曲軸連桿頸側(cè)壁加工粗糙度問題解決

傳統(tǒng)的自然吸氣發(fā)動機曲軸連桿頸側(cè)壁的粗糙度要求一般為Rz16µm，外銑或內(nèi)銑機床采用普通不可調(diào)的盤式銑刀加工就能滿足要求。增壓發(fā)動機的曲軸連桿頸側(cè)壁的粗糙度要求一般為Rz6µm，通常采用磨削或者帶一個修光刀片的內(nèi)銑刀具加工。內(nèi)銑加工效率低、換刀頻繁，而且必須與內(nèi)銑機床匹配使用，使用范圍大大受到限制。所以，研究采用外銑機床和外銑刀具來加工連桿頸側(cè)壁，來保證粗糙度具有一定的現(xiàn)實意義和推廣性。

問題背景

我公司發(fā)動機四期增壓改造項目中曲軸線要求增壓曲軸與非增壓曲軸共線生產(chǎn)，目前采用外銑機床和外銑刀具來加工曲軸連桿頸側(cè)壁。增壓曲軸連桿頸側(cè)壁的粗糙度要求為不大于Rz6µm(見圖1)。當(dāng)外銑機床采用不可調(diào)的外銑刀具加工時，連桿頸側(cè)壁表面存在交叉網(wǎng)紋的接刀痕(見圖2)，該接刀痕的臺階高度直接影響側(cè)壁的粗糙度。由于外銑刀具上的刀片不可調(diào)，刀片間的高度差、刀片的軸向跳動等因素造成接刀痕高度不可控。無論如何調(diào)整切削參數(shù)，粗糙度測量結(jié)果基本上都在Rz4～9µm之間，且數(shù)值波動大，個別值在Rz10µm以上，無法滿足要求。

解決方案分析

由于表面粗糙度的要求，傳統(tǒng)的解決方案是采用內(nèi)銑機床和內(nèi)銑刀具來解決，但是更換現(xiàn)有的外銑機床及外銑刀具成本巨大，初步估算改造投資成本在千萬元以上，比如僅重新采購刀具的成本就高達200萬元以上，采購周期更長達4個月以上。通過分析，在外銑刀具的刀盤上增加修光刀片來解決表面粗糙度問題是一個可以嘗試的方案。如圖3所示，在原有刀盤兩側(cè)上增加修光刀片，整個刀盤的圓周方向布置4對修光刀片。把修光刀片設(shè)計成可調(diào)式的，通過一個調(diào)節(jié)螺釘把修光刀片調(diào)節(jié)成在寬度方向高出其他不可調(diào)刀片15～20μm，這樣可以對連桿頸側(cè)壁表面進行修光加工，以獲得好的表面粗糙度。

效果驗證

由于刀具精度、刀片間高度差的大小和刀片的軸向跳動均會對表面粗糙度結(jié)果產(chǎn)生影響，所以與以往普通的不可調(diào)式銑刀不同，外銑刀具安裝到機床上之前，需要在專用對刀儀上對刀具進行全面的檢查和校正。表1所示為可參考的刀具檢測標(biāo)準(zhǔn)。

刀具調(diào)整好后首先在機床上測試4組切削參數(shù)，并測量相應(yīng)的4個軸頸側(cè)壁的表面粗糙度，以便找到最優(yōu)的切削參數(shù)，結(jié)果如表2所示。

從上述結(jié)果分析，第3組的切削參數(shù)得到的表面粗糙度值最為理想。于是采用第3組參數(shù)加工了2000件工件，每50件抽檢1件測量表面粗糙度，分別測量P3連桿頸左右兩側(cè)的側(cè)壁和P4連桿頸左側(cè)側(cè)壁的表面粗糙度，結(jié)果如圖4所示。

從圖4可以看出，表面粗糙度數(shù)值基本是穩(wěn)定的，大部分?jǐn)?shù)值都在Rz6um以內(nèi)，比之前數(shù)值在Rz4～9um內(nèi)波動的情況已經(jīng)有了很大的改善，說明增加修光刀片來加工連桿頸側(cè)壁獲得的表面粗糙度方案是有效的。但是，有5個點的表面粗糙度超出Rz6um，且最大點的值已經(jīng)達到了Rz8.2 um，所以該刀具加工方案還沒有徹底解決問題，需要進一步分析研究。通過檢測最大點的表面粗糙度測量圖形，發(fā)現(xiàn)側(cè)壁表面接刀痕處存在一個高度差12μm左右的小臺階(見圖5)是造成粗糙度超差的主要原因。所以接刀痕的臺階高度是影響表面粗糙度的決定性因素，如果想要減小接刀痕的臺階高度，就必須對刀具結(jié)構(gòu)設(shè)計做進一步的優(yōu)化，否則不能徹底解決此問題。

改進方案及效果分析

從刀具結(jié)構(gòu)上分析，原刀具方案的修光刀片是錯開布置的設(shè)計(見圖6)，當(dāng)?shù)毒咔腥牍ぜr，兩個修光刀片受力不均，特別是當(dāng)?shù)镀p后這種受力不均的情況會更加突出，容易造成側(cè)壁表面的接刀痕處臺階高度過大，從而使得表面粗糙度超差。改進的刀具方案如圖7所示，通過重新布置修光刀片位置，使兩側(cè)的修光刀片處于平行位置，或者說是幾乎是對稱的位置，使得刀具切削時兩側(cè)的刀片受力均勻，可以提高切削時的穩(wěn)定性，減小接刀痕的臺階高度，從而改善側(cè)壁的表面粗糙度。

我們在保持切削參數(shù)不變的情況下，對改進的刀具進行了加工驗證，結(jié)果顯示的表面粗糙度在Rz2.5～4.4um間。通過對粗糙度最大點的測量圖形(見圖8)進行分析，發(fā)現(xiàn)接刀痕處的粗糙度極差值在4μm左右，比原刀具加工的最大粗糙度降低了51%，效果非常明顯，達到了設(shè)計要求。

結(jié)語

通過對外銑刀具結(jié)構(gòu)的重新優(yōu)化設(shè)計，增加修光刀片并采用平行布置方式，試驗摸索最優(yōu)的切削參數(shù)，分析加工數(shù)據(jù)和圖形，我們最終找到了合理的刀具加工方案，解決了曲軸連桿頸側(cè)壁的表面粗糙度問題。由此可見，優(yōu)化的外銑刀具加工方案也能夠保證獲得良好的連桿頸側(cè)壁粗糙度，對于一些在現(xiàn)有外銑機床上改造來加工增壓曲軸的項目來說不失為一個可行的低成本方案。