磨削曲軸的快速分度定位系統(tǒng)設(shè)計(jì)*

方俊芳 馮 強(qiáng)

(①安徽水利水電職業(yè)技術(shù)學(xué)院機(jī)械系，安徽 合肥 231603；②重慶磨床有限責(zé)任公司技術(shù)部，重慶 400033)

近20年，中國的汽車工業(yè)飛速發(fā)展，我國的汽車產(chǎn)量雄踞世界第一，但是加工汽車關(guān)鍵零部件的機(jī)床卻多是進(jìn)口的。如磨削汽車曲軸的數(shù)控磨床，進(jìn)口設(shè)備基本需要幾百萬元一臺(tái)。為了降低生產(chǎn)成本，筆者公司根據(jù)客戶的要求，在國產(chǎn)磨床的基礎(chǔ)上研發(fā)出了新的MKS8260數(shù)控曲軸磨床，其中的快速分度定位系統(tǒng)解決了曲軸連桿頸的磨削加工快速分度定位問題。本文就對這一快速分度定位系統(tǒng)進(jìn)行介紹。

1 方案介紹

1.1 四缸曲軸的結(jié)構(gòu)和磨削難點(diǎn)

(1)四缸曲軸(如圖1所示)磨削的部位主要是4處連桿頸和5處主軸頸，4處連桿頸又分為兩組，相差180°。連桿頸磨削的主要要求是：圓度、與主軸頸的偏心位置度和平行度。

(2)四缸曲軸的重量比較大(≥10 kg),偏心距也比較大(≥40 mm)。并且磨削受力點(diǎn)和支撐點(diǎn)不一致，所以非常難加工。

1.2 以往曲軸磨床分度系統(tǒng)簡介

曲軸磨床以夾具偏心來磨削4處連桿頸，磨削完2處之后，旋轉(zhuǎn)180°磨削另外2處連桿頸。這就需要準(zhǔn)確定位與分度，以保證連桿頸的位置精度。

(1)普通曲軸磨床磨削連桿頸時(shí)，以砂輪外圓為定位面，連桿頸接觸到定位面，再進(jìn)行磨削。這種方式靠手動(dòng)掌握，效率及精度都較低。

(2)數(shù)控曲軸磨床開發(fā)出來以后，從數(shù)控程序來說，一次磨削磨4處連桿頸很容易，但是自動(dòng)分度就成了一個(gè)難題。通常采用的方法是在頭架上面加一個(gè)兩軸聯(lián)動(dòng)系統(tǒng)，用撥叉帶動(dòng)工件旋轉(zhuǎn)進(jìn)行分度。這種結(jié)構(gòu)能夠?qū)崿F(xiàn)自動(dòng)分度，但結(jié)構(gòu)復(fù)雜，系統(tǒng)需要增加兩組伺服及驅(qū)動(dòng)。并且安裝在頭架上面以后，對頭架的維修、調(diào)整都極不方便。

1.3 新開發(fā)的曲軸磨床分度系統(tǒng)

根據(jù)四缸曲軸磨削的特點(diǎn)，充分利用數(shù)控系統(tǒng)和和曲軸自身的特點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)簡便、可靠的單軸驅(qū)動(dòng)分度定位，如圖2所示。分度定位磨削步驟如下：

(1)四缸曲軸一般都以第一處連桿頸作為定位連桿頸，以保證分度的精度。將曲軸放置在夾具上面，連桿頸1朝上，如圖3所示。

(2)砂輪架前移，定位叉向下移動(dòng)，將曲軸定位，如圖4所示。

(3)夾具夾緊，定位叉上升，工作臺(tái)左移，中心架頂住連桿頸3，砂輪切入磨削連桿頸2和連桿頸3，如圖5所示 。

(4)砂輪架后退，工作臺(tái)右移，夾具松開，砂輪架前進(jìn)到定位位置。砂輪架前移與定位叉下移插補(bǔ)運(yùn)動(dòng)，撥動(dòng)曲軸旋轉(zhuǎn)定位，如圖6所示。

(5)撥動(dòng)曲軸旋轉(zhuǎn)到位，夾具夾緊，定位叉上升，砂輪架前進(jìn)，磨削連桿頸1和連桿頸4，如圖7所示。

2 關(guān)鍵部件受力計(jì)算分析

2.1 曲軸定位時(shí)壓緊力分析

(1)根據(jù)磨削曲軸的經(jīng)驗(yàn)，在曲軸的定位連桿頸上面施加200 N定位壓力，即可保證定位可靠。曲軸的變形情況如圖8。

(2)最大變形處變形量為0.000 689 mm。曲軸磨削的圓度要求是0.004 mm，所以這個(gè)變形量是可以接受的。

2.2 分度定位裝置的驅(qū)動(dòng)力計(jì)算

分度定位裝置結(jié)構(gòu)示意如圖9。其中絲桿的扭矩計(jì)算公式為：

Ta=(Fa×I)/(2×3.14×n1)

