基於加工（gōng）中心的線（xiàn）鏜工藝研究與應用
2019-8-6 來源：一汽海馬汽車有限（xiàn）公司 作者：周夥英 馬小娟
摘 要：研究（jiū）了基於柔性生（shēng）產（chǎn）線加工中心的線（xiàn）鏜（táng）技術，分（fèn）析了曲軸孔從粗加（jiā）工到精加工所用（yòng）到的夾具、刀具，並根據實際（jì）加工情況，對發動機缸體曲軸孔的線鏜的（de）精加工不斷進行研究和（hé）持續改（gǎi）進，收效顯著，使加工質量和效率都得到了有效提升，從（cóng）而解決了中、小批量多品種（zhǒng）缸體加（jiā）工的投資大、成本高的問題。
關鍵詞：柔（róu）性製造技（jì）術（shù）；線鏜；夾（jiá）具；刀具；缸體
0 引（yǐn） 言
曲軸（zhóu）孔的作用主要是支撐曲軸，傳遞從（cóng）曲軸柄傳來的轉矩並通過法（fǎ）蘭輸出，同時吸收活塞運動過程中產生的軸向和（hé）側向力。由於曲軸孔的加工質（zhì）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（de）要求一般比較嚴格，包括直徑、位置度、圓度、同軸度、各檔曲軸孔中心的直（zhí）線度及表麵粗糙度等。
為了滿足這些要求苛刻的（de）工藝指標，精加工一般采用專機線鏜或鉸珩兩種加（jiā）工方式。
為了降低投（tóu）資，實（shí）現（xiàn）三、四缸（gāng）發動機的共線生產，海馬某型號缸體曲軸孔精加工取（qǔ）消了鉸珩，采用加工中心線鏜加工工藝，實現機床內機械手自動（dòng）調（diào）刀，質量得到可（kě）靠的保證。該（gāi）曲軸孔整個加工工藝流程為：半圓（yuán）孔粗加工→瓦蓋合裝後的兩次半（bàn）精加工→精加（jiā）工，所有（yǒu）工序都在加工中心上完（wán）成（chéng）。
1 、曲軸孔粗加工
1.1 曲軸（zhóu）孔粗加工夾具
曲軸（zhóu）孔粗加（jiā）工夾具如圖1所示，本工（gōng）序選擇缸體瓦蓋結（jié）合麵（miàn）和（hé）缸孔來定位，以保證缸孔的加工餘量均勻及缸孔與結（jié）合麵的垂（chuí）直度。
工件進入夾具後，導軌下降，缸體瓦蓋結合麵落在定（dìng）位支撐上，而後自定心結構下降到指定位置，通（tōng）過四個缸孔定位，自定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。若缸體定位氣密檢測通過，機床便開始運行加工程（chéng）序；若氣密檢測（cè）報（bào）警，則需重定位夾（jiá）緊。
1.2曲軸孔粗加工刀具
曲軸孔粗鏜刀如圖2所示，刀片分為3組，每組3片，粗加工（gōng）後曲軸孔留下單邊0.85 mm的餘量。
粗鏜刀最初使用R0.4刀片，刀具壽命太（tài）短，而且加工（gōng）後的曲軸孔粗（cū）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 曲軸孔粗加工
主（zhǔ）軸夾緊刀具→刀具（jù）進入（rù）曲軸孔→鏜刀與曲軸孔同（tóng）軸→粗鏜3、4、5檔（第一組刀片鏜第3檔、第二組鏜第4檔、第三組鏜（táng）第（dì）5檔）→刀具退出→夾具旋轉（zhuǎn）180°→刀具進入曲軸孔（kǒng）→鏜刀（dāo）與曲軸孔同軸→粗鏜1、2檔（第一組刀片鏜第2檔、第（dì）二組鏜第1檔）→刀具退出，加工過程如圖3所（suǒ）示。
2 、曲軸孔（kǒng）線鏜（táng）
2.1 采用加工中心設備線鏜的可行性（xìng）分析
在（zài）大批量生產中，用專機線鏜曲軸孔是常見的加工工藝（yì）。用CNC替代專機，其難點有兩個：
1）夾具設計較為複雜（zá），工序內要實現工（gōng）件的上升和再次夾緊動作；2）此工藝是否能滿足曲軸孔的表麵粗糙度及孔位、孔徑（jìng），孔的圓度、同軸（zhóu）度的過程能力CPK≥1.33或CP
≥1.33的質量要求。
