某型號柴油機(jī)曲軸中心孔修正工藝研究及驗(yàn)證 Research and Verification on Correction Technology of Crankshaft Center Hole of a Diesel Engine

李二紅 LI Er-hong 張曉輝ZHANG Xiao-hui 陳建軍 CHEN Jian-jun 曹美文 CAO Mei-wen 張倉平 ZHANG Cang-ping

摘要：針對某型號柴油機(jī)曲軸中頻感應(yīng)淬火和加工精度要求高的特點(diǎn)，在曲軸中頻感應(yīng)淬火后開展曲軸中心孔修正工藝研究，通過開展主軸頸徑跳動值的分析、優(yōu)化中心線的選擇、中心基準(zhǔn)的設(shè)定、中心孔的修正等研究內(nèi)容，經(jīng)多輪次工藝試驗(yàn)，驗(yàn)證了該工藝方法的有效性，解決了該曲軸因中頻感應(yīng)淬火變形較大，精磨時會出現(xiàn)磨削余量不均勻或無法磨出的問題，滿足了該柴油機(jī)曲軸的研制要求。

Abstract： According to the characteristics of medium frequency induction quenching and high machining accuracy requirements of a diesel engine crankshaft， the research on the correction process of the crankshaft center hole is carried out after the crankshaft medium frequency induction quenching. Through the analysis of the runout value of the main journal diameter， the selection of the optimized center line， the setting of the center datum， the correction of the center hole and other research contents， through multiple rounds of process tests， The effectiveness of the process method is verified， and the problems of uneven grinding allowance or inability to grind out during fine grinding due to large deformation of the crankshaft due to medium frequency induction quenching are solved， which meets the development requirements of the diesel engine crankshaft.

關(guān)鍵詞：曲軸;中頻感應(yīng)淬火;中心孔;修正

Key words： crankshaft;medium frequency induction quenching;center hole;correction

中圖分類號：TH161? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1674-957X（2021）22-0089-03

0? 引言

曲軸是柴油機(jī)的核心零部件之一，曲軸的加工質(zhì)量和加工精度直接影響柴油機(jī)的安全性、穩(wěn)定性、動力性能等。在曲軸加工過程中，中心孔是非常重要的定位基準(zhǔn)和檢驗(yàn)基準(zhǔn)，曲軸兩端中心孔加工質(zhì)量的好壞直接影響到曲軸的加工精度。某型號柴油機(jī)曲軸要求對曲軸的主軸頸和連桿頸進(jìn)行中頻感應(yīng)淬火，提高曲軸的耐磨性、強(qiáng)度等性能指標(biāo)，同時對曲軸的精加工精度要求較高。曲軸作為典型的細(xì)長軸，在中頻感應(yīng)淬火后，容易發(fā)生較大的變形，在后續(xù)精磨工序中，以曲軸兩端中心孔支撐進(jìn)行精磨時，由于主軸頸外圓徑向跳動值太大會導(dǎo)致精磨時出現(xiàn)偏磨或黑皮現(xiàn)象，會直接導(dǎo)致曲軸性能降低或最終報廢。為此，開展曲軸中心孔修正工藝研究，提高曲軸中頻感應(yīng)淬火后主軸頸與曲軸兩端中心孔同軸度，使磨削余量更均勻，對提高曲軸的磨削質(zhì)量和柴油機(jī)可靠性具有重要意義。

1? 工藝性分析

1.1 曲軸結(jié)構(gòu)特點(diǎn)分析

某型號曲軸設(shè)計如圖 1 所示。曲軸總長2245 mm，主軸頸直徑 Φ143（）mm，連桿頸直徑 Φ106（）mm;平行度 0.01mm ，表面粗糙度 Ra0.2μm，淬火層深度為4mm，淬火層硬度為49-53HRC，總環(huán)同軸度Φ0.05mm（以主軸頸2-8為基準(zhǔn)）。

曲軸中頻淬火要求和主軸頸總環(huán)同軸度的要求較為嚴(yán)格，該設(shè)計要求的能否實(shí)現(xiàn)是曲軸可靠性和柴油機(jī)穩(wěn)定性實(shí)現(xiàn)的重要保證，因此，該曲軸的制造關(guān)鍵技術(shù)是既要滿足中頻感應(yīng)淬火的工藝要求，又要通過工藝優(yōu)化，在不允許校直的前提下，滿足曲軸在精磨后同軸度、平行度、淬火層深度等技術(shù)指標(biāo)，所以，在曲軸中頻感應(yīng)淬火后，開展中心孔修正工藝技術(shù)研究，使曲軸主軸頸的磨削余量的分布比采用原有加工方法更均勻，有利于提高曲軸的磨削質(zhì)量，降低零件廢品率。

