曲軸和凸輪軸是發(fā)動機重要運動部件，其傳統(tǒng)工藝采用車床對主軸頸、連桿頸和凸輪進行粗加工。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，同時存在設(shè)備數(shù)量多、人員多、效率低、成本高等問題。數(shù)控內(nèi)銑和數(shù)控外銑的出現(xiàn)為解決這些問題提供了條件。掌握數(shù)控銑床的結(jié)構(gòu)、工作原理及其調(diào)整方法對提高發(fā)動機曲軸和凸輪軸粗加工質(zhì)量具有重要意義。
發(fā)動機軸類零件粗加工
?。?）曲軸粗加工的發(fā)展
20世紀70年代以前，采用多把車刀一次對軸頸的外圓、圓角和側(cè)面及臺階進行加工，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)生振動和打刀問題，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車削、CNC外銑和CNC內(nèi)銑工藝。80年代末90年代初又開發(fā)出了車拉、車－車拉工藝，該工藝具有精度高、效率高等優(yōu)點。90年代中期又開發(fā)出CNC高速外銑，它對平衡塊側(cè)面需要加工的曲軸方面，比CNC車削、CNC內(nèi)銑和車－車拉的生產(chǎn)效率高。
由于加工精度和加工效率的原因，車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，當曲軸有軸向沉割槽時，應采用車-車拉方法加工。當曲軸平衡塊側(cè)面需要加工時，銑削工藝大大優(yōu)于車拉工藝。其具有切削速度高、工序時間短、切削力小、溫升較低、刀具壽命高、換刀少、精度高和機床柔性好等優(yōu)點。
（2）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床進行粗加工，凸輪普遍采用機械靠模式車床進行單刀或多刀仿形車削來完成。單刀車削效率低；多刀車削難以保證零件質(zhì)量，而且粗車過后必須安排校直、粗磨等工序，生產(chǎn)效率低。
多刀車削、仿形車由于切削時受力大，工件容易發(fā)生彎曲變形和振動，刀具壽命低，打刀頻繁，不良率高。粗車過后需安排校直、粗磨等工序。工件換型時需更換靠模、調(diào)整時間長，切換效率低、成本高。新工藝凸輪軸主軸頸采用數(shù)控車，凸輪則采用數(shù)控外銑進行高速銑削（合金鋼件鍛造毛坯）或CBN強力磨削（鑄鐵鑄造毛坯）。凸輪軸的粗加工經(jīng)歷了單刀車削、多刀車削、CNC車削和數(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60年代到90年代，數(shù)控銑床經(jīng)歷了普通數(shù)控三座標銑床、普通CNC外銑、高速CNC內(nèi)銑和高速CNC外銑幾個階段，其中高速CNC內(nèi)銑和高速CNC外銑在發(fā)動機曲軸、凸輪軸粗加工之中得到越來越廣泛的應用。目前世界上數(shù)控內(nèi)銑或外銑的主要生產(chǎn)廠家有德國的HELLER公司、Boehringer公司和日本的小松公司。國內(nèi)沈陽第一機床也生產(chǎn)曲軸內(nèi)銑，但基礎(chǔ)還很薄弱。
?。?）數(shù)控外銑機床
如圖1所示，數(shù)控外銑機床一般由床身、主軸箱、十字滑臺、銑削單元、跟蹤中心架、數(shù)控系統(tǒng)、排屑系統(tǒng)、潤滑系統(tǒng)、油霧處理裝置等組成。數(shù)控裝置控制刀架滑臺（X軸）、工件旋轉(zhuǎn)主軸（C軸）以及工作移動滑臺（Z軸）聯(lián)動進行插補仿形銑削，加工所有凸輪或曲軸的主軸頸及連桿頸。
圖 1
1.銑刀盤 2.凸輪軸轉(zhuǎn)動方向 3.銑銷單元 4.銑銷單元移動方向 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，一組刀盤只能加工某一組軸頸，不適合大余量加工，余量一般不超過3mm，較適合大批量生產(chǎn)的轎車發(fā)動機曲軸。
