（机械制造及其自动化专业论文）曲轴螺孔加工工艺优化.pdf

摘要 摘要 本文通过文献与现场调研，概括了曲轴螺孔的加工要求及几种螺孔加工工 艺方法的优缺点和适用场合，结合汽车发动机厂的现场工况，介绍了曲轴螺孔 攻丝加工中常见的几种工艺缺陷，包括螺纹烂牙、螺纹中径扩大和丝锥寿命短， 并分析其产生的原因及影响因素，提出了消减缺陷的一般方法措施。 通过回顾金属切削中正交切削模型和斜角切削模型，结合丝锥结构特点及 攻丝成形原理，研究了攻丝过程中所产生的切削载荷，包括攻丝扭矩、轴向力 和径向力，并通过离散化的数学分析方法，将丝锥切削锥部沿轴向方向分为一 系列单元刀具，建立了攻丝力学模型，推导出攻丝扭矩和轴向力的计算公式， 总结出具有复杂形状丝锥切削力模型的建模方法与步骤。 论文重点研究了螺旋槽丝锥的攻丝特性及其几何参数对切削性能的影响， 基于最优设计原理建立了攻丝扭矩最小及轴向力为零的双目标非线性优化模 型，并利用m a t l a b 软件，对螺旋槽丝锥的几何参数，尤其是丝锥容屑槽槽形， 进行了优化，根据优化结果建立了丝锥的三维c a d 造型。 最后，通过对丝锥优化前后的几何参数进行实验测试，并对刀具涂层材料 性能进行比较分析，验证所得的优化结论，为曲轴螺孔攻丝加工提高成品率、 延长丝锥寿命提供参考性建议。 关键词：曲轴，攻丝，力学模型，几何参数，优化 a b s t r a c t a b s t r a c t b a s e do nt h el i t e r a t u r ea n dl o c a l ei n v e s t i g a t i o n ，t h i sp a p e rb r i e f l yi n t r o d u c e st h e r e q u i r e m e n t sa b o u tm a c h i n i n gt e c h n o l o g yf o rc r a n k s h a f tt h r e a d e dh o l e ，c o m p a r e st h e d i f f e r e n c e so fs e v e r a lm a c h i n i n g m e t h o d s ，i n c l u d i n gt h ea d v a n t a g e ，d i s a d v a n t a g ea n d t h ea p p l i c a b l es i t u a t i o n c o m b i n ew i t ht h ew o r kc o n d i t i o ni na u t o m o b i l ee n 百n e f a c t o r y , t h ep a p e rs u m m a r i z e st h em o s tc o m m o n l ye n c o u n t e r e dp r o b l e m si nt a p p i n g p r o c e s sa n a l y s e st h ec a u s a t i o na n di n f l u e n c ef a c t o r s ，g e n e r a ls o l v i n gm e a s u r e si sa l s o p u t t i n gf o r w a r d b yr e v i e w i n go r t h o g o n a la n do b l i q u ec u t t i n gm o d e lo fc u t t i n gt o o l s ，c o m b i n ew i t h t a p p i n gp r o c e s sa n dt h ec h a r a c t e r i s t i co ft a ps t r u c t u r e ，c u r i n gl o a dr e s u l t i n gf r o m t a p p i n gp r o c e s si sr e s e a r c h e d ，am e c h a n i s t i cm o d e lf o rt h ep r e d i c t i o no ft a p p i n g t o r q u ea n da x i a lf o r c ei se s t a b l i s h e db yu s i n gd i s c r e t i z a t i o nt e c h n i q u e m o r e o v e r , s u m u pt h em o d e l i n gm e t h o da n ds t e pf o rt a p ； t h ep a p e rf o c u so nt h et a p p i n gs p e c i a l i t yo fs c r e wt a p ，a n dt h ei n f l u e n c eb e t w e e n g e o m e t r i c a lp a r a m e t e r sa n dc u t t i n gp e r