某型柴油機(jī)曲軸孔加工精度提升研究＊

李世永 丁 澤 張春明 郭鵬飛

（①濰柴動力股份有限公司新產(chǎn)品制造中心，山東 濰坊 261061；②青島理工大學(xué)機(jī)械與汽車工程學(xué)院，山東 青島 266520）

柴油機(jī)曲軸孔主要作用是支撐曲軸，傳遞從曲柄傳來的扭矩并通過法蘭輸出，同時吸收活塞運(yùn)動過程中產(chǎn)生的軸向和側(cè)向力[1-2]。由于曲軸孔加工質(zhì)量嚴(yán)重影響發(fā)動機(jī)工作性能，所以對曲軸孔加工精度要求較高，其質(zhì)量的評價包括直徑、位置度、圓度、同軸度、各檔曲軸孔中心直線度及表面粗糙度等[3]。為滿足這些苛刻質(zhì)量指標(biāo)，曲軸孔精加工一般采用專機(jī)線鏜或鉸珩兩種加工方式。

基于某新型4 缸柴油機(jī)機(jī)體，曲軸孔專用工藝裝備采購周期較長，為縮短試制準(zhǔn)備周期與降低試制成本，樣試階段采用加工中心與線鏜刀試切?69H6曲軸孔。

1 主要試切條件與測量要求

加工方式：線鏜刀一端與加工中心主軸剛性連接，另一端穿入夾具端部支撐套保證加工位置精度，通過機(jī)床主軸軸向移動實(shí)現(xiàn)曲軸孔加工，應(yīng)用的其他加工條件見表1，應(yīng)用的曲軸孔精加工刀具、夾具照片見圖1、圖2。

圖1 曲軸孔精加工刀具

圖2 應(yīng)用夾具

表1 主要加工條件

測量要求：應(yīng)用ZEISS CALYPSO 三坐標(biāo)測量機(jī)測量每檔（共5 檔）曲軸孔圓柱度，圖3 為曲軸孔測量位置示意圖，每檔曲軸孔用測針掃描兩截面圓（兩截面圓位置分別距離開檔面內(nèi)側(cè)3 mm，有效避開了曲軸孔邊緣銳邊影響）自動構(gòu)建圓柱評價得出圓柱度，為減小測量誤差，取兩次測量平均值作為每檔曲軸孔有效值。

圖3 曲軸孔測量位置示意圖

圖紙要求每檔曲軸孔圓柱度0.007，試切結(jié)果機(jī)體前端起第1 檔、第4 檔曲軸孔圓柱度為0.011～0.013，加工精度不合格。

2 5M1E 分析

“人機(jī)料法環(huán)測”是對全面質(zhì)量管理理論中6個影響產(chǎn)品質(zhì)量的主要因素的簡稱[4]。人（man），指制造產(chǎn)品的人員；機(jī)（machine），指制造產(chǎn)品所用的設(shè)備或工具工裝；料（material），指制造產(chǎn)品所使用的材料；法（method），指制造產(chǎn)品所使用的工藝流程和加工方法；測（measurement），指測量采用的方法是否正確，測量結(jié)果是否準(zhǔn)確；環(huán)（environmen），指產(chǎn)品制造過程所處的環(huán)境[5-6]。由于這5 個因素的英文首字母是M和E，所以常簡稱為5M1E，當(dāng)產(chǎn)品出現(xiàn)質(zhì)量問題時可從5M1E的6 個方面進(jìn)行排查分析。

2.1 篩選可能的主要因素

對曲軸孔圓柱度加工不合格問題初步分析，見表2，排除次要因素，篩選出“機(jī)”與“料”是可能的主要因素。

表2 5M1E 分析表

2.2 進(jìn)一步分析影響因素“機(jī)”、“料”

基于可能的主要因素“機(jī)”、“料”，分析刀具、夾具和工件半成品影響曲軸孔圓柱度的可能問題項(xiàng)，逐項(xiàng)排查驗(yàn)證，篩選出主要問題，表3 是排查驗(yàn)證情況。

表3 “機(jī)”、“料”排查驗(yàn)證情況

通過上述分析，進(jìn)一步縮小問題范圍，夾具壓頭壓緊力偏大是曲軸孔圓柱度超差主要原因。

3 夾具優(yōu)化與工件試切驗(yàn)證

根據(jù)一面兩銷定位原理及不共線三點(diǎn)確定一個平面得知夾具3 處較小定位面（可簡化為3 個點(diǎn)）即可實(shí)現(xiàn)平面定位要求，因每處定位面對應(yīng)著1 處壓緊點(diǎn)，即3 處壓頭可實(shí)現(xiàn)工件壓緊。壓頭數(shù)量較多時一方面可提高工件剛性與工件切削時可靠性，另一方面可能導(dǎo)致工件壓緊變形，影響工件加工精度。

