曲轴粗车刀崩刃问题浅析
2023-5-8 来源： 上汽通用五菱汽车股份有限公司重庆分公司 作者：张晓刚 许雷明
车刀崩刃是车削加工过程中常见的问题，考虑到曲轴沟槽加工表面要求高、重复定位精度等因素，崩刃件一般无法返工，且目前无其他手段监控崩刃情况，仅能通过目视判断，造成曲轴的批量报废，刀具损坏、CPU 增加等情况，存在质量风险。粗车刀崩刃影响因素多样，我司前期通过人、机、料、法及环多方向分析验证锁定设备精度、加工参数、余量分配三点关键因素，本文通过对前期攻关过程进行总结，分析关键因素对粗车刀崩刃问题的影响，找到症结，攻克崩刃问题。
生产现状
某公司一条年产 30 万件四缸铸铁曲轴生产线上，生产 N15/N12 两种机型，因两种机型皆存在崩刃问题且表现类似，下文以 N15 机型为例进行分析。OP20 工位负责曲轴主轴颈、法兰盘、芯轴端及链轮端的粗、精加工，采用的装备是配有自定心中心架的双刀盘型 5 轴联动的德国产 Boehringer 车拉机床。
生产中左刀盘负责 A4/A5/HUB/ 法兰端面、外圆面及沟槽的加工，右刀盘负责 A1/A2/A3/ 链轮 / 芯轴相应特征的加工。轴径外圆粗车刀（以下简称粗车刀）分为 A1 粗车刀、A2/A3 粗车刀、A4/A5 粗车刀。加工过程工件姿态如图 1 所示，面对机床观看法兰侧靠左，芯轴侧靠右，故下文中加工法兰侧粗车刀命名为左粗车，芯轴侧粗车刀命名为右粗车。
图 1 加工过程姿态、轴径命名示意图
2020 年整年 OP20 工位粗车刀崩刃 59 次，生产过程月均崩刃次数 5.4 次 / 月，相比较于2016-2017 每月平均崩刃频次为 1.1 次增加了 4.3次 / 月，崩刃频次明显变多。统计 2020 年整年粗车刀崩刃于各轴径的分布情况，绘制如图 2 所示的柏拉图。由图可知 A2/A3 粗车刀崩刃占比最大，A2/A4 左粗车和 A4/A5 左粗车崩刃次数占全年粗车刀崩刃次数的 76.72%，是 OP20 车拉工位粗车崩刃问题的症结所在。在其他问题不增加的情况下，解决 A2/A3 左粗车及 A4/A5 左粗车问题后，OP20 工位粗车刀崩刃频次将降低为 1.27 次 / 月，与 2016~2017 年崩刃频次基本持平。
图 2 崩刃分布
车拉加工工艺曲轴车拉加工主轴颈（A1 无开槽加工）主要工步包含开槽刀加工、左右粗车加工、左右沟槽加工和拉刀修整加工，加工部位及刀具结构如图 3 所示，整个加工过程中，粗车的粗车刀加工余量最大，需加工侧壁和粗车轴径外圆面。
图 3 工位刀片介绍
崩刃产生的原因
曲轴主轴径外圆加工粗车刀崩刃原因主要为方法和机床两个方面 : ①在方法方面包括机床加工参数、各把刀具间的余量分配等因素 ; ②在机床方面包括刀盘垂直度、顶尖圆跳动等设备精度问题和设备原点变动等因素。
设备精度对崩刃问题的影响
对 OP20 车车拉设备刀盘垂直度、卡盘圆跳动进行检查，检查结果见表 1。
表 1 设备精度检查结果
供应商推荐刀盘垂直度及卡盘圆跳动小于20 μm，检查结果有明显超差情况，结合设备结构分析，刀盘垂直度、卡盘圆跳动会导致刀片加工过程中局部切削余量变大，瞬时加工应力增加引发崩刃。团队对设备精度进行调整后，调整过程及精度变化见表 2。调整 OP20 三台设备刀盘垂直度、卡盘圆跳动至≤ 20 μm，跟踪生产一个月累计崩刃 4 次，措施有效，精度对问题解决贡献率为 :1-[4（ 次 / 月 ）/5.4 次 / 月）]=26%。
表 2 调整前后进度对比
表 3 粗车刀 Z 向加工余量
加工余量对崩刃问题的影响刀片的加工余量（图 4）直接关系到加工过程中刀片受热、应力变化。结合上文介绍的加工工艺，开槽刀的加工深度、轴向加工位置会影响左右粗车刀的加工余量，粗车刀和拉刀（最终尺寸加工刀）的余量分配也直接影响了粗车刀的加工余量。
