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某曲軸平衡重凹槽加工技術攻關

2021-8-23 來源：- 作（zuò）者：-

摘要：針對（duì）某大型曲軸生產研製（zhì）以來，平衡重凹槽加工中的（de）難點（diǎn）問題。根據實際情況對（duì）比分析與模擬仿真，采用車銑（xǐ）中心進行空間3D銑削及相位旋（xuán）轉與（yǔ）補償的方法逐一（yī）加工，完成了6組共12個平衡重凹槽的攻關，為類似（sì）零件的研製提供了新的思路與工藝方法。

關（guān）鍵（jiàn）詞：大型曲（qǔ）軸；配重槽；仿真；空間三維；銑削（xuē）相位旋轉與補償

0 引言

曲軸是發動機中的關（guān）鍵零件，起著傳遞動力的作（zuò）用，工作時承（chéng）受著複雜的交變應力，曲軸的質（zhì）量直接影響發動機的（de）動力性能和整機使用壽命。在其每一拐徑上的平衡重凹槽裝配平衡重（chóng），是為了平衡連（lián）杆大頭、連杆軸頸和曲柄等產生的離心力及其力矩，以使發（fā）動（dòng）機平穩運轉，減少主軸頸負荷。平衡重一般有2種類型：第一種平衡重與曲（qǔ）軸連為（wéi）一體，也就是與曲（qǔ）柄模鍛為一體，設置在曲（qǔ）柄前端，一般用於小型曲（qǔ）軸中（zhōng）；第二種平衡重是單獨（dú）設置一平衡塊，用螺栓與曲柄前（qián）端（duān）麵連接，常用於大型曲軸中。某平（píng）行重凹槽為空間遞減（jiǎn）3D結構，不易加工與測（cè）量，且尺（chǐ）寸精度與形位公差要求嚴格，在每拐徑上分布的相位不同，加工數量多、風險高、難度大，直接影響（xiǎng）某（mǒu）型柴油機裝配與試驗進度。1 零件結構與（yǔ）材料切削加（jiā）工性每一零件在加工前都必須對其結構特點、技（jì）術要求、材料可切削性能等進行細致分析，找到加工的關鍵環節及難點所在。以根據（jù）實際情況選擇機床、刀具及裝夾方法，最終製定（dìng）工藝路線。

1)零件結構如（rú）圖1所示，其結構特點是（shì）：零（líng）件為大型軸（zhóu）類鍛件，該曲軸的外形（xíng）尺寸全長為（wéi）5495 mm，總質量約為5700 kg，軸（zhóu）頸、拐頸（jǐng）外圓尺寸相（xiàng）同157.5 mm，每一拐頸相位相隔120°呈圓周均勻分布共2組6拐（guǎi）。在拐頸的兩邊都有一個拐臂，拐臂上的凹槽用於掛載平衡重。其工藝參

數要求（qiú）：R40、R5、120°、30°、20°、159±0.2、83.5、45、Ra0.8、Ra3.2。

圖 1 某曲軸平衡重加工示意圖

2)零件材料為42GrMo,硬度41～45 HRC屬於難加（jiā）工材料。由於被加工零件硬度較高，刀具與零件在切削區摩擦因（yīn）數增大，切削過程中產生的熱量大、溫度高，使硬化加（jiā）劇。工件材料強度、硬度不斷提高，切削力增（zēng）大，致使加工刀具磨損較快，機床消（xiāo）耗功（gōng）率（lǜ）過大[1]。

3)零件加工容差及檢（jiǎn）測方法。需要測量相對於基準B麵的誤差0.05°，表麵粗糙度（dù）Ra0.8 μm,以及R40、R5、20°。基於加工後的檢測要製（zhì）作專用角度卡規以測量0.05°誤差，R40、R5、20°可用樣板測量，以照光間隙測量是否合格。

2 、加工工藝性分析

1）該凹槽不在同一加工平麵內為空間尺寸，加工斜麵、圓弧（hú）、底邊、直角邊，需連續變（biàn）換（huàn）相位，形位公差、線性尺寸（159±0.2、83.5）、表麵質（zhì）量要求高（Ra3.2 μm、Ra0.8 μm）。

2）42×R5圓弧（hú）麵銑刀、D45×R0.8立銑刀加（jiā）工時刀杆受到凹槽120×51×154.9尺寸限製，直徑（28）小、長度（126）大，造成（chéng）剛性差、強度低，切削時易產生（shēng）振動。

3）整個凹槽（cáo）加工中，材料不易切削且去除率（lǜ）高，致刀具散熱條件差，切削溫度升高（gāo），使刀具的（de）耐用（yòng）度降低[2]。試切時需反複嚐試改變（biàn）刀路、修改切（qiē）削參（cān）數、更換切削刀片，以降低切削溫度，提高刀具耐磨性。

