曲軸鏈輪端加工工藝改進(jìn)

馮 顯，王浩宇，劉 清，楊曉銘，張棋國

（中國石油集團(tuán)濟(jì)柴動力有限公司成都壓縮機(jī)分公司，四川成都 610100）

1 現(xiàn)狀分析

4CFA、4CFJ 和4CFR 系列曲軸是濟(jì)柴動力有限公司成都壓縮機(jī)分公司（以下簡稱為“公司”）1000 kW以下功率壓縮機(jī)使用的關(guān)鍵部件。隨著上述機(jī)型市場需求的量增加，原工藝存在的一些問題開始顯現(xiàn)出來。目前生產(chǎn)過程中4CFA、4CFJ 和4CFR 系列曲軸鏈輪加工工藝為：（前工序略）→80 精車銑（鏈輪端留工藝頭）→90 粗磨主軸頸→100 粗、精磨連桿頸→110 氮化→120 精磨主軸頸→130 精車鏈輪→（后工序略）。

公司未配備磨削4CFA、4CFJ 和4CFR 系列曲軸的隨動磨床，故在磨削其連桿頸時只能采用普通連桿頸磨床，需要使用卡瓦，并按照如圖1 的方式裝夾。

圖1 曲軸裝夾示意

采用此工藝的原因：

（1）主軸頸與功率輸入端直徑大小不一致，在粗、精磨連桿頸時主軸頸不能作為支撐位。必須保留工藝頭，無法在磨前加工鏈輪端。

（2）在工序100（粗、精磨連桿頸）后，工序120（精磨主軸頸）前精車鏈輪將會車掉中心孔，使得粗、精磨主軸頸的基準(zhǔn)不統(tǒng)一，連桿頸的偏心距以及主軸頸與連桿頸軸頸之間的平行度超差。

工藝存在的問題：精車鏈輪時需支撐已是成品尺寸的第4 主軸頸，支撐位置有較大的風(fēng)險被中心架磨傷或拉傷，造成曲軸報廢。

2 改進(jìn)方案

為解決作為支撐位的主軸頸被中心架磨傷或拉傷的問題，與現(xiàn)場操作者共同探討制定了多種改進(jìn)方案，進(jìn)行分析對比，評價其優(yōu)劣，并擇優(yōu)進(jìn)行工藝試制。

2.1 方案對比與分析

方案1：精磨后，精車鏈輪時在第4 主軸頸上安裝工裝卡瓦作為支撐位，避免中心架與工件直接接觸（圖2）。

圖2 曲軸卡瓦結(jié)構(gòu)設(shè)計

該方法的問題：①卡瓦合裝后，瓦瓣間存在間隙，中心架支撐過間隙位置時會產(chǎn)生輕微振動，將在鏈輪處產(chǎn)生振紋，且會造成鏈輪外圓橢圓；②精車鏈輪時采用的是普通車床車削，安裝卡瓦后，只能使用精度較低的帶軸承的中心架，會導(dǎo)致鏈輪橢圓及鏈輪與曲軸各主軸頸之間的同軸度超差。

方案2：在車銑復(fù)合加工中心上的精車銑工序即完成鏈輪精車，再在中心孔位置鉆攻一個M16 螺紋孔。在磨削工序時使用并安裝卡瓦支撐用軸套和端面壓緊軸套，作為連桿頸磨床的支撐位（輔助工藝頭），其裝配結(jié)構(gòu)如圖3 所示。

圖3 軸套與曲軸鏈輪裝配示意

使用該方案需要注意以下事項：①卡瓦支撐用軸套與端面壓緊軸套間隙應(yīng)控制在0.01～0.015 mm，軸套與鏈輪的配合間隙為0.01～0.025 mm；②壓緊軸套端面在精車銑工序完成中心孔加工，作為粗、精磨主軸頸的基準(zhǔn)。

該方法的問題：①曲軸鏈輪公差帶只有0.017 mm，當(dāng)其出現(xiàn)尺寸超差時，軸套與其配合就不能達(dá)到預(yù)期；②每加工一根曲軸就需要重復(fù)安裝軸套和端面壓緊軸套，容易出現(xiàn)重復(fù)定位誤差；③增加了加工M16 螺紋和拆裝軸套等工序的工作量。

方案3：采用減法思維，按照原工藝仍然保留鏈輪端的工藝端，但是在其端面銑一個沉孔（沉孔至鏈輪端面），并完成中心孔加工（圖4）。這樣可以實現(xiàn)主軸頸粗、精磨時保持中心孔一直存在，實現(xiàn)基準(zhǔn)統(tǒng)一。在完成連桿頸精磨后即可完成鏈輪車削。因車削鏈輪時主軸頸仍有0.3 mm 余量，即使精車鏈輪時有拉傷的情況也可在精磨時修復(fù)。同時，因為精車鏈輪時也不會破壞中心孔，使得在氮化后精磨主軸頸不會改變基準(zhǔn)，仍為原來的2 個中心孔，可以最大限度地保證加工精度。

