本文通过对现有六缸发动机曲轴中心孔修正工序的工艺分析，得出结论——采用卧式加工中心实现曲轴中心孔的修正和两端孔系的加工方法成熟可靠，值得国内企业借鉴和推广。

随着汽车发动机朝着柴油化、大功率的方向发展，对发动机的核心部件——曲轴提出了要具备更高的强度和刚度等要求。为此，六缸发动机曲轴的发展趋势是越来越大型化、重型化，而且精度要求也更为严格。

曲轴是典型的轴类零件，以两端中心孔定位的装夹方式是机加工中最常用的工艺方法。曲轴磨削时为提高加工精度需采用死顶尖，工件两端中心孔的几何形状误差（如椭圆度、多角形等）会反映到轴颈表面上去。一般来讲，中心孔的加工都在曲轴毛坯厂家进行，中心孔的表面粗糙度和形状误差都很大（而且中心孔越大，这种误差也越大），其加工质量只能满足曲轴粗加工的要求；在曲轴粗加工时，由于中心孔要承受很大的切削力和振动，易造成较大磨损变形；热处理后，在中心孔内存在氧化皮且不易清理，在以后的加工过程中容易造成中心孔损坏；装卸时，中心孔不可避免地会与顶尖发生磕碰，而易造成损伤（曲轴越大，装卸时的控制越难，越容易磕碰划伤中心孔）。这些因素都要求曲轴在磨削前应对中心孔进行修正，改善中心孔的几何形状，以获得低的表面粗糙度。

曲轴磨削精度及设备刚性要求曲轴在磨削前的跳动误差在合理的范围内，曲轴越大，这种要求也越为严格。以康明斯6B曲轴为例，曲轴在热处理后（圆角淬火+低温回火）的跳动误差工艺要求在0.5mm以内（以两端中心孔定位）。实际上，国内毛坯质量很难保证工艺要求，不能满足工艺要求的工件通常在20%左右，最高时可达到70%。目前对跳动误差超差的工件，一般有两种方法修正：一种是热校直，在曲轴回火时进行；一种是中心孔的修正，故意将中心孔偏修，以补偿掉一部分跳动误差。

大型六缸发动机曲轴采用中心孔修正工艺，能稳定和提高磨削质量，优化曲轴工艺。

6B曲轴中心孔修正工序的工艺分析

我厂和柴发厂生产的康明斯6B曲轴都采用了中心孔修正工艺，其修正原理如图1所示。

在第一工位上，以6B曲轴第1、7主轴颈作为基准，通过设备上的一个伺服旋转轴带动曲轴旋转，一个固定位置的检测头自动检测第4主轴颈的跳动误差，由CNC系统计算出第4主轴颈上的最大跳动误差Δ值和角相位置，并控制这一位置使其停留在水平位置的最前方；然后设备半自动地将曲轴送到第二工位上，并且由CNC系统控制伺服电动机驱动工作台，使工件第1、7主轴颈中心连线与第二工位上两端动力头上的中心钻连线之间的距离为1/2Δ值，将其位置锁定后，通过伺服电动机驱动动力头实现偏修。这种修正方法从理论上能做到很精确，有简单的数学模型，笔者称之为“解析修正法”。6B曲轴中心孔修正前后的数据对比如表1所示。

1.解析修正法适用性应考虑的问题

（1）曲轴主轴颈变形方向影响中心孔偏修的效果

在生产过程中，我们发现第6号曲轴在215工序半精磨1、7主轴颈时，第7主轴颈外圆出现黑皮，在对该曲轴进行分析后，发现第7主轴颈跳动误差方向和其他主轴颈正好相反，整个曲轴呈“S”形，而半精磨平均余量单边为0.3mm，偏修后第7主轴颈跳动误差变大，为0.55mm。因此，这种修正方法要尽量避免曲轴出现“S”形，要求热处理后曲轴各主轴颈的跳动误差方向尽可能一致。在对热处理工件进行检测后，得到表2所示数据。