4）R40圓弧與底（dǐ）麵和斜麵（miàn）相切時，42×R5圓弧麵銑刀具路徑需空間三（sān）軸連續多次（cì）圓弧移動，程（chéng）序編製難（nán）度較（jiào）大。

5）某曲軸全長5495 mm，要求相位誤差不大於30′。每（měi）加工一組先要對機床進行檢測，主軸徑距凹槽直角麵直線距離159 mm。記錄誤差（chà）值做出反方向（xiàng）差值補償。

3、工藝方案

1）方案1。某曲軸粗（cū）、精銑凹槽在落地（dì）FPT鏜（táng）銑床加工，其加工原理（lǐ）是：把零件定位在V形架上並夾（jiá）緊，利用六等分體手動保證相位角度，銑頭旋轉後逐一加工。此方案的缺點是加工誤差大、效率（lǜ）低。手動旋轉相位時，鬆開壓緊的曲軸後（hòu）慢慢轉動，待端麵固定的六等分體大致水平時，利用百（bǎi）分表（biǎo）找平（píng）曲臂平麵在（zài）0.03 mm內，壓（yā）緊曲軸加工凹槽豎（shù）直（zhí）部分與（yǔ）R40圓角。然後旋轉銑頭加工20°斜麵與R40相切，同時保證（zhèng）83.5 mm尺寸。一（yī）組（zǔ）加工完（wán）後，再次手動旋轉六等分（fèn）體及銑頭120°，銑削另（lìng）一組平（píng）衡重凹槽。以此類推全部加工完成。在每（měi）組銑（xǐ）削中需手（shǒu）動找正曲軸曲臂平麵，費時費（fèi）力，且存在銑頭旋轉與找正疊（dié）加誤差。此方（fāng）案加工效率低、尺寸誤差大，質量與研製節（jiē）點難以保（bǎo）證。

2）方案2。車間現有的HTM1251000車銑複合加工中心（如圖2）是（shì）沈陽機床廠生（shēng）產的，目前是國內最大的車銑複合（hé）加工中心。該機床采（cǎi）用西門子840D數控係統，配有左右兩個旋軸B﹑C和X﹑Y﹑Z三個直角坐標，左旋轉頭為主頭用（yòng）於車﹑銑加工，通過左右轉頭使相位自動旋轉，以有效保證120°相位角，同時在加（jiā）工中利用相位的變換，縮短（duǎn）刀具與刀柄（bǐng）的長度，減少刀具費用並提高刀具剛度，有效地對側臂與斜麵進行精加工，同時對於不同（tóng）拐徑上的凹槽尺（chǐ）寸一致性好，加工精度高、質量穩定、效率高。

結（jié）合工藝要求經對比分析，充分利用車間現有技術、設備、刀（dāo）具，確定為在HTM1251000車銑複合加工中（zhōng）心上加（jiā）工。先粗銑去除大部分餘量，二次開（kāi）粗進行半精加工，最後利用相位角的變（biàn）換（huàn）進行光整（zhěng）加工。粗、半精、精加工分步進（jìn）行，使得整個生產過程精確、高效、可靠。

圖2 HTM1251000車銑複合中心示意圖

3.1 刀具選用

平衡重凹槽空（kōng）間材料（liào）去除率（lǜ）大、形位公（gōng）差小、表麵質量要求高，相誤（wù）差不（bú）大於30′。這（zhè）就要求在刀具選（xuǎn）擇上（shàng），既要高質量又要高效率。通過對零件圖樣（yàng）尺（chǐ）寸精度、材（cái）料等綜合分析，選用數控機夾刀具進（jìn）行切削[3]。粗、精銑選用42×R5銑刀（dāo），精（jīng）銑120°側麵選用25平底立銑刀，精銑20°斜麵選用50平底立（lì）銑刀。某曲軸粗、精銑（xǐ）單（dān）個曲臂平衡重凹槽麵刀具（jù）選用表如表（biǎo）1所示。

表1 某曲軸粗、精銑單個曲臂平衡重凹槽麵刀具選（xuǎn）用表

3.2 數控程序編製

數控程序的編製包括：三維（wéi）模型的建立、粗精加工刀具切削參數的設定、模擬仿真、程序的導出。本程序通過以下步驟來（lái）加工（gōng）整個平（píng）衡重凹槽。

1)根據圖樣要求建立三維模（mó）型（xíng）。編寫程序（xù）時（shí）所（suǒ）涉及的刀具位置軌（guǐ）跡，需在三維軟件中做出曲（qǔ）軸平衡重凹（āo）槽數字模型。打開NX軟件，進入XOY平（píng）麵建立草（cǎo）圖，繪（huì）製B-B剖視圖截麵（miàn），拉伸出實體即可。

