曲軸車-車梳（拉）加工實(shí)驗(yàn)刀盤模塊化設(shè)計(jì)原理及應(yīng)用*

吳 松，何 云，陳 龍，李林寧

（華東理工大學(xué)機(jī)械與動力工程學(xué)院，上海 200237）

曲軸車-車梳（拉）加工實(shí)驗(yàn)刀盤模塊化設(shè)計(jì)原理及應(yīng)用*

吳 松，何 云，陳 龍，李林寧

（華東理工大學(xué)機(jī)械與動力工程學(xué)院，上海 200237）

通過對汽車發(fā)動機(jī)曲軸某一段主軸頸的加工工藝研究，以及對曲軸加工刀盤工作原理的分析，提出了刀盤結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)要求，并對刀盤單元切削模塊進(jìn)行了分類，實(shí)現(xiàn)了刀盤結(jié)構(gòu)的模塊化設(shè)計(jì)。針對車梳拉刀盤模塊中的刀夾-刀盤組合進(jìn)行尺寸鏈的優(yōu)化設(shè)計(jì)，刀盤的尺寸公差值從原來的12μm放寬到25μm，制造的經(jīng)濟(jì)性和合理性得到了提高。根據(jù)曲軸加工工藝要求，完成了車-車梳（拉）實(shí)驗(yàn)刀盤驅(qū)動裝置的設(shè)計(jì)和切削力校核。曲軸加工實(shí)驗(yàn)刀盤已成功應(yīng)用于車-車梳（拉）切削實(shí)驗(yàn)。

曲軸；車-車梳（拉）刀盤；單元切削模塊；裝配尺寸鏈

0 引言

作為汽車發(fā)動機(jī)關(guān)鍵零件之一，曲軸的加工工藝和加工刀具的研究一直受到人們的廣泛關(guān)注。車-車梳（拉）加工刀盤作為曲軸加工設(shè)備的核心部件，為曲軸的加工工藝研究提供了硬件保證。車-車梳（拉）刀盤在一次裝夾中就可完成曲軸的法蘭前端部位、主軸頸穩(wěn)定帶，主軸頸根切、曲臂的倒角以及主軸頸的齒輪環(huán)座的加工，加工效率高。在德國、瑞典、日本等國，車梳拉工藝以及車梳拉刀盤技術(shù)已經(jīng)非常成熟，而國內(nèi)車?yán)侗P的研發(fā)仍處于起步階段，相關(guān)的曲軸加工設(shè)備基本上依賴進(jìn)口。所以，擁有一套完善的曲軸加工刀具系統(tǒng)是非常有必要的。

采用曲軸車-車梳（拉）刀盤加工曲軸具有以下特點(diǎn)［1］；①多刀切削，刀具壽命長。一個刀盤上裝有多把刀片參與切削，加工時分配到每把刀片上的切削量少；如果其中某一個刀片失效，可以用刀盤上其他位置的同類刀片替換，不用卸載刀片重新安裝，減少了刀具系統(tǒng)的重復(fù)裝配次數(shù)。②粗精加工分類明確。刀盤上不同刀夾對應(yīng)不同刀片，負(fù)責(zé)曲軸不同部位的粗、精加工。粗加工負(fù)責(zé)切除曲軸多余材料，精加工負(fù)責(zé)保證加工精度。③加工節(jié)拍高，生產(chǎn)效率高。做到一次裝夾，能夠完成主軸端面、軸頸、曲軸臂、平衡塊、沉割槽等部位的半精加工，并可省去粗磨工序。根據(jù)以上特點(diǎn)，本文對刀盤的整體結(jié)構(gòu)進(jìn)行了模塊化設(shè)計(jì)，并對刀盤的裝配精度進(jìn)行了優(yōu)化，最后完成了刀盤驅(qū)動裝置設(shè)計(jì)和刀盤粗加工時的切削力校核。曲軸加工實(shí)驗(yàn)刀盤的成功開發(fā)與應(yīng)用，為曲軸加工設(shè)備的國產(chǎn)化奠定了基礎(chǔ)。

