曲轴链轮端加工工艺改进

冯 显，王浩宇，刘 清，杨晓铭，张棋国

（中国石油集团济柴动力有限公司成都压缩机分公司，四川成都 610100）

1 现状分析

4CFA、4CFJ 和4CFR 系列曲轴是济柴动力有限公司成都压缩机分公司（以下简称为“公司”）1000 kW以下功率压缩机使用的关键部件。随着上述机型市场需求的量增加，原工艺存在的一些问题开始显现出来。目前生产过程中4CFA、4CFJ 和4CFR 系列曲轴链轮加工工艺为：（前工序略）→80 精车铣（链轮端留工艺头）→90 粗磨主轴颈→100 粗、精磨连杆颈→110 氮化→120 精磨主轴颈→130 精车链轮→（后工序略）。

公司未配备磨削4CFA、4CFJ 和4CFR 系列曲轴的随动磨床，故在磨削其连杆颈时只能采用普通连杆颈磨床，需要使用卡瓦，并按照如图1 的方式装夹。

图1 曲轴装夹示意

采用此工艺的原因：

（1）主轴颈与功率输入端直径大小不一致，在粗、精磨连杆颈时主轴颈不能作为支撑位。必须保留工艺头，无法在磨前加工链轮端。

（2）在工序100（粗、精磨连杆颈）后，工序120（精磨主轴颈）前精车链轮将会车掉中心孔，使得粗、精磨主轴颈的基准不统一，连杆颈的偏心距以及主轴颈与连杆颈轴颈之间的平行度超差。

工艺存在的问题：精车链轮时需支撑已是成品尺寸的第4 主轴颈，支撑位置有较大的风险被中心架磨伤或拉伤，造成曲轴报废。

2 改进方案

为解决作为支撑位的主轴颈被中心架磨伤或拉伤的问题，与现场操作者共同探讨制定了多种改进方案，进行分析对比，评价其优劣，并择优进行工艺试制。

2.1 方案对比与分析

方案1：精磨后，精车链轮时在第4 主轴颈上安装工装卡瓦作为支撑位，避免中心架与工件直接接触（图2）。

图2 曲轴卡瓦结构设计

该方法的问题：①卡瓦合装后，瓦瓣间存在间隙，中心架支撑过间隙位置时会产生轻微振动，将在链轮处产生振纹，且会造成链轮外圆椭圆；②精车链轮时采用的是普通车床车削，安装卡瓦后，只能使用精度较低的带轴承的中心架，会导致链轮椭圆及链轮与曲轴各主轴颈之间的同轴度超差。

方案2：在车铣复合加工中心上的精车铣工序即完成链轮精车，再在中心孔位置钻攻一个M16 螺纹孔。在磨削工序时使用并安装卡瓦支撑用轴套和端面压紧轴套，作为连杆颈磨床的支撑位（辅助工艺头），其装配结构如图3 所示。

图3 轴套与曲轴链轮装配示意

使用该方案需要注意以下事项：①卡瓦支撑用轴套与端面压紧轴套间隙应控制在0.01～0.015 mm，轴套与链轮的配合间隙为0.01～0.025 mm；②压紧轴套端面在精车铣工序完成中心孔加工，作为粗、精磨主轴颈的基准。

该方法的问题：①曲轴链轮公差带只有0.017 mm，当其出现尺寸超差时，轴套与其配合就不能达到预期；②每加工一根曲轴就需要重复安装轴套和端面压紧轴套，容易出现重复定位误差；③增加了加工M16 螺纹和拆装轴套等工序的工作量。

方案3：采用减法思维，按照原工艺仍然保留链轮端的工艺端，但是在其端面铣一个沉孔（沉孔至链轮端面），并完成中心孔加工（图4）。这样可以实现主轴颈粗、精磨时保持中心孔一直存在，实现基准统一。在完成连杆颈精磨后即可完成链轮车削。因车削链轮时主轴颈仍有0.3 mm 余量，即使精车链轮时有拉伤的情况也可在精磨时修复。同时，因为精车链轮时也不会破坏中心孔，使得在氮化后精磨主轴颈不会改变基准，仍为原来的2 个中心孔，可以最大限度地保证加工精度。

