大泵曲軸的旋風銑削加工方法及工藝

董興望 佘龍龍 李朝朝 棘廣洲 曾范銘

（中石化四機石油機械有限公司，荊州 434020）

壓裂車大泵曲軸車削加工一直是生產(chǎn)的瓶頸，導(dǎo)致大泵產(chǎn)能受到曲軸產(chǎn)能的極大制約[1]。由于曲軸是重載，加工余量較大，在高速切削時沖擊力特別大，排屑不理想，切削溫度高，振動大，且曲軸的剛性差，易引起振動，宜用于低速車削，車削效率低，加工進度慢，導(dǎo)致生產(chǎn)滯后，不適用于大批量生產(chǎn)[2]。在車床上車削曲軸時，曲軸本身偏心。當車削轉(zhuǎn)到一定角度時會發(fā)生重心下垂，主軸需要安裝曲軸曲拐車削偏心工裝。工裝和曲軸的質(zhì)量較大，迫使主軸轉(zhuǎn)速不能太快。曲軸車成重量偏心后，轉(zhuǎn)動慣量急劇增大，給車削帶來一定的困難[3]。常規(guī)方法是在曲軸上設(shè)置配重塊，目的是保證加工重心一致[4-5]，但車削效率極低，不利于提高生產(chǎn)效率，如圖1 所示。

本文從車床安裝旋風切刀切削T 形絲桿工件中受到啟發(fā)，開展對大泵曲軸加工的工藝改進，通過在CW61100 車床中拖板上加裝旋風切削裝置，使得主軸低速轉(zhuǎn)動，旋風切刀高速切削，利用銑削代替車削，以期在保證加工精度的前提下提高車床的切削效率，從而解決大泵曲軸等重要零件在生產(chǎn)實際中的關(guān)鍵難點，達到降低加工成本和提高生產(chǎn)效益的目的。

1 曲軸在CW61100 車床上旋風切削加工工藝分析

1.1 旋風切削裝置組裝在CW61100 車床上的可行性分析

CW61100 車床主要由床身、刀架、主軸、主電機、三爪卡盤以及照明系統(tǒng)等組成[6]，外形如圖2 所示。

由圖2 可知，CW61100 車床在取掉小刀架后，可以直接組裝旋風切削刀具，使刀盤的旋轉(zhuǎn)中心與主軸旋轉(zhuǎn)中心等高。旋風切削刀具底平面與中拖板上平面大面積貼合，增加旋風刀具的剛性連接，為旋風切刀強力切削創(chuàng)造條件。旋風切削橫向進刀由CW61100 車床橫向移動中拖板絲桿決定，軸向進刀由CW61100 車床縱向移動齒輪和齒條決定，如圖3所示。

因此，車床的慢速旋轉(zhuǎn)運動和旋風切刀的高速運動完成對曲軸曲拐的外圓切削，車床大拖板的軸向移動和中拖板的徑向移動完成曲軸的切削定位。針對現(xiàn)有技術(shù)的改進，該方法設(shè)備剛性好，適合斷續(xù)切削，銑削振動小，生產(chǎn)效率高，銑削刀盤安裝方便，加工精度高。

1.2 旋風切削曲軸工藝上的可行性分析

旋風切削轉(zhuǎn)速較高，轉(zhuǎn)速為1 450 r·min-1，主軸低速旋轉(zhuǎn)。在徑向進刀深度相同的條件下，假定車床軸向移動100 mm·min-1，那么旋風切削每轉(zhuǎn)切削0.069 mm。 又假定車床軸向移動100 mm·min-1，車床主軸轉(zhuǎn)速100 r·min-1，車床切削每轉(zhuǎn)切削1 mm。如果旋風切削每轉(zhuǎn)切削0.5 mm，那么每分鐘的切削效能是車床切削的7.25 倍?？梢姡L切削效率高。如果設(shè)定車床的主軸轉(zhuǎn)速小于100 r·min-1，則旋風切削的效率還要高。另外，旋風切削每把刀具的刀片每次切削的量不大，對刀片的剛性要求不高。刀片后角小一些，對銑削曲軸粗糙度有較大的好處。但是，由于旋風切削為高速切削，對刀具產(chǎn)生瞬間的沖擊力并產(chǎn)生較多的熱量，這就要求刀片硬度較高，抗沖擊性要好，耐熱性能要好，同時冷卻裝置冷卻性能要好。一般冷卻液為噴射方式最佳。另外，旋風切削為銑削，因此相對車床鐵屑的排屑性要好得多[7]。

