作者：招瑞丰

单位：通用技术集团大连机床有限责任公司

来源：《金属加工（冷加工）》年第10期

20世纪60年代初，国外出现了曲轴铣削加工工艺及相应的曲轴铣削机床，我国从20世纪80年代开始引进数控曲轴铣床，如洛拖、潍柴、北内等，之后曲轴主轴颈和连杆颈的粗加工一直采用CNC车削、CNC内铣和CNC车拉（含车-车拉）3种工艺。近年来，随着机床和刀具新技术的发展，出现了曲轴高速外铣和曲轴车梳工艺，逐渐在市场上站稳脚跟并成为曲轴主轴颈和连杆颈粗加工主流发展方向。

曲轴高速外铣和曲轴内铣两种工艺均为曲轴高效率粗加工方法，目前在曲轴主流加工厂均有选用。

1.整体机床结构比较

现在较为流行的内外铣机床均为双刀盘、双主轴和单自动中心架结构。

内铣机床的结构有曲轴固定和可旋转2种，圆环形的刀盘套住卡盘和曲轴，上下料时，刀盘退到卡盘卡爪后面，否则无法上下料。对于曲轴固定式的内铣床，通过刀盘在两个方向上的插补运动进行切削加工，主轴刚性支撑，进给机构需要实现2个方向的运动，较为复杂。对于曲轴旋转式内铣机床，刀盘1个方向的进给运动即可完成插补切削。现阶段，曲轴旋转式内铣机床是主流，本文主要与这种形式的内铣进行比较。

内铣中心架必须处于2个刀盘之间，曲轴的角向定位装置集成在卡盘上。曲轴下方到中心架导轨之间的空间无法做其他配置，刀盘常用切削直径为mm。

高速外铣机床曲轴是旋转的，圆盘形的刀盘在主轴箱和曲轴的一侧，上下料时，刀盘需要退到卡爪后方，否则无法上下料。通过曲轴旋转和刀盘插补运动进行切削加工。中心架可处于任意位置，与刀盘的位置没有空间上的限制，可以更灵活地支撑曲轴。曲轴下方到中心架导轨之间的空间可以灵活地配置，不受刀盘位置的影响。刀盘常用切削直径为mm和mm。

2.加工精度及稳定性

（1）刀具的对比。高速外铣刀盘结构基本上都采用刀体+刀夹/刀块的分体装配式设计，内铣刀盘基本上都采用刀体+刀夹/刀块或环状刀体的分体装配式设计。相同厚度的刀盘，外铣刀盘直径大，质量重，有数据显示，相同厚度外铣刀盘的质量约为内铣刀盘的10多倍，外铣刀盘转动惯量大，因此对刀片的抗振性有较大的改善，有益于提高刀片的使用寿命。

在厚度均为21mm的圆环刀具和圆盘刀具安装刀片的部位，施加同样的N侧面压力后，产生的位移：外铣圆盘刀具0.mm，内铣圆环刀具0.mm。对于同样的侧向压力，内铣刀盘的刚度要好。

在同样厚度和直径的刀盘上施加径向压力后，内铣机床的金属材料较多，同样厚度的情况下，内铣机床刀盘刚度更大。

综上可知，不考虑其他因素，内铣刀盘的整体刚性要优于外铣刀盘。

（2）切削铣头主轴对比。高速外铣、内铣洗头如图4、图5所示，由图4可知，内铣机床的主轴轴承较大，若只考虑轴承，因为轴承的直径很大，其轴向和径向的刚性都较大，但是外铣机床主轴可以布置得较长，支撑跨距较大。内铣机床轴承直径较大，但是受结构限制，支撑跨距与外铣相比要小，支撑刀盘的支架结构为窗口的形式，宽度较窄，不利于克服力矩负荷，横向刚度比外铣小。