f o r m a n c e , t a r g e t i n gt h em i n i m u mt a p p i n ga n d a x i a lf o r c e ，t h eo p t i m u md e s i g no fg e o m e t r i c a lp a r a m e t e r si sd o n e ，e s p e c i a l l yt h e f l u t es h a p e a c c o r d i n gt ot h eo p t i m u mr e s u l t , t h ec a dm o d e li sb u i l t ； f i n a l l y , b ym e a s u r i n g , t e s t i n g , c o m p a r i n g ，a n da n a l y z i n gt a p s ，i n c l u d i n gg e o m e t r i c a l p a r a m e t e r sa n dm a t e r i a l so fc o a t i n g , v e r i f y st h eo p t i m u mr e s u l t ，a n dg i v es o m e a d v i c e st oi m p r o v ef i n i s h e dp r o d u c tr a t ea n dp r o l o n gt h el i f eo f t a p k e y w o r d s ：c r a n k s h a f t , t a p p i n g , m e c h a n i c sm o d e l ，g e o m e t r i c a lp a r a m e t e r s , o p t i m i z a t i o n l i 申请同济大学工学硕士学位论文 曲轴螺孔加工工艺优化 ( 上海汽车工业科技发展基金项目编号：0 5 0 5 ) 培养单位：机械工程学院 一级学科：机械工程 二级学科：机械制造及其自动化 研究生：高莹 指导教师：李沪曾教授、博导 副指导教师：张书桥高级工程师 二二oo 七年三月 学位论文版权使用授权书 本人完全了解同济大学关于收集、保存、使用学位论文的规定， 同意如下各项内容：按照学校要求提交学位论文的e p 届j j 本和电子版 本；学校有权保存学位论文的印刷本和电子版，并采用影印、缩印、 扫描、数字化或其它手段保存论文；学校有权提供目录检索以及提供 本学位论文全文或者部分的阅览服务；学校有权按有关规定向国家有 关部门或者机构送交论文的复印件和电子版；在不以赢利为目的的前 提下，学校可以适当复制论文的部分或全部内容用于学术活动。 学位论文作者签名：链 1 0 0 1 年弓月2 1 e i 同济大学学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师指导下，进行 研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本学位论文 的研究成果不包含任何他人创作的、已公开发表或者没有公开发表的 作品的内容。对本论文所涉及的研究工作做出贡献的其他个人和集 体，均已在文中以明确方式标明。本学位论文原创性声明的法律责任 由本人承担。 学位论文作者签名：角莹 加0 1 年3 月2 工日 第1 章绪论 1 1 课题来源和意义 第1 章绪论 本课题来源于同济大学现代制造技术研究所和上海某汽车发动机厂的合作 项目，并由上海汽车工业科技发展基金会资助。 曲轴是发动机的关键零件之一，气缸内活塞的往复运动通过连杆传递到曲 轴形成旋转运动，再由曲轴输出扭矩，驱动汽车行驶。曲轴端面有六个m 1 0 x l 的通孔，在曲轴的连杆颈端面有m 6 x 0 7 5 的盲孔一个，通孔两个。这些螺孔使 曲轴一端连接齿轮和辅助系统的传动装置，另一端与飞轮连接盘连接。因此， 曲轴螺孑l 质量的好坏，对于发动机的安全运行和整机质量起了重要作用l ”。目前， 曲轴螺孔的加工主要采用攻丝的加工方法，一旦发生丝锥折断、切削刃崩齿造 成曲轴螺孔粗糙度差甚至烂牙等现象，将会严重影响整个工件的质量，甚至导 致整个工件报废。该汽车发动机厂曲轴螺孔加工废品率为1 砣，且丝锥的寿命 较短，一把丝锥一般只能够加工1 5 0 - 2 0 0 个螺孔，刀具消耗量较大，严重制约 了曲轴加工的效率与经济性。 为了使废品率稳定地低于0 5 ，且刀具寿命提高到稳定加工1 5 0 0 个螺孔以 上，需要分析造成曲轴螺孔加工质量缺陷的原因，并结合实际提出具体解决办 法。这是本课题研究的中心任务。 通过开展本项目研究，需要降低废品率，提高刀具的使用寿命，就可以在 利用该汽车发动机厂曲轴生产线现有基本设备，不改变工艺流程和生产节拍的 前提条件下，增加产量和降低生产成本，能够产生直接的经济效益。另一方面， 降低废品率可以节约原材料即自然资源，提高产品质量和生产安全可靠性，体 现出企业较高的生产管理水平、对用户和劳动生产者负责的精神，有利于提高 企业的知名度和声誉、增强竞争能力。 