曲轴法兰端中心孔加工工艺分析范文

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摘要：

曲轴法兰端中心孔通常采用先钻底孔、再铰孔的工艺方法。这种方法加工时间长、生产效率低。为了解决该问题，采用特殊结构的刀具实现钻铰复合的加工方案。该方案已通过曲轴生产线批量使用验证，其加工质量稳定，加工时间和刀耗显著降低，取得了良好的应用效果。

关键词：

曲轴；中心孔；钻铰复合加工

神龙公司曲轴L2生产线生产EC5发动机曲轴，在第一道工序OP10采用德国LARU的两端加工中心完成中心孔的加工，生产节拍为72s/件。随着动力总成的演变，EC5发动机曲轴法兰端中心孔深度需要增加7mm，采用现有工艺，生产节拍为76s/件，超出生产线的设计节拍。尽管提高转速和进给参数可以缩短加工时间，但刀具寿命明显降低，生产成本升高。因此，为满足设计节拍和刀具寿命要求，需要对现有工艺进行优化。

1工艺分析

1.1技术要求及加工现状图1所示为曲轴法兰端中心孔的技术要求。中心孔由Φ34mm沉台、60°锥面和Φ16mm盲孔构成。动力总成演变后，中心孔深度由24.5mm变更为31.5mm。图2所示为法兰端中心孔的刀具布置及加工内容。图2a采用T102铣刀加工端面和Φ46mm外圆；图2b采用T111刀具套车法兰外圆Φ87mm及钻60°锥面和底孔，锥面和底孔留余量0.3～0.5mm；图2c采用T109刀具加工Φ34mm沉台及120°倒角；图2d采用T107单刃镗刀加工60°锥面和底孔至图1要求的尺寸。中心孔深L=24.5mm时的节拍为72s，当孔深增加7mm后，在不改变生产条件的情况下，节拍会增加4s，将超出生产线节拍72s，使生产能力下降5.6%。生产部门尝试压缩辅助时间，比如加快夹紧定位的动作，但改变幅度不大，因为机床的动态响应参数已经调整到允许的极限值。通过调整切削参数，减少了加工时间，但增加了刀具消耗。表1所示为参数调整前后加工时间及刀具寿命对比情况。从表中可以看出，参数调整后的刀具寿命与调整前相比，铣刀、套车刀和钻头寿命下降明显，U钻和镗刀寿命没有变化。

1.2工艺分析及方案制订对上述工艺进行分析，存在如下问题。a.铣刀和套车刀在加工时，毛坯余量分布不均匀，最大切深达到4mm,最小切深1.5mm，而且线速度超过200m/min，局部加工工况超出了刀具的适用范围，容易产生打刀和崩刃。b.套车刀的三个刀片在圆周方向上按不等距进行分布，刀片的径向切削合力和离心力不为零，使钻头产生偏心。增加孔深或提高切削用量后，这种偏心作用更显著，使刀片更容易磨损，钻头更容易折断。c.底孔和镗孔机械位置实际存在同轴度偏差，导致加工锥面的实际圆周余量不均匀，使锥面产生振纹，内孔表面粗糙度降低，这也限制了镗刀的速度提升。解决上述问题，在节拍合格的条件下提高刀具寿命。提高刀具寿命一般有以下三种途径。a.改善刀具材质和结构；b.调整余量和加工参数；c.改变工艺流程。基于以上三种途径，考虑工艺改进方案。由于钻、镗中心孔合计占了整个切削时间的50%，改善的余地比较大，提出以下方案。a.首先合并钻和镗的加工工步，在钻孔时完成60°锥面和Φ16mm直孔，取消镗孔。通过合并可以节省11.7s。在满足节拍72s的前提下，还剩余7.7s。b.T111套车采用对称分布的2个刀片替代三个不等距的刀片，粗加工法兰外圆至Φ88mm；在T109的U钻上增加一个加工法兰外圆的套车刀，加工法兰外圆和Φ34mm沉台至要求尺寸。c.调整加工参数，适当降低T102铣刀和T111刀具的切削速度，所延长的时间由剩余的7.7s来弥补。采用这个方案，需要解决两个关键问题。a.中心孔的直径尺寸和粗糙度合格并稳定，而且刀具费用不能提高；b.Φ34沉台加工后，锥面与沉台结合处不能有毛刺和翻边。

