□ 呂昆侖

上汽通用汽車有限公司 上海 201206

曲軸孔作為發(fā)動(dòng)機(jī)缸體的重要孔系和設(shè)計(jì)及定位基準(zhǔn)，其加工質(zhì)量直接影響發(fā)動(dòng)機(jī)的裝配精度及整體運(yùn)轉(zhuǎn)性能。曲軸孔的形狀精度、位置精度要求高，生產(chǎn)中經(jīng)常需要對(duì)曲軸孔加工工藝進(jìn)行研究和改進(jìn)，以提升加工質(zhì)量和加工效率，滿足當(dāng)前各動(dòng)力總成機(jī)加工企業(yè)對(duì)產(chǎn)品質(zhì)量、加工效率、智能化及柔性化生產(chǎn)越來(lái)越高的要求［1］。

1　曲軸孔加工工藝的選擇

曲軸瓦蓋合蓋前或上下缸體合蓋前，對(duì)曲軸半圓孔進(jìn)行粗加工，主要作用是去除多余毛坯硬皮和加工余量。曲軸瓦蓋合蓋后或上下缸體合蓋后，對(duì)曲軸孔進(jìn)行整體式半精加工和精加工，以確保曲軸孔的形狀精度和位置精度等達(dá)到要求［2］。

為保證曲軸孔的形位精度，上汽通用汽車動(dòng)力總成機(jī)加工生產(chǎn)線傳統(tǒng)上在專用機(jī)床上使用組合式鏜刀進(jìn)行半精鏜和精鏜加工，每組刀片對(duì)應(yīng)相應(yīng)的加工位置和加工余量。在曲軸孔鏜刀遠(yuǎn)端導(dǎo)向桿處進(jìn)行導(dǎo)向和支撐，以保證曲軸孔加工的形位精度。曲軸孔鏜刀通過(guò)偏心進(jìn)刀和退刀，避免曲軸孔鏜刀刀片磕碰曲軸孔。由于鏜刀不具備脹刀功能，因此這一加工方案一般無(wú)法通過(guò)加工中心來(lái)實(shí)現(xiàn)［3-7］，無(wú)法加工缸體上其它特征，加工柔性化較差。

加工中心采用掉頭鏜孔的方式進(jìn)行曲軸孔加工，曲軸孔鏜刀懸伸較長(zhǎng)，且曲軸孔孔長(zhǎng)一般大于300 mm，因此采用兩頭鏜進(jìn)的加工方案。由于鏜桿呈懸臂狀態(tài)，懸伸較長(zhǎng)，剛性和強(qiáng)度較差，易引起振動(dòng)，因此難以保證被鏜曲軸孔的尺寸精度和形位精度。基于以上情況，上汽通用汽車只在曲軸孔粗鏜加工時(shí)利用加工中心進(jìn)行曲軸孔掉頭鏜加工。

可見(jiàn)，在專用機(jī)床上用鏜刀加工曲軸孔或在加工中心上掉頭鏜曲軸孔，由于存在各種局限性，已經(jīng)無(wú)法滿足當(dāng)前先進(jìn)制造企業(yè)對(duì)生產(chǎn)線高效率、柔性化、智能化的需求。于是，采用帶推拉桿的加工中心展開(kāi)式鏜刀加工曲軸孔，逐步被越來(lái)越多的先進(jìn)制造企業(yè)所關(guān)注、研究和應(yīng)用。

2　帶推拉桿的展開(kāi)式曲軸孔鏜刀應(yīng)用

帶推拉桿的展開(kāi)式曲軸孔鏜刀，具有收刀、脹刀加工、自動(dòng)換刀及直徑自動(dòng)補(bǔ)償?shù)裙δ埽?-9］。

以上汽通用汽車某發(fā)動(dòng)機(jī)缸體曲軸孔的加工為例，對(duì)采用帶推拉桿的加工中心展開(kāi)式曲軸孔鏜刀應(yīng)用進(jìn)行分析，通過(guò)刀具推拉桿的軸向移動(dòng)，實(shí)現(xiàn)半精鏜刀片和精鏜刀片的徑向收刀、脹刀，以及直徑方向刀具補(bǔ)償?shù)裙δ堋５毒甙刖庸n，刀夾號(hào)為1.1～1.4，直徑為48.655 mm。精加工檔，刀夾號(hào)為2.1～2.4，直徑為48.815 mm。半精鏜和精鏜直徑可以通過(guò)機(jī)床控制程序進(jìn)行精確補(bǔ)償，保證加工的穩(wěn)定性和高效率。

