汽車曲軸隨動磨床液體靜壓電主軸關鍵技術的研究

穆東輝 盧振洋 范晉偉 陳冬菊

(①北京工業大學 北京 100124；②北京聯合大學 北京 100101)

曲軸是汽車發動機的關鍵零件，是決定汽車主要技術性能的關鍵環節。由于自身結構特點和功能要求，曲軸具有非常高的精度指標，特別是精磨時的加工難度大、工藝性差。國內在很長時期都采用傳統的偏心夾具的磨削方法進行曲軸的精加工，但由于存在工件多次定位、精度差、加工效率低等諸多缺點，曲軸的傳統磨削方法已不能適應目前汽車發動機曲軸零件加工的高精度、高效率、低成本、低能耗的需求。因此，近年來在國內新建的曲軸生產線上開始采用隨動磨削工藝，大量進口隨動式曲軸數控磨床。這種設備可在一次裝夾中完成曲軸止推面、主軸頸和連桿頸的磨削加工任務，既減少了工件裝卡時間又提高了產品精度。目前國內在此領域的研究工作還處于樣機試制階段，很多關鍵技術有待突破。

曲軸隨動磨床最核心的部件之一是液體靜壓電主軸，其旋轉精度、剛度、轉速以及運轉的平穩性直接影響曲軸隨動磨床的磨削精度。液體靜壓電主軸是以液體靜壓軸承為支撐，將主軸和電動機的轉子集成在一體，實現了主軸的“零傳動”[1]，相比于傳統皮帶傳動主軸，電主軸省去了復雜的中間傳動環節，具有調速范圍寬、振動噪聲小、效率高、可快速起動等優點。然而，液體靜壓電主軸是否具備高回轉精度、高動態剛度、高阻尼減振性還取決于電主軸結構、液體靜壓軸承的結構、主軸電動機的支撐方式以及支撐液體靜壓主軸的砂輪架結構等多種因素。

高性能液體靜壓電主軸是一項綜合、復雜的技術。由于裝配液體靜壓電主軸 ，可使曲軸隨動磨床具有極高的生產率，而且可顯著地提高曲軸的加工精度和表面質量，因此液體靜壓電主軸的研制是自主研發隨動式曲軸磨床的重要環節，對提高國產曲軸隨動磨床品質和競爭力有著深遠的影響。

1 曲軸隨動磨床液體靜壓電主軸的性能要求

研制和開發曲軸隨動磨床液體靜壓電主軸面臨的第一個問題是如何從曲軸隨動磨床總體性能指標要求中提取和凝練出液體靜壓電主軸性能指標，進而再圍繞液體靜壓電主軸性能指標開展其總體設計、分析、詳細設計和研制的各個階段性任務。

隨著我國汽車工業的快速發展，曲軸生產廠家為了提高曲軸的加工效率，在保證曲軸的加工精度及質量的前提下，盡量地壓縮加工節拍，對汽車曲軸隨動磨床提出高效、高精、高可靠性的總要求。為了實現曲軸的高效加工，需要對曲軸外圓進行大切深、高效率磨削，磨削加工余量很大，曲軸加工過程中會產生強烈的振動，這就要求砂輪主軸系統具備高轉速、高剛度和良好的阻尼特性；為了實現曲軸的高精度加工，則需要砂輪主軸系統有極高的旋轉精度；同時為了確保包括砂輪主軸系在內的整個砂輪架具有高的加(減)速度特性，則需要砂輪主軸系統及其支承結構的質量要盡量的小，且要具有一定的抗振性來保證較高的動態特性。

依據以上對曲軸隨動磨床加工特點的分析，可初步概括出砂輪主軸系統應當具備高精度、高剛度、高轉速、高動態特性的總體要求。下面再依據實際技術要求對這些性能要求做進一步的細化分解：

(1)高精度 曲軸零件的加工型面多，需要保證的尺寸、形狀、位置精度也多，而且加工精度要求高。一般四缸發動機曲軸零件精密磨削的主要控制精度包括：主軸頸圓度≤0.004 mm，圓柱度≤0.005 mm；連桿頸圓度≤0.005 mm，圓柱度≤0.006 mm；表面粗糙度Ra≤0.32 μm。為滿足曲軸高精度的加工要求，本研發項目設定砂輪主軸系統的回轉精度為1 μm。