不考虑其他因素，外铣的驱动铣头主轴旋转齿轮产生的间隙对刀具影响更大，比如同样的齿侧间隙0.01mm，理论上外铣机床切削刃上的间隙会放大到约0.02mm，内铣机床上切削刃上的间隙会缩小到0.mm。为改变这个不利因素，外铣机床可以在减速结构的轴末端增加飞轮装置，增加整个系统的转动惯量，克服整个减速系统里的间隙造成的不利影响，并且曲轴铣削加工时，刀盘的旋转方向始终不变，中间环节的间隙不会对曲轴加工造成影响。

内铣铣头主轴高速旋转时，轴承规格大，轴承寿命低。比如外铣最高切削速度为m/min，刀盘转速为r/min，铣头主轴轴承的Dｎ值约为。内铣最高切削速度为m/min，刀盘转速为r/min，铣头主轴轴承的Dｎ值约为。比较可知，内铣铣头主轴的Dｎ值为外铣的2.5倍多，更容易磨损，并且内铣机床轴承规格较大，更换费用及操作难度均较高。

（3）曲轴装夹刚度对比。曲轴加工过程中，机床、工件和刀具整个系统中最薄弱的环节是曲轴本身的刚性太差，因此，保证曲轴装夹系统的刚度至关重要。

对于曲轴旋转形式，内铣和外铣一样，主轴有轴承和蜗轮蜗杆减速结构，在这方面，二者没有明显差别。内铣机床受刀盘结构限制，当机床上下料时，环形刀盘及其支撑结构需要套在卡盘外，如果卡盘长度不够，主轴箱需要增加一部分悬伸，卡盘的悬伸比外铣机床更长，对夹持刚性不利。

内铣机床中心架常采用2个90°的V形爪直接夹紧支撑，外铣机床常采用三爪自定心中心架直接夹紧支撑，夹持刚度上，两者没有明显差别。外铣的中心架位置更为灵活，不受刀盘位置的限制，可以支撑在最需要的位置上，而且如果需要还可以配置多个中心架，从而能够有效地增加曲轴本身的刚度，辅助支撑效果要明显优于内铣。

（4）刀具排屑冷却情况。内铣刀具排屑困难，切屑阻滞易造成高切削力，影响加工精度。排屑不畅还会将更多的切削热传递到工件上，造成工件变形，加工尺寸不稳定。内铣刀具切削刃所在直径较小，脱离切削区后，刀片的散热路径和时间较短，刀片温度偏高，导致切削热不断传递到工件、刀盘和主轴上，不利于保持工件尺寸的稳定。

外铣排屑容易，切屑在切向力作用下，携带大量的切削热迅速脱离刀盘并顺着防护滑到排屑器中，热量导入工件少，对工件的变形影响小。外铣刀具切削刃所在直径较大，脱离切削区后，刀片的散热路径和时间较长，刀片温度比较低，刀具耐用。低传热量有利于保持刀盘尺寸稳定及保持工件尺寸稳定。在排屑及刀片冷却方面，外铣明显优于内铣。

（5）切削受力情况。图６为分析内外铣加工时接触长度的示意图。

外铣切削接触长度＝（3.14×mm×22°）/°=.4mm；内铣切削接触长度＝（3.14×mm×58°）/°＝.8mm。外铣比内铣的最大接触长度小，外铣对曲轴造成的切削应力更小，有利于保证曲轴的加工精度。

外铣刀片采用正前角切削，切削功率小，切削力小，通过最高可达m/min的切削速度，较大进给，较小背吃刀量，实现了减小切削应力的目的，保证曲轴加工精度更高。

通过以上对比可知，外铣机床铣头刚性好，装夹刚度更高，冷却排屑性能更佳，同时切削受力更小。虽然内铣刀具刚性更好，但是整个系统中，曲轴是最薄弱的环节，而外铣恰恰保证了对最薄弱的曲轴的可靠支撑，综合对比，外铣机床加工曲轴加工精度更高，稳定性也更好，实践检验确实如此，如表1所示。

3.生产效率

内铣刀片切削速度低，通常不超过m/min，有效齿数少，所以切除同样的切屑，时间较长，切削效率低。同时内铣刀盘切削直径小，刀片数量少，刀片散热条件差，因此刀盘更换频率高，同时内铣机床刀盘不能使用拉刀机构，刀盘更换必须手动操作，需要更多的辅助时间，致使非切削时间更长。内铣机床不易对刀、不能和其他类型机床共用对刀仪，降低了操作效率。

