對(duì)曲軸在精磨主軸連桿工序加工過(guò)程中產(chǎn)生的徑向圓跳動(dòng)及圓度誤差進(jìn)行原因分析，采用專用曲軸磨床，優(yōu)化加工程序，改變磨削順序，解決加工過(guò)程中的徑向圓跳動(dòng)及圓度問(wèn)題，使加工質(zhì)量符合成品圖樣要求。
1 序言
通常大多數(shù)有內(nèi)花鍵的零件，其花鍵都設(shè)計(jì)成全齒的形式，在使用拉削方式加工內(nèi)花鍵時(shí)，拉刀不需要進(jìn)行周向定位。但有時(shí)在設(shè)計(jì)一些零件時(shí)，為了實(shí)現(xiàn)一些特定的功能，就會(huì)將內(nèi)花鍵設(shè)計(jì)成帶有缺齒的形式，并且缺齒相對(duì)零件外輪廓有位置度要求。
曲軸在內(nèi)燃發(fā)動(dòng)機(jī)中的主要作用是傳遞運(yùn)動(dòng)和轉(zhuǎn)矩。它將活塞的直線運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)化為回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。由于曲軸在工作過(guò)程中同時(shí)受彎曲、扭轉(zhuǎn)、剪切及拉壓等交變應(yīng)力，工況十分復(fù)雜，這就要求其具有足夠的強(qiáng)度以及較高的韌性，因此對(duì)曲軸加工工藝進(jìn)行合理、有效的安排，提高其加工精度，延長(zhǎng)其工作壽命顯得十分重要。
隨著我國(guó)機(jī)械工業(yè)的飛速發(fā)展，曲軸加工趨近于專業(yè)化、流水線化及精細(xì)化。由于曲軸80%以上的關(guān)鍵尺寸均為磨削加工，因此數(shù)控磨床的發(fā)展以及隨動(dòng)磨削技術(shù)的引進(jìn)大大提升了其加工效率。以蘭迪斯（Landis）磨床和勇克（Junker）磨床兩家公司為代表制造的專用曲軸磨床，加工工藝為精磨主軸連桿，集合了安全、優(yōu)質(zhì)、高效和低成本等特點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于曲軸加工中。
柴油發(fā)動(dòng)機(jī)六缸曲軸主軸連桿軸頸共計(jì)13個(gè)，其中主軸頸7個(gè)（用M1～M7表示），連桿頸6個(gè)（用P1～P6表示）。曲軸主軸和連桿分布及加工精度要求如圖1所示。軸頸外圓公差精度要求現(xiàn)已達(dá)到h6級(jí)，圓度要求為0.005mm。主軸徑向圓跳動(dòng)以M1和M7為測(cè)量基準(zhǔn)，要求M2和M6徑向圓跳動(dòng)0.08mm，M3和M5徑向圓跳動(dòng)0.12mm，M4徑向圓跳動(dòng)0.16mm。在加工過(guò)程中要同時(shí)保證13個(gè)軸頸精度要求，難度很大。
圖1 曲軸主軸和連桿分布及加工精度要求
以加工某六缸曲軸為例，使用Landis專用曲軸磨床LT2H加工，兩片CBN砂輪同時(shí)磨削，兩個(gè)中心架支撐M3和M5兩個(gè)軸頸，尺寸控制使用MARPOSS隨動(dòng)量?jī)x。加工完成后，軸頸尺寸合格，表面粗糙度合格，軸頸圓度為0.004～0.007mm，軸頸M4徑向圓跳動(dòng)最大為0.15～0.18mm，圓度和徑向圓跳動(dòng)均超過(guò)圖樣要求較多。
