雷兵振

（上海衛(wèi)衛(wèi)阿爾項目管理有限公司，上海 201102）

曲軸是車用發(fā)動機核心零部件之一，其作用是把活塞連桿的往復(fù)運動轉(zhuǎn)化成旋轉(zhuǎn)運動，從而將燃料的熱能轉(zhuǎn)化為動能輸出。由于曲軸工件形狀復(fù)雜、剛性差，加工難度大，目前國內(nèi)曲軸的切割打磨主要采用車床車削和人工打磨輔助的混合生產(chǎn)方式，車床車削曲軸主軸頸及連桿軸頸，工序質(zhì)量穩(wěn)定性差，容易產(chǎn)生較大的加工應(yīng)力，影響加工余量的控制。這類車床從本質(zhì)上屬于專機模式，如果專機結(jié)合生產(chǎn)工藝、設(shè)計合理、制造精度高，完全可以用于曲軸毛坯件的切割打磨。國內(nèi)曲軸生產(chǎn)廠家如文登天潤曲軸、濱州海德曲軸、哈爾濱東安動力選擇了數(shù)控車床或聯(lián)合精整線切割打磨曲軸毛坯件；長春一汽紅旗轎車廠則選擇了修邊機切割打磨曲軸毛坯件。修邊機從法國SIIF公司引進，具有較高的生產(chǎn)效率，創(chuàng)造出了較好的經(jīng)濟效益。長春一汽紅旗轎車廠生產(chǎn)的曲軸應(yīng)用于1.6升排量的乘用車，曲軸材質(zhì)為QT800-2.在曲軸鑄造成型后，首先采用人工方式清理澆冒口和分型線毛刺，然后采用粗加工磨削曲軸的分型線殘余毛刺和兩個端面，最后對曲軸進行精加工。修邊機應(yīng)用于粗加工這個工藝段，為了保證精加工車間的清潔，長春一汽紅旗轎車廠把修邊機作為一個柔性的生產(chǎn)單元布置在切割打磨車間。本文重點介紹修邊機在曲軸切割打磨中的應(yīng)用。

1 球墨鑄鐵曲軸鑄造的生產(chǎn)工藝

1.1 曲軸的鑄造生產(chǎn)工藝

長春一汽紅旗轎車廠生產(chǎn)的曲軸的材質(zhì)為球墨鑄鐵，合金牌號為QT800-2，曲軸采用殼型鑄造工藝，主要原材料為覆膜砂。鑄造過程中采用定量澆口杯、孕育塊孕育、垂直造型、立澆底注工藝。

1.2 QT800-2化學(xué)成分與性能參數(shù)

QT800-2化學(xué)成分見表1，性能參數(shù)見表2.

表1 QT800-2化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%）

表2 QT800-2性能參數(shù)

2 球墨鑄鐵曲軸切割打磨的工藝條件

2.1 球墨鑄鐵曲軸毛坯件的性能

符合工藝條件的液態(tài)鐵水在經(jīng)過熔煉、澆注、孕育、冷卻等工藝后鑄造出曲軸毛坯件，經(jīng)過人工方式切割曲軸毛坯件的澆口和冒口后具備了優(yōu)良的機械性能，有較高的強度和韌性；較高的抗疲勞能力，可以防止疲勞斷裂，具有良好的耐磨性。曲軸毛坯件再經(jīng)過拋丸清理，表面無砂后，人工對曲頸的飛邊進行初級清理，曲軸毛坯件就具備了修邊機切割打磨的工藝條件。

2.2 球墨鑄鐵曲軸毛坯件的公差尺寸

在切割打磨之前，為了避免鑄件變形，曲軸毛坯件不做熱處理。毛坯件需要清理的剩余部分主要是分型線上的飛邊毛刺；曲頸處的殘余部分；法蘭面和曲軸小頭軸頸的殘根部分。要求分型線上的飛邊毛刺≤2.5 mm；法蘭面殘根≤3 mm；曲軸小頭軸頸的殘根≤3 mm.

