曲轴轴颈下沉R 的加工与编程实现

冯显，刘云龙，林海，郑志强，袁琳

（1.中国石油集团济柴动力有限公司成都压缩机分公司，四川 成都 610000；2.中国石油集团济柴动力有限公司再制造分公司，河北 沧州 061000）

1 现状与目的

我厂的曲轴有种类多、精度要求高、批次投入数量少等特点，故生产效率一直难以提高。随着公司业务量大幅增加，对车间生产提出了更高的要求，急需在稳定质量的情况下加大产出。通过现场生产调查，找出了曲轴生产的瓶颈工序是主轴颈与连杆轴颈的磨削工序。该工序由德国埃马格公司的PM450 曲轴随动磨床负责加工，一次装夹即可完成主轴颈和连杆轴颈的全部加工。该磨床加工精度高，但是，因为连杆轴颈与主轴颈均需要在该机床上加工，导致耗时长、效率低、成本高。在该工序已经很难有本质性的提高空间，故需要从其他工序着手，减轻其工作量。经过调研和查询资料，我们认为，可以考虑在曲轴主轴颈和连杆轴颈两侧加工下沉R，大小为R11，其中，工作段，即直段不能减少（如图1）。因为有以下好处：（1）不必频繁修整砂轮圆角或更换砂轮，大幅节约时间和成本；（2）不再靠磨轴颈开档两侧面，可以减少加工时间和砂轮修整次数；（3）不再靠磨两侧，可以避免砂轮与轴颈开档侧面的磨削挤压，避免磨削裂纹出现；（4）该加工设备昂贵，通过加工下沉R 可以减少该设备占用率，降低加工成本；（5）可以突破加工瓶颈，减少生产现场在制品的堆积，降低库存，提高资金利用率。

2 方案实施

加工曲轴下沉R 需要确认以下几种情况：（1）在曲轴两侧加工下沉R 后曲轴的强度是否满足，是否会造成应力集中，在极限负荷时导致曲轴断裂。（2）加工下沉R 后，曲轴随动磨床不再靠磨两侧，前道工序是否能做保证轴向尺寸精度和端面与轴颈的垂直度要求。（3）曲轴下沉R 是否与轴颈同轴，否则，会造成下沉R 深度的不均匀，降低曲轴强度。

经过强度计算，在下沉R 下沉0.3 ～0.75mm（半径）时，强度可以满足设计要求，我们根据实际生产情况，将曲轴轴颈R 下沉量设置为0.5mm。（2）精度保证措施（以我厂典型曲轴FY2000 为例具体尺寸如图2）。

图1

图2

该曲轴总长2455mm，有4 个连杆轴颈直径为φ190（0，-0.015）和4 个主轴颈直径为φ190（0，-0.019），轴颈直径、轴向尺寸和位置度均要求较高。在新的工艺中，曲轴在热时效后采用我厂的奥地利WFL M120 车铣复合加工中心对曲轴的主轴颈及连杆轴颈的直径、开档宽度等进行精加工，同时，控制轴向尺寸，之后，对各轴颈的下沉R 进行加工。

加工时，应注意以下事项：①分别加工完主轴颈和连杆轴颈后，要依次松开中心架、尾座顶尖，以释放加工应力；②在加工一段时间后需要检查卡盘中心→中心架夹持中心→尾座顶尖中心是否同轴，当超差时需要调整中心架和尾座；③装夹后，通过机床在线测量系统测量曲轴的各轴颈的跳动，本例中的FY2000 曲轴时效后跳动范围在0.05 ～0.6mm。为了保证同轴度，同时，也为了减少应切削量不均匀导致的加工应力，需要根据测量值进行计算，根据跳动量和对应C1轴角度进行中心架夹位、中心孔的修整。

修整夹位和中心孔时，优先修整夹位。根据跳动量和C1轴角度分别设置3 个夹位的铣削偏心距和角度（角度为机床的C1 轴角度，偏心距=跳动），进行偏心铣削，可以使得夹位铣削量均匀。之后以修整好3 个的中心架夹位夹持曲轴再修整中心孔。修整中心孔时不能使用中心钻，而应该使机床B1 轴旋转60°，采用铣刀铣削。

通过以上方法可以使曲轴中心整体偏移，可以保证曲轴同轴度和吃刀量较为均匀，进而减少曲轴的加工应力释放和弯曲变形，保证在磨削时下沉R 与各轴颈始终同轴，避免偏磨，确保曲轴强度不会降低。具体测量程序和加工程序不再详述。

3 工艺分析

（1）刀具的选用，主要考虑一下因素：①我厂的曲轴偏心距大，则需要的刀杆长度就相对较大，即刀杆长度＞偏心距+轴肩高度；②刀杆不能太粗，需要计算，避免与曲轴轴颈两侧面发生碰撞；③小直径球头铣刀强度无法达到，会发弹振动，同时，因为球头铣刀中心线速度无限大，磨损快，不太适合曲轴下沉R 的加工。④在重型曲轴卧车上车削无法保证连杆轴颈与其下沉R 的加工质量。通过探讨，我们在不增加成本的基础上，采用现有的刀具刀片进行加工。刀杆为φ60，刀盘φ80，刀片为R8 的圆刀片，具体如图3。

图3

（2）模拟加工。要实现盘铣刀加工下沉R，必须是刀具整体倾斜，在WFL M120 车铣复合加工中心中可以通过B1 轴摆动实现，通过计算和模拟，当B1 轴旋转2°时，最为合适。如图3，这样非加工侧刀片可以离轴颈面有3.55mm 左右的间隙，同时，刀杆与轴颈侧面也不会发生干涉。R8 刀片可以完成三段下沉R 的加工（见如图1），三段R 分别为：R9.5、R11、R9.5。其中，采用下沉R 后各轴颈工作段的外圆轴向长度不能减小。

（3）轨迹模拟。因我公司的所有曲轴加工均未采用自动编程软件编程，所以我们在加工曲轴下沉R 时，不额外购置编程软件，仍采用手工编程的方式。通过模拟，生成了与下沉R 对应的三段刀片中心圆弧轨迹，如图4。

图4

4 段圆弧具体参数（表1）

表1

同时，根据刀盘和刀片直径等可以计算出当B1 轴摆动2°时，X 向偏移0.019（刀具轴向）；Z 向偏移1.117（刀盘径向）。

5 加工程序

程序采用宏程序编写方法，同时，因为主轴颈和连杆颈的下沉R 尺寸要求一致，故编写好一个轴颈的程序后，通过循环的方式就可以实现其他轴颈的加工，验证一个轴颈程序即可。同时，采用模块化编程方式，避免了修改某些参数引起程序的出错，必要时，只需修改程序前面部分参数就可以实现程序的整体修改，实现了通用性，可以直接移植到其他曲轴的加工中。机床数控系统为西门子840D sl，其中，WFL M120 车铣复合加工中心的GD[*]参数等同于西门子R 参数。本程序只有184 段，即实现了4 个连杆轴颈8 处的下沉R 加工，远低于自动编程软件。同时，程序层次清晰，逻辑明确，便于验证、检查和修改。以下是部分连杆轴颈下沉R 加工程序：

6 结语

通过加工曲轴轴径的下沉R，突破了关键瓶颈工序，明显提高了曲轴产量。生产效率的提高，降低了生产现场在制品数量，有效减少了公司的资金占用。从2016 年开始摸索试验，到现在各型号曲轴全面运用展开，证明了其方法是有效、可靠和稳定的。