2 原磨削工藝徑向圓跳動(dòng)和圓度
外圓磨削加工過(guò)程中，軸頸產(chǎn)生徑向圓跳動(dòng)，說(shuō)明曲軸在磨削時(shí)發(fā)生變形；磨削后曲軸變形恢復(fù)，導(dǎo)致磨削的外圓產(chǎn)生偏心。軸頸徑向圓跳動(dòng)大，曲軸在高速回轉(zhuǎn)過(guò)程中，在外圓徑向圓跳動(dòng)的高點(diǎn)和低點(diǎn)會(huì)產(chǎn)生沖擊，長(zhǎng)期受沖擊會(huì)降低曲軸疲勞壽命，嚴(yán)重時(shí)可能會(huì)導(dǎo)致曲軸疲勞斷裂。原磨削工藝曲軸主軸頸徑向圓跳動(dòng)與圖樣要求的對(duì)比見(jiàn)表1。
表1 原磨削工藝曲軸主軸頸徑向圓跳動(dòng)與圖樣要求的對(duì)比
（單位：mm）
加工時(shí)使用ADCOLE測(cè)量?jī)x測(cè)量13個(gè)軸頸的圓度，100%存在3～5個(gè)軸頸超差0.001～0.002mm，不符合圖樣要求。主軸頸圓度無(wú)法補(bǔ)償，連桿頸圓度可以通過(guò)ADCOLE測(cè)量?jī)x測(cè)出來(lái)數(shù)據(jù)進(jìn)行補(bǔ)償。加工過(guò)程中，中心架支撐M3和M5主軸頸，保證M3和M5的圓度，可以降低對(duì)連桿圓度的影響。軸頸產(chǎn)生圓度，說(shuō)明磨削過(guò)程中砂輪和曲軸表面在某些時(shí)刻未完全按照預(yù)定軌跡運(yùn)動(dòng)，磨削后的表面經(jīng)微觀放大后呈橢圓形或不規(guī)則形狀。圓度超差的曲軸在高速回轉(zhuǎn)時(shí)，不規(guī)則的表面會(huì)加劇軸頸和軸瓦之間相互摩擦，造成曲軸磨損速度加快，導(dǎo)致曲軸提前失效。原磨削工藝ADCOLE測(cè)量結(jié)果如圖所示。
a）軸a的ADCOLE測(cè)量圖
b）軸b的ADCOLE測(cè)量圖
圖2 原磨削工藝ADCOLE測(cè)量結(jié)果
3 磨削過(guò)程中影響徑向圓跳動(dòng)和圓度的因素
磨削過(guò)程中影響徑向圓跳動(dòng)和圓度的因素如下。
1）工件自身徑向圓跳動(dòng)超差。前序工件徑向圓跳動(dòng)超差，過(guò)大的不均勻余量影響工件在加工過(guò)程中的中心架支撐，導(dǎo)致工件未磨圓，在磨削后工件徑向圓跳動(dòng)和圓度仍然超差。
2）頂尖徑向圓跳動(dòng)超差。頭架頂尖徑向圓跳動(dòng)超差，加工過(guò)程中曲軸產(chǎn)生徑向圓跳動(dòng)，會(huì)造成曲軸徑向圓跳動(dòng)和圓度均超差，此種現(xiàn)象在靠近頭架一側(cè)表現(xiàn)較為明顯。
3）砂輪端面軸向圓跳動(dòng)超差。CBN砂輪磨削時(shí)轉(zhuǎn)速為2000～2500r/min，線速度為70～120m/s，端面軸向圓跳動(dòng)大，在磨削時(shí)的輕微擺動(dòng)會(huì)導(dǎo)致磨削后工件軸徑徑向圓跳動(dòng)和圓度超差。
4）冷卻不足。機(jī)床采用油冷方式，噴油嘴油路堵塞，磨削油沖刷壓力不足，無(wú)法及時(shí)將磨泥等雜質(zhì)帶走。磨泥會(huì)積壓在砂輪表面導(dǎo)致砂輪不鋒利，砂輪和工件接觸面得不到充分冷卻，影響磨削質(zhì)量。
