一種曲軸滾壓機床的改造設計

陳繼紅

摘? 要：曲軸作為發動機的核心零部件，隨發動機向增壓、大功率、高可靠性等方向的發展，正面臨著安全性和可靠性的嚴重挑戰，通過分析曲軸滾壓的原理可有效提高曲軸抗疲勞強度以及使用壽命，明確了實施滾壓工藝所用設備——曲軸滾壓機床的應用，自主研發提出了一種曲軸滾壓機床的改造設計方案，詳細闡述了滾壓機床及其關鍵部件的結構原理、功能特點及質量保證措施，以解決進口曲軸滾壓機床在滾壓曲軸過程中出現的問題及故障，降低了曲軸滾壓機床的維修成本，實現了替代進口的目標，保證了曲軸滾壓機床的工作穩定性，提高了曲軸滾壓的質量。

關鍵詞：曲軸? 滾壓機床? 改造設計? 發動機

中圖分類號：TG5? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號：1672-3791（2020）10（c）-0065-04

Abstract： Crankshaft what is the core part of engine is facing serious challenges of safety and reliability with the development of the engine toward supercharging， high power and high reliability. The fatigue strength and service life of crankshaft can be effectively improved and the application of the crankshaft rolling machine used in the rolling process is defined by analyzing the principle of crankshaft rolling. A modification design scheme of a crankshaft rolling machine that the structural principle， functional characteristics and quality assurance measures of rolling machine are described in detail is presented to solve the problems and failures in the process of crankshaft rolling press for the imported rolling machine， this can reduce its maintenance cost， and the working stability is guaranteed， the quality of crankshaft rolling press can also be improved.

Key Words： Crankshaft; Rolling machine; Transformation design; Engine

曲軸在汽車發動機內是一個高速旋轉的長軸，是發動機中的主要零件之一，在發動機五大件中是最難保證加工質量的零件。曲軸工作過程中工況條件惡劣，在發動機運行的每一個循環中，都有交變載荷作用在曲軸上，這些交變載荷作用在曲軸上使其發生曲折、彎曲等，從而使曲軸工作失效，其失效形式一般是軸頸磨損和疲勞斷裂。其中交變應力產生的疲勞裂紋進而疲勞斷裂往往是破壞性的，涉及安全方面，這方面的新聞報道引起大眾高度關注。曲軸圓角滾壓強化工藝是提高曲軸疲勞強度最有效的手段之一，國外轎車發動機曲軸幾乎全部采用圓角滾壓工藝[1]。

1? 曲軸滾壓過程的原理

發動機使用的曲軸軸頸及曲拐較多，彎曲剛度較低，而且在圓周方向上各向異性，加上材料的不均勻性，以及冷熱加工中變形和殘余應力等綜合因素的影響，使得曲軸的彎曲變形十分復雜，其軸線是一條任意的空間曲線。曲軸通過滾壓工藝完成深滾壓過程和校直過程，校直處理后基本上克服了變形彎曲的缺點[2]，而深滾壓過程使被滾壓的軸頸圓角部分得到了表面強化處理，提高了曲軸的承載能力及抗疲勞強度。曲軸圓角滾壓加工就是在曲軸的連桿頸和主軸頸的過渡圓角處通過滾壓機構的壓力作用，使其表面產生塑性變形，圓角表面的組織結構及形狀會改變，曲軸圓角處的組織緊密，從而在曲軸圓角表層內出現殘余壓應力，可與曲軸在工作時的拉應力抵消或部分抵消，從而提高疲勞強度;使金屬表層產生冷作硬化現象，滾壓后圓角表層為一高硬度致密層，材料表面得到了強化;消除曲軸表面顯微針孔和裂紋、氣孔等鑄造缺陷;提高圓角表面質量，從而極大地減小了軸頸過渡圓角處的應力集中，加強了圓角處的材料物理性能，顯著提高了曲軸疲勞強度[3]。

2? 曲軸滾壓機床的改造設計

綜上所述，正因為采用滾壓的方法有諸多優點，這一工藝成了曲軸圓角加工的主流工藝，滾壓機床也隨之誕生。在國外，曲軸圓角滾壓機床技術已經成熟，滾壓機床已廣泛應用，并越來越多地取代了傳統機床用刀具車削曲軸主軸頸和連桿頸圓角的方法。然而曲軸圓角滾壓智能柔性加工機床是集機械、電子、檢測技術、人工智能為一體化的高技術數控設備，就目前來講，我國生產滾壓機床的技術和水平與國外有著很大的差距，許多核心技術還未真正掌握，以至于國內曲軸生產廠 ，大都從國外引進該類機床[4]。但是使用若干年后存在技術升級以及出現故障該如何解決的問題，現以一校企合作企業廣西玉柴曲軸有限公司的一臺德國進口曲軸滾壓機床為例進行如下分析。

