基于TRIZ理論的車—車?yán)S主軸頸粗加工工藝優(yōu)化

薛飛

上汽大眾汽車有限公司 上海 201805

車—車?yán)悄壳凹庸?nèi)燃機(jī)曲軸主軸頸的主流加工方式（見圖1）。車指的是對(duì)曲軸主軸各檔外圓表面的車削加工。車?yán)傅氖峭ㄟ^梳齒刀對(duì)曲軸主軸頸拉削進(jìn)行精加工。車—車?yán)O(shè)備通常具有雙刀塔，由數(shù)控系統(tǒng)雙通道控制，具有高柔性、高效率的特點(diǎn)。隨著隨動(dòng)銑削加工技術(shù)的成熟，目前也出現(xiàn)了將曲軸的主軸頸與連桿頸全部通過外銑方式加工的方式，達(dá)到工序集中，簡(jiǎn)化生產(chǎn)工藝的目的。但與外銑斷續(xù)切削性質(zhì)相比，車—車?yán)瓕儆谶B續(xù)切削，在刀具成本上有較大的優(yōu)勢(shì)，尤其是在平衡塊側(cè)面不需要加工的情況下。同時(shí)對(duì)曲軸頸有軸向沉割槽這一工藝特征時(shí)，只能采用車—車?yán)庸ぁ?/p>

圖1 車—車?yán)O(shè)備

上汽大眾發(fā)動(dòng)機(jī)二廠（以下簡(jiǎn)稱發(fā)二）生產(chǎn)的EA888發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸采用德國“MILES—SIMMONS”機(jī)床公司生產(chǎn)的車—車?yán)O(shè)備。據(jù)生產(chǎn)線統(tǒng)計(jì)AF20主軸頸粗車刀片爆刀平均每月發(fā)生10起左右，為生產(chǎn)線爆刀TOP1。該工序每月由主軸頸粗車刀片爆刀引起的工廢約20根左右，工廢占比10%～15% ，為生產(chǎn)線工廢TOP1（見圖2）。觀察加工到耐用度換下的刀片，發(fā)現(xiàn)刀體中部往往有貫穿性的裂紋，當(dāng)這種裂紋繼續(xù)蔓延就會(huì)使得刀片破損（見圖3），同時(shí)還有垂直于刀刃的熱裂紋。

圖2 工廢統(tǒng)計(jì)情況

圖3 刀片破損情況

問題分析

觀察刀片產(chǎn)生裂紋的部位與加工過程，認(rèn)為產(chǎn)生爆刀有以下原因。

1）曲軸毛坯飛邊較高。曲軸毛坯采用模鍛，最后一道工序是切邊。由于切邊模刃口鈍化，剪切效果減弱。擠壓導(dǎo)致合模面產(chǎn)生較高的飛邊。車刀加工飛邊時(shí)受到較大沖擊。根據(jù)外協(xié)質(zhì)保提供的毛坯會(huì)簽圖樣上的技術(shù)要求（見圖4），曲軸毛坯飛邊的高度不得＞1.5mm。現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量飛邊高度約1.3mm，雖屬合格，但我們認(rèn)為車削刀片的硬質(zhì)合金牌號(hào)和刀具角度是根據(jù)連續(xù)加工選用的，如果有明顯的斷續(xù)沖擊將會(huì)大幅縮短刀具耐用度。如需供應(yīng)商減少飛邊厚度需要重新簽訂毛坯采購合同，這顯然短期內(nèi)無法實(shí)現(xiàn)。

2）車刀片粗加工軸頸時(shí)切削參數(shù)較高，最大切削厚度6.7mm 、切削速度180m/min 、進(jìn)給量0.46r/mim。切削抗力較大，易產(chǎn)生振動(dòng)。由于車—車?yán)ば蚴钦麄€(gè)曲軸生產(chǎn)線的瓶頸工序，如降低切削參數(shù)勢(shì)必影響整個(gè)曲軸生產(chǎn)線的產(chǎn)量。

3）車—車?yán)侗P結(jié)構(gòu)和刀片的裝夾空間限制，刀片采用螺栓緊固的連接方式。刀片中部受螺栓孔影響強(qiáng)度較弱。不易承受彎曲載荷?？梢詮牡镀馁|(zhì)入手，選用添加有鉭、鈮等元素，韌性和強(qiáng)度較好的硬質(zhì)合金牌號(hào)。但刀片材質(zhì)優(yōu)化周期較長(zhǎng)，即使優(yōu)化刀片材質(zhì)后，在原有高負(fù)載加工參數(shù)（ap=6.7mm，f=0.46 r/mim）的情況下也很難保證不發(fā)生爆刀。

是否有一種簡(jiǎn)單高效的優(yōu)化方法解決這一問題呢？

幾種主軸頸粗加工工藝對(duì)比

對(duì)比了國內(nèi)幾家乘用車內(nèi)燃機(jī)曲軸主軸頸粗加工工藝，并整理如下。實(shí)線箭頭表示刀具切削軌跡，虛線箭頭表示刀具快速定位軌跡，陰影表示本工步刀具加工的毛坯部位。