图 4 工位刀片加工余量示意图
结合毛坯（图 5）及 OP20 成品尺寸计算和测量各个轴径左、右粗车刀在轴向（Z 向）和径向（X 向）的加工余量如表 3、表 4 所示。
图 5 产品毛坯尺寸
表 4 粗车刀 X 向加工余量
我司通过多次测量收集粗车刀轴向、径向的加工余量发现 :
（1）OP20.1 设 备 主 轴 颈粗车加工 Z 向余量，A2 左粗车加工余量比右粗车加工余量大1.1mm，A4 左粗车比右粗车大 0.85 mm，其他轴径最大差异皆小于 0.3 mm，与上文统计信息中左粗车崩刃频次大于右粗车现象相呼应。
（2）观察主轴颈粗车后轴颈直径，三台设备部分轴径完成粗车加工后直径小于 49.7 mm，已经达到 OP20 工位成品尺寸要求（49.6±0.1）mm，并且主要集中 A2/A3 轴径，与上文统计的粗车崩刃频次统计相对应。
分析加工程序，主轴径粗车刀加工毛坯面，将主轴径从 φ54 mm 加工至 φ49.9 mm（实际加工靠设备原点保证），理论轴 向 加 工 余 量4.1 mm。 拉 刀保证最终成形尺寸，将轴径由φ49.9 mm 加工至 49.6 mm，理论加工余量 0.3mm。部分轴径实际加工余量与理论加工余量差异较大，通过重新调整设备原点后解决。
加工余量过大是导致崩刃的直接因素，综合我司多年的加工情况，极少发生拉刀崩刃情况，故团队通过多次调整优化将粗车刀加工尺寸由 φ49.9修改为 φ50.2（增加拉刀加工余量 0.3mm），优化后跟踪粗车刀崩刃频次明显好转。
加工参数对崩刃问题的影响
加工参数主要指切削速度、加工进给，切削速度对刀具寿命有很大的影响，切削速度过高时，导致切削温度上升，刀具寿命大大缩短 ;相反切削速度过低，切削易产生振动，切削过程中刀具和工件不停敲击使刀尖产生微小裂纹
和崩刃，刀具寿命缩短。
调整加工参数，在满足生产节拍的情况下验证加工参数对粗车刀崩刃的影响。我司多次调整设备加工参数，跟踪验证粗车刀崩刃频次，粗车刀崩刃次数明显改善，表 5 为参数优化情况。优化设备粗车加工切削速度，G97S1100（1100 r/min）调 整 为 G96 S180（180 mm/min），G96 为恒线速度加工，加工过程中自动调整主轴转速保证切削线速度不变（多用于外圆直径加工）。G97 为恒转速加工，加工过程中主轴转速一致（多用于端面加工），G97 随着工件轴径直径变小，切削线速度会变低，考虑粗车加工过程将曲轴轴径由 φ54 mm 加 工 至φ50.2 mm，切 削 线 速度 将 由 186.5 mm/min 降 低 为 172.3 mm/min，下刀位置切削线速度过大，且与毛坯面（氧化层）接触，加工应力大，易崩刃。参考刀具耐用表要求（线切削速度 Vc ≤ 185 mm/min），采用恒线速加工方式 G96 S180。
表 5 设备加工参数优化
当刀具进给量增大时，刀具与工件之间的接触面积增大，导致摩擦力增大，从而引起切削力稳态分量增大，增加崩刃风险，故在满足生产节拍要求的前提下，粗车加工过程中的进给 F0.35、F0.25 降低为统一的进给 F0.20，跟踪生产崩刃频次显著降低。
结论
我司进行曲轴车拉加工工位加工过程中粗车刀崩刃频繁，比正常加工情况多 4.3 次 / 月。通过人、机、料、法及环分析，锁定设备精度、加工参数及加工余量，并对其进行优化验证。最终通过调整刀片余量分配、机床加工参数及调整设备精度将曲轴线 OP20 车拉工位粗车刀崩刃频次降低为 1 次 / 月以内。为预防问题再发生，优化维修 PM，定期检查、调整设备精度及原点位置，更新 PCP，要求定期监控OP20 粗车余量并写入经验教训。
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