式中：Ta為驅(qū)動(dòng)扭矩，N·mm；Fa為絲桿軸向負(fù)載(即連桿頸上定位壓力)，N；I為絲杠導(dǎo)程，mm；n1為進(jìn)給絲杠的正效率(本文中按0.9計(jì)算)。

由此計(jì)算:

Ta=(200×4)/(2×3.14×0.9)

≈142 N·mm=0.142 N·m

根據(jù)上面所做的計(jì)算，驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)選擇了西門子1FK7042型伺服電動(dòng)機(jī)(3 N·m)，傳動(dòng)絲桿選擇了上銀的直徑20 mm，導(dǎo)程4 mm的滾珠絲桿副。

2.3 定位軸的受力計(jì)算

(1)在對曲軸進(jìn)行定位時(shí)，定位軸伸出較長，而由于空間的限制，定位軸的尺寸也不能太大，所以容易產(chǎn)生變形。由此在設(shè)計(jì)時(shí)，要對定位軸做一個(gè)受力分析，才能保證設(shè)計(jì)合理、可靠。

(2)根據(jù)機(jī)床整體及其他部件的位置和安裝需要綜合考慮，定位軸的總長度為510 mm，最大處直徑為30 mm，最小處直徑為12 mm。材料為20CrMn，熱處理45 HRC。對其進(jìn)行有限元分析的結(jié)果如下：

如圖10所示，最大變形處變形量為0.000 562 mm。曲軸磨削的圓度要求是0.004 mm，所以這個(gè)變形量是可以接受的。

3 分度定位裝置的整體結(jié)構(gòu)

3.1 設(shè)計(jì)整體結(jié)構(gòu)需要考慮的因素

(1)可行性：從以上的分析可以看出，這種分度定位裝置具有可行性。并且可以通過兩軸插補(bǔ)進(jìn)行精確定位，還可以彌補(bǔ)機(jī)械定位的誤差。

(2)經(jīng)濟(jì)性：由于這種分度定位裝置只采用一臺(tái)小的伺服電動(dòng)機(jī)和絲桿進(jìn)行驅(qū)動(dòng)和傳動(dòng)，成本較以前的雙伺服驅(qū)動(dòng)節(jié)約很多。由于結(jié)構(gòu)更為簡單，故障率也極低，使用和維修成本也大大降低。

(3)兼容性：配置使用廣泛的西門子828系統(tǒng)，即可實(shí)現(xiàn)曲軸磨床5軸的聯(lián)動(dòng)控制(X、Z軸及曲軸帶動(dòng)的兩軸和定位軸)。保證加工的精度和可靠性。

3.2 整體結(jié)構(gòu)圖及說明

如圖9，除去安裝基座以外，分度定位裝置分為兩層：第一層為伺服電動(dòng)機(jī)及絲桿等驅(qū)動(dòng)零部件，用兩組滾珠絲桿專用軸承對進(jìn)行軸向定位，以保證精度及可靠性。第二層為定位軸及撥動(dòng)定位叉等定位零部件。定位軸安裝在滑動(dòng)拖板上，絲桿通過滑動(dòng)拖板帶動(dòng)定位軸及定位叉等一起運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)定位和分度。定位軸的前端裝有直線軸承支撐，以保證定位軸伸出后具有足夠的剛度。

4 結(jié)語

(1)圖11為生產(chǎn)上的安裝實(shí)物圖。此套快速分度定位裝置安裝在MKS8260曲軸磨床上，已使用一年多的時(shí)間，沒有出現(xiàn)故障(只是因?yàn)槎ㄎ徊婺p更換過一次)，加工工件的最重要指標(biāo)：圓度≤0.003 mm，每根曲軸的加工時(shí)間節(jié)約10 s以上。

(2)從實(shí)際運(yùn)用及理論分析看，此套快速分度定位裝置具有構(gòu)思新穎、結(jié)構(gòu)簡單、充分利用數(shù)控優(yōu)勢、經(jīng)濟(jì)實(shí)用、可靠性高等特點(diǎn)。

(3)安裝此套快速分度定位裝置的MKS8260曲軸磨床，價(jià)格只相當(dāng)于同類進(jìn)口磨床的1/5，其加工產(chǎn)品的精度和效率已經(jīng)達(dá)到同類進(jìn)口磨床的標(biāo)準(zhǔn)。其中的自動(dòng)分度定位裝置，已經(jīng)優(yōu)于其余類型的自動(dòng)分度定位裝置。

由此可見，該快速分度定位裝置的研發(fā)及實(shí)踐運(yùn)用對汽車曲軸磨削技術(shù)的進(jìn)步具有較大的推動(dòng)作用，值得大力推廣。

[1]胡惜時(shí).高效磨削與磨床[M].長沙：國防科技大學(xué)出版社，2009.

[2]邱宣懷.機(jī)械設(shè)計(jì)[M].北京：高等教育出版社，2007.