图4 链轮端沉孔加工尺寸及要求

改进后加工工艺：（前工序略）→80 精车铣（链轮端留工艺头，铣端面沉孔）→90 粗磨主轴颈→100粗、精磨连杆颈→110 精车链轮→氮化→精磨主轴颈→（后工序略）。

经现场调研，车铣复合加工中心和外圆磨床的顶尖不会与曲轴端面沉孔产生干涉，方案可行。

对比上述方案，本文认为方案3 最优，原因如下：①试制失败不会对曲轴质量产生影响，风险低；②改进后只增加了铣沉孔工步时间，不增加工装夹具；③不再使用普通车床加工，提高了加工质量，而较少的工序流转和等待能够提升生产效率。

3 实施情况

确定采用方案3 后，本文进行了4 件4CFA 曲轴和4 件4CFJ 曲轴的试加工作为工艺验证，论证其工艺的可行性。图5a）为精车铣工序留工艺头，铣端面沉孔链轮端后的状态；图5b）为工序100（粗、精磨连杆颈）后顶紧沉孔中心孔精车链轮时的状态；图5c）为链轮精车完后的状态。

图5 工艺验证

4 持续改进

完成方案3 的工艺试验后，总结经验教训，提出更优化的改进方案4，在磨削连杆颈时使用高低卡瓦。功率输入端直径小时则在卡罐上配置厚瓦，主轴颈直径大时则配置薄瓦。磨削连杆时能够实现支撑主轴颈4 和功率输入端的功能，因此可以取消工艺头，在精车铣时直接完成链轮的加工。

方案4 的问题：①曲轴配重块与连杆颈磨床卡罐存在干涉；②使用高低瓦后是否会造成曲轴质量问题尚不明确，还需要进一步验证。

采用方案4 的优点：①精车铣工序即可完成链轮精加工。该工序采用车铣复合加工中心加工，加工精度和稳定性高，质量可靠；②不需工艺头，减少了后续转运和再加工，提高了生产效率；③连杆颈磨床因无法支撑中心架，加工曲轴中间连杆颈时曲轴刚性较差。使用方案4 后可以缩短支撑位置之间的距离，显著提高了磨削曲轴连杆颈时的刚性。

4.1 改进过程

随着产品需求量逐渐增大，为彻底解决生产现场存在的问题，本文进行了以下改进工作：

（1）重新设计卡瓦，按照原磨床卡罐样式加大了尺寸，避免卡罐与配重之间的干涉。

（2）设计相应曲轴的高低卡瓦：以4CFJ 曲轴为例，左卡罐支撑功率输入端，其卡瓦外圆Φ207 mm，内孔Φ105.3 mm（同粗磨后功率输入端尺寸，图6）。右卡罐支撑主轴颈4，其卡瓦外圆Φ207 mm，内孔Φ108.3 mm（同粗磨后主轴颈尺寸，图7）。通过按照高低卡瓦实现了曲轴两端的等高。在精加工时再通过打表微调卡罐高度，达到两端高差在0.01 mm 内。

图6 厚卡瓦设计

图7 薄卡瓦设计

4.2 改进结果

改进后工艺：（前工序略）→80 精车铣（含精加工链轮）→90 粗磨主轴颈→100 粗、精磨连杆颈→110 氮化→120 精磨主轴颈→（后工序略）。

新工艺已完成了8 件曲轴的试制，经三坐标检测曲轴同轴度、偏心距、相位角均达到了图纸要求，证明了方案的可行性，部分三坐标检测数据见表1，其中偏心距要求（46.65±0.04）mm，相位角要求90°±0.20°。

表1 三坐标检查数据统计

5 结束语

本文通过持续改进，得到了最优化的工艺方案，提高了生产效率，使产品质量更加稳定、可靠，取得了显著的经济效益。