凸轮轴止推轴承垫技术攻关

2020-07-10中车戚墅堰机车有限公司江苏常州213011陈剑锋王宁刚陈小兵刘燕杰

金属加工(冷加工) 2020年7期

■ 中车戚墅堰机车有限公司（江苏常州 213011）陈剑锋王宁刚陈小兵刘燕杰

凸轮轴止推轴承垫是16V280柴油机机体总成中的重要部件，材料为ZQSn5-5-5（全称ZCuSn5Pb5Zn5）铸造铜合金，俗称锡青铜，该材质具有良好的耐磨性和耐腐蚀性，易加工，铸造性能及气密性好，在机体凸轮轴这种较高负荷、中等滑动速度的工况中应用具有良好的优势。

图1 零件结构

1. 产品结构特性

凸轮轴止推轴承垫厚度仅4mm，外圆φ172mm，内部中空，属于薄壁环类零件，铜材质，较普通钢件类的薄壁件更易变形。该零件在设计时两平面平行度要求0.02mm，分别有一个偏心的环形油槽（偏心4mm）以及与偏心环形油槽相贯通的径向直油槽，两面油槽方向与直油槽位置成180°，用于对整个机构的润滑及保护，如图1所示。

2. 产品加工难点

该凸轮轴止推轴承垫加工难点就是总厚度4-0-0.03mm，两平面的平行度0.02mm以及两端面的偏心油槽。另外，考虑该产品是薄壁圈类零件，又是铜件，受温度影响较大，在精加工过程中不管是径向切削还是轴向切削，都可能由于壁厚太薄而发生振刀现象和产品变形，这种加工条件下所产生的表面粗糙度值及尺寸超差都会直接导致产品报废。

3. 产品试制过程

在初步试制加工过程中，粗车直接将外圆车到尺寸，厚度及内孔都留有余量，但在最后的精车过程中，发生了一系列的质量问题。一是在去面工序时，使用3.5mm台阶爪夹持轴承垫外圆，轴承垫内端面靠住夹爪法兰面，车削大平面时发生了微振刀，表面出现波纹状，此时表面粗糙度值达不到1.6μm，另一面车削时发生了同样的现象。二是精镗内孔时也发生了振刀现象，4mm深度的内孔段也是波纹状。通过后续试验，改变切削参数及车削刀片等，都无法改善这样的振刀现象，致使一批产品报废。

因此需要改变思路，重新进行工艺分析。对于这样的薄壁件产品，采用自定心卡盘夹持径向装夹的方式，产品受到径向力作用，压紧力如果太大极易使工件变形，但是夹紧力偏小的话工件容易飞出，并且切削的吃刀量很少，严重影响加工效率。因此将原先径向装夹的思路改成轴向压装，将工件在当前工序非加工面压紧，加工待加工面，这样能控制产品变形。

为此，将该产品的精加工拆分为几个工序，简言之为两道轴向车削，即内孔和外圆，两道径向车削，即两侧平面，4道端面车削，即两面环形偏心槽和两面直槽。对各工序的加工特性及难点进行工艺分析，其中，两侧大平面的车削需要压装中间部位，因此在加工该工序时需要通过中间的孔对该工件夹紧，此时就需要内孔留有足够的夹持余量，遂将工艺内孔尺寸定为φ90mm。

改进后的工艺路线为粗车→车直槽→车偏心槽→精车两面→镗内孔，并设计制作对应的车削夹具。

（1）车直槽由于该产品两平面都有直槽，且两面直槽存在90°的交叉分布。为了找寻两面槽的角度，可以通过在工装上做4道与产品直槽齐宽的槽，分布在4个象限上。车削完一面槽后，翻转压装，对准两条槽，翻转90°就可以车削另外两条槽，这样就能充分保证4条槽的位置。

另外，车槽的刀具是用1mm槽刀更换装刀方式（横向装），将刀尖磨成R0.5mm。由于图样对槽的深度有要求，粗车工序设定产品厚度公差（5±0.1）mm，因此能保证每次槽深符合图样要求，并且不需要对每个产品进行对刀，提升了加工效率。