5）機(jī)床磨削參數(shù)不合適。不合適的磨削參數(shù)會(huì)導(dǎo)致機(jī)床進(jìn)刀出現(xiàn)撞刀，如前期工件相位差距大，工件余量不均勻，快速進(jìn)刀未留足安全距離，可能會(huì)導(dǎo)致快速移動(dòng)過(guò)程中碰到工件。輕微的碰撞會(huì)導(dǎo)致砂輪脫粒，工件輕微移動(dòng)導(dǎo)致磨削出現(xiàn)問(wèn)題。此外，粗加工給精加工留的余量也會(huì)影響磨削質(zhì)量。
6）磨削過(guò)程中應(yīng)力釋放，磨削方式不合理。不合理的磨削方式會(huì)影響磨削應(yīng)力釋放，比如隨動(dòng)磨削連桿時(shí)，曲軸受到較大的磨削力，導(dǎo)致曲軸在加工過(guò)程中產(chǎn)生輕微變形，加工完成后可能出現(xiàn)徑向圓跳動(dòng)和圓度超差。
7）中心架安裝不到位，中心架抬起/推出度超差。中心架的合金塊安裝在卡槽內(nèi)以后，要求合金塊可以在卡槽內(nèi)左右擺動(dòng)，但不可以上下滑動(dòng)。左右擺動(dòng)是為了適應(yīng)曲軸毛坯形狀差異，上下滑動(dòng)會(huì)導(dǎo)致中心架在加工過(guò)程中支撐不穩(wěn)定。中心架對(duì)于曲軸的抬起/推出度影響曲軸在加工過(guò)程中的受力，砂輪磨削力要和中心架支撐力相互抵消，才能使得工件在磨削時(shí)尺寸合格。
4 針對(duì)徑向圓跳動(dòng)和圓度的調(diào)整方案
根據(jù)以上分析，優(yōu)先檢查第1）～第5）項(xiàng)。檢查結(jié)果如下。
1）使用百分表測(cè)量加工前工件自身徑向圓跳動(dòng)0.4mm，滿足工藝要求的＜0.6mm。
2）使用千分表測(cè)量頂尖徑向圓跳動(dòng)0.004mm，不滿足要求的＜0.002mm，調(diào)整為0.001mm后進(jìn)行試加工工件，發(fā)現(xiàn)徑向圓跳動(dòng)和圓度無(wú)明顯改善。
3）使用千分表測(cè)量砂輪端面軸向圓跳動(dòng)0.01mm，滿足要求的＜0.025mm。
4）機(jī)床冷卻壓力正常，將砂輪架上噴油嘴拆下來(lái)重新清理干凈后裝上，試切工件后發(fā)現(xiàn)徑向圓跳動(dòng)和圓度無(wú)改善。
5）核對(duì)機(jī)床參數(shù)，發(fā)現(xiàn)有部分余量不合適，將機(jī)床快速進(jìn)刀終點(diǎn)向后調(diào)整0.1mm，觀察磨削過(guò)程快速進(jìn)刀無(wú)火花產(chǎn)生，保證快速進(jìn)刀砂輪未和工件接觸。
以上5項(xiàng)內(nèi)容檢查后，磨削工件發(fā)現(xiàn)徑向圓跳動(dòng)和圓度無(wú)明顯改善。根據(jù)第6）、第7）項(xiàng)因素進(jìn)行分析，從磨削方式上轉(zhuǎn)變，以及保證在磨削過(guò)程中中心架的有效支撐，來(lái)消除曲軸變形對(duì)徑向圓跳動(dòng)和圓度的影響。
機(jī)床原磨削順序?yàn)椋喊刖3和M5→半精磨所有連桿→半精磨其余主軸→精磨M3和M5→精磨所有連桿→精磨其余主軸。
以上磨削順序在精磨階段，首先將主軸M3和M5精磨完成以后磨連桿，連桿在隨動(dòng)磨削過(guò)程中，會(huì)導(dǎo)致曲軸受力不均而產(chǎn)生微量變形，導(dǎo)致M3和M5受力，產(chǎn)生徑向圓跳動(dòng)和圓度誤差。精磨連桿以后，M3和M5產(chǎn)生變形，中心架支撐M3和M5磨其余主軸，會(huì)造成其余主軸也產(chǎn)生徑向圓跳動(dòng)和圓度誤差。基于以上原因，調(diào)整磨削順序如下：半精磨M3和M5→半精磨所有連桿→半精磨其余主軸→第一次精磨M3和M5（留余量）→精磨所有連桿→第二次精磨M3和M5→精磨其余主軸。
