曲軸精磨主軸連桿徑向圓跳動和圓度分析及解決方案

吉曉可，王玲雅，馬錦濤

第一拖拉機股份有限公司鑄鍛廠 河南洛陽 471003

1 序言

曲軸在內燃發動機中的主要作用是傳遞運動和轉矩。它將活塞的直線運動轉化為回轉運動。由于曲軸在工作過程中同時受彎曲、扭轉、剪切及拉壓等交變應力，工況十分復雜，這就要求其具有足夠的強度以及較高的韌性，因此對曲軸加工工藝進行合理、有效的安排，提高其加工精度，延長其工作壽命顯得十分重要。

隨著我國機械工業的飛速發展，曲軸加工趨近于專業化、流水線化及精細化。由于曲軸80%以上的關鍵尺寸均為磨削加工，因此數控磨床的發展以及隨動磨削技術的引進大大提升了其加工效率。以蘭迪斯（Landis）磨床和勇克（Junker）磨床兩家公司為代表制造的專用曲軸磨床，加工工藝為精磨主軸連桿，集合了安全、優質、高效和低成本等特點，被廣泛應用于曲軸加工中。

柴油發動機六缸曲軸主軸連桿軸頸共計13個，其中主軸頸7個（用M1～M7表示）、連桿頸6個（用P1～P6表示）。曲軸主軸和連桿分布及加工精度要求如圖1所示。軸頸外圓公差精度要求現已達到h6級，圓度要求為0.005mm。主軸徑向圓跳動以M1和M7為測量基準，要求M2和M6徑向圓跳動0.08mm，M3和M5徑向圓跳動0.12mm，M4徑向圓跳動0.16mm。在加工過程中要同時保證13個軸頸精度要求，難度很大。

圖1 曲軸主軸和連桿分布及加工精度要求

以加工某六缸曲軸為例，使用Landis專用曲軸磨床LT2H加工，兩片CBN砂輪同時磨削，兩個中心架支撐M3和M5兩個軸頸，尺寸控制使用MARPOSS隨動量儀。加工完成后，軸頸尺寸合格，表面粗糙度合格，軸頸圓度為0.004～0.007mm，軸頸M4徑向圓跳動最大為0.15～0.18mm，圓度和徑向圓跳動均超過圖樣要求較多。

2 原磨削工藝徑向圓跳動和圓度

外圓磨削加工過程中，軸頸產生徑向圓跳動，說明曲軸在磨削時發生變形。磨削后曲軸變形恢復，導致磨削的外圓產生偏心。軸頸徑向圓跳動大，曲軸在高速回轉過程中，在外圓徑向圓跳動的高點和低點會產生沖擊，長期受沖擊會降低曲軸疲勞壽命，嚴重時可能會導致曲軸疲勞斷裂。原磨削工藝曲軸主軸頸徑向圓跳動與圖樣要求的對比見表1。

表1 原磨削工藝曲軸主軸頸徑向圓跳動與圖樣要求的徑向圓跳動對比 （單位：mm）

加工時使用ADCOLE測量儀測量13個軸頸的圓度，100%存在3～5個軸頸超差0.001～0.002mm，不符合圖樣要求。主軸頸圓度無法補償，連桿頸圓度可以通過ADCOLE測量儀測出來數據進行補償。加工過程中，中心架支撐M3和M5主軸頸，保證M3和M5的圓度，可以降低對連桿圓度的影響。軸頸產生圓度超差，說明磨削過程中砂輪和曲軸表面在某些時刻未完全按照預定軌跡運動，磨削后的表面經微觀放大后呈橢圓形或不規則形狀。圓度超差的曲軸在高速回轉時，不規則的表面會加劇軸頸和軸瓦之間相互摩擦，造成曲軸磨損速度加快，導致曲軸提前失效。原磨削工藝ADCOLE測量結果如圖2所示。

圖2 原磨削工藝ADCOLE測量結果

3 磨削過程中影響徑向圓跳動和圓度的因素

1）工件自身徑向圓