第1 章绪论 1 2 本课题的工作及研究任务 根据以上的分析与合作双方的协议，课题的研究任务是： 首先要分析在曲轴攻丝工序中造成螺孔加工缺陷的主要原因及其影响因 素，通过对攻丝成形的理论研究与分析，力求在解决工艺缺陷的同时，通过建 立攻丝力学模型得出一般性的结论和方法，用于定量地确定丝锥最优结构参数。 根据研究任务，课题有以下工作内容： ( 1 ) 研究在给定的工艺条件下，丝锥在锻钢材料上攻丝的基本情况和主要 加工问题； ( 2 ) 建立攻丝力学模型，得出攻丝扭矩和轴向力的计算公式，定量地优化 丝锥几何参数； ( 3 ) 根据优化结果，结合实际的工况，以及分析比较丝锥的测量结果，验 证所得的优化结论，在尽量不改动工艺参数( 为了保持一定的生产节拍) 的前 提下，提出合理的改进方案，以供企业参考。 2 第2 章曲轴螺孔加工工艺 第2 章曲轴螺孔加工工艺 2 1 曲轴螺孔加工工艺 2 1 1 曲轴及螺孔加工要求 曲轴是发动机的重要零件之一，曲轴端面有六个m l o x l 的通孔，在曲轴的 连杆颈端面有m 6 x o 7 5 的盲孔一个，通孔两个。这些螺孔使曲轴一端连接齿轮 和辅助系统的传动装置，另一端与飞轮连接盘连接。螺孔加工往往是最后一道 工序，螺孔加工质量不好，将直接导致整个工件报废。因此，要求各螺纹孔加 工完整，无烂牙，漏攻等质量缺陷。在螺孔加工工艺中最为关注的三个方面是： 被加工螺纹的加工精度、刀具加工寿命和加工效率。 2 1 2 曲轴螺孔加工的工艺方法 螺纹加工的方法很多，就其形成原理来说，可分为切削加工和基于塑性变 形原理的无屑加工。随着精密加工、高效加工的需求，内螺纹加工出现了许多 新技术新方法，如螺纹铣削加工技术、螺纹滚压加工技术、振动攻丝技术掣2 1 。 用哪一种螺纹加工方法，主要取决于：螺纹牙型和尺寸；零件材料；零 件的结构特点；零件的批量；螺纹的精度和粗糙度；采用的设备和工具； 生产过程的自动化程度；经济效益等【5 1 。 ( 1 ) 攻丝加工工艺 在工业应用中，传统的内螺纹加工工艺是攻丝加工，尤其对于小尺寸的内 螺纹，攻丝几乎是唯一有效的加工方法( 6 】。攻丝加工是在已加工好的螺纹底孔内 由丝锥切削刃瓣上的各切削牙逐层切削形成螺纹，丝锥每旋转一周，每个切削 牙都前进一个螺距( 对单头丝锥而言) ，并分别从工件上切除一层金属。如图 2 1 所示。 攻丝应用范围非常广泛，无论在单件、小批生产中，或在成批、大量生产 中都可应用；对机械加工设备要求也不高，如钻床、攻丝机和组合机床等设备 均可采用丝锥进行螺纹孔的加工；此外，丝锥加工螺纹的精度可高达4 级【5 1 。 3 第2 章曲轴螺7 l 加工工艺 但攻丝属于比较困难的加工工序，因为丝锥几乎是被埋在工件中进行切削， 其每齿的加工负荷比其它刀具都要大，并且丝锥沿着螺纹与工件接触面非常大， 切削螺纹时必须容纳并排除切屑。因此，在攻丝加工中，尤其是加工韧性材料 时，常出现丝锥寿命短，螺纹加工质量差等问题。 图2 1 攻丝不意图 ( 2 ) 螺纹铣削加工工艺 随着数控加工技术的发展，尤其是三轴联动数控加工系统的出现，使更先 进的螺纹加工方式螺纹的铣削加工得以实现用。螺纹铣削是基于具有三轴联 动功能的加工设备，螺纹铣刀高速旋转，作周向和轴向同步进给，即螺纹铣刀 循螺旋线运动，在螺纹铣削中圆周运动产生螺纹直径而同步的轴向直线运动产 生螺距，通过螺旋插补的方法加工出螺纹，加工过程中同时完成钻螺纹底孔、 孔口倒角等内容1 8 l o 如图2 2 所示。 4 第2 章曲轴螺孔加工工艺 图2 2 螺纹铣削不意图 螺纹铣削是将浅孔钻削及螺纹铣削合二为一，应用单轴杆及一把组合刀具直 接高速加工螺纹孔【9 l o 此种螺纹加工方式与传统螺纹加工方式相比，在加工精度、 加工效率方面具有极大优势，且加工时不受螺纹结构和螺纹旋向的限制。它可 以实现干切削、重载切削、难加工材料切削和超高速切削( 速度达到4 0 0 m m i n ) ， 加工效率高，表面粗糙度能达r a o 4 t m l l o l 。它可以j j n t 所有材料，加工具有相同 螺距的任意螺纹直径，在盲孔和通孔中操作，可以加工任意配合、公差或位置 要求的螺纹1 1 2 1 。 但是，实践证明，用铣削方法加工直径较大的螺纹孔( m 1 2 以上) 时十分有效， 但在加工小螺纹孔时有较大难度。这是因为铣刀刀杆直径很小，刀杆所受横向 切削力不能得到平衡，刀杆会产生较大的弯曲变形。随着刀具磨损的增大，切 削力会发生变化，刀杆的变形也发生变化，从而使得被加工螺纹孔的尺寸精度 受到影响，加工质量难以控制1 2 1 。 另外，采用螺纹铣削加工工艺的首要条件是具有三轴联动功能的加工机床， 该机床的运动精度、动态稳定性、控制精度、刀具的成型精度和耐用度都要达 到很高的要求，且机床的数控系统必须具备螺旋插补功能【1 2 l 。 此外，采用螺纹铣削加工工艺的另一个重要因素就是新的设备与生产线的 匹配问题。必须使整个生产线的效率都得以提高，才能发挥新工艺的优越性， 5 第2 章曲轴螺孔加工工艺 否则不但不能实现预期目标，反而使生产线步调混乱，因此在提高螺孔加工效 率的同时，也应该设法提高其它工序的效率或者改进生产线的结构( 例如使高 效率的工序同时向多条线上输送工件) ，在保持物流平衡的前提下最大程度的 发挥新工艺的优势。 ( 3 ) 螺纹滚压加工工艺 螺纹滚压加工就是用滚压工具进行挤压，使金属塑性变形而形成螺纹的方 法。滚压螺纹的金属纤维是连续的，而切削螺纹的金属纤维是断开的，如图2 3 所示，因而滚压螺纹的表面质量较好；提高被加工件表层金属的硬度和强度； 是无屑加工，可节省原材料：可加工无法用切削方法加工的细长螺杆；经济效 果好，容易实现自动化，生产效率高。但是在螺纹滚压加工中一副滚丝轮一般 只能加工一种规格的螺纹，而滚丝轮需到专业刀具生产厂订做，价格较高1 1 3 1 。 能否采用滚压的方法加工螺纹，主要取决于工件材料的屈服极限s 。、延伸率 d 、强度极限s b 和弹性模数e 。一般情况下，材料的延伸率不应小于8 ，硬度不 应大于3 7 h r g ，强度极限不应大于9 8 0 m p a l 6 1 。 叁叁僦 l ，切削螺纹 2 ) 滚压螺蚊 图2 3 切削螺纹与滚压螺纹的金属纤维比较 通过对该汽车发动机厂曲轴螺孔加工工艺的现场调研，得知该厂的加工设 备为多工位组合机床，曲轴共有两种材料：球墨铸铁和合金钢，需加工三种螺 纹：通孔m 1 0 x 1 细牙螺纹、通孔m 6 x 0 7 5 细牙螺纹和盲孔m 6 x o 7 5 细牙螺纹， 整个加工节拍为7 8 s 。 对比三种螺纹加工方法，采用攻丝的方法加工螺孔，需经过如下工序：打 中心孔一钻底孔一镗底孔一扩沉孔一倒角一攻螺纹，所需的刀具有中心钻、钻 头、镗刀、扩孔刀、锪钻和丝锥，螺孔整个加工时间约为4 0 s ；采用铣削螺纹的 方法加工，只需用到一把复合刀具即可完成全过程，加工时间只需l o s ，加工效 率大大提高，但是目前最大的问题是该厂所采用的机床设备是多工位组合机床， 不具备螺旋插补功能，因此采用铣削螺纹工艺需要较大的投入更替设备；采用 6 第2 章曲轴螺孔加工工艺 滚压的方法加工螺孔，只能加工合金钢材料，对于球墨铸铁，因为该材料的延 伸率仅为3 ，没能达到“滚压材料的延伸率不应小于8 ”这一条件，因此不 宜采用滚压方法加工。综合考虑，该厂目前来说，曲轴螺孔加工最宜采用攻丝 加工的方法。 2 1 3 丝锥的种类 丝锥是切削内螺纹并能直接得到螺纹尺寸的一种螺纹加工刀具。其本质是 一个螺栓，在其端部磨出切削部分，并沿纵向开有沟槽，以形成切削刃和容屑 槽。 丝锥的种类繁多，按动力源来分，有用于小批量生产的手用丝锥和用于批 量生产的机用丝锥；按容屑槽形来分，有直槽丝锥，螺旋槽丝锥，刃倾角丝锥 和挤压丝锥等，如图2 4 所示。 直槽丝锥刃倾角h = o o ，是最普通最常见的一种丝锥，通用性最强，既 可加工通孔也可加工盲孔。 螺旋槽丝锥丝锥刃槽有较大的螺旋角，排屑通畅，实际工作前角增大， 攻丝扭矩降低，从而有效地改善了切削条件，攻丝质量好。有左旋和右旋两种 结构：左旋切屑向进给方向排出，用于加工通孔；右旋切屑向柄部方向自动排 出，避免切屑堵塞在孔底，广泛用于加工盲孔。 刃倾角丝锥有一个1 0 。左右的刃倾角，攻丝时把切屑向前排出，使其不 破坏螺纹已加工表面，类似于左螺旋槽丝锥旧。 挤压丝锥无刃槽，可实现无屑加工，比较适合加工有色金属，攻丝质 量好，丝锥耐用度高，与普通丝锥攻丝相比，生产效率可提高1 0 倍以上【”l 。 r 一、，一一、 一靠嘲面斗疑卫 左螺旋槽丝锥右螺旋槽丝锥 女扭i 戮强牛一擎懋蕊p 刃倾角丝锥直槽丝锥 图2 4 不同结构丝锥的排屑示意图 7 第2 章曲轴螺孔加工工艺 2 2 曲轴螺孔攻丝加工的工艺缺陷及其原因分析 攻丝加工是内螺纹加工最常见的一种加工工艺，但是由于攻丝条件较恶劣， 且攻丝过程很复杂，因此在实际生产中常出现有缺陷的产品，造成浪费。在一 些汽车公司的曲轴质量报告中显示出攻丝工序的废品率占到整个曲轴废品率的 9 0 左右，是曲轴报废的主要原因。目前较典型的攻丝质量缺陷有螺纹烂牙、螺 纹中径扩大、丝锥寿命短等等。 2 。2 1 螺纹烂牙及原因分析 所谓“烂牙”就是螺纹的实际牙型参差不齐，与标准牙型不符合的情况。 ( 1 ) 进给误差对“烂牙”的影响 理论上攻丝过程中主轴旋转一周，刀具进给一个螺距，每转迸给量和螺距 之间应保持严格的相等关系，最终得到的螺纹牙型应和标准牙型完全吻合。丝 锥螺距是恒定不变的，而实际上由于攻丝中的进给误差包括传动机构的误差和 尤其是切削过程中轴向力的作用，每转进给量不可能保持恒定，与丝锥螺距之 间存在误差，当误差累积到一定程度就会破坏螺纹表面，造成螺纹烂牙，如图 2 5 所示。为此必须保证切削部分第一个牙齿处的材料不被压坏，从而保证后续 各牙能可靠定位，减小轴向误差，提高螺纹精度和表面光洁度，这一点对于塑 性较强的材料而言尤为重要。因此，提高进给机构的精度有助于减少螺纹烂牙。 进给方向 图2 5 螺纹烂牙 8 第2 章曲轴螺孔加工工艺 ( 2 ) 排屑不畅对烂牙的影响 正常情况下，丝锥与工件之间紧密接触，实际的螺纹牙型应和理论牙型一 致。为了保证成型刀具重磨后，刀齿加工的正确成型，丝锥的后刀面常需要进 行铲磨，从而使得后刀面和工件之间留有空隙。当攻丝完成丝锥反转退出时， 如果有切屑或上述的“切削根”卡在丝锥和工件之间时，由于变形硬化作用切 屑的硬度比工件硬度高出很多，在丝锥的旋转带动下会严重刮伤螺纹表面，使 牙型杂乱，造成“烂牙”。