夾具的上升與下降可以通過PLC控製係統與油缸等機械部件實現（xiàn），夾具設計要保證工件的定位精度。曲軸孔位的（de）精度，由於缸孔未精加工，僅需考慮曲軸孔與設計基（jī）準的加工誤差。影響因素為工件的定（dìng）位誤差、設備的定位與重（chóng）複定位的誤差，托（tuō）盤的定（dìng）位與重（chóng）複定位誤差。依據ISO標準，若機床主軸的定位精度為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的範圍內，若工件的定位誤差≤0.02，經計算（suàn），長度400 mm的（de）曲軸孔，在設備（bèi）的精度範圍內，理論上其位置度將在0.034的區間範圍（wéi）內（nèi）（可信度≥99.74%）。
再考慮到實際加工刀（dāo）具（jù）的受力情況及原點定位的係（xì）統偏差，則加工後工件（jiàn）的（de）位置均值保證在0.05的偏差範圍內則（zé）可保證工序能力CPK≥1.33。 曲軸孔的圓度與同軸度，則與主軸的遠端跳動及整個係統的（de）剛性有關。因曲軸（zhóu）孔為雙材質（軸承蓋（gài）材（cái）質為粉末冶金，缸體材質為鑄鐵），其（qí）表麵粗糙度與孔徑的（de）工序能力較難保證，對刀具的剛性和刀（dāo）片的材質有較高（gāo）的要求。
經考證，刀具供應商有類似加工案例（lì），可以作為借鑒。綜上，采用CNC線鏜技術（shù）在當（dāng）前的技術條件下是可行的，可以進入實施階段。
2.2 曲軸孔線鏜（táng）夾具（jù）
曲軸孔精加工夾具如圖4所示，該工序選擇缸體底麵及底麵兩銷孔來定位。工件進入夾具後，支撐導軌動作，缸體下降到定位支撐處，圓銷（xiāo）與菱銷上升（shēng）進入定（dìng）位銷孔，油缸開始動作並夾緊缸體，待缸體定位氣密檢（jiǎn）測（cè）通過後，機床（chuáng）開始運行加工程序。
加工曲軸孔時，在鏜刀進入曲軸孔前，夾具油缸動作，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後，鏜刀偏心進入，鏜刀定位後，缸體恢（huī）複至初始夾緊狀（zhuàng）態。加工（gōng）結束後，之（zhī）前（qián）動（dòng）作重複一（yī）次，鏜刀偏心退出（chū）。
上升氣密裝置如圖（tú）5所示，在（zài）實際加工中，該氣孔容易進入鐵屑，造（zào）成氣密檢測（cè）報警，影響缸體線正（zhèng）常生產。為了（le）解（jiě）決這（zhè）個問題，臨時措施是經常用水（shuǐ）槍（qiāng）衝洗氣孔麵，後期對夾具進行改造，改造後的氣密檢測裝置（zhì）如圖6所示。該氣密檢測（cè）位於（yú）裝置內部，鐵屑無（wú）法進入，類似的報警問題將不會再出現。
導套是運用於發動（dòng）機曲軸孔加工的一（yī）個（gè）精密機床部件。滾動導套的結構、精度、安裝、調試、使用、維護及與之相（xiàng）配的直線鏜杆的精度、直線鏜杆與（yǔ）滾動導套的配合間（jiān）隙等將（jiāng）直接影響所加工的曲軸孔的粗（cū）糙度、圓柱度、同軸度。本（běn）夾具使（shǐ）用GATCO精密滾動（dòng）導套，由靜（jìng）止外套、與鏜杆一起旋轉（zhuǎn）的淬硬並經過磨削的內套、精密（mì）軸承、密封件組成。
導（dǎo）套在夾具上的（de）安裝定位（wèi）方式采用導套外（wài）徑定位，與夾具定位孔（kǒng）的配合選用間隙配合，這樣可以避免軸承外圈因溫度升高而膨脹影響滾動（dòng）導套回轉精度和壽命，一般要（yào）求滾動導套外徑與夾具定位孔的內（nèi）徑至（zhì）少留（liú）有0.008 mm的間隙。
2.3 曲軸孔線鏜刀具
2.3.1 線鏜刀
曲軸孔線鏜刀通過（guò）刀杆頭部的導向鍵與導（dǎo）套實現固定（dìng）聯（lián）接，刀杆材（cái）質（zhì）為（wéi）重（chóng）金屬，在刀（dāo）杆上分布著五組半精鏜刀片和精鏜刀片，如圖7所示。
第二次半精鏜（táng）留下單邊（biān）0.05～0.06的餘量。其中每個精鏜單元（yuán）都可以單獨調整，調整精度在直徑方向能達到0.002 mm，保證（zhèng）極好的孔徑公差。刀片磨損後在機床數控係統輸入孔徑（jìng）數據，可通過自動補償機械（xiè）手調節精調單元，調（diào）整刀尖高度。自動補（bǔ）償機械（xiè）手（shǒu）卡爪（zhǎo）上帶有金剛（gāng）石塗層，具有防滑效果。
2.3.1.1 自動補償裝置
