冰箱压缩机曲轴箱缸孔与轴孔垂直度超差分析与控制

廖小宁 尹小兵 黎 明 邹国锋

（华意压缩机股份有限公司，江西 景德镇 333001）

0 引言

近些年来，随着冰箱压缩机日益小型化、高效化的发展，压缩机对零部件的加工精度要求正逐渐提高。曲轴箱是压缩机泵体的主要零件，是活塞、连杆、曲轴等零件的装载体。压缩机工作时，电机带动曲轴、连杆组成的曲柄连杆机构，进而推动活塞压缩制冷剂气体。实现由电能转化为机械能，再转化为内能的目标与功能。活塞和曲轴运动的中心是垂直的，压缩机泵体运动要求曲轴箱有严格的缸孔与轴孔垂直度（以下以两孔垂直度代替），两孔垂直度也是曲轴箱生产过程中重要控制的参数。本文对冰箱压缩机曲轴箱两孔垂直度超差原因进行分析，并提出相应的控制、解决方法。

1 加工过程中两孔垂直度超差的原因

曲轴箱加工过程中，产生两孔垂直度超差的主要原因有如下几方面：

1.1 物料原因

曲轴箱材料一般为铸铁。如果铸铁材料不均匀，特别是两孔加工处材料不均匀，这将导致加工材料硬度有差异。钻孔加工时，材料硬度大的一边相对硬度小的一边产生挤压力差，从而使刀具发生斜偏，两孔垂直度便无法保证。例如曲轴箱缸孔或轴孔加工处的一侧出现白口铁或疏松，钻头加工时，受到非对称挤压力，加工出来的孔中心就容易偏斜，影响垂直度。

1.2 设备原因

设备精度是机械零部件加工精度的有效保证。其中设备的刚度、定位精度、重复定位精度等都是设备精度的关键。设备刚度是首要前提，机械加工中，切屑过程会产生巨大的冲击力，设备具有足够的刚度才能保证加工零件的精度。尤其是动力头刚度，动力头刚度不足，容易变形，那么刀具就容易偏斜，加工时还可能出现较大的振动；曲轴箱一般常采用组合机床加工，工艺流程比较复杂，缸孔和轴孔需要经过钻孔、扩孔、精镗、珩磨等多道工序才能加工完成。多次加工往往需要多次定位。多次定位设备的动力头的位置一致性对两孔垂直度产生较大的影响。例如，气缸孔扩孔和精镗两道工序都是采用曲轴箱定子安装面、定子面螺栓沉孔定位。如果后序精镗刀和前序扩孔刀位置度差别较大，则容易造成两次加工中心同轴度偏大，两孔垂直度变大，甚至造成镗孔单边。

1.3 夹具原因

1.3.1 夹具夹紧力的偏小。机械加工过程中，巨大切削力会直接对工件产生冲击力和振动、加工过程中如果出现夹紧力不够、工件夹不稳，则容易造成加工精度超差。

1.3.2 夹具的磨损。曲轴箱是批量生产的产品，夹具频繁和工件接触，容易导致夹具磨损，当磨损量到达一定的极限时，夹具对工件就不能产生有效的夹紧作用。这样必然对加工精度造成影响。

1.3.3 定位夹具的清洁度。定位夹具既有固定夹紧的作用，同时也有定位作用。如果定位夹具清洁度不够，必将影响工件的加工精度。例如，曲轴箱缸孔、轴孔加工。缸孔、轴孔钻孔和精镗两道工序均采用定子安装面和定子安装面沉孔定位。前序钻孔时，定位夹具上没有杂质，定子安装面能有效地与定位面贴合，如图1。但后序精镗两孔时，其中某些定位面有杂质，这样便变相地将定子安装面抬高如下图2。前序加工中心线和后序加工中心线成一个角度，造成两孔垂直度超差。

