中速柴油機曲軸交叉斜油孔加工技術

王逢濤，童勇智，金許濤，楊天峰，楊希，裴敏怡

陜西柴油機重工有限公司 陜西興平 713105

1 序言

曲軸作為柴油機的關鍵部件，被譽為船用柴油機的心臟，其使用壽命要求與船舶相等，一般在二三十年以上。曲軸造價占發動機總造價的1/3。由于曲軸中深油孔和各個軸瓦相通，起潤滑與冷卻作用，所以對其加工精度和表面質量等要求較高。而且被加工材料的切削加工性較差，兩孔交叉相貫，是加工中的一大難題。

2 某大型曲軸交叉斜油孔加工難點分析

在加工大型曲軸交叉斜油孔時，存在以下加工難點。

1）深孔加工時，曲面難以定位。由于孔為空間斜孔且在圓弧曲面上（見圖1），進行鉆削時兩邊刃受力不同，容易使鉆頭偏上或偏下，造成偏斜彎曲，嚴重時會造成鉆頭扭斷。

圖1 空間斜孔示意

圖2 兩孔傾斜相交貫穿示意

2）深孔加工時，兩孔傾斜相交貫穿（見圖2），刀具易斷、易鉆偏。第1個深孔加工完成后，加工第2個孔時，在交叉處深孔刀具細長、剛性差且強度低，會產生引偏和振動，使刀具易折斷，孔鉆偏。同時因兩深孔交叉，內冷壓力減少，易造成刀具斷裂夾死，加工風險高，難度大。

3）深孔加工時，排屑路徑較長，切屑排除困難，刀具散熱條件差，切削溫度升高，使刀具壽命降低。由于深孔較難斷屑及控制切屑的長短與形狀，切屑排除困難，因此會損傷已加工表面，同時刀尖在孔的表面將留下刀痕和振紋，導致表面質量較差（見圖3）。在切削力的作用下，刀桿會產生撓度變形，造成孔的軸線偏離理論中心線。同時切削溫度隨著刀具加工的逐步深入而逐漸升高，其間產生的切削熱不能及時排除，致使刀具發熱，刀具壽命降低，削弱了刀具的切削性能。

圖3 曲軸孔內表面質量示意

3 工藝流程與數控加工方案

曲軸是發動機的主要旋轉機件，裝上連桿后，可承接連桿的上下（往復）運動，變成循環（旋轉）運動以輸出動力，是發動機上的一個重要部件。曲軸斜油孔作為潤滑油的通道，起潤滑、冷卻作用。曲軸箱里面的機油通過油道，進入連桿頸與主軸頸，潤滑軸瓦與曲軸接觸部分。由于斜油孔相對于公共平面呈斜交狀態，因此給技術人員的設計與計算增添了一定的難度。

（1）尺寸、位置精度 曲軸作為發動機的重要傳動部件，既要保證裝配聯接規范，又要滿足組裝后柴油機的總體性能要求，因此對其尺寸、位置有著嚴格的技術文件要求。例如：圖4所示的斜孔在與水平線夾角為31°±15′處距離主軸頸的豎直高度為距離主軸頸的水平距離為（581±0.4）mm，孔徑孔深698mm。

圖4 某柴油機斜孔加工要求

（2）幾何精度 中高速柴油機曲軸一般采用鑄鍛整體結構，其特點為質量大、精度高，性能要求苛刻。軸頸與拐頸偏心距大，機體接觸面大、密封性好。對于零件的幾何加工精度要求較高，例如：某相鄰孔軸線平行度≤0.15mm，直線度≤0.08mm，徑向圓跳動≤0.1mm。

（3）表面粗糙度 曲軸斜油孔是潤滑油的通道，因此對其表面質量有較高的要求。例如：某曲軸斜油孔要求表面粗糙度值Ra=6.3μm。

（4）加工方法的選擇 扁鉆適用于長徑比（L/D）＜10的深孔加工；BTA套料鉆深孔加工成本高，需購置專用設備，維護使用費用高，且不適用于大型軸類深孔加工。經測試，由于采用槍鉆具有更高的加工精度、直線度和表面質量，其加工精度可達IT7～IT10級，表面粗糙度值R a=3.2～12.5μm，圓度誤差一般為 5～10μm，符合加工要求，且其成本低，加工效率高，制造周期短，所以選用槍鉆系統加工最為合理。

