淺析磨床加工穩定性的提升

梁 卓

（上汽通用五菱汽車股份有限公司 青島分公司，山東 青島 266555）

0 引言

發動機是汽車最為關鍵的部分，是決定汽車性能的最重要的因素，猶如人的心臟。而曲軸是發動機的主要旋轉機件，是其最關鍵的部件之一。將曲軸裝上連桿后，可承接活塞的上下往復運動，轉化為曲軸的旋轉運動，并最終帶動飛輪旋轉，曲軸性能好壞直接影響汽車的壽命。

1 曲軸在發動機中的位置

曲軸在發動機的位置如圖1 所示。曲軸是發動機最重要的機件之一，它與連桿配合將作用在活塞上的氣體壓力變為旋轉的動力，通過飛輪傳給底盤的傳動機構，同時，驅動配氣機構和其它輔助裝置，如風扇、水泵、發電機等。曲軸的材料是由碳素結構鋼或球墨鑄鐵制成的，有兩個重要部位：主軸頸，連桿頸（還有其他）。主軸頸被安裝在缸體上，連桿頸與連桿大頭孔連接，連桿小頭孔與汽缸活塞連接，是一個典型的曲柄滑塊機構。曲軸的潤滑主要是指與連桿大頭軸瓦與曲軸連桿頸的潤滑和兩頭固定點的潤滑. 曲軸的旋轉是發動機的動力源。也是整個機械系統的源動力。

圖1 曲軸在發動機中的位置Fig.1 The crankshaft position in the engine

曲軸的主軸頸連桿頸主要是靠磨床和拋光機來保證，磨床的加工余量為0.3～0.4mm，拋光機的余量為0.01mm，磨床主要保證直徑、圓度、跳動等重要尺寸，拋光機可保證軸頸的粗糙度，提高耐磨性能，綜合來講，在曲軸的加工過程中最重要的一步就是磨削，機床的加工穩定性直接影響整條線的生產效率和生產線的成本。本文主要介紹通過優化工藝的方法提升磨床加工穩定性。

2 目前加工工藝介紹

2.1 美國Landis 磨床介紹

在上汽通用五菱，加工曲軸主軸頸和連桿頸的機床很多都是美國Landis 的磨床，其中青島一期共4 臺設備。機床通過頭架、尾架及頂尖機構將曲軸夾緊后，左右兩個砂輪同時對各個主軸頸和連桿頸以及芯軸進行加工，尺寸的控制同樣采用機床內的測頭在線測量控制。產品圖紙要求軸頸有直徑，直線度，圓度，跳動度，以及連桿頸位置度等尺寸，由于尺寸要求均是微米級，故對于該工位的加工過程控制非常嚴格，同時對于機床頂尖的跳動度，兩端頂尖對中度，中心支架的挑起度和推出度等硬件的調整也同樣有著非常高的要求。

2.2 機床構造及加工原理

美國LANDIS 磨床結構如圖2 所示，包含左砂輪及右砂輪機構、尺寸量儀、頭架、尾架、支承架等硬件結構，機床通過頭架、尾架機構的相對移動用頂尖來將工件軸向頂緊，通過頭架機構中的卡盤縱向夾緊工件，同時驅動曲軸做高速圓周運動，由于曲軸較長，加工過程中會受力不均，中間位置容易彎曲變形，通過支撐架來夾緊曲軸的中間位置，來均勻各部位受力，同時在加工過程中通過尺寸量儀測量曲軸直徑來保證加工余量。

四缸發動機曲軸的軸頸包括5 個主軸頸和4 個連桿頸，簡稱A1、A2、A3、A4、A5、P1、P2、P3、P4，見圖2 所示，磨床加工曲軸的軸頸時需保證其直徑、跳動、圓度、平行度、直線度等參數滿足工藝要求。

