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發(fā)動(dòng)機(jī)缸體曲軸孔鉸珩加工設(shè)備及加工工藝分析

2019-2-15 來(lái)源：上汽通用五菱汽車(chē)股份有限公司作者：武書(shū)

摘要：發(fā)動(dòng)機(jī)缸體作為發(fā)動(dòng)機(jī)核心的部件之一，直接影響著發(fā)動(dòng)機(jī)的性能。發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸通過(guò)軸瓦支撐，安裝在缸體曲軸孔上。缸體曲軸孔支撐整個(gè)發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸，是發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力輸出的核心的部位之一。因此，缸體曲軸孔需要通過(guò)鉸珩加工來(lái)保證加工精度，確保整個(gè)發(fā)動(dòng)機(jī)的性能。

關(guān)鍵詞：缸體曲軸孔；鉸珩加工；加工工藝分析

隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，汽車(chē)已經(jīng)逐步成為人們生活中必不可少的一種生活工具。汽車(chē)行業(yè)已成為我國(guó)重要的經(jīng)濟(jì)產(chǎn)業(yè)支柱。發(fā)動(dòng)機(jī)作為汽車(chē)的動(dòng)力核心部件，始終制約著我國(guó)的經(jīng)濟(jì)發(fā)展。發(fā)動(dòng)機(jī)缸體作為發(fā)動(dòng)機(jī)核心的部件之一，直接影響著發(fā)動(dòng)機(jī)的性能。

發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸通過(guò)軸瓦支撐，安裝在缸體曲軸孔上，缸體曲軸孔支撐整個(gè)發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸，是發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力輸出的核心的部位之一。因此，為了確保缸體曲軸孔的精度，通常采用鉸珩的精加工工藝來(lái)保證其最終的產(chǎn)品尺寸要求。本文將會(huì)介紹一種完全進(jìn)口的美國(guó) NAGEL 珩磨機(jī)的設(shè)備的加工原理、加工工藝以及設(shè)備加工過(guò)程的調(diào)整與質(zhì)量控制。

1 、設(shè)備結(jié)構(gòu)及工作原理

該進(jìn)口的美國(guó) NAGEL 珩磨機(jī)設(shè)備主要分為三大系統(tǒng)：機(jī)械系統(tǒng)、伺服控制系統(tǒng)、人機(jī)交互系統(tǒng)。機(jī)械系統(tǒng)包括：機(jī)床主體結(jié)構(gòu)，其主要功能是給整個(gè)夾具、主軸等提供有效的支撐；定位夾緊部分，該結(jié)構(gòu)功能主要提供加確保工件在機(jī)床的固定位置，特別是相對(duì)于機(jī)床加工主軸的位置，從而確保其加工結(jié)果的精度；主軸導(dǎo)軌部分，主要為了加工提供機(jī)械結(jié)構(gòu)支撐。

伺服控制系統(tǒng)包括：漲刀控制部分，曲軸孔鉸珩采用的刀具壽命較高，在加工過(guò)程中刀具會(huì)不斷的磨損，刀具磨損后為了確保加工直徑的合格，在加工過(guò)程中，漲刀系統(tǒng)會(huì)根據(jù)測(cè)量結(jié)果進(jìn)行實(shí)時(shí)補(bǔ)償；進(jìn)給控制部分，主要是用于控制加工進(jìn)給速度、主軸轉(zhuǎn)速及主軸退回速度；測(cè)量控制部分，該系統(tǒng)有兩個(gè)作用：一是在線百分百測(cè)量，確保加工結(jié)果百分之百合格，及時(shí)剔除不合理工件；二是，將測(cè)量結(jié)果反饋給漲刀系統(tǒng)，為漲刀系統(tǒng)實(shí)時(shí)補(bǔ)償提供參數(shù)依據(jù)。人機(jī)交互系統(tǒng)，主要載體是 HIM，用于操作人員指令輸入，珩磨加工過(guò)程受各方面的影響，現(xiàn)場(chǎng)的操作人員根據(jù)實(shí)際情況實(shí)時(shí)調(diào)整加工參數(shù)來(lái)控制加工質(zhì)量。

2、加工工藝過(guò)程

2.1 加工工藝

本文以一款四缸直列發(fā)動(dòng)機(jī)缸體曲軸孔鉸珩工藝來(lái)說(shuō)明，在制造過(guò)程中如何確保最終產(chǎn)品尺寸要求。曲軸孔的加工工藝大致分為 4 大步驟：粗鏜曲軸孔半圓；安裝曲軸主軸承蓋；半精（精）鏜曲軸孔；鉸珩曲軸孔。