1）發(fā)二曲軸主軸頸粗加工方案如圖5所示。工步1、工步2分別用左右偏刀對(duì)曲軸主軸頸兩側(cè)端面預(yù)加工。由于采用立裝槽刀，如果不對(duì)曲軸主軸頸端面預(yù)加工，槽刀座的右側(cè)面就會(huì)與曲軸毛坯發(fā)生干涉。工步3采用立裝槽刀從主軸頸中間下刀。工步4、工步5分別用左右偏刀對(duì)主軸頸外圓加工至粗加工尺寸。整個(gè)粗加工過程5次換刀，車刀進(jìn)給速度0.46 r/mim。

圖5 上汽大眾發(fā)動(dòng)機(jī)二廠曲軸主軸頸粗加工方案

2）上海大眾動(dòng)力總成有限公司曲軸主軸頸粗加工方案如圖6所示。工步1采用雙頭車刀同時(shí)對(duì)曲軸主軸頸兩側(cè)端面預(yù)加工。用該工步代替了發(fā)二對(duì)應(yīng)的工步1、工步2的加工內(nèi)容。工步2～工步4與發(fā)二所述工藝一致。整個(gè)粗加工過程有4次換刀，車刀進(jìn)給速度為0.4 r/mim。

圖6 上海大眾動(dòng)力總成曲軸主軸頸粗加工方案及雙頭車刀實(shí)物

3）一汽大眾長(zhǎng)春發(fā)動(dòng)機(jī)廠曲軸主軸頸粗加工方案如圖7所示。工步1采用右偏刀對(duì)主軸頸右側(cè)端面預(yù)加工。與發(fā)二工藝相比，將主軸頸左側(cè)端面預(yù)加工與工步3合并。整個(gè)粗加工過程有4次換刀，車刀進(jìn)給速度為0.4 r/mim。

圖7 一汽大眾長(zhǎng)春發(fā)動(dòng)機(jī)廠曲軸主軸頸粗加工方案

4）上汽大眾發(fā)動(dòng)機(jī)一廠（以下簡(jiǎn)稱發(fā)一）曲軸主軸頸粗加工方案如圖8所示。工步1采用平裝槽刀從主軸頸中部下刀。工步2、工步3分別將主軸頸左、右側(cè)端面與主軸頸外圓一刀加工至粗加工尺寸。整個(gè)粗加工過程3次換刀，車刀進(jìn)給速度0.37r/mim。

圖8 上汽大眾發(fā)動(dòng)機(jī)一廠曲軸主軸頸粗加工方案

綜上所述，發(fā)一曲軸主軸頸粗加工方案換刀次數(shù)最少。車—車?yán)O(shè)備的刀塔采用伺服電動(dòng)機(jī)，通過行星齒輪減速機(jī)構(gòu)降速增矩，液壓夾緊套鎖緊（見圖9）。完成整個(gè)換刀動(dòng)作，并從換刀位置重新運(yùn)動(dòng)到刀具切削位置耗時(shí)約1.6s。在去除金屬總量相同的情況下，減少換刀次數(shù)，縮短換刀所需的輔助時(shí)間，再將這部分時(shí)間補(bǔ)償?shù)降毒呷コ牧系幕緯r(shí)間內(nèi)。實(shí)現(xiàn)降低刀具進(jìn)給參數(shù)、分刀切削等措施，是減少軸頸粗車刀爆刀的有效方法。將發(fā)二原7.5mm寬立裝槽刀按發(fā)一平裝槽刀的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)（見圖10），為了降低刀具成本選用標(biāo)準(zhǔn)寬度的8mm槽刀片。采用原7.5mm槽刀加工參數(shù)，試加工時(shí)機(jī)床發(fā)生輪廓監(jiān)控報(bào)警。將槽刀進(jìn)給參數(shù)由原來的0.26 r/mim降低到0.14 r/mim設(shè)備勉強(qiáng)能夠加工。對(duì)比發(fā)一所使用的“MAG車床”和發(fā)二所使用的“MILES—SIMMONS車床”，我們認(rèn)為由于設(shè)備剛性和承載能力的差異，發(fā)二車床只能沿用7.5mm寬的槽刀。如按7.5mm設(shè)計(jì)平裝槽刀則為非標(biāo)刀片，刀具成本大大增加，優(yōu)化工作陷入了瓶頸。