減少壓頭數(shù)量與減小壓頭作用壓力可有效減小夾具壓緊力[7]。基于夾具現(xiàn)狀，考慮盡量減少改造內(nèi)容，分層分步實(shí)施夾具壓頭數(shù)量優(yōu)化與作用壓力優(yōu)化。

3.1 夾具壓頭數(shù)量優(yōu)化

由夾具液壓原理圖（圖4）得知，共8 處壓頭，4 處壓頭由單獨(dú)油缸控制，是主壓頭，此油路共兩處減壓閥，1 處控制3 個油缸，另1 處控制1 個油缸；另外4 處壓頭共用1 個油缸，是輔助壓頭，此油路沒有減壓閥，但有1 處節(jié)流閥。

圖4 夾具液壓原理圖

步驟1：保持4 處輔助壓頭狀態(tài)不變，通過兩處減壓閥調(diào)低主壓頭油路壓力，分別試驗(yàn)9 MPa、6 MPa、3 MPa 時工件壓緊變形情況。測量方式：通過磁力表座將杠桿表固定至夾具體，使用杠桿表測量工件壓緊前后第1 缸孔有無位移變化（變形量），夾具壓頭及位移變化測量位置見圖5。試驗(yàn)結(jié)果：試驗(yàn)的3 個壓力，工件壓緊前后均有0.05～0.06 mm 位移變化，即工件壓緊變形較嚴(yán)重，表明當(dāng)前狀態(tài)4 個輔助壓頭起主導(dǎo)作用。

圖5 夾具壓頭及位移變化測量位置

步驟2：考慮避免工件未壓牢，加工中出現(xiàn)工件松動問題，將4 處主壓頭油路壓力調(diào)高（9 MPa），通過節(jié)流閥切斷4 處輔助壓頭油路壓力（因4 處輔助壓頭油路沒有減壓閥，沒法調(diào)低壓力），試驗(yàn)工件壓緊變形情況。試驗(yàn)結(jié)果：工件壓緊前后有0.054 mm位移變化，工件壓緊變形問題無明顯改善。

試驗(yàn)結(jié)果表明，可去除夾具4 處輔助壓頭作用，同時需繼續(xù)調(diào)低主壓頭油路壓力，試驗(yàn)避免工件壓緊變形且能可靠壓緊壓力值。

3.2 夾具壓頭作用壓力優(yōu)化

步驟3：只保留夾具4 處主壓頭，小分量調(diào)低油路壓力，試驗(yàn)不同壓力值對工件壓緊變形的影響，試驗(yàn)情況見表4，結(jié)果表明，工件壓緊變形量隨油路壓力減小呈減小趨勢，當(dāng)油路壓力小于等于3 MPa時工件壓緊無明顯變形。

表4 油路壓力對工件變形影響

3.3 工件試切驗(yàn)證

從上述試驗(yàn)得知，避免工件壓緊變形的較大油路壓力為3 MPa，此時壓緊工件系數(shù)較高，同時考慮曲軸孔精加工時工件承受切削力較小，試切中出現(xiàn)工件松動風(fēng)險較低，將試切驗(yàn)證加工效果。

步驟4：只保留夾具4 處主壓頭，主壓頭油路壓力調(diào)為3 MPa，完成工件裝夾與試切。試切結(jié)果：5 檔曲軸孔圓柱度分別為0.005 4、0.005 0、0.004 9、0.005 6和0.005 8，滿足要求精度（0.007）。

步驟5：固化步驟4 中夾具要求，連續(xù)跟蹤5臺氣缸體檢驗(yàn)報告，曲軸孔加工均合格，圓柱度超差問題徹底解決。

4 結(jié)語

通過5M1E 分析與排查鎖定了夾具問題是導(dǎo)致曲軸孔圓柱度加工不合格主要因素，對夾具壓頭數(shù)量與位置進(jìn)行優(yōu)化，并試驗(yàn)得出夾具主壓頭油路壓力3 MPa 時既能可靠壓緊工件又能避免壓緊工件變形，解決了曲軸孔圓柱度加工超差問題。