發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸軸頸中鼓度磨削的研究

李小新，李新文

（1.襄樊福達(dá)東康曲軸有限公司，襄陽441004 2.中國人民解放軍駐東風(fēng)公司軍代室，十堰442000）

在內(nèi)燃機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)過程中，曲軸軸頸與軸瓦之間的配合間隙影響潤滑油膜的形成，而通過曲軸軸頸中鼓度可降低曲軸軸瓦兩側(cè)的邊載負(fù)荷，有利于軸瓦兩側(cè)潤滑油膜厚度的形成及保持，避免內(nèi)燃機(jī)滑動(dòng)軸承過早的側(cè)邊磨損失效，提升發(fā)動(dòng)機(jī)可靠性。曲軸軸頸中鼓度即軸頸中間截面直徑分別減去軸頸兩側(cè)截面直徑，所得差值求和后再平均，一般大馬力柴油發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸軸頸中鼓度要求為1～5μm。

1 曲軸軸頸中鼓度磨削的主要方法

根據(jù)機(jī)床結(jié)構(gòu)、磨削技術(shù)和數(shù)控技術(shù)的差異，現(xiàn)階段曲軸軸頸中鼓度磨削主要有成型切入式磨削法和成型切點(diǎn)跟蹤式磨削法。

1.1 成型切入式磨削法

傳統(tǒng)曲軸磨削方法由兩道工序完成，在曲軸主軸頸磨床上，以曲軸中心孔定位，以主軸頸中心連線為回轉(zhuǎn)中心加工主軸頸；在曲軸連桿頸磨床上，以調(diào)偏心法磨削連桿頸，即以主軸頸定位，以被加工連桿頸的軸心線為回轉(zhuǎn)中心加工連桿頸。機(jī)床裝配砂輪磨料為棕剛玉、白剛玉或棕白玉混等普通砂輪，成型切入式磨削工藝為滿足軸頸中鼓度要求，砂輪寬度與被磨削軸頸最終檔寬一致，機(jī)床修整器通過走仿形或數(shù)控軌跡在成型砂輪外徑上修整出一定的中凹量，砂輪寬度與所磨削軸頸最終檔寬一致，采用切入式磨削。由于曲軸連桿頸磨床要用到偏心裝夾、曲拐分度，需增加加工工藝面或工藝孔等輔助工序作為曲拐分度的基準(zhǔn)。該磨削工藝所用機(jī)床工裝結(jié)構(gòu)復(fù)雜、加工效率低、加工機(jī)床或工序多、換型調(diào)整時(shí)間長，已有被逐步淘汰的趨勢。

1.2 成型切點(diǎn)跟蹤式磨削法

隨著磨削技術(shù)和數(shù)控技術(shù)的發(fā)展而出現(xiàn)的一種新型工序集中式的曲軸類零件的磨削加工方法，切點(diǎn)跟蹤磨削也稱曲軸連續(xù)軌跡數(shù)控磨削，其磨削主軸頸的方式同普通外圓磨削，磨削連桿頸的實(shí)現(xiàn)方式是采用計(jì)算機(jī)數(shù)控（CNC）技術(shù)，根據(jù)建立的連桿軸頸磨削運(yùn)動(dòng)的數(shù)學(xué)模型，控制砂輪的橫向進(jìn)給（X軸）和工件回轉(zhuǎn)（C軸），見圖1。切點(diǎn)跟蹤磨削工藝要求砂輪始終能與工件連桿切點(diǎn)接觸，保持磨粒形狀，普通磨料砂輪很難在跟蹤運(yùn)動(dòng)和承受擠壓的情況下保持磨料顆粒完整且砂輪不破碎。最新型的CBN磨料砂輪能很好的滿足這個(gè)要求，保證連桿頸的磨削尺寸精度和表面質(zhì)量。成型切點(diǎn)跟蹤式磨削法為滿足軸頸中鼓度要求，CBN砂輪寬度與被磨削軸頸最終檔寬一致，類似普通砂輪修整方式，在成型CBN砂輪外徑上修整出一定中凹量，采用切入式磨削。CBN砂輪保持磨料顆粒形狀能力很高，可以很好的保持軸頸中鼓度要求，但是CBN砂輪采購成本很高，在實(shí)際使用過程中因?yàn)楣に嚨牟蛔悖鏑BN砂輪在進(jìn)刀時(shí)會造成側(cè)面和圓角受力過大，一方面曲軸容易產(chǎn)生磨削裂紋，另一方面曲軸端面和圓角區(qū)域容易起臺，此時(shí)只能通過砂輪修整解決問題，CBN砂輪的修整次數(shù)增多，造成CBN砂輪正常使用壽命的降低，降低了CBN砂輪的性價(jià)比，影響成型切點(diǎn)跟蹤式磨削法的使用和推廣。

2 矢量切點(diǎn)跟蹤式磨削法

由于成型切入式磨削法所用機(jī)床工裝結(jié)構(gòu)復(fù)雜、加工效率低；而成型切點(diǎn)跟蹤式磨削法所用成型CBN砂輪使用成本高；在切點(diǎn)跟蹤式磨削法的基礎(chǔ)上，國外提出了一種新的曲軸軸頸磨削法，即矢量切點(diǎn)跟蹤式磨削法，而運(yùn)用該磨削方法磨削軸頸中鼓度在國內(nèi)曲軸制造廠家還沒有案例。