鉸珩曲軸孔的工藝主要是為了確保最終的直徑、粗糙粗、圓度的要求，曲軸孔的位置度主要

通過(guò)精鏜來(lái)得到保證，鉸珩對(duì)位置度的修復(fù)能有限，幾乎可以忽略不計(jì)。缸體曲軸孔鉸珩加工機(jī)械示意圖，如圖 1 所示，工件采用一面兩銷(xiāo)定位，通過(guò)夾緊壓板來(lái)壓緊缸體頂面。

鉸珩加工刀具連接在主軸上，通過(guò)加工滑行平臺(tái)，保證加工的進(jìn)給跟返回。刀具與主軸連接成一體，類(lèi)似一根細(xì)長(zhǎng)軸，具有一定的柔性，在主軸達(dá)到一定的轉(zhuǎn)速的情況下，主軸具有一定的矯正能力。

因此，在機(jī)床主軸相對(duì)工件同軸度滿足條件的條件下，刀具的導(dǎo)條將會(huì)影響到曲軸孔的加工質(zhì)量。

2.2 刀具結(jié)構(gòu)及加工參數(shù)選定

鉸珩所采用的刀具屬于特殊刀具。曲軸孔的加工刀具的選擇及設(shè)計(jì)取決于需要加工缸體每檔曲軸孔之間的間隙以及曲軸孔的軸向?qū)挾取Ｔ摳左w鉸珩加工選擇的刀具如圖 2 所示。

包含區(qū)域 1 前導(dǎo)條、區(qū)域 2 加工刀具砂條、區(qū)域 3 后導(dǎo)條、區(qū)域 4 與主軸連接及漲刀連桿。前導(dǎo)條主要是在加工過(guò)程中起導(dǎo)向作用，避免加工時(shí)晃動(dòng)大。加工砂條的作用，切削多余加工余量，保證最終產(chǎn)品尺寸。刀具的后導(dǎo)條的作用是在刀具加工完成后，退刀起到導(dǎo)向作用，防止曲軸孔被碰傷。

刀具設(shè)計(jì)要求：前導(dǎo)條的長(zhǎng)度要求能夠滿足 3 個(gè)曲軸孔的導(dǎo)向，如 3 圖所示。這樣可以保證導(dǎo)向的穩(wěn)定性，進(jìn)而保證加工質(zhì)量。切屑砂條的直徑設(shè)計(jì)：為了確保切屑的平穩(wěn)性，切削砂條需設(shè)計(jì)成錐度過(guò)渡。如下圖 4 所示，整個(gè)砂條長(zhǎng)度為 150 mm，前段初始直徑為準(zhǔn)52.95（-0.01，0）mm 到 120 mm 處，按圓錐過(guò)渡至直徑準(zhǔn)53.01（-0.01，0）mm，最后 30 mm 處的直徑要求為準(zhǔn)53.01（-0.01，0）mm，為產(chǎn)品最后的要求尺寸。刀具后導(dǎo)條，只是在刀具返回時(shí)，起到導(dǎo)向作用。

因此，在盡量減少設(shè)備的整體空間要求下，只要滿足2 個(gè)曲軸孔同時(shí)導(dǎo)向，就能完成導(dǎo)向的作用。該缸體加工所用的刀具的相關(guān)參數(shù)如下表 1 所示.

鉸珩曲軸孔的加工余量設(shè)定與前道加工工序的質(zhì)量有關(guān)，一般情況下，珩磨的加工余量越小加工成本越低，質(zhì)量控制越好。本文涉及的機(jī)型的鉸珩加工余量為 0.03 mm.正常工藝控制情況下，要求加工余量不小于以下計(jì)算結(jié)果：缸體曲軸孔的加工參數(shù)包含主軸轉(zhuǎn)速、進(jìn)給速度、返回速度。

加工參數(shù)的選擇，影響加工質(zhì)量跟加工節(jié)拍（成本）。主軸的轉(zhuǎn)動(dòng)是切屑加工的動(dòng)力來(lái)源，主軸轉(zhuǎn)速過(guò)快會(huì)導(dǎo)致主軸震動(dòng)大、切削力過(guò)大等，從而造成加工質(zhì)量不穩(wěn)定、曲軸孔圓度差、加工變形等質(zhì)量問(wèn)題。

主軸轉(zhuǎn)速慢會(huì)導(dǎo)致切削力不夠，工件切不動(dòng)且加工效率低等問(wèn)題，根據(jù)實(shí)際工況條件本機(jī)選擇的主軸轉(zhuǎn)速為 360 r/min。

