曲軸斜曲面深孔加工新工藝探索

孫建輝

北京現(xiàn)代汽車有限公司 北京市 101300

1 項(xiàng)目概況

1.1 立項(xiàng)背景

曲軸線GT30-40工序用于加工曲軸油孔。該工序共有臥式加工中心6臺(tái)，每臺(tái)加工中心使用6把鉆頭參與加工。加工時(shí)，采用機(jī)械手自動(dòng)上下料，A軸和B軸聯(lián)動(dòng)確定工件裝夾姿態(tài)；采用MQL微量潤滑技術(shù)和常規(guī)外冷技術(shù)結(jié)合，確保加工時(shí)刀具的穩(wěn)定性。曲軸斜油孔長徑比為18，屬于極難加工。

1.2 現(xiàn)況簡介

對斜油孔加工過程進(jìn)行分析，斜油孔加工分為三個(gè)步驟：

銑刀加工銑出端口平面；麻花鉆加工出導(dǎo)向孔；麻花鉆貫穿斜油孔。

表1

1.3 問題描述

由于曲軸斜油孔長徑比為18，屬于極難加工，刀具壽命低、異常折損的刀具較多。加工斜油孔的3把刀具，都有大量的折損，統(tǒng)計(jì)了6月份1個(gè)月內(nèi)的刀具異常折損情況。刀具折損均為加工中折斷，其中T03發(fā)生異常折損18把，T04發(fā)生異常折損13把，T04發(fā)生異常折損36把。每月的異常刀具統(tǒng)計(jì)中，斜油孔加工產(chǎn)生的異常占到50%以上，這對生產(chǎn)效率和成本以及不良品指標(biāo)控制產(chǎn)生了較大負(fù)面影響，見圖1。

2 原因分析

2.1 工藝原因

存在三個(gè)影響刀具壽命的主要因素：

銑刀在加工完成后加工表面有凸起；

導(dǎo)向孔加工時(shí)麻花鉆受車不均勻，鉆頭發(fā)生偏移；

麻花鉆貫穿斜油孔時(shí)超過彎曲應(yīng)力極限，刀具折斷，見圖2。

不難發(fā)現(xiàn)，在STEP 1中銑削產(chǎn)生的凸起是造成后續(xù)加工發(fā)生折損的根本原因。由于銑削平臺(tái)時(shí)產(chǎn)生的凸起對鉆導(dǎo)向孔麻花鉆頭的定心產(chǎn)生徑向力，造成導(dǎo)向孔位置偏移，從而也造成了貫通孔麻花鉆因?yàn)槭艿搅酥鬏S和工件的彎曲應(yīng)力超出了極限而發(fā)生斷裂。

2.2 刀具原因

通過對斜油孔加工過程與刀具材料分析，異常斷刀主要原因之一是刀具涂層耐磨性較差造成，現(xiàn)有刀具涂層黑灰色主要成分為單層 TiCN，TiCN是綜合 TiN和 TiC 兩種材料優(yōu)點(diǎn)的涂層材料，顏色為紫紅色，表面硬度為2700HV，開始氧化溫度為450℃，但是在高速大余量切削過程中，涂層易氧化，導(dǎo)致高溫下化學(xué)性能不穩(wěn)定。在實(shí)際使用中，銑刀和麻花鉆均為TiCN涂層，因而發(fā)生刀具異常折損也不可避免，見圖3。

圖1

圖2

圖3

圖5

3 改善方案

3.1 工藝改善

通過對工藝的原因分析，為了杜絕銑刀在加工完成后加工表面有凸起這一根本原因，并查閱了相關(guān)資料，提出使用平頭鉆這一復(fù)合型刀具來1步加工斜油孔的導(dǎo)向孔。在刀具技師的技術(shù)支援下，修磨出一把平頭鉆，見圖4。

圖4

加工工藝相應(yīng)改變，加工斜油孔的3步加工精簡為2步加工，并修改了相應(yīng)加工程序，見圖5。

3.2 刀具改善

由于TiCN涂層使用效果不理想，決定采用新型涂層 TiAlN，TiAlN 是近幾年來開發(fā)的新涂層材料，顏色為紫黑色，如圖3-3，表面硬度為2800HV，開始氧化溫度為 800℃。它的附著力比TiCN涂層大，涂層的硬質(zhì)合金刀具的高溫硬度好，涂層材料開始氧化的溫度比 TiCN 涂層要高，化學(xué)穩(wěn)定性更好，這種特性可以使涂層硬質(zhì)合金刀具避免受高溫的危害，從而保護(hù)切削刃。

更重要的是，TiAlN 涂層中的Al在高速切削中由于熱量的作用向外擴(kuò)散與氧反應(yīng)生成了一種致密完整連續(xù)的 Al2O3 保護(hù)膜，這層保護(hù)膜對涂層的氧化作用起阻礙作用，從而阻止了涂層的進(jìn)一步氧化，大大提高了TiAlN 涂層在高溫下的化學(xué)穩(wěn)定性，可更有效地用于高速切削，見圖6。

4 改善效果

4.1 無形效果

4.1.1 生產(chǎn)性提高

通過將斜油孔的加工步驟從3步加工精簡為2步加工，減少了刀具更換、主軸旋轉(zhuǎn)以及刀具切削的時(shí)間，從而減少了總加工時(shí)間，提高了加工效率

改善前：Cycle/Time：47″，

改善后：Cycle/Time：42″，

工序節(jié)拍提升 ↑ 5″。

4.1.2 人員士氣提升

使用平頭鉆加工曲軸斜油孔具有推廣性，可應(yīng)用于北京現(xiàn)代三個(gè)發(fā)動(dòng)機(jī)工廠的曲軸生產(chǎn)線；推進(jìn)改善的過程提高了員工的積極性，團(tuán)隊(duì)的每位成員通過深入研究、商討和反復(fù)測試，為改進(jìn)工藝和降低成本作出了努力。

圖6

連續(xù)切削時(shí)不同涂層的磨損量變化比較

4.2 有形效果

通過工藝改善，避免了刀具異常折損和造成的加工不良品；工藝縮短為2步加工后刀具單臺(tái)月均節(jié)儉20250.00元，綜合計(jì)算月均節(jié)儉金額為70861.55元。

5 結(jié)語

通過在曲軸斜油孔的加工中使用平頭鉆，提高了加工效率，降低了不良率，節(jié)儉了刀具使用成本，使用平頭鉆加工曲軸斜油孔在行業(yè)內(nèi)也具有廣泛的推廣性和借鑒性。