曲軸和凸輪軸是發(fā)動(dòng)機(jī)重要運(yùn)動(dòng)部件，其傳統(tǒng)工藝采用車(chē)床對(duì)主軸頸、連桿頸和凸輪進(jìn)行粗加工。由于工件結(jié)構(gòu)特殊和切削量大且不均勻，工件受力大而容易彎曲變形，所以加工精度難以保證，影響后續(xù)加工質(zhì)量，同時(shí)存在設(shè)備數(shù)量多、人員多、效率低、成本高等問(wèn)題。數(shù)控內(nèi)銑和數(shù)控外銑的出現(xiàn)為解決這些問(wèn)題提供了條件。掌握數(shù)控銑床的結(jié)構(gòu)、工作原理及其調(diào)整方法對(duì)提高發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸和凸輪軸粗加工質(zhì)量具有重要意義。
發(fā)動(dòng)機(jī)軸類(lèi)零件粗加工
?。?）曲軸粗加工的發(fā)展
20世紀(jì)70年代以前，采用多把車(chē)刀一次對(duì)軸頸的外圓、圓角和側(cè)面及臺(tái)階進(jìn)行加工，但同一零件的不同部位需多道工序才能完成軸頸和連桿頸的粗加工。多刀車(chē)削存在余量大、平衡塊側(cè)面加工為斷續(xù)切削及易產(chǎn)生振動(dòng)和打刀問(wèn)題，刀具壽命低，不良率高，切削效率低。七八十年代曲軸粗加工又出現(xiàn)了CNC車(chē)削、CNC外銑和CNC內(nèi)銑工藝。80年代末90年代初又開(kāi)發(fā)出了車(chē)?yán)?、?chē)－車(chē)?yán)に嚕摴に嚲哂芯雀摺⑿矢叩葍?yōu)點(diǎn)。90年代中期又開(kāi)發(fā)出CNC高速外銑，它對(duì)平衡塊側(cè)面需要加工的曲軸方面，比CNC車(chē)削、CNC內(nèi)銑和車(chē)－車(chē)?yán)纳a(chǎn)效率高。
由于加工精度和加工效率的原因，車(chē)削一般只用于主軸頸加工。曲軸內(nèi)銑和高速外銑不能加工軸向沉割槽，當(dāng)曲軸有軸向沉割槽時(shí)，應(yīng)采用車(chē)-車(chē)?yán)椒庸?。?dāng)曲軸平衡塊側(cè)面需要加工時(shí)，銑削工藝大大優(yōu)于車(chē)?yán)に?。其具有切削速度高、工序時(shí)間短、切削力小、溫升較低、刀具壽命高、換刀少、精度高和機(jī)床柔性好等優(yōu)點(diǎn)。
?。?）凸輪軸粗加工的發(fā)展
早期凸輪軸的主軸頸一般以單刀或多刀普通車(chē)床進(jìn)行粗加工，凸輪普遍采用機(jī)械靠模式車(chē)床進(jìn)行單刀或多刀仿形車(chē)削來(lái)完成。單刀車(chē)削效率低；多刀車(chē)削難以保證零件質(zhì)量，而且粗車(chē)過(guò)后必須安排校直、粗磨等工序，生產(chǎn)效率低。
多刀車(chē)削、仿形車(chē)由于切削時(shí)受力大，工件容易發(fā)生彎曲變形和振動(dòng)，刀具壽命低，打刀頻繁，不良率高。粗車(chē)過(guò)后需安排校直、粗磨等工序。工件換型時(shí)需更換靠模、調(diào)整時(shí)間長(zhǎng)，切換效率低、成本高。新工藝凸輪軸主軸頸采用數(shù)控車(chē)，凸輪則采用數(shù)控外銑進(jìn)行高速銑削（合金鋼件鍛造毛坯）或CBN強(qiáng)力磨削（鑄鐵鑄造毛坯）。凸輪軸的粗加工經(jīng)歷了單刀車(chē)削、多刀車(chē)削、CNC車(chē)削和數(shù)控高速外銑的發(fā)展歷程。
數(shù)控銑床的結(jié)構(gòu)和工作原理
