曲軸潤滑油道孔的加工

■ 第一拖拉機股份有限公司大拖裝配廠 （河南洛陽 471003） 張彬彬 魏江波 常向陽 陳 朋

發動機是汽車的心臟，而曲軸是發動機內主要的旋轉部件，它負責將活塞的上下往復運動轉變為自身的圓周運動，然后通過飛輪將發動機轉矩輸送給傳動系統，同時還驅動發動機的配氣機構以及其他輔助裝置。曲軸一般由主軸頸、連桿軸頸、曲柄、平衡塊、前端和后端等組成（見圖1）。主軸頸被安裝在缸體上，連桿頸與連桿大頭孔連接，連桿小頭孔與汽缸活塞連接，是一個典型的曲柄滑塊機構。因為曲軸在正常工作時受到旋轉質量的離心力、周期變化的慣性力和往復慣性力的共同作用，承受彎曲扭轉載荷，因此曲軸需要有足夠抗彎曲、抗扭轉的疲勞強度和剛度。軸頸表面需要具有較好的耐磨性能，整體平衡性要求較高。另外，為減少連桿與曲軸軸頸相對運動過程中的摩擦，提高曲軸以及連桿的壽命，在每個主軸頸上加工潤滑油孔，以便將機油引入、引出，用以潤滑曲軸軸頸。

圖1 曲軸

曲軸對自身材質以及后續的熱處理也有很高的要求，曲軸材質大多為45鋼、40Cr鋼和35CrMo合金結構鋼等，后續針對不同的性能需要對曲軸進行調質、回火、淬火和氮化等處理。

圖2 斯太爾曲軸斜油道孔工藝尺寸

1. 加工工藝分析

曲軸的加工工藝路線一般為：鍛坯→調質→校直→清理→檢驗→粗加工→去應力退火→精加工→高頻淬火+低溫回火→校直→磨削→拋光→檢驗。目前國內主要曲軸加工生產線由普通機床和專用機床組成，生產效率和自動化程度相對較低。粗加工設備多采用多刀車床、銑床對主軸頸及連桿頸進行加工，加工質量穩定性差，容易產生較大的內應力，難以達到合理的加工余量。一般精加工采用MQ8260等曲軸磨床粗磨→半精磨→精磨→拋光，通?？渴止げ僮鳎庸べ|量不穩定。這些設備和技術基本依賴進口。隨著貿易全球化的到來，各廠家已意識到了形勢的嚴峻性，紛紛進行技術改造，全力提升企業的競爭力，進展速度很快。

圖2所示斯太爾曲軸斜油道孔內徑為8.7mm，孔深153mm，長徑比為17.59∶1，屬于深孔加工范疇，加工難度非常大。在實際加工過程中，曲軸以左端面為定位基準，機床頭尾架頂尖頂緊曲軸兩端中心孔，機床左端浮動卡盤夾緊曲軸第一主軸頸驅動工件旋轉。

2. 潤滑油孔加工難點分析

潤滑油孔加工難點如下。

1）潤滑油孔深度153mm，所需加工刀具長度210mm，而直徑只有8.7mm，鉆頭剛性差，實際加工過程中極易產生振動、折斷。

2）潤滑油孔深度過深，鉆頭散熱條件差，鉆頭壽命低。

3）排屑困難。

我廠加工曲軸潤滑油道孔采用的設備是SUC8149系列數控機床，是沈陽成套設備有限公司最新研發的曲軸潤滑油孔加工專用設備。采用的刀具是高速內冷切削鉆頭，冷卻系統為獨立的油霧潤滑系統，同時該設備采用6工位動力刀架，主軸最高轉速可達8 000r/min，滿足高速內冷鉆頭的加工需求，同時可完成曲軸潤滑油孔的鉆削及油孔倒角等加工工序。機床的X、Y、Z、B及A軸采用西門子伺服電動機驅動，定位精準可靠。動力刀架的刀具轉位及刀具旋轉采用交流電動機驅動，具有較高的柔性，適用于大部分四缸及六缸曲軸的潤滑油孔加工。