2 旋風切削裝置的制作

旋風切削裝置主要由刀盤、主軸、傳動齒輪、聯(lián)軸節(jié)以及交流電機等組成[8]，制作示意圖如圖4 所示。刀盤主要用于裝夾刀具，刀盤后錐柄貼合于主軸7 ∶24 錐孔內(nèi)，用拉桿緊拉，防止刀盤高速運轉(zhuǎn)時脫落。刀盤上有兩個凹槽與主軸上兩個凸塊配合，與錐面一起，起傳遞扭矩的作用。主軸主要用于組裝和固定刀盤、傳遞電機扭矩等。

3 曲軸在CW61100 車床上旋風切削加工的效果驗證

3.1 效果驗證

使用曲軸曲拐車削偏心工裝裝夾曲軸毛坯在CW61100 車床上，移動旋風刀具至曲軸曲拐的加工位置，移動中拖板絲桿逐漸進刀切削深度5 mm，變速主軸旋轉(zhuǎn)速度100 r·min-1，中拖板軸向每分鐘移動100 mm。打開冷卻泵，刀具冷卻噴頭高速噴出冷卻液，旋風切削刀具高速切削，鐵屑和冷卻液到處飛濺。加工一段距離后停止機床運轉(zhuǎn)，查看曲軸的銑削面，發(fā)現(xiàn)曲拐表面有明顯振紋，表面粗糙度離圖紙設(shè)計要求存在較大的差距。

3.2 原因分析

銑削曲軸另外一段曲拐處時，用手觸摸旋風切削裝置，發(fā)現(xiàn)振動較大，旋風切削裝置隨CW61100 車床中拖板前后移動而徑向振動，振動頻率與旋風切刀刀片切削次數(shù)相同?？偨Y(jié)原因主要包括兩個方面：一方面，CW61100 車床中拖板絲桿、絲母有間隙需要消除；另一方面，CW61100 車床中拖板在旋風切削銑削時在大拖板滑動導(dǎo)軌上沒有鎖緊，導(dǎo)致中拖板在銑削時隨刀片更疊進刀時前后移動。

3.3 制定對策

查明原因，制定以下對策付諸實施。

（1）更換CW61100 車床中拖板絲桿、絲母，增大絲桿外徑至Φ50 mm，增加絲桿剛性，改單絲母結(jié)構(gòu)為雙絲母可調(diào)間隙結(jié)構(gòu)，盡可能消除絲桿、絲母間隙，防止中拖板絲母軸向竄動，影響旋風銑刀銑削曲軸曲拐外圓的粗糙度。

（2）如圖5 所示，CW61100 車床中拖板上增加鎖緊機構(gòu)。在中拖板燕尾處安裝鎖緊塊，緊固螺栓，頂緊鎖緊塊，中拖板斜面與大拖板導(dǎo)軌斜面緊緊貼死，使中拖板固定在大拖板導(dǎo)軌上，增加旋風切削裝置底部的剛性，提高銑削曲軸曲拐外圓的粗糙度[9]。

（3）在加工時要求給CW61100 車床加裝鐵屑、冷卻液防護罩，解決鐵屑飛濺出燙傷操作人員，避免冷卻液大面積噴灑，以防發(fā)生安全隱患、冷卻液污染環(huán)境等問題。

4 整改后效果驗證

該方法經(jīng)過多次生產(chǎn)實踐證明，每次組裝旋風刀具進行切削試車，啟動主軸轉(zhuǎn)動，啟動旋風切削電機，使其刀盤高速旋轉(zhuǎn)。順時針轉(zhuǎn)動中，拖板絲桿手柄徑向均勻進刀切削5 mm 后，順時針擰緊中拖板鎖緊螺栓。鎖緊中拖板后，掛軸向移動手柄進行曲軸曲拐軸向切削，切削過程中用手觸摸中拖板，中拖板處無任何震動現(xiàn)象，切削均勻。曲軸曲拐面切削加工完成后，檢測多個銑削表面的粗糙度，結(jié)果表明表面粗糙度完全符合圖紙要求。

5 結(jié)語

利用旋風切刀對大泵曲軸曲拐外圓銑削加工，擴大了CW61100 車床的加工范圍。在CW61100 車床上，以銑削代替車削，極大提高了曲軸的加工效率，保證了加工精度和表面粗糙度，同時克服了車削過程中吃刀不均勻、容易打刀的缺陷，大大提高了大泵曲軸的加工效率，降低了刀具損耗，節(jié)約了成本。同時，旋風切削曲軸可以擴展到在車床上銑削其他類似零件，為數(shù)控機床改造提供了一種新思路。