六缸曲軸主軸頸加工方法的研究與應(yīng)用

劉來(lái)章

(德州德隆(集團(tuán))機(jī)床有限責(zé)任公司，山東 德州 253003)

1 傳統(tǒng)加工方法介紹

曲軸是發(fā)動(dòng)機(jī)中的關(guān)鍵零件之一，由于它形狀復(fù)雜、剛性差(特別是六缸曲軸)、加工余量大、質(zhì)量分布不平衡，要求的加工精度又高，所以曲軸是發(fā)動(dòng)機(jī)中最難加工的工件之一。

六缸曲軸與四缸曲軸相比，加工難度增加很多，主要是曲軸剛性的問(wèn)題。傳統(tǒng)曲軸主軸頸加工工序是:(1)齊端面、打中心孔、套車曲軸大小頭;(2)銑削粗加工;(3)粗磨加工;(4)精磨加工。第一道工序是基準(zhǔn)加工工序，加工出的曲軸大小頭作為后3道工序的夾持基準(zhǔn)。第二道工序是粗銑加工，即銑刀盤高速旋轉(zhuǎn)而曲軸緩慢旋轉(zhuǎn)，待曲軸旋轉(zhuǎn)1周即完成1個(gè)主軸頸的加工，這種加工方式的特點(diǎn)是效率高，可以快速去除毛坯余量，但加工表面質(zhì)量太差，外圓表面棱角分明。第三道工序是主軸頸粗磨加工，主要是對(duì)上道粗銑工序進(jìn)行修整，并進(jìn)一步減少加工余量，加工精度等級(jí)IT7～8級(jí)，為保證成品合格率給精磨留余量0.2～0.3mm。第四道工序是主軸頸精磨工序，該道工序是將主軸頸各項(xiàng)尺寸及精度加工至圖紙要求的最終工序，由于前道粗磨工序留有余量較大，使得該工序加工時(shí)間較長(zhǎng)一些。

2 新方法的前期分析與實(shí)驗(yàn)

通過(guò)對(duì)傳統(tǒng)加工方法的分析，我們不難看出第三道工序是1個(gè)瓶頸，該工序的加工精度不高，橢圓度誤差較大所以必須留較大的余量，給精磨工序帶來(lái)很大的負(fù)擔(dān)，又由于前工序粗銑出來(lái)的外圓表面棱角分明，給本工序帶來(lái)的加工余量也非常大，且該道工序無(wú)法更精準(zhǔn)地控制加工余量、尺寸精度。

鑒于以上原因我們決定用車削的方法來(lái)代替第三道工序，即用精車削代替粗磨。以六缸重卡曲軸為例進(jìn)行試驗(yàn)，見(jiàn)圖1曲軸圖示，六缸曲軸需要加工的主軸頸共有7個(gè)，且剛性十分弱，工件質(zhì)量也不平衡，很有可能造成讓刀、振刀無(wú)法切削的情況，如何保證工件不變形或少變形是需要攻克的首要問(wèn)題。通過(guò)多次討論、實(shí)驗(yàn)論證，最后選用這樣一種配置，機(jī)床選用斜床身臥式數(shù)控車床，主軸配置液壓自定心卡盤，液壓尾座頂緊(圖2)，中間采用曲軸專用開(kāi)式液壓自定心中心架進(jìn)行輔助支撐，中心架移動(dòng)采用液壓油缸驅(qū)動(dòng)，中心架兩側(cè)配有工件托架，方便裝卸工件，詳見(jiàn)圖3。

機(jī)床樣機(jī)(圖4)試制完成后，進(jìn)行了多次試切削，基本上達(dá)到了預(yù)期效果，但同時(shí)也存在一些問(wèn)題:(1)曲軸第四主軸頸(剛性最弱的位置)徑向跳動(dòng)超差，圖紙要求0.15mm，經(jīng)過(guò)試驗(yàn)車削的跳動(dòng)誤差為0.20mm;

(2)由于工件本身形狀的原因，決定了工件易變形的特點(diǎn)，故采用液壓尾座持續(xù)頂緊的方式易產(chǎn)生工件變形，且無(wú)法避免;(3)采用如圖5所示的曲軸車刀后，刀桿探出太長(zhǎng)剛性較差，偶爾出現(xiàn)振刀現(xiàn)象;(4)利用液壓油缸驅(qū)動(dòng)中心架前后移動(dòng)的方式不安全，液壓缸帶有感應(yīng)磁環(huán)，對(duì)環(huán)境要求較高，機(jī)床車削下來(lái)的切屑極易干擾磁環(huán)的信號(hào)，造成油缸誤動(dòng)作進(jìn)而出現(xiàn)事故。