（5）定位的可靠性分析 運用6點定位原理，分析定位的可靠性（見圖5）。HTM1251000是我公司于2010年購買的沈陽機床廠的車銑中心，采用西門子840D數控系統，配有左右兩個旋轉頭，X、Y、Z3個直線軸和B、C2個旋轉軸。采用前后頂尖定位，其中前頂尖固定，后頂尖可浮動。前頂尖限制工件不能進行X、Y及Z軸的移動，后頂尖限制Y、Z軸的移動。由于兩頂尖組合定位可轉化成可限制Y、Z方向轉動，所以共限制5個自由度。工件只有X軸方向的轉動未被限制，故定位是可靠的。

（6）編制數控加工程序 利用三維造型模塊通過工藝圖樣建立三維模型（見圖6），分析測量油孔中心相對曲軸中心和拐臂基準的空間距離，同時旋轉銑頭，以確定空間位置，進行鉆孔加工程序編制。

圖5 定位分析

圖6 曲軸三維示意

1）模擬加工過程，完善刀具幾何參數，提前避免加工干涉及碰撞。運用數控加工仿真系統，構建機床結構、夾具、刀具和控制系統，由NC程序仿真數控車銑中心加工過程（見圖7），優化NC程序，縮短加工時間，延長刀具壽命，改進表面質量，檢查過切、欠切，防止機床碰撞、超行程等錯誤，并對整個加工工藝過程進行再認證。

2）確定刀具、切削參數，選擇加工余量、切削角度。曲軸油孔均在主軸頸拐頸的外圓表面上，極難加工，因此只能采用先確定合理的切削角度，銑出軸向法平面，鉆引導孔，調試槍鉆加工切削參數，設計防泄壓堵頭，再鉆第2個斜孔的方法進行加工。某曲軸斜面交叉深孔加工時間及切削參數統計見表1。

圖7 曲軸仿真加工示意

表1 某曲軸斜面交叉深孔加工時間及切削參數統計

4 具體加工步驟

深孔鉆削加工過程大致分為以下幾個步驟。

1）銑出法向平面，鉆出引導孔。首先通過建立三維模型，分析測量油孔中心相對曲臂端面與軸心的Z、X坐標值；然后利用程序指令平移并旋轉銑頭31°確定位置。使用過中心φ20mm立銑刀，在圓弧面的法向上銑出φ30mm凹腔，以便于引導鉆定位鉆出引導孔，為槍鉆起引導和支撐作用；最后使用φ20mm槍鉆加工出第1個深斜孔（見圖8）。

圖8 第1個深斜孔加工示意

2）增加引導鉆和槍鉆，設計防泄壓堵頭（見圖9）。深斜孔和另一孔是貫通的，當刀具加工到貫穿位置時，刀具的刃部受力發生急劇變化，表現在切削刃兩側支撐力平衡狀況被打破，刀具受另一側切削力作用，鉆頭發生偏移。若偏移過大，則刀具會發生折斷，工件位置度會發生變化。為有效減少斷刀現象，在兩孔相貫位置處鉆出深15 mm孔后，使用防泄壓堵頭封住另一側深孔，引導槍鉆在加工時，主軸轉速和進給速度降低到原數據的1/3，以減小刀具切削力的不均衡性。

圖9 引導孔加工示意

3）優化加工程序與切削參數，加大內冷壓力。通常，深孔鉆在低進給速度和低轉速下加工到2～3倍徑深時，在未采取任何措施時便對主軸轉速和刀具進給速度進行提升，這種工藝存在弊端。在φ20mm槍鉆切削中發現，加工中的進給速度突變對切削刃的沖擊力是很大的，足以超過刀具本身的承受力，會出現切削刀崩損現象，這種情況很危險，一旦不及時發現，就會出現斷刀。為避免此現象發生，可在刀具變速前使刀具在進給方向退刀約1mm，增大內冷壓力持續10s（見圖10），待內冷壓力完全釋放后，提高主軸轉速和進給速度，使刀具在高轉速和高進給速度下切削工件，這樣刀具在開始切削時就已是高轉速和高進給速度加工，不會再出現切削力突然變大的情況，可有效解決斷刀問題。經測試，φ20mm槍鉆在加工時，切削參數采用n=410r/min、vf=56mm/min，切削過程中排出的切屑正常且無粘結現象，切削液壓力穩定，機床各軸負載平穩。

圖10 第2個深斜孔加工示意

4）合理退刀。由于深孔鉆加工受平行度方面的限制，刀具在孔中存在撓曲變形現象，所以不能采用快速退刀方式。退刀進給速度可比進刀時快些，經測試，以vf=180mm/min退刀最為理想。

5 結束語

通過對曲軸深孔加工機理進行研究，針對切削參數的優化開展技術攻關，結合生產實踐，充分挖掘現代加工設備的潛力，運用現代數字化加工技術，順利完成曲軸斜面交叉深孔加工任務，找到了解決此類加工問題的工藝模式。