發(fā)動(dòng)機(jī)缸體雙金屬曲軸孔半精鏜及精鏜加工工藝*

羅 靜 肖鐵忠 龔文均 苑春迎

(①重慶理工大學(xué)汽車零部件先進(jìn)制造技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，重慶 400054;②四川工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院機(jī)電工程系，四川德陽 618000;③貴州詹陽動(dòng)力重工有限公司，貴州貴陽 550006)

缸體曲軸孔精加工工序是缸體三道關(guān)鍵工序之一，其涉及到的各項(xiàng)尺寸與形位精度都將直接影響發(fā)動(dòng)機(jī)的品質(zhì)與壽命，進(jìn)而決定汽車的性能。高的曲軸孔尺寸精度、形位精度及小的表面粗糙度值能有效地提高曲軸外圓與曲軸孔的配合精度，從而提升曲軸的旋轉(zhuǎn)精度;高的曲軸孔的孔與孔之間的同軸度能降低裝配難度，降低磨損，改善曲軸旋轉(zhuǎn)狀況，提高曲軸使用壽命，從而提升發(fā)動(dòng)機(jī)的品質(zhì)與壽命。因此，為使缸體曲軸孔達(dá)到使用要求，缸體曲軸孔的各項(xiàng)精度須達(dá)到技術(shù)要求。而合理的加工工藝、高精度的加工設(shè)備以及高性能的刀具是曲軸孔能達(dá)到設(shè)計(jì)技術(shù)要求的主要保障［7］。

1 主要參數(shù)及加工難點(diǎn)分析

1.1 缸體主要參數(shù)

缸體名稱:465Q直線型4缸缸體

缸體外形尺寸:311 mm×298 mm×227 mm

缸體材料:HT250(曲軸孔蓋)、鋁合金(曲軸孔座)

材料硬度:170～241HB(灰鑄鐵)、60～150HB(鋁合金)

曲軸孔尺寸:5×φ54 mm，深度分別為23.3、21、24.6、21、23.5 mm

缸體重量:30 kg

1.2 加工難點(diǎn)分析

企業(yè)對(duì)曲軸孔的加工精度要求提供了技術(shù)圖樣，見圖1。

由企業(yè)提供的技術(shù)圖樣可知，其加工難點(diǎn)主要表現(xiàn)在以下4個(gè)方面:

(2)五曲軸孔的形狀位置精度要求較高，既要保證曲軸孔公共軸線對(duì)四缸孔軸線的垂直度0.04 mm，又要保證五曲軸孔的圓度0.008 mm、圓柱度0.01 mm。

(3)五曲軸孔的表面粗糙度要求Ra=1.2 μm。

綜上，要使曲軸孔各項(xiàng)精度達(dá)到設(shè)計(jì)要求，難度較大，加工時(shí)，除需要高精度的加工設(shè)備外，還需要設(shè)計(jì)合理的加工工藝及合適的刀具。

2 雙金屬曲軸孔加工工藝的確定

曲軸孔的精加工是缸體生產(chǎn)過程中的3道關(guān)鍵工序之一，其尺寸、形狀及位置精度將直接影響發(fā)動(dòng)機(jī)的性能及壽命，所以發(fā)動(dòng)機(jī)生產(chǎn)廠商在規(guī)劃這道工序時(shí)會(huì)慎重選擇加工設(shè)備及制定合理的工藝方案。曲軸孔精加工工藝方案的制定涉及到加工設(shè)備、刀具、工藝參數(shù)等［1］。目前，國內(nèi)外規(guī)劃這道工序時(shí)，主要采用以下兩種方式:一是采用鏜刀精鏜加工。選擇這種方法時(shí)，曲軸孔的精加工由加工中心或?qū)Ｓ脵C(jī)床完成，采用硬質(zhì)合金刀具或CBN刀具，其特點(diǎn)是先期投入成本低，加工精度穩(wěn)定性較高，當(dāng)采用CBN刀具時(shí)，加工壽命較高，一把刀能加工約300件以上精度符合要求的工件。二是采用鉸珩加工方式，選擇這種方式時(shí)，一般采用精度較高的臥式珩磨機(jī)來完成曲軸孔的精加工，其特點(diǎn)是能進(jìn)行深孔加工(最大孔深可達(dá)3 000 mm)，加工精度高，壽命長(zhǎng)，但是先期投入成本非常高，且一般需要進(jìn)口。綜上，考慮企業(yè)實(shí)際，我們選擇專用臥式鏜床來完成曲軸孔的精加工。本課題設(shè)計(jì)的曲軸孔專用臥式鏜床見圖2。