外铣切削速度较高，可达～m/min，非切削时间少，工序循环时间短，切削力更小，工件温升偏低，刀盘直径大，拥有尽可能多的刀片，有效齿数更多，刀具寿命高，换刀次数少，精度更高。刀具更换快速、简便，可以使用拉刀机构快速换刀，外铣刀盘可以和其他类型的机床共使用对刀仪，实现快速对刀，更换刀片，提高加工效率。

通过比较可知，内铣机床的工序循环时间较长，通常内铣比相同档次规格的外铣要长30%～50%，生产效率低。

4.加工范围及柔性

内铣和外铣都可以加工主轴颈和连杆颈，都是只能加工不带轴向沉割槽的轴颈。

内铣更适合加工较大的曲轴，主要是卡车用曲轴和余量较多的曲轴，而外铣机床更适合加工小型乘用车发动机曲轴。

内铣机床因结构限制，主轴箱和副主轴箱之间只能安装中心架，而且中心架的位置还受刀盘位置的制约，其他的机构无法安装，尤其是不能安装夹具，夹具只能集成在卡盘上，致使卡盘体积庞大、机构复杂、价格昂贵，柔性还很差。内铣刀盘不能通过中心架，所以1个刀盘不能将所有的轴颈切削，如果必须让1个刀盘加工所有的轴颈，那么中心架和另一个刀盘必须全部退到卡爪后面，造成卡盘悬伸非常大，系统刚性差。多方面的因素致使内铣柔性较差。

外铣机床主轴箱和副主轴箱之间可以安装中心架、托料架、角向定位装置及占位检测装置等，并且中心架的位置更灵活，支撑效果更好。这部分空间不受刀盘移动的制约，可以自由配置，任意1个刀盘可以加工所有的轴颈，左右刀盘可以分别进行粗加工和精加工，不影响其他机构的布置。当更换曲轴品种时，只需要调整刀盘、卡盘卡爪和托料架V形块等，即可实现生产。外铣机床的柔性好，受到曲轴加工专业厂家的青睐。随着国内曲轴毛坯制造水平的提高，曲轴的加工余量不断减小，外铣也更具有优势。

5.内铣机床与外铣机床成本对比

同样档次和加工能力的内外铣机床，内铣机床的投资较高。在加工效率方面，因为内铣机床的工序循环时间较长，对于节拍要求较高的全自动生产线，意味着可能需要的机床台数增加，不但需要的投资成本更高，而且还需要占用更多的车间面积。

虽然单件刀片的成本，内铣要低于外铣，但内铣机床切削的状态明显比外铣恶劣，而且内铣为了提高切削效率，需要加大切削量，切削力及切削热也更大，对曲轴造成的切削应力也更大，因此刀片的寿命比外铣低，加工相同数量的曲轴，内铣的成本会更高。

外铣机床的刀盘刀片数量为内铣的4倍，外铣机床的刀具交换间隔比内铣机床的刀具交换间隔长很多，内铣需要的辅助时间更多，因此时间成本更高。

内铣机床与外铣机床相比，不论是初始投资，还是使用成本均比外铣成本高。

6.结语

由比较可知，曲轴高速外铣机床在很多方面要优于内铣机床，尤其在效率和柔性方面。在实际选择机床时，对于毛坯余量较大，并且要求效率不是很高的情况，比如卡车曲轴，可以选择刀盘刚度更高的内铣机床。对于机床效率、柔性要求较高的情况，比如轿车曲轴生产线上，选择曲轴高速外铣机床最为合理。

“刀具”约稿函

年金属加工（冷加工）杂志“刀具”栏目约稿如下：

（1）刀具的先进技术及发展趋势。（2）刀具的先进设计理念与制造经验。（3）刀具的选型和应用。（4）在实际加工过程中使用刀具的心得。（5）刀具使用的具体案例分析或解决方案的改进等。

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