这就要求丝锥的后刀面不能有太大的空隙，铲磨量不 宜太大l 切。 2 2 2 螺纹中径扩大及原因分析 螺纹中径是螺纹加工的一个关键参数，是影响普通螺纹互换性的主要参数。 ( 1 ) 攻丝时产生的径向力对螺纹中径扩大的影响 在丝锥工作过程中，由于切削刃的径向跳动，使其每一刀齿切下的切削厚 度各不相同，且其同时工作的各刀齿切削宽度也不等，所以作用在丝锥各刀齿 上的径向力不相等，使得攻丝的径向合力总是不等于零。这种径向力将引起丝 锥轴线相对于孔轴线的偏移，导致被加工螺纹中径扩大，切削扭矩增加和丝锥 耐用度下降【5 j 。 ( 2 ) 积屑瘤对螺纹中径扩大的影响 除切削力的影响外，攻丝中丝锥切削刃上形成的积屑瘤会使螺纹扩切量增 大，出现过切现象，导致螺纹中径扩大。促使积屑瘤生成的剧烈程度，取决于 被加工螺纹的材料、攻丝的切削速度和丝锥的几何参数。一般来说，塑性材料 的加工硬化倾向愈强，温度与压力愈高，愈易产生积屑瘤。随着前角的增大及 被加工材料硬度的提高，积屑瘤及螺纹中径的扩大量均可减小【5 】o ( 3 ) 丝锥铲磨量对螺纹中径扩大的影响 为缓解丝锥与被切螺纹的摩擦阻力过大、丝锥粘屑、加工表面光洁度恶化 等不良后果，需对丝锥刀齿的齿项和两侧刃进行铲磨。在切削中，由于刀齿的 一侧刃与工件螺纹间的挤压力很大，侧刃后角太大会增加螺孔的扩张量，并使 刀具的切削过程不平稳和产生较大的振动。 ( 4 ) 其它因素：丝锥重磨时，丝锥的刃磨参数选择不合理，易使刀齿上出 现毛刺，进而引起被切削螺纹的扩大；丝锥的倒锥度过大导致导向部分定位不 9 第2 章曲轴螺孔加工工艺 准；丝锥的精度等级选择不当等【1 8 1 。 2 2 3 丝锥寿命低及原因分析 刀具的损坏有正常磨损和意外破损两种形式，对于丝锥而言后者主要有折 断和崩刃两种。使用高速钢涂层丝锥攻丝时，若排屑不畅扭矩过大，则会出现 破损。切屑对刀具寿命的影响是通过刀具负荷，即攻丝扭矩来实现的。攻丝扭 矩由三个部分组成，即用于形成切屑的切削扭矩，丝锥与已加工螺纹间的摩擦 扭矩，和由于切屑堵塞在容屑槽内产生的扭矩。切削扭矩由材料强度及丝锥结 构决定，而切屑堵塞所产生的扭矩则容易受切削过程中各种随机因素的影响， 其中最主要就是切屑 1 9 1 。 如前所述，丝锥和工件沿螺纹面紧密接触，同时沿螺旋面做周向和轴向进 给，所以攻丝是在很狭窄的空间里进行的，刀具负荷很重。切削产生的切屑沿 前刀面流入容屑槽内，并随主轴的旋转排出孔外。但是如果容屑槽没有足够的 容屑空间，或者产生的切屑不能及时排出，就会造成积压。新的切屑不断产生， 旧的切屑大量积压的结果，必然使切屑充满整个容屑空间，这种情况下，产生 的摩擦扭矩迭加在切削扭矩上，当扭转应力超出丝锥的抗扭强度时，就会发生 破损，如图2 6 所示。 图2 6 切屑堵塞 另一方面，反转退刀时“切削根”的存在会对刀刃构成很大的威胁。由于 变形强化的结果，“切削根”的硬度很高。工件上未切断的“切削根”脱离原来 1 0 第2 章曲轴螺孔加工工艺 的刀齿而与前一刀齿的齿背及刀尖相遇产生挤压，造成扭矩骤增，并可能崩坏 前一齿的刀尖。切削韧性越大的材料或丝锥重磨后，“切削根”的变形强化现象 更为严重，崩刃的可能性就越大。因此，必须采取措施，从而有效地切除“切 削根”。这就要求反转时齿背刃口也能够进行切削，而且由于后刀面空隙的存在， 此处的前角不能取负值，即y = 0 。1 2 0 1 ，如图2 7 所示。 2 3 生产现场调研 2 3 1 现场工况及加工参数 1 桫一秒 图2 7 切削根 图2 8 曲轴法兰端螺孔示意图 第2 章曲轴螺孔加工工艺 设备名称：m a u s e r 法兰轴头自动加工线 加工部位：法兰端通孔，6 个 螺纹类型：m 1 0 x l 细牙螺纹 攻丝深度：1 3 m m 加工节拍：7 8 s 攻丝夹具：浮动攻丝夹头 丝锥材料及结构：高速钢，直槽丝锥 曲轴材料：球墨铸铁q t 6 0 0 - 3 和合金钢4 9 m n v s 3 工艺路线：法兰端钻底孔( m 8 5 ) 一孔口倒角( 西9 x 4 5 。沉孔深3 5 + 0 4 ) 一扩孔 加工方法： 刀具更换： ( 伽0 5 ) 一攻丝 分别采用工位1 和工位2 进行加工，如图2 8 所示。 严格按耐用度进行更换；新刀具上机前必须检查规格、尺寸，以免 装错刀具；新刀具试切后必须立即进行检查，符合要求后，可进入 自动运行。 质量检验方法及标准：量规检查螺纹中径，塞规检查底孔直径。 表2 1 加工工艺参数 刀具类型轴向进给量切削速度 转速n o r a i n ) 耐用度( 加工孔 f ( m m m i n ) v c ( m m i n ) 个数) m 1 0 x l 丝锥2 5 0 3 5 08 1 2 3 0 0 - 3 5 0 ( 3 2 0 ) 2 4 0 以8 0 d 8 5 1 2 麻花钻 8 5 9 51 5 - 2 57 0 0 8 4 0 0 巧 1 3 0 0 5 孔钻8 5 9 51 5 2 57 0 0 8 0 07 0 0 一8 0 0 表2 2 辅料及介质 名称牌号 压力( b )容量( l ) 更换周期( 月) 液压油v g 4 65 5 一6 06 3 01 2 中央润滑油v g 6 82 5 3 01 56 动力头润滑油v g 3 24 26 盘润滑油 v g 2 2 0 1 56 压缩空气5 - 6 1 2 第2 章曲轴螺孔加工工艺 2 3 2 对工况及加工参数的分析 ( 1 ) 对曲轴材料的分析 曲轴在工作中受到不断变化的燃气压力、惯性力及力矩作用，从而在各部分 产生弯曲、扭转、剪切、拉压等交变应力。