某型號柴油機曲軸中心孔修正工藝研究及驗證 Research and Verification on Correction Technology of Crankshaft Center Hole of a Diesel Engine

李二紅 LI Er-hong 張曉輝ZHANG Xiao-hui 陳建軍 CHEN Jian-jun 曹美文 CAO Mei-wen 張倉平 ZHANG Cang-ping

摘要：針對某型號柴油機曲軸中頻感應淬火和加工精度要求高的特點，在曲軸中頻感應淬火后開展曲軸中心孔修正工藝研究，通過開展主軸頸徑跳動值的分析、優化中心線的選擇、中心基準的設定、中心孔的修正等研究內容，經多輪次工藝試驗，驗證了該工藝方法的有效性，解決了該曲軸因中頻感應淬火變形較大，精磨時會出現磨削余量不均勻或無法磨出的問題，滿足了該柴油機曲軸的研制要求。

Abstract： According to the characteristics of medium frequency induction quenching and high machining accuracy requirements of a diesel engine crankshaft， the research on the correction process of the crankshaft center hole is carried out after the crankshaft medium frequency induction quenching. Through the analysis of the runout value of the main journal diameter， the selection of the optimized center line， the setting of the center datum， the correction of the center hole and other research contents， through multiple rounds of process tests， The effectiveness of the process method is verified， and the problems of uneven grinding allowance or inability to grind out during fine grinding due to large deformation of the crankshaft due to medium frequency induction quenching are solved， which meets the development requirements of the diesel engine crankshaft.

關鍵詞：曲軸;中頻感應淬火;中心孔;修正

Key words： crankshaft;medium frequency induction quenching;center hole;correction

中圖分類號：TH161? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1674-957X（2021）22-0089-03

0? 引言

曲軸是柴油機的核心零部件之一，曲軸的加工質量和加工精度直接影響柴油機的安全性、穩定性、動力性能等。在曲軸加工過程中，中心孔是非常重要的定位基準和檢驗基準，曲軸兩端中心孔加工質量的好壞直接影響到曲軸的加工精度。某型號柴油機曲軸要求對曲軸的主軸頸和連桿頸進行中頻感應淬火，提高曲軸的耐磨性、強度等性能指標，同時對曲軸的精加工精度要求較高。曲軸作為典型的細長軸，在中頻感應淬火后，容易發生較大的變形，在后續精磨工序中，以曲軸兩端中心孔支撐進行精磨時，由于主軸頸外圓徑向跳動值太大會導致精磨時出現偏磨或黑皮現象，會直接導致曲軸性能降低或最終報廢。為此，開展曲軸中心孔修正工藝研究，提高曲軸中頻感應淬火后主軸頸與曲軸兩端中心孔同軸度，使磨削余量更均勻，對提高曲軸的磨削質量和柴油機可靠性具有重要意義。

1? 工藝性分析

1.1 曲軸結構特點分析

某型號曲軸設計如圖 1 所示。曲軸總長2245 mm，主軸頸直徑 Φ143（）mm，連桿頸直徑 Φ106（）mm;平行度 0.01mm ，表面粗糙度 Ra0.2μm，淬火層深度為4mm，淬火層硬度為49-53HRC，總環同軸度Φ0.05mm（以主軸頸2-8為基準）。

曲軸中頻淬火要求和主軸頸總環同軸度的要求較為嚴格，該設計要求的能否實現是曲軸可靠性和柴油機穩定性實現的重要保證，因此，該曲軸的制造關鍵技術是既要滿足中頻感應淬火的工藝要求，又要通過工藝優化，在不允許校直的前提下，滿足曲軸在精磨后同軸度、平行度、淬火層深度等技術指標，所以，在曲軸中頻感應淬火后，開展中心孔修正工藝技術研究，使曲軸主軸頸的磨削余量的分布比采用原有加工方法更均勻，有利于提高曲軸的磨削質量，降低零件廢品率。