1 曲軸加工刀盤模塊化設(shè)計(jì)原理

1.1 曲軸主軸頸加工工藝分析及刀盤加工原理

曲軸主軸頸的加工需要經(jīng)過多道工序，一般的主軸頸加工工藝流程如圖1所示，圖中虛線部分為待加工表面，每道工序中所示加工刀具即為完成該道工序所使用的單元切削模塊。在曲軸車梳拉加工過程中，所有工序加工刀片同時安裝于刀盤體上，通過編程的方式將曲軸車梳拉加工所有工序編程至同一個程序中。程序啟動后，刀盤根據(jù)程序設(shè)定旋轉(zhuǎn)至指定刀夾工作位置，進(jìn)行切削加工，當(dāng)此道工序完成后，刀盤又旋轉(zhuǎn)至下一刀夾位置進(jìn)行加工，直到加工程序結(jié)束為止。

圖1 曲軸主軸頸加工工藝流程圖

車-車梳拉加工工藝實(shí)際上由車削加工和拉削加工組合而成。車-車梳拉加工工藝前幾步采用車削加工，最后一步采用車梳或車?yán)庸?。車削原理基本相同，機(jī)床主軸帶動曲軸工件高速旋轉(zhuǎn)，刀盤待加工刀片刀尖旋轉(zhuǎn)到曲軸回轉(zhuǎn)中心，然后向曲軸作徑向或軸向進(jìn)給運(yùn)動，切削量由進(jìn)給量確定。車梳與車?yán)に嚨闹饕獏^(qū)別在于加工過程中刀盤的運(yùn)動方式不同。車?yán)庸み^程中，曲軸工件圍繞機(jī)床主軸高速旋轉(zhuǎn)的同時，車?yán)侗P旋轉(zhuǎn)到車?yán)秺A后徑向向曲軸作進(jìn)給運(yùn)動，切入工件后刀盤按一定轉(zhuǎn)速隨動旋轉(zhuǎn)切削，從而實(shí)現(xiàn)刀盤的車?yán)庸?，刀盤旋轉(zhuǎn)的角度為切削刃長度對應(yīng)刀盤角度；車梳加工過程中，刀盤旋轉(zhuǎn)至梳刀位置后靜止，徑向進(jìn)給一個齒升量進(jìn)行梳削，然后軸向移動一個齒間距進(jìn)行車削，這樣往復(fù)交替進(jìn)行復(fù)合加工。

1.2 曲軸加工刀盤設(shè)計(jì)要求

車-車梳（拉）刀盤是曲軸主軸頸加工工藝中最重要的設(shè)備之一。國外常見的車-車?yán)侗P結(jié)構(gòu)見圖2。

圖2 國外車-車?yán)毒?/p>

對國外幾家知名企業(yè)的曲軸加工刀具結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析可知，曲軸加工刀盤可分解為刀盤體和單元切削模塊兩部分組成。刀盤體是單元切削模塊的載體，負(fù)責(zé)與機(jī)床連接并為單元切削模塊提供空間安裝位置。單元切削模塊可分解為刀夾和刀片。單元切削模塊根據(jù)選擇刀片的不同，對應(yīng)不同的刀夾，從而實(shí)現(xiàn)不同的切削功能。刀夾負(fù)責(zé)為刀片提供夾持力和安裝位置角度。為了實(shí)現(xiàn)模塊化構(gòu)型設(shè)計(jì)，方便單元切削模塊的更換，刀夾與刀盤的裝配要求采用統(tǒng)一的定位和固定方式。不同的刀夾可以在刀盤的不同位置自由安裝。通過改變刀盤體上面單元切削模塊的種類和加工順序，可以滿足不同曲軸的加工要求。

1.3 曲軸加工刀盤的模塊化分解

通過對曲軸主軸頸加工工藝和刀盤設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)的分析，完成曲軸主軸頸的粗加工與半精加工需要多種單元切削模塊參與切削，一個完整的車-車梳（拉）刀盤集成了曲軸主軸頸半精加工所需的全部單元切削模塊。根據(jù)單元切削模塊的加工精度將其分為兩大模塊；粗加工模塊和半精加工模塊。同時粗加工模塊根據(jù)其加工曲軸部位不同分為開槽刀夾、粗車軸頸端面刀夾；精加工模塊根據(jù)其加工部位不同分為半精加工沉割槽刀夾、半精加工主軸頸刀夾（如圖3）。

圖3 單元切削模塊

曲軸加工刀盤的模塊化分解為刀盤的構(gòu)型制造提供了理論基礎(chǔ)，加快了刀盤的制造速度，縮短了曲軸工藝的研發(fā)周期。

2 曲軸加工刀盤模塊化構(gòu)型設(shè)計(jì)

