悬臂式镗孔VS线镗孔，哪个加工曲轴更有优势？

夹具超人 · 发表于 2019-3-29 09:54:22

发动机缸体属于典型的多面多孔的箱体类零件，加工工艺复杂。曲轴孔作为发动机缸体上的重要孔系，它的加工质量好坏直接影响发动机的装配精度和整机性能，需要依靠设备精度、工装夹具的可靠性和加工工艺的合理性等来保证。

发动机曲轴工序分析

发动机曲轴孔的加工一般包括三个工序：

粗镗曲轴孔半圆—精镗曲轴孔—铰珩曲轴孔。精镗曲轴孔是为了形成正确的几何形状，这道工序尤为重要。

目前精镗曲轴孔的主要方式有：CNC+悬臂式镗刀、CNC+线镗刀加工曲轴孔以及线膛专机等。某公司的两个基地分别采用前两种加工方式对曲轴孔进行精加工，通过对比可以发现悬臂式镗刀和线镗刀加工曲轴孔的优劣。

表1 精加工曲轴孔尺寸要求

某工厂的B系列发动机对曲轴孔精加工的控制尺寸如表1所示。任何一个尺寸控制不好，都可能造成曲轴安装困难，回转转矩异常甚至曲轴抱死。研究缸体曲轴孔加工工艺及设备能力，对发动机的性能有至关重要的作用，对企业选择加工方式、制定应对措施有一定借鉴作用。

曲轴孔精镗现状

前期项目中，某工厂采用“CNC+悬臂式组合镗刀”的方式加工曲轴孔。如图1所示，短刀加工第5、第4两档曲轴孔作为导向，为保证各档曲轴孔之间有较高的同轴度，长刀需和短刀同方向进刀加工第三、二、一这三档曲轴孔。

在加工过程中，短刀先加工出两档曲轴孔，长刀沿着短刀镗刀进刀位置进刀加工，并以前面加工好的前两档作为长刀体上导向条的支撑孔，通过刀具自定位保证各曲轴孔之间的位置度。这种加工方式柔性高，同一台CNC可加工多个特征，夹具相对简单。

图1

这种加工方式工艺简单，柔性高，但有两个因素会导致加工不稳定：第一，以短刀加工的前两个孔作为长刀的导向，则长刀的位置度就会受前两孔加工质量的影响，因此前两孔的直径需要严格控制，稍大将起不到导向作用，偏小则会引起长刀导向条被刮伤报废；第二，长刀导体重切悬臂过长，远端下沉，导致远端曲轴孔位置度不好（见图2），曲轴孔垂直方向波动大，导致曲轴孔位置度Cpk能力较差。

图2 曲轴孔垂直方向位置

图3是收集的近一年来的曲轴孔Cpk能力。从图中可以看出，受刀具悬臂过长影响，垂直方向的位置波动大，导致曲轴孔过程能力较低，偶有不达标的情况，这就存在很大的质量风险。

图3 曲轴孔Cpk能力

工艺的改进

1.采用新的加工方式

基于前期项目经验的加工方式缺陷，改用“CNC+线镗刀”的方式加工曲轴孔。这种加工方式所采用的CNC带有导套，即在刀具远端夹具上有一个导套，导套上有一个键，线镗刀（图4）上有一个与之相配合的键槽。加工时，线镗刀先偏心进刀并与导套配合，然后采用退刀“拉镗”的方式精镗曲轴孔。加工中，导套和镗刀一起旋转并支撑镗刀刀头。这种镗刀的刀片呈一条直线，所以这种镗刀也被称为“线镗刀”。这种CNC柔性较高，但是夹具相对复杂，需要顶升和下降机构，以便刀具的偏心进刀。

图4 线镗刀

2.两种加工方式的对比

如表2所示， CNC+悬臂式镗刀与CNC+线镗刀的加工方式各有优势。

表2

3.曲轴孔位置度Cpk的对比

如图5所示，对比两种加工方式下的曲轴孔位置度Cpk能力，悬臂式的能力值有不达标的情况，而线镗刀能力值均达到目标值且整体比前者要好。

如图6所示，对比刀柄远端曲轴孔垂直方向的加工情况，线膛工艺单方向波动较小，而悬臂式波动较大，可见线镗工艺的加工过程、加工数据由于刀具远端有轴承导套支撑而变得更加稳定，Cpk数值更高。线镗刀加工曲轴孔的稳定性良好，其曲轴孔位置度的能力比悬臂式镗刀要高出不少，这也很好地解决了曲轴孔位置度Cpk能力较差的现状。

线膛工艺加工中的常见问题浅析

采用线镗刀加工工艺后，曲轴孔位置度能力提升明显，同时，在验收设备过程及正式生产过程中，此台设备也新增了故障模式。线膛工艺的机床夹具如图7所示，其夹具新增的轴承、托盘油缸等是故障的主要发生点。

图7

针对问题故障，总结经验如表3所列。线膛加工工艺的故障模式主要与夹具升降机构、偏心进刀等相关联。每次故障后需要确认刀具的远端跳动、调整刀具的进刀位置、刀具和轴承导套的配合尺寸等，所以在验收及正式生产两年时间内，故障时间相对其他CNC来说比较长。

表3

线镗工艺是一把镗刀一次进刀加工，线镗刀加工曲轴孔的位置度与悬臂式加工曲轴孔相比，有了很大的提升。这种提升得益于线镗刀这种加工方式的三大优点：线镗刀一刀10个直线分布的刀片、5档曲轴孔同时加工而且远端有轴承导套支撑镗刀。轴承导套支撑镗刀刀头很大程度上解决了CNC加工曲轴孔的共性问题——刀具悬伸长导致刀具跳动大。这些都使得曲轴孔的加工过程更加稳定、可控，避免了批量超差的情况，减少了追溯、隔离工作。

当然，线膛工艺也存在一些问题，如在调整过程中所需的停线等待时间较长；如需调整加工坐标时，只能通过定位销、定位面的调整来精调；因轴承导套需与刀具配合，若两者配合异常会导致刀具与导套相撞。

曲轴孔的加工是缸体生产线工艺策划的关键，需要保证曲轴孔的各项加工精度。在保证产品技术要求的前提下，选择一种适合自身的生产模式。各个企业自身的实际情况不同，在满足现在生产需求和未来生产变化的情况下，应该结合多方因素综合考虑，合理策划，采取合适的加工工艺，使其尽可能发挥最大价值，以降低生产成本，提升产品的竞争力。

（来源夹具侠）