曲轴的重要性及其工作状况的复杂 性，要求曲轴有较高的抗拉强度、疲劳强度、表面强度、耐磨性，同时芯部要 有一定的韧性1 2 l 】。 目前，国内普遍所用的曲轴材料有锻钢和球墨铸铁两种。 钢件经锻造，材料内部具有的粗大晶粒被击碎，偏析趋向均匀化，内部未氧 化的裂纹、气孔得到了焊合，疏松组织被压实，提高了金属组织的致密度；同 时在锻造过程中，晶粒沿着变形方向拉长，晶粒间的杂质在金属内形成纤维组 织。金属内纤维组织的形成提高了材料的纵向力学性能，从而使材料的塑性、 韧性得到很大提高，难于加工【翻。为了获得良好的综合机械性能，常需安排调 质处理，即使用调质钢( 含碳量0 2 5 - 0 5 0 ) ，典型的曲轴材料为$ 5 3 c 。但因 调质质量不稳定，芯部与表面硬度不均匀，切削性能差等原因，目前逐渐被 4 9 m n v s 3 取代。4 9 m n v s 3 钢是德国蒂森公司7 0 年代初研制的第一代曲轴材料， 是为桑塔纳汽车发动机曲轴专门设计的钢种。该特种钢无需调质处理，其锻件 的室温组织为珠光体+ 断续网状铁素体，硬度均匀，工件表面硬度差小于2 0 h b s ， 断面硬度差小于1 5 h b s ，且钢中硫含量较高，大大改善了切削性能。其性能对 比如表2 3 和表2 4 1 2 3 1 。 球墨铸铁比钢轻约1 0 ，无残留应力，加工时产生的缺陷少，而且球墨铸铁 的减振性、耐磨性、对缺口敏感性等优于锻钢，但韧性和强度仍不及锻钢【2 1 】。 球墨铸铁曲轴，尤其是铸态球墨铸铁曲轴，具有生产工艺简单、能源消耗少、 生产成本低、生产效率高等优点。此外，锻钢曲轴价格是球墨铸铁曲轴的4 _ 5 倍， 因此球墨铸铁成本优势很大。该汽车发动机厂曲轴材料之一采用球墨铸铁 q t 6 0 0 3 ，其各项机械性能指标见表2 3 和表2 4 。 通过现场调研，在该厂曲轴螺孔攻丝加工中，球墨铸铁曲轴的螺孔加工质 量较稳定，且丝锥寿命能保证在1 0 0 0 个螺孔左右。而对于锻钢曲轴来说，由于 锻钢材料塑性大、韧性高，导致长的带状切屑容易堵塞在加工面上，将螺孔壁 顶出一道道划痕，并使切削刃受到很大的挤压应力，从而引起螺纹烂牙、中径 扩大等质量问题。此外，丝锥寿命通常只能力1 1 1 5 0 2 0 0 个螺孔，刀具寿命较低、 1 3 第2 章曲轴螺7 l 加工工艺 消耗量较大。根据调研和国内企业反映，在其它钢件攻丝加工中，不同程度地 普遍存在类似问题。 表2 3 不同材料曲轴机械性能和金相组织对比 抗拉强度 屈服强度屈强比伸长率冲击韧度硬度 材质 金相组织 8 b ( m p a ) s i ( m p a ) s b ，s _ d ( )a k ( j c m - 2 ) h b s q t 6 0 0 - 36 0 03 7 00 6 1 731 9 0 一2 7 0p + f s 5 3 c7 9 0 8 1 05 3 5 5 4 50 6 6 01 7 - 1 96 5 7 52 3 5 2 4 6 s + f 4 9 m n v s 38 0 4 8 2 1 4 9 1 - 4 9 70 6 0 81 6 - 1 82 0 一4 52 3 6 2 4 5 p + f _ 月 表2 4 曲轴材料的化学成分对照 l 材质 c s i m npsn im 0c uv l q t 6 0 0 3 3 6 82 0 2 40 5 加7= o 0 8 - - - 0 0 1 5o 30 8 - 1 0 i 4 9 m n v s 30 4 4o 1 50 6 0= 0 0 3 50 0 5= 0 3= 0 40 0 8 ( 2 ) 对刀具材料的分析 刀具要能实现对工件的切削，必须具备足够的硬度( 6 0 h r c 以上) ，且高温 下具备良好的硬度保持性，还需足够的强度和冲击韧性。丝锥所用材料主要有 高速钢和硬质合金两种1 2 4 1 。 高速钢具有较高的热稳定性，在切削温度高达5 0 0 - 6 5 0 0 c 时，仍可进行切削： 它的突出优点是具有较高的强度，韧性好，具有一定的硬度( 6 3 7 0 h r c ) 和耐 磨性，适用于各种切削刀具的要求；高速钢刀具制造工艺简单，易磨成锋利的 刃口，可锻造，这一点对复杂及大型刀具十分重要，故在丝锥等成形刀具的制 造中，高速钢占有重要地位。高速钢共分为三种类型：普通高速钢、高性能高 速钢、粉末高速钢。 