操作要点：①该直槽的深度尺寸需要分若干刀次进给，每刀0.3mm吃刀量。由于该加工方式属于挤压切削，如果单次吃刀量过大，整个环就会出现扭动，导致工件变形。②在一端面直槽加工完后，翻转装夹需要确认相对位置，旋转90°后再加工。

（2）车环形偏心槽由于两面的环形偏心槽并不是随性分布，而是与上一道工序的直槽有相对位置关系，这样偏心油槽的设计中，油路是从直槽开始流入两面偏心油槽，再利用工件在旋转过程中产生的偏心力将环形槽内的油甩入大平面，得到更好地润滑。利用这样的原理，设计了与中心水平偏心4mm的偏心车夹具，如图2所示，

图2 偏心车夹具

该偏心车夹具由两部分构成，偏心套和压装车夹具。这样的工装设计拆装方便，但是在安装时需要按照偏心套和车夹具上的标记进行对线安装，以保证偏心的位置。该车夹具上自定心卡盘后需要标记一个爪和一个槽相对（见图2），每次产品上工装后翻身，主轴停住后，找到标记的位置，将产品旋转90°，再进行压装，这样可以准确地找到位置。诸如此类双面偏心环形油槽的设计，利用这种校线的方式能够大幅度减少出错率。

（3）车端面由于此凸轮轴止推轴承垫是薄壁件，车削过程中易发生变形，设计如图3所示工装进行加工。在130mm内孔处留工艺头，内孔粗车尺寸90mm，保证单边能压装近20mm，以使工件在加工过程中不会发生变形和振动。最初加工两面的想法是分两步，用4mm中置割槽刀，分别车削两个平面。但是在完成一批次的加工后，发现该车削方案较为繁琐，且厚度尺寸难控制，每一次车削都需要用百分表来测量壁厚，这样的方式效率不高，并且对操作者的技能要求较高。

图3 工装

通过进一步对刀具进行分析，重新改造一把刀具，如图4所示。此组合刀具有两头刃，两刃尖中间留有4mm的间隙，就类似于一把左手刀和一把右手刀合并进行车削。由于两把刀同时切削，车削过程中产生的横向力可以互相抵消，不会出现车削过程中振刀的情况，也不会发生让刀现象。这两把焊接刀材质为YG6，通过螺栓压紧刀杆，也可以调节左侧刀尖的位置来控制尺寸，是一种经济实用的刀具。这样的刀具能一次保证壁厚的公差，而且由于铜件的加工对刀具的磨损很小，一把刀可以很好地控制一批产品的尺寸。完成一批次加工后，对薄壁的尺寸进行数据统计，数据都在公差范围内。而且，这样的刀具改造具备车削稳定性，可以持续使用。

图4 改进的刀具

在加工过程中发现，由于两侧的环形油槽，使得该工序车削后很多翻边内嵌在油槽内，通过钳工去毛刺的方法费时费力，并且去毛刺的效果不好。通过对该刀具进行分析，发现实际上产生毛刺的原因是刀尖不够锋利，车削的铜切屑（去除的端面余量）有一部分没有分离成细碎的切屑飞出，而是以翻边的形式嵌入油槽内部。为此，进一步对刀具进行优化，增大刃倾角和后角，使得刀尖更加锋利，再试车后，完美地解决了翻边的问题，减少了后续钳工去毛刺工序，不仅保证了产品质量，而且优化了工序，缩短了产品工艺周期。

（4）镗内孔对于上一道工序所留的内孔工艺头需要去除，但是由于前期试制过程中自定心卡盘夹持外圆去镗内孔，导致振刀和变形，因而需要通过轴向定位改善。将工件已加工的环形区域定位压紧再镗内孔，才能保证已加工面不会发生变形。根据这个思路设计此工装，如图5所示。

该工装由两部分组成，一个体，一个盖。体的左端用自定心卡盘夹持，体的右端是凸轮轴止推轴承垫内嵌到台阶处，再用盖旋紧，这样工件的两侧大平面可以被工装牢牢地压紧，保证在车削过程中不会发生任何变形，也不会损伤已加工的面。

本工序操作要点：在每一个装夹工件之前，都必须将体和盖内部台阶面清理干净，以免铜切屑压伤工件表面，导致压紧后工件变形。