2.1 改造前該曲軸滾壓機床存在的問題

（1）該進口的曲軸滾壓機床使用了近20年后，系統沒有響應，無法正常工作。

（2）該進口的曲軸滾壓機床在正常工作時只能滾壓四缸曲軸，不能滿足滾壓六缸曲軸的訂單。

（3）該進口的曲軸滾壓機床在曲軸以60 r/min轉動時，不能保證恒壓滾壓，影響曲軸滾壓的質量。

2.2 改造后的設計方案

根據現在用戶的設備情況，在綜合考慮了可靠性、性能、功能和價格等因素的基礎上，提出了以下改造方案。

2.2.1 數控部分

（1）采用西門子840DSL CNC系統替換原CNC系統;系統主機為840DSL NUC 720.3HMI：PCU5.5-C人機接口;中文顯示;USB接口;配OP010 10.4″TFT彩色液晶顯示器和操作面板;配19″MCP機床控制面板，帶主軸和進給倍率開關。

（2）進給驅動器和電機：采用西門子全數字S120驅動器和1FT7交流伺服電機更換原機床X、Z、X1、Z1、SP這5臺進給驅動器和電機，配全套西門子電纜。電機選型不小于原伺服電機扭矩，電機配置為1FT7034 2 T臺、1FT7062 2臺、1FT7102 1臺。將原機床4臺滾壓頭位置微調普通交流電機更換為西門子交流伺服電機，根據原電機功率選用1FT7034電機4臺。

（3）保留原主軸外接編碼器，配相應的編碼器接口轉換模塊。

（4）采用S7-300 PLC可編程序控制器，I/O配置，保留10%的余量，I/O模塊配端子連接器。利用PLC實現機床的所有邏輯順序控制任務，包括油泵、潤滑、工件上料、工件夾緊放松、尾座頂尖控制、滾壓頭的進給控制、外部保護等控制。

（5）保留原左、右兩組共4個滾壓頭的內外滾輪檢測傳感器，將傳感器信號接入PLC，作為滾壓刀具損壞監控、滾壓刀具旋轉監控。根據傳感器的輸入信號頻率來判斷各壓頭的工作狀況是否正常，如有異常則停止加工并發出報警。

（6）編制各部件動作的手動分解界面，包括左、右兩組滾壓頭的單獨手動，尾座頂尖、工件上料、頭架等各部件的單獨手動界面。

2.2.2 機床電柜

（1）重新制作機床電氣控制柜，電柜殼體選用威圖品牌，重新繪制電柜布置圖，按照布置圖重新安裝電器元件，電柜內重新布線，保證布線整齊、美觀，端子標號正規、清楚，與安裝圖一致。伺服電機電纜及反饋電纜采用西門子原裝電纜。電柜內動力線與信號線之間避免平行布線。數控系統及進給驅動部分加裝隔離電源。驅動器電源進線加裝西門子交流進線高頻電抗器，以減少對電網的干擾。數控系統電源進線加裝隔離變壓器。保證所有裝置接地良好。

（2）按照所導通電流的大小選擇合適導線線徑，導線的顏色按照國家相關機床電氣布線的標準選擇，其中控制線DC為藍線，AC為紅線，動力線為黑線，接地線為黃綠線，電柜內所有接地線均單獨匯總與電柜內的接地銅排，以保證整套電柜的接地良好。

（3）控制柜中主要相關二類控制元件全部選用施耐德、西門子元器。電柜出線按機床部件順序排列，采用工業矩形航插連接方便今后機床的搬遷。電氣控制柜加裝2 kW專用電柜空調器。

2.2.3 液壓系統

該機床的液壓系統為機床控制的核心，是整臺機床加工精度的保障。其執行機構包括液壓夾緊單元、伺服施力單元、檢測單元（包括主軸位置檢測、夾頭壓力檢測）。原機床滾壓力為變壓力加工，即根據曲軸旋轉角度不同在連桿頸上所加的壓力不同。連桿頸上的加工滾壓力為方波曲線。原機床滾壓力控制由4臺力士樂伺閥型號為4WS2EM10-45/20B2T315Z8DM，及4塊力士樂伺服放大板型號為VT1600S3X和相關的輔助控制板組成。原使用型號伺服閥及放大板和輔助控制板等均已停產多年，無備件供應，此次改造將對全套液壓力控制系統進行升級改造。改造后機床伺服閥的配置根據原伺服閥的壓力流量參數，選用力士樂4WRPNH10伺服閥。其功能做如下說明。