1.2 工藝難點分析

從零件設計結構和精度要求分析，曲軸的加工主要有兩個難點。一是該曲軸的中頻感應淬火，在中頻感應淬火過程中曲軸容易發生變形，且變形量較大，主軸頸的外圓徑向跳動值較大，精磨時會出現磨削余量不均勻或無法磨出的現象;二是該曲軸屬于典型的細長軸，在磨削過程中，由于砂輪進給磨削力的作用，曲軸中頻感應淬火后圓角部位殘余應力的釋放以及精密磨削基準軸線的選擇等因素，對曲軸精磨后各軸頸的同軸度、平行度等形位公差有著極大的影響，因此，在中頻感應淬火后，開展中心孔修正工藝技術研究，使得曲軸主軸頸的磨削余量的分布比采用原有加工方法更均勻，有利于提高曲軸的磨削質量，降低零件廢品率。

1.3 存在的問題

曲軸在中頻感應淬火后，曲軸的變形量較大，在以曲軸兩端中心孔支撐進行精磨時，由于跳動值太大會導致曲軸在精磨時出現出現偏磨或黑皮現象，直接導致曲軸性能降低或最終報廢，在過去，我們為了使曲軸精磨時余量更均勻，通常采用使用車床修正曲軸兩端的中心孔。具體方法為：①以曲軸的大端外圓定位，用車床三爪卡盤夾緊曲軸大端外圓，在靠近曲軸小端的主軸頸外圓使用中心架定位，車床主軸帶動曲軸旋轉，在車床尾座安裝中心鉆，手動操作修正中心孔;②以曲軸的小端外圓定位，用車床三爪卡盤夾緊曲軸小端外圓，在靠近曲軸大端的主軸頸外圓使用中心架定位，車床主軸帶動曲軸旋轉，在車床尾座安裝中心鉆，手動操作修正中心孔。

但使用該工藝方法存在以下缺點：①曲軸的中心孔在車床上，通過兩次定位，兩次裝夾加工，兩端中心孔的同軸度差，直接影響曲軸的加工精度。②加工時主要以曲軸的兩端外圓和部分主軸頸定位，造成主軸頸與兩端的中心孔之間同軸度差，磨削余量不均勻，直接影響磨削質量。③由于車床修正中心孔采用的方法是曲軸旋轉的形式，由于曲軸的轉速不能太高，加工時手動進刀，進給速度無法控制，會造成中心孔加工的表面粗糙度不佳、圓度差，當頂尖與中心孔配合時，二者接觸方式由線接觸變為點接觸，在工件旋轉過程中，工件受到磨削力后，會沿著中心孔的形狀發生偏移，導致頂尖夾持的曲軸磨削圓度差，跳動值大，進而影響曲軸的后續磨削。

2? 工藝技術方案

通過上述分析，針對上述存在的問題，制定了在加工中心上使用倒角銑刀修正曲軸中心孔的工藝方案：曲軸主軸徑跳動值檢測與分析→優化中心線的選擇→中心基準的設定→加工中心孔→修正后的主軸徑跳動值檢測。

3? 工藝研究與驗證

3.1 曲軸主軸頸跳動值檢測與分析

首先，將曲軸放在檢測平臺上，測量以不同軸頸為基準的主軸頸外圓跳動值，其次，將曲軸安裝在磨床上，用頂尖夾持，測量各主軸頸的外圓徑向跳動值，記錄在表格中（見表1）。

3.2 優化中心線的選擇

根據曲軸軸頸跳動檢測記錄表中的數據，將各軸頸的跳動值通過折線的方式表達，如圖2所示，觀察曲軸在支撐不同部位的徑向跳動值的趨勢及范圍。

通過折線圖可知，曲軸在中頻淬火后，以兩端中心孔支撐檢驗的主軸頸的跳動值，明顯大于支撐2-8軸頸和支撐3-7軸頸的檢測值。

3.3 中心基準的設定

3.3.1 中心調整裝置的設計

通過上述分析，可知曲軸在中頻感應淬火后，以3-7主軸頸為支撐時，外圓徑向跳動值相對其他支撐部位最小，所以曲軸兩端中心孔的軸線與支撐3-7的軸線修正在同一軸線上時，可以實現以曲軸兩端中心孔為基準時，各軸頸的徑向跳動值較修正前減小的目的。為了實現兩基準的統一，我們設計了一種中心調整裝置，如圖3所示，其主要功能是，將中心調整裝置安裝在兩端軸頭部位，通過調整螺紋頂絲進而調整與軸接觸的活動調整墊塊，使調整裝置小徑外圓中心與基準軸線同心。