從20世紀(jì)60年代到90年代，數(shù)控銑床經(jīng)歷了普通數(shù)控三座標(biāo)銑床、普通CNC外銑、高速CNC內(nèi)銑和高速CNC外銑幾個(gè)階段，其中高速CNC內(nèi)銑和高速CNC外銑在發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸、凸輪軸粗加工之中得到越來(lái)越廣泛的應(yīng)用。目前世界上數(shù)控內(nèi)銑或外銑的主要生產(chǎn)廠家有德國(guó)的HELLER公司、Boehringer公司和日本的小松公司。國(guó)內(nèi)沈陽(yáng)第一機(jī)床也生產(chǎn)曲軸內(nèi)銑，但基礎(chǔ)還很薄弱。
?。?）數(shù)控外銑機(jī)床
如圖1所示，數(shù)控外銑機(jī)床一般由床身、主軸箱、十字滑臺(tái)、銑削單元、跟蹤中心架、數(shù)控系統(tǒng)、排屑系統(tǒng)、潤(rùn)滑系統(tǒng)、油霧處理裝置等組成。數(shù)控裝置控制刀架滑臺(tái)（X軸）、工件旋轉(zhuǎn)主軸（C軸）以及工作移動(dòng)滑臺(tái)（Z軸）聯(lián)動(dòng)進(jìn)行插補(bǔ)仿形銑削，加工所有凸輪或曲軸的主軸頸及連桿頸。
圖 1
1.銑刀盤(pán) 2.凸輪軸轉(zhuǎn)動(dòng)方向 3.銑銷(xiāo)單元 4.銑銷(xiāo)單元移動(dòng)方向 5.床身
早期的數(shù)控曲軸外銑以某一組連桿頸中心為回轉(zhuǎn)中心只能加工該組連桿頸，一組刀盤(pán)只能加工某一組軸頸，不適合大余量加工，余量一般不超過(guò)3mm，較適合大批量生產(chǎn)的轎車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸。
90年代出現(xiàn)的數(shù)控曲軸高速外銑，采用工件回轉(zhuǎn)和銑刀進(jìn)給伺服聯(lián)動(dòng)控制技術(shù)，可以實(shí)現(xiàn)一次裝夾銑削完所有連桿軸頸。中心架采用跟蹤夾緊方式，保證加工過(guò)程中零件不會(huì)產(chǎn)生大的彎曲變形；取消了機(jī)械靠模或偏心夾具，通過(guò)編制程序可快捷地實(shí)現(xiàn)工件品種的轉(zhuǎn)換，具有良好的柔性。
?。?）數(shù)控曲軸內(nèi)銑機(jī)床
數(shù)控內(nèi)銑主要有兩種不同的結(jié)構(gòu)形式，其中比較有代表性的是日本小松公司的搖臂偏心機(jī)構(gòu)和德國(guó)HELLER公司的數(shù)控十字滑臺(tái)結(jié)構(gòu)。小松公司采用獨(dú)創(chuàng)的搖臂式銑刀頭，工件固定不動(dòng)，銑刀頭裝在一個(gè)滑臺(tái)單元上，實(shí)現(xiàn)平面上的插補(bǔ)聯(lián)動(dòng)銑削。其獨(dú)有的繞一個(gè)固定支點(diǎn)擺動(dòng)內(nèi)的結(jié)構(gòu)有效地增強(qiáng)了曲軸加工時(shí)的剛性，可采用較大進(jìn)給量并得到較好精度。
曲軸內(nèi)銑加工基本原理：如圖2所示，兩端軸頸外圓為徑向定位基準(zhǔn)，以曲柄臂側(cè)面或端面為軸向定位，用自定心卡盤(pán)夾緊，通過(guò)控制進(jìn)給機(jī)構(gòu)使刀盤(pán)產(chǎn)生復(fù)合運(yùn)動(dòng)，對(duì)軸頸外圓、圓角和平衡塊側(cè)面包絡(luò)加工。
圖 2
不同制造商的銑床
不同制造商的內(nèi)銑機(jī)床，因其結(jié)構(gòu)不同，其加工原理有所不同，主要可以按照加工過(guò)程之中工件運(yùn)動(dòng)和銑削單元的運(yùn)動(dòng)形式進(jìn)行劃分。
