曲軸潤(rùn)滑油道孔的加工

■ 第一拖拉機(jī)股份有限公司大拖裝配廠 （河南洛陽(yáng) 471003） 張彬彬 魏江波 常向陽(yáng) 陳 朋

發(fā)動(dòng)機(jī)是汽車的心臟，而曲軸是發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)主要的旋轉(zhuǎn)部件，它負(fù)責(zé)將活塞的上下往復(fù)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)變?yōu)樽陨淼膱A周運(yùn)動(dòng)，然后通過(guò)飛輪將發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩輸送給傳動(dòng)系統(tǒng)，同時(shí)還驅(qū)動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)的配氣機(jī)構(gòu)以及其他輔助裝置。曲軸一般由主軸頸、連桿軸頸、曲柄、平衡塊、前端和后端等組成（見圖1）。主軸頸被安裝在缸體上，連桿頸與連桿大頭孔連接，連桿小頭孔與汽缸活塞連接，是一個(gè)典型的曲柄滑塊機(jī)構(gòu)。因?yàn)榍S在正常工作時(shí)受到旋轉(zhuǎn)質(zhì)量的離心力、周期變化的慣性力和往復(fù)慣性力的共同作用，承受彎曲扭轉(zhuǎn)載荷，因此曲軸需要有足夠抗彎曲、抗扭轉(zhuǎn)的疲勞強(qiáng)度和剛度。軸頸表面需要具有較好的耐磨性能，整體平衡性要求較高。另外，為減少連桿與曲軸軸頸相對(duì)運(yùn)動(dòng)過(guò)程中的摩擦，提高曲軸以及連桿的壽命，在每個(gè)主軸頸上加工潤(rùn)滑油孔，以便將機(jī)油引入、引出，用以潤(rùn)滑曲軸軸頸。

圖1 曲軸

曲軸對(duì)自身材質(zhì)以及后續(xù)的熱處理也有很高的要求，曲軸材質(zhì)大多為45鋼、40Cr鋼和35CrMo合金結(jié)構(gòu)鋼等，后續(xù)針對(duì)不同的性能需要對(duì)曲軸進(jìn)行調(diào)質(zhì)、回火、淬火和氮化等處理。

圖2 斯太爾曲軸斜油道孔工藝尺寸

1. 加工工藝分析

曲軸的加工工藝路線一般為：鍛坯→調(diào)質(zhì)→校直→清理→檢驗(yàn)→粗加工→去應(yīng)力退火→精加工→高頻淬火+低溫回火→校直→磨削→拋光→檢驗(yàn)。目前國(guó)內(nèi)主要曲軸加工生產(chǎn)線由普通機(jī)床和專用機(jī)床組成，生產(chǎn)效率和自動(dòng)化程度相對(duì)較低。粗加工設(shè)備多采用多刀車床、銑床對(duì)主軸頸及連桿頸進(jìn)行加工，加工質(zhì)量穩(wěn)定性差，容易產(chǎn)生較大的內(nèi)應(yīng)力，難以達(dá)到合理的加工余量。一般精加工采用MQ8260等曲軸磨床粗磨→半精磨→精磨→拋光，通?？渴止げ僮?，加工質(zhì)量不穩(wěn)定。這些設(shè)備和技術(shù)基本依賴進(jìn)口。隨著貿(mào)易全球化的到來(lái)，各廠家已意識(shí)到了形勢(shì)的嚴(yán)峻性，紛紛進(jìn)行技術(shù)改造，全力提升企業(yè)的競(jìng)爭(zhēng)力，進(jìn)展速度很快。

圖2所示斯太爾曲軸斜油道孔內(nèi)徑為8.7mm，孔深153mm，長(zhǎng)徑比為17.59∶1，屬于深孔加工范疇，加工難度非常大。在實(shí)際加工過(guò)程中，曲軸以左端面為定位基準(zhǔn)，機(jī)床頭尾架頂尖頂緊曲軸兩端中心孔，機(jī)床左端浮動(dòng)卡盤夾緊曲軸第一主軸頸驅(qū)動(dòng)工件旋轉(zhuǎn)。

2. 潤(rùn)滑油孔加工難點(diǎn)分析

潤(rùn)滑油孔加工難點(diǎn)如下。

1）潤(rùn)滑油孔深度153mm，所需加工刀具長(zhǎng)度210mm，而直徑只有8.7mm，鉆頭剛性差，實(shí)際加工過(guò)程中極易產(chǎn)生振動(dòng)、折斷。

