曲軸交叉油孔毛刺產生機理分析及控制措施

張風順，賴明聰

（上汽通用五菱汽車股份有限公司，廣西 柳州545007）

隨著汽車制造業的飛速發展，顧客對于整車性能的要求越來越高。發動機作為汽車的核心部件之一直接影響到整車的整體性能。曲軸作為發動機的核心部件，其工作環境尤為惡劣，不僅承受著周期性變化的活塞連桿組往復運動及旋轉運動的力，還長期處于彎曲、扭轉、振動等循環應力的作用。而曲軸清潔度的好壞對NVH及油耗一致性有著較大影響。在加工發動機曲軸時，工件的油孔均經過OP40鉆床工序對各個軸頸進行鉆削加工，在零件內部直、斜油孔交匯處極易產生毛刺，在后續加工和運輸過程中存在毛刺掉落的風險，若殘留的毛刺掉落入軸瓦處，不僅加劇了軸瓦的異常磨損，還會造成發動機的異響和異常振動等一系列性能問題。

本文對發動機曲軸交叉油孔處毛刺的產生機理進行系統性分析，找出影響曲軸交叉油孔毛刺的主要因素，并結合國內目前抑制或減少毛刺的工藝方法，以降低毛刺掉落風險，改善曲軸油孔清潔度。

1 曲軸交叉油孔毛刺產生機理

1.1 曲軸交叉油孔毛刺形態及特征

在發動機曲軸機加工過程中，存在交叉油孔處毛刺難以去除的問題。曲軸線油孔鉆機床加工出的交叉油孔處毛刺主要表現為：毛刺突出于交叉油孔薄壁處，細且長（如圖1所示）。根據毛刺形態及特征的分類[1]，將毛刺分為Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ三種類型（如圖2所示）。Ⅲ型毛刺凸出于工件終端，附加在加工孔周圍，毛刺尺寸是三種毛刺類型里最大的，毛刺長度H≈d/2，毛刺寬度B也是最大的，曲軸交叉油孔毛刺屬于Ⅲ型毛刺。

圖1 曲軸交叉油孔毛刺形態

圖2 鉆削中毛刺的基本形態

1.2 曲軸交叉油孔毛刺產生原因

曲軸交叉油孔毛刺的產生，與油孔鉆削順序息息相關。曲軸軸頸上的直油孔、斜油孔鉆削順序（以某1.5 L曲軸為例）為：預鉆直油孔→鉆通直油孔→預鉆斜油孔→鉆通斜油孔（如圖3所示）。

圖3 鉆削曲軸油孔順序流程圖

油道孔的鉆削過程，本質是刀具的鉆頭擠壓工件產生的剪切滑移過程，由于油道孔本身的結構和布局，在兩個及以上油道形成交匯處的邊、角、棱會出現較大的塑形變形[2]，鉆頭與工件在交匯處有一個分離的過程，極易產生毛刺（如圖4）。根據切削運動-刀具切削刃毛刺分類體系[3]，鉆削加工過程中產生的毛刺方向分為兩大類：切入進給方向和切出進給方向。在進行斜油孔加工時，由于交叉油孔處壁厚最薄，當鉆頭處于切出進給方向時，薄壁處收到較大的擠壓力而產生塑性變形形成毛刺。

圖4 某1.5 L曲軸交叉油孔示意圖

2 影響曲軸交叉油孔毛刺的主要因素

曲軸交叉油孔毛刺產生于鉆削加工過程。影響工件毛刺的因素很多，主要分為以下三大方面的因素：

（1）刀具參數設置：包括鉆頭切削速度、進給量；

（2）工件材料：某1.5 L曲軸的毛坯材料為鑄鐵，鑄鐵的特性表現為硬而脆。從大批量曲軸生產中發現機加工鉆削產生的毛刺較1.5 L鍛鋼件所產生的毛刺少；

（3）鉆頭的幾何參數：包括鉆頭的幾何角度、鉆頭耐用度等。

綜合以上三點因素，通過減少刀具進給量、增加頂角角度、合理設置刀具耐用度等，能夠從一定方面上改善曲軸交叉油孔毛刺的問題。

3 現有去毛刺控制措施

3.1 機械去毛刺

傳統去除曲軸交叉油孔處毛刺的方法為：鉆完直、斜油孔之后，在交叉油孔處進行锪圓角處理，去除粘附在交叉油孔處的細長毛刺。以某1.5 L曲軸為例，其去除交叉油孔毛刺的工藝流程（如圖5所示）為：

圖5 某公司1.5 L曲軸去毛刺工藝流程

在現有的曲軸加工工藝中，主要是通過鉆完斜油孔后的去毛刺刀去除曲軸交叉油孔毛刺，油孔鉆工位去毛刺刀（如圖6所示）初步對產生的交叉油孔毛刺進行去除，未完全去除的毛刺會在機器人通油孔工位毛刷（如圖7所示）對曲軸交叉油孔毛刺進行二次機械去除，確保曲軸交叉油孔處的清潔度。

圖6 OP40工位去毛刺刀具

圖7 OP110工位毛刷

通過不斷優化刀具來改善曲軸交叉油孔毛刺，直、斜油孔經過鉆削后，使用刀頭部分帶有剛性較好的燈籠刷（如圖8）來清理油孔毛刺。新型燈籠刷刀頭部分為網格燈籠狀，毛刺產生后燈籠刷進入交叉油孔處，細長的毛刺易被網格燈籠刷打斷或卷斷。通過現場驗證，使用新型燈籠刷，交叉油孔處毛刺有明顯減少，曲軸不合格率由92%降低為30%，降低了62%，且有毛刺的工件毛刺表現為細微毛刺，部分有缺口，相比驗證前有較好的改善。

圖8 新型燈籠刷示意圖

3.2 高壓清洗去毛刺

高壓清洗是通過定位夾具將曲軸定位后，高壓泵的壓力加壓至300 MPa后噴嘴對準曲軸主軸頸油道口交叉油孔處進行定點定位的高壓清洗。高壓噴嘴能夠有效的將油道孔內交叉油孔處的殘留毛刺清除沖洗掉，保證交叉油孔處的清潔度。某曲軸生產線清洗工位采用的是涿州雙威中間清洗機（如圖9所示）。

圖9 中間清洗機結構示意圖

中間清洗機主要是由機體、輸送系統、液箱、冷卻裝置、清洗系統、過濾系統、油水分離裝置、吹干系統、集中潤滑、除霧系統等組成，結構形式為抬起步伐通過式。曲軸在完成油孔鉆工序后進入清洗工序，其工作順序為：零件由機械手送料到位（到位檢測），然后端面孔清洗，再到高壓清洗油道孔、工件旋轉掃描清洗、定點吹油道孔，最后高壓風吹干工件表面下料到（到位檢測），械手取料。曲軸交叉油孔毛刺即是在高壓清洗油道孔步驟中被高壓沖洗掉的。

4 結束語

毛刺的產生源于刀具的鉆頭與工件產生的剪切滑移擠壓導致，在機加工過程中無法百分百避免，在項目設計前期時要考慮到油道孔本身的結構和布局，盡量避免兩個及以上油孔的交匯。毛刺的產生不僅影響了產品的表面質量，對人工返修也是一種極大的浪費。因此，要想有效去除曲軸毛刺保證曲軸清潔度，可不斷優化加工工藝，專門設置“機械去毛刺”或“高壓清洗去毛刺”等工序來保證曲軸交叉油孔的清潔度。