採用外銑刀具解決曲軸連桿頸側壁的粗糙度問題

通過對外銑刀具結構的重新優化設計，增加修光刀片並採用平行布置方式，試驗摸索最優的切削參數，上汽通用五菱最終找到了合理的刀具加工方案，解決了曲軸連桿頸側壁的表面粗糙度問題。

圖1 連桿頸側壁粗糙度要求

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

問題背景

上汽通用五菱發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，目前採用外銑機床和外銑刀具來加工曲軸連桿頸側壁。增壓曲軸連桿頸側壁的粗糙度要求為不大於Rz6μm（見圖1）。當外銑機床採用不可調的外銑刀具加工時，連桿頸側壁表面存在交叉網紋的接刀痕（見圖2），該接刀痕的台階高度直接影響側壁的粗糙度。由於外銑刀具上的刀片不可調，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。無論如何調整切削參數，粗糙度測量結果基本上都在Rz4～9μm之間，且數值波動大，個別值在Rz10μm以上，無法滿足要求。

圖2 連桿頸側壁網紋接刀痕

解決方案分析

由於表面粗糙度的要求，傳統的解決方案是採用內銑機床和內銑刀具來解決，但是更換現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，比如僅重新採購刀具的成本就高達200萬元以上，採購周期更長達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。把修光刀片設計成可調式的，通過一個調節螺釘把修光刀片調節成在寬度方向高出其他不可調刀片15～20μm，這樣可以對連桿頸側壁表面進行修光加工，以獲得好的表面粗糙度。

圖3 增加修光刀片的刀具結構

效果驗證

由於刀具精度、刀片間高度差的大小和刀片的軸向跳動均會對錶面粗糙度結果產生影響，所以與以往普通的不可調式銑刀不同，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準。

表1 可參考的刀具檢測標準

刀具調整好後首先在機床上測試4組切削參數，並測量相應的4個軸頸側壁的表面粗糙度，以便找到最優的切削參數，結果如表2所示。

表2 四組切削參數的測量數據

從上述結果分析，第3組的切削參數得到的表面粗糙度值最為理想。於是採用第3組參數加工了2000件工件，每50件抽檢1件測量表面粗糙度，分別測量P3連桿頸左右兩側的側壁和P4連桿頸左側側壁的表面粗糙度。可以看出，表面粗糙度數值基本是穩定的，大部分數值都在Rz6μm以內，比之前數值在Rz4～9μm內波動的情況已經有了很大的改善，說明增加修光刀片來加工連桿頸側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Rz6μm，且最大點的值已經達到了Rz8.2μm，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，發現側壁表面接刀痕處存在一個高度差12μm左右的小台階是造成粗糙度超差的主要原因。所以接刀痕的台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台階高度，就必須對刀具結構設計做進一步的優化，否則不能徹底解決此問題。

圖4 原刀具方案修光刀片布置

改進方案及效果分析

從刀具結構上分析，原刀具方案的修光刀片是錯開布置的設計（見圖4），當刀具切入工件時，兩個修光刀片受力不均，特別是當刀片磨損後這種受力不均的情況會更加突出，容易造成側壁表面的接刀痕處台階高度過大，從而使得表面粗糙度超差。改進的刀具方案如圖5所示，通過重新布置修光刀片位置，使兩側的修光刀片處於平行位置，或者說是幾乎是對稱的位置，使得刀具切削時兩側的刀片受力均勻，可以提高切削時的穩定性，減小接刀痕的台階高度，從而改善側壁的表面粗糙度。

圖5 改進刀具方案修光刀片布置

我們在保持切削參數不變的情況下，對改進的刀具進行了加工驗證，結果顯示的表面粗糙度在Rz2.5～4.4μm間。通過對粗糙度最大點的測量圖形進行分析，發現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，達到了設計要求。

喜歡這篇文章嗎？立刻分享出去讓更多人知道吧！