精密曲軸連桿頸磨削加工技術(shù)的研究

張慎明

摘 要：內(nèi)燃機(jī)與發(fā)動(dòng)機(jī)作為汽車的心臟，曲軸作為心臟的血管，所以加強(qiáng)曲軸的設(shè)計(jì)與加工就顯得尤為重要，加上曲軸類型多樣，加工精度將直接關(guān)乎到發(fā)動(dòng)機(jī)性能，進(jìn)而對(duì)汽車質(zhì)量帶來影響。因此，市面上對(duì)于曲軸精度的要求也越發(fā)苛刻。本文對(duì)以精密曲軸連桿頸磨削加工技術(shù)作為研究對(duì)象，對(duì)其工藝要點(diǎn)和相關(guān)誤差因素進(jìn)行了探究，旨于為企業(yè)帶來更好的經(jīng)濟(jì)效應(yīng)。

關(guān)鍵詞：加工技術(shù) 連桿軸頸摩削 曲軸連桿頸

Research on Grinding Technology of Precision Crankshaft Connecting Rod Neck

Zhang Shenming

Abstract：The internal combustion engine and the engine are the heart of the car， and the crankshaft is the blood vessel of the heart. Therefore， it is particularly important to strengthen the design and processing of the crankshaft. With the various types of crankshafts， the machining accuracy will directly affect the performance of the engine， which will affect the quality of the car. Therefore， the requirements for crankshaft accuracy on the market are becoming more stringent. This article takes the precision crankshaft connecting rod neck grinding processing technology as the research object， and explores its process points and related error factors， aiming to bring better economic effects to the enterprise.

Key words：machining technology， connecting rod journal rubbing， crankshaft connecting rod journal

1 引言

曲軸的作用是承受連桿傳來的力，并將這份力轉(zhuǎn)變?yōu)檗D(zhuǎn)矩輸出并驅(qū)動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)上附件來支持附件的工作。曲軸的運(yùn)轉(zhuǎn)受到三個(gè)力的作用，這三個(gè)力分別是具有周期變化的氣體的慣性力、旋轉(zhuǎn)質(zhì)量的離心力和軸身往返慣性力。這三個(gè)力使曲軸具有能夠承受彎曲扭轉(zhuǎn)載荷的作用，而要承受這三個(gè)力的作用，必須要求曲軸有足夠的強(qiáng)度和剛度。

為了減少磨損，往往需要減少曲軸的質(zhì)量與其因運(yùn)動(dòng)而產(chǎn)生的離心力，為此，常常將曲軸軸頸做成中空的結(jié)構(gòu)，并在軸頸表上開油孔，用來方便引進(jìn)機(jī)油來潤(rùn)滑軸頸的表面。而減小離心力的辦法則是依靠曲軸配重（又叫曲軸平衡重），通過配重，不僅能平衡旋轉(zhuǎn)離心力與力矩，部分情況下，還能減輕主軸承受的負(fù)荷。

2 曲軸加工技術(shù)概述

2.1 傳統(tǒng)加工技術(shù)-磨削

曲軸磨削是曲軸加工的傳統(tǒng)技術(shù)，該技術(shù)常見的有兩種方式：一是對(duì)曲軸主軸頸磨床進(jìn)行開孔定位，并將中心線作為中心實(shí)施回轉(zhuǎn)加工;二是采取主軸頸進(jìn)行定位，以被加工的連桿頸的中軸線為中心回轉(zhuǎn)加工。

磨床的機(jī)頭尾架上都裝了可以調(diào)整的裝置，比如平衡塊、卡盤（徑向偏心），這樣不僅能加持工件，而且還能對(duì)偏心距進(jìn)行調(diào)整，從而確保曲軸連桿頸的中心始終能與旋轉(zhuǎn)中心的一致，從而并避免因不平衡而造成的曲軸扭轉(zhuǎn)變形。