(2)高剛度 曲軸隨動磨床砂輪主軸系統的剛度分為徑向剛度和軸向剛度。為了實現高轉速下變切削余量的高效磨削，砂輪主軸系統必須能夠提供充足的切削力以保證非圓磨削的精密位置控制。依據曲軸隨動磨床的生產要求以及筆者的開發經驗，設定砂輪主軸系統的徑向剛度為350 N/μm；軸向剛度為400 N/μm。

(3)高轉速 曲軸隨動磨床在磨削曲軸過程中，一般可采用高達120～160 m/s的磨削速度，針對曲軸隨動磨床高速磨削要求，本文將砂輪主軸系統的轉速設定為6 000 r/min以上。

(4)高動態特性 曲軸隨動磨床磨削曲軸連桿頸的過程屬于隨動磨削，曲軸隨動磨削工藝可顯著地提高曲軸整體的磨削效率、磨削精度和加工柔性。隨動磨削工藝是在砂輪主軸高速回轉、高效切削、進給部件高加減速往復進給等條件下實現的。本文設定進給部件的最高設計加速度在2g以上。同時曲軸所有軸頸對磨削表面質量要求又非常高，不能出現振紋，所以需要整個磨削系統具有良好的動態特性。

2 曲軸磨床電主軸的總體設計

依據以上概括出的性能指標要求，本文設計的曲軸隨動磨床液體靜壓電主軸采取電動機內置直聯技術，將主軸和電動機的轉子集成在一體，省去了復雜的中間傳動環節，從而具備了調速范圍寬、振動噪聲小、可快速起動和準停等優點。在砂輪架體內部采取獨立冷卻水套系統，避免了電動機高速運轉時產生的熱量對主軸回轉精度造成影響。

本文設計的電主軸采用液體靜壓軸承支撐。液體靜壓軸承摩擦系數小、油膜剛度高、承載能力強，可使主軸在預定載荷和任意轉速下，都與軸承處于完全液體摩擦狀態，并可以吸收磨削過程中產生的振動[2]，并且容易加工，能夠保證電主軸的旋轉精度，從而滿足曲軸隨動磨床對曲軸精加工的要求。本文設計的電主軸內部裝有MARPOSS軸芯式動平衡儀，可以在線自動平衡，能夠在高轉速時達到很好的平衡效果，避開發生共振的轉速區域，從而保證了液體靜壓電主軸能在平穩運轉的狀態下進行曲軸精加工。

砂輪架體是液體靜壓電主軸的基礎支撐件，砂輪主軸組件將裝配于其中。而由于曲軸主軸頸和連桿頸不在同一軸線上，在磨削過程連桿頸回轉空間大，為防止在磨削過程中砂輪架與曲軸發生碰撞，在設計時必須確保砂輪架結構緊湊。本文設計的液體靜壓電主軸的前后軸承是直接安裝于砂輪架箱體孔內的，因此，在設計中，對砂輪架體軸承孔的尺寸、形狀、位置精度，孔自身與底部基面的平行度、前后兩個孔的同軸度等都給出了微米級的高精度要求。

3 液體靜壓電主軸設計的關鍵技術

液體靜壓電主軸是以液體靜壓軸承為支撐，采用電動機直聯的主軸系統，液體靜壓軸承的特點是支撐剛度高、承載能力強，適合曲軸的大余量切削和高速、高精加工要求；液體靜壓電主軸設計的關鍵技術主要包括液體靜壓電主軸軸系的優化設計、液體靜壓電主軸軸承設計、液體靜壓電主軸剛度校核等。電主軸電動機是高速運轉的部件，其性能直接關系到電主軸的輸出特性，選配專業高速電機廠商生產的電動機和控制器，可節省設計時間，確保電動機的性能。

在設計液體靜壓電主軸時，依據曲軸隨動磨床液體靜壓電主軸性能要求，液體靜壓電主軸設計應滿足主軸旋轉精度高且穩定、主軸系統剛性好、振動小、動態性能穩定、發熱低、不漏油、制造裝配簡單，調整維修方便等技術要求。