表2 5 几种高速钢的物理机械性能 硬度h r c 抗弯强度冲击韧性 类型 钢号 室温 5 0 0 6 0 0 g p a m 1 n p w 1 8 c r 4 v 6 3 - 6 65 64 8 52 9 4 以3 30 1 7 6 - 0 3 1 4 普通高速钢 w 6 m 0 5 ( ) 4 v 26 3 确5 5 0 64 7 4 83 4 3 3 9 20 2 9 4 - 0 3 9 2 高性 高碳9 5 w 1 8 c r 4 v6 7 6 85 95 2- 2 9 20 1 6 6 4 ) 2 1 6 能高 高钒 w 1 2 c r 4 v 4 m o 6 5 6 7 5 1 7 o 1 3 6- 0 2 4 5 含钴w 2 m 0 9 0 4 v g 0 86 7 7 06 05 52 6 5 0 7 20 2 2 5 - 0 2 9 4 速钢 w 6 m 0 5 c r 4 v 2 a 16 7 6 96 05 52 8 4 3 8 2 0 2 2 5 - 0 2 9 4 含铝 w 6 m 0 5 c r 4 s i n b a i6 6 - 6 85 7 75 0 93 5 3 3 8 20 2 2 5 - 0 2 6 5 1 4 第2 章曲轴螺：f l i j u m i 艺 由于攻丝加工的特殊性，尤其是加工$ 5 3 c 、4 9 m n v s 3 这类高锰锻钢时，刀 具材料宜采用超硬高速钢。所谓超硬高速钢( h s s e ) 是指硬度能达到6 7 7 0 h r c 的高性能高速钢，目前主要有两种【捌： w 2 m 0 9 c r 4 v c 0 8 ：是应用最广的含钴超硬高速钢。由表2 5 可见，其高温硬 度很高；有一定的韧性；由于含钒量不高，故磨加工性很好：价格昂贵。金相 组织如图2 9 所示。 w 6 m 0 5 c v 2 a l ：不含钴，但是含铝的一种超硬高速钢。从表中可以看出， 这种高速钢具有很高的常、高温硬度、抗弯强度和冲击韧性，且切削性能优良。 金相组织如图2 1 0 所示。 图2 9 含钴超硬高速钢金相组织图图2 1 0 含铝超硬高速钢金相组织图 硬质合金由w c 、t i c 等高耐磨性和高耐热性的金属颗粒通过粉末冶金法制 得。硬度高达7 4 蔼2 h r c ，可耐8 5 0 1 0 0 0 高温，具有很好的耐磨性，可允许 很高的切削速度，可加工淬硬钢等硬材料；但是它的抗弯强度仅为0 9 1 5 g p a ， 比高速钢低得多，冲击韧性很差，故不能够承受大的切削振动和冲击载荷，很 少用于制造整体刀具。 表面处理是提高丝锥性能的一种有效方法，对丝锥进行表面处理的目的是： 提高刀具的表面硬度，增强耐磨性；防止刀具与被切削材料间的粘结；减小刀 具与被切削材料间的摩擦系数。由于高速钢的回火温度为5 5 0 巧8 0 ，所以它的 表面处理必须低于该温度j 。 氧化处理：把高速钢丝维放入5 0 0 5 5 0 的水蒸气中，使其表面形成f e 3 0 4 被膜的一种表面处理方法闭。氧化处理显著提高丝锥寿命；对冷却液吸附性好， 能减小磨擦：能防止丝锥与被切削材料问的粘结；除去了制作丝锥时残留在其 表面的磨削应力。但需注意的是，氧化处理所生成的被膜并不能提高丝锥表面 第2 章曲轴螺孔加工工艺 层的硬度。经氧化处理的丝锥对钢件等被切削材料效果很好。 渗氮处理：丝锥通常在5 0 0 - 5 5 0 的范围内进行渗氮，渗氮处理可提高丝 锥的表面硬度，增强耐磨性；提高耐热性，使丝锥的高温切削性能变好【1 s l 。渗 氮处理的丝锥适用于对刀具耐磨性要求较高的被切削材料，如：灰口铸铁，但 不适合加工钢件。 涂层高速钢：通过物理气相沉积方法( p v d 法) 将t i c 、t i n 或a 1 2 0 3 等 硬材料涂到高速钢表面，以提高耐磨性。 涂层材料主要有t i c 、t i n 、a 1 2 0 3 及其复合材料。它们的性能如表2 6 所示。 表2 6 几种涂层材料的物理机械性能【卅 弹性 线胀抗高 熔点 密度 硬度模量 系数温氧 材科 ( 优点缺点 ( )( m 0f k n ，n o 化性 e r a ) m m q鼢 能 高硬度耐磨化合物：线胀系数与基体 _ 一般 良好抗磨损性能：差别较大，降低 啊c3 0 6 74 9 34 7 08 o 3 2 0 0 与钢的粘结温度高，了刀具的抗弯强 切削很少产生积屑瘤。度。 抗粘结性好； t i n 与基体合金结合 提高表面硬度； ( 呈 _ 一般 减小磨擦系数； 强度低于t i c 涂 金黄 2 9 5 05 4 05 9 09 4 2 o 层，而且涂层厚 色) 提高耐热性； 适合切削钢。 时易剥落。 具有t t n 的酎冲击不 抗氧 粘刀； 3 1 化温 啊c 的高硬度及耐磨 啊c 性的特点； _ 度达 n 硬度高于t i c 和 3 4 0 0 6 5 0 - t i n ； 7 膜层与钢之间的摩 擦系数小。 氧化锚与基体材 抗氧化磨损好： 料的物理、化学 a 1 2 0 很好抗扩散磨损性能晟 性能相差太大， 2 0 4 73 9 84 8 4 ”0 0 单一的氧化铝涂 好。 层无法制成理想 的涂层刀具 1 6 第2 章曲轴螺孔加工工艺 ( 3 ) 对加工参数的分析 底孔直径：由于攻丝时丝锥的切削刃除对金属有切削作用外，还对工件材 料产生挤压作用，可能造成丝锥发生崩刃、折断及螺纹烂牙等现象。因此，确 定底孔直径时，要考虑工件材料塑性的大小和钻孔的扩张量，以便攻丝时既有 足够的空隙来容纳被挤出的金属，又能保证攻出螺纹具有完整的牙型。