3. 解決方案

針對加工難點，提出如下解決方案。

1）保證左端定位面的精度。在每天開始生產之前，用百分表校正設備工裝左端面軸向圓跳動，保證軸向圓跳動公差在0.05mm之內。

2）保證頂尖的徑向圓跳動。用百分表校正機床頂尖的徑向圓跳動，保證徑向圓跳動在0.05mm之內。

3）在工件第4、5主軸頸處增加中心架作為輔助支撐，避免在正常鉆削過程中工件發生過大振動或者輕微彎曲造成鉆頭折斷，調整中心架的抬起量在0.03～0.05mm之間。

4）保證產品中心孔的質量及一致性，避免因為工件中心孔的一致性或者圓度超差導致正常鉆削過程中鉆頭斷裂。

5）提高設備本身冷卻系統的空氣壓力，提高刀具的冷卻、潤滑及排屑效果，提高刀具壽命。

圖3 冷卻系統

4. 冷卻系統的改善

設備采用高速內冷切削鉆頭，由專門的油霧潤滑系統對鉆頭進行潤滑冷卻。冷卻系統如圖3所示。車間廠房壓縮空氣氣壓為5×105Pa，從進氣口處進入，經過增壓缸把空氣增壓至10×105Pa，然后進入油霧系統。進入油霧系統的氣體經過濾器后被分為兩路，一部分直接進入潤滑油箱內部的懸浮油微粒發生器，使油箱內的油液形成0.5μm的油霧顆粒；一部分氣體經減壓閥減壓后進入油箱。在設備正常加工過程中，調節減壓閥，使壓力表1的壓強較壓力表2低1.5×105Pa，使油箱內形成一定的壓差，進而使0.5μm的油霧顆粒從油箱內噴出，經氣管管路進入鉆頭內部，從而起到冷卻、潤滑和排屑的效果。

設備在實際工作中，在滿足油霧潤滑系統正常運行的情況下，壓力表1最高只能調到3×105Pa，壓力表2為5×105Pa。在這種工作狀態下，一根新鉆頭加工70根曲軸后磨損十分嚴重，需要返送刀具廠家修磨。并且在實際加工過程中經常出現卡刀現象，導致鉆頭直接折斷、報廢。分析實際工作情況后認為，適當提高鉆頭出氣口的氣壓（壓力表1的壓強）會提高潤滑冷卻效果，提高刀具壽命；另外還可以提高刀具排屑效果，避免刀具卡死折斷現象發生。

加工斯太爾曲軸鉆頭內冷孔徑為1.66mm，要想給鉆頭出口處連續穩定輸送壓強＞3×105Pa的氣源，必須提高增壓缸的增壓能力，保證增壓缸單位時間增壓的氣體體積大于內冷鉆頭消耗的氣體體積。設備原裝增壓器參數為增壓比1∶2，儲蓄罐容積10L、耐壓15×105Pa，額定流量（5×105Pa工況下）500L/min。而鉆頭在實際鉆削過程中對氣源的穩定性要求特別高，查閱氣動有關資料，最終選定SMCVBA20A型增壓器，可靠性高。新增壓器技術參數為增壓比1∶2，儲蓄罐容積20L、耐壓15×105Pa，額定流量（5×105Pa工況下）1 000L/min。

新增壓器在5×105Pa工況下的額定流量是1 000L/min，保證增壓缸單位時間增壓的氣體體積大于內冷鉆頭消耗的氣體體積，滿足設備使用φ8mm鉆頭正常加工時所需的壓力和流量要求。

5. 工藝和設備改進后的效果

工藝和設備改進后的效果如下。

1）保證左端定位面的精度、頂尖的徑向圓跳動以及在工件第4、5主軸頸處增加輔助中心架，提高了曲軸在正常加工過程中的穩定性，避免工件發生軸向位置竄動以及徑向彎曲，大幅減少了鉆頭鉆削過程中折斷的現象。

2）提高設備冷卻系統增壓缸的增壓能力，大幅改善了鉆頭鉆削過程中的冷卻及排屑效果，提高了刀具壽命。另外，鉆頭排屑效果的改善避免了鉆頭卡死直接扭斷現象的發生。

工藝和設備改進前后單根鉆頭所加工零件數量的統計數據如圖4所示。新鉆頭之前在加工70根工件時，刀具磨損嚴重，無法繼續加工，在改進措施實施后，能加工180根工件；從刀具廠家修磨回來的鉆頭，之前在加工40根工件時，刀具磨損嚴重，無法繼續加工，在改進措施實施后，能加工150根工件。

3）提高了加工效率。刀具排屑潤滑效果改善后，在不影響刀具加工壽命的前提下，適當提高刀具進給量，提高加工節拍。刀具進給量由之前的0.11mm/r提高至0.15mm/r（見圖5），工序節拍由之前的9.1min提高至6.8min，每天產量提高35件。

圖4 工藝和設備改進前后單根鉆頭可加工零件數量

圖5 工藝參數

6. 結語

機床數控化以來，越來越多的高速高效加工技術及裝備在制造業中大量涌現，生產效率得到了很大的提高。曲軸潤滑油道孔的加工也經歷了普通鉆床、組合機床和槍鉆，直到今天的數控柔性專用鉆床的轉變，加工效率提高了幾十倍。但是在實際加工中，鉆頭剛性差、強度低，極易產生振動、折斷，鉆頭對加工環境十分敏感。只有設備工裝定位夾緊的可靠性、刀具微量潤滑系統的穩定性得到充分的保證，才能保證深孔加工質量及效率，才能真正體現數控柔性專用鉆床的優勢。

專家點評

本例中曲軸油道的鉆孔剛性較差，在加工過程中極易產生振動，鉆頭折斷率高。作者從工裝定位夾緊和刀具潤滑系統入手進行改善，提高工藝穩定性，保證了深孔加工質量及效率，真正體現了數控柔性專用鉆床的優勢。

作者在解決方案中有兩處亮點：①提高設備冷卻系統的增壓能力，改善鉆削過程中的冷卻及排屑效果。②在剛性較弱的主軸頸處增加輔助中心架，提高了工藝系統的穩定性。