图1

图2

1.4 刀具原因

机械加工过程中，刀具直接与工件作用，进行切削。刀具的材料、结构、参数、性能等因素对工件加工都起到重要作用。刀具的材料决定刀具的用途和使用功能，同时也决定了刀具的使用寿命，耐用程度。刀具的参数是决定了刀具的加工性能的主要因素，前角、后角，顶角、螺旋角、刃长等参数都对加工精度产生影响。随着机械加工技术的发展，许多刀具都采用了组合刀具形式，一把刀杆往往安装几个刀头。一个工步便能完成零件几个结构的加工，随着刀具的组合形式的发展，刀体体积、质量分布、结构设计日趋复杂。刀具的刚性、动平衡等性能对刀具的影响也越来越大。

1.4.1 刀具磨损。曲轴箱是批量生产的产品。刀具容易磨损，磨损后刀具分布不均，切削加工时受力不同，容易导致加工精度超差。如两孔钻屑加工时，钻头一侧切削刃磨损，而另一侧完好，必然导致两侧切削能力的不同，受力也有所不同，随着钻削深度的加深，孔中心线也容易随之偏斜。导致两孔垂直度超差。

1.4.2 刀杆的变形。由于曲轴箱加工结构复杂、生产数量多。曲轴箱加工往往采用多工位组合机床设备加工。在设备维修、或调换刀具、更换设备零件等情况下常有一些失误操作，导致动力头带动刀杆碰撞工件，引起刀杆变形。由于某些原因，设备操作者未将碰撞后的刀杆更换，致使工件加工后的精度超差。

1.5 加工工艺参数设计原因

曲轴箱两孔钻、镗、珩磨等加工时，工艺设定的切削速度、进给速度、加工余量等参数，加工两孔的加工精度都有影响。特别是钻两孔工序，钻削量大，作用力大，如果进给速度设置过大，就会产生振动，影响加工品质。

1.6 加工工艺设计和流程设计原因

曲轴箱产品设计完成初，工艺设计者根据产品的结构来设计加工工艺和加工工艺流程。设备设计者又根据加工工艺和工艺流程来设计设备，工步设定、工件定位和装夹、刀具的选择以及清洗冷却的设计等因素都会对加工件精度产生影响。如，曲轴箱缸孔加工，钻屑加工量大。采用一次性钻屑完成或两次钻屑分步完成，再或是一次钻孔后再扩孔完成。三种不同的工艺，必然有不同的精度。当然，设计者也应结合考虑相应的工艺成本。

1.7 其他原因

包括温度、振动、动力稳定等其他随机因素。人员因素也是其中之一。机械加工时，加工部位的散热程度；切屑液润滑、清洁、冷却程度；机床工作时，本身的振动，动力头轨道的平整度、直线度；加工过程中动力的稳定性等等。这些因素都会对零件的加工精度产生影响。

总之，引起曲轴箱两孔垂直度超差的原因有很多。曲轴箱材料不均匀、工装夹具的磨损、刀具的磨损、设备的清洁度是众多因素中的主要原因。加大对这些因素的检测控制，能大大减少精度超差现象的出现。

2 减少曲轴箱两孔垂直度超差现象的措施

2.1 加强来料检验控制

对曲轴箱来料的进行严格检验控制。从曲轴箱本体上取出检测样块，对样块进行化学元素检验分析。对比各元素控制标准，见表1，确保来料各元素含量符合标准。

表1 某款曲轴箱元素控制标准表

取本批曲轴箱同一炉样件，对样件进行机械性能分析。根据铸铁的用途，结合影响机械加工的重要机械性能。重点对抗拉强度和硬度进行检验。

表2 某款曲轴箱机械性能控制标准表

在确保元素含量、机械性能符合标准同时，尽量要求材料生产厂家提高铸铁件组织的均匀性、碳化物含量的合理分布、合金元素的科学配置等，提高铸件加工性能，保证曲轴箱两孔垂直度加工精度。