90年代出現(xiàn)的數(shù)控曲軸高速外銑，采用工件回轉(zhuǎn)和銑刀進給伺服聯(lián)動控制技術(shù)，可以實現(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，保證加工過程中零件不會產(chǎn)生大的彎曲變形；取消了機械靠?；蚱膴A具，通過編制程序可快捷地實現(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構(gòu)和德國HELLER公司的數(shù)控十字滑臺結(jié)構(gòu)。小松公司采用獨創(chuàng)的搖臂式銑刀頭，工件固定不動，銑刀頭裝在一個滑臺單元上，實現(xiàn)平面上的插補聯(lián)動銑削。其獨有的繞一個固定支點擺動內(nèi)的結(jié)構(gòu)有效地增強了曲軸加工時的剛性，可采用較大進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，以曲柄臂側(cè)面或端面為軸向定位，用自定心卡盤夾緊，通過控制進給機構(gòu)使刀盤產(chǎn)生復合運動，對軸頸外圓、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程之中工件運動和銑削單元的運動形式進行劃分。
?。?）德國HELLER公司的內(nèi)銑機床，如圖3所示。德國HELLER公司的RFK內(nèi)銑，采用數(shù)控十字滑臺機構(gòu)，切入軸頸表面時，刀盤停止進給，此時工件旋轉(zhuǎn)一周，刀盤在CNC的控制下隨做圓周進給運動，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)銑機床。如圖4所示，GPM曲軸內(nèi)銑采用獨創(chuàng)的搖臂式銑頭，銑頭的一端由大口徑軸承支撐（帶有導向滑塊），另一端采用了由絲杠螺母驅(qū)動的搖臂方式，加工時工件固定不動，動力頭經(jīng)一垂直方向的螺母帶動，繞一回轉(zhuǎn)中心做上下往復運動，又由一水平方向的螺母帶動，做水平方向往復運動。
圖 4
?。?）Boehringer公司內(nèi)銑。Boehringer公司內(nèi)銑刀盤裝在一個偏心體上，銑刀盤由主軸驅(qū)動，小軸承支撐實現(xiàn)主運動，偏心體由特殊的帶有齒形的大偏心軸承支撐，由旋轉(zhuǎn)進給機構(gòu)驅(qū)動，與連桿頸同心后再銑削加工。
?。?）沈陽第一機床廠PMC28150C型曲軸內(nèi)銑機床。該機床配置左右兩組銑刀，加工時以不同的方向旋轉(zhuǎn)，平衡切削力。在動力頭上分別安裝了水平方向上（X軸）和垂直方向（Z軸）的絲桿螺母傳動機構(gòu)，由伺服電動機驅(qū)動，CNC控制。加工時，工件固定不動，動力頭由X軸進給切削曲柄臂側(cè)面，當進給到軸頸時，Z軸和X軸伺服機構(gòu)進行插補運動，使刀盤繞軸頸中心公轉(zhuǎn)完成一個相位連桿軸頸的銑削，然后由中心軸旋轉(zhuǎn)到下一個相位，加工下一個相位的連桿軸頸。
數(shù)控銑床的工藝
?。?）內(nèi)外銑刀盤受力比較如圖5所示，設(shè)D1為銑刀盤的裝夾直徑，D2為切削直徑，外銑刀盤的D1與D2之比是遠小于1的。當然要求D1盡可能大一些，這樣銑刀盤的裝卡比較牢固，機床運轉(zhuǎn)也平穩(wěn)一些。在相同的每齒進給量下，內(nèi)銑刀盤同時參與切削的刀齒較多，切削厚度較小，可采用較大進給量。
圖 5
內(nèi)銑適合于大型柴油機曲軸，尤其是對于無沉割槽且平衡塊側(cè)面需加工的曲軸。
雙刀盤數(shù)控高速外銑，速度高達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，頭尾架兩端卡盤夾緊，加工時兩個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。
?。?）數(shù)控銑的加工工藝。一般采用數(shù)控外銑進行凸輪加工，上料后通過頭架的定位鍵（銷）進行角向定位，然后從一側(cè)順序加工進、排氣凸輪，加工時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，兩個刀盤都向一個方向旋轉(zhuǎn)，并根據(jù)凸輪輪廓型線實時進給，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)，先在靠近夾盤最近的主軸頸銑出中心架支撐的基準后，再依次加工主軸頸和連桿頸。當同時加工曲軸的主軸頸和連桿頸時，兩個刀盤的旋轉(zhuǎn)方向是相反的，以達到受力平衡，有效地保證了加工精度（這一點也是外銑做不到的），兩個刀盤同時加工通過程序控制來保證動作同步，如圖7所示。