圖9 車—車?yán)端?/p>

圖10 平裝槽刀與立裝槽刀對(duì)比

運(yùn)用TRIZ理論優(yōu)化加工軌跡

與傳統(tǒng)解決技術(shù)矛盾所使用的，在技術(shù)參數(shù)中尋找平衡點(diǎn)的妥協(xié)折中方法相比， TRIZ理論更加明確技術(shù)矛盾，并運(yùn)用發(fā)明原理完全解決矛盾。TRIZ理論通過將現(xiàn)場(chǎng)的問題經(jīng)過抽象轉(zhuǎn)化，再通過TRIZ理論工具獲得可能的解決方案，然后到現(xiàn)場(chǎng)加以運(yùn)用。

我們所使用的TRIZ理論工具是TRIZ矛盾矩陣。其縱坐標(biāo)是39個(gè)抽象的、使用者想要改善的通用工程參數(shù)，橫坐標(biāo)是抽象的會(huì)引起惡化的通用工程參數(shù)。在表格中對(duì)應(yīng)的序號(hào)就是解決該問題的推薦發(fā)明原理。將需要改善爆刀的現(xiàn)場(chǎng)問題抽象為TRIZ矛盾矩陣（見表1）中的“可靠性”工程參數(shù)，將立裝槽刀座與毛坯干涉的現(xiàn)場(chǎng)問題抽象為TRIZ矛盾矩陣中的“運(yùn)動(dòng)物體的長(zhǎng)度” 工程參數(shù)。經(jīng)過查閱TRIZ矛盾矩陣，所對(duì)應(yīng)的發(fā)明原理是15動(dòng)態(tài)化原理、9預(yù)先反作用原理、14曲面化原理及4增加不對(duì)稱性原理。

表1 TRIZ矛盾矩陣

受到發(fā)明原理4增加不對(duì)稱性原理的啟發(fā)，將原立裝槽刀的下刀位置從主軸頸中間位置改為向左側(cè)偏移，避免槽刀座右側(cè)與左側(cè)主軸頸端面的毛坯干涉（見圖11），從而實(shí)現(xiàn)省去對(duì)主軸頸端面的預(yù)加工。

圖11 槽刀主軸頸中間下刀位置和向左偏移下刀位置

優(yōu)化后的加工方案如圖12所示，工步1槽刀向左側(cè)偏移下刀，與原加工方案相比槽刀的切削負(fù)載不變。工步2左偏刀對(duì)主軸頸左側(cè)端面及外圓粗加工。由于槽刀下刀位置偏左，所以主軸頸左側(cè)的加工余量相對(duì)于原加工方案減少，切削負(fù)載隨之減少，避免了爆刀的風(fēng)險(xiǎn)。由于槽刀下刀位置偏左，造成主軸頸右側(cè)的加工余量增加。受到發(fā)明原理14曲面化原理的啟發(fā)，將原方案左側(cè)毛坯余量，由僅主切削刃（與曲軸軸徑平行的刀刃）承受的情況轉(zhuǎn)化為主切削刃和副切削刃分別承受。其具體做法是，工步3右偏刀先徑向進(jìn)刀，對(duì)主軸頸右端面預(yù)加工。當(dāng)加工至軸頸毛坯位置時(shí)向左快速退刀。再做徑向進(jìn)刀至軸頸外圓粗加工尺寸，此時(shí)主切削刃切削長(zhǎng)度較原方案減少。再沿軸向向右進(jìn)刀，車出整個(gè)軸頸外圓，此時(shí)由副切削刃切削。

圖12 優(yōu)化后的加工方案

優(yōu)化后加工方案的優(yōu)勢(shì)如下：

1）不需要新增加刀輔具，原有刀輔具可以沿用不產(chǎn)生浪費(fèi)。只需要對(duì)NC程序做相應(yīng)修改即可實(shí)現(xiàn)，簡(jiǎn)單高效。

2）將原方案的5次換刀動(dòng)作減少為3次，節(jié)省輔助時(shí)間3.2s。用于降低車刀的進(jìn)給速度。

3）毛坯飛邊平行于軸心線。飛邊隨著曲軸外圓高速旋轉(zhuǎn)，當(dāng)?shù)毒邚较蜻M(jìn)刀時(shí)，主切削刃與整個(gè)切削長(zhǎng)度的飛邊發(fā)生沖擊。而刀具改成沿軸向進(jìn)刀時(shí)，飛邊僅對(duì)副切削刃上一個(gè)點(diǎn)產(chǎn)生沖擊。因此優(yōu)化后方案能減少主切削刃與飛邊直接發(fā)生沖擊的長(zhǎng)度，有效避免爆刀。

4）副切削刃同時(shí)參加切削有利于刀尖散熱和減緩主切削刃磨損。

結(jié)語

優(yōu)化軌跡后月均爆刀次數(shù)下降67%，由爆刀所產(chǎn)生的月均工廢數(shù)量下降78% （見圖13）。在原有設(shè)備、刀具、毛坯不變的情況下，通過優(yōu)化刀具加工軌跡有效減少了爆刀引起的工廢，大幅降低了生產(chǎn)成本。

圖13 優(yōu)化前后爆刀工廢對(duì)比