加工的進(jìn)給速度跟加工過(guò)程中刀具的導(dǎo)向狀態(tài)有關(guān)，切屑進(jìn)給是工件能夠持續(xù)加工的前提條件，進(jìn)給過(guò)快將會(huì)導(dǎo)致工件切屑力過(guò)大，導(dǎo)致加工變形，刀具砂條擠傷脫落以及加工不充分問(wèn)題。進(jìn)給速度過(guò)慢，將會(huì)導(dǎo)致曲軸孔過(guò)量加工，工件直徑超差。本機(jī)選擇的切削參數(shù)如下表 2 所示。

該直列發(fā)動(dòng)的缸體的曲軸孔鉸珩加工共分為五個(gè)階段，分別如下：第一階段：快速進(jìn)給。該階段刀具從機(jī)床的零點(diǎn)開(kāi)始到刀具的前導(dǎo)條進(jìn)入到曲軸孔中，但是砂條還未接觸到待加工曲軸孔，留有一定的安全距離，最終進(jìn)給位置如下圖 5 所示，該階段主要是讓刀具貼近加工曲軸孔，進(jìn)給需要盡量快，以保證加工節(jié)拍。

第二階段：第一進(jìn)給。該階段刀具前導(dǎo)條有 3 個(gè)曲軸孔作為導(dǎo)向支撐，導(dǎo)向效果好，是所有正常切削過(guò)程中進(jìn)給最快的階段，直至前導(dǎo)向開(kāi)始變成 2 個(gè)軸孔作為導(dǎo)向支撐，第一進(jìn)給的最終進(jìn)給位置如圖 6 所示。

第三階段：第二進(jìn)給。該階段刀具前導(dǎo)條有 2 個(gè)曲軸孔作為導(dǎo)向支撐，此時(shí)導(dǎo)向效果開(kāi)始下降，但加工過(guò)程比較穩(wěn)定，此時(shí)的進(jìn)給較第一進(jìn)給時(shí)有所降低，該進(jìn)給速度一直持續(xù)到前導(dǎo)條為單個(gè)曲軸孔作為導(dǎo)向支撐，其最終進(jìn)給的位置如圖 7 所示。

第四階段：第三進(jìn)給。該階段刀具前導(dǎo)向由 1 個(gè)曲軸孔過(guò)渡到無(wú)導(dǎo)向支持，但是此時(shí)切削的砂條還處于錐度切削還還未達(dá)到成品加工砂條階段。此時(shí)砂條加工的狀態(tài)容易晃動(dòng)，只能通過(guò)不斷降低進(jìn)給速度保證加工質(zhì)量，其加工的最終位置如圖 8 所示。

第五階段：最終進(jìn)給。該階段最后一個(gè)曲軸孔即將完成加工，此時(shí)加工晃動(dòng)大，進(jìn)給降到最低。由于設(shè)計(jì)刀具最后成型的直徑長(zhǎng)度為 30 mm，而最后一檔曲軸孔的軸向?qū)挾葹?20 mm，所以最終為了保證加工質(zhì)量，刀具沒(méi)有完全伸出到最后一個(gè)加工曲軸孔外，只是在最終進(jìn)給位置停留

1~2 s 的時(shí)間，同時(shí)也是為了確保在返回的過(guò)程的發(fā)生碰撞。其加工最終位置如圖 9 所示。

刀具退回，由于本設(shè)備采用的是自動(dòng)漲刀系統(tǒng)，刀具可以根據(jù)測(cè)量值自動(dòng)漲刀，但不具備自動(dòng)收刀功能，加工主軸又具有一定的浮動(dòng)量，所以工件加工完成后，退刀時(shí)，刀具會(huì)再次碰到曲軸孔表面。因此，退回速度慢，將會(huì)導(dǎo)致曲軸孔直徑被二次加工，曲軸孔直徑超上差。退回速度過(guò)快可能導(dǎo)致曲軸孔直徑碰傷、拉傷等問(wèn)題。本機(jī)采用的退回速度為 120mm/min，如果采用自動(dòng)收刀，那么退回速度可以進(jìn)一步提升。

3 、結(jié)束語(yǔ)

缸體曲軸孔鉸珩加工是一種復(fù)雜的加工工藝過(guò)程，加工質(zhì)量受到加工環(huán)境、設(shè)備狀態(tài)、加工方式的等因素的影響，在日常的生產(chǎn)過(guò)程中，需要根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)的實(shí)際情況，實(shí)時(shí)調(diào)整控制加工參數(shù)，從而來(lái)確保最終的產(chǎn)品加工質(zhì)量。目前國(guó)內(nèi)珩磨加工技術(shù)還比較落后，大多數(shù)發(fā)動(dòng)機(jī)缸體加工所需的機(jī)床均是靠進(jìn)口。珩磨加工的技術(shù)的國(guó)產(chǎn)化，還有很長(zhǎng)的一段路要走，需要一代代工程人的不懈努力與奮斗。

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