曲柄專用立式車床加工曲柄

陳鑫，劉曉軍，余以忠，宋魯鵬，孫婷婷

青島海西重工有限責任公司 山東青島 266555

1 序言

半組合式低速柴油機曲軸是由曲柄、主軸頸及法蘭等零件通過過盈裝配而成，其中曲柄零件的形狀復雜、曲柄銷與孔的偏心距大，曲柄的曲柄銷、卸荷槽、開擋平面等部位形成了一個深度很大的槽形結構（見圖1）。目前低速柴油機曲軸型號中，其開擋深度達到1～2m、寬度達130～300mm，刀具需要伸入開擋內對各部位進行加工，這是曲柄零件加工的難點。

圖1 曲柄結構

2 專用設備

目前曲柄銷、開擋平面、卸荷槽等部位的加工采用曲柄專用立式車床完成（見圖2），該設備屬于一種結構特殊的立式車床，設計超長刀板，其長度大于開擋深度、厚度小于開擋寬度，能伸入曲柄開擋內部，在刀板的前端安裝刀具進行車削加工。這種特殊的機床結構，因受曲柄開擋寬度、刀板厚度、刀具長度等尺寸的限制，普通的車刀無法進行車削，需要采用專用的刀具、工藝實現曲柄的加工。

圖2 曲柄專用立式車床

由于刀板懸伸很長，為提高刀板剛性、穩定性，采取措施如下：刀板為1/4圓的扇形板，刀板在工件回轉區域外的厚度增大形成階梯結構，提高刀板的剛性；刀板的z向移動由雙絲杠驅動，并配有刀板配重錘，提高刀板運動的穩定性等。

3 專用刀具

3.1 梳齒刀

梳齒刀（見圖3）是一種并排分布有多個刀片的車刀，用于狹窄空間內曲柄銷軸頸的車削。

圖3 梳齒刀

3.2 卸荷槽車刀

卸荷槽車刀（見圖4）使用圓形刀片，用于卸荷槽曲面的車削。因為卸荷槽曲面的加工屬于環槽車削，所以刀具的副偏角處根據卸荷槽形狀設計成斜面，避免刀具與工件干涉。由于加工卸荷槽用刀具需滿足特定深度的車削，加工的起點、終點深度要保證刀板與零件的上、下平面有一定的安全距離，因此刀具伸出的長度要滿足特定的尺寸。為了避免安裝時伸出長度偏差，刀具定位面需貼緊刀座，以保證伸出長度滿足要求，省去了普通車刀安裝時人工調整的工作。

圖4 卸荷槽車刀

3.3 加工內擋平面刀具

加工內擋平面專用刀具包括平面粗車刀（見圖5）、平面精車刀（見圖6）。刀具布置有上、下兩個刀片，分為固定和可調兩種結構。

圖5 平面粗車刀

圖6 平面精車刀

由于曲柄毛坯制造受工藝影響，平面余量＞30mm，且平面的粗加工切削深度很大，因此粗車刀具選用長方形的大刀片。當開擋的余量大、剩余空間小時，上、下兩個刀片同時進行車削，能夠高效率地去除余量。

開擋平面的精加工車刀采用雙向可調的方式，即通過調節上、下刀頭底部的螺釘，將上、下刀尖的間距調節到需要的尺寸，一次完成上、下平面的精加工。

4 工藝

加工工藝流程如下：劃線、裝夾找正→開擋平面粗、半精加工→曲柄銷粗、半精加工→卸荷槽加工→平面精加工。由于刀板懸深很長，所以在加工過程中，要避免刀板的切削振動。

4.1 曲柄裝夾

曲柄專用立式車床加工時以曲柄銷軸線為回轉中心，曲柄零件在卡盤上偏心放置。卡盤的另一邊設置配重塊，消除偏重對卡盤液壓浮升間隙的不利影響。常規立式車床的單動卡盤裝夾方式無法滿足偏置曲柄的裝夾，專用立式車床的裝夾采用六爪卡盤裝夾，即在曲柄前、后布置2個正向卡爪，分別在卡盤的45°、90°方向布置4個夾緊部位可以旋轉的卡爪，實現對曲柄側面、斜面的夾緊（見圖7）。

圖7 曲柄裝夾示意

由于曲柄銷處的卡爪靠近卸荷槽，為避免加工卸荷槽時刀具與卡爪發生干涉，因此在零件裝夾時需要根據卸荷槽的輪廓尺寸，調整卡爪的夾點，避開卸荷槽的車削范圍。

4.2 曲柄銷加工

使用梳齒刀進行曲柄銷加工（見圖8），刀具先徑向切入軸頸，再分別向兩邊進行軸向車削，至軸頸根部，如此往復循環加工。梳齒刀兩邊切削刃間的寬度應大于刀板的厚度，避免車削到軸頸兩端根部時刀板與開擋平面干涉；刀片的間距應小于或等于軸（z）向行程的距離，確保曲柄銷外圓車削不會留下殘余臺階。由于多刀片同時切削，切削力較單刀切削大，根據刀板厚度粗車時選用背吃刀量ap為3～5mm，轉速n為15～20r/min、進給量f為0.3～0.6mm/r，加工狀態穩定。

圖8 曲柄銷加工

曲柄銷的精加工是在曲軸整體裝配后進行，本工序只進行粗車和半精車。

4.3 卸荷槽加工

卸荷槽加工要確定槽的深度、開擋寬度、刀板厚度等幾個主要數據，選擇合適刀具伸出長度，確保刀具運動到起始、終止深度時，刀板的上、下面與曲柄開擋的上、下平面保持足夠的安全距離。當卸荷槽深度較大時，需要多次更換不同長度的車刀，來完成整個卸荷槽深度的加工，一般分1～2次換刀可完成卸荷槽加工，例如使用伸出長度為L1、L2的兩種車刀，分兩次完成全部深度的車削，如圖9所示。

圖9 卸荷槽加工

卸荷槽粗加工采用分層車削方式，粗車背吃刀量ap為2.5～5mm。由于在每一層起始位置進行層切入時，圓形刀片的切削面積受力最大，容易使刀板產生振動，所以采用往復式進刀。先切入一半的層深度（ap/2）mm，半層車削一小段，再返回切入點切入另一半層深度，進行完整的層車削。

輪廓精車使用圓形高速鋼刀片，切削刃采用刃磨成形，精車背吃刀量ap＝0.5mm，切削力小，加工穩定，表面粗糙度值Ra＝1.6μm。

4.4 曲柄內擋平面精加工

使用寬度可調的精車刀，調節上、下刀尖的間距至要加工的尺寸，上、下平面同時車削，刀板受力均衡，可避免單邊切削時刀板受力變形影響平面精度，加工后開擋前、后的寬度尺寸一致。

切削參數：背吃刀量ap為0.5～1mm，進給量f為0.3～0.5mm/r，端面車削可設置恒線速度車削，并設置最大轉速，上、下面平行度＜0.1mm。

5 結束語

通過制定合理的工藝、設計合適的刀具，解決了使用曲柄專用立式車床加工曲柄銷、卸荷槽等部位的難題，實現了曲柄的批量生產，加工質量滿足半組合式低速柴油機曲軸的要求，為大功率低速柴油機提供了優質的曲軸零件。