具体加 工时，可结合工件材料的塑性和钻孔时的扩张量，采用下列经验公式【2 9 1 ： 加工扩张量中等的钢和塑性较大的材料：d o = d p 加工扩张量较小的铸铁和脆性较大的材料：d o = d ( 1 0 5 p 1 1 p ) 其中：d o 一钻头直径；d 一内螺纹大径( 公称直径) ；p 一螺距 切削速度：切削速度取决于丝锥种类、底孔尺寸，被切削材质和切削液等 要素，选择适当的切削速度可以提高丝锥的耐用度，并且能稳定地得到螺纹精 度和表面质量。如果切削速度选择的过大，会使丝锥表面形成积屑瘤的速度增 快并且导致切削温度过高。另外，积屑瘤的存在会使扩切量增大，出现螺纹过 切，当积屑瘤脱落时又会引起崩刃。切削温度过高，导致丝锥过早磨损或出现 卷刃，这些都会影响丝锥的使用寿命1 3 0 l 。 ( 4 ) 攻丝夹具及攻丝进给方法 为防止攻丝中选择的进给量与丝锥本身的固有螺距不同步，减少丝锥轴线 相对于孔轴线的偏移，可采用浮动攻丝夹头。此种夹头可对攻丝中的由轴向拉、 压力产生的丝锥变形进行自动补偿，使丝锥能够自动调整中心，消除径向抗力。 如图2 1 1 所示。 图2 1 1 径向力使丝锥发生偏移 1 7 第2 章曲轴螺孔加工工艺 丝锥的进给方法对螺纹加工质量也有很大的影响。攻丝时，根据加工要求 的不同，丝锥可以采用三种进给方法：自动引进法、强制进给法和组合进给法。 如表2 7 所示。 表2 7 丝锥的进给方法p 1 丝锥的 进给方法 加工特点加工效果应用场合 开始需施加一定的轴向力使丝轴向力和径向力对螺纹精度 自动引进法锥切入工件外，在以后的攻丝产生较大影响，使螺纹过切、 一般精度螺纹的 过辑巾，只需强制的旋转运动中径扩大和光洁度降低 手动攻丝 丝锥的进给靠精密的螺纹导模 减少轴向力对螺纹过切的影 强制进给法或齿轮副来保证，且进给龟应 响，螺纹精度高，但实施较 加工精度较高的 螺纹 和丝锥螺跑严格相等困难 具有强制进给法的优点且实 进给量略大于小 组合进给法带有轴向补偿的强制进给法 于或等于丝锥螺 施较容易( 推荐使用) 距的各种情况 ( 5 ) 冷却润滑 在攻丝加工中切削液主要起润滑、冷却、抗粘结、排屑四大作用。合理选 用切削液的牌号和供给方式，对延长丝锥的使用寿命，提高被加工螺纹的表面 质量及精度起着重要作用【刈。丝锥不同于大多数金属切削工具，因为它与工件 孔壁接触面积非常大，所以冷却至关重要【矧在切削工件时，材料切削层发生 变形，切屑与丝锥前角、丝锥后角和加工表面之间产生摩擦。由于变形和摩擦产 生的热量使丝锥切削刃部硬度降低，使扭矩增加，且易在前刀面产生积屑瘤， 因此要迅速降温。在攻丝加工中，切削是在孔中进行，散热性不好。易发生粘 结，因此，切削液的作用更加重要，另外在攻丝加工中切削液还起到排屑作用。 ( 6 ) 对质量检验方法及标准的分析 螺纹检测主要方法为综合检验法，它是按照泰勒的包容原则，用完整牙型 的通端螺纹量规检验螺纹制件的可旋合性，用截短牙型的止端螺纹量规检验中 径单项的制造偏差，如表2 8 所示。 对中径的检验和测量是螺纹测量中最重要的一环。新国标中对螺纹中径合 格性判断原则：实际螺纹的作用中径不能超出最大实体牙型的中径，而实际螺 纹上任何部位的单一中径不能超出最小实体牙型的中径【“。 1 8 第2 章曲轴螺孔加工工艺 表2 8 内螺纹的工作量规和验收鼍规 检验参数最规名称 代号量规螺纹牙型虽规使用规则 下通端工作塞规 t 仝牙型能与内螺纹完全旋合 限通端验收塞规 l 全牙犁 能与内螺纹完全旋合 中径 内螺纹 4 扣时，与内螺纹旋合量牛2 扣 上 止端工作塞规 z 截短牙型内螺纹薹4 扣时，与内螺纹从两端旋合量 限 之和丰2 扣 下 通端光滑塞规t通过内螺纹小径 限 小径 上 止端光滑塞规z不通过内螺纹小径 限 2 3 3 主要存在的加工问题及其产生原因 该汽车发动机厂锻钢曲轴攻丝时存在的问题主要有三种：“烂牙”、中径扩 大和丝锥破损( 包括刀齿崩刃和丝锥折断) 。其中，烂牙是最主要的缺陷之一， 在螺纹孔口及中部都曾出现，如图2 1 2 所示，图2 1 3 为加工质量合格的螺纹孔。 图2 1 2 螺纹孔口烂牙图2 1 3 各螺纹孔工完整，无烂牙 丝锥刀齿崩刃经常出现在切削锥部第一个刀齿处及切削锥部接近校准部分 附近吲，如图2 1 4 所示。 1 9 第2 章曲轴螺孔加工工艺 图2 1 4 丝锥切削锥部崩刃 前面分别介绍了在锻钢曲轴螺孔攻丝中发现的螺纹烂牙、螺纹中径扩大和 丝锥破损等加工问题及其易出现部分。按照图2 1 5 鱼刺图，我们对可能造成该 加工问题的原因进行了如下分析： 图2 1 5m 1 0 螺纹止规进烂牙原因分析鱼刺图 刀具方面：该厂曲轴螺孔加工刀具采用高速钢直槽丝锥。丝锥作为螺纹 加工的成型刀具，它的材料、结构型式和几何参数等方面对螺纹加工质量起重 要作用i 卅： 工艺参数方面：确定合理的螺纹底孔直径以及攻丝转速等参数； 辅助工具方面：攻丝央头浮动量不够，从而导致攻丝中选择的进给量与 丝锥本身的固有螺距不同步，造成螺纹烂牙，可适当扩大攻丝夹头浮动量或采 2 0 第2 章曲轴螺孔加工工艺 用浮动攻丝夹头； 冷却润滑方面：在攻丝加工中切削液主要起润滑、冷却、抗粘结、排屑 四大作用。因此，合理选用切削液的牌号和供给方式，对延长丝锥的使用寿命， 提高被加工螺纹的表面质量及精度起着重要的作用； 其它因素方面：人员操作不当、工件夹具定位不准及机器精度等方面