車-車梳（拉）刀盤的模塊化構(gòu)型設(shè)計(jì)包括刀盤體設(shè)計(jì)和單元切削模塊的設(shè)計(jì)［2］。

2.1 刀盤體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

由于實(shí)驗(yàn)機(jī)床設(shè)備的限制，刀盤體直徑不能夠設(shè)計(jì)的很大，因此限制了刀盤體上安裝刀夾的數(shù)量，但仍能夠?qū)崿F(xiàn)曲軸主軸頸的整套加工工藝需求。另外，刀盤體與刀盤驅(qū)動裝置通過定位銷定位，采用螺釘方式連接，連接可靠，易拆卸。刀盤體經(jīng)有限元分析［3］，符合曲軸加工剛度要求。刀盤結(jié)構(gòu)示意圖如圖4。

圖4 刀盤體結(jié)構(gòu)示意圖

實(shí)驗(yàn)刀盤體主要參數(shù)如表1所示；

表1 刀盤體尺寸及材料參數(shù)表

2.2 單元切削模塊的設(shè)計(jì)

單元切削模塊是車-車梳（拉）刀盤模塊化設(shè)計(jì)的關(guān)鍵，單元切削模塊設(shè)計(jì)的合理性直接決定了刀盤的加工柔性。

單元切削模塊主要由刀夾和刀片組成。由于采用的是自主設(shè)計(jì)的刀盤，因此需要設(shè)計(jì)一套與刀盤體相配合的刀夾。

刀夾是連接刀盤、傳遞扭矩的關(guān)鍵部位，刀夾的定位精度影響了曲軸的加工精度。由于刀夾需要根據(jù)不同工藝需求經(jīng)常進(jìn)行更換，因此單元切削模塊的刀夾與刀盤的連接方式必須一致，而且要求定位精確，具有良好的可拆卸能力。設(shè)計(jì)刀夾采用鍵定位傳力，上螺栓固定夾緊（偏心夾緊方式）。

刀片是易損件，也需要經(jīng)常更換，采用螺釘連接設(shè)計(jì)，方便拆卸。刀片都選用常見的車削刀片（少部分刀片為特制刀片）。刀夾與刀盤體的連接部位根據(jù)刀盤體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，刀片在刀夾上的固定結(jié)構(gòu)根據(jù)刀片形狀設(shè)計(jì)。圖5為粗車軸頸端面刀夾的安裝方式示意圖，圖6為粗車軸頸端面刀夾對應(yīng)刀片的安裝方式示意圖。

圖5 刀夾安裝方式

圖6 刀片安裝方式

3 刀盤模塊精度優(yōu)化

由于曲軸加工精度要求較高，因此刀夾與刀盤的制造精度有要格的要求。為了提高刀盤-刀夾制造的經(jīng)濟(jì)性和合理性，現(xiàn)針對車梳拉刀盤模塊的裝配尺寸鏈進(jìn)行建模，對刀夾-刀盤的制造公差進(jìn)行優(yōu)化。

由于刀夾定位塊與刀盤體緊密配合，不影響刀夾尺寸鏈的計(jì)算，因此為了簡化模型、方便計(jì)算，將定位塊和刀盤視為一體。刀片-刀夾-刀盤模塊的立體圖如下左圖所示，刀片-刀夾-刀盤模塊的裝配平面示意圖如圖7所示。

圖7 刀片-刀夾-刀盤裝配示意圖

如圖7右圖，刀夾裝配在刀盤上，刀夾上的螺釘孔的中心線與刀盤螺紋孔中心線有一個偏移量（偏心夾緊方式），偏移量大小在由裝配后刀夾和刀盤的尺寸L2和L1決定，所以偏移量L0可以作為封閉環(huán)，其中基本尺寸L2=7mm，L1=7.1mm，通過分析可知，L1為增環(huán)，L2為減環(huán)，L0為封閉環(huán)。各環(huán)之間關(guān)系為；L0= L1-L2=0.1mm。

由于封閉環(huán)的公差是最大，所以對封閉環(huán)設(shè)定較低的精度等級，通過查詢公差等級表及實(shí)際制造經(jīng)驗(yàn)，將封閉環(huán)公差設(shè)定為50μm（介于IT10～I(xiàn)T11級之間）。然后選用相等精度法［4］計(jì)算兩組成環(huán)公差因子。

a值介于IT8與IT9之間，符合刀具系統(tǒng)的制造要求，因此組成環(huán)的公差為；

實(shí)際設(shè)計(jì)制造該刀盤和刀夾時兩者的基本尺寸及精度為；

可以看出L1和L2原來分配的公差值都為12μm，而現(xiàn)在在滿足制造精度要求的條件下，公差值被分別調(diào)整到T1=25μm和T2=24μm，制造的經(jīng)濟(jì)性和合理性得到了提高。

