大泵曲軸的旋風銑削加工方法及工藝

董興望 佘龍龍 李朝朝 棘廣洲 曾范銘

（中石化四機石油機械有限公司，荊州 434020）

壓裂車大泵曲軸車削加工一直是生產的瓶頸，導致大泵產能受到曲軸產能的極大制約[1]。由于曲軸是重載，加工余量較大，在高速切削時沖擊力特別大，排屑不理想，切削溫度高，振動大，且曲軸的剛性差，易引起振動，宜用于低速車削，車削效率低，加工進度慢，導致生產滯后，不適用于大批量生產[2]。在車床上車削曲軸時，曲軸本身偏心。當車削轉到一定角度時會發生重心下垂，主軸需要安裝曲軸曲拐車削偏心工裝。工裝和曲軸的質量較大，迫使主軸轉速不能太快。曲軸車成重量偏心后，轉動慣量急劇增大，給車削帶來一定的困難[3]。常規方法是在曲軸上設置配重塊，目的是保證加工重心一致[4-5]，但車削效率極低，不利于提高生產效率，如圖1 所示。

本文從車床安裝旋風切刀切削T 形絲桿工件中受到啟發，開展對大泵曲軸加工的工藝改進，通過在CW61100 車床中拖板上加裝旋風切削裝置，使得主軸低速轉動，旋風切刀高速切削，利用銑削代替車削，以期在保證加工精度的前提下提高車床的切削效率，從而解決大泵曲軸等重要零件在生產實際中的關鍵難點，達到降低加工成本和提高生產效益的目的。

1 曲軸在CW61100 車床上旋風切削加工工藝分析

1.1 旋風切削裝置組裝在CW61100 車床上的可行性分析

CW61100 車床主要由床身、刀架、主軸、主電機、三爪卡盤以及照明系統等組成[6]，外形如圖2 所示。

由圖2 可知，CW61100 車床在取掉小刀架后，可以直接組裝旋風切削刀具，使刀盤的旋轉中心與主軸旋轉中心等高。旋風切削刀具底平面與中拖板上平面大面積貼合，增加旋風刀具的剛性連接，為旋風切刀強力切削創造條件。旋風切削橫向進刀由CW61100 車床橫向移動中拖板絲桿決定，軸向進刀由CW61100 車床縱向移動齒輪和齒條決定，如圖3所示。

因此，車床的慢速旋轉運動和旋風切刀的高速運動完成對曲軸曲拐的外圓切削，車床大拖板的軸向移動和中拖板的徑向移動完成曲軸的切削定位。針對現有技術的改進，該方法設備剛性好，適合斷續切削，銑削振動小，生產效率高，銑削刀盤安裝方便，加工精度高。

1.2 旋風切削曲軸工藝上的可行性分析

旋風切削轉速較高，轉速為1 450 r·min-1，主軸低速旋轉。在徑向進刀深度相同的條件下，假定車床軸向移動100 mm·min-1，那么旋風切削每轉切削0.069 mm。 又假定車床軸向移動100 mm·min-1，車床主軸轉速100 r·min-1，車床切削每轉切削1 mm。如果旋風切削每轉切削0.5 mm，那么每分鐘的切削效能是車床切削的7.25 倍。可見，旋風切削效率高。如果設定車床的主軸轉速小于100 r·min-1，則旋風切削的效率還要高。另外，旋風切削每把刀具的刀片每次切削的量不大，對刀片的剛性要求不高。刀片后角小一些，對銑削曲軸粗糙度有較大的好處。但是，由于旋風切削為高速切削，對刀具產生瞬間的沖擊力并產生較多的熱量，這就要求刀片硬度較高，抗沖擊性要好，耐熱性能要好，同時冷卻裝置冷卻性能要好。一般冷卻液為噴射方式最佳。另外，旋風切削為銑削，因此相對車床鐵屑的排屑性要好得多[7]。

