸清潔度的好壞對(duì)NVH及油耗一致性有著較大影響。在加工發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸時(shí)，工件的油孔均經(jīng)過(guò)OP40鉆床工序?qū)Ω鱾€(gè)軸頸進(jìn)行鉆削加工，在零件內(nèi)部直、斜油孔交匯處極易產(chǎn)生毛刺，在后續(xù)加工和運(yùn)輸過(guò)程中存在毛刺掉落的風(fēng)險(xiǎn)，若殘留的毛刺掉落入軸瓦處，不僅加劇了軸瓦的異常磨損，還會(huì)造成發(fā)動(dòng)機(jī)的異響和異常振動(dòng)等一系列性能問(wèn)題。

本文對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸交叉油孔處毛刺的產(chǎn)生機(jī)理進(jìn)行系統(tǒng)性分析，找出影響曲軸交叉油孔毛刺的主要因素，并結(jié)合國(guó)內(nèi)目前抑制或減少毛刺的工藝方法，以降低毛刺掉落風(fēng)險(xiǎn)，改善曲軸油孔清潔度。

1 曲軸交叉油孔毛刺產(chǎn)生機(jī)理

1.1 曲軸交叉油孔毛刺形態(tài)及特征

在發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸機(jī)加工過(guò)程中，存在交叉油孔處毛刺難以去除的問(wèn)題。曲軸線油孔鉆機(jī)床加工出的交叉油孔處毛刺主要表現(xiàn)為：毛刺突出于交叉油孔薄壁處，細(xì)且長(zhǎng)（如圖1所示）。根據(jù)毛刺形態(tài)及特征的分類[1]，將毛刺分為Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ三種類型（如圖2所示）。Ⅲ型毛刺凸出于工件終端，附加在加工孔周圍，毛刺尺寸是三種毛刺類型里最大的，毛刺長(zhǎng)度H≈d/2，毛刺寬度B也是最大的，曲軸交叉油孔毛刺屬于Ⅲ型毛刺。

圖1 曲軸交叉油孔毛刺形態(tài)

圖2 鉆削中毛刺的基本形態(tài)

1.2 曲軸交叉油孔毛刺產(chǎn)生原因

曲軸交叉油孔毛刺的產(chǎn)生，與油孔鉆削順序息息相關(guān)。曲軸軸頸上的直油孔、斜油孔鉆削順序（以某1.5 L曲軸為例）為：預(yù)鉆直油孔→鉆通直油孔→預(yù)鉆斜油孔→鉆通斜油孔（如圖3所示）。

圖3 鉆削曲軸油孔順序流程圖

油道孔的鉆削過(guò)程，本質(zhì)是刀具的鉆頭擠壓工件產(chǎn)生的剪切滑移過(guò)程，由于油道孔本身的結(jié)構(gòu)和布局，在兩個(gè)及以上油道形成交匯處的邊、角、棱會(huì)出現(xiàn)較大的塑形變形[2]，鉆頭與工件在交匯處有一個(gè)分離的過(guò)程，極易產(chǎn)生毛刺（如圖4）。根據(jù)切削運(yùn)動(dòng)-刀具切削刃毛刺分類體系[3]，鉆削加工過(guò)程中產(chǎn)生的毛刺方向分為兩大類：切入進(jìn)給方向和切出進(jìn)給方向。在進(jìn)行斜油孔加工時(shí)，由于交叉油孔處壁厚最薄，當(dāng)鉆頭處于切出進(jìn)給方向時(shí)，薄壁處收到較大的擠壓力而產(chǎn)生塑性變形形成毛刺。

圖4 某1.5 L曲軸交叉油孔示意圖

2 影響曲軸交叉油孔毛刺的主要因素

曲軸交叉油孔毛刺產(chǎn)生于鉆削加工過(guò)程。影響工件毛刺的因素很多，主要分為以下三大方面的因素：

（1）刀具參數(shù)設(shè)置：包括鉆頭切削速度、進(jìn)給量；

（2）工件材料：某1.5 L曲軸的毛坯材料為鑄鐵，鑄鐵的特性表現(xiàn)為硬而脆。從大批量曲軸生產(chǎn)中發(fā)現(xiàn)機(jī)加工鉆削產(chǎn)生的毛刺較1.5 L鍛鋼件所產(chǎn)生的毛刺少；

（3）鉆頭的幾何參數(shù)：包括鉆頭的幾何角度、鉆頭耐用度等。

綜合以上三點(diǎn)因素，通過(guò)減少刀具進(jìn)給量、增加頂角角度、合理設(shè)置刀具耐用度等，能夠從一定方面上改善曲軸交叉油孔毛刺的問(wèn)題。