圖2 機床結構示意圖Fig.2 Machine structure diagram

2.3 尺寸量儀的原理及作用

尺寸量儀的作用是在磨削時測量軸頸的尺寸，保證磨削到工藝要求的尺寸，量儀的主要結構有，量儀調整塊緊固螺釘，緊固螺釘，量儀V 型塊，量儀調整塊，量儀彈簧，量儀測頭，量儀反饋線等重要結構，見圖3 所示。其中量儀測頭直接接觸工件表面，將彈簧的伸縮量通過量儀反饋線傳遞到系統中，依此來判斷軸頸的尺寸。

圖3 量儀的整體結構Fig.3 The overall structure of the instrument

2.4 加工工藝

磨削余量：OP80 磨削主軸頸單邊余量為0.3mm，磨削連桿頸單邊余量0.4mm，當前青島Landis 磨床采用的是雙砂輪磨床，磨削時砂輪和工件均順時針旋轉，磨削時靠Marposs 在線量儀進行實時反饋，來保證加工主軸頸和連桿軸頸的尺寸，見后面加工程序。

砂輪開始以P0=1000mm/S 的加速轉動，以P3=550mm/s 的速度快速進給到距離加工要求P4=0.5mm 處，再以P9=0.07mm/s 的速度快速進給到距加工尺寸P10=0.06 處，此時工件以P30 速度開始轉動。砂輪再分別以P18，P21 的慢速進給加工，以P24=0.002mm/s 的速度慢速進給到規定尺寸要求（對應工件以P32/P33 速度開始轉動），最后砂輪以P27=400mm/s 的速度加速退回。

機床的加工程序如下：

圖4 工件的加工步驟Fig.4 Workpiece processing steps

參照圖4，并從程序中可以看出，磨床的加工順序為A1（左量儀）A3——P2（左量儀）P4（右量儀）——P1（左量儀）P3（右量儀）——A1（左量儀）A3——芯軸A2（右量儀）——芯軸A4（右量儀）——芯軸A5（右量儀），由于A3 有支撐架，若加工時用量儀測量，會干涉，所以其尺寸無法通過量儀來保證，而是靠上一個工件A5的加工量來補償，其他軸頸均通過量儀來實時測量保證加工余量。

2.5 目前加工工藝的弊端

從直徑不合格統計來看，連桿頸直徑不合格比列達到90%以上，為什么連桿頸比主軸頸加工差呢，我們對機床加工過程進行了模擬分析，見圖5。

圖5 加工過程示意圖Fig.5 Schematic diagram of nc machining process

主軸頸和連桿頸加工有差別，由于機床依靠曲軸兩端中心孔定位軸向，主軸頸加工時量儀不動，只有曲軸轉動，而測量連桿頸時，量儀和連桿頸需同時轉動，而且二者的運動軌跡大不相同，這樣測量的準確度和穩定性就會大大降低，成為曲軸線加工能力提升的一大關鍵問題。

3 工藝優化

3.1 優化方案

通過數據統計發現，A3 雖然沒有量儀測量，但是加工穩定性很好，這樣我們就提出了一個想法，連桿頸不用量儀測量保證尺寸，而是參考主軸頸的測量值進行補償。

3.2 加工順序優化后程序

對程序進行如下優化：

從新程序中可以看出，#3、#4、#7、#8 的程序段均發生了變化，優化后的加工順序為A1（左量儀）A5（右量儀）——A1（左量儀）A3（參考A5 補償）——芯軸A2（右量儀）——芯軸A4（右量儀）——芯軸A5（右量儀）——P2（參考A1 補償）P4（參考A5 補償），P1（參考A1 補償）P3（參考A5 補償）。這個程序將原程序的缺陷進行了修補，保證了連桿頸加工的穩定性與主軸頸相當。

4 總結

磨床對于年輕的團隊來說是很陌生的，平時只是救火，它的加工能力均無法從根本上得到提高，更改加工順序對連桿頸加工穩定性有了很大的提升，讓我們意識到原廠帶的東西并不一定是最好的，只有大膽創新，將新思路和想法的提出努力的試驗和研究，才能達到最佳的效果，同時將這個問題巧妙的解決后，為生產線解決測量系統問題提供了方法和思路，達到了提高測量系統準確性的目的，對工廠提高效益和降低工廠成本做出了貢獻。