這種方法的優(yōu)點(diǎn)是工藝系統(tǒng)的剛性良好，中心支承被方便的運(yùn)用再兩次定位上，具體過程是首先對(duì)主軸頸進(jìn)行粗磨處理，再次基礎(chǔ)上將其與粗磨處理后的連桿軸頸定位，此為一次定位。而二次定位是對(duì)主軸頸進(jìn)行精磨處理的基礎(chǔ)上，與精磨處理后的連桿軸頸定位，從而確保磨連桿軸徑時(shí)的定位精度。但是在實(shí)踐中，也會(huì)存在定位誤差，每道工序都需要裝夾，使得輔助時(shí)間較長(zhǎng)，在降低加工效率的同時(shí)影響精度，加上所需磨床要2臺(tái)，設(shè)備的投資巨大，同時(shí)也增加了廠房所需的占地面積，進(jìn)一步增加了投入，費(fèi)時(shí)且費(fèi)力（圖1）。

2.2 切點(diǎn)跟蹤磨削法

切點(diǎn)跟蹤磨削法是對(duì)傳統(tǒng)工藝的創(chuàng)新，具有較強(qiáng)的集成性，主要是對(duì)工件旋轉(zhuǎn)、砂輪橫向運(yùn)動(dòng)過程進(jìn)行有效控制，實(shí)現(xiàn)偏圓心與非圓表面的加工，其中砂輪的外圓與被加工件表面輪廓從始至終都必須相切。用這種方式進(jìn)行曲軸磨削處理時(shí)，將主軸頸的中心連線作為其中心回轉(zhuǎn)，并在裝夾后磨出主軸頸與連桿頸。就主軸頸而言，在對(duì)其進(jìn)行消磨時(shí)，所采用的方法與傳統(tǒng)方式相同;而磨削連桿軸頸的方式，則是控制砂輪在曲軸旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)上橫向進(jìn)給，并使它們始終保持相切，從而使兩軸聯(lián)動(dòng)旋轉(zhuǎn)，從而實(shí)現(xiàn)磨削。

這種方法克服了傳統(tǒng)的曲軸零件磨削方式的缺點(diǎn)，節(jié)省了機(jī)器的占地空間，使用一臺(tái)機(jī)器就能完成多種零件的磨削，不但排除了誤差，還減少了輔助世間，節(jié)省了投資成本，且對(duì)精度更有保障（圖2）。

3 切點(diǎn)跟蹤磨削法核心技術(shù)

切點(diǎn)跟蹤磨削法的技術(shù)原理掌握是確保其應(yīng)用成效的關(guān)鍵。所以在實(shí)際應(yīng)用中，需要緊密結(jié)合其技術(shù)原理來設(shè)計(jì)和制造數(shù)控式曲軸磨床，但是就精度與圓度而言，要想滿足還存在一定的差距和難度。目前掌握這一核心技術(shù)的磨床生產(chǎn)廠家寥寥無幾。本文在研究過程中，雖然查閱了大量的文獻(xiàn)，但是發(fā)現(xiàn)很多都只是對(duì)原理簡(jiǎn)單的概述，而實(shí)際技術(shù)的核心文獻(xiàn)方面則較少，因此，筆者通過自身的工作實(shí)踐，對(duì)這一技術(shù)的核心進(jìn)行了總結(jié)，主要包含以下三點(diǎn)：一是可以結(jié)合恒線速原理建立運(yùn)動(dòng)模型，以闡述頭架變速轉(zhuǎn)動(dòng)與砂輪架往復(fù)式運(yùn)動(dòng)的運(yùn)動(dòng)關(guān)系;二是以建立的運(yùn)動(dòng)模型為載體，通過研究伺服控制系統(tǒng)與機(jī)床結(jié)構(gòu)后發(fā)現(xiàn)，利用運(yùn)動(dòng)模型能保證工件與砂輪可以按照預(yù)設(shè)的運(yùn)動(dòng)規(guī)律來運(yùn)動(dòng);三是通過修正運(yùn)動(dòng)模型，能更好地分析加工誤差，所以需要加強(qiáng)誤差補(bǔ)償模型的構(gòu)建，以更好地修正運(yùn)動(dòng)模型。因此，在實(shí)踐運(yùn)用中，需要切實(shí)掌握這三個(gè)方面的核心問題，才能更好地提高磨床的設(shè)計(jì)制造水平。

