大泵曲轴的旋风铣削加工方法及工艺

董兴望 佘龙龙 李朝朝 棘广洲 曾范铭

（中石化四机石油机械有限公司，荆州 434020）

压裂车大泵曲轴车削加工一直是生产的瓶颈，导致大泵产能受到曲轴产能的极大制约[1]。由于曲轴是重载，加工余量较大，在高速切削时冲击力特别大，排屑不理想，切削温度高，振动大，且曲轴的刚性差，易引起振动，宜用于低速车削，车削效率低，加工进度慢，导致生产滞后，不适用于大批量生产[2]。在车床上车削曲轴时，曲轴本身偏心。当车削转到一定角度时会发生重心下垂，主轴需要安装曲轴曲拐车削偏心工装。工装和曲轴的质量较大，迫使主轴转速不能太快。曲轴车成重量偏心后，转动惯量急剧增大，给车削带来一定的困难[3]。常规方法是在曲轴上设置配重块，目的是保证加工重心一致[4-5]，但车削效率极低，不利于提高生产效率，如图1 所示。

本文从车床安装旋风切刀切削T 形丝杆工件中受到启发，开展对大泵曲轴加工的工艺改进，通过在CW61100 车床中拖板上加装旋风切削装置，使得主轴低速转动，旋风切刀高速切削，利用铣削代替车削，以期在保证加工精度的前提下提高车床的切削效率，从而解决大泵曲轴等重要零件在生产实际中的关键难点，达到降低加工成本和提高生产效益的目的。

1 曲轴在CW61100 车床上旋风切削加工工艺分析

1.1 旋风切削装置组装在CW61100 车床上的可行性分析

CW61100 车床主要由床身、刀架、主轴、主电机、三爪卡盘以及照明系统等组成[6]，外形如图2 所示。

由图2 可知，CW61100 车床在取掉小刀架后，可以直接组装旋风切削刀具，使刀盘的旋转中心与主轴旋转中心等高。旋风切削刀具底平面与中拖板上平面大面积贴合，增加旋风刀具的刚性连接，为旋风切刀强力切削创造条件。旋风切削横向进刀由CW61100 车床横向移动中拖板丝杆决定，轴向进刀由CW61100 车床纵向移动齿轮和齿条决定，如图3所示。

因此，车床的慢速旋转运动和旋风切刀的高速运动完成对曲轴曲拐的外圆切削，车床大拖板的轴向移动和中拖板的径向移动完成曲轴的切削定位。针对现有技术的改进，该方法设备刚性好，适合断续切削，铣削振动小，生产效率高，铣削刀盘安装方便，加工精度高。

1.2 旋风切削曲轴工艺上的可行性分析

旋风切削转速较高，转速为1 450 r·min-1，主轴低速旋转。在径向进刀深度相同的条件下，假定车床轴向移动100 mm·min-1，那么旋风切削每转切削0.069 mm。 又假定车床轴向移动100 mm·min-1，车床主轴转速100 r·min-1，车床切削每转切削1 mm。如果旋风切削每转切削0.5 mm，那么每分钟的切削效能是车床切削的7.25 倍。可见，旋风切削效率高。如果设定车床的主轴转速小于100 r·min-1，则旋风切削的效率还要高。另外，旋风切削每把刀具的刀片每次切削的量不大，对刀片的刚性要求不高。刀片后角小一些，对铣削曲轴粗糙度有较大的好处。但是，由于旋风切削为高速切削，对刀具产生瞬间的冲击力并产生较多的热量，这就要求刀片硬度较高，抗冲击性要好，耐热性能要好，同时冷却装置冷却性能要好。一般冷却液为喷射方式最佳。另外，旋风切削为铣削，因此相对车床铁屑的排屑性要好得多[7]。

2 旋风切削装置的制作

旋风切削装置主要由刀盘、主轴、传动齿轮、联轴节以及交流电机等组成[8]，制作示意图如图4 所示。刀盘主要用于装夹刀具，刀盘后锥柄贴合于主轴7 ∶24 锥孔内，用拉杆紧拉，防止刀盘高速运转时脱落。刀盘上有两个凹槽与主轴上两个凸块配合，与锥面一起，起传递扭矩的作用。主轴主要用于组装和固定刀盘、传递电机扭矩等。

3 曲轴在CW61100 车床上旋风切削加工的效果验证

3.1 效果验证

使用曲轴曲拐车削偏心工装装夹曲轴毛坯在CW61100 车床上，移动旋风刀具至曲轴曲拐的加工位置，移动中拖板丝杆逐渐进刀切削深度5 mm，变速主轴旋转速度100 r·min-1，中拖板轴向每分钟移动100 mm。打开冷却泵，刀具冷却喷头高速喷出冷却液，旋风切削刀具高速切削，铁屑和冷却液到处飞溅。加工一段距离后停止机床运转，查看曲轴的铣削面，发现曲拐表面有明显振纹，表面粗糙度离图纸设计要求存在较大的差距。

3.2 原因分析

铣削曲轴另外一段曲拐处时，用手触摸旋风切削装置，发现振动较大，旋风切削装置随CW61100 车床中拖板前后移动而径向振动，振动频率与旋风切刀刀片切削次数相同。总结原因主要包括两个方面：一方面，CW61100 车床中拖板丝杆、丝母有间隙需要消除；另一方面，CW61100 车床中拖板在旋风切削铣削时在大拖板滑动导轨上没有锁紧，导致中拖板在铣削时随刀片更叠进刀时前后移动。

3.3 制定对策

查明原因，制定以下对策付诸实施。

（1）更换CW61100 车床中拖板丝杆、丝母，增大丝杆外径至Φ50 mm，增加丝杆刚性，改单丝母结构为双丝母可调间隙结构，尽可能消除丝杆、丝母间隙，防止中拖板丝母轴向窜动，影响旋风铣刀铣削曲轴曲拐外圆的粗糙度。

（2）如图5 所示，CW61100 车床中拖板上增加锁紧机构。在中拖板燕尾处安装锁紧块，紧固螺栓，顶紧锁紧块，中拖板斜面与大拖板导轨斜面紧紧贴死，使中拖板固定在大拖板导轨上，增加旋风切削装置底部的刚性，提高铣削曲轴曲拐外圆的粗糙度[9]。

（3）在加工时要求给CW61100 车床加装铁屑、冷却液防护罩，解决铁屑飞溅出烫伤操作人员，避免冷却液大面积喷洒，以防发生安全隐患、冷却液污染环境等问题。

4 整改后效果验证

该方法经过多次生产实践证明，每次组装旋风刀具进行切削试车，启动主轴转动，启动旋风切削电机，使其刀盘高速旋转。顺时针转动中，拖板丝杆手柄径向均匀进刀切削5 mm 后，顺时针拧紧中拖板锁紧螺栓。锁紧中拖板后，挂轴向移动手柄进行曲轴曲拐轴向切削，切削过程中用手触摸中拖板，中拖板处无任何震动现象，切削均匀。曲轴曲拐面切削加工完成后，检测多个铣削表面的粗糙度，结果表明表面粗糙度完全符合图纸要求。

5 结语

利用旋风切刀对大泵曲轴曲拐外圆铣削加工，扩大了CW61100 车床的加工范围。在CW61100 车床上，以铣削代替车削，极大提高了曲轴的加工效率，保证了加工精度和表面粗糙度，同时克服了车削过程中吃刀不均匀、容易打刀的缺陷，大大提高了大泵曲轴的加工效率，降低了刀具损耗，节约了成本。同时，旋风切削曲轴可以扩展到在车床上铣削其他类似零件，为数控机床改造提供了一种新思路。