磨削工藝方案對曲軸加工精度及節(jié)拍的影響

劉 霽，朱曉民

（1. 華南理工大學(xué) 機(jī)械與汽車工程學(xué)院，廣州 510000；2. 北京機(jī)械工業(yè)自動化研究所，北京 100120）

0 引言

汽車發(fā)動機(jī)曲軸是汽車發(fā)動機(jī)中精度要求最高和最難以加工的零件之一，曲軸的主軸頸和連桿軸頸同軸度、圓柱度、垂直度等項形位公差以及粗糙度要求都極其嚴(yán)格；另外，在保證精度的基礎(chǔ)上，加工節(jié)拍也必須滿足生產(chǎn)工藝設(shè)計要求。某乘用車1.8升汽油發(fā)動機(jī)曲軸在經(jīng)過粗加工、熱處理及半精加工磨削后，主軸頸和連桿頸要在一臺CNC隨動雙CBN砂輪磨床上進(jìn)行精加工，具體加工部位如圖1所示。采用不同的磨削加工工藝方案，磨削加工節(jié)拍和加工精度就會發(fā)生相應(yīng)變化。試生產(chǎn)初期，在滿足220秒節(jié)拍的條件下，圓度、圓柱度、垂直度以及粗糙度均達(dá)到了圖紙規(guī)定的精度要求，然而，5個主軸頸的同軸度卻難以達(dá)到圖紙規(guī)定的公差16微米（μm）要求。為解決這個問題，設(shè)計了五種工藝方案進(jìn)行試驗，每種工藝方案加工一組30件曲軸，對每種工藝方案的實際加工效果進(jìn)行對比并對每種工藝方案對主軸頸同軸度的影響進(jìn)行分析，從中選取出了最佳的工藝方案。

圖1 磨削示意圖

圖中符號說明：

1）第1、2、3、4、5主軸頸分別用1J、2J、3J、4J、5J表示；

2）第1、2、3、4連桿軸頸分別用1P、2P、3P、4P表示。

1 方案一

1）磨削順序: 首先同時磨削1P和3P，然后同時磨削2P和4P，下一步同時磨削1J和4J，接下來同時磨削2J和5J，最后磨削3J；

2）中間支撐: 在3J位置設(shè)置兩軸半閉環(huán)控制的NC中心架；

3）主軸頸同軸度測量值（以1J、5J為測量基準(zhǔn)）：最大值34μm,平均值13.9μm，具體數(shù)據(jù)如圖2所示；

4）結(jié)論：主軸頸同軸度不合格，節(jié)拍合格。

圖2 按磨削工藝方案一加工出的工件同軸度情況

2 方案二

1）磨削順序: CBN砂輪單獨(dú)依次磨削1P、2P、3P、4P、3J、2J、4J 、1J、5J；

2）中間支撐方式: 在3J位置設(shè)置兩軸半閉環(huán)控制的NC中心架；

3）主軸頸同軸度測量值（以1J、5J為測量基準(zhǔn)）：最大值8.1μm, 平均值3.3μm，具體數(shù)據(jù)如圖3所示；

4）結(jié)論：主軸頸同軸度合格，節(jié)拍不合格。

圖3 按磨削工藝方案二加工出的工件同軸度情況

3 方案三

1）磨削順序: 首先磨削3J，然后同時磨削1P和3P，下一步同時磨削2P和4P，接下來同時磨削1J和4J，最后同時磨削2J和5J；

2）中間支撐方式: 在3J位置設(shè)置三軸自定心自動伸縮液壓中心架；

3）主軸頸同軸度：最大值26.7μm, 平均值12.3μm，主軸頸同軸度具體數(shù)據(jù)如圖4所示；

4）結(jié)論：主軸頸同軸度不合格，節(jié)拍合格。

圖4 按磨削工藝方案三加工出的工件同軸度情況

4 方案四

1）磨削順序: 首先同時磨削1P和3P，然后同時磨削2P和4P，下一步同時磨削1J和4J，接下來同時磨削2J和5J，最后磨削3J；

2）中間支撐方式: 在3J位置設(shè)置三軸自定心自動伸縮液壓中心架；

3）主軸頸同軸度：最大值17.3μm, 平均值10.6μm，具體數(shù)據(jù)如圖5所示；

4）結(jié)論：主軸頸同軸度不合格，節(jié)拍合格。

圖5 按磨削工藝方案四加工出的工件同軸度情況

5 方案五

1）磨削順序: 首先磨削3J，然后同時磨削1P和3P，接下來同時磨削2P和4P，下一步同時磨削1J和4J，再下一步同時磨削2J和5J，最后再次磨削3J；

2）中間支撐方式：在3J位置設(shè)置三軸自定心自動伸縮液壓中心架；

3）主軸頸同軸度：最大15.8μm，平均至10.7μm，具體數(shù)據(jù)如圖6所示；

4）結(jié)論：主軸頸同軸度合格，節(jié)拍合格。

圖6 按磨削工藝方案五加工出的工件同軸度情況

6 結(jié)論

上述五種磨削工藝方案中，主要區(qū)別點是磨削順序和中間支撐方式的不同。由于主軸頸同軸度的測量基準(zhǔn)是1J和5J，中間支撐點在3J上，因而3J磨削順序直接影響到曲軸最終的同軸度。中間支撐方式不同主要影響到磨削過程中曲軸的剛性，對于單個CBN砂輪磨削時影響較小，而對兩個CBN砂輪同時磨削時影響較大，主要原因是兩種磨削力差別將近一倍，并且磨削連桿軸頸時磨削力的方向在時時變化。比較五種方案得出在3J位置設(shè)置三軸自定心自動伸縮液壓中心架比兩軸半閉環(huán)控制的NC中心架對機(jī)床工件系統(tǒng)的支撐剛性要好。由于曲軸結(jié)構(gòu)的差異，圖1中曲軸左側(cè)比右側(cè)軸徑細(xì)，左側(cè)剛性比右側(cè)低，所以2J的同軸度誤差數(shù)值在五種方案中普遍較大。

圖7 各磨削工藝方案主軸頸同軸度數(shù)值對比

綜上所述，比較以上五種磨削工藝方案，主軸頸同軸度平均及最大數(shù)值對比如圖7所示。從中可見，精度最好的磨削工藝方案是方案二，該方案采用了CBN砂輪單獨(dú)逐一磨削連桿軸頸和主軸頸的方式，但加工節(jié)拍最長，效率最低，加工時間達(dá)到了280秒，超出了220秒的工藝規(guī)劃要求節(jié)拍。除此以外，主軸頸同軸度精度較好的磨削工藝方案是方案五，該方案采用了首先磨削第3主軸頸，然后用兩個CBN砂輪同時磨削連桿軸頸與主軸頸，最后再次磨削第3主軸頸的方式，同軸度精度15.8μm，達(dá)到了圖紙規(guī)定的公差要求，節(jié)拍則比方案二縮短近30%，且在生產(chǎn)線工藝規(guī)定的節(jié)拍220秒范圍內(nèi)。而方案一、方案三及方案四的加工節(jié)拍雖然較短，但加工后的主軸頸同軸度精度較差，超出了圖紙規(guī)定的公差要求。經(jīng)過綜合比較，最終選擇了磨削工藝方案五作為批量生產(chǎn)的方式。