說明：“Y”表示本次刀（dāo）具自（zì）動補償成功，“N”表示本次刀具（jù）自動補償（cháng）不成功（gōng），試驗前1檔表讀數為100，2檔表讀數為98，3檔表讀（dú）數（shù）為99，4檔表（biǎo）讀數為99，5檔（dàng）表讀數為95。
在使用過程中，發現機械手調刀的準確性、可靠性不能滿足要求。為驗證機械手自動調整性能，我們做了（le）調（diào）刀試驗。
試驗方案為：
1）試驗前記錄每檔刀片高度；
2）通過機械手自動調刀機構將孔（kǒng）徑調（diào）大或調小2～6 μm；
3）自動調刀後，測量並記錄各檔刀片高度（表1），看其是否變化及其變化量。
從表1可知，機械手自動調刀不成功率為65%。對精鏜單元依據數據進行持續改進，經過多次驗證，發現改進後（hòu）的精鏜單元通過機械手（shǒu）調（diào）整（zhěng）的數值比實際輸入值小2μm, 按（àn）照此規（guī）律（lǜ），目前已能用機械（xiè）手自動調刀。
2.3.1.2 線鏜的精鏜刀片
線鏜刀首次實（shí）驗刀片為SPCE731 UK20, 是非塗層硬質合金刀片，在用各種組合參數試切削後，曲軸孔的表麵粗糙（cāo）度為Rz12～18 μm，達（dá）不到圖樣要求。通過更改刀片材質 ， 選用（yòng）一款金屬陶瓷刀片SPCE731 VC610。此次變更刀（dāo）片材質後，表（biǎo）麵粗糙度上有較大的改善，能（néng）到達Rz8～10 μm，但孔（kǒng）徑減小很快，刀片（piàn）抗磨損能力較（jiào）差。再次（cì）改善，選用SPCE732 VC610和Ti Al N物理塗層的SPCE732 VC610兩種方（fāng）案。
試切（qiē）削後，發現隻是增大圓角方案SPEC732 VC610刀（dāo）片（piàn）的（de）抗磨損能力沒有明顯增強，而加了塗層（céng）的刀片，雖在（zài）抗磨損方麵有了很大（dà）的提升，但是粗糙度有所提高。而後又將塗層後（hòu）的刀片做頂麵拋光處理，使刀尖變得更圓滑，來降低（dī）加工粗糙度，結果還（hái）是不理想。
隨後，我們對線鏜刀的刀片材質進行了另外一（yī）種方（fāng）案的驗證，即更換（huàn）現有的硬質合金刀片（piàn）材料為CBN刀片材（cái）料，選用型號為（wéi）SPHN050204-T01015。然後，進行（háng）了新刀片的驗證工作，該刀片總共試驗3次（cì），第（dì）一次總加工件數（shù）為（wéi）152件；第二次總加（jiā）工件數為246件，平均加工29件調一次刀；第三次（cì）總加工件數為250件，平均加工27件調一次刀。從本次試驗來看，在粗糙度的控製方麵CBN刀片明顯優於硬質（zhì）合金刀片，單刃（rèn）均加工壽命能夠突破210件，調刀（dāo）頻次也可滿足生產要求。
經過不斷地摸索與改進（jìn），目前該刀片平（píng）均每（měi）刃加工（gōng）件數可達260件。
2.3.2 曲軸孔線（xiàn）鏜
主軸夾緊刀（dāo）具→刀具進入曲軸（zhóu）孔→刀頭（tóu）進入導向（xiàng）套→夾具托盤下降→夾緊工件→鏜刀與曲軸（zhóu）孔同軸→半精（jīng）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（shàng）升→鏜刀退出，加工過程如（rú）圖8所示。
經過機床與刀（dāo）具的多次實（shí）驗調整，第1檔（dàng）與第2檔的各項數據穩定，達到Cpk≥1.33的要求,如圖9選取第1檔的直徑（jìng）數據。但第（dì）3檔的直徑隻達到Cpk=1.0。針對（duì）該問題，我們（men）將繼續在刀片（piàn）的材質、調刀的穩定性等方麵做進一（yī）步的改善（shàn）。
此狀態可以進入量產，但需加大工件的抽檢頻次，並對數據做持續的監控。
3 、結（jié）語
本文研究並實踐基於加工中心的線鏜工藝，通過（guò）對線鏜夾具的設計、刀具和刀片的改進，實現（xiàn）了（le）多品種共線的生產模式，經實踐驗證，中、小批（pī）量生產質量（liàng）較為穩定。鑒於缸體曲軸孔的重要性，在今後（hòu）生產過程中還需對（duì）曲軸孔的粗、精加工進行緊（jǐn）密跟蹤，通過不斷摸索與改進（jìn），使其（qí）達到最佳狀態。
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