王逢濤，童勇智，金許濤，楊天峰，楊希，裴敏怡

陜西柴油機(jī)重工有限公司 陜西興平 713105

1 序言

曲軸作為柴油機(jī)的關(guān)鍵部件，被譽(yù)為船用柴油機(jī)的心臟，其使用壽命要求與船舶相等，一般在二三十年以上。曲軸造價(jià)占發(fā)動(dòng)機(jī)總造價(jià)的1/3。由于曲軸中深油孔和各個(gè)軸瓦相通，起潤(rùn)滑與冷卻作用，所以對(duì)其加工精度和表面質(zhì)量等要求較高。而且被加工材料的切削加工性較差，兩孔交叉相貫，是加工中的一大難題。

2 某大型曲軸交叉斜油孔加工難點(diǎn)分析

在加工大型曲軸交叉斜油孔時(shí)，存在以下加工難點(diǎn)。

1）深孔加工時(shí)，曲面難以定位。由于孔為空間斜孔且在圓弧曲面上（見圖1），進(jìn)行鉆削時(shí)兩邊刃受力不同，容易使鉆頭偏上或偏下，造成偏斜彎曲，嚴(yán)重時(shí)會(huì)造成鉆頭扭斷。

圖1 空間斜孔示意

圖2 兩孔傾斜相交貫穿示意

2）深孔加工時(shí)，兩孔傾斜相交貫穿（見圖2），刀具易斷、易鉆偏。第1個(gè)深孔加工完成后，加工第2個(gè)孔時(shí)，在交叉處深孔刀具細(xì)長(zhǎng)、剛性差且強(qiáng)度低，會(huì)產(chǎn)生引偏和振動(dòng)，使刀具易折斷，孔鉆偏。同時(shí)因兩深孔交叉，內(nèi)冷壓力減少，易造成刀具斷裂夾死，加工風(fēng)險(xiǎn)高，難度大。

3）深孔加工時(shí)，排屑路徑較長(zhǎng)，切屑排除困難，刀具散熱條件差，切削溫度升高，使刀具壽命降低。由于深孔較難斷屑及控制切屑的長(zhǎng)短與形狀，切屑排除困難，因此會(huì)損傷已加工表面，同時(shí)刀尖在孔的表面將留下刀痕和振紋，導(dǎo)致表面質(zhì)量較差（見圖3）。在切削力的作用下，刀桿會(huì)產(chǎn)生撓度變形，造成孔的軸線偏離理論中心線。同時(shí)切削溫度隨著刀具加工的逐步深入而逐漸升高，其間產(chǎn)生的切削熱不能及時(shí)排除，致使刀具發(fā)熱，刀具壽命降低，削弱了刀具的切削性能。

圖3 曲軸孔內(nèi)表面質(zhì)量示意

3 工藝流程與數(shù)控加工方案

曲軸是發(fā)動(dòng)機(jī)的主要旋轉(zhuǎn)機(jī)件，裝上連桿后，可承接連桿的上下（往復(fù)）運(yùn)動(dòng)，變成循環(huán)（旋轉(zhuǎn)）運(yùn)動(dòng)以輸出動(dòng)力，是發(fā)動(dòng)機(jī)上的一個(gè)重要部件。曲軸斜油孔作為潤(rùn)滑油的通道，起潤(rùn)滑、冷卻作用。曲軸箱里面的機(jī)油通過油道，進(jìn)入連桿頸與主軸頸，潤(rùn)滑軸瓦與曲軸接觸部分。由于斜油孔相對(duì)于公共平面呈斜交狀態(tài)，因此給技術(shù)人員的設(shè)計(jì)與計(jì)算增添了一定的難度。

（1）尺寸、位置精度 曲軸作為發(fā)動(dòng)機(jī)的重要傳動(dòng)部件，既要保證裝配聯(lián)接規(guī)范，又要滿足組裝后柴油機(jī)的總體性能要求，因此對(duì)其尺寸、位置有著嚴(yán)格的技術(shù)文件要求。例如：圖4所示的斜孔在與水平線夾角為31°±15′處距離主軸頸的豎直高度為距離主軸頸的水平距離為（581±0.4）mm，孔徑孔深698mm。