2.1　刀具推拉桿位置

如圖1、圖2所示，以某具有脹刀功能的曲軸孔鏜刀為例，對(duì)刀具推拉桿位置進(jìn)行說(shuō)明。

（1）換刀位置。推拉桿基準(zhǔn)距離HSK刀柄端面32±0.005 mm。

（2）正常加工位置。推拉桿基準(zhǔn)距離HSK刀柄端面56 mm。

（3）補(bǔ)償極限位置。推拉桿基準(zhǔn)距離HSK刀柄端面59 mm。

▲圖1刀具推拉桿軸向位置

▲圖2 刀具推拉桿軸向位移量和徑向脹刀量

楔塊的傾斜角度為3.575°，刀具推拉桿從啟動(dòng)加工位置至加工位置的軸向位移量為20 mm，徑向脹刀量為1.25 mm。刀具推拉桿從換刀位置至加工位置的軸向位移量為24 mm，徑向脹刀量為1.5 mm。刀具推拉桿從加工位置至徑向補(bǔ)償最大位置處的軸向位移量為3 mm，徑向位移量為0.188 mm。刀具推拉桿的軸向位移量是通過(guò)控制主軸推拉桿的軸向位移量來(lái)實(shí)現(xiàn)的。

2.2　曲軸孔半精鏜、精鏜前后刀片距離孔壁間隙

在展開(kāi)式曲軸孔鏜刀處于收刀狀態(tài)下，半精鏜刀片至孔壁間隙，鏜前尺寸為0.795 mm，鏜后尺寸為0.63 mm。精鏜刀片至孔壁間隙，鏜前尺寸為1.41 mm，鏜后尺寸為1.25 mm。

可見(jiàn)，鏜前進(jìn)刀過(guò)程中半精鏜刀片和精鏜刀片不會(huì)有磕碰孔壁的情況發(fā)生，為采用加工中心進(jìn)行曲軸孔鏜削加工并在鏜刀導(dǎo)向端支撐創(chuàng)造了條件。

2.3　展開(kāi)式曲軸孔鏜刀脹刀原理

加工中心主軸推拉桿與刀具推拉桿連接，通過(guò)控制主軸推拉桿往返位移來(lái)實(shí)現(xiàn)刀具推拉桿的錐度楔塊驅(qū)動(dòng)頂銷作徑向移動(dòng)，頂銷頂起刀夾。同時(shí)，刀夾通過(guò)刀夾旋轉(zhuǎn)軸壓縮復(fù)位彈簧，實(shí)現(xiàn)刀片的徑向脹刀和直徑補(bǔ)償。主軸推拉桿向前移動(dòng)，帶動(dòng)刀具推拉桿向前移動(dòng)，彈簧使刀夾復(fù)位。刀片徑向收刀到位，在收刀狀態(tài)下實(shí)現(xiàn)無(wú)切削進(jìn)刀和退刀。主軸推拉桿將刀具推拉桿推至換刀位置，加工中心實(shí)現(xiàn)自動(dòng)換刀。

圖3、圖4所示分別為脹開(kāi)式鏜刀結(jié)構(gòu)和脹開(kāi)式刀具工作原理。

▲圖3脹開(kāi)式鏜刀結(jié)構(gòu)

▲圖4 脹開(kāi)式刀具工作原理

2.4　換刀結(jié)構(gòu)

展開(kāi)式曲軸孔鏜刀通過(guò)刀具推拉桿與主軸推拉桿連接，主軸推拉桿帶動(dòng)刀具推拉桿在換刀位置旋轉(zhuǎn)90°進(jìn)行換刀。主軸推拉桿末端和刀具推拉桿前端通過(guò)鍵與鍵槽連接并固定，以保證連接的穩(wěn)定性。同時(shí)，這一刀具采用內(nèi)冷方式冷卻，可以保證刀具冷卻的充分性［10］。

