基於（yú）加工中心（xīn）的線（xiàn）鏜工藝研究與應用
2019-7-18 來源：一汽海馬汽車有限公司 作者：周夥英 馬小娟
摘 要：研究了基於柔性生產線（xiàn）加工中心的線鏜技術，分析了曲軸孔從粗加工到精加工所（suǒ）用到的夾具、刀具，並根據實際（jì）加工情況（kuàng），對發動機缸（gāng）體曲軸孔的線鏜的精加工不斷進行研究和持續（xù）改進，收效顯著，使加工質（zhì）量和效率都得到了有效提升，從而解決了中（zhōng）、小批量（liàng）多（duō）品（pǐn）種缸體加工的投資大、成本高的問題。
關鍵詞：柔性製造技術；線鏜；夾具；刀具；缸體
0 引 言
曲軸（zhóu）孔的作用主要是（shì）支撐曲軸，傳遞從曲軸柄傳來的轉矩並通（tōng）過法蘭輸（shū）出，同時吸收活塞運動過程中產生的軸向和側向力。
由於曲軸孔的加工質量對發動機的（de）工作性能具有極其重大的影響，所以對發動機曲軸孔工藝的要求一般比較嚴格，包括直（zhí）徑、位置度、圓度、同軸度、各（gè）檔曲軸孔中心的直（zhí）線（xiàn）度及表麵粗糙度。
為了滿足這些要求苛刻的工（gōng）藝指標，精加工一般采用（yòng）專機線鏜或鉸珩兩種加工方式。為了降低投資，實現三、四缸發動（dòng）機的共線生產，海馬某型號缸體曲軸孔精加工取消了鉸珩，采用加（jiā）工中心線鏜加工工藝，實現（xiàn）機床內機械手自動調刀，質量得到可靠（kào）的保證。該曲軸孔整（zhěng）個加工工藝流程為：半圓孔粗加工→瓦蓋合裝後的兩（liǎng）次半精加工→精加工，所（suǒ）有工（gōng）序都在加工中心上完成。
1 、曲（qǔ）軸孔（kǒng）粗加工
1.1 曲軸孔粗（cū）加（jiā）工夾（jiá）具
曲軸孔粗加工夾（jiá）具如（rú）圖1所示，本工序選（xuǎn）擇缸體瓦（wǎ）蓋結合麵和缸孔來定位，以保證缸孔的加工（gōng）餘量均勻及缸孔（kǒng）與（yǔ）結合麵的垂直度。工件進入夾具（jù）後，導軌下降，缸體瓦蓋結合麵落（luò）在定位支撐上，而後自定心結構（gòu）下降到指定位置，通過四個缸孔定位，自定（dìng）心結構定位後中心在同一直線上。
定位完成後，油缸開始動作並壓緊缸體。若缸體定（dìng）位氣密檢測通過，機（jī）床便開始運行（háng）加工程序；若氣密檢測報警，則（zé）需重定位夾緊。
1.2 曲軸孔粗加工刀具
曲軸孔（kǒng）粗鏜刀如（rú）圖2所示，刀（dāo）片分為3組（zǔ），每組3片，粗加工後曲軸孔（kǒng）留下單邊0.85 mm的餘量
。
粗鏜刀最初使用R0.4刀片，刀具壽命太短，而且加工後的曲（qǔ）軸孔粗糙度較高。經改進，換用
R0.8刀片，試用後粗糙度有明顯改善，壽命也有很大提高。
1.3 曲軸孔粗加（jiā）工
主軸夾緊刀具→刀具進入曲軸孔→鏜刀（dāo）與曲軸孔同軸→粗鏜3、4、5檔（第一組刀（dāo）片（piàn）鏜第
3檔、第（dì）二（èr）組鏜第4檔、第三組鏜第5檔）→刀具退出→具（jù）旋轉180°→刀具進入曲軸（zhóu）孔→
鏜刀與（yǔ）曲軸孔同軸→粗鏜1、2檔（第一（yī）組刀片鏜第2檔、第二組鏜第1檔）→刀具退出，加（jiā）工過程如圖（tú）3所示。
2 、曲軸孔（kǒng）線鏜
2.1 采用加工中心設（shè）備線鏜（táng）的可行（háng）性分析
在（zài）大批量生產中，用（yòng）專機線鏜曲軸孔是常（cháng）見的加工工藝。用CNC替代專機，其難點有兩個：
1）夾具設計較（jiào）為複雜，工序內（nèi）要實現工件（jiàn）的上升和再次（cì）夾緊（jǐn）動作；
2）此工藝是否能滿足曲軸（zhóu）孔的表麵粗糙度及孔位、孔徑，孔（kǒng）的圓（yuán）度、同軸（zhóu）度（dù）的（de）過程能力CPK≥1.33或CP≥1.33的質量要求。