?。?）德國(guó)HELLER公司的內(nèi)銑機(jī)床，如圖3所示。德國(guó)HELLER公司的RFK內(nèi)銑，采用數(shù)控十字滑臺(tái)機(jī)構(gòu)，切入軸頸表面時(shí)，刀盤(pán)停止進(jìn)給，此時(shí)工件旋轉(zhuǎn)一周，刀盤(pán)在CNC的控制下隨做圓周進(jìn)給運(yùn)動(dòng)，旋轉(zhuǎn)一周后完成軸頸的加工。
圖 3
?。?)日本小松公司GPM型曲軸內(nèi)銑機(jī)床。如圖4所示，GPM曲軸內(nèi)銑采用獨(dú)創(chuàng)的搖臂式銑頭，銑頭的一端由大口徑軸承支撐（帶有導(dǎo)向滑塊），另一端采用了由絲杠螺母驅(qū)動(dòng)的搖臂方式，加工時(shí)工件固定不動(dòng)，動(dòng)力頭經(jīng)一垂直方向的螺母帶動(dòng)，繞一回轉(zhuǎn)中心做上下往復(fù)運(yùn)動(dòng)，又由一水平方向的螺母帶動(dòng)，做水平方向往復(fù)運(yùn)動(dòng)。
圖 4
（3）Boehringer公司內(nèi)銑。Boehringer公司內(nèi)銑刀盤(pán)裝在一個(gè)偏心體上，銑刀盤(pán)由主軸驅(qū)動(dòng)，小軸承支撐實(shí)現(xiàn)主運(yùn)動(dòng)，偏心體由特殊的帶有齒形的大偏心軸承支撐，由旋轉(zhuǎn)進(jìn)給機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)，與連桿頸同心后再銑削加工。
?。?）沈陽(yáng)第一機(jī)床廠PMC28150C型曲軸內(nèi)銑機(jī)床。該機(jī)床配置左右兩組銑刀，加工時(shí)以不同的方向旋轉(zhuǎn)，平衡切削力。在動(dòng)力頭上分別安裝了水平方向上（X軸）和垂直方向（Z軸）的絲桿螺母?jìng)鲃?dòng)機(jī)構(gòu)，由伺服電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)，CNC控制。加工時(shí)，工件固定不動(dòng)，動(dòng)力頭由X軸進(jìn)給切削曲柄臂側(cè)面，當(dāng)進(jìn)給到軸頸時(shí)，Z軸和X軸伺服機(jī)構(gòu)進(jìn)行插補(bǔ)運(yùn)動(dòng)，使刀盤(pán)繞軸頸中心公轉(zhuǎn)完成一個(gè)相位連桿軸頸的銑削，然后由中心軸旋轉(zhuǎn)到下一個(gè)相位，加工下一個(gè)相位的連桿軸頸。
數(shù)控銑床的工藝
?。?）內(nèi)外銑刀盤(pán)受力比較如圖5所示，設(shè)D1為銑刀盤(pán)的裝夾直徑，D2為切削直徑，外銑刀盤(pán)的D1與D2之比是遠(yuǎn)小于1的。當(dāng)然要求D1盡可能大一些，這樣銑刀盤(pán)的裝卡比較牢固，機(jī)床運(yùn)轉(zhuǎn)也平穩(wěn)一些。在相同的每齒進(jìn)給量下，內(nèi)銑刀盤(pán)同時(shí)參與切削的刀齒較多，切削厚度較小，可采用較大進(jìn)給量。
圖 5
內(nèi)銑適合于大型柴油機(jī)曲軸，尤其是對(duì)于無(wú)沉割槽且平衡塊側(cè)面需加工的曲軸。
雙刀盤(pán)數(shù)控高速外銑，速度高達(dá)350m/min，效率高，適合切削量小且比較穩(wěn)定的零件，
?。?）數(shù)控銑的定位夾緊方式。凸輪軸在外銑上以頂尖定心，一側(cè)止推面做軸向定位，齒輪軸頸鍵槽為角向定位，頭尾架兩端卡盤(pán)夾緊，加工時(shí)兩個(gè)中心架跟蹤加緊做輔助支撐。
通常情況下，曲軸在銑床上的定位夾緊方式為：以頂尖定心，曲軸一側(cè)軸向定位，一側(cè)主軸頸和另一側(cè)法蘭外圓自定心夾緊，角向定位有靠近主軸頸一側(cè)的平衡塊側(cè)面和連桿頸兩種方式。
