六缸曲轴主轴颈加工方法的研究与应用

刘来章

(德州德隆(集团)机床有限责任公司，山东 德州 253003)

1 传统加工方法介绍

曲轴是发动机中的关键零件之一，由于它形状复杂、刚性差(特别是六缸曲轴)、加工余量大、质量分布不平衡，要求的加工精度又高，所以曲轴是发动机中最难加工的工件之一。

六缸曲轴与四缸曲轴相比，加工难度增加很多，主要是曲轴刚性的问题。传统曲轴主轴颈加工工序是:(1)齐端面、打中心孔、套车曲轴大小头;(2)铣削粗加工;(3)粗磨加工;(4)精磨加工。第一道工序是基准加工工序，加工出的曲轴大小头作为后3道工序的夹持基准。第二道工序是粗铣加工，即铣刀盘高速旋转而曲轴缓慢旋转，待曲轴旋转1周即完成1个主轴颈的加工，这种加工方式的特点是效率高，可以快速去除毛坯余量，但加工表面质量太差，外圆表面棱角分明。第三道工序是主轴颈粗磨加工，主要是对上道粗铣工序进行修整，并进一步减少加工余量，加工精度等级IT7～8级，为保证成品合格率给精磨留余量0.2～0.3mm。第四道工序是主轴颈精磨工序，该道工序是将主轴颈各项尺寸及精度加工至图纸要求的最终工序，由于前道粗磨工序留有余量较大，使得该工序加工时间较长一些。

2 新方法的前期分析与实验

通过对传统加工方法的分析，我们不难看出第三道工序是1个瓶颈，该工序的加工精度不高，椭圆度误差较大所以必须留较大的余量，给精磨工序带来很大的负担，又由于前工序粗铣出来的外圆表面棱角分明，给本工序带来的加工余量也非常大，且该道工序无法更精准地控制加工余量、尺寸精度。

鉴于以上原因我们决定用车削的方法来代替第三道工序，即用精车削代替粗磨。以六缸重卡曲轴为例进行试验，见图1曲轴图示，六缸曲轴需要加工的主轴颈共有7个，且刚性十分弱，工件质量也不平衡，很有可能造成让刀、振刀无法切削的情况，如何保证工件不变形或少变形是需要攻克的首要问题。通过多次讨论、实验论证，最后选用这样一种配置，机床选用斜床身卧式数控车床，主轴配置液压自定心卡盘，液压尾座顶紧(图2)，中间采用曲轴专用开式液压自定心中心架进行辅助支撑，中心架移动采用液压油缸驱动，中心架两侧配有工件托架，方便装卸工件，详见图3。

机床样机(图4)试制完成后，进行了多次试切削，基本上达到了预期效果，但同时也存在一些问题:(1)曲轴第四主轴颈(刚性最弱的位置)径向跳动超差，图纸要求0.15mm，经过试验车削的跳动误差为0.20mm;

(2)由于工件本身形状的原因，决定了工件易变形的特点，故采用液压尾座持续顶紧的方式易产生工件变形，且无法避免;(3)采用如图5所示的曲轴车刀后，刀杆探出太长刚性较差，偶尔出现振刀现象;(4)利用液压油缸驱动中心架前后移动的方式不安全，液压缸带有感应磁环，对环境要求较高，机床车削下来的切屑极易干扰磁环的信号，造成油缸误动作进而出现事故。

3 结构优化分析

根据上述样机试制情况及试切削情况来看，机床结构需要进一步优化，考虑工件变形大、刀杆刚性和操作安全性等问题，得出如下优化措施:

(1)将原来的液压尾座改为副主轴结构，前后主轴分别配有液压浮动卡盘，避免持续顶紧给工件造成的轴向变形问题;

(2)特殊设计曲轴专用整体式刀盘，刀盘厚度要满足曲轴档宽和进档较深的车削要求，避免原曲轴车刀杆刚性不足的问题;

(3)改变曲轴中心架的驱动方式，采用伺服电动机+滚珠丝杠的方式驱动中心架移动，这种方式可以在任意位置停止且定位精度高，同时也提高了机床的动作安全性，通过中心架跟随的方式来加工，即架第二主轴颈车第三主轴颈，架第三主轴颈车第四主轴颈，架第四主轴颈车其他所有主轴颈，通过这种方式来最大限度地减小工件变形;

(4)刀盘上增配在线测量装置，因为曲轴两端是毛坯面，轴向定位不准确，每加工1件需要人工对刀1次十分繁琐，有了在线测量装置，就完全实现了自动对刀，对刀精确且用时较短。

4 应用实例

通过这4步的优化改进，又进行了多次反复试车，检验机床加工精度的稳定性，最终结果完全超过预期。优化后的结构外形图见图6，精车的各项精度高于粗磨精度，精车后的精度见表1所示，通过表1各项比较可以得出，精车方式完全可以取代粗磨的方式。

表1 精车与粗磨曲轴主轴颈的对比表

5 经济效益分析

我们从两个方面进行经济效益分析，首先在效率方面，精车方式比粗磨方式节约了15.4%的时间，在当今市场竞争十分激烈的社会，分秒必争是每个企业追求最大利润的一部分。其次在使用成本方面，精车方式的优点就更为突出了，车床的销售成本比磨床的低，车刀刀片的消耗成本要比磨床砂轮的成本低很多，车削下来的铁屑可以作为废铁变卖，进一步降低使用成本，而磨床的磨屑则无法回收，另外磨削产生的油雾对工人的身体健康影响很大，诸多因素证明以精车方式取代粗磨方式是正确的，也是一种趋势。见表2使用成本对比表。

表2 使用成本对比表

6 结语

本文通过利用传统加工方法和前期试验进行分析论证，提出了一种摆脱传统曲轴加工行业瓶颈的解决方案，也是一次大胆尝试，该方案既降低了使用成本，又能提高效率及精度，是一种加工方法的更新换代，同时总结出了利用车床方式进行加工时，机床结构设计的各个要点，目前该机床已交付用户使用，得到了各用户的认可。

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