調(diào)整磨削順序以后，曲軸各個(gè)主軸頸徑向圓跳動(dòng)均合格，監(jiān)控磨削4000件并統(tǒng)計(jì)平均徑向圓跳動(dòng)數(shù)據(jù)。調(diào)整磨削順序后徑向圓跳動(dòng)對(duì)比見(jiàn)表2。
表2 調(diào)整磨削順序后徑向圓跳動(dòng)對(duì)比
（單位：mm）
根據(jù)近4000件工件的數(shù)據(jù)分析，發(fā)現(xiàn)徑向圓跳動(dòng)均在圖樣要求范圍內(nèi)，且最大徑向圓跳動(dòng)僅0.07mm，加工過(guò)程穩(wěn)定。
工件徑向圓跳動(dòng)問(wèn)題解決，但測(cè)量圓度依然無(wú)改善。之后檢查中心架的各個(gè)合金塊，將合金塊重新拆卸安裝，對(duì)每個(gè)安裝面進(jìn)行清理，保證安裝后位置正確，并且調(diào)整中心架抬起/推出度。為保證中心架始終和工件表面接觸，使用4組抬起/推出度進(jìn)行調(diào)試，分別為抬起0.005mm/推出0.008mm、抬起0.008mm/推出0.015mm、抬起0.010mm/推出0.020mm以及抬起0.015mm/推出0.025mm，使得中心架支撐曲軸的力逐漸加大。最終對(duì)比ADCOLE測(cè)量數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)抬起0.015mm/推出0.025mm時(shí)，所有主軸頸圓度為0.003mm以下，達(dá)到工藝要求的＜0.005mm。針對(duì)連桿頸進(jìn)行補(bǔ)償后，所有連桿軸頸圓度實(shí)際為0.002～0.0045mm，也滿足圖樣要求。經(jīng)調(diào)整，使用ADCOLE測(cè)量各個(gè)軸頸數(shù)據(jù)。圖3為調(diào)整后ADCOLE測(cè)量圖。
a）軸c調(diào)整后ADCOLE測(cè)量圖
b）軸d調(diào)整后ADCOLE測(cè)量圖
圖3 調(diào)整后ADCOLE測(cè)量圖
圖3與圖2對(duì)比，軸頸圓度得到明顯改善，經(jīng)3個(gè)月機(jī)床產(chǎn)品類型來(lái)回切換4次后跟蹤調(diào)整，軸頸圓度均在圖樣要求范圍內(nèi)，說(shuō)明合適的抬起/推出度對(duì)磨削后軸頸圓度起重要作用。
5 結(jié)束語(yǔ)
Landis專用曲軸磨床在工裝及加工參數(shù)不變的情況下，通過(guò)優(yōu)化加工程序，改變相應(yīng)的磨削順序，可以從根本上避免在磨削過(guò)程中因曲軸的變形而產(chǎn)生的徑向圓跳動(dòng)，從而改善主軸頸徑向圓跳動(dòng)大小。通過(guò)改變中心架的抬起/推出度，使用更合理的抬起/推出度數(shù)值，會(huì)改善軸頸在加工后的圓度。精磨主軸連桿徑向圓跳動(dòng)和圓度的改善可以提高曲軸加工質(zhì)量，高質(zhì)量的曲軸在使用過(guò)程中的壽命也會(huì)得到相應(yīng)的保障。
（轉(zhuǎn)載）
