加工中心展開式鏜刀加工曲軸孔的應用研究

□ 呂昆侖

上汽通用汽車有限公司 上海 201206

曲軸孔作為發動機缸體的重要孔系和設計及定位基準，其加工質量直接影響發動機的裝配精度及整體運轉性能。曲軸孔的形狀精度、位置精度要求高，生產中經常需要對曲軸孔加工工藝進行研究和改進，以提升加工質量和加工效率，滿足當前各動力總成機加工企業對產品質量、加工效率、智能化及柔性化生產越來越高的要求［1］。

1　曲軸孔加工工藝的選擇

曲軸瓦蓋合蓋前或上下缸體合蓋前，對曲軸半圓孔進行粗加工，主要作用是去除多余毛坯硬皮和加工余量。曲軸瓦蓋合蓋后或上下缸體合蓋后，對曲軸孔進行整體式半精加工和精加工，以確保曲軸孔的形狀精度和位置精度等達到要求［2］。

為保證曲軸孔的形位精度，上汽通用汽車動力總成機加工生產線傳統上在專用機床上使用組合式鏜刀進行半精鏜和精鏜加工，每組刀片對應相應的加工位置和加工余量。在曲軸孔鏜刀遠端導向桿處進行導向和支撐，以保證曲軸孔加工的形位精度。曲軸孔鏜刀通過偏心進刀和退刀，避免曲軸孔鏜刀刀片磕碰曲軸孔。由于鏜刀不具備脹刀功能，因此這一加工方案一般無法通過加工中心來實現［3-7］，無法加工缸體上其它特征，加工柔性化較差。

加工中心采用掉頭鏜孔的方式進行曲軸孔加工，曲軸孔鏜刀懸伸較長，且曲軸孔孔長一般大于300 mm，因此采用兩頭鏜進的加工方案。由于鏜桿呈懸臂狀態，懸伸較長，剛性和強度較差，易引起振動，因此難以保證被鏜曲軸孔的尺寸精度和形位精度。基于以上情況，上汽通用汽車只在曲軸孔粗鏜加工時利用加工中心進行曲軸孔掉頭鏜加工。

可見，在專用機床上用鏜刀加工曲軸孔或在加工中心上掉頭鏜曲軸孔，由于存在各種局限性，已經無法滿足當前先進制造企業對生產線高效率、柔性化、智能化的需求。于是，采用帶推拉桿的加工中心展開式鏜刀加工曲軸孔，逐步被越來越多的先進制造企業所關注、研究和應用。

2　帶推拉桿的展開式曲軸孔鏜刀應用

帶推拉桿的展開式曲軸孔鏜刀，具有收刀、脹刀加工、自動換刀及直徑自動補償等功能［8-9］。

以上汽通用汽車某發動機缸體曲軸孔的加工為例，對采用帶推拉桿的加工中心展開式曲軸孔鏜刀應用進行分析，通過刀具推拉桿的軸向移動，實現半精鏜刀片和精鏜刀片的徑向收刀、脹刀，以及直徑方向刀具補償等功能。刀具半精加工檔，刀夾號為1.1～1.4，直徑為48.655 mm。精加工檔，刀夾號為2.1～2.4，直徑為48.815 mm。半精鏜和精鏜直徑可以通過機床控制程序進行精確補償，保證加工的穩定性和高效率。

2.1　刀具推拉桿位置

如圖1、圖2所示，以某具有脹刀功能的曲軸孔鏜刀為例，對刀具推拉桿位置進行說明。

（1）換刀位置。推拉桿基準距離HSK刀柄端面32±0.005 mm。

（2）正常加工位置。推拉桿基準距離HSK刀柄端面56 mm。

（3）補償極限位置。推拉桿基準距離HSK刀柄端面59 mm。

▲圖1刀具推拉桿軸向位置

▲圖2 刀具推拉桿軸向位移量和徑向脹刀量

楔塊的傾斜角度為3.575°，刀具推拉桿從啟動加工位置至加工位置的軸向位移量為20 mm，徑向脹刀量為1.25 mm。刀具推拉桿從換刀位置至加工位置的軸向位移量為24 mm，徑向脹刀量為1.5 mm。刀具推拉桿從加工位置至徑向補償最大位置處的軸向位移量為3 mm，徑向位移量為0.188 mm。刀具推拉桿的軸向位移量是通過控制主軸推拉桿的軸向位移量來實現的。

2.2　曲軸孔半精鏜、精鏜前后刀片距離孔壁間隙

在展開式曲軸孔鏜刀處于收刀狀態下，半精鏜刀片至孔壁間隙，鏜前尺寸為0.795 mm，鏜后尺寸為0.63 mm。精鏜刀片至孔壁間隙，鏜前尺寸為1.41 mm，鏜后尺寸為1.25 mm。

可見，鏜前進刀過程中半精鏜刀片和精鏜刀片不會有磕碰孔壁的情況發生，為采用加工中心進行曲軸孔鏜削加工并在鏜刀導向端支撐創造了條件。

2.3　展開式曲軸孔鏜刀脹刀原理

加工中心主軸推拉桿與刀具推拉桿連接，通過控制主軸推拉桿往返位移來實現刀具推拉桿的錐度楔塊驅動頂銷作徑向移動，頂銷頂起刀夾。同時，刀夾通過刀夾旋轉軸壓縮復位彈簧，實現刀片的徑向脹刀和直徑補償。主軸推拉桿向前移動，帶動刀具推拉桿向前移動，彈簧使刀夾復位。刀片徑向收刀到位，在收刀狀態下實現無切削進刀和退刀。主軸推拉桿將刀具推拉桿推至換刀位置，加工中心實現自動換刀。

