曲轴油孔加工过程控制

曲轴油孔加工过程控制

摘要：本文通过曲轴油孔引起发动机故障的案例，结合工艺设计对油孔钻通性、斜油孔位置度和油孔倒角逐一分析，提出加工过程控制的具体办法，并对后续的油孔设计提出一些改进建议。

关键词：曲轴油孔；位置度；倒角；改进

引言

曲轴是发动机动力输出的关键运动部件。不光轴颈表面加工质量、尺寸、动平衡等控制对发动机的功率、扭矩有很大影响，润滑油道也对发动机的运转起着至关重要的作用。

下面将以某曲轴（如图1，下称A曲轴）为例来研究曲轴油孔及倒角的加工控制，以及对后续工艺的影响。A曲轴有4条直油道和4条斜油道，直油道与斜油道在主轴颈表面存在交叉孔。主轴颈润滑靠直油道供油，连杆颈润滑靠将主轴颈与连杆颈之间的斜油道供油。从图1可以看出直油道因为进出口形状规则，加工质量容易控制；而斜油道因为存在与主油道的连接交叉孔，进出口不规则，所以容易出现位置度超差、倒角不规则等问题。下面重点研究斜油孔的加工控制及对后工序产生的影响。

图1 A曲轴直斜油道

1.油孔钻通加工控制

油孔加工先要保证钻通，异常断刀往往会导致未钻通的工件流到下工序。当前的控制策略是给刀具设定一个最大最小扭矩极限值，在崩刀或刀钝时刀具接触工件扭矩会变大，在断刀时，主轴移到监控位置时刀具因接触工件不充分会触发最小扭矩值报警。实际的情况是，这个扭矩值是一个范围，设定的依据是根据历史数据，受到某时段毛坯的硬度、刀具的材质等因素影响较大。所以往往出现断刀误报警甚至崩刀未报警的情况。

基于此，对油孔贯穿性检测就显得非常重要。某工厂采用在后工序通油孔、并根据钻油孔工序的加工顺序优化防错验证策略，由之前的随便堵塞一个油孔来验证通油孔设备是否报警，改为制作一个只堵塞最后一个加工油孔的参考件来验证。这一改进使检测可靠性提高了很多。

2.油孔位置度控制

孔的位置度一般利用X和Y两个垂直方向维度来评判，斜油孔的位置度分为进口端和出口端。A曲轴工艺要求进口端位置度为Φ0.7mm，出口端位置度为Φ1.6mm，出口端比进口端大是考虑加工过程中刀具的跳动影响。

图1中，斜油孔进口端也就是进刀端都是在连杆颈上，所以出刀端与主油道交叉孔处形状较难控制，在直、斜油道直径相同的情况下，也很难保证油孔的重合，这就导致后续倒角时可能会出现倒角不充分，形状不规则，存在锋利飞边毛刺的情况，影响后续的轴颈的加工测量，甚至导致装机后划伤轴瓦的质量事故。

下面来研究交叉孔油孔位置度，为简化分析，我们假设斜油孔在出口端投影为椭圆，直油孔在出口端投影为圆，理想的控制是两油孔出口端正好重合，但实际加工过程中会出现临界状态甚至两油孔完全偏离的状态。出口端过大对后续倒角或者磨削加工测量成影响。在直、斜油孔出口端位置度要求给出的情况下，我们可以算出交叉孔的位置度的最大偏差，参照A曲轴要求，我们假设斜油孔Y 方向极限为Φ1.6mm，直油孔X方向极限为Φ0.7mm，这样计算出来的交叉孔极限位置度为=mm。

而对于增压曲轴来说，油孔的位置度要求更高，以某发动机工厂增压曲轴轴颈感应淬火设备为例。根据磁场的临近效应，为保证淬火时不导致油孔处过热脆裂，尤其是斜油孔处锐角区域较薄，就需要根据油孔位置度来确认线圈在轴颈圆周向的缺口位置，以此来改变磁力线进而改变加热量。缺口一旦做好就很难改变，所以增压曲轴的油孔位置度要求更高。

3.油孔倒角控制

在某工厂的曲轴回转力矩检测工位，曾发生过曲轴抱死的问题，拆解发现轴瓦被磕出一道道深痕，根源就是曲轴油孔倒角不充分，存在锋利的飞边，划伤轴瓦。

那是不是意味着我们把倒角做大一些就没问题了呢？其实不然。因为如果倒角过大，在后续磨削加工中，测头可能就会落到倒角处，导致测量失败。所以，倒角控制需要遵循以下原则：

（1）对于成品来说必须要存在，否则运行过程中会划伤轴瓦；

（2）对于过程控制来说，需要尽量做大，尤其对于增压曲轴来说倒角大会尽量减小斜油孔的锐角部分，减少锐角区过热脆裂风险。

实际上可以综合位置度、后工序加工余量等参数来评判倒角大小的范围，进而以此来选取合适的倒角刀或者调整机床参数对倒角大小进行控制。在后续加工中，如磨削余量大到将前面加工的倒角去除，这样无倒角或锋利问题又出现了。

所以要根据倒角角度θ、去除余量X来计算倒角深度，这三个变量的关系可用正切函数表示：

其中：

θ由刀具决定，△d会受到油孔位置度的影响，换言之油孔位置度越大，需要倒角的孔越大越深。

油孔倒角一般由两种控制策略。第一利用产品公差尺寸链进行控制，这就要求每个工序的加工能力（Ppk）都能很好的保证，避免前工序偏差对后工序造成的影响。如果钱工序PPK不好，也一定要保证PP值很好，保证偏差是集中偏离有规律的，这样还可以通过控制计划的过程抽检在后工序调整参数补救回来。如果PP值不好的话就只能采用另外一种策略：绝对控制，降低前工序过程控制的影响，在最后决定倒角的工序加工之前先测量需要加工的倒角深度，再加工。

4.油孔设计改进建议

通过上面的分析，我们不难看出油孔位置度的控制综合影响因素很多，诸如机床精度、

刀具、前后工序相应影响等。可以考虑将直斜油孔设计优化成图2所示的情形：

图2交叉孔优化设计图示

这种设计的优点：

（1）交叉孔出口端形状规则，为圆形，对油孔倒角非常有利；

（2）斜油孔锐角区减小，如果是增压曲轴将对主轴颈淬火有利；

（3）出口处位置度由交叉孔位置变成单一的直油孔位置，易检测和控制。

5.结束语

本文从曲轴油孔加工的过程控制入手，在思路和方法上提出了一些个人见解，因时间仓促，需要在后续的工作中不断实践，利用这些数学运算来指导实际的工艺优化和质量问题解决。