4 刀盤切削力校核及切削實(shí)驗(yàn)應(yīng)用

4.1 刀盤驅(qū)動機(jī)構(gòu)分析及設(shè)計(jì)

改造原有的數(shù)控機(jī)床（機(jī)床型號；CH7520，如圖8所示）刀塔部位。利用原有的數(shù)控機(jī)床刀塔與機(jī)床的接口與控制部位，在其基礎(chǔ)上重新設(shè)計(jì)一個自帶電機(jī)的動力轉(zhuǎn)臺（由伺服電機(jī)驅(qū)動）。動力轉(zhuǎn)臺與車-車梳拉刀盤結(jié)構(gòu)連接，從而實(shí)現(xiàn)刀盤的普通車削、車梳（拉）加工功能。改造后刀盤實(shí)物圖如圖9。

圖8 CH7520機(jī)床

圖9 刀盤實(shí)物圖

由刀盤的切削原理可知，刀盤驅(qū)動裝置不僅僅需要一個可以使刀盤旋轉(zhuǎn)的旋轉(zhuǎn)軸，還需要一個可以使刀盤沿著徑向運(yùn)動的軸。在此選擇一級蝸桿傳動作為車?yán)侗P驅(qū)動裝置的主形式。一級蝸桿傳動的傳動比大，蝸桿與蝸輪嚙合處潤滑較好，傳動平穩(wěn)，沒用噪音，結(jié)構(gòu)緊湊，環(huán)境適應(yīng)性好，且單頭蝸桿傳動具有重要的自鎖性。在蝸輪蝸桿傳動形式中，選擇平面二次包絡(luò)環(huán)面蝸桿傳動。這種蝸桿傳動承載功率大，傳動穩(wěn)定，噪音小、平衡溫度低，具有普通蝸桿減速器所不具備的很多優(yōu)點(diǎn)。一級蝸輪蝸桿示意圖見圖10。

圖10 轉(zhuǎn)臺蝸輪蝸桿示意圖

轉(zhuǎn)臺設(shè)計(jì)裝配圖見圖11。

圖11 轉(zhuǎn)臺裝配圖

電機(jī)可安裝在轉(zhuǎn)臺右側(cè)空間位置，電機(jī)通過轉(zhuǎn)臺帶動刀盤的旋轉(zhuǎn)。刀盤與轉(zhuǎn)臺通過螺栓連接。

4.2 刀盤切削力校核

由于刀具在切削過程中，刀盤所受載荷可通過刀夾刀片受力來分析計(jì)算，前刀面和后刀面都受到切削力的作用，切削力包含切削力Fz、背向力Fy、進(jìn)給力Fx，常用車削切削力指數(shù)公式形式如下［5］；

切削力：Fz=9.81CFzapXFzfYFz（60v）nFz KFz（N）

背向力：Fz=9.81CFyapXFyfYFy（60v）nFy KFy（N）

進(jìn)給力：Fz=9.81CFxapXFxfYFz（60v）nFx KFx（N）

式中CFz、CFy、CFx—決定于被加工金屬和切削條件的系數(shù)；

XFz、XFy、XFx—三個分力公式中，被吃刀量、進(jìn)給量、切削速度的指數(shù)；

KFz、KFy、KFx—不同切削條件時對各切削分力的修正系數(shù)值；

v—單位為m/min。

假定實(shí)驗(yàn)加工曲軸材料為調(diào)質(zhì)鋼，刀具為硬質(zhì)合金，加工形式為切削外圓，切削參數(shù)選取粗加工切削參數(shù)，即v=150m/min，ap=1mm，f=0.1mm/r，公式參數(shù)可通過工具書查閱得知［6］，因此代入公式計(jì)算如下；

以上算出值為刀盤在粗加工過程中產(chǎn)生的切削力。刀盤直徑為380mm，可知；

刀盤粗加工時，刀盤主軸受到扭矩；

由4.1中設(shè)計(jì)的刀盤驅(qū)動裝置達(dá)到的傳動扭矩為1140N·m，大于刀盤粗加工時的扭矩，刀盤系統(tǒng)設(shè)計(jì)滿足曲軸加工需求。

