鑄鐵發(fā)動機(jī)缸體曲軸孔的精加工方案

　　曲軸孔的加工質(zhì)量對發(fā)動機(jī)的工作性能具有重大影響，奇瑞公司發(fā)動機(jī)事業(yè)部根據(jù)實(shí)際加工情況，對鑄鐵發(fā)動機(jī)缸體曲軸孔的精加工方案不斷進(jìn)行研究和持續(xù)改進(jìn)，收效顯著，使加工質(zhì)量和效率都得到了有效提升。

　　缸體是發(fā)動機(jī)重要的基礎(chǔ)件，其主要功用是將各機(jī)構(gòu)、各系統(tǒng)組裝成一體，而發(fā)動機(jī)最主要的運(yùn)動部件——曲軸、活塞和連桿都與缸體有著非常密切的關(guān)系。圖1為曲柄連桿機(jī)構(gòu)示意圖。目前，我們常見的汽油發(fā)動機(jī)最高轉(zhuǎn)速達(dá)6 000r/min以上，曲軸在發(fā)動機(jī)缸體的曲軸孔中與軸瓦之間形成油膜，以滑動軸承的方式支撐和潤滑高速運(yùn)轉(zhuǎn)的曲軸，這就對曲軸孔的精加工提出了較高的工藝要求。

　　由于曲軸孔的加工質(zhì)量對發(fā)動機(jī)的工作性能具有極大的影響，所以我們對發(fā)動機(jī)曲軸孔工藝的要求一般比較嚴(yán)格，包括直徑、位置度、圓度、各檔曲軸孔中心的直線度及表面粗糙度等。為了滿足這些要求苛刻的工藝指標(biāo)，精加工一般采用精鏜或鉸珩兩種加工方式。

　　一、精鏜加工方式分析

　　精鏜方式精加工曲軸孔相對于鉸珩方式而言，初期投入成本較低，可在加工中心或?qū)�機(jī)上與其他部位的精加工共同安排在一道工序。因考慮到特殊的工藝要求，目前我們采用的精鏜方案是兩把精鏜刀組合，第一把精鏜刀進(jìn)行引導(dǎo)鏜1、2檔曲軸孔(見圖2)，第二把精鏜刀在1、2檔曲軸孔的支撐下精鏜剩余的各檔曲軸孔(見圖3)。由于曲軸孔各檔之間需要保持較高的同軸度，所以精加工時必須在同一個方向進(jìn)刀加工，但這么長的曲軸孔鏜刀在加工第1檔曲軸孔時會出現(xiàn)因缺少支撐而跳動過大的情況，所以采用一長一短兩把精鏜刀組合的方式精加工曲軸孔。

圖2 加工1、2檔曲軸孔的精鏜刀

圖3 加工最后幾檔曲軸孔的精鏜刀

　　目前，精鏜曲軸孔的鏜刀一般采用硬質(zhì)合金或CBN材質(zhì)的刀片。硬質(zhì)合金的刀片成本較低，但加工工件的表面粗糙度不好，且刀片的耐用度較低。針對這一問題，我們協(xié)同刀具供應(yīng)商共同收集了業(yè)內(nèi)較為普遍的刀片涂層材料以及在刀片切削角度上的經(jīng)驗(yàn)技術(shù)，對16款硬質(zhì)合金刀片進(jìn)行切削實(shí)驗(yàn)，并嘗試了對各種合適的加工參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，具體的粗糙度波動情況如圖4所示。通過大量驗(yàn)證，硬質(zhì)合金刀片在滿足粗糙度等工藝要求的前提下最好的實(shí)驗(yàn)結(jié)果為一次性加工80件，仍不能滿足大批量生產(chǎn)的要求。

圖4 測試的硬質(zhì)合金刀片中滿足要求的部分刀片粗糙度波動

　　隨后，我們對精鏜刀的刀片材質(zhì)進(jìn)行了另外一種方案的驗(yàn)證，即更換現(xiàn)有的硬質(zhì)合金刀片材料為CBN刀片材料。我們依靠刀具供應(yīng)商開發(fā)出了10多款不同的CBN刀片對曲軸孔進(jìn)行切削驗(yàn)證，測試結(jié)果顯示：在粗糙度的控制方面，CBN刀片明顯優(yōu)于硬質(zhì)合金刀片，加工壽命能夠突破200件。但同時也產(chǎn)生了一些新的問題：用CBN材質(zhì)的刀片加工約150件時，開始在孔側(cè)出現(xiàn)輕微毛刺，嚴(yán)重時將會出現(xiàn)翻邊現(xiàn)象。此處的毛刺甚至翻邊成為影響發(fā)動機(jī)性能的質(zhì)量隱患，嚴(yán)重時會造成軸瓦劃傷及曲軸抱死等質(zhì)量事故。在曲軸孔毛刺問題的處理方面，我們增加了曲軸孔的毛刷，在一定程度上緩解了毛刺的存在，但仍存在較大的質(zhì)量風(fēng)險。 此外，曲軸孔精鏜方案的質(zhì)量穩(wěn)定性相對鉸珩而言較差，且因?yàn)閾Q刀頻繁會極大地增加質(zhì)量控制的風(fēng)險。精鏜刀加工出的工件表面粗糙度變化趨勢隨刀具耐用度的減少而下降較快，精鏜曲軸孔采用CBN刀片加工的工件表面粗糙度對比如圖5、6所示。