4 切點(diǎn)跟蹤磨削法在磨床設(shè)計(jì)制作中的誤差問題梳理

機(jī)械加工的最大問題就是精度問題，尤其是在尺寸方面的加工精度需要高度重視，所以在磨床設(shè)計(jì)制作中，需要充分考慮磨床刀具與工件的相對(duì)位移這一技術(shù)參數(shù)。常見的機(jī)械加工誤差源于系統(tǒng)、隨機(jī)兩個(gè)方面。其中，系統(tǒng)誤差是指在特定規(guī)律變化下形成的誤差，此類誤差需要在辨識(shí)的基礎(chǔ)上針對(duì)性的消除和處理。而隨機(jī)誤差具有偶發(fā)性，也就是具有不確定性，但是不確定的范圍往往能確定，且在這一范圍內(nèi)按照一定的規(guī)律變動(dòng)，因此可以對(duì)其進(jìn)行分析與研究。因?yàn)楸疚难芯康那S非圓磨床在精度檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)上不明確，所以本文主要是采用某高精度外圓磨床的精度檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)，就曲軸非圓數(shù)控磨床的加工誤差形成方式及其性質(zhì)，從五個(gè)方面對(duì)其進(jìn)行劃分，這五個(gè)方面分別是機(jī)床、工件、砂輪、夾具、數(shù)控系統(tǒng)。通過分析機(jī)床誤差源，為追溯加工誤差奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)，并建立誤差給加工結(jié)果帶來影響的分析工具-正向解析模型，使得工件誤差的精度預(yù)測(cè)與補(bǔ)償問題得到處理。通過筆者的實(shí)踐發(fā)現(xiàn)，曲軸非圓磨床的磨削加工精度誤差主要是以下三項(xiàng)：一是隨機(jī)誤差，其處理主要是以數(shù)理統(tǒng)計(jì)法為載體，統(tǒng)計(jì)和分析零件加工誤差，從而對(duì)加工誤差規(guī)律進(jìn)行總結(jié)，并采取針對(duì)性的措施，盡可能地將其影響降到最低。二是定值誤差，主要是結(jié)合誤差的大小與方向進(jìn)行針對(duì)性的調(diào)整工藝裝備，并通過對(duì)工藝裝備的檢修，掌握其問題所在，并針對(duì)性的處理。三是變值誤差，主要是結(jié)合變化規(guī)律后，采取自動(dòng)補(bǔ)償?shù)姆绞綇?qiáng)化對(duì)其的處理。