3 現(xiàn)有去毛刺控制措施

3.1 機(jī)械去毛刺

傳統(tǒng)去除曲軸交叉油孔處毛刺的方法為：鉆完直、斜油孔之后，在交叉油孔處進(jìn)行锪圓角處理，去除粘附在交叉油孔處的細(xì)長(zhǎng)毛刺。以某1.5 L曲軸為例，其去除交叉油孔毛刺的工藝流程（如圖5所示）為：

圖5 某公司1.5 L曲軸去毛刺工藝流程

在現(xiàn)有的曲軸加工工藝中，主要是通過(guò)鉆完斜油孔后的去毛刺刀去除曲軸交叉油孔毛刺，油孔鉆工位去毛刺刀（如圖6所示）初步對(duì)產(chǎn)生的交叉油孔毛刺進(jìn)行去除，未完全去除的毛刺會(huì)在機(jī)器人通油孔工位毛刷（如圖7所示）對(duì)曲軸交叉油孔毛刺進(jìn)行二次機(jī)械去除，確保曲軸交叉油孔處的清潔度。

圖6 OP40工位去毛刺刀具

圖7 OP110工位毛刷

通過(guò)不斷優(yōu)化刀具來(lái)改善曲軸交叉油孔毛刺，直、斜油孔經(jīng)過(guò)鉆削后，使用刀頭部分帶有剛性較好的燈籠刷（如圖8）來(lái)清理油孔毛刺。新型燈籠刷刀頭部分為網(wǎng)格燈籠狀，毛刺產(chǎn)生后燈籠刷進(jìn)入交叉油孔處，細(xì)長(zhǎng)的毛刺易被網(wǎng)格燈籠刷打斷或卷斷。通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)驗(yàn)證，使用新型燈籠刷，交叉油孔處毛刺有明顯減少，曲軸不合格率由92%降低為30%，降低了62%，且有毛刺的工件毛刺表現(xiàn)為細(xì)微毛刺，部分有缺口，相比驗(yàn)證前有較好的改善。

圖8 新型燈籠刷示意圖

3.2 高壓清洗去毛刺

高壓清洗是通過(guò)定位夾具將曲軸定位后，高壓泵的壓力加壓至300 MPa后噴嘴對(duì)準(zhǔn)曲軸主軸頸油道口交叉油孔處進(jìn)行定點(diǎn)定位的高壓清洗。高壓噴嘴能夠有效的將油道孔內(nèi)交叉油孔處的殘留毛刺清除沖洗掉，保證交叉油孔處的清潔度。某曲軸生產(chǎn)線清洗工位采用的是涿州雙威中間清洗機(jī)（如圖9所示）。

圖9 中間清洗機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖

中間清洗機(jī)主要是由機(jī)體、輸送系統(tǒng)、液箱、冷卻裝置、清洗系統(tǒng)、過(guò)濾系統(tǒng)、油水分離裝置、吹干系統(tǒng)、集中潤(rùn)滑、除霧系統(tǒng)等組成，結(jié)構(gòu)形式為抬起步伐通過(guò)式。曲軸在完成油孔鉆工序后進(jìn)入清洗工序，其工作順序?yàn)椋毫慵蓹C(jī)械手送料到位（到位檢測(cè)），然后端面孔清洗，再到高壓清洗油道孔、工件旋轉(zhuǎn)掃描清洗、定點(diǎn)吹油道孔，最后高壓風(fēng)吹干工件表面下料到（到位檢測(cè)），械手取料。曲軸交叉油孔毛刺即是在高壓清洗油道孔步驟中被高壓沖洗掉的。

4 結(jié)束語(yǔ)

毛刺的產(chǎn)生源于刀具的鉆頭與工件產(chǎn)生的剪切滑移擠壓導(dǎo)致，在機(jī)加工過(guò)程中無(wú)法百分百避免，在項(xiàng)目設(shè)計(jì)前期時(shí)要考慮到油道孔本身的結(jié)構(gòu)和布局，盡量避免兩個(gè)及以上油孔的交匯。毛刺的產(chǎn)生不僅影響了產(chǎn)品的表面質(zhì)量，對(duì)人工返修也是一種極大的浪費(fèi)。因此，要想有效去除曲軸毛刺保證曲軸清潔度，可不斷優(yōu)化加工工藝，專門設(shè)置“機(jī)械去毛刺”或“高壓清洗去毛刺”等工序來(lái)保證曲軸交叉油孔的清潔度。