4.3 刀盤的切削實(shí)驗(yàn)應(yīng)用

刀盤的模塊化設(shè)計(jì)為曲軸加工工藝設(shè)計(jì)和實(shí)驗(yàn)研究提供了一個有效的試驗(yàn)平臺。通過刀盤試驗(yàn)平臺的建立，進(jìn)行了以下幾個方面的實(shí)驗(yàn)研究；

（1）利用刀盤對曲軸常用材料QT700-2進(jìn)行車削模擬試驗(yàn)，研究了單元切削刀具的主要失效形式和磨損機(jī)理，建立單元切削刀具壽命模型，并對具有不同刀尖圓角半徑的單元切削刀具進(jìn)行了對比試驗(yàn)［7］。

（2）利用刀盤進(jìn)行車?yán)邢髂M實(shí)驗(yàn)，對軸向切削力Fp與工件加工后圓度φ進(jìn)行測量，推算出材料去除率MRR、穩(wěn)定刃寬Bw的估算公式。并研究總切深和進(jìn)給量對于這四個參數(shù)的影響［8］。

（3）利用刀盤模擬曲軸車梳切削實(shí)驗(yàn)，研究不同齒數(shù)的梳刀對刀片切削性能的影響［9］。

（4）利用刀盤模擬曲軸車-車?yán)に嚭蛙?車梳工藝的對比實(shí)驗(yàn)，分析兩種不同加工工藝對曲軸主軸頸加工精度、粗糙度和加工效率的影響［10］。

5 總結(jié)

（1）曲軸實(shí)驗(yàn)刀盤由刀盤體和單元切削模塊兩部分組成。在刀盤體上選擇不同的單元切削模塊與安裝方式，可以滿足不同曲軸的工藝需求。刀盤的模塊化設(shè)計(jì)為曲軸加工工藝設(shè)計(jì)和實(shí)驗(yàn)研究提供了一個有效的試驗(yàn)平臺。

（2）合理的設(shè)計(jì)刀盤-刀夾的制造精度，可以提高制造刀盤與刀夾的經(jīng)濟(jì)性和合理性。本設(shè)計(jì)中刀盤和刀夾的制造公差值被分別調(diào)整到T1=25μm和T2= 24μm。

（3）針對配套刀盤切削載荷問題，以刀盤切削參數(shù)為基礎(chǔ)，根據(jù)切削力指數(shù)公式對刀盤切削載荷進(jìn)行了計(jì)算。結(jié)果表明；切削過程產(chǎn)生的切削力矩在轉(zhuǎn)臺的傳動扭矩之內(nèi)，能夠滿足曲軸加工需求，并可進(jìn)行曲軸切削模擬實(shí)驗(yàn)。

［1］陳立柱.曲軸加工技術(shù)的發(fā)展及其特點(diǎn)［J］.國外汽車，1993（6）；31-35.

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The Principle and Application of the Turn-turn Chasing（Broaching）Disk Modular Design of the Crankshaft for the Processing Experiments

WU Song，HE Yun，CHEN Long，LILin-ning
（School of Mechanical and Power Engineering，East China University of Science and Technology，Shanghai 200237，China）

；Based on the characteristics of the crankshaft machining process and the analysis of the cutting principle of the disk，the requirements of the disk structure was proposed，and the unit of the cutter module is classified to design the turn-turn chasing（broaching）disk.Through the calculations of the cutting forces on rough machining condition，the stability of the turn-turn chasing（broaching）disk while cutting the crankshaft is verified.Based on the dimension chain theory，the assembly chain between the tool disk and the tool holder was optimized and redesigned.The related tolerance value of the cutting disk has been amplified from 12μm to 25μm which improved the rationality and efficiency.According to the technological requirements of the crankshaft machining process，the design of the turn-turn chasing（broaching）disk drive and the verification of the cutting force were carried out.The cutting disk has been succeed in the application of the experiment of the turn-turn chasing（broaching）process.

；crankshaft；turn-turn chasing（broaching）disk；the unit of the cutter module；assembly size chain

TH122；TG65

A

1001-2265（2015）05-0130-04 DOI：10.13462/j.cnki.mmtamt.2015.05.037

2015-02-03；

2015-03-10

國家重大科技專項(xiàng)（2012ZX04003041）

吳松（1990—），男，安徽六安人，華東理工大學(xué)碩士研究生，研究方向?yàn)橄冗M(jìn)制造技術(shù)，（E-mail）wusong0204@163.com。