圖3、圖4所示分別為脹開式鏜刀結構和脹開式刀具工作原理。

▲圖3脹開式鏜刀結構

▲圖4 脹開式刀具工作原理

2.4　換刀結構

展開式曲軸孔鏜刀通過刀具推拉桿與主軸推拉桿連接，主軸推拉桿帶動刀具推拉桿在換刀位置旋轉90°進行換刀。主軸推拉桿末端和刀具推拉桿前端通過鍵與鍵槽連接并固定，以保證連接的穩定性。同時，這一刀具采用內冷方式冷卻，可以保證刀具冷卻的充分性［10］。

圖5所示為展開式曲軸孔鏜刀末端結構，圖6所示為刀具推拉桿末端結構。

▲圖5 展開式曲軸孔鏜刀末端結構

2.5　主軸換刀原理

由于展開式曲軸孔鏜刀具有脹刀功能，因此對加工中心主軸結構也有特殊要求，方可滿足展開式曲軸孔鏜刀的換刀需求。

▲圖6 刀具推拉桿末端結構

主軸推拉桿與刀具推拉桿結構如圖7所示。在加工狀態下，主軸推拉桿鍵槽和主軸嚙合鍵嚙合，主軸推拉桿帶動刀具與主軸同步旋轉。收刀狀態下，主軸推拉桿向前移動至加工收刀位置，主軸推拉桿與殼體固定零件嚙合，主軸推拉桿相對于殼體固定零件保持靜止。

主軸換刀時，刀具推拉桿和主軸推拉桿均處于換刀位置，主軸推拉桿插入殼體固定零件的鍵槽，然后主軸推拉桿旋轉90°，刀具推拉桿和主軸推拉桿完全嚙合或脫開，完成換刀動作。

由于在換刀狀態下，主軸推拉桿插入到殼體零件固定的鍵槽中，因此換刀時推拉桿的角度是固定的。例如上汽通用汽車采用德國GROB G500B122K系列加工中心，其主軸位置角度只有在0°或180°才能進行換刀。

由于主軸機械結構限制，因此對換刀刀庫換刀方式也提出了要求。以盤式刀庫為例，運動學換刀方式需要主軸在某個傾斜角度換刀，帶有推拉桿的主軸無法滿足該刀庫的換刀角度要求，所以需要采用換刀臂式換刀方式，換刀臂末端可以旋轉，從而滿足對換刀角度的要求。

3　加工工藝

展開式曲軸孔鏜刀加工工藝具有較高的加工生產率，加工精度能滿足要求，因此上汽通用汽車采用曲軸孔兩刀兩工序加工。為滿足和提升生產效率，在鏜桿上安裝了四組刀片，同時完成半精鏜、精鏜加工。加工工藝為：主軸推拉桿和刀具推拉桿處于收刀位置→曲軸孔鏜刀軸向進給至加工位置→主軸推拉桿軸向拉動刀具推拉桿至加工位置，半精鏜、精鏜刀片脹刀到位→曲軸孔鏜刀半精鏜、精鏜加工→半精鏜、精鏜加工完成→主軸推拉桿軸向推動刀具推拉桿至加工收刀位置→在刀片處于收刀狀態下退刀。

▲圖7 主軸推拉桿與刀具推拉桿結構

▲圖8 曲軸孔鏜刀鏜模結構

4　曲軸孔鏜刀鏜模結構

曲軸孔鏜刀鏜模的結構主要分為四種：單支撐前引導鏜模、單支撐后引導鏜模、雙支撐后引導鏜模、前后支撐引導鏜模。由于GROB G500B122K系列加工中心主軸的剛性和定位精度等都較好，因此一般采用單支撐后引導鏜模。

為使鏜桿能準確、順利地進入鏜套，鏜刀鏜桿導向條上設置有導向鍵，鏜套上開鍵槽，同時通過液壓定位插銷保證鏜套上導向槽的位置固定，從而確保鏜套鍵槽和刀具導向桿上導向鍵之間的相對位置。工作時，主軸選擇鏜刀并旋轉至固定位置，然后軸向進刀，通過刀具導向桿上導向鍵與鏜套上導向槽配合連接，對刀具精確定位。曲軸孔鏜刀鏜模結構如圖8所示。

5　結論

對采用展開式鏜刀加工曲軸孔的加工中心設備能力進行驗收，曲軸孔尺寸精度、圓柱度的能力指數均完全滿足上汽通用汽車設備能力驗收的要求。由于展開式曲軸孔鏜刀具有直徑補償功能，減小了因刀片磨損而引起的曲軸孔直徑變化，過程能力指數相比傳統曲軸孔加工方式更高，加工穩定性更好。

通過與傳統曲軸孔加工方案的比較，并對展開式曲軸孔鏜刀在加工中心進行應用研究，實現了發動機缸體機加工線真正意義上的柔性化加工，減少了基準轉化帶來的公差損失，從而提升了加工質量。刀具自動補償功能提高了加工效率和加工穩定性。這一缸體曲軸孔加工方案是當前先進的制造加工工藝，對發動機缸體機加工具有一定的指導意義。

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