圖4 某柴油機(jī)斜孔加工要求

（2）幾何精度 中高速柴油機(jī)曲軸一般采用鑄鍛整體結(jié)構(gòu)，其特點(diǎn)為質(zhì)量大、精度高，性能要求苛刻。軸頸與拐頸偏心距大，機(jī)體接觸面大、密封性好。對(duì)于零件的幾何加工精度要求較高，例如：某相鄰孔軸線平行度≤0.15mm，直線度≤0.08mm，徑向圓跳動(dòng)≤0.1mm。

（3）表面粗糙度 曲軸斜油孔是潤(rùn)滑油的通道，因此對(duì)其表面質(zhì)量有較高的要求。例如：某曲軸斜油孔要求表面粗糙度值Ra=6.3μm。

（4）加工方法的選擇 扁鉆適用于長(zhǎng)徑比（L/D）＜10的深孔加工；BTA套料鉆深孔加工成本高，需購(gòu)置專用設(shè)備，維護(hù)使用費(fèi)用高，且不適用于大型軸類深孔加工。經(jīng)測(cè)試，由于采用槍鉆具有更高的加工精度、直線度和表面質(zhì)量，其加工精度可達(dá)IT7～I(xiàn)T10級(jí)，表面粗糙度值R a=3.2～12.5μm，圓度誤差一般為 5～10μm，符合加工要求，且其成本低，加工效率高，制造周期短，所以選用槍鉆系統(tǒng)加工最為合理。

（5）定位的可靠性分析 運(yùn)用6點(diǎn)定位原理，分析定位的可靠性（見圖5）。HTM1251000是我公司于2010年購(gòu)買的沈陽機(jī)床廠的車銑中心，采用西門子840D數(shù)控系統(tǒng)，配有左右兩個(gè)旋轉(zhuǎn)頭，X、Y、Z3個(gè)直線軸和B、C2個(gè)旋轉(zhuǎn)軸。采用前后頂尖定位，其中前頂尖固定，后頂尖可浮動(dòng)。前頂尖限制工件不能進(jìn)行X、Y及Z軸的移動(dòng)，后頂尖限制Y、Z軸的移動(dòng)。由于兩頂尖組合定位可轉(zhuǎn)化成可限制Y、Z方向轉(zhuǎn)動(dòng)，所以共限制5個(gè)自由度。工件只有X軸方向的轉(zhuǎn)動(dòng)未被限制，故定位是可靠的。

（6）編制數(shù)控加工程序 利用三維造型模塊通過工藝圖樣建立三維模型（見圖6），分析測(cè)量油孔中心相對(duì)曲軸中心和拐臂基準(zhǔn)的空間距離，同時(shí)旋轉(zhuǎn)銑頭，以確定空間位置，進(jìn)行鉆孔加工程序編制。

圖5 定位分析

圖6 曲軸三維示意

1）模擬加工過程，完善刀具幾何參數(shù)，提前避免加工干涉及碰撞。運(yùn)用數(shù)控加工仿真系統(tǒng)，構(gòu)建機(jī)床結(jié)構(gòu)、夾具、刀具和控制系統(tǒng)，由NC程序仿真數(shù)控車銑中心加工過程（見圖7），優(yōu)化NC程序，縮短加工時(shí)間，延長(zhǎng)刀具壽命，改進(jìn)表面質(zhì)量，檢查過切、欠切，防止機(jī)床碰撞、超行程等錯(cuò)誤，并對(duì)整個(gè)加工工藝過程進(jìn)行再認(rèn)證。

2）確定刀具、切削參數(shù)，選擇加工余量、切削角度。曲軸油孔均在主軸頸拐頸的外圓表面上，極難加工，因此只能采用先確定合理的切削角度，銑出軸向法平面，鉆引導(dǎo)孔，調(diào)試槍鉆加工切削參數(shù)，設(shè)計(jì)防泄壓堵頭，再鉆第2個(gè)斜孔的方法進(jìn)行加工。某曲軸斜面交叉深孔加工時(shí)間及切削參數(shù)統(tǒng)計(jì)見表1。

圖7 曲軸仿真加工示意

表1 某曲軸斜面交叉深孔加工時(shí)間及切削參數(shù)統(tǒng)計(jì)

