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曲軸（zhóu）粗車刀崩刃問題淺析

2023-5-8 來源：上（shàng）汽通用（yòng）五菱汽車股份有限公司重慶分（fèn）公司作者：張曉剛許雷明

車刀崩（bēng）刃是車削（xuē）加（jiā）工過程（chéng）中常見的問題，考慮到曲軸溝槽加工表麵要求高、重複定位精度等因素，崩（bēng）刃件一般（bān）無法返工，且目前無其他手段監控崩刃情況，僅能通過目視判斷（duàn），造成曲軸的批量報廢，刀具損壞、CPU 增加等情況，存（cún）在質量風險（xiǎn）。粗車刀崩（bēng）刃影響（xiǎng）因素多樣，我司前期通過人、機（jī）、料、法及環多方（fāng）向分析驗證鎖定設備精度、加工參數、餘量（liàng）分（fèn）配三點關鍵因素，本文通過（guò）對前期攻關過程進行總結，分析關鍵因素對粗車刀崩刃問題的影（yǐng）響，找到症（zhèng）結，攻克崩刃（rèn）問題。

生產現狀

某公司（sī）一條年產 30 萬件四缸鑄鐵（tiě）曲軸生產線上（shàng），生產（chǎn） N15/N12 兩種機型，因兩種機型皆存在（zài）崩刃問題且表現類似，下文以 N15 機型為例進行分析。OP20 工位負責曲軸主軸頸、法蘭盤、芯軸端及鏈輪端的粗、精加（jiā）工，采用的裝（zhuāng）備是配有自定心中心架的雙（shuāng）刀盤型（xíng） 5 軸聯動的德國產 Boehringer 車拉機床。

生產中左刀盤負責 A4/A5/HUB/ 法蘭端（duān）麵、外圓麵及溝槽的加工，右刀盤負責 A1/A2/A3/ 鏈輪 / 芯軸相應特征的加工。軸徑外圓粗（cū）車刀（以下（xià）簡稱粗車刀）分為 A1 粗車（chē）刀、A2/A3 粗車刀、A4/A5 粗車刀。加工過程工件姿態如圖 1 所示，麵對機床觀看（kàn）法蘭（lán）側靠左，芯軸側靠右（yòu），故下文中加工法（fǎ）蘭側粗車刀命名為左粗車，芯軸側粗車刀命名為右粗車。

圖（tú） 1 加工過程姿態、軸徑命（mìng）名示意圖

2020 年整年 OP20 工位（wèi）粗車刀崩刃（rèn） 59 次，生產（chǎn）過程（chéng）月均（jun1）崩刃次數 5.4 次 / 月，相比較於2016-2017 每（měi）月平均崩（bēng）刃頻次為 1.1 次（cì）增加（jiā）了 4.3次（cì） / 月（yuè），崩刃頻（pín）次（cì）明顯變多。統計 2020 年整年粗車刀崩刃於各軸徑的分（fèn）布情況，繪製如圖 2 所示的（de）柏（bǎi）拉圖。由圖可知 A2/A3 粗車刀崩刃占比最（zuì）大，A2/A4 左粗車和 A4/A5 左（zuǒ）粗車崩刃（rèn）次數占全年粗車刀（dāo）崩刃（rèn）次數的 76.72%，是 OP20 車拉工位粗車崩刃問題的症結所在（zài）。在其他問題不增加的情況下，解決 A2/A3 左（zuǒ）粗車及 A4/A5 左粗車問題後，OP20 工位粗車刀（dāo）崩刃頻次將（jiāng）降低為 1.27 次 / 月，與 2016~2017 年崩刃頻次基（jī）本持平。

圖 2 崩刃（rèn）分布

車拉（lā）加（jiā）工工藝（yì）曲軸車（chē）拉（lā）加工主軸頸（A1 無開槽加工）主要工步包含開槽刀加工、左右粗車加工、左右溝槽加工和拉刀修（xiū）整加工，加工部位（wèi）及刀具結（jié）構如圖 3 所示，整個加工過程中，粗車的粗車刀加工餘量最大，需加工側壁和粗車軸徑外圓麵。