（3）數(shù)控銑的加工工藝。一般采用數(shù)控外銑進(jìn)行凸輪加工，上料后通過(guò)頭架的定位鍵（銷(xiāo)）進(jìn)行角向定位，然后從一側(cè)順序加工進(jìn)、排氣凸輪，加工時(shí)中心架跟蹤支撐在相鄰主軸頸上，以免發(fā)生大的彎曲變形。外銑在凸輪加工時(shí)，兩個(gè)刀盤(pán)都向一個(gè)方向旋轉(zhuǎn)，并根據(jù)凸輪輪廓型線實(shí)時(shí)進(jìn)給，以保證形狀精度。如圖6所示。
在大余量重切削情況下，一般采用內(nèi)銑加工曲軸軸頸。加工總是從曲軸一側(cè)加工到另一側(cè)，先在靠近夾盤(pán)最近的主軸頸銑出中心架支撐的基準(zhǔn)后，再依次加工主軸頸和連桿頸。當(dāng)同時(shí)加工曲軸的主軸頸和連桿頸時(shí)，兩個(gè)刀盤(pán)的旋轉(zhuǎn)方向是相反的，以達(dá)到受力平衡，有效地保證了加工精度（這一點(diǎn)也是外銑做不到的），兩個(gè)刀盤(pán)同時(shí)加工通過(guò)程序控制來(lái)保證動(dòng)作同步，如圖7所示。
?。?）銑床的銑刀盤(pán)設(shè)計(jì)。曲軸內(nèi)銑、外銑及凸輪外銑床均采用刀盤(pán)成形切入法，對(duì)加工部位進(jìn)行一次性加工成形。曲軸銑刀盤(pán)一般由4組刀片組成，分別對(duì)軸頸外圓、圓角、臺(tái)肩及平衡塊端面進(jìn)行切削。凸輪軸銑刀一般由3組刀片組成，分別對(duì)凸輪輪廓外圓及兩側(cè)倒角進(jìn)行切削。
內(nèi)銑和外銑都是采用刀盤(pán)成形切入法對(duì)軸頸或凸輪進(jìn)行切削加工。因其切削為斷續(xù)、干式切削，刀具的設(shè)計(jì)除保證零件加工外形尺寸準(zhǔn)確外，還應(yīng)保證其其加工時(shí)產(chǎn)生的切屑形狀小，避免切屑在機(jī)床內(nèi)部堆積造成局部高溫。內(nèi)銑刀盤(pán)刀夾在圓周上的分布采用不等齒距形式，以防止切削過(guò)程中可能產(chǎn)生的周期性振動(dòng)，同時(shí)注意臺(tái)肩高度尺寸的設(shè)計(jì)。
加工質(zhì)量調(diào)整控制
（1）軸向尺寸控制
凸輪軸的軸向定位在止推面，由于其凸輪的軸向公差都比較大，一般只需要在加工幾件后在工件坐標(biāo)系之中作一下調(diào)整就能得到保證。
曲軸的軸向尺寸基準(zhǔn)在止推軸頸端面，傳統(tǒng)的曲軸加工工藝因?yàn)榧庸すば蚨嗲夜に嚮鶞?zhǔn)變換多，曲軸的工藝尺寸鏈比較復(fù)雜。隨著大量數(shù)控設(shè)備和測(cè)量系統(tǒng)的使用，絕大多數(shù)工序都可以實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品基準(zhǔn)和工藝基準(zhǔn)的統(tǒng)一。因?yàn)榍S后續(xù)工序——熱處理變形影響磨削對(duì)軸向尺寸的控制，需要對(duì)熱處理變形規(guī)律經(jīng)常性進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，并依據(jù)結(jié)果調(diào)整內(nèi)銑尺寸來(lái)補(bǔ)償?shù)暨@種變形。
?。?）外圓跳動(dòng)控制
凸輪粗加工前必須保證其主軸頸跳動(dòng)，以六缸凸輪軸為例，中間第四主軸頸跳動(dòng)應(yīng)≤0.20mm，同時(shí)保證鍵槽質(zhì)量，否則會(huì)造成加工后凸輪輪廓誤差大和相位不穩(wěn)定。一般加工一批約30件后檢測(cè)的ADCOLE數(shù)據(jù)與產(chǎn)品工藝要求進(jìn)行比較分析后的差異數(shù)值以極坐標(biāo)的形式導(dǎo)入數(shù)控系統(tǒng)補(bǔ)償。