4 具體加工步驟

深孔鉆削加工過程大致分為以下幾個(gè)步驟。

1）銑出法向平面，鉆出引導(dǎo)孔。首先通過建立三維模型，分析測(cè)量油孔中心相對(duì)曲臂端面與軸心的Z、X坐標(biāo)值；然后利用程序指令平移并旋轉(zhuǎn)銑頭31°確定位置。使用過中心φ20mm立銑刀，在圓弧面的法向上銑出φ30mm凹腔，以便于引導(dǎo)鉆定位鉆出引導(dǎo)孔，為槍鉆起引導(dǎo)和支撐作用；最后使用φ20mm槍鉆加工出第1個(gè)深斜孔（見圖8）。

圖8 第1個(gè)深斜孔加工示意

2）增加引導(dǎo)鉆和槍鉆，設(shè)計(jì)防泄壓堵頭（見圖9）。深斜孔和另一孔是貫通的，當(dāng)?shù)毒呒庸さ截灤┪恢脮r(shí)，刀具的刃部受力發(fā)生急劇變化，表現(xiàn)在切削刃兩側(cè)支撐力平衡狀況被打破，刀具受另一側(cè)切削力作用，鉆頭發(fā)生偏移。若偏移過大，則刀具會(huì)發(fā)生折斷，工件位置度會(huì)發(fā)生變化。為有效減少斷刀現(xiàn)象，在兩孔相貫位置處鉆出深15 mm孔后，使用防泄壓堵頭封住另一側(cè)深孔，引導(dǎo)槍鉆在加工時(shí)，主軸轉(zhuǎn)速和進(jìn)給速度降低到原數(shù)據(jù)的1/3，以減小刀具切削力的不均衡性。

圖9 引導(dǎo)孔加工示意

3）優(yōu)化加工程序與切削參數(shù)，加大內(nèi)冷壓力。通常，深孔鉆在低進(jìn)給速度和低轉(zhuǎn)速下加工到2～3倍徑深時(shí)，在未采取任何措施時(shí)便對(duì)主軸轉(zhuǎn)速和刀具進(jìn)給速度進(jìn)行提升，這種工藝存在弊端。在φ20mm槍鉆切削中發(fā)現(xiàn)，加工中的進(jìn)給速度突變對(duì)切削刃的沖擊力是很大的，足以超過刀具本身的承受力，會(huì)出現(xiàn)切削刀崩損現(xiàn)象，這種情況很危險(xiǎn)，一旦不及時(shí)發(fā)現(xiàn)，就會(huì)出現(xiàn)斷刀。為避免此現(xiàn)象發(fā)生，可在刀具變速前使刀具在進(jìn)給方向退刀約1mm，增大內(nèi)冷壓力持續(xù)10s（見圖10），待內(nèi)冷壓力完全釋放后，提高主軸轉(zhuǎn)速和進(jìn)給速度，使刀具在高轉(zhuǎn)速和高進(jìn)給速度下切削工件，這樣刀具在開始切削時(shí)就已是高轉(zhuǎn)速和高進(jìn)給速度加工，不會(huì)再出現(xiàn)切削力突然變大的情況，可有效解決斷刀問題。經(jīng)測(cè)試，φ20mm槍鉆在加工時(shí)，切削參數(shù)采用n=410r/min、vf=56mm/min，切削過程中排出的切屑正常且無粘結(jié)現(xiàn)象，切削液壓力穩(wěn)定，機(jī)床各軸負(fù)載平穩(wěn)。

圖10 第2個(gè)深斜孔加工示意

4）合理退刀。由于深孔鉆加工受平行度方面的限制，刀具在孔中存在撓曲變形現(xiàn)象，所以不能采用快速退刀方式。退刀進(jìn)給速度可比進(jìn)刀時(shí)快些，經(jīng)測(cè)試，以vf=180mm/min退刀最為理想。

5 結(jié)束語

通過對(duì)曲軸深孔加工機(jī)理進(jìn)行研究，針對(duì)切削參數(shù)的優(yōu)化開展技術(shù)攻關(guān)，結(jié)合生產(chǎn)實(shí)踐，充分挖掘現(xiàn)代加工設(shè)備的潛力，運(yùn)用現(xiàn)代數(shù)字化加工技術(shù)，順利完成曲軸斜面交叉深孔加工任務(wù)，找到了解決此類加工問題的工藝模式。