圖5所示為展開(kāi)式曲軸孔鏜刀末端結(jié)構(gòu)，圖6所示為刀具推拉桿末端結(jié)構(gòu)。

▲圖5 展開(kāi)式曲軸孔鏜刀末端結(jié)構(gòu)

2.5　主軸換刀原理

由于展開(kāi)式曲軸孔鏜刀具有脹刀功能，因此對(duì)加工中心主軸結(jié)構(gòu)也有特殊要求，方可滿足展開(kāi)式曲軸孔鏜刀的換刀需求。

▲圖6 刀具推拉桿末端結(jié)構(gòu)

主軸推拉桿與刀具推拉桿結(jié)構(gòu)如圖7所示。在加工狀態(tài)下，主軸推拉桿鍵槽和主軸嚙合鍵嚙合，主軸推拉桿帶動(dòng)刀具與主軸同步旋轉(zhuǎn)。收刀狀態(tài)下，主軸推拉桿向前移動(dòng)至加工收刀位置，主軸推拉桿與殼體固定零件嚙合，主軸推拉桿相對(duì)于殼體固定零件保持靜止。

主軸換刀時(shí)，刀具推拉桿和主軸推拉桿均處于換刀位置，主軸推拉桿插入殼體固定零件的鍵槽，然后主軸推拉桿旋轉(zhuǎn)90°，刀具推拉桿和主軸推拉桿完全嚙合或脫開(kāi)，完成換刀動(dòng)作。

由于在換刀狀態(tài)下，主軸推拉桿插入到殼體零件固定的鍵槽中，因此換刀時(shí)推拉桿的角度是固定的。例如上汽通用汽車采用德國(guó)GROB G500B122K系列加工中心，其主軸位置角度只有在0°或180°才能進(jìn)行換刀。

由于主軸機(jī)械結(jié)構(gòu)限制，因此對(duì)換刀刀庫(kù)換刀方式也提出了要求。以盤(pán)式刀庫(kù)為例，運(yùn)動(dòng)學(xué)換刀方式需要主軸在某個(gè)傾斜角度換刀，帶有推拉桿的主軸無(wú)法滿足該刀庫(kù)的換刀角度要求，所以需要采用換刀臂式換刀方式，換刀臂末端可以旋轉(zhuǎn)，從而滿足對(duì)換刀角度的要求。

3　加工工藝

展開(kāi)式曲軸孔鏜刀加工工藝具有較高的加工生產(chǎn)率，加工精度能滿足要求，因此上汽通用汽車采用曲軸孔兩刀兩工序加工。為滿足和提升生產(chǎn)效率，在鏜桿上安裝了四組刀片，同時(shí)完成半精鏜、精鏜加工。加工工藝為：主軸推拉桿和刀具推拉桿處于收刀位置→曲軸孔鏜刀軸向進(jìn)給至加工位置→主軸推拉桿軸向拉動(dòng)刀具推拉桿至加工位置，半精鏜、精鏜刀片脹刀到位→曲軸孔鏜刀半精鏜、精鏜加工→半精鏜、精鏜加工完成→主軸推拉桿軸向推動(dòng)刀具推拉桿至加工收刀位置→在刀片處于收刀狀態(tài)下退刀。

▲圖7 主軸推拉桿與刀具推拉桿結(jié)構(gòu)

▲圖8 曲軸孔鏜刀鏜模結(jié)構(gòu)

4　曲軸孔鏜刀鏜模結(jié)構(gòu)

曲軸孔鏜刀鏜模的結(jié)構(gòu)主要分為四種：?jiǎn)沃吻耙龑?dǎo)鏜模、單支撐后引導(dǎo)鏜模、雙支撐后引導(dǎo)鏜模、前后支撐引導(dǎo)鏜模。由于GROB G500B122K系列加工中心主軸的剛性和定位精度等都較好，因此一般采用單支撐后引導(dǎo)鏜模。