圖5 鏜刀加工首件的表面粗糙度報告

圖6 鏜刀加工200件時的表面粗糙度報告

　　二、鉸珩加工方式分析

　　對鏜削精加工的曲軸孔方案我們做了大量的探索工作，并開發(fā)出多種新型刀片進(jìn)行加工驗(yàn)證，但仍然未達(dá)到理想的加工效果，因此我們再次考慮曲軸孔鉸珩方案。從成本方面考慮，曲軸孔鉸珩的一次性投入較大，德國某知名珩磨機(jī)廠商的初步報價為40萬歐元(因配置要求不同，價格會有差異)，但后期加工成本比精鏜低很多，且加工質(zhì)量穩(wěn)定。曲軸孔鉸珩方案的具體實(shí)施如圖7所示。

圖7 曲軸孔鉸珩方案的實(shí)施

　　曲軸孔的鉸珩采用臥式珩磨機(jī)進(jìn)行加工，因?yàn)榕P式珩磨機(jī)的工作行程較長，適用于像曲軸孔這類的深孔珩磨，深度最大可達(dá)3 000mm。在加工過程中，珩磨頭的油石在脹縮機(jī)構(gòu)作用下作徑向進(jìn)給，把工件逐步加工到所需尺寸。珩磨頭外周鑲有2～10根長度約為孔長1/3～3/4的油石，在珩孔時既旋轉(zhuǎn)運(yùn)動又往返運(yùn)動，同時通過珩磨頭中的彈簧或液壓控制而均勻外漲，所以與孔表面的接觸面積較大，加工效率較高。

　　珩磨余量一般不超過0.2mm。對鑄鐵或有色金屬進(jìn)行加工，珩磨的圓周速度可達(dá)50m/min以上;珩磨的往復(fù)速度不宜超過15～20m/min。油石對孔壁的壓力一般為0.3～0.5MPa，粗珩時可達(dá)1 MPa左右，精珩可小于0.1 MPa。由于珩磨時油石與工件是面接觸，每顆磨粒對工件表面的垂直壓力只有磨削時的1/50～1/100，加上珩磨速度低，故切削區(qū)的溫度可保持在50℃～150℃范圍內(nèi)，有利于減小加工表面的殘余應(yīng)力，提高表面質(zhì)量。為了沖刷切屑，避免堵塞油石，同時降低切削區(qū)的溫度和表面粗糙度，珩磨時采用的切削液要有一定的工作壓力并經(jīng)過過濾。切削液大都采用煤油或煤油加錠子油，也可采用極壓乳化液。

　　從圖8粗糙度測量報告數(shù)據(jù)的波動趨勢來分析，其鉸珩的加工穩(wěn)定性非常高，并且珩磨頭一次更換砂條的耐用度可加工1萬余件，生產(chǎn)效率大幅提高。采用CBN刀片的精鏜加工方式，每200件需要換刀一次，平均每次換刀和首件檢測需要42min。如果將頻繁換刀所花費(fèi)的時間折算到每個工件上，將損失12.6s/件。按照現(xiàn)有某生產(chǎn)線的加工節(jié)拍為120s/件，生產(chǎn)綱領(lǐng)為16萬件/年來計(jì)算，全年將損失加工時間201.6萬s，利用這段時間每年可以多加工出1.68萬件。

圖8 連續(xù)20天實(shí)施鉸珩方案的首檢件粗糙度測量報告

　　表為曲軸孔不同精加工方式所產(chǎn)生的刀具損耗成本對比，從表可以分析出，單件的刀具成本差距較為明顯。按照理論分析計(jì)算，當(dāng)生產(chǎn)103萬件工件時，鉸珩方案相對于CBN精鏜方案的刀具損耗節(jié)約381.1萬元左右，略同于鉸珩設(shè)備的價格，并且鉸珩方案的質(zhì)量控制難度和風(fēng)險都小得多。

　　曲軸孔不同精加工方式所產(chǎn)生的刀具損耗成本(單位：元)