3.3.2 中心基準的設定與驗證

將曲軸放置在檢測平臺上，支撐主軸頸3-7，使用百分表找正3、7基準，按照圖4所示，將中心調整裝置分別安裝在曲軸的兩個端頭，用兩個百分表分別安放在兩端中心調整裝置外圓基準處，轉動曲軸，調整裝置的中心，通過觀察兩個百分表的示數，將兩端頭的調整裝置的中心線與主軸頸3-7基準線調為一致，夾緊兩端軸頭。

3.4 中心孔的加工

3.4.1 曲軸的裝夾與找正

曲軸中心孔的修正需要在加工中心上進行，由于曲軸屬于細長軸，當曲軸以主軸頸3-7為支撐部位加工兩端中心孔時，由于軸伸出部位懸深較長，在加工中心孔時，曲軸會發生較大的顫抖，最終會導致曲軸兩端中心孔的位置有誤差，修正效果較差。綜合分析，我們設計了一套中心孔修正裝夾夾具，將曲軸按照圖5所示裝夾，支撐主軸頸1和主軸頸9，通過調節可調支座，使用數控加工中心安裝磁力表架及百分表，找正曲軸的主軸頸3-7。夾緊夾具，使用加工中心臥式銑頭，安裝中心找正裝置，分別找正曲軸兩端中心調整裝置，設置相應的中心零點，然后拆掉兩端的中心調整裝置，使用60°倒角銑刀，以兩側的中心零點，按照工藝要求，分別加工兩側中心孔。

3.4.2 中心孔加工工藝優化

中心孔的修正，實質是通過“借偏心”的方法，提高曲軸主軸頸與曲軸兩端中心孔軸線的同軸度，所以，我們在中心孔修正時使用倒角銑刀銑削的加工方式，該銑削方式可以修正位置偏差，進而避免了在車床上使用鉆頭或锪鉆修正的缺點，保證了孔的位置精度;其次，倒角銑刀有多個銑刀片同時加工，多個刀刃銑削加工時，加工過程受力平衡，避免由于刀片單邊受力導致中心孔圓度差，倒角精確光潔度好;同時，倒角銑刀的刀片優選涂層刀片，該類刀片的硬度高，耐磨性好，通過匹配合適的切削參數，可以提高中心孔倒角部位的表面加工質量。

其次，在倒角銑刀銑削倒角后，使用細砂紙進行研磨中心孔，去掉中心孔上的翻邊及毛刺，進而提高兩端中心孔的同軸度，提高在磨床上頂尖夾緊后軸線的精度。

3.5 工藝驗證

將修正后的曲軸安裝在磨床上，用頂尖支撐，使用百分表檢測各主軸頸的外圓徑向跳動值，記錄檢測數據，對比修正前與修正后主軸頸的外圓徑向跳動值，如表2所示。

根據表2數據，可以發現，曲軸經過中心孔的修正后，支撐兩端中心孔檢驗的跳動值較修正前明顯減小，同時，利用該工藝方法，修正其他5支曲軸，主軸頸外圓徑向跳動值最大值均由“0.55mm-0.75mm”變為“0.25mm-0.35mm”，修正效果較好。

4? 結論

通過開展曲軸中心孔修正工藝研究，有效的降低了曲軸在中頻淬火后以兩端中心孔為基準的主軸頸跳動值，從而使主軸頸的磨削余量更均勻，同時，通過對專用工裝的研究及工藝優化，縮短了曲軸加工周期，確保了試制進度。通過本文的工藝改進，通過使用中心可調裝置，間接的進行實現“借偏心”，使用曲軸中心孔修正夾具加工曲軸兩端中心孔，提高曲軸主軸頸與曲軸兩端中心孔之間的同軸度，使得曲軸主軸頸的磨削余量的分布比采用原工藝方法更均勻，有利于提高曲軸的磨削質量，提高曲軸的加工精度，降低廢品率。同時，該方法對同類產品的研制具有一定的借鑒和指導價值。

參考文獻：

[1]齊勇.低速柴油機活塞桿細長軸超高精度磨削工藝研究及驗證[J].柴油機，2018（40）：49-52.

[2]宋蔚.曲軸兩端中心孔的修正[J].金屬加工，2008：41-42.

[3]王先逵.機械加工工藝手冊[M].北京：機械工業出版社，2007.