（4）銑床的銑刀盤設(shè)計。曲軸內(nèi)銑、外銑及凸輪外銑床均采用刀盤成形切入法，對加工部位進行一次性加工成形。曲軸銑刀盤一般由4組刀片組成，分別對軸頸外圓、圓角、臺肩及平衡塊端面進行切削。凸輪軸銑刀一般由3組刀片組成，分別對凸輪輪廓外圓及兩側(cè)倒角進行切削。
內(nèi)銑和外銑都是采用刀盤成形切入法對軸頸或凸輪進行切削加工。因其切削為斷續(xù)、干式切削，刀具的設(shè)計除保證零件加工外形尺寸準確外，還應保證其其加工時產(chǎn)生的切屑形狀小，避免切屑在機床內(nèi)部堆積造成局部高溫。內(nèi)銑刀盤刀夾在圓周上的分布采用不等齒距形式，以防止切削過程中可能產(chǎn)生的周期性振動，同時注意臺肩高度尺寸的設(shè)計。
加工質(zhì)量調(diào)整控制
?。?）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系之中作一下調(diào)整就能得到保證。
曲軸的軸向尺寸基準在止推軸頸端面，傳統(tǒng)的曲軸加工工藝因為加工工序多且工藝基準變換多，曲軸的工藝尺寸鏈比較復雜。隨著大量數(shù)控設(shè)備和測量系統(tǒng)的使用，絕大多數(shù)工序都可以實現(xiàn)產(chǎn)品基準和工藝基準的統(tǒng)一。因為曲軸后續(xù)工序——熱處理變形影響磨削對軸向尺寸的控制，需要對熱處理變形規(guī)律經(jīng)常性進行統(tǒng)計分析，并依據(jù)結(jié)果調(diào)整內(nèi)銑尺寸來補償?shù)暨@種變形。
?。?）外圓跳動控制
凸輪粗加工前必須保證其主軸頸跳動，以六缸凸輪軸為例，中間第四主軸頸跳動應≤0.20mm，同時保證鍵槽質(zhì)量，否則會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件后檢測的ADCOLE數(shù)據(jù)與產(chǎn)品工藝要求進行比較分析后的差異數(shù)值以極坐標的形式導入數(shù)控系統(tǒng)補償。
曲軸跳動誤差對曲柄半徑、相位的測量和加工都會產(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，切削時的局部溫度高達700℃，這會造成熱鍛毛坯殘余內(nèi)應力的釋放，容易造成內(nèi)銑后跳動誤差的突變。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、零件跳動誤差數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析以及進行調(diào)整偏心方向獲得工藝要求的跳動誤差。
對于工件固定不動的內(nèi)銑加工方式，要實現(xiàn)主動控制主軸頸偏心加工，以獲得符合工藝要求的跳動誤差是非常方便的。以圖8為例，通過對一批內(nèi)銑加工后的跳動誤差統(tǒng)計，分解成X、Y兩個方向進行補償，從而獲得批次的穩(wěn)定的跳動誤差。
數(shù)控銑床熱補償原理
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，必須減小切削熱對加工系統(tǒng)的影響。一般有兩種做法實現(xiàn)變形誤差的熱補償：一是在設(shè)備系統(tǒng)內(nèi)設(shè)置很多溫度傳感器，用來監(jiān)測設(shè)備的溫升變化。借助統(tǒng)計數(shù)據(jù)規(guī)律的分析，根據(jù)實際溫度變化實現(xiàn)熱補償，HELLER公司采用這種方式。這種方法可以獲得精確的誤差補償，提高加工質(zhì)量的穩(wěn)定性，控制系統(tǒng)復雜，具有自動溫升補償功能。當機床和刀具溫度升高時，能自動修正各CNC軸坐標位置，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。尋找到熱變形與時間的關(guān)系，建立熱量補償曲線，這樣在不增加裝置的基礎(chǔ)上實現(xiàn)加工熱補償，在滿足加工質(zhì)量穩(wěn)定的情況下，設(shè)備的可靠性沒有降低。小松內(nèi)銑采用的就是這種方式。
結(jié)語
數(shù)控高速銑床具有高效率、高精度和很好的設(shè)備柔性，廣泛應用于發(fā)動機曲軸、凸輪軸的粗加工之中。數(shù)控外銑一般用在柴油機鍛鋼凸輪軸的凸輪銑削和加工余量較小且無軸向沉割槽的鑄件轎車曲軸的主軸頸、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曲軸，尤其是對于無沉割槽且平衡塊側(cè)面需加工的鋼件曲軸加工。