2 旋風切削裝置的制作

旋風切削裝置主要由刀盤、主軸、傳動齒輪、聯軸節以及交流電機等組成[8]，制作示意圖如圖4 所示。刀盤主要用于裝夾刀具，刀盤后錐柄貼合于主軸7 ∶24 錐孔內，用拉桿緊拉，防止刀盤高速運轉時脫落。刀盤上有兩個凹槽與主軸上兩個凸塊配合，與錐面一起，起傳遞扭矩的作用。主軸主要用于組裝和固定刀盤、傳遞電機扭矩等。

3 曲軸在CW61100 車床上旋風切削加工的效果驗證

3.1 效果驗證

使用曲軸曲拐車削偏心工裝裝夾曲軸毛坯在CW61100 車床上，移動旋風刀具至曲軸曲拐的加工位置，移動中拖板絲桿逐漸進刀切削深度5 mm，變速主軸旋轉速度100 r·min-1，中拖板軸向每分鐘移動100 mm。打開冷卻泵，刀具冷卻噴頭高速噴出冷卻液，旋風切削刀具高速切削，鐵屑和冷卻液到處飛濺。加工一段距離后停止機床運轉，查看曲軸的銑削面，發現曲拐表面有明顯振紋，表面粗糙度離圖紙設計要求存在較大的差距。

3.2 原因分析

銑削曲軸另外一段曲拐處時，用手觸摸旋風切削裝置，發現振動較大，旋風切削裝置隨CW61100 車床中拖板前后移動而徑向振動，振動頻率與旋風切刀刀片切削次數相同。總結原因主要包括兩個方面：一方面，CW61100 車床中拖板絲桿、絲母有間隙需要消除；另一方面，CW61100 車床中拖板在旋風切削銑削時在大拖板滑動導軌上沒有鎖緊，導致中拖板在銑削時隨刀片更疊進刀時前后移動。

3.3 制定對策

查明原因，制定以下對策付諸實施。

（1）更換CW61100 車床中拖板絲桿、絲母，增大絲桿外徑至Φ50 mm，增加絲桿剛性，改單絲母結構為雙絲母可調間隙結構，盡可能消除絲桿、絲母間隙，防止中拖板絲母軸向竄動，影響旋風銑刀銑削曲軸曲拐外圓的粗糙度。

（2）如圖5 所示，CW61100 車床中拖板上增加鎖緊機構。在中拖板燕尾處安裝鎖緊塊，緊固螺栓，頂緊鎖緊塊，中拖板斜面與大拖板導軌斜面緊緊貼死，使中拖板固定在大拖板導軌上，增加旋風切削裝置底部的剛性，提高銑削曲軸曲拐外圓的粗糙度[9]。

（3）在加工時要求給CW61100 車床加裝鐵屑、冷卻液防護罩，解決鐵屑飛濺出燙傷操作人員，避免冷卻液大面積噴灑，以防發生安全隱患、冷卻液污染環境等問題。

4 整改后效果驗證

該方法經過多次生產實踐證明，每次組裝旋風刀具進行切削試車，啟動主軸轉動，啟動旋風切削電機，使其刀盤高速旋轉。順時針轉動中，拖板絲桿手柄徑向均勻進刀切削5 mm 后，順時針擰緊中拖板鎖緊螺栓。鎖緊中拖板后，掛軸向移動手柄進行曲軸曲拐軸向切削，切削過程中用手觸摸中拖板，中拖板處無任何震動現象，切削均勻。曲軸曲拐面切削加工完成后，檢測多個銑削表面的粗糙度，結果表明表面粗糙度完全符合圖紙要求。

5 結語

利用旋風切刀對大泵曲軸曲拐外圓銑削加工，擴大了CW61100 車床的加工范圍。在CW61100 車床上，以銑削代替車削，極大提高了曲軸的加工效率，保證了加工精度和表面粗糙度，同時克服了車削過程中吃刀不均勻、容易打刀的缺陷，大大提高了大泵曲軸的加工效率，降低了刀具損耗，節約了成本。同時，旋風切削曲軸可以擴展到在車床上銑削其他類似零件，為數控機床改造提供了一種新思路。