曲軸車削加工的高效夾持方案

袁 華 沈 健

（①德國中歐工業技術咨詢公司，德國勞芬74348;②合肥工業大學，安徽合肥 230009）

1 問題的提出

曲軸是內燃發動機不可缺少的重要零件，市場需求量巨大。僅我國乘用車輛每年對曲軸的需求量就達一千萬件以上［1］。此外，載重汽車、工程車輛、船舶、發電設備等工業領域對曲軸同樣存在大量需求。

曲軸的結構特點是:首先連桿頸與主軸頸不在同一軸線上，并且存在較大的偏心;其次，多缸內燃機曲軸的連桿頸按不同相位分布;再次，曲軸上除了各主軸頸和連桿頸需要加工外，還需要加工分布復雜的潤滑油路。這些特點大大增加了曲軸加工的難度。在傳統的曲軸加工工藝中，需要多臺機床，經過多次裝夾才能完成加工，不僅生產效率低下，而且影響加工質量。隨著我國汽車工業的蓬勃發展，對曲軸的加工質量和生產效率也不斷提出更高的要求。優化和創新曲軸的加工工藝，以實現更好的經濟效益已勢在必行。

曲軸的加工通常包括:主軸頸和連桿頸的切削加工、局部銑削加工、鉆潤滑油孔、表面淬火和磨削（拋光）加工等。其中主軸頸和連桿頸切削加工的加工量最大，因而對曲軸加工經濟性的影響也最為顯著［2］。因此，本文重點討論這兩項加工。

2 傳統加工工藝方案存在的缺點

我們以曲軸主軸頸車削加工為例來分析傳統工藝方案所存在的缺點。

在傳統工藝中，曲軸主軸頸的加工一般按以下步驟進行:

（1）對毛坯件銑兩端面，打中心孔;

（2）兩頂尖頂起曲軸，并在一端以卡盤夾持，車削主軸頸及與其同軸線的其他直徑，如圖1a所示;

（3）掉頭夾持，車削上一步驟中因卡盤夾持而未能加工到的位于主軸頸軸線上的其他直徑部分，如圖1b所示。

在上述加工中，由于步驟2和步驟3中卡盤夾持的直徑尺寸相差較大，超過了卡爪的行程范圍，因此，通常需要用兩臺機床來實現加工。由此可見，傳統的加工工藝方案存在以下不足:

（1）掉頭夾持，既費時間又影響精度;

（2）需要兩臺機床實現主軸頸加工。

3 曲軸主軸頸車削加工的高效夾持方案

曲軸傳統加工工藝中車削主軸頸之所以需要掉頭加工，是因為卡盤夾持端被夾持部位無法得到加工。因此，一個自然的想法就是，當加工到卡爪夾持部分時，是否可以讓卡爪讓開。如果能做到這一點，則可以制定如下加工工藝方案:

（1）對毛坯件銑兩端面，打中心孔;

（2）兩頂尖頂起曲軸，并且兩端同時以卡盤夾持，如圖2所示。加工中段主軸頸及軸肩端面自然沒有問題，當需要加工右端被夾持部位時，該端卡爪松開并后撤，空出所需加工部分，進行加工;與此同時，左端卡盤保持夾緊狀態，以承受切削力所產生的轉矩。加工左端被夾持部位，亦采用類似的步驟進行:左端卡爪松開并后撤，右端卡爪夾緊以傳遞轉矩。

由此可見，采用上述工藝方案，只需一臺機床，通過一次裝夾即可完成所有與主軸頸同軸的直徑及其相應軸肩部分的車削加工。其生產效率可以得到明顯提升，并且可以更好地保證加工精度。

為了實現上述工藝方案，我們對卡盤提出如下要求:

（1）卡爪可以后撤;

（2）卡爪具有浮動夾持的功能。

要求卡爪具有浮動夾持功能的原因是:曲軸的中心孔無法保證準確地位于被夾持外圓的中心位置。所以，當二頂尖頂起工件定軸線后，卡爪不以頂尖孔為中心夾持，而是在被夾外圓當時所處的位置上夾持該外圓（即卡爪只夾持不定心）。這一功能稱為浮動夾持功能。