从表2中可以看出，对于热后曲轴出现“S”形的情况，只能考虑通过缩小修正范围来克服。对于曲轴各主轴颈的跳动误差方向一致的情况，因为是折半偏修，两端主轴颈也有可能增加跳动误差，必须考虑到足够的主轴颈磨削余量来确定修正范围。从表2中还可以看出，各个主轴颈跳动高点不在一个平面内，呈空间角度，对不在同一平面内的主轴颈起不到修正作用（见图2a，这是一个曲轴数据的图示）；表2中的数据反映出，曲轴的变形规律性不强，变形方向分散（见图2b，表2数据取平均后得到的图示），这是必须改进的。

（2）中心孔的偏修对于连杆颈的磨削余量分布产生的影响

如图3所示，O1圆是中心孔修正前的主轴颈外圆，O2圆是以修正后的中心孔定位精磨后的主轴颈外圆，A1、B1和C1圆是中心孔修正前的连杆颈外圆，A2、B2和C2圆是以精磨后的主轴颈定位精磨后的连杆颈外圆。由图3可知，ΔO=ΔA=ΔB=ΔC，其他形式的修正中心孔对磨削连杆颈造成的影响相类似，由此得知，偏修中心孔所造成的主轴颈偏磨余量全部反映到连杆颈上。

影响连杆颈磨削余量的因素有很多，主要是前面粗加工工序的曲柄半径和相位角加工误差、热处理变形、第2工艺孔的加工误差以及工艺基准转换产生的误差等。虽然6B曲轴连杆颈的平均磨量为单边0.65mm，但现场仍然因为连杆颈外圆磨削出现黑皮造成的废品为4%，现在又增加了中心孔偏修影响连杆颈磨削余量，因此必须考虑到足够的连杆颈磨削余量来确定修正范围。

（3）中心孔偏修对动平衡工序的影响

一般曲轴毛坯是打质量中心孔的，其几何中心与之有偏差，则在机加工过程中，由于曲轴表面金属被大量切除，会产生新的不平衡量，这种不平衡量在曲轴上的分布是随机的，加之曲轴热处理产生的跳动误差的方向也是随机的，则由中心孔的修正而产生的不平衡量在曲轴上的分布也是随机的，可能会增加曲轴的初始不平衡量，也有可能减少它的初始不平衡量，这样的新增不平衡量数据只有通过大量的数据采集和统计分析才可能获得。柴发厂多年来的生产实践表明，在偏修余量不大的情况下，对曲轴初始不平衡量的影响是可以通过动平衡工序进行修正的。目前，我们只能考虑减小对曲轴主轴颈跳动误差修正的范围。

解析修正方法受制约的因素很多，必须通过大量的数据采集和统计分析以及临界点的实验才能最终确定修正范围。目前我们在现场通过少量的数据采集和统计分析以及工艺实验后，保守地确定第4主轴颈跳动误差在0.6mm以内的需进行修正，超过0.6mm的采用热校直的方法修正过大的跳动误差。

2.中心孔的修理质量

中心孔的几何形状误差和表面粗糙度直接影响曲轴的磨削精度。

6B曲轴采用图4a所示的中心钻扩钻中心孔，如果是偏修中心孔，则刀具将承受侧向力F。如果刀具及设备系统刚性不足以克服侧向力，而使刀具的轴线偏离主轴回转中心线，则重新加工出来的中心孔不是正圆，不能满足加工质量，这在加工大的中心孔和偏修余量比较大时，中心孔的几何形状将更差。图4a所示的中心钻扩钻中心孔更适合于加工φ5mm以内的中心孔。6B曲轴中心孔是B6.3，大径为φ18mm，对表1中的曲轴中心孔进行检查，表面粗糙度达不到工艺要求（Ra3.2mm）的用红丹粉和标准顶尖检查接触精度，接触面积达不到70%，不呈均匀的环形带；但比较修正前的中心孔，其尺寸精度、几何形状和表面粗糙度仍有所改善。目前，现场对第4主轴颈跳动误差在0.4mm的曲轴进行对中修理。