圖1為曲軸3D圖，即理想狀態(tài)無缺陷的成品；圖2為人工初級清理后具備切割打磨條件的毛坯件，圖3為曲軸法蘭端面殘根，圖4為曲軸小頭軸頸殘根，圖3、圖4所示兩個端面需要打磨。

2.3 球墨鑄鐵曲軸毛坯件的切割打磨的技術(shù)要求

人工清理曲軸的澆冒口后，毛坯件重量為12 kg左右，具體尺寸見圖5，長度為494.5 mm，法蘭端面為φ92，曲軸小頭軸頸為φ32.5;鑄件的拔模角度最大2°，最小 1°；鑄造圓角為R2Max，公差為±2°；毛坯件的澆口殘余≤5 mm，毛坯件不允許機械矯正。

曲軸毛坯件的切割打磨的技術(shù)要求為：0≤曲軸法蘭面≤1.0 mm；0≤曲軸小頭軸頸≤1.0 mm；0≤分型線飛邊毛刺≤1.0 mm.

3 修邊機切割打磨球墨鑄鐵曲軸的工藝分析和工序設(shè)計

3.1 修邊機切割打磨球墨鑄鐵曲軸的工藝分析

球墨鑄鐵曲軸毛坯件在經(jīng)過預(yù)處理后加工余量小，清理部分主要為分型線上的飛邊毛刺和曲軸兩個端面上的殘根，由于曲軸形狀不規(guī)則，工裝夾具制作困難，采用修邊模沖壓則可以解決此問題。由于兩個端面的加工量大，球墨曲軸的抗拉強度可達800 MPa，全部采用切割或者打磨不能取得很好的效果。目前國內(nèi)多采用人工方式打磨曲頸部分，然后用砂輪磨削曲軸的曲頸部分和兩個端面的殘根。這種方式容易傷及到曲軸本體，很容易造成后面的加工余量不足，廢品率相對較高。如果采用修邊機來清理曲頸毛刺，對于兩個端面采用金剛石砂輪打磨，這兩種方式集成在一臺機器上，生產(chǎn)效率可以大幅度提高，可以保證產(chǎn)品質(zhì)量。法國SIIF公司根據(jù)工藝條件和生產(chǎn)流程設(shè)計的修邊機可實現(xiàn)對球墨鑄鐵曲軸毛坯件進行切割打磨。

圖1 曲軸3D圖

圖2 具備修邊機切割打磨的曲軸毛坯件

圖3 QT800-2曲軸法蘭面

圖4 QT800-2曲軸小頭軸頸

3.2 修邊機的工序設(shè)計

為了最大限度提高生產(chǎn)效率并保證產(chǎn)品質(zhì)量，SIIF公司根據(jù)球墨鑄鐵曲軸的工藝特性，對機加工工序做分解，在正常操作條件下單根曲軸切割打磨的循環(huán)實踐為16 s，一臺修邊機只需配備1-2名操作人員。具體的工序設(shè)計和循環(huán)時間如表3所示。

3.3 球墨鑄鐵曲軸毛坯件切割打磨的工序流程

球墨鑄鐵曲軸毛坯件由人工上料放置在修邊機的下模，光電開關(guān)檢測到坯料后自動旋轉(zhuǎn)到修邊機的上模底部并與上摸對齊，液壓系統(tǒng)驅(qū)動修邊機垂直運動，在合模的過程中清除毛坯件分型線的殘余飛邊毛刺。清除飛邊毛刺后的曲軸由夾緊機構(gòu)經(jīng)過上升運動送至修邊機的上部平臺，由氣缸推送到切割位置，下部油缸夾緊曲軸的兩個端面上升，打磨機構(gòu)上的壓緊彈簧把曲軸固定在切割位置，在油缸上升的過程中，電機啟動帶動金剛石砂輪轉(zhuǎn)動，磨削曲軸的兩個端面，磨削完畢后油缸下降，固定曲軸裝置翻轉(zhuǎn)把曲軸傾翻到滑道流慒，經(jīng)過滑道曲軸落入下部平臺最后由人工收料并裝箱。