3.1 液體靜壓電主軸軸系設計

(1)液體靜壓電主軸的支撐方式設計

液體靜壓電主軸常見的支撐方式主要有兩種：即電動機后置式和電動機內裝式[3]，如圖1所示。后置式將電動機安裝在主軸的尾部，靜壓軸承的結構與常見的砂輪架靜壓主軸軸系相似，具有密封簡單、安裝維護方便等特點。內置式液體靜壓電主軸的電動機安裝在前后軸承之間。內裝式比后置式的主軸長度要短，結構緊湊，有利于增加液體靜壓電主軸的剛度和減小電主軸的彈性變形，適合在曲軸隨動磨床上應用。在保證加工工藝和裝配工藝的前提下，本文在支撐方式上選擇內裝式液體靜壓電主軸。

(2)液體靜壓電主軸的電動機選擇

電主軸設計中一般都選用電機專業廠商生產的各種類型的電動機，而不再自行設計電動機，這樣做既可以節省設計時間，又可以利用電機廠商的電機設計技術與經驗，以確保電主軸的可靠性和穩定性。

電主軸電動機有交流變頻調速異步電動機和永磁同步電動機兩大類。異步型電主軸具有結構簡單、堅固，維護簡單，易于實現高速化的驅動控制等優點，是目前應用最為廣泛的類型[4]。但其體積比較大。因此內置式液體靜壓電主軸選用的是結構緊湊的永磁同步主軸電動機。

目前德國的西門子、瑞士的 EundA等公司專門提供電主軸電動機，以便某些研究機構自行設計電主軸。高速電動機應和變頻控制器共同使用，實現高速運轉。根據曲軸隨動磨床的磨削功率、靜壓軸承的摩擦損耗以及主軸系的結構尺寸，本文液體靜壓電主軸設計中選用了德國西門子公司的2極高速電動機，額定功率 30 kW、額定轉速7 600 r/min、定子外徑 170 mm、定子內徑 110 mm、轉子外徑109.5 mm；轉子內徑75 mm、鐵芯長度180 mm、電動機效率達到90%。

3.2 液體靜壓電主軸軸承設計

軸承是液體靜壓電主軸中關鍵的部件，因此電主軸的軸承設計是液體靜壓電主軸設計的關鍵要素，在軸承設計過程中主要以液體靜壓電主軸的高剛度、高精度、高轉速等技術指標為依據，細致分析和核算靜壓軸承的各項參數。在電主軸軸承設計過程中主要采取以下幾個核心的設計環節。

(1)靜壓軸承結構參數計算

如圖2所示，本文設計的液體靜壓軸承在軸瓦內表面上開有4個對稱的油腔。另外，液體靜壓軸承按照回油方式不同分為有周向回油和無周向回油軸承[5]兩類。周向回油軸承的計算最簡單，且其承載能力大，油膜剛度高。綜合考慮上述因素，本文研究的液體靜壓電主軸的軸承選定為有周向回油的4油腔等面積液體靜壓軸承。

根據曲軸隨動磨床的精度要求，承載能力以及機床設計手冊和磨床設計中給出的液體靜壓軸承計算公式確定出靜壓軸承的參數如下：軸承長度L=135 mm；封油面長S=12 mm；回油槽寬度b1=6 mm；軸承半徑間隙h0=0.025 mm；回油槽深度l1=3 mm；油腔有效承載面積Ae=5 300 mm2。

(2)節流器和供油壓力確定

曲軸隨動磨床，工作載荷大，精度要求高，必須具備極高的油膜剛度。通過對滑閥節流器和小孔節流器參數的合理設計均可以滿足高剛度的要求。但由于滑閥節流器結構復雜，使用調整較難，且在階躍載荷作用下的過渡時間較長。因此本設計最終決定選用小孔節流器。

選擇節流比β=1.7，供油壓力Ps=2.5 MPa。小孔節流靜壓軸承適用低粘度潤滑油，因為低粘度潤滑油摩擦阻力小，相同的軸承尺寸下，流量較大，有利于軸承的散熱。本設計選擇2號主軸油為液體靜壓軸承的潤滑油。