圖 3 工位刀片介紹

崩（bēng）刃產生的原因（yīn）

曲軸主軸徑外圓加工粗車刀崩刃原因主要為方法和機床兩個方（fāng）麵 : ①在方法方麵包括機床加工（gōng）參數、各把刀具間的（de）餘量分配等（děng）因素 ; ②在機床方麵包括刀盤垂直度、頂尖圓跳動等（děng）設備精度問題和設備（bèi）原點變動等因素。

設備精度對崩刃問題的影響

對 OP20 車車拉設（shè）備刀（dāo）盤垂直度、卡盤圓跳動（dòng）進行檢查，檢查結果見表 1。

表 1 設備（bèi）精度檢查結果

供應商推薦刀盤垂直度及卡盤（pán）圓跳動小於20 μm，檢查結果有明顯超差情況，結合設備結構分（fèn）析，刀（dāo）盤垂直度、卡盤圓跳動（dòng）會導致刀片（piàn）加工過程中局部切削餘量變大（dà），瞬時加工應力增加引發崩刃。團隊對設備（bèi）精度進行調整後，調整過程（chéng）及精度變化見表 2。調整 OP20 三台設備刀盤垂直度、卡盤圓跳動至（zhì）≤ 20 μm，跟蹤生產一個月累計崩刃（rèn） 4 次，措（cuò）施有效，精度對問題解決貢獻率為 :1-[4（次 / 月）/5.4 次 / 月）]=26%。

表 2 調整（zhěng）前後進度對比

表 3 粗車刀 Z 向加工餘量

加工餘（yú）量對崩刃問題的影響刀片的加工餘量（圖 4）直接（jiē）關係到加工（gōng）過程中刀片受熱、應力變化。結合上文介紹的加工工（gōng）藝，開槽刀（dāo）的加工深度、軸（zhóu）向加工位置會（huì）影響左右粗車刀的加工餘量，粗車刀和拉刀（最終尺寸加工刀）的餘量分配也（yě）直接影響了（le）粗車刀的加工餘量。

圖 4 工位刀片加（jiā）工餘量示意圖

結合毛坯（圖 5）及 OP20 成品尺寸計算和測量各（gè）個軸徑左、右（yòu）粗車刀（dāo）在軸向（Z 向）和徑向（X 向（xiàng））的（de）加工餘量如表 3、表 4 所示。

圖 5 產品毛坯尺（chǐ）寸

表 4 粗車（chē）刀 X 向（xiàng）加（jiā）工餘量

我司通過多次測量收集粗車刀軸向、徑向的加（jiā）工（gōng）餘量發現 :

（1）OP20.1 設（shè）備主軸頸粗車加工 Z 向餘量，A2 左粗車加工餘量比右粗車加工餘量大1.1mm，A4 左（zuǒ）粗車比右粗車大 0.85 mm，其他軸徑最大差異皆小於 0.3 mm，與上文統計信息中左粗車（chē）崩刃頻次大於右粗車現象相呼應。

（2）觀察（chá）主軸頸粗（cū）車後軸頸直徑，三台設備部分軸徑完（wán）成粗車加工後直徑小於 49.7 mm，已經達到 OP20 工位成品尺寸（cùn）要求（49.6±0.1）mm，並（bìng）且主要（yào）集（jí）中 A2/A3 軸徑，與（yǔ）上文統計的（de）粗車（chē）崩刃頻次（cì）統計相對（duì）應。

