磨削工藝方案對曲軸加工精度及節拍的影響

劉 霽，朱曉民

（1. 華南理工大學 機械與汽車工程學院，廣州 510000；2. 北京機械工業自動化研究所，北京 100120）

0 引言

汽車發動機曲軸是汽車發動機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格；另外，在保證精度的基礎上，加工節拍也必須滿足生產工藝設計要求。某乘用車1.8升汽油發動機曲軸在經過粗加工、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，磨削加工節拍和加工精度就會發生相應變化。試生產初期，在滿足220秒節拍的條件下，圓度、圓柱度、垂直度以及粗糙度均達到了圖紙規定的精度要求，然而，5個主軸頸的同軸度卻難以達到圖紙規定的公差16微米（μm）要求。為解決這個問題，設計了五種工藝方案進行試驗，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行對比并對每種工藝方案對主軸頸同軸度的影響進行分析，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位置設置兩軸半閉環控制的NC中心架；

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

4）結論：主軸頸同軸度不合格，節拍合格。

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位置設置兩軸半閉環控制的NC中心架；

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

4）結論：主軸頸同軸度合格，節拍不合格。

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據如圖4所示；

4）結論：主軸頸同軸度不合格，節拍合格。

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，具體數據如圖5所示；

4）結論：主軸頸同軸度不合格，節拍合格。

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，具體數據如圖6所示；

4）結論：主軸頸同軸度合格，節拍合格。

圖6 按磨削工藝方案五加工出的工件同軸度情況

6 結論

上述五種磨削工藝方案中，主要區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位置設置三軸自定心自動伸縮液壓中心架比兩軸半閉環控制的NC中心架對機床工件系統的支撐剛性要好。由于曲軸結構的差異，圖1中曲軸左側比右側軸徑細，左側剛性比右側低，所以2J的同軸度誤差數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砂輪單獨逐一磨削連桿軸頸和主軸頸的方式，但加工節拍最長，效率最低，加工時間達到了280秒，超出了220秒的工藝規劃要求節拍。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，達到了圖紙規定的公差要求，節拍則比方案二縮短近30%，且在生產線工藝規定的節拍220秒范圍內。而方案一、方案三及方案四的加工節拍雖然較短，但加工后的主軸頸同軸度精度較差，超出了圖紙規定的公差要求。經過綜合比較，最終選擇了磨削工藝方案五作為批量生產的方式。