3.3 液體靜壓電主軸系統剛度校核

液體靜壓電主軸系統的剛度，包括軸承剛度和主軸本身的剛度。設計中如果只計算軸承剛度，而忽略主軸本身剛度，主軸就無法達到較高的旋轉精度。主軸系統剛度檢驗準則[6]：在主軸承受最大載荷時，在軸承端部的Q點處(見圖3)，不允許軸頸與軸承直接接觸，要求這個位移變形量控制在軸承半徑間隙(h)的 1/3之內。

不計接觸變形時，Q點處主軸位移變形量 f 為：

根據上述公式，本文在通過對液體靜壓電主軸系統各結構參數進行優化后，獲得了前述的主軸結構參數指標，計算結果表明主軸位移量滿足設計要求的主軸撓度。

3.4 液體靜壓電主軸系統回轉精度測試

高精度主軸系統回轉精度測試技術是液體靜壓電主軸研制的重要環節。本設計利用磨削技術實驗室主軸動態回轉精度測試平臺進行試驗，該平臺采用標準球法來進行測試，可以通過測試軟件系統輸出直觀的測試記錄[7]。在測試時采用高精度、高靈敏度的電渦流傳感器來進行測試，其精度可達0.1 μm，輸出±5 V電壓信號。采用高精度的標準球與液體靜壓電主軸聯接在一起，通過測試標準球的動態回轉精度來確定砂輪主軸的回轉精度。

砂輪主軸動態回轉誤差經試驗測量，軟件輸出結果如圖4所示。從圖4中可以看出，砂輪軸回轉精度為0.959 3 μm，達到了設計要求。

本文根據以上的設計方案和參數計算方法，完成了液體靜壓電主軸的詳細設計，研制出的液體靜壓電主軸如圖5所示，電主軸放置在砂輪架體中，由前后兩個徑向靜壓軸承共同支撐，同時配置了止推軸承，使主軸可同時承受徑向和軸向載荷。該液體靜壓電主軸的回轉精度小于1 μm，其它各項指標也均滿足前述的高精度、高剛度、高轉速等性能要求，可以完全替代國外產品，使得汽車曲軸隨動磨床的成本大大降低。

4 結語

(1)汽車曲軸隨動磨床由于具有高效、高精、高可靠性的特殊要求，其設計制造難度極大，對其核心功能部件電主軸的設計，采取電動機直聯技術，簡化了結構，減少了振源，實現了高回轉精度及同步性，而且可顯著地提高曲軸的加工精度和表面質量。

(2)在設計曲軸隨動磨床電主軸時，要時刻考慮高剛度、高轉速、高精度的設計要求，電主軸采用液體靜壓軸承作支撐，提高了電主軸的旋轉精度和主軸系統的剛度。基于計算設計公式，優化軸承的結構尺寸，并對主軸系統進行了剛度校核和回轉精度測試，是設計中的關鍵環節。

(3)研制出具有自主知識產權的高精度、高效率的液體靜壓電主軸，該主軸能夠替代國外產品，降低了汽車曲軸隨動磨床的成本，提升國內曲軸磨床的競爭力。

[1]劉素華，袁世先.電主軸關鍵技術及工藝要點[J].安陽師范大學學報, 2003(5):71-73.

[2]熊萬里，陽雪兵，呂浪，等.液體動靜壓電主軸關鍵技術綜述[J].機械工程學報，2009，45(9):1-24.

[3]杜雄.內置式靜壓電主軸軸系設計[J].精密制造與自動化，2013(3):26-34.

[4]馬丙輝.基于熱管傳熱的液體靜壓電主軸熱態性能及相關技術研究[D].哈爾濱：哈爾濱工業大學.2008：21-28.

[5]余順.數控凸輪磨床高剛度液體靜壓軸承磨頭的研究[J].湖北工業大學學報，2006,21(3)：24-26.

[6]李頌華.高速陶瓷電主軸的設計與制造關鍵技術研究[D].大連：大連理工大學.2012：30-36

[7]穆東輝.高精度柔性復合數控磨床[D].北京：北京工業大學.2010：74-75.