磨床產(chǎn)品的核心競(jìng)爭(zhēng)力就在于是否有著較高的加工精度，但是加工精度的影響因素多，為加強(qiáng)對(duì)其的處理，需要切實(shí)注重以下工作的開展：首先，從機(jī)床系統(tǒng)入手，既要加強(qiáng)誤差預(yù)防，又要注重誤差。在誤差預(yù)防過程中，需要基于設(shè)計(jì)制造的視角，盡可能地將機(jī)床誤差降低，但是實(shí)際是由于技術(shù)水平的不足，導(dǎo)致加工精度的提升受到的影響較大，所以就需要采用誤差補(bǔ)償，常見的做法是在誤差反方向附加補(bǔ)償運(yùn)動(dòng)，從而對(duì)機(jī)床設(shè)計(jì)制造時(shí)的誤差有效的校正，對(duì)誤差輸出進(jìn)行有效限制，需要說明的是，還可以采取實(shí)時(shí)在線測(cè)量加工誤差對(duì)機(jī)床運(yùn)動(dòng)關(guān)系進(jìn)行修正也是一種思路，因此，在機(jī)床系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，還要發(fā)揮微機(jī)的作用。其次，利用微機(jī)進(jìn)行誤差處理時(shí)，主要是在機(jī)械加工中運(yùn)用微機(jī)，對(duì)工件誤差進(jìn)行在線檢測(cè)，對(duì)誤差進(jìn)行在線分析與數(shù)據(jù)處理，從而對(duì)其進(jìn)行實(shí)時(shí)控制。目前，隨著傳感器技術(shù)與測(cè)試技術(shù)的不斷發(fā)展，使得誤差補(bǔ)償技術(shù)得到了有效的完善。傳統(tǒng)的誤差補(bǔ)償主要是利用校正尺來處理，相較于這一方式，采取計(jì)算機(jī)軟件來補(bǔ)償誤差，不僅對(duì)機(jī)床自身的精度無要求，而且加工的零件的精度很好，即便是長(zhǎng)期使用，機(jī)床的磨損也能有效補(bǔ)償，而且補(bǔ)償量還能結(jié)合在線測(cè)試數(shù)據(jù)而針對(duì)性的調(diào)整和優(yōu)化。此外，還能對(duì)工藝系統(tǒng)引發(fā)的熱變形與彈性變形而導(dǎo)致的誤差進(jìn)行有效補(bǔ)償。但是在誤差補(bǔ)償時(shí)，需要滿足待補(bǔ)償誤差大于隨機(jī)誤差的前提，也就是機(jī)場(chǎng)誤差具有可重復(fù)性。利用軟件實(shí)施誤差補(bǔ)償時(shí)，常見的有兩種方式。一是在線測(cè)量法進(jìn)行誤差補(bǔ)償，主要是在零件加工時(shí)，通過對(duì)加工尺寸進(jìn)行在線測(cè)量，將其與理論尺寸對(duì)比之后，找到二者的誤差，再利用數(shù)控系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)時(shí)補(bǔ)償。但是這種方法的不足就在成本較大。二是利用數(shù)字模型進(jìn)行誤差補(bǔ)償，主要是對(duì)加工誤差的影響因素進(jìn)行分析，并通過建立數(shù)學(xué)模型，在零件加工時(shí)，結(jié)合給定加工條件，對(duì)加工時(shí)可能發(fā)現(xiàn)的誤差進(jìn)行計(jì)算，這樣在數(shù)控程序編寫過程中，通過預(yù)先加入補(bǔ)償，使得精度得到有效的提升。這一方式因?yàn)榻?jīng)濟(jì)實(shí)用性較強(qiáng)，所以在實(shí)踐中得到了廣泛應(yīng)用。

通過上述對(duì)誤差影響因素的分析，能更好地掌握切點(diǎn)跟蹤磨削法的誤差補(bǔ)償要點(diǎn)，尤其是利用數(shù)學(xué)模型來實(shí)施誤差補(bǔ)償方面有著較為重要的作用。在具體的補(bǔ)償過程中，我們還要切實(shí)利用動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)理論為指導(dǎo)，將其作為誤差補(bǔ)償技術(shù)實(shí)施的理論基礎(chǔ)，并對(duì)各種誤差進(jìn)行深入對(duì)比和分析的基礎(chǔ)上，切實(shí)加強(qiáng)對(duì)誤差補(bǔ)償技術(shù)的創(chuàng)新和研究。因此，筆者未來將在機(jī)械系統(tǒng)動(dòng)態(tài)誤差測(cè)量和建模與參數(shù)估計(jì)等方面加大對(duì)其的研究，結(jié)合系統(tǒng)的特性強(qiáng)化對(duì)其的辨識(shí)，并在誤差補(bǔ)償控制系統(tǒng)方面不斷完善，充分發(fā)揮誤差運(yùn)動(dòng)學(xué)模型的優(yōu)勢(shì)，基于幾何運(yùn)動(dòng)關(guān)系的視角，對(duì)刀具和工件的誤差進(jìn)行分析，為誤差補(bǔ)償?shù)於▓?jiān)實(shí)的基礎(chǔ)，并利用三點(diǎn)法誤差分離原理，采用兩點(diǎn)法圓度誤差測(cè)量技術(shù)，從而更好地契合在線檢測(cè)與誤差補(bǔ)償?shù)男枰?/p>

5 結(jié)束語

本文總結(jié)分析了切點(diǎn)跟蹤磨削法和傳統(tǒng)曲軸磨削加工技術(shù)，比較兩種工藝的資金投入和優(yōu)略，具體對(duì)切點(diǎn)跟蹤磨削法進(jìn)行了闡述，總結(jié)出了它的核心技術(shù)與造成誤差的幾種原因，從而使企業(yè)在未來機(jī)床使用與選擇上產(chǎn)生幫助。

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