2）潤(rùn)滑油孔深度過(guò)深，鉆頭散熱條件差，鉆頭壽命低。

3）排屑困難。

我廠加工曲軸潤(rùn)滑油道孔采用的設(shè)備是SUC8149系列數(shù)控機(jī)床，是沈陽(yáng)成套設(shè)備有限公司最新研發(fā)的曲軸潤(rùn)滑油孔加工專用設(shè)備。采用的刀具是高速內(nèi)冷切削鉆頭，冷卻系統(tǒng)為獨(dú)立的油霧潤(rùn)滑系統(tǒng)，同時(shí)該設(shè)備采用6工位動(dòng)力刀架，主軸最高轉(zhuǎn)速可達(dá)8 000r/min，滿足高速內(nèi)冷鉆頭的加工需求，同時(shí)可完成曲軸潤(rùn)滑油孔的鉆削及油孔倒角等加工工序。機(jī)床的X、Y、Z、B及A軸采用西門子伺服電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)，定位精準(zhǔn)可靠。動(dòng)力刀架的刀具轉(zhuǎn)位及刀具旋轉(zhuǎn)采用交流電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)，具有較高的柔性，適用于大部分四缸及六缸曲軸的潤(rùn)滑油孔加工。

3. 解決方案

針對(duì)加工難點(diǎn)，提出如下解決方案。

1）保證左端定位面的精度。在每天開始生產(chǎn)之前，用百分表校正設(shè)備工裝左端面軸向圓跳動(dòng)，保證軸向圓跳動(dòng)公差在0.05mm之內(nèi)。

2）保證頂尖的徑向圓跳動(dòng)。用百分表校正機(jī)床頂尖的徑向圓跳動(dòng)，保證徑向圓跳動(dòng)在0.05mm之內(nèi)。

3）在工件第4、5主軸頸處增加中心架作為輔助支撐，避免在正常鉆削過(guò)程中工件發(fā)生過(guò)大振動(dòng)或者輕微彎曲造成鉆頭折斷，調(diào)整中心架的抬起量在0.03～0.05mm之間。

4）保證產(chǎn)品中心孔的質(zhì)量及一致性，避免因?yàn)楣ぜ行目椎囊恢滦曰蛘邎A度超差導(dǎo)致正常鉆削過(guò)程中鉆頭斷裂。

5）提高設(shè)備本身冷卻系統(tǒng)的空氣壓力，提高刀具的冷卻、潤(rùn)滑及排屑效果，提高刀具壽命。

圖3 冷卻系統(tǒng)

4. 冷卻系統(tǒng)的改善

設(shè)備采用高速內(nèi)冷切削鉆頭，由專門的油霧潤(rùn)滑系統(tǒng)對(duì)鉆頭進(jìn)行潤(rùn)滑冷卻。冷卻系統(tǒng)如圖3所示。車間廠房壓縮空氣氣壓為5×105Pa，從進(jìn)氣口處進(jìn)入，經(jīng)過(guò)增壓缸把空氣增壓至10×105Pa，然后進(jìn)入油霧系統(tǒng)。進(jìn)入油霧系統(tǒng)的氣體經(jīng)過(guò)濾器后被分為兩路，一部分直接進(jìn)入潤(rùn)滑油箱內(nèi)部的懸浮油微粒發(fā)生器，使油箱內(nèi)的油液形成0.5μm的油霧顆粒；一部分氣體經(jīng)減壓閥減壓后進(jìn)入油箱。在設(shè)備正常加工過(guò)程中，調(diào)節(jié)減壓閥，使壓力表1的壓強(qiáng)較壓力表2低1.5×105Pa，使油箱內(nèi)形成一定的壓差，進(jìn)而使0.5μm的油霧顆粒從油箱內(nèi)噴出，經(jīng)氣管管路進(jìn)入鉆頭內(nèi)部，從而起到冷卻、潤(rùn)滑和排屑的效果。

設(shè)備在實(shí)際工作中，在滿足油霧潤(rùn)滑系統(tǒng)正常運(yùn)行的情況下，壓力表1最高只能調(diào)到3×105Pa，壓力表2為5×105Pa。在這種工作狀態(tài)下，一根新鉆頭加工70根曲軸后磨損十分嚴(yán)重，需要返送刀具廠家修磨。并且在實(shí)際加工過(guò)程中經(jīng)常出現(xiàn)卡刀現(xiàn)象，導(dǎo)致鉆頭直接折斷、報(bào)廢。分析實(shí)際工作情況后認(rèn)為，適當(dāng)提高鉆頭出氣口的氣壓（壓力表1的壓強(qiáng)）會(huì)提高潤(rùn)滑冷卻效果，提高刀具壽命；另外還可以提高刀具排屑效果，避免刀具卡死折斷現(xiàn)象發(fā)生。