新工艺、新设备的应用

以往，在进行曲轴工艺设计时，往往将曲轴两端孔的加工放在精磨轴颈以后，这很容易造成曲轴表面的划伤和磕碰。如果将该工序提前，又因为定位基准为粗基准，满足不了孔的位置度要求。在设备选择方面，以前主要是组合机或摇臂钻。随着市场的要求，产品向着多品种小批量的方向发展，工艺设计要求设备具有一定的柔性，因而开始采用数控程序控制单刀加工的设备，这也为中心孔修正和两端孔加工内容合并提供了方便，优化了工艺，提高了精度，降低了成本。图4b所示为德国TBT公司为无锡柴油机厂提供的两端孔加工设备的结构示意图，其采用8工位的倾斜60 °的专用钻削转塔刀架和三坐标十字滑台，夹具为悬空结构，加工时工件不转动；中心孔采取对中修正，先用测头找后油封外圆以确定中心孔中心，采用图4a所示中心钻加工；通过转塔换刀两面同时加工，后油封凸缘端面有10个螺孔和1个工艺孔。该设备生产效率很高，总节拍时间为371s。

图5所示为雷诺曲轴两端孔加工设备的结构。与TBT公司设备不同的是，其采用了HELLER公司的回转式工作台卧式加工中心来加工中心孔和两端孔系，一次加工两件曲轴；后油封凸缘端面有8个螺孔和1个工艺孔，节拍时间为12min；采用修正工艺对中心孔进行镗削，其修正原理和解析修正法不同，夹具、刀具结构很有特点，加工工件的几何形状精度和表面粗糙度很高，刀具采用内冷式且耐用度很高，例如丝锥可以连续加工86件曲轴。

雷诺曲轴中心孔修正工序主要工艺分析

雷诺的曲轴中心孔修正原理不同于解析修正法。修正时，以第2、6主轴颈中心轴线为基准，设备修正后的中心孔中心连线与第2、6主轴颈中心轴线理论上应重合。也就是说，修正后的中心孔反映第2、6主轴颈中心轴线，这一原理意义简单明了，如图6a所示。

这一修正原理是建立在大量数据统计分析基础上的，选择第2、6主轴颈，沿几何中心修正，笔者称之为“几何中心修正法”；图6b为从曲轴小头方向看去，是雷诺曲轴在回火后主轴颈跳动误差的分布情况，其分布比较集中，跳动方向基本在同一平面上，从而便于中心孔的修正。

图6b中“线1”是解析修正法修正后中心线所在平面，“线2”是几何中心修正法修正后中心线所在平面，可以看出，这样的曲轴变形对于两种修正法都能取得良好效果，但对于主轴颈跳动误差分布比较分散的曲轴来说（见图2b），却不能取得好的修正质量，只能缩小修正范围。几何中心修正方法对“S”形（见图6a）和主轴颈跳动误差不在同一平面内（见图2a）的曲轴有一定的修正效果。

1. 热处理工序是确保中心孔修正质量的关键

6B曲轴热处理后的主轴颈跳动误差方向分布比较分散，这对于中心孔修正工序来说十分危险，容易造成后序磨削出现黑皮。对于两种修正方法，都要求热处理工序对主轴颈的跳动误差方向进行控制。雷诺曲轴在回火进炉前保证曲轴按照一定的角向位置安装，这样与淬火时轴颈淬火顺序的控制一起，控制曲轴主轴颈跳动误差的大小和方向，使之集中在要求的范围内，满足中心孔修正的工艺要求。理想状态下，曲轴的跳动变形尽可能在同一平面内，解析法要求曲轴变形只能是弓形的，而几何法对“S”形有修正作用，其适用的范围比解析法大。由于曲轴本身是个连续体，具有一定的刚性，不可能出现急剧起伏的跳动变化，修正后会增加第1、7主轴颈及两端头的跳动误差，受磨削余量的限制，中心孔修正还是有范围的，雷诺曲轴热处理后第4主轴颈相对1、7主轴颈的跳动在0.7mm以内才进行修正。表3所示为雷诺曲轴中心孔修正前后的数据对比。

从表3中的数据对比来看，当第4主轴颈跳动很大时，修正效果越明显，但同时两端轴颈的跳动会增加，这说明修正范围也是要限制的；3、4号曲轴是个“S”形的曲轴，从数据看出修正效果很好。总体上讲，几何中心修正法修正范围和效果都要优于解析修正法。