夾具的上升與下（xià）降可以通過PLC控製係統與油缸等機械部件實現，夾具設計要保證工件的定位精度。曲軸孔位的精度，由於缸孔未精加工，僅需考慮曲軸孔與設計基準的加工誤差。影響因素（sù）為工件的定位誤差、設備（bèi）的定位與重複定位的誤差，托盤的定位與重複定位誤差。依據（jù）ISO標（biāo）準，若機床主軸的定位精（jīng）度為0.006，重複定位精度為0.003，托盤的定位為5"，重複定位精度為2"；導套的位置偏差控製在0.003的範圍（wéi）內，若工件（jiàn）的定位誤≤0.02，經計算，長度400 mm的曲軸孔，在設備的精度（dù）範圍內，理論上其位置度將在0.034的區間範圍內（可信度≥99.74%）。
再考慮到實際加工刀（dāo）具的受力情況（kuàng）及原點（diǎn）定位的係統偏差，則加工後工件的位置均值保證在
0.05的偏差範圍（wéi）內則可保證工序能力CPK≥1.33。曲軸孔的圓度與同軸度（dù），則與主軸的遠端跳動及整個係（xì）統的剛性有關。
因曲軸孔為雙材質（軸承蓋材（cái）質為粉末冶金（jīn），缸體材質為鑄（zhù）鐵），其表（biǎo）麵粗糙（cāo）度與孔徑的工序能力（lì）較難保證（zhèng），對刀具的剛性和刀片的材質有較高的要（yào）求。經考證，刀具供應（yīng）商有類似加工案例（lì），可以作為借鑒。綜上，采用CNC線鏜技術在當前的技術條件下是（shì）可（kě）行的，可以進入實（shí）施階段。
2.2 曲軸（zhóu）孔線鏜夾具
曲軸孔精加工夾具如圖4所示（shì），該工序選擇缸體底麵及底麵兩銷孔來定位。
工件進入夾（jiá）具（jù）後，支撐導（dǎo）軌動（dòng）作，缸體下降到定位支撐處，圓銷（xiāo）與菱銷上升進入定位銷孔（kǒng），油缸開始動作並夾緊缸體，待缸體定位氣密檢（jiǎn）測通過後，機床開始運行加工（gōng）程序。
加工曲軸孔時，在鏜刀進入曲軸孔前，夾具油缸（gāng）動作，夾爪鬆開，支撐導軌動作，缸體上升2.38 mm，待上升氣密檢測通過（guò）後，鏜刀偏心進（jìn）入，鏜刀定位（wèi）後，缸體恢複至初始夾緊狀態。加（jiā）工結束後，之前動作重複一（yī）次，鏜刀（dāo）偏心退出。上升氣密（mì）裝置（zhì）如圖5所（suǒ）示，在實際加工中，該氣孔（kǒng）容易進入鐵屑，造成氣（qì）密檢測報警，影響缸體線正（zhèng）常生產。
為了解決（jué）這個問題，臨（lín）時措施是經常用水槍衝洗氣孔麵（miàn），後期對夾（jiá）具進行改（gǎi）造，改造後的氣密檢測裝置如圖6所（suǒ）示。
該氣密檢測位於裝置內部，鐵屑無法進入，類似的報警問題將不會再出現。
導（dǎo）套是運用於發動機（jī）曲軸孔（kǒng）加工（gōng）的一個精密機床部件。滾動導套的結構、精度、安裝、調試、使（shǐ）用、維護及與之相配的直線鏜杆的精度、直線（xiàn）鏜杆與滾動（dòng）導套的配合間隙等將直接影響所（suǒ）加（jiā）工的曲軸孔的粗糙（cāo）度、圓柱度、同軸度。
本夾具使用GATCO精密滾動（dòng）導套，由靜止（zhǐ）外套、與鏜杆一起旋轉的淬硬並經過磨削的（de）內套、精密軸承（chéng）、密封件（jiàn）組（zǔ）成。
導套在夾具上的（de）安裝定位方式采用（yòng）導套外徑（jìng）定位，與（yǔ）夾（jiá）具定位孔的配合選用間隙配合，這樣可以避免（miǎn）軸承外圈因溫（wēn）度升高而膨脹（zhàng）影響滾動導（dǎo）套回轉精度和壽命，一般要求滾動導（dǎo）套外徑與夾具定位孔的內徑至少留有0.008 mm的間（jiān）隙。
2.3 曲軸孔線鏜刀具
2.3.1 線鏜刀
曲軸孔線鏜（táng）刀通（tōng）過刀杆頭部的導向鍵與導套實現固定聯接，刀杆材質（zhì）為重金屬，在刀杆上分布著五組半精鏜刀片和（hé）精鏜刀片，如圖7所示。
第二次半（bàn）精鏜留下單邊0.05～0.06的餘量。其中每（měi）個精鏜單元（yuán）都可以單獨調整，調整精度在直徑（jìng）方向能達到0.002 mm，保證極好（hǎo）的孔徑公差。
刀片磨損後在機床數控係統輸入孔徑數據，可通過自動（dòng）補償機械（xiè）手（shǒu）調節精調單元，調整刀尖高度。自動補償機械（xiè）手卡（kǎ）爪上帶有金剛石塗層，具有防滑效果。