加工斯太爾曲軸鉆頭內(nèi)冷孔徑為1.66mm，要想給鉆頭出口處連續(xù)穩(wěn)定輸送壓強(qiáng)＞3×105Pa的氣源，必須提高增壓缸的增壓能力，保證增壓缸單位時(shí)間增壓的氣體體積大于內(nèi)冷鉆頭消耗的氣體體積。設(shè)備原裝增壓器參數(shù)為增壓比1∶2，儲(chǔ)蓄罐容積10L、耐壓15×105Pa，額定流量（5×105Pa工況下）500L/min。而鉆頭在實(shí)際鉆削過(guò)程中對(duì)氣源的穩(wěn)定性要求特別高，查閱氣動(dòng)有關(guān)資料，最終選定SMCVBA20A型增壓器，可靠性高。新增壓器技術(shù)參數(shù)為增壓比1∶2，儲(chǔ)蓄罐容積20L、耐壓15×105Pa，額定流量（5×105Pa工況下）1 000L/min。

新增壓器在5×105Pa工況下的額定流量是1 000L/min，保證增壓缸單位時(shí)間增壓的氣體體積大于內(nèi)冷鉆頭消耗的氣體體積，滿足設(shè)備使用φ8mm鉆頭正常加工時(shí)所需的壓力和流量要求。

5. 工藝和設(shè)備改進(jìn)后的效果

工藝和設(shè)備改進(jìn)后的效果如下。

1）保證左端定位面的精度、頂尖的徑向圓跳動(dòng)以及在工件第4、5主軸頸處增加輔助中心架，提高了曲軸在正常加工過(guò)程中的穩(wěn)定性，避免工件發(fā)生軸向位置竄動(dòng)以及徑向彎曲，大幅減少了鉆頭鉆削過(guò)程中折斷的現(xiàn)象。

2）提高設(shè)備冷卻系統(tǒng)增壓缸的增壓能力，大幅改善了鉆頭鉆削過(guò)程中的冷卻及排屑效果，提高了刀具壽命。另外，鉆頭排屑效果的改善避免了鉆頭卡死直接扭斷現(xiàn)象的發(fā)生。

工藝和設(shè)備改進(jìn)前后單根鉆頭所加工零件數(shù)量的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)如圖4所示。新鉆頭之前在加工70根工件時(shí)，刀具磨損嚴(yán)重，無(wú)法繼續(xù)加工，在改進(jìn)措施實(shí)施后，能加工180根工件；從刀具廠家修磨回來(lái)的鉆頭，之前在加工40根工件時(shí)，刀具磨損嚴(yán)重，無(wú)法繼續(xù)加工，在改進(jìn)措施實(shí)施后，能加工150根工件。

3）提高了加工效率。刀具排屑潤(rùn)滑效果改善后，在不影響刀具加工壽命的前提下，適當(dāng)提高刀具進(jìn)給量，提高加工節(jié)拍。刀具進(jìn)給量由之前的0.11mm/r提高至0.15mm/r（見圖5），工序節(jié)拍由之前的9.1min提高至6.8min，每天產(chǎn)量提高35件。

圖4 工藝和設(shè)備改進(jìn)前后單根鉆頭可加工零件數(shù)量

圖5 工藝參數(shù)

6. 結(jié)語(yǔ)

機(jī)床數(shù)控化以來(lái)，越來(lái)越多的高速高效加工技術(shù)及裝備在制造業(yè)中大量涌現(xiàn)，生產(chǎn)效率得到了很大的提高。曲軸潤(rùn)滑油道孔的加工也經(jīng)歷了普通鉆床、組合機(jī)床和槍鉆，直到今天的數(shù)控柔性專用鉆床的轉(zhuǎn)變，加工效率提高了幾十倍。但是在實(shí)際加工中，鉆頭剛性差、強(qiáng)度低，極易產(chǎn)生振動(dòng)、折斷，鉆頭對(duì)加工環(huán)境十分敏感。只有設(shè)備工裝定位夾緊的可靠性、刀具微量潤(rùn)滑系統(tǒng)的穩(wěn)定性得到充分的保證，才能保證深孔加工質(zhì)量及效率，才能真正體現(xiàn)數(shù)控柔性專用鉆床的優(yōu)勢(shì)。

專家點(diǎn)評(píng)

本例中曲軸油道的鉆孔剛性較差，在加工過(guò)程中極易產(chǎn)生振動(dòng)，鉆頭折斷率高。作者從工裝定位夾緊和刀具潤(rùn)滑系統(tǒng)入手進(jìn)行改善，提高工藝穩(wěn)定性，保證了深孔加工質(zhì)量及效率，真正體現(xiàn)了數(shù)控柔性專用鉆床的優(yōu)勢(shì)。

作者在解決方案中有兩處亮點(diǎn)：①提高設(shè)備冷卻系統(tǒng)的增壓能力，改善鉆削過(guò)程中的冷卻及排屑效果。②在剛性較弱的主軸頸處增加輔助中心架，提高了工藝系統(tǒng)的穩(wěn)定性。