凸輪軸止推軸承墊技術攻關

■ 中車戚墅堰機車有限公司 （江蘇常州 213011） 陳劍鋒 王寧剛 陳小兵 劉燕杰

凸輪軸止推軸承墊是16V280柴油機機體總成中的重要部件，材料為ZQSn5-5-5（全稱ZCuSn5Pb5Zn5）鑄造銅合金，俗稱錫青銅，該材質(zhì)具有良好的耐磨性和耐腐蝕性，易加工，鑄造性能及氣密性好，在機體凸輪軸這種較高負荷、中等滑動速度的工況中應用具有良好的優(yōu)勢。

圖1 零件結構

1. 產(chǎn)品結構特性

凸輪軸止推軸承墊厚度僅4mm，外圓φ172mm，內(nèi)部中空，屬于薄壁環(huán)類零件，銅材質(zhì)，較普通鋼件類的薄壁件更易變形。該零件在設計時兩平面平行度要求0.02mm，分別有一個偏心的環(huán)形油槽（偏心4mm）以及與偏心環(huán)形油槽相貫通的徑向直油槽，兩面油槽方向與直油槽位置成180°，用于對整個機構的潤滑及保護，如圖1所示。

2. 產(chǎn)品加工難點

該凸輪軸止推軸承墊加工難點就是總厚度4-0-0.03mm，兩平面的平行度0.02mm以及兩端面的偏心油槽。另外，考慮該產(chǎn)品是薄壁圈類零件，又是銅件，受溫度影響較大，在精加工過程中不管是徑向切削還是軸向切削，都可能由于壁厚太薄而發(fā)生振刀現(xiàn)象和產(chǎn)品變形，這種加工條件下所產(chǎn)生的表面粗糙度值及尺寸超差都會直接導致產(chǎn)品報廢。

3. 產(chǎn)品試制過程

在初步試制加工過程中，粗車直接將外圓車到尺寸，厚度及內(nèi)孔都留有余量，但在最后的精車過程中，發(fā)生了一系列的質(zhì)量問題。一是在去面工序時，使用3.5mm臺階爪夾持軸承墊外圓，軸承墊內(nèi)端面靠住夾爪法蘭面，車削大平面時發(fā)生了微振刀，表面出現(xiàn)波紋狀，此時表面粗糙度值達不到1.6μm，另一面車削時發(fā)生了同樣的現(xiàn)象。二是精鏜內(nèi)孔時也發(fā)生了振刀現(xiàn)象，4mm深度的內(nèi)孔段也是波紋狀。通過后續(xù)試驗，改變切削參數(shù)及車削刀片等，都無法改善這樣的振刀現(xiàn)象，致使一批產(chǎn)品報廢。

因此需要改變思路，重新進行工藝分析。對于這樣的薄壁件產(chǎn)品，采用自定心卡盤夾持徑向裝夾的方式，產(chǎn)品受到徑向力作用，壓緊力如果太大極易使工件變形，但是夾緊力偏小的話工件容易飛出，并且切削的吃刀量很少，嚴重影響加工效率。因此將原先徑向裝夾的思路改成軸向壓裝，將工件在當前工序非加工面壓緊，加工待加工面，這樣能控制產(chǎn)品變形。

為此，將該產(chǎn)品的精加工拆分為幾個工序，簡言之為兩道軸向車削，即內(nèi)孔和外圓，兩道徑向車削，即兩側平面，4道端面車削，即兩面環(huán)形偏心槽和兩面直槽。對各工序的加工特性及難點進行工藝分析，其中，兩側大平面的車削需要壓裝中間部位，因此在加工該工序時需要通過中間的孔對該工件夾緊，此時就需要內(nèi)孔留有足夠的夾持余量，遂將工藝內(nèi)孔尺寸定為φ90mm。

改進后的工藝路線為粗車→車直槽→車偏心槽→精車兩面→鏜內(nèi)孔，并設計制作對應的車削夾具。

（1）車直槽 由于該產(chǎn)品兩平面都有直槽，且兩面直槽存在90°的交叉分布。為了找尋兩面槽的角度，可以通過在工裝上做4道與產(chǎn)品直槽齊寬的槽，分布在4個象限上。車削完一面槽后，翻轉壓裝，對準兩條槽，翻轉90°就可以車削另外兩條槽，這樣就能充分保證4條槽的位置。

另外，車槽的刀具是用1mm槽刀更換裝刀方式（橫向裝），將刀尖磨成R0.5mm。由于圖樣對槽的深度有要求，粗車工序設定產(chǎn)品厚度公差（5±0.1）mm，因此能保證每次槽深符合圖樣要求，并且不需要對每個產(chǎn)品進行對刀，提升了加工效率。

操作要點：①該直槽的深度尺寸需要分若干刀次進給，每刀0.3mm吃刀量。由于該加工方式屬于擠壓切削，如果單次吃刀量過大，整個環(huán)就會出現(xiàn)扭動，導致工件變形。②在一端面直槽加工完后，翻轉裝夾需要確認相對位置，旋轉90°后再加工。