3 結(jié)構(gòu)優(yōu)化分析

根據(jù)上述樣機(jī)試制情況及試切削情況來(lái)看，機(jī)床結(jié)構(gòu)需要進(jìn)一步優(yōu)化，考慮工件變形大、刀桿剛性和操作安全性等問(wèn)題，得出如下優(yōu)化措施:

(1)將原來(lái)的液壓尾座改為副主軸結(jié)構(gòu)，前后主軸分別配有液壓浮動(dòng)卡盤，避免持續(xù)頂緊給工件造成的軸向變形問(wèn)題;

(2)特殊設(shè)計(jì)曲軸專用整體式刀盤，刀盤厚度要滿足曲軸檔寬和進(jìn)檔較深的車削要求，避免原曲軸車刀桿剛性不足的問(wèn)題;

(3)改變曲軸中心架的驅(qū)動(dòng)方式，采用伺服電動(dòng)機(jī)+滾珠絲杠的方式驅(qū)動(dòng)中心架移動(dòng)，這種方式可以在任意位置停止且定位精度高，同時(shí)也提高了機(jī)床的動(dòng)作安全性，通過(guò)中心架跟隨的方式來(lái)加工，即架第二主軸頸車第三主軸頸，架第三主軸頸車第四主軸頸，架第四主軸頸車其他所有主軸頸，通過(guò)這種方式來(lái)最大限度地減小工件變形;

(4)刀盤上增配在線測(cè)量裝置，因?yàn)榍S兩端是毛坯面，軸向定位不準(zhǔn)確，每加工1件需要人工對(duì)刀1次十分繁瑣，有了在線測(cè)量裝置，就完全實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)對(duì)刀，對(duì)刀精確且用時(shí)較短。

4 應(yīng)用實(shí)例

通過(guò)這4步的優(yōu)化改進(jìn)，又進(jìn)行了多次反復(fù)試車，檢驗(yàn)機(jī)床加工精度的穩(wěn)定性，最終結(jié)果完全超過(guò)預(yù)期。優(yōu)化后的結(jié)構(gòu)外形圖見(jiàn)圖6，精車的各項(xiàng)精度高于粗磨精度，精車后的精度見(jiàn)表1所示，通過(guò)表1各項(xiàng)比較可以得出，精車方式完全可以取代粗磨的方式。

表1 精車與粗磨曲軸主軸頸的對(duì)比表

5 經(jīng)濟(jì)效益分析

我們從兩個(gè)方面進(jìn)行經(jīng)濟(jì)效益分析，首先在效率方面，精車方式比粗磨方式節(jié)約了15.4%的時(shí)間，在當(dāng)今市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)十分激烈的社會(huì)，分秒必爭(zhēng)是每個(gè)企業(yè)追求最大利潤(rùn)的一部分。其次在使用成本方面，精車方式的優(yōu)點(diǎn)就更為突出了，車床的銷售成本比磨床的低，車刀刀片的消耗成本要比磨床砂輪的成本低很多，車削下來(lái)的鐵屑可以作為廢鐵變賣，進(jìn)一步降低使用成本，而磨床的磨屑則無(wú)法回收，另外磨削產(chǎn)生的油霧對(duì)工人的身體健康影響很大，諸多因素證明以精車方式取代粗磨方式是正確的，也是一種趨勢(shì)。見(jiàn)表2使用成本對(duì)比表。

表2 使用成本對(duì)比表

6 結(jié)語(yǔ)

本文通過(guò)利用傳統(tǒng)加工方法和前期試驗(yàn)進(jìn)行分析論證，提出了一種擺脫傳統(tǒng)曲軸加工行業(yè)瓶頸的解決方案，也是一次大膽嘗試，該方案既降低了使用成本，又能提高效率及精度，是一種加工方法的更新?lián)Q代，同時(shí)總結(jié)出了利用車床方式進(jìn)行加工時(shí)，機(jī)床結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的各個(gè)要點(diǎn)，目前該機(jī)床已交付用戶使用，得到了各用戶的認(rèn)可。

［1］趙鴻，于世強(qiáng).現(xiàn)代刀片與數(shù)控磨削技術(shù)［M］.北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2009:53－62.

［2］戴曙.金屬切削機(jī)床設(shè)計(jì)［M］.北京:機(jī)械工業(yè)出版社，1985.

［3］徐灝.機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)［M］.北京:機(jī)械工業(yè)出版社，1992.

［4］李歡玲.基于多體理論的數(shù)控機(jī)床幾何誤差補(bǔ)償技術(shù)的研究［D］.南京:南京航空航天大學(xué)，2009:13－20.