圖4 鏈輪端沉孔加工尺寸及要求

改進(jìn)后加工工藝：（前工序略）→80 精車銑（鏈輪端留工藝頭，銑端面沉孔）→90 粗磨主軸頸→100粗、精磨連桿頸→110 精車鏈輪→氮化→精磨主軸頸→（后工序略）。

經(jīng)現(xiàn)場調(diào)研，車銑復(fù)合加工中心和外圓磨床的頂尖不會與曲軸端面沉孔產(chǎn)生干涉，方案可行。

對比上述方案，本文認(rèn)為方案3 最優(yōu)，原因如下：①試制失敗不會對曲軸質(zhì)量產(chǎn)生影響，風(fēng)險低；②改進(jìn)后只增加了銑沉孔工步時間，不增加工裝夾具；③不再使用普通車床加工，提高了加工質(zhì)量，而較少的工序流轉(zhuǎn)和等待能夠提升生產(chǎn)效率。

3 實施情況

確定采用方案3 后，本文進(jìn)行了4 件4CFA 曲軸和4 件4CFJ 曲軸的試加工作為工藝驗證，論證其工藝的可行性。圖5a）為精車銑工序留工藝頭，銑端面沉孔鏈輪端后的狀態(tài)；圖5b）為工序100（粗、精磨連桿頸）后頂緊沉孔中心孔精車鏈輪時的狀態(tài)；圖5c）為鏈輪精車完后的狀態(tài)。

圖5 工藝驗證

4 持續(xù)改進(jìn)

完成方案3 的工藝試驗后，總結(jié)經(jīng)驗教訓(xùn)，提出更優(yōu)化的改進(jìn)方案4，在磨削連桿頸時使用高低卡瓦。功率輸入端直徑小時則在卡罐上配置厚瓦，主軸頸直徑大時則配置薄瓦。磨削連桿時能夠?qū)崿F(xiàn)支撐主軸頸4 和功率輸入端的功能，因此可以取消工藝頭，在精車銑時直接完成鏈輪的加工。

方案4 的問題：①曲軸配重塊與連桿頸磨床卡罐存在干涉；②使用高低瓦后是否會造成曲軸質(zhì)量問題尚不明確，還需要進(jìn)一步驗證。

采用方案4 的優(yōu)點(diǎn)：①精車銑工序即可完成鏈輪精加工。該工序采用車銑復(fù)合加工中心加工，加工精度和穩(wěn)定性高，質(zhì)量可靠；②不需工藝頭，減少了后續(xù)轉(zhuǎn)運(yùn)和再加工，提高了生產(chǎn)效率；③連桿頸磨床因無法支撐中心架，加工曲軸中間連桿頸時曲軸剛性較差。使用方案4 后可以縮短支撐位置之間的距離，顯著提高了磨削曲軸連桿頸時的剛性。

4.1 改進(jìn)過程

隨著產(chǎn)品需求量逐漸增大，為徹底解決生產(chǎn)現(xiàn)場存在的問題，本文進(jìn)行了以下改進(jìn)工作：

（1）重新設(shè)計卡瓦，按照原磨床卡罐樣式加大了尺寸，避免卡罐與配重之間的干涉。

（2）設(shè)計相應(yīng)曲軸的高低卡瓦：以4CFJ 曲軸為例，左卡罐支撐功率輸入端，其卡瓦外圓Φ207 mm，內(nèi)孔Φ105.3 mm（同粗磨后功率輸入端尺寸，圖6）。右卡罐支撐主軸頸4，其卡瓦外圓Φ207 mm，內(nèi)孔Φ108.3 mm（同粗磨后主軸頸尺寸，圖7）。通過按照高低卡瓦實現(xiàn)了曲軸兩端的等高。在精加工時再通過打表微調(diào)卡罐高度，達(dá)到兩端高差在0.01 mm 內(nèi)。

圖6 厚卡瓦設(shè)計

圖7 薄卡瓦設(shè)計

4.2 改進(jìn)結(jié)果

改進(jìn)后工藝：（前工序略）→80 精車銑（含精加工鏈輪）→90 粗磨主軸頸→100 粗、精磨連桿頸→110 氮化→120 精磨主軸頸→（后工序略）。

新工藝已完成了8 件曲軸的試制，經(jīng)三坐標(biāo)檢測曲軸同軸度、偏心距、相位角均達(dá)到了圖紙要求，證明了方案的可行性，部分三坐標(biāo)檢測數(shù)據(jù)見表1，其中偏心距要求（46.65±0.04）mm，相位角要求90°±0.20°。

表1 三坐標(biāo)檢查數(shù)據(jù)統(tǒng)計

5 結(jié)束語

本文通過持續(xù)改進(jìn)，得到了最優(yōu)化的工藝方案，提高了生產(chǎn)效率，使產(chǎn)品質(zhì)量更加穩(wěn)定、可靠，取得了顯著的經(jīng)濟(jì)效益。