2关键问题的解决措施

2.1改进钻头的结构在方案验证中，直接用目前形式的直槽钻加工，中心孔的直径尺寸和粗糙度不稳定。主要原因是钻头径向震动和排屑不畅导致表面划伤。针对这个问题，改进钻头结构（图3），其改进方案如下。a.如图3所示，设计整体硬质合金四刃钻铰刀，采取大容屑槽和双内冷孔及导流反冲结构，使铁屑容易排出，消除排屑不畅导致钻头扭矩过大而折断。内冷孔直径为Φ2.5mm，内冷孔距为Φ9.5mm，与常规钻头（内冷孔直径为Φ2mm，内冷孔距为Φ7.5mm）相比，使其流量更大，分布更靠近外侧。这样有利于对整段刃口，尤其是对靠近外圆处的刃口冷却效果最好。b.如Y视图所示，钻尖刃部设计0.5×90°的倒棱，棱边对已加工面进行修光和挤压，提高钻孔直径的精度和表面质量。c.如D视图所示，锥齿采取双后角，第一后角采用1°的特殊后角，刃宽为0.5mm，对锥面起到修光作用，同时避免出现振纹。

2.2增加去毛刺功能将加工Φ34mm沉台的刀具结构进行更改，使其既能加工沉台，又可以去毛刺和翻边。其结构如图4所示，U钻刀头安装两个三角转位刀片，大刀片加工120°的倒角，并去毛刺和翻边，小刀片加工Φ34沉台至尺寸。

3改进方案的实施及应用效果

3.1改进方案的实施图5所示为改进后的刀具布置实物。加工内容如下。a.采用T102铣刀加工端面和Φ46mm外圆；b.用T111刀具套车法兰外圆至Φ88mm及钻60°锥面和直孔；c.用T109刀具加工法兰外圆至Φ87mm、Φ34mm沉台和120°倒角以及去毛刺。

3.2应用效果采用改进后的工艺，重新分配余量并采用适当的切削用量，加工质量和设备稳定性得到提高。采用改进的钻头直接将中心孔的锥面和直孔加工至要求尺寸，直径尺寸稳定在0.02mm以内，表面粗糙度在R8～R12（相当于Ra2.5～Ra3.2），满足质量要求。表2所示为方案改进前后的参数及刀具消耗对比情况。从表中的数据可得出如下结论。a.工艺实际节拍71.4s，满足节拍72s的要求，比改进前节拍减少4.6s。b.刀具消耗2.34元/件，比改善前3.53元减少了34%。c.刀具寿命最低为120件，比改善前80件提高了50%。

3.3经济效益a.以年产20万件曲轴的生产线计算，与改进前工艺相比，每年节约刀具费用23.8万元。b.刀具寿命提高，降低换刀的次数和换刀检查时间，减少劳动强度，提高机床综合利用率。c.通过工艺优化，提高加工效率，解决了产品演变导致的产能不足的问题，节约了工业化投资资金和时间。

4结论

a.在加工过程中采用带倒棱结构的钻头，倒棱起到定心和修光作用，可以提高钻孔精度和表面质量。这种结构的刀具制造简单，可以推广到其他曲轴线或者铸铁材料的盲孔加工。b.球铁曲轴法兰端中心孔采用直接钻削成型工艺，取消铰孔加工，提高了加工效率；将法兰外圆进行粗/精分开加工，提高刀具寿命和质量。因此，适当合并和分解加工内容，对提高效率和降低成本具有重要的意义。这种工艺布局也为相似的零件加工提供参考。c.产品演变涉及工艺的变更，在进行工业化过程中，应从加工设备、工艺改进、刀具选型、加工参数等多个维度综合考虑，通过技术创新节省投资、降低后续生产成本。

参考文献：

[1]袁哲俊，刘华明.刀具设计手册[M].北京：机械工业出版社，1999.

[2]卢建湘.钻削精孔的方法[J].机械工程师，2005(8):115-116.

作者：周贤军 刘将先 单位：神龙汽车有限公司技术中心