2)粗銑平（píng）衡重凹槽。用 42×R5銑刀進行3D空間凹槽開粗，單邊預留1 mm餘量（liàng）。由於材料不易加工，且要從實心處去除材料，材料去除（chú）率高。在開粗（cū）時要選用刀杆較短的刀柄，以防止切削中（zhōng）的（de）振動，在（zài）切削（xuē）過程中加注乳化液，從而降低切削區的溫度，以減少工件變形、保持刀具的硬度和尺寸（cùn），同（tóng）時利於切屑的排出，保證切削順暢不被卡住。切削深度為（wéi）1 mm，主軸轉速為380

r/min，切（qiē）削速度為120 mm/min，逼近速度為1000 mm/min，進刀速度為100mm/min、移刀（dāo）速度為1000 mm/min[4]。

3)精銑R40。粗（cū）加（jiā）工後大體的形狀已加工完成，對於根部大圓角R40，用42×R5精銑刀具進行光整加工，采用擬合逐步逼近的方（fāng）法。為保證表麵質量，通過提高轉（zhuǎn）速、降低進給量、減小步距來進行精加工（gōng），且在加工中選擇步距應用在部件上，以保證加工刀路在零件上的（de）均勻。

4)精銑R5。用42×R5精銑刀精銑R5，由於（yú）刀（dāo）具圓（yuán）角半（bàn）徑與平衡重凹槽根部相同，故順銑一刀完成精銑加工。在加工中注意與（yǔ）R40圓（yuán）角過（guò）渡接刀光滑。

5)精銑 120°側麵、20°斜（xié）麵。精加工操作，同時旋轉B、C軸，使120°側麵與主軸平行，用25立銑刀精銑出側麵並與（yǔ）底部R5相切。滿足圖樣Ra0.8 μm表麵粗糙度（dù）和角度誤差0.05°。同理，相位角轉過20°，用50立銑刀精銑出斜麵與R40圓（yuán）弧另一側相切。保證尺寸83.5 mm、表（biǎo）麵粗糙度（dù）Ra3.2 μm。

6)加工前（qián）的數字化（huà）驗證。曲軸屬大（dà）型關鍵件，加工要求高、研製風險大（dà）。為確保正確無誤，要進行（háng）3D模擬仿真加工與試件（jiàn）實操加工[3]。為此我們製定（dìng）了《曲軸平衡重凹（āo）槽三維模型與仿真模擬加工方（fāng）案》，用（yòng）來（lái）提前進（jìn）行數字化模擬驗證，來進一步確定方案的可行性與程序的（de）正確性，以保證萬無一失。加工模擬仿真如圖3所示。

圖3 加工模擬仿真圖

7) 製作後處理導出數（shù）控程序。由於數控機床種類繁多（duō），控製係統多（duō）樣，每一機床的NC代碼廠家自定義的指令各有不同，因此刀軌數據輸出，必須經過定製的後處理生成機床可識別的指令。編寫程（chéng）序時所（suǒ）涉及的刀軌數據（jù），需在三維軟件中做出曲軸數字模型、建立曲軸（zhóu）中心（xīn）仿真係統模塊、配置刀具、選擇加工策略，生成刀路、後置（zhì）處理（lǐ），輸出程序。最終編輯為機床用數控程序。同時結合（hé）刀具、機床、零件計（jì）算理（lǐ）論切削參數（shù）。程序輸出示意圖如圖4

所示。

圖4 程序輸出示意圖

4 、加工後的平衡重凹槽與專檢結果

由於加工前準備充分，成（chéng）品某曲軸（zhóu）平衡重在首次加工過程中，切削抗力小、刀具運行平（píng）穩、機床載荷均勻、相（xiàng）位旋（xuán）轉準確，加工十分順（shùn）利。凹槽加工尺寸與表麵質量好。測量結果滿（mǎn）足（zú）工藝要（yào）求，僅用了（le）1個班次就（jiù）完成了首個平衡重凹（āo）槽的加工。加工後的平衡（héng）重（chóng）凹槽如圖5所示。

圖5 加工後的平（píng）衡重凹槽圖

5、結語

通過對平衡重加工工藝的試驗和技術攻關。采用數字（zì）化驗證及對比加工（gōng）方法進（jìn）行研究後，保（bǎo）證了最佳方法在（zài）實際生產中的有效應用，為後續生產（chǎn）大型、特型零件的首件調試提供了新的工藝方（fāng）法，且數字化驗證較（jiào）原有試加工驗證更具先進性和科學性，能有效排除加工質（zhì）量風險、優化加工程序、提高生產效率，並確保一次加工（gōng）合格，縮短產品研製周（zhōu）期。

作者:王逢（féng）濤1，童勇智1，金許濤1，陳浩安1，田永（yǒng）維2

來（lái）源（yuán）：1.陝西柴油機重工有限責任公司， 2.駐鹹陽地區（qū）軍事（shì）代表（biǎo）

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