曲軸孔鏜削加工時(shí)，鏜削工藝有兩種:一種是粗鏜、半精鏜、精鏜三刀三工序方法;另一種是半精鏜、精鏜兩刀兩工序的方法。這兩種方法都有較為廣泛的應(yīng)用，但是考慮到兩刀兩工序法具有較高的加工效率，本文采用此鏜削工藝。

由于本缸體的生產(chǎn)規(guī)模較大，達(dá)到10萬件/年，需延長(zhǎng)刀具的更換周期以減少刀具更換次數(shù)，提高生產(chǎn)效率，要求刀具具有較長(zhǎng)的壽命及較高的精度穩(wěn)定性。通過對(duì)比選擇CBN刀片作為半精鏜與精鏜刀片［1－3］。

加工時(shí)，由于曲軸孔與鏜桿之間形成的空間非常狹小，不利于切削熱與切屑等排出，若處理不合理，將嚴(yán)重影響曲軸孔的加工精度及刀具的壽命。精鏜加工曲軸孔時(shí)，選擇吹氣空冷排屑的加工方法能有效地降低切削熱、切屑等對(duì)曲軸孔加工精度的影響。

為進(jìn)一步提高生產(chǎn)效率，在鏜桿上安裝五組刀片，分別完成五曲軸孔的半精鏜、精鏜加工。曲軸孔半精鏜與精鏜加工見圖3。

3 雙金屬曲軸孔加工工藝設(shè)計(jì)

3.1 生產(chǎn)特點(diǎn)

缸體機(jī)械加工生產(chǎn)線生產(chǎn)綱領(lǐng):10萬件/年。

工序內(nèi)容:汽車發(fā)動(dòng)機(jī)缸體曲軸孔半精鏜與精鏜加工。

設(shè)備名稱:缸體曲軸孔加工專用鏜床。

工作制度:300日/年，2班/日，8 h/班，生產(chǎn)效率91%，設(shè)備負(fù)荷率90%。

生產(chǎn)節(jié)拍:300×2×8×0.91×0.9×60/100 000=2.4 min/件。

由上可知，要使工藝達(dá)到企業(yè)要求，除精度要求外還需保證其生產(chǎn)節(jié)拍小于2.4 min/件。

3.2 定位夾緊方案的確定

工件不受任何約束的情況下，在空間具有6個(gè)自由度，如圖4所示。

要使工件能達(dá)到設(shè)計(jì)圖樣上的各項(xiàng)尺寸與形位精度，工件在加工過程中就必須能在正確的位置上定位，并在加工過程中保持這個(gè)位置不變。為使工件具有正確的加工位置，需約束其6個(gè)自由度，實(shí)現(xiàn)工件的完全定位。本文缸體在加工曲軸孔時(shí)采用“一面兩銷”的方式對(duì)缸體進(jìn)行定位，限制其6個(gè)自由度，如圖5。

工件正確的定位只是保證加工精度的基礎(chǔ)，一般加工過程只有定位是不夠的，需要夾緊來保證正確的定位位置不變。自動(dòng)夾緊機(jī)構(gòu)中，應(yīng)用最廣泛的是氣動(dòng)與液動(dòng)夾緊裝置［6］。在相同條件下，采用氣動(dòng)夾緊裝置的優(yōu)點(diǎn):動(dòng)作迅速，能大大縮短輔助時(shí)間，顯著提高生產(chǎn)效率，動(dòng)力源是用之不竭的氣體，成本較低。因而本文采用氣動(dòng)夾緊裝置，定位夾緊方案如圖6所示。