表3 工件的機加工工序設(shè)計及循環(huán)時間

4 修邊機的設(shè)計方案和設(shè)備組成

4.1 修邊機的結(jié)構(gòu)組成

修邊機的設(shè)計結(jié)構(gòu)由送料機構(gòu)、切邊模、液壓系統(tǒng)、打磨站、落料機構(gòu)以及電氣控制系統(tǒng)組成，如圖6所示。整套設(shè)備設(shè)計緊湊，占地面積小。

4.2 送料機構(gòu)和修邊模

為了簡化設(shè)備操作和節(jié)約成本，修邊機采用人工上料的作業(yè)方式。修邊機的下模安裝在工件輸送圓形旋轉(zhuǎn)臺上，工件由人工放置在下模，光電傳感器檢測到工件后自動旋轉(zhuǎn)到修邊機下部，處在上模的垂直中心點上。修邊機驅(qū)動垂直合模，上模的刀口的剪切力自動切除曲軸的飛邊毛刺。這等同于沖壓的效果，但修邊機只是切除飛邊毛刺，對曲軸本體不做處理。圖7為修邊機下模。

修邊模以曲軸的外形尺寸作為設(shè)計依據(jù)，采用開放式的凹凸結(jié)構(gòu)方式，以便把曲軸毛坯件定位在修邊模的凹槽之中；修邊機的下模安裝在上料旋轉(zhuǎn)臺上，高度不低于30 cm并且垂直于旋轉(zhuǎn)平臺。修邊機上下合模的動力源是液壓力，在垂直合模的過程中利用液壓力剪切曲軸的飛邊毛刺，達到清理分型線飛邊毛刺的效果。這種設(shè)計方式對模具的精度要求高，制造刀具材質(zhì)具有較高的疲勞強度。一種規(guī)格的曲軸則需要一套對應(yīng)的模具，更換產(chǎn)品則需要更換模具，換型時間一般不超過20 min.這種設(shè)備適用于乘用車的曲軸毛坯件。

圖6 修邊機結(jié)構(gòu)示意圖

4.3 液壓系統(tǒng)

修邊機的主動力系統(tǒng)采用液壓站為修邊機提供動力，液壓力為100 t.液壓站油箱容量為100 L，使用H46號抗磨礦物液壓油。液壓站配備了水循環(huán)冷卻系統(tǒng)，確保液壓油的油溫≤50℃.一支φ50的油缸作為曲軸的提升機構(gòu)的執(zhí)行器，另外一支φ40的油缸作為曲軸翻轉(zhuǎn)動作的執(zhí)行器。

4.4 電氣控制系統(tǒng)

修邊機的控制部分采用可編程實現(xiàn)自動控制，主CPU單元采用Siemens可編程1200系列。操作系統(tǒng)采用西門子T90人機界面，操作人員在觸摸屏上操作并自由切換顯示界面。打磨片采用φ500的金剛石砂輪磨削曲軸的法蘭面和曲軸小頭軸頸。砂輪片的驅(qū)動電機22 kW，變頻調(diào)節(jié)曲軸兩個端面的磨削速度，采用同軸連接方式。光電傳感器作為檢測工具，為修邊機的每個動作提供檢測信號。

圖7 修邊機下模

4.5 打磨工作站

打磨工作站用來磨削曲軸毛坯件的兩個端面，其核心部件是金剛石砂輪片，采用雙砂輪片結(jié)構(gòu)。砂輪規(guī)格為φ500，厚度為T50.砂輪片工作壽命為單面3 600個工作小時，雙面對稱式設(shè)計方式，可以換面使用，砂輪實際工作壽命總計為7 200個工作小時。驅(qū)動系統(tǒng)是一臺22 kW的電機。打磨的過程中曲軸不能跳動，采用彈簧機構(gòu)壓緊曲軸，曲軸毛坯件在上升的過程中被雙砂輪磨削。

