曲轴交叉油孔毛刺产生机理分析及控制措施

张风顺，赖明聪

（上汽通用五菱汽车股份有限公司，广西 柳州545007）

随着汽车制造业的飞速发展，顾客对于整车性能的要求越来越高。发动机作为汽车的核心部件之一直接影响到整车的整体性能。曲轴作为发动机的核心部件，其工作环境尤为恶劣，不仅承受着周期性变化的活塞连杆组往复运动及旋转运动的力，还长期处于弯曲、扭转、振动等循环应力的作用。而曲轴清洁度的好坏对NVH及油耗一致性有着较大影响。在加工发动机曲轴时，工件的油孔均经过OP40钻床工序对各个轴颈进行钻削加工，在零件内部直、斜油孔交汇处极易产生毛刺，在后续加工和运输过程中存在毛刺掉落的风险，若残留的毛刺掉落入轴瓦处，不仅加剧了轴瓦的异常磨损，还会造成发动机的异响和异常振动等一系列性能问题。

本文对发动机曲轴交叉油孔处毛刺的产生机理进行系统性分析，找出影响曲轴交叉油孔毛刺的主要因素，并结合国内目前抑制或减少毛刺的工艺方法，以降低毛刺掉落风险，改善曲轴油孔清洁度。

1 曲轴交叉油孔毛刺产生机理

1.1 曲轴交叉油孔毛刺形态及特征

在发动机曲轴机加工过程中，存在交叉油孔处毛刺难以去除的问题。曲轴线油孔钻机床加工出的交叉油孔处毛刺主要表现为：毛刺突出于交叉油孔薄壁处，细且长（如图1所示）。根据毛刺形态及特征的分类[1]，将毛刺分为Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ三种类型（如图2所示）。Ⅲ型毛刺凸出于工件终端，附加在加工孔周围，毛刺尺寸是三种毛刺类型里最大的，毛刺长度H≈d/2，毛刺宽度B也是最大的，曲轴交叉油孔毛刺属于Ⅲ型毛刺。

图1 曲轴交叉油孔毛刺形态

图2 钻削中毛刺的基本形态

1.2 曲轴交叉油孔毛刺产生原因

曲轴交叉油孔毛刺的产生，与油孔钻削顺序息息相关。曲轴轴颈上的直油孔、斜油孔钻削顺序（以某1.5 L曲轴为例）为：预钻直油孔→钻通直油孔→预钻斜油孔→钻通斜油孔（如图3所示）。

图3 钻削曲轴油孔顺序流程图

油道孔的钻削过程，本质是刀具的钻头挤压工件产生的剪切滑移过程，由于油道孔本身的结构和布局，在两个及以上油道形成交汇处的边、角、棱会出现较大的塑形变形[2]，钻头与工件在交汇处有一个分离的过程，极易产生毛刺（如图4）。根据切削运动-刀具切削刃毛刺分类体系[3]，钻削加工过程中产生的毛刺方向分为两大类：切入进给方向和切出进给方向。在进行斜油孔加工时，由于交叉油孔处壁厚最薄，当钻头处于切出进给方向时，薄壁处收到较大的挤压力而产生塑性变形形成毛刺。

图4 某1.5 L曲轴交叉油孔示意图

2 影响曲轴交叉油孔毛刺的主要因素

曲轴交叉油孔毛刺产生于钻削加工过程。影响工件毛刺的因素很多，主要分为以下三大方面的因素：

（1）刀具参数设置：包括钻头切削速度、进给量；

（2）工件材料：某1.5 L曲轴的毛坯材料为铸铁，铸铁的特性表现为硬而脆。从大批量曲轴生产中发现机加工钻削产生的毛刺较1.5 L锻钢件所产生的毛刺少；

（3）钻头的几何参数：包括钻头的几何角度、钻头耐用度等。

综合以上三点因素，通过减少刀具进给量、增加顶角角度、合理设置刀具耐用度等，能够从一定方面上改善曲轴交叉油孔毛刺的问题。

3 现有去毛刺控制措施

3.1 机械去毛刺

传统去除曲轴交叉油孔处毛刺的方法为：钻完直、斜油孔之后，在交叉油孔处进行锪圆角处理，去除粘附在交叉油孔处的细长毛刺。以某1.5 L曲轴为例，其去除交叉油孔毛刺的工艺流程（如图5所示）为：

图5 某公司1.5 L曲轴去毛刺工艺流程

在现有的曲轴加工工艺中，主要是通过钻完斜油孔后的去毛刺刀去除曲轴交叉油孔毛刺，油孔钻工位去毛刺刀（如图6所示）初步对产生的交叉油孔毛刺进行去除，未完全去除的毛刺会在机器人通油孔工位毛刷（如图7所示）对曲轴交叉油孔毛刺进行二次机械去除，确保曲轴交叉油孔处的清洁度。

图6 OP40工位去毛刺刀具

图7 OP110工位毛刷

通过不断优化刀具来改善曲轴交叉油孔毛刺，直、斜油孔经过钻削后，使用刀头部分带有刚性较好的灯笼刷（如图8）来清理油孔毛刺。新型灯笼刷刀头部分为网格灯笼状，毛刺产生后灯笼刷进入交叉油孔处，细长的毛刺易被网格灯笼刷打断或卷断。通过现场验证，使用新型灯笼刷，交叉油孔处毛刺有明显减少，曲轴不合格率由92%降低为30%，降低了62%，且有毛刺的工件毛刺表现为细微毛刺，部分有缺口，相比验证前有较好的改善。

图8 新型灯笼刷示意图

3.2 高压清洗去毛刺

高压清洗是通过定位夹具将曲轴定位后，高压泵的压力加压至300 MPa后喷嘴对准曲轴主轴颈油道口交叉油孔处进行定点定位的高压清洗。高压喷嘴能够有效的将油道孔内交叉油孔处的残留毛刺清除冲洗掉，保证交叉油孔处的清洁度。某曲轴生产线清洗工位采用的是涿州双威中间清洗机（如图9所示）。

图9 中间清洗机结构示意图

中间清洗机主要是由机体、输送系统、液箱、冷却装置、清洗系统、过滤系统、油水分离装置、吹干系统、集中润滑、除雾系统等组成，结构形式为抬起步伐通过式。曲轴在完成油孔钻工序后进入清洗工序，其工作顺序为：零件由机械手送料到位（到位检测），然后端面孔清洗，再到高压清洗油道孔、工件旋转扫描清洗、定点吹油道孔，最后高压风吹干工件表面下料到（到位检测），械手取料。曲轴交叉油孔毛刺即是在高压清洗油道孔步骤中被高压冲洗掉的。

4 结束语

毛刺的产生源于刀具的钻头与工件产生的剪切滑移挤压导致，在机加工过程中无法百分百避免，在项目设计前期时要考虑到油道孔本身的结构和布局，尽量避免两个及以上油孔的交汇。毛刺的产生不仅影响了产品的表面质量，对人工返修也是一种极大的浪费。因此，要想有效去除曲轴毛刺保证曲轴清洁度，可不断优化加工工艺，专门设置“机械去毛刺”或“高压清洗去毛刺”等工序来保证曲轴交叉油孔的清洁度。