圖3為德國羅姆公司（Roehm）生產的卡爪后撤式浮動卡盤。其工作原理如圖4所示。

該卡盤為一帶頂尖的“紡錘式”浮動卡盤。“紡錘”的中段以球鉸支撐，下端以斜面驅動，從而實現安裝于“紡錘”上端的卡爪的夾緊與放松運動。“紡錘”與球鉸之間為一圓柱面滑動副，以使“紡錘”能夠在軸線方向實現伸出和縮進的運動。“紡錘”的伸縮運動與卡爪的夾緊、放松運動分別由拉桿2和拉桿1驅動。

4 曲軸主軸頸和連桿頸車削加工的高效夾持方案

在曲軸加工中，還可以使用一種雙分度卡盤在一次夾緊的情況下，實現所有主軸頸和連桿頸的車削加工。圖5為德國羅姆公司（Roehm）生產的專門用于曲軸主軸頸和連桿頸車削加工的雙分度卡盤。該卡盤有5個卡爪，其中2個卡爪用于曲軸的角向定位，另3個卡爪用于夾持曲軸傳遞轉矩。卡盤的頂尖可以自動伸縮，上下料時頂尖縮進盤體;工件上料到達位置后，頂尖伸出頂起工件。使用該卡盤，既可實現對中夾持（即工件的軸線與卡盤的中軸線一致），也可以實現工件的偏心夾持。此外，其偏心距在一定范圍內無級可調，以實現對不同偏心距曲軸的加工。

上述雙分度卡盤的工作原理如圖6所示。該卡盤由一個大盤體加一個偏心中盤體和一個偏心小盤體組成。頂尖和夾持機構位于小盤體內。通過中盤體的分度，可使小盤體置于大盤體的中心位置，也可以使小盤體置于最大偏心位置;同樣，中心位置與最大偏心位置之間的任意偏心位置均可通過中盤體的無級分度而實現。卡盤的分度由機床的液壓系統自動控制。

在實際應用中，這種卡盤通常分左右兩個成對使用。當需要加工主軸頸時，通過中盤體分度將小盤體置于大盤體的中心;當需要加工某一相位的連桿頸時，首先通過中盤體分度將小盤體置于所要求的偏心位置，以使被加工的連桿頸處于機床主軸的軸線上;而當需要加工其他相位的連桿頸時，則通過小盤體分度將該相位的連桿頸轉到機床主軸的軸線上來。由此可見，采用這種雙分度卡盤可以大大提高加工效率，而且非常有利于加工自動化的實現。

5 結語

曲軸是內燃發動機的重要零件，在其加工工藝的制定和實施中，夾持方案的優劣直接影響到曲軸的加工精度和加工效率。在傳統的加工工藝中，由于缺乏先進的夾持技術，而使得曲軸加工的效率和質量都受到了很大的限制。本文介紹的分度卡盤為曲軸的高效加工提供了理想的夾持方案，在大大提高生產效率的同時，還可靠地保證了曲軸的加工精度，而且能夠減少加工所需機床的數量。本文所介紹的夾持技術的思路，同樣可以應用到曲軸的其他加工中［3－4］，如主軸頸和連桿頸的高頻淬火，曲軸油路的加工等。這種夾持技術在曲軸加工中的推廣必將為我國汽車工業的發展帶來明顯的經濟效益。

［1］陸瑤.汽車發動機市場淺析［J］.現代汽車工業，2012（4）:110－112.

［2］Birgit Awiszus，Jürgen Bast，Holger Dürr，et al.Grundlagen der fertigungstechnik［M］.Muenchen:Hanser，2009.

［3］Roehm.Sonderkonstruktion［M］.Sontheim:Roehm，2010.

［4］Anwenderbericht.Spannvorrichtung fuer die automatisierte fertigung von kurbelwellen［J］.Fraesen+Bohren，2011（2）:64－68.