4.6 落料機構(gòu)

滑道流槽和旋轉(zhuǎn)盤以及安全防護欄組成落料機構(gòu)，具體如圖8所示。

修邊機配備了護欄和安全自鎖系統(tǒng)，保證設(shè)備操作的安全性質(zhì)。磨削時會產(chǎn)生噪音和火花，在金剛石砂輪片的外部采用鋼板對火花進行隔離，改變火花飛濺的方向，同時減小了砂輪磨削時產(chǎn)生的噪音，使之低于80 dB.磨削產(chǎn)生的廢屑通過輸送機輸送到廢料斗中。切割打磨后的曲軸通過斜流槽滑落到落料旋轉(zhuǎn)臺上。流槽使用Hardox400耐磨鋼板制作而成，旋轉(zhuǎn)臺的電機功率為0.75 kW.

圖8 修邊機的落料機構(gòu)

5 修邊機切割打磨曲軸毛坯件的生產(chǎn)實踐

5.1 修邊機的生產(chǎn)實踐

修邊機既可以作為球墨曲軸毛坯件精整線上的一個柔性生產(chǎn)單元，也可以作為獨立的切割打磨設(shè)備。長春一汽紅旗廠引進的這臺法國SIIF公司生產(chǎn)的修邊機作為1.6 L球磨曲軸切割打磨專機，不僅占地面積小，而且操作簡單，維護方便。整套設(shè)備由人工上料，然后啟動自動操作，先是切除曲軸分型線上的飛邊毛刺，后是打磨曲軸的兩個端面，最后經(jīng)過流慒滑落到圓形旋轉(zhuǎn)落料臺上，由人工裝箱。修邊機的實際操作如圖9所示。

5.2 修邊機的生產(chǎn)效率和曲軸切割打磨質(zhì)量

曲軸切割打磨的循環(huán)時間為16 s/根，1～2個生產(chǎn)人員操作，單班8 h生產(chǎn)能力達1 600根。球墨鑄鐵曲軸毛坯件切割打磨后的實際公差尺寸為：0.3 mm≤曲軸法蘭面≤0.7mm；0.4 mm≤曲軸小頭軸頸≤0.8 mm；0≤曲頸分型線飛邊毛刺≤0.5 mm.

采用修邊機切割打磨的曲軸的實際公差尺寸均優(yōu)于0 mm～1.0 mm的生產(chǎn)要求，具體效果如圖10和圖11所示。

圖9 修邊機的實際操作圖

圖10 打磨后曲軸法蘭端面

圖11 打磨后曲軸小頭端面

6 結(jié)束語

切割打磨作為球墨曲軸毛坯件的粗加工方式之一，為后端精加工工序提供合格的半成品曲軸。設(shè)備為工藝服務(wù)，不同的工藝條件決定了不同的后處理設(shè)備。修邊機就是結(jié)合曲軸工藝按照曲軸切割打磨的工作流程設(shè)計出來的一種專機，既可以作為生產(chǎn)線上的一個生產(chǎn)單元，也可以作為一個獨立的粗加工設(shè)備使用，具有很好的靈活性，并且具有較高的生產(chǎn)效率。屈服強度小于700 MPa的低牌號球墨曲軸可用普通車床切割打磨，高牌號屈服強度大于800 MPa的球墨曲軸采用修邊機切割打磨的實用性和效益性較好。長春一汽紅旗轎車廠曲軸打磨車間的這個成功案例驗證了修邊機的實用性和效益性，這種設(shè)備在國內(nèi)曲軸切割打磨粗加工行業(yè)中值得推廣和應(yīng)用。