（2）車環(huán)形偏心槽 由于兩面的環(huán)形偏心槽并不是隨性分布，而是與上一道工序的直槽有相對位置關系，這樣偏心油槽的設計中，油路是從直槽開始流入兩面偏心油槽，再利用工件在旋轉過程中產(chǎn)生的偏心力將環(huán)形槽內(nèi)的油甩入大平面，得到更好地潤滑。利用這樣的原理，設計了與中心水平偏心4mm的偏心車夾具，如圖2所示，

圖2 偏心車夾具

該偏心車夾具由兩部分構成，偏心套和壓裝車夾具。這樣的工裝設計拆裝方便，但是在安裝時需要按照偏心套和車夾具上的標記進行對線安裝，以保證偏心的位置。該車夾具上自定心卡盤后需要標記一個爪和一個槽相對（見圖2），每次產(chǎn)品上工裝后翻身，主軸停住后，找到標記的位置，將產(chǎn)品旋轉90°，再進行壓裝，這樣可以準確地找到位置。諸如此類雙面偏心環(huán)形油槽的設計，利用這種校線的方式能夠大幅度減少出錯率。

（3）車端面 由于此凸輪軸止推軸承墊是薄壁件，車削過程中易發(fā)生變形，設計如圖3所示工裝進行加工。在130mm內(nèi)孔處留工藝頭，內(nèi)孔粗車尺寸90mm，保證單邊能壓裝近20mm，以使工件在加工過程中不會發(fā)生變形和振動。最初加工兩面的想法是分兩步，用4mm中置割槽刀，分別車削兩個平面。但是在完成一批次的加工后，發(fā)現(xiàn)該車削方案較為繁瑣，且厚度尺寸難控制，每一次車削都需要用百分表來測量壁厚，這樣的方式效率不高，并且對操作者的技能要求較高。

圖3 工裝

通過進一步對刀具進行分析，重新改造一把刀具，如圖4所示。此組合刀具有兩頭刃，兩刃尖中間留有4mm的間隙，就類似于一把左手刀和一把右手刀合并進行車削。由于兩把刀同時切削，車削過程中產(chǎn)生的橫向力可以互相抵消，不會出現(xiàn)車削過程中振刀的情況，也不會發(fā)生讓刀現(xiàn)象。這兩把焊接刀材質(zhì)為YG6，通過螺栓壓緊刀桿，也可以調(diào)節(jié)左側刀尖的位置來控制尺寸，是一種經(jīng)濟實用的刀具。這樣的刀具能一次保證壁厚的公差，而且由于銅件的加工對刀具的磨損很小，一把刀可以很好地控制一批產(chǎn)品的尺寸。完成一批次加工后，對薄壁的尺寸進行數(shù)據(jù)統(tǒng)計，數(shù)據(jù)都在公差范圍內(nèi)。而且，這樣的刀具改造具備車削穩(wěn)定性，可以持續(xù)使用。

圖4 改進的刀具

在加工過程中發(fā)現(xiàn)，由于兩側的環(huán)形油槽，使得該工序車削后很多翻邊內(nèi)嵌在油槽內(nèi)，通過鉗工去毛刺的方法費時費力，并且去毛刺的效果不好。通過對該刀具進行分析，發(fā)現(xiàn)實際上產(chǎn)生毛刺的原因是刀尖不夠鋒利，車削的銅切屑（去除的端面余量）有一部分沒有分離成細碎的切屑飛出，而是以翻邊的形式嵌入油槽內(nèi)部。為此，進一步對刀具進行優(yōu)化，增大刃傾角和后角，使得刀尖更加鋒利，再試車后，完美地解決了翻邊的問題，減少了后續(xù)鉗工去毛刺工序，不僅保證了產(chǎn)品質(zhì)量，而且優(yōu)化了工序，縮短了產(chǎn)品工藝周期。

（4）鏜內(nèi)孔 對于上一道工序所留的內(nèi)孔工藝頭需要去除，但是由于前期試制過程中自定心卡盤夾持外圓去鏜內(nèi)孔，導致振刀和變形，因而需要通過軸向定位改善。將工件已加工的環(huán)形區(qū)域定位壓緊再鏜內(nèi)孔，才能保證已加工面不會發(fā)生變形。根據(jù)這個思路設計此工裝，如圖5所示。

該工裝由兩部分組成，一個體，一個蓋。體的左端用自定心卡盤夾持，體的右端是凸輪軸止推軸承墊內(nèi)嵌到臺階處，再用蓋旋緊，這樣工件的兩側大平面可以被工裝牢牢地壓緊，保證在車削過程中不會發(fā)生任何變形，也不會損傷已加工的面。

本工序操作要點：在每一個裝夾工件之前，都必須將體和蓋內(nèi)部臺階面清理干凈，以免銅切屑壓傷工件表面，導致壓緊后工件變形。

圖5 鏜內(nèi)孔工裝

4. 結語

經(jīng)批量加工和成品檢驗，軸承墊技術攻關取得了預期的效果，通過裝夾方式和車削刀具的改進，解決了由于壁厚太薄引起的振刀和變形難題，保證了產(chǎn)品質(zhì)量，可在同類型的薄壁墊環(huán)產(chǎn)品中推廣應用。