曲軸跳動(dòng)誤差對(duì)曲柄半徑、相位的測(cè)量和加工都會(huì)產(chǎn)生影響，并影響后續(xù)磨削質(zhì)量。內(nèi)銑為干式加工設(shè)備，加工中產(chǎn)生很大的切削力和切削熱，切削時(shí)的局部溫度高達(dá)700℃，這會(huì)造成熱鍛毛坯殘余內(nèi)應(yīng)力的釋放，容易造成內(nèi)銑后跳動(dòng)誤差的突變。在一般情況下，曲軸毛坯熱處理質(zhì)量能保證批次的穩(wěn)定性、零件跳動(dòng)誤差數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析以及進(jìn)行調(diào)整偏心方向獲得工藝要求的跳動(dòng)誤差。
對(duì)于工件固定不動(dòng)的內(nèi)銑加工方式，要實(shí)現(xiàn)主動(dòng)控制主軸頸偏心加工，以獲得符合工藝要求的跳動(dòng)誤差是非常方便的。以圖8為例，通過(guò)對(duì)一批內(nèi)銑加工后的跳動(dòng)誤差統(tǒng)計(jì)，分解成X、Y兩個(gè)方向進(jìn)行補(bǔ)償，從而獲得批次的穩(wěn)定的跳動(dòng)誤差。
數(shù)控銑床熱補(bǔ)償原理
切削熱引起零件尺寸的變化，為保證內(nèi)銑加工質(zhì)量的穩(wěn)定，必須減小切削熱對(duì)加工系統(tǒng)的影響。一般有兩種做法實(shí)現(xiàn)變形誤差的熱補(bǔ)償：一是在設(shè)備系統(tǒng)內(nèi)設(shè)置很多溫度傳感器，用來(lái)監(jiān)測(cè)設(shè)備的溫升變化。借助統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)規(guī)律的分析，根據(jù)實(shí)際溫度變化實(shí)現(xiàn)熱補(bǔ)償，HELLER公司采用這種方式。這種方法可以獲得精確的誤差補(bǔ)償，提高加工質(zhì)量的穩(wěn)定性，控制系統(tǒng)復(fù)雜，具有自動(dòng)溫升補(bǔ)償功能。當(dāng)機(jī)床和刀具溫度升高時(shí)，能自動(dòng)修正各CNC軸坐標(biāo)位置，保證工件加工尺寸的穩(wěn)定性。
另一種方法是設(shè)定設(shè)備系統(tǒng)溫度變化滿(mǎn)足雙曲線的變化規(guī)律，且加工工件產(chǎn)生的切削熱是要累加的。尋找到熱變形與時(shí)間的關(guān)系，建立熱量補(bǔ)償曲線，這樣在不增加裝置的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)加工熱補(bǔ)償，在滿(mǎn)足加工質(zhì)量穩(wěn)定的情況下，設(shè)備的可靠性沒(méi)有降低。小松內(nèi)銑采用的就是這種方式。
結(jié)語(yǔ)
數(shù)控高速銑床具有高效率、高精度和很好的設(shè)備柔性，廣泛應(yīng)用于發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸、凸輪軸的粗加工之中。數(shù)控外銑一般用在柴油機(jī)鍛鋼凸輪軸的凸輪銑削和加工余量較小且無(wú)軸向沉割槽的鑄件轎車(chē)曲軸的主軸頸、連桿頸粗加工。數(shù)控內(nèi)銑適用于毛坯精度低、加工余量較大的大型柴油機(jī)曲軸，尤其是對(duì)于無(wú)沉割槽且平衡塊側(cè)面需加工的鋼件曲軸加工。