IAC-R閥門（基于高頻響閥的集成軸控制器）是一種帶集成軸控制器的數字高頻響閥，具有以下功能：流量控制、位置控制、壓力控制、p/Q功能、交替位置壓力和位置/力控制、NC功能，可以選擇通過模擬接口或現場總線接口提供控制值，實際值信號可以通過模擬接口提供，另外也可以通過現場總線讀出，控制器參數是通過現場總線設置;為安全起見，總線/控制器和功率部件（輸出級）使用獨立的電源電壓，用戶可以使用調試軟件WinHPT進行參數設置盒功能的編程和診斷，在PC上輕松地管理數據。還有其他可用功能：斜坡函數發生器、錯誤信號輸出24 V（如切換信號到PLC/邏輯及其他閥門時），控制輸出調整、死區補償、零位校正、閥門彎折補償、摩擦補償、方向相關的增益。數字集成控制電子元件可用于以下故障檢測：電纜斷連傳感器、欠電壓、集成電子元件的溫度、通信錯誤 。

伺服閥控制采用與英格索爾公司相同的PROFIBUS總線控制方式，放大器的控制給定由數控系統所帶的PLC通過總線傳輸給個伺服閥控制器，同時在數控系統面板上制作相應的各夾頭壓力設置界面，使在加工不同工件時可根據工藝要求設置各夾頭的高、底點壓力值。高低壓力值的變化由PLC讀入主軸編碼器的位置信號，通過PLC的內部計算使曲軸不同的角度發出對應的高、低壓力給定值，通過放大器控制伺服閥的動作使夾頭的壓力跟隨給定值變化，各夾頭的液壓管路上安裝有壓力傳感器，將壓力傳感器的信號接入放大器中，使放大器形成一個閉環壓力控制系統，從而保證壓力控制的精度。

2.2.4 滾壓力監控及記錄系統

在原夾頭后端安裝壓力傳感器位置處安裝新的傳感器，用于實際壓力的監控，壓力傳感器選用力士樂產品配信號電纜及放大器。加裝一臺工控機用于曲軸滾壓機的4個夾頭的壓力監控及壓力記錄裝置，工控機選用研華產品，工控機加裝信號采集板，將4個壓力傳感器信號接入采集板。同時工控機與數控系統之間預留相關的接口信號。編輯壓力監控及記錄系統軟件。為了方便對每個零件滾壓參數數據的追溯查詢，在每個零件加工前需在工控機界面上輸入零件編號并按確認后系統才能啟動加工程序進行加工。每個零件加工前均需作一次壓力檢測，如試壓檢測不合格工控機將發出報警信號，同時報警信號將給到CNC從而停止機床運行確保零件加工的合格率。機床加工中工控機將按照設定的時間間隔，自動記錄各夾頭的壓力值并繪制相對應的曲線保存下來。

2.3 改造后的應用效果

（1）改造后的曲軸滾壓機床運行可靠性提高，降低設備故障率，設備滿足產品的正常加工。

（2）達到曲軸滾壓的工藝要求，當曲軸在轉動時，隨著拐頸的位置變化，滾壓的壓力跟隨曲軸運動軌跡的變化而跟隨變化，并保持一定恒定的滾壓力。如圖1所示，I和VI：高壓角度是60°到300°，其余角度為低壓;II和V：高壓角度是180°到60°，其余角度為低壓;III和IV：高壓角度是300°到180°，其余角度為低壓。滾壓時，由于曲軸的拐頸I在60°到300°推動上滾壓輪偏離旋轉中心，因此上滾壓輪壓力很高，下滾壓輪壓力較低。我們通過數控系統即時讀出曲軸的旋轉角度，I頸在60°到300°位置上滾壓輪送低壓，下滾壓輪送高壓。同理II頸在180°到60°位置上滾壓輪送低壓，下滾壓輪送高壓。這樣就保證拐頸外圓各個方向都受到的滾壓力基本相同，從而大大提高產品質量。

（3）升級改造后解決了原來進口曲軸滾壓機床存在的問題，工作時既能滾壓四缸曲軸，又能滾壓六缸曲軸。

3? 結語

針對用戶進口的曲軸滾壓機床使用若干年后出現的故障問題及升級需求，按上述改造設計方案極大地節省了設備的大修成本，改造后的曲軸滾壓機床滿足曲軸滾壓的工藝要求，在滾壓曲軸圓角時滾壓的壓力跟隨曲軸運動軌跡的變化而跟隨變化，即滾壓拐頸時，由于拐頸不在旋轉中心上，滾壓時是變壓滾壓。通過數控系統檢測拐頸所在旋轉位置，再通過控制壓力閥，達到對拐頸各方向恒壓，從而提高曲軸滾壓的生產精度（使滾壓后的0.8 m長的六缸曲軸的整體彎曲變形<0.02 mm）及整體質量，降低曲軸滾壓的廢品率（廢品率<0.4%），保證曲軸滾壓機的工作穩定性，降低設備故障率，目前國內設備很難保證，并為今后的維護、升級、擴充、通信等提供了方便。

參考文獻

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