淺析加工曲軸法蘭中心孔

耿小方，梁卓，陳健

上汽通用五菱汽車股份有限公司青島分公司 山東青島 266555

1 序言

發動機是汽車最關鍵的部分，曲軸是發動機的主要旋轉零部件，其軸頸的尺寸精度和表面質量直接決定了曲軸運行時的穩定性、磨損和噪聲。因此，曲軸的加工精度是決定發動機性能好壞的關鍵。

曲軸中心鉸孔用來安裝輸入軸承，而輸入軸承用來連接發動機和變速器，起導向作用，所以對中心孔的精度要求高，進而對加工工藝及設備的加工能力要求也非常高。

2 中心孔加工工藝

發動機工廠二期曲軸生產線生產1.2L和1.5L的四缸鑄鐵曲軸，設計產能為23萬件/年，于2014年8月正式投產。

OP100工位主要用于精銑鍵槽、發信盤螺紋孔及鉸中心孔，采用德國美格（MAG）單主軸HSK63刀柄的臥式加工中心，機床加工過程中定期通過意大利馬波斯（Marposs）測頭對機床夾具進行補償。曲軸法蘭中心孔用來安裝曲軸齒輪箱輸入軸承，其精度要求高，加工公差只有13μm。行業內中心孔、導向孔的加工工藝一般分兩種，一種是通過磨床對孔進行精磨，另一種是通過精鉸加工。本公司采用的是第二種，即通過加工中心使用鉸刀對孔進行精鉸加工，以下為曲軸生產線工藝流程圖（見圖1）。

圖1 曲軸生產線工藝流程圖

3 現狀調查

自曲軸生產線二期B15機型投產以來，曲軸法蘭中心孔直徑頻繁出現超差，導致下線合格率（FTQ）低（見圖2），影響生產線的輸出及下線的報廢指數（見圖3）。

圖2 下線超差數據

圖3 法蘭中心孔報廢數據

4 原因分析

當前加工法蘭中心孔刀具采用普通液壓刀柄夾持、導條式單刃鉸刀，可調整懸伸量，不可調節刀具跳動，曲軸法蘭中心孔的公差為H6級，所以只靠單刃鉸刀的加工精度（H8～H7）無法滿足加工要求。加工尺寸要求為φ20.976～φ20.989mm（公差為13μm），普通液壓刀柄的跳動公差＋刀具的調節公差＋機床主軸的跳動＞13μm（見圖4），換刀時及主軸跳動變差時易導致加工尺寸不穩定，造成法蘭中心孔直徑超差。

圖4 加工跳動

5 解決對策

在機械制造工藝中，鉸削是一種被廣泛使用的加工方法，尤其是在批量生產中，它是一種精加工或半精加工的方法，被作為精密零件的中間加工工序來使用。但是在實際應用中，鉸孔加工的缺點及問題明顯，且不易被解決。主要問題是被加工孔的形狀、誤差不易控制，孔內易劃傷，精密零件孔的尺寸不易保證，特別是細長孔鉸削加工，上述問題更加嚴重。

當前法蘭中心孔的導向孔主要由兩種刀具進行加工，一種為多刃鉸刀（見圖5），一種為單刃導條刀具（見圖6）。兩種刀具加工法蘭中心孔各有優缺點，對兩種鉸削工藝優、缺點進行對比，多刃鉸刀工藝的優、缺點見表1，單刃導條刀具工藝的優、缺點見表2。

表2 單刃導條刀具工藝的優、缺點

圖5 多刃鉸刀

圖6 單刃導條刀具

表1 多刃鉸刀工藝的優、缺點

以單刃導條刀具在法蘭中心孔加工中的應用為例，單刃導條刀具切削與導向兩部分分開，由鉸刀上的兩個不同部分來承擔。刀具上的1個切削刃（刀齒）和3個導向塊，在徑向剖面上構成了“三點成一個圓”的定位原理，如圖7所示。刀具切入工件后能自行導向，因而有可能加工出較高的尺寸精度和幾何精度，尺寸精度可達H8～H7 級，表面粗糙度值Ra＜1.6μm （與鏜孔加工類比推出） 。切削時，如果有條件，可用較大壓力供給切削液，還可提高鉸孔速度，提高加工效率。

圖7 單刃導條刀具結構

綜上分析，曲軸法蘭中心孔直徑不穩定的主要影響因素是刀具與主軸的配合問題。由于法蘭中心孔直徑尺寸公差小，且要求嚴格，使用常規普通液壓刀柄與主軸進行配合，累計公差超過尺寸公差要求，所以不同刀具與主軸之間配合后的跳動不穩定，換刀后容易導致加工中心孔直徑超差。解決法蘭中心孔直徑不穩定的問題，需解決刀具與主軸之間的配合問題。

針對刀具與主軸配合后，刀具加工跳動變大的問題，可制作專用刀具，使刀具可以在跳動方向調整。該刀具的可調刀柄分為兩部分（見圖8），由8個螺釘進行固定，用于調節刀具的跳動。將刀具安裝在主軸上測量刀具的跳動，可將刀具在主軸上的跳動調整至3μm以內，刀具只使用在此機床上，并定期檢查刀具在主軸上的跳動，若跳動超差，則進行跳動調整，直至跳動滿足加工要求。

圖8 可調刀柄

6 效果檢查

改進加工法蘭中心孔用刀具后，對該刀具進行固定，且定期在機床上測量刀具跳動。如果出現超差，就及時進行調整，改善效果比較明顯。

1）法蘭中心孔直徑穩定性明顯得到改善，超差比例由5%左右降低至1%以下（見圖9、圖10）。

圖9 法蘭中心孔直徑下線數據

圖10 法蘭中心孔直徑超差比例對比

2）提升刀具壽命，降低換刀的次數和換刀檢查時間，減少疲勞強度，提高機床綜合利用率。

3）彌補了主軸跳動變大帶來的影響，減少主軸的更換頻次。

4）推廣運用于其他領域，解決了法蘭中心孔加工不穩的問題。

7 結束語

曲軸作為發動機的核心部件，其尺寸精度要求也是發動機零部件中要求最高的，而法蘭中心孔作為發動機與變速器連接的主要部位，精度要求非常高。在曲軸加工中對于一些公差小的尺寸，如果傳統刀具與機床配合無法保證工件加工尺寸的精度，需使用專用刀具與主軸進行配合以滿足產品尺寸公差要求。