2.3.1.1 自動補償裝置
在使用過程中，發現機械（xiè）手調刀的準確性、可靠性不能滿足（zú）要求。為驗證機械手自動調整性能，我們（men）做了（le）調刀試驗。
試驗方案為：
1）試驗前記錄每檔（dàng）刀（dāo）片（piàn）高度；
2）通過機械（xiè）手自動調刀機（jī）構將孔徑調大或調小2～6 μm；
3）自動調刀後，測（cè）量並記錄各（gè）檔刀片高度（表1），看其是（shì）否變化（huà）及其變化量。
從表1可知，機械手自動調刀不成功率為65%。對精鏜單元（yuán）依據數據進行持續改進，經過多次驗證，發現改進後的精鏜單（dān）元通過機（jī）械手調整的數（shù）值比實際輸入值小2μm, 按照此規律，目前（qián）已（yǐ）能用機械手自動調刀。
2.3.1.2 線鏜的精鏜刀片
線鏜刀首次實驗刀片為SPCE731 UK20, 是非塗（tú）層硬（yìng）質合金刀片，在用（yòng）各種（zhǒng）組合參數試切（qiē）削後，曲軸孔的（de）表麵粗糙度為Rz12～18 μm，達不到圖（tú）樣要求。
通過更改刀片材質（zhì） ， 選（xuǎn）用一款（kuǎn）金屬陶瓷刀片PCE731 VC610。此次（cì）變更刀（dāo）片材質後，表麵（miàn）粗（cū）糙度上有較大的改善（shàn），能到達Rz8～10 μm，但孔徑減小（xiǎo）很快，刀片抗磨損能力較差。
再次（cì）改善，選用SPCE732 VC610和Ti Al N物理（lǐ）塗層的SPCE732 VC610兩種方案。
試切削後，發（fā）現隻是（shì）增大圓角方案SPEC732 VC610刀片（piàn）的（de）抗磨損能力沒有明顯增強，而加了塗層的刀片，雖在抗磨損方（fāng）麵（miàn）有了很大的提升，但（dàn）是粗糙度有所提高。而後又將塗層後的刀片做頂麵拋光處理，使刀尖變得更圓滑，來降低加工粗糙（cāo）度，結果還是不理想。
隨後，我們對線鏜刀的刀片材質進行了另外一種方案的驗證，即更（gèng）換現有的（de）硬質合金刀片材料為CBN刀片材料，選用型號為SPHN050204-T01015。然後（hòu），進行了新刀片的驗證工作，該刀片總共試驗3次，第一（yī）次總加工件數為152件；第（dì）二次總（zǒng）加工件（jiàn）數為246件，平均加工29件調
一次刀；第三次總加工件數為250件，平均加工27件調一（yī）次刀。
本次試驗來看，在粗糙度的控製方麵CBN刀片明顯優（yōu）於硬（yìng）質合金刀片（piàn），單刃均加工壽命能夠突破210件，調刀頻次也可滿足（zú）生產（chǎn）要求（qiú）。經過不斷地摸索與改進，目前該刀片平（píng）均每刃加工件數可（kě）達260件。
2.3.2 曲軸孔線鏜
主軸夾緊刀具→刀具進（jìn）入曲軸孔→刀頭進入導向套→夾具托盤下降→夾緊工件→鏜刀與曲軸孔同軸→半精鏜曲軸孔（五檔同步）→精鏜曲軸孔（拉鏜順序：5檔→2檔→3檔→4檔→1檔）→夾具放鬆→工件上升→鏜刀退出，加工過程如圖8所示。
經過機床與刀具（jù）的多次（cì）實驗調整，第1檔與第2檔的各項數據（jù）穩定，達到Cpk≥1.33的要求,如圖9選（xuǎn）取第1檔的直（zhí）徑（jìng）數據（jù）。但第3檔的直徑隻達到Cpk=1.0。
針對（duì）該問題，我們將繼續在刀片的材質、調刀的穩定性等方麵（miàn）做進一步的改善。此（cǐ）狀態可以進入量產，但需加大（dà）工件（jiàn）的抽檢頻次，並對數據做持續的監控。
3 、結 語
本文研究並實踐基於加工中心的線鏜工藝，通過對線鏜夾（jiá）具的設計、刀具（jù）和刀片（piàn）的改（gǎi）進，實現了多品種共線的生產模式，經實踐驗證，中、小批量生（shēng）產質量較為穩定。鑒於缸體曲軸孔的重要（yào）性，在今後生產過程中還需對曲軸（zhóu）孔的粗、精加工進行緊密跟蹤，通過不斷摸索與改進，使其達到最佳狀態。
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