分析加工程序，主軸徑粗車刀加工（gōng）毛（máo）坯麵，將主軸徑從 φ54 mm 加工至 φ49.9 mm（實（shí）際加工靠設備原點保證），理論軸向加工餘量4.1 mm。拉刀（dāo）保（bǎo）證最終成形尺寸，將軸徑由φ49.9 mm 加工至 49.6 mm，理論加工餘量 0.3mm。部分軸徑實（shí）際加工餘量與理論加工餘量差異較大，通（tōng）過重新調整設備原點後解決（jué）。

加工餘量過大是導致（zhì）崩刃的直接（jiē）因素，綜（zōng）合我司多年的加（jiā）工情況，極少發（fā）生拉刀崩刃情況，故團隊通過多（duō）次調整優化將（jiāng）粗車刀加工尺寸由 φ49.9修改為 φ50.2（增加拉刀加工餘量 0.3mm），優化後跟蹤粗（cū）車刀崩刃頻次明顯好（hǎo）轉。

加工參數對崩刃問題（tí）的影（yǐng）響

加工參數主要指切削速度、加工進給（gěi），切削速度（dù）對刀具壽命（mìng）有很大的影響，切（qiē）削速度過高（gāo）時，導致切削溫度上升，刀具壽命大大縮短 ;相反切削速度過低，切削易產生振動，切削過程中刀（dāo）具和工件不停（tíng）敲擊使刀尖（jiān）產生微小裂紋

和（hé）崩刃，刀具壽命縮短。

調（diào）整加工參數，在滿（mǎn）足生產節拍的情況下驗證加工參數對粗車刀崩刃的影（yǐng）響。我司多次調整設備加工參數，跟（gēn）蹤驗證粗車刀崩刃頻次，粗（cū）車刀崩（bēng）刃次數明顯改善，表 5 為參數優化情況。優化設備粗車加工切削速度，G97S1100（1100 r/min）調整為 G96 S180（180 mm/min），G96 為恒線速度加工（gōng），加工過程中自動調整主（zhǔ）軸轉速保證切削線（xiàn）速度不變（多（duō）用於外圓直徑加工）。G97 為恒轉（zhuǎn）速加工，加工過程中主軸轉（zhuǎn）速一致（多（duō）用於端麵加工），G97 隨著（zhe）工件軸徑直徑變小，切削線速（sù）度會（huì）變低，考慮粗車加工過程將曲軸（zhóu）軸徑由 φ54 mm 加工至φ50.2 mm，切削（xuē）線速度將由 186.5 mm/min 降低為 172.3 mm/min，下刀位置切削線（xiàn）速度過大，且與毛坯麵（氧化層）接觸，加工應力大，易崩刃（rèn）。參考刀具耐用（yòng）表要求（線切削速度（dù） Vc ≤ 185 mm/min），采用恒線速加工方式 G96 S180。

表 5 設（shè）備加工參數優化

當刀具進給量增大時，刀具（jù）與工件之間的接觸麵積增大，導（dǎo）致摩擦力增大，從而引起切削（xuē）力穩態分量（liàng）增大，增加崩刃（rèn）風險，故在滿（mǎn）足（zú）生產節拍要求的前提下，粗車加工過（guò）程中的進給 F0.35、F0.25 降（jiàng）低為統（tǒng）一的進給 F0.20，跟蹤生產崩刃頻次（cì）顯著降低。

結論

我司進行曲軸車拉加（jiā）工（gōng）工位加工過程中粗車刀崩刃頻繁，比正常加工情況（kuàng）多 4.3 次 / 月。通過人、機、料、法及環分析，鎖定設備精（jīng）度、加工參數及加（jiā）工餘量，並對其（qí）進行優化驗證。最終通過調整刀片（piàn）餘量分配、機床加工參數及調整設備精度將曲（qǔ）軸線 OP20 車拉工（gōng）位粗車刀崩刃頻次（cì）降低為 1 次 / 月以內。為預防問題再發生，優化維（wéi）修 PM，定期檢查、調整（zhěng）設備精度及原點（diǎn）位置，更新 PCP，要求定期監控OP20 粗車餘量並寫入經驗教訓。

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