加工時(shí)，由可微調(diào)支撐塊2、11上表面與定位銷3、10構(gòu)成“一面兩銷”的定位基準(zhǔn)，對(duì)工件進(jìn)行正確定位;由壓緊塊6、9與壓緊氣缸5、8實(shí)現(xiàn)工件的夾緊，保證工件加工過程中始終具有正確的加工位置。

3.3 切削參數(shù)的確定

3.3.1 切削線速度的確定

刀具的切削線速度主要由刀具材料及被加工工件材料決定。本文刀具材料是CBN，加工對(duì)象的材料有兩種，鋁合金與灰鑄鐵。由于鋁合金的硬度遠(yuǎn)小于灰鑄鐵，曲軸孔精加工的切削線速度通過灰鑄鐵的加工特性來來確定。粗鏜及半精鏜灰鑄鐵時(shí)切削線速度為60～90 m/min，而精鏜時(shí)其切削線速度為80～700 m/min［2－3］。考慮到本文是半精鏜與精鏜結(jié)合在一道工序，因而選擇120 m/min的切削線速度。

3.3.2 鏜刀轉(zhuǎn)速的確定

鏜刀轉(zhuǎn)速的計(jì)算可根據(jù)切削理論進(jìn)行計(jì)算，根據(jù)切削基本理論，鏜刀轉(zhuǎn)速的計(jì)算公式為［5］

式中:n為鏜刀轉(zhuǎn)速，r/min;d為刀具直徑，mm;Vc為切削線速度，m/min。

刀具直徑為54 mm，切削線速度為120 m/min，將其代入式(1)可得鏜刀半精鏜、精鏜曲軸孔時(shí)的轉(zhuǎn)速n≈707.71 r/min。

3.3.3 背吃刀量與進(jìn)給量的確定

根據(jù)曲軸孔加工精度要求，同時(shí)考慮CBN刀具半精鏜、精鏜灰鑄鐵時(shí)的合理切削參數(shù):半精鏜時(shí)，0.5～2 mm的背吃刀量，1～5 mm/r的進(jìn)給量;精鏜時(shí)，0.08～0.3 mm的背吃刀量，0.04～2 mm/r的進(jìn)給量。為使精鏜后曲軸孔表面粗糙度達(dá)到1.2 μm的精度，選取較小的進(jìn)給量與背吃刀量，半精鏜進(jìn)給量f=0.06 mm/r，背吃刀量ap=0.5 mm;精鏜進(jìn)給量f=0.06 mm/r，背吃刀量ap=0.1 mm。

進(jìn)給速度計(jì)算公式為［5］

式中:Vf為進(jìn)給速度，mm/min;n為機(jī)床主軸轉(zhuǎn)速，r/min;f為進(jìn)給量，mm/r。

將選取的參數(shù)代入式(2)可得進(jìn)給速度Vf≈42.46 mm/min。

5個(gè)曲軸孔中最長(zhǎng)的長(zhǎng)度為24.6 mm，工進(jìn)長(zhǎng)度為55 mm，可知工進(jìn)時(shí)間大約為1.3 min，缸體曲軸孔加工輔助時(shí)間為1 min，知本機(jī)床生產(chǎn)節(jié)拍為2.3 min/件，小于生產(chǎn)線設(shè)計(jì)生產(chǎn)節(jié)拍2.4 min/件，即設(shè)計(jì)工藝滿足生產(chǎn)要求。

4 結(jié)語

機(jī)床成功研發(fā)并制造實(shí)物后，按照設(shè)計(jì)的工藝對(duì)缸體曲軸孔做了實(shí)際試切，檢測(cè)得到的曲軸孔加工質(zhì)量均達(dá)到或超過曲軸孔圖樣設(shè)計(jì)精度要求。研制的專用機(jī)床在重慶某機(jī)械制造企業(yè)的兩條缸體生產(chǎn)線上投入使用，投產(chǎn)2年多以來，機(jī)床運(yùn)行良好，曲軸孔各項(xiàng)精度均能達(dá)到設(shè)計(jì)要求。

［1］肖鐵忠，羅靜，龔文均，等.汽車發(fā)動(dòng)機(jī)汽缸體缸孔雙軸精鏜加工工藝［J］.制造技術(shù)與機(jī)床，2013(2):128－131.

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