矢量切點(diǎn)跟蹤式磨削法與成型切點(diǎn)跟蹤式磨削法的數(shù)學(xué)模型相似，主要差別表現(xiàn)為砂輪在做X軸的跟蹤進(jìn)給，同時(shí)還在進(jìn)行Z軸方向的進(jìn)給（如圖2）。CBN砂輪寬度小于被磨削軸頸最終擋寬，CBN砂輪可設(shè)計(jì)成同時(shí)適用主軸頸和連桿頸磨削，曲軸一次裝夾完成主軸頸和連桿頸的磨削加工，實(shí)現(xiàn)CBN砂輪的通用性，提高磨削效率和磨削質(zhì)量。CBN砂輪采用矢量進(jìn)給方式，避免直接切入進(jìn)給時(shí)側(cè)面和圓角受力擠壓，降低CBN砂輪使用成本。

2.1 磨削原理

矢量切點(diǎn)跟蹤式磨削法，CBN砂輪磨削軸頸采用矢量進(jìn)給方式，解決砂輪寬度與被磨削軸頸最終擋寬不一致問題。通過CBN砂輪磨削軸頸左側(cè)和右側(cè)時(shí)，砂輪線速度調(diào)整，實(shí)現(xiàn)中鼓度磨削。其中鼓度磨削原理主要基于砂輪高速旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生離心力，離心力作用在砂輪基體上產(chǎn)生微量形變，通過砂輪基體微量形變反應(yīng)在砂輪外徑上實(shí)現(xiàn)中鼓度磨削。為實(shí)現(xiàn)砂輪基體形變，將砂輪基體結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn) （見圖3），當(dāng)CBN砂輪高速旋轉(zhuǎn)線速度達(dá)到60 m/s以上，砂輪基體受離心力產(chǎn)生微量形變，以CBN砂輪修整時(shí)線速度為基準(zhǔn)，提高砂輪線速度，砂輪基體產(chǎn)生向外的線性趨勢微量形變；降低砂輪線速度，砂輪基體產(chǎn)生向內(nèi)的線性趨勢微量形變（見圖4）。

以砂輪型號為M100311的陶瓷CBN砂輪為例（見圖5），其基體材料為調(diào)質(zhì)處理的40Cr，運(yùn)用有限元分析和Pro/E等理論工具，對基體進(jìn)行應(yīng)力和形變分布情況的模擬仿真計(jì)算，得出砂輪基體在不同的線速度下兩側(cè)外圓的最大形變量（見表1）。

2.2 磨削控制

以LT2雙砂輪架CNC磨床為例，兩片陶瓷CBN砂輪對稱排列（見圖6），通過砂輪基體微量形變實(shí)現(xiàn)曲軸軸頸中鼓度的磨削。

磨削軸頸中鼓度在精磨階段通過線速度調(diào)整完成，分三個(gè)步驟。以右側(cè)CBN砂輪磨削為例：1）以基準(zhǔn)線速度矢量進(jìn)給磨削曲軸軸頸左側(cè)，進(jìn)給到尺寸后砂輪退回；2）以基準(zhǔn)線速度矢量進(jìn)給磨削曲軸軸頸右側(cè)，進(jìn)給到尺寸后砂輪暫不退回；3）接第二步驟，砂輪線速度在基準(zhǔn)線速度的基礎(chǔ)上降低并迅速完成從右側(cè)到左側(cè)的橫掃（見圖7）。左側(cè)CBN砂輪磨削與右側(cè)類似，需要注意砂輪從右到左橫掃時(shí)，砂輪線速度在基準(zhǔn)線速度的基礎(chǔ)上升高。

表1 M100311型CBN砂輪左、右側(cè)外圓在不同線速度下的最大形變量

依照上述磨削控制步驟，磨削后可以得到平直的“∧”中鼓度圖形，通過優(yōu)化CBN砂輪磨削第三步橫掃軌跡，將上述中鼓度形狀修形為過渡圓滑的“⌒”中鼓度圖形（見圖 8）。

2.3 磨削驗(yàn)證

以某商用車的發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸為例，磨削工裝樣件30件，通過ADCOLE曲軸凸輪軸測量機(jī)檢測，檢測報(bào)告直線度圖形符合曲軸圖紙中鼓度要求 （見圖9），中鼓度數(shù)據(jù)報(bào)告在2.5μm左右，符合要求。根據(jù)M100311型陶瓷CBN砂輪及LT2機(jī)床特性，當(dāng)砂輪線速度在±10 m/s范圍內(nèi)調(diào)整時(shí)，可滿足0～3μm的中鼓度磨削要求。

3 結(jié)束語

矢量切點(diǎn)跟蹤式磨削法，不依靠修整砂輪形狀磨削出中鼓度，創(chuàng)新出一種通過CBN砂輪基體結(jié)構(gòu)修改，調(diào)整砂輪線速度，使用砂輪在不同線速度下的微量形變完成曲軸軸頸中鼓度磨削，將該理論應(yīng)用于實(shí)際磨削，最終試磨獲得成功。

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