2.2 确保工装、夹具的稳定性、可靠性

曲轴箱加工流程较复杂，从毛坯到成品要经过多道工序。多次定位装夹，特别是批量生产的产品。这就要求工装、夹具具有较高的一致性、稳定性和可靠性。

确保定位的有效性。定位部位磨损在加工中时有出现，当磨损量超过一定范围时，定位工装就会失去它的定位作用。例如，用于加工定位定子面安装沉孔的定位销。随着加工定位次数的增多和上下料的撞击。定位销容易磨损、变形、甚至产生较大的弯曲。对曲轴箱加工两孔时的精度产生影响。及时更换夹具，能大大减少不合格品的产生，提高零件精度。

保证装夹的有效性。加工时产生的巨大作用力不可避免，装夹稳定才能保证加工品质。曲轴箱缸孔钻削加工工序，加工余量较大，加工过程冲击力也较大，工件加工时易振动，依靠原本的夹爪难以解决这个问题，如图3。经过改进装夹方式，轴承加工部位上方加入一个环形压紧夹爪。彻底解决了因加工余量大，加工过程中压紧不完全的问题，如图4。

2.3 刀具的正常使用和改进

对于刀具在机加工过程中容易磨损问题。一是尽量采购质量较好的刀具，尽量避免刀具使用过程中的单边磨损严重、切削刃崩裂等现象的出现，曲轴箱是铸铁件，尽量采用合金钢和高速钢材料刀具加工。二是应加强刀具使用管理，要求设备管理者定时对刀具的使用情况进行检查，让刀具尽可能处于正常使用状态。三是改进刀具的一些结构，保持其加工合理性。例如，加工内径较小的轴孔时，钻头横刃较长会导致定心差，影响轴孔垂直度。将横刃改短后，这个问题能得到很好的解决。

图3

图4

因某些过失操作造成的刀杆碰伤，中心线偏斜，而没有及时发现，导致两孔精度超差问题。可在设备上加入红外线感应系统，当刀具动力头进给时，红外线感应到刀具前方有金属物体，立即停止进给运动。避免撞刀现象发生。

2.4 合理地选择加工工艺参数

有研究表明，机械加工工件的精度与加工时的切削余量、进给速度、切削速度有密切的联系。切削余量加大会导致加工时加长，加工部位热量的增加，并加大排屑的难度。切削速度的增大会加大刀具与工件间的作用力，加大刀具的磨损，降低刀具的寿命，并影响加工精度。进给速度的增加，会加大刀具的背吃刀量，也会加大刀具与工件的相互作用力，对刀具产生较大的挤压，若刀具刚度不足，极易造成制造精度降低。因而，根据实际加工情况，合理设置加工参数，能大大地改善零件的加工精度。例如，曲轴箱缸孔，粗钻时切削速度78.5m/min,粗镗切削速度为93m/min，粗镗切削速度为150m/min。根据粗钻、粗镗、精镗工艺不同的加工余量和走刀量，设定不同的转速，根据工艺流程顺序和加工工艺特点，转速逐级提升。对延长刀具寿命和提高加工精度都大有裨益。

2.5 其他措施

目前，曲轴箱加工未实现全程自动化，每道工序仍采用人工上、下料方式。而上、下料对工件的定位起到至关重要作用，所以，生产者的素养也是影响曲轴箱两孔精度的原因之一，提高生产者职业素养，也非常重要。曲轴箱两孔垂直度精度要求较高，采用精密度高的检测工具也是控制、提高零部件精度的重要手段。

3 结语

曲轴箱是冰箱压缩机泵体中的重要零部之一，加工结构复杂。缸孔、轴孔垂直度是曲轴箱关键的工艺参数。来料、设备、刀具、工装夹具等是影响这一工艺参数的关键因素，通过对这几方面的控制和改进，能很好地控制曲轴箱两孔垂直度精度，提高压缩机性能。

[1]机械加工技术手册[M].北京出版社，1986，1.

[2]林文焕，陈本通.机床夹具设计[M].国防工业出版社，1987，8.

[3]吴林禅.金属切削原理与刀具[M].机械工业出版社，1987，8.