為使鏜桿能準(zhǔn)確、順利地進(jìn)入鏜套，鏜刀鏜桿導(dǎo)向條上設(shè)置有導(dǎo)向鍵，鏜套上開(kāi)鍵槽，同時(shí)通過(guò)液壓定位插銷保證鏜套上導(dǎo)向槽的位置固定，從而確保鏜套鍵槽和刀具導(dǎo)向桿上導(dǎo)向鍵之間的相對(duì)位置。工作時(shí)，主軸選擇鏜刀并旋轉(zhuǎn)至固定位置，然后軸向進(jìn)刀，通過(guò)刀具導(dǎo)向桿上導(dǎo)向鍵與鏜套上導(dǎo)向槽配合連接，對(duì)刀具精確定位。曲軸孔鏜刀鏜模結(jié)構(gòu)如圖8所示。

5　結(jié)論

對(duì)采用展開(kāi)式鏜刀加工曲軸孔的加工中心設(shè)備能力進(jìn)行驗(yàn)收，曲軸孔尺寸精度、圓柱度的能力指數(shù)均完全滿足上汽通用汽車設(shè)備能力驗(yàn)收的要求。由于展開(kāi)式曲軸孔鏜刀具有直徑補(bǔ)償功能，減小了因刀片磨損而引起的曲軸孔直徑變化，過(guò)程能力指數(shù)相比傳統(tǒng)曲軸孔加工方式更高，加工穩(wěn)定性更好。

通過(guò)與傳統(tǒng)曲軸孔加工方案的比較，并對(duì)展開(kāi)式曲軸孔鏜刀在加工中心進(jìn)行應(yīng)用研究，實(shí)現(xiàn)了發(fā)動(dòng)機(jī)缸體機(jī)加工線真正意義上的柔性化加工，減少了基準(zhǔn)轉(zhuǎn)化帶來(lái)的公差損失，從而提升了加工質(zhì)量。刀具自動(dòng)補(bǔ)償功能提高了加工效率和加工穩(wěn)定性。這一缸體曲軸孔加工方案是當(dāng)前先進(jìn)的制造加工工藝，對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)缸體機(jī)加工具有一定的指導(dǎo)意義。

［1］ 高志永，張斌，羅和平，等.發(fā)動(dòng)機(jī)缸體曲軸孔加工工藝研究［J］.機(jī)械工程師，2013（2）：19-20.

［2］ 羅靜，肖鐵忠，龔文均，等.發(fā)動(dòng)機(jī)缸體曲軸孔加工專用鏜床設(shè)計(jì)［J］.制造技術(shù)與機(jī)床，2013（9）：76-79.

［3］ 羅靜，肖鐵忠，龔文均，等.發(fā)動(dòng)機(jī)缸體雙金屬曲軸孔半精鏜及精鏜加工工藝［J］.制造技術(shù)與機(jī)床，2013（8）：101-103，106.

［4］ 史丁丁，朱葛明，羊奎，等.淺談發(fā)動(dòng)機(jī)凸輪軸孔和曲軸孔的加工工藝［J］.機(jī)械制造，2016，54（2）：75-77.

［5］ 唐祖彥，李鮮.發(fā)動(dòng)機(jī)缸體頂面缸孔曲軸孔精加工工藝技術(shù)［J］.機(jī)電技術(shù)，2016（1）:55-57.

［6］ 程權(quán).缸體曲軸孔和凸輪軸孔的加工方法［J］.柴油機(jī)設(shè)計(jì)>與制造，2014，20（4）：38-41.

［7］ 劉洋，黃雅韻，文濤.線鏜工藝加工曲軸孔的能力提升及其常見(jiàn)問(wèn)題淺析［J］.裝備制造技術(shù)，2017（2）:181-183.

［8］ 晏紹文.氣缸體雙孔及止推座面的復(fù)合加工［J］.機(jī)械制造，1987，25（12）:20-21.

［9］ 黃麗，趙淑軍，張文光，等.伸縮式雙刃深孔鏜刀設(shè)計(jì)及有限元分析［J］.機(jī)械設(shè)計(jì)與制造，2008（11）:6-8.

［10］王鵬，陳曦，張磊.精鏜缸體曲軸、凸輪軸孔組合機(jī)床DKM026 的開(kāi)發(fā)與應(yīng)用［J］.中國(guó)新技術(shù)新產(chǎn)品，2013（4）:25-26.