2. 几何中心修正法对连杆颈磨削余量的分布和动平衡工序的影响

与解析法一样，几何中心修正法同样存在类似的问题，但其寻找中心的基准是已加工过的主轴颈，相比较而言，它对其他工序的影响比解析法小。

3. 雷诺曲轴中心孔修正及两端孔系加工工序的刀具和夹具确保修正效果

（1）中心孔修正用刀具

雷诺曲轴中心孔也是B6.3的，但其修正范围大，修正余量大，使用上述的中心钻来加工显然不能满足质量要求。

由于工件是固定在工作台上不回转的，卧式加工中心不能用插补的方式镗削中心孔，必须采用特殊刀具，如图7所示。当把镗刀装入主轴后，主轴带动刀具高速旋转，这时镗刀头处在偏心位置；在镗削中心孔时，主轴带动刀具向前攻进，件1顶到工件端面上，此时件1依靠轴承是不转动的；主轴继续向前工进，件5在高速旋转的同时压缩复位弹簧向件4靠拢，件3与件4刚性连接，这样件3带动件2沿30°的斜面运动，运动速度等同于主轴工进速度；镗刀头件6与件2固接，故镗刀头在高速旋转的同时沿30°的斜面工进切削中心孔，中心孔坐标位置和深度尺寸的控制由CNC系统完成。刀具旋转速度为2500r/min，加工出来的中心孔粗糙度很高，几何形状误差小，中心孔加工质量高。

（2）中心孔修正用夹具

雷诺曲轴中心孔修正夹具（见图8）对前工序工件尺寸要求不高，其结构紧凑且较复杂，定心精度不高，但能满足修正要求，夹紧刚性好。该夹具以曲轴第2、6主轴颈作为定位基准，其定心夹紧结构（图8中的2号）类似于剪刀，可实现自定心夹紧，如图9所示。
图9a中标号“1、2”表示进回油口，夹具的夹紧松开由液压控制。活塞杆固定在夹具本体上，依靠油缸的上下运动带动铰链机构实现自定心夹紧松开。从图9b中可知，高低方向定心精度还是要受到工件直径误差的影响：L1、L2表示工件的半径，L1=103/2=51.5mm，L2=103.1/2=51.55mm；OA1=OA2=165mm；V型块角度为90°；O1A1=L1/sin45°，O2A2=L2/sin45°；OO1=√OA12—O1A12，OO2=√OA22—O2A22，；则OO1-OO2=0.035mm，即：当工件直径变化0.1mm时，夹具自定心精度影响0.035mm；因为该自定心结构连接环节较多，制造精度也会影响定心精度；回转工作台分度精度一般为6″，这会造成0.015mm左右的定心误差。

曲轴凸缘端面工艺孔是磨削连杆颈的分度基准，精度要求较高，该夹具角向定位采用自定心夹紧结构(图8中的3号)，如图10所示，“1”表示进回油孔，由图可知，在未夹紧时，两夹块依靠弹簧力向中间缩紧；当工件放入夹具中时，依靠两夹块带角度的导向面克服弹簧力顶开夹块。这样在开始时，工件在夹具中就能保持一个正确的位置，此后再根据夹紧的先后动作依靠液压力将位置固定。

因为主夹紧工件第2、6主轴颈在加工两端时，悬长太多，为增加刚性，对前后油封采用浮动夹紧方式（图8中的1号），如图11所示。当夹紧时，2号油孔进油，依靠液压力使两侧活塞杆向外运动，顶动V型块夹紧工件；两块V型可以不同步移动，当一侧V型靠上工件后，另一侧V型继续移动直到靠上工件，实现浮动夹紧。当动作完成后，3号油孔进油，实现自锁；松开时，1、4号油孔进油，2、3号油孔回油。

依据对以上各主要夹紧点的分析，该夹具夹紧的动作顺序为：人工上料→预定心及角向预定位→轴向定位并夹紧→角向定位夹紧→自定心夹紧第2、6主轴颈→辅助夹紧前后油封轴颈并自锁。

结语

综上所述，采用卧式加工中心实现六缸机曲轴中心孔的修正和两端孔系的加工，简化了曲轴工艺，减少了曲轴的磕碰划伤；采用镗削技术实现对中心孔的修正，可以获得高的中心孔质量；几何中心修正法依靠大量的数据分析和试验，可以获得稳定的加工质量和更大的修正范围。在方案的可行性上，采用卧式加工中心是成熟技术，其夹具和刀具从理论分析上也是可行的，该方案在雷诺经过了多年的实践已得到了验证和肯定。可见，这种加工方式是值得国内同行借鉴和推广的。