1.2 工藝難點(diǎn)分析

從零件設(shè)計結(jié)構(gòu)和精度要求分析，曲軸的加工主要有兩個難點(diǎn)。一是該曲軸的中頻感應(yīng)淬火，在中頻感應(yīng)淬火過程中曲軸容易發(fā)生變形，且變形量較大，主軸頸的外圓徑向跳動值較大，精磨時會出現(xiàn)磨削余量不均勻或無法磨出的現(xiàn)象;二是該曲軸屬于典型的細(xì)長軸，在磨削過程中，由于砂輪進(jìn)給磨削力的作用，曲軸中頻感應(yīng)淬火后圓角部位殘余應(yīng)力的釋放以及精密磨削基準(zhǔn)軸線的選擇等因素，對曲軸精磨后各軸頸的同軸度、平行度等形位公差有著極大的影響，因此，在中頻感應(yīng)淬火后，開展中心孔修正工藝技術(shù)研究，使得曲軸主軸頸的磨削余量的分布比采用原有加工方法更均勻，有利于提高曲軸的磨削質(zhì)量，降低零件廢品率。

1.3 存在的問題

曲軸在中頻感應(yīng)淬火后，曲軸的變形量較大，在以曲軸兩端中心孔支撐進(jìn)行精磨時，由于跳動值太大會導(dǎo)致曲軸在精磨時出現(xiàn)出現(xiàn)偏磨或黑皮現(xiàn)象，直接導(dǎo)致曲軸性能降低或最終報廢，在過去，我們?yōu)榱耸骨S精磨時余量更均勻，通常采用使用車床修正曲軸兩端的中心孔。具體方法為：①以曲軸的大端外圓定位，用車床三爪卡盤夾緊曲軸大端外圓，在靠近曲軸小端的主軸頸外圓使用中心架定位，車床主軸帶動曲軸旋轉(zhuǎn)，在車床尾座安裝中心鉆，手動操作修正中心孔;②以曲軸的小端外圓定位，用車床三爪卡盤夾緊曲軸小端外圓，在靠近曲軸大端的主軸頸外圓使用中心架定位，車床主軸帶動曲軸旋轉(zhuǎn)，在車床尾座安裝中心鉆，手動操作修正中心孔。

但使用該工藝方法存在以下缺點(diǎn)：①曲軸的中心孔在車床上，通過兩次定位，兩次裝夾加工，兩端中心孔的同軸度差，直接影響曲軸的加工精度。②加工時主要以曲軸的兩端外圓和部分主軸頸定位，造成主軸頸與兩端的中心孔之間同軸度差，磨削余量不均勻，直接影響磨削質(zhì)量。③由于車床修正中心孔采用的方法是曲軸旋轉(zhuǎn)的形式，由于曲軸的轉(zhuǎn)速不能太高，加工時手動進(jìn)刀，進(jìn)給速度無法控制，會造成中心孔加工的表面粗糙度不佳、圓度差，當(dāng)頂尖與中心孔配合時，二者接觸方式由線接觸變?yōu)辄c(diǎn)接觸，在工件旋轉(zhuǎn)過程中，工件受到磨削力后，會沿著中心孔的形狀發(fā)生偏移，導(dǎo)致頂尖夾持的曲軸磨削圓度差，跳動值大，進(jìn)而影響曲軸的后續(xù)磨削。

2? 工藝技術(shù)方案

通過上述分析，針對上述存在的問題，制定了在加工中心上使用倒角銑刀修正曲軸中心孔的工藝方案：曲軸主軸徑跳動值檢測與分析→優(yōu)化中心線的選擇→中心基準(zhǔn)的設(shè)定→加工中心孔→修正后的主軸徑跳動值檢測。

3? 工藝研究與驗(yàn)證

3.1 曲軸主軸頸跳動值檢測與分析

首先，將曲軸放在檢測平臺上，測量以不同軸頸為基準(zhǔn)的主軸頸外圓跳動值，其次，將曲軸安裝在磨床上，用頂尖夾持，測量各主軸頸的外圓徑向跳動值，記錄在表格中（見表1）。

3.2 優(yōu)化中心線的選擇

根據(jù)曲軸軸頸跳動檢測記錄表中的數(shù)據(jù)，將各軸頸的跳動值通過折線的方式表達(dá)，如圖2所示，觀察曲軸在支撐不同部位的徑向跳動值的趨勢及范圍。

通過折線圖可知，曲軸在中頻淬火后，以兩端中心孔支撐檢驗(yàn)的主軸頸的跳動值，明顯大于支撐2-8軸頸和支撐3-7軸頸的檢測值。

3.3 中心基準(zhǔn)的設(shè)定

3.3.1 中心調(diào)整裝置的設(shè)計

通過上述分析，可知曲軸在中頻感應(yīng)淬火后，以3-7主軸頸為支撐時，外圓徑向跳動值相對其他支撐部位最小，所以曲軸兩端中心孔的軸線與支撐3-7的軸線修正在同一軸線上時，可以實(shí)現(xiàn)以曲軸兩端中心孔為基準(zhǔn)時，各軸頸的徑向跳動值較修正前減小的目的。為了實(shí)現(xiàn)兩基準(zhǔn)的統(tǒng)一，我們設(shè)計了一種中心調(diào)整裝置，如圖3所示，其主要功能是，將中心調(diào)整裝置安裝在兩端軸頭部位，通過調(diào)整螺紋頂絲進(jìn)而調(diào)整與軸接觸的活動調(diào)整墊塊，使調(diào)整裝置小徑外圓中心與基準(zhǔn)軸線同心。

3.3.2 中心基準(zhǔn)的設(shè)定與驗(yàn)證

將曲軸放置在檢測平臺上，支撐主軸頸3-7，使用百分表找正3、7基準(zhǔn)，按照圖4所示，將中心調(diào)整裝置分別安裝在曲軸的兩個端頭，用兩個百分表分別安放在兩端中心調(diào)整裝置外圓基準(zhǔn)處，轉(zhuǎn)動曲軸，調(diào)整裝置的中心，通過觀察兩個百分表的示數(shù)，將兩端頭的調(diào)整裝置的中心線與主軸頸3-7基準(zhǔn)線調(diào)為一致，夾緊兩端軸頭。

3.4 中心孔的加工

3.4.1 曲軸的裝夾與找正

曲軸中心孔的修正需要在加工中心上進(jìn)行，由于曲軸屬于細(xì)長軸，當(dāng)曲軸以主軸頸3-7為支撐部位加工兩端中心孔時，由于軸伸出部位懸深較長，在加工中心孔時，曲軸會發(fā)生較大的顫抖，最終會導(dǎo)致曲軸兩端中心孔的位置有誤差，修正效果較差。綜合分析，我們設(shè)計了一套中心孔修正裝夾夾具，將曲軸按照圖5所示裝夾，支撐主軸頸1和主軸頸9，通過調(diào)節(jié)可調(diào)支座，使用數(shù)控加工中心安裝磁力表架及百分表，找正曲軸的主軸頸3-7。夾緊夾具，使用加工中心臥式銑頭，安裝中心找正裝置，分別找正曲軸兩端中心調(diào)整裝置，設(shè)置相應(yīng)的中心零點(diǎn)，然后拆掉兩端的中心調(diào)整裝置，使用60°倒角銑刀，以兩側(cè)的中心零點(diǎn)，按照工藝要求，分別加工兩側(cè)中心孔。

3.4.2 中心孔加工工藝優(yōu)化

中心孔的修正，實(shí)質(zhì)是通過“借偏心”的方法，提高曲軸主軸頸與曲軸兩端中心孔軸線的同軸度，所以，我們在中心孔修正時使用倒角銑刀銑削的加工方式，該銑削方式可以修正位置偏差，進(jìn)而避免了在車床上使用鉆頭或锪鉆修正的缺點(diǎn)，保證了孔的位置精度;其次，倒角銑刀有多個銑刀片同時加工，多個刀刃銑削加工時，加工過程受力平衡，避免由于刀片單邊受力導(dǎo)致中心孔圓度差，倒角精確光潔度好;同時，倒角銑刀的刀片優(yōu)選涂層刀片，該類刀片的硬度高，耐磨性好，通過匹配合適的切削參數(shù)，可以提高中心孔倒角部位的表面加工質(zhì)量。

其次，在倒角銑刀銑削倒角后，使用細(xì)砂紙進(jìn)行研磨中心孔，去掉中心孔上的翻邊及毛刺，進(jìn)而提高兩端中心孔的同軸度，提高在磨床上頂尖夾緊后軸線的精度。

3.5 工藝驗(yàn)證

將修正后的曲軸安裝在磨床上，用頂尖支撐，使用百分表檢測各主軸頸的外圓徑向跳動值，記錄檢測數(shù)據(jù)，對比修正前與修正后主軸頸的外圓徑向跳動值，如表2所示。

根據(jù)表2數(shù)據(jù)，可以發(fā)現(xiàn)，曲軸經(jīng)過中心孔的修正后，支撐兩端中心孔檢驗(yàn)的跳動值較修正前明顯減小，同時，利用該工藝方法，修正其他5支曲軸，主軸頸外圓徑向跳動值最大值均由“0.55mm-0.75mm”變?yōu)椤?.25mm-0.35mm”，修正效果較好。

4? 結(jié)論

通過開展曲軸中心孔修正工藝研究，有效的降低了曲軸在中頻淬火后以兩端中心孔為基準(zhǔn)的主軸頸跳動值，從而使主軸頸的磨削余量更均勻，同時，通過對專用工裝的研究及工藝優(yōu)化，縮短了曲軸加工周期，確保了試制進(jìn)度。通過本文的工藝改進(jìn)，通過使用中心可調(diào)裝置，間接的進(jìn)行實(shí)現(xiàn)“借偏心”，使用曲軸中心孔修正夾具加工曲軸兩端中心孔，提高曲軸主軸頸與曲軸兩端中心孔之間的同軸度，使得曲軸主軸頸的磨削余量的分布比采用原工藝方法更均勻，有利于提高曲軸的磨削質(zhì)量，提高曲軸的加工精度，降低廢品率。同時，該方法對同類產(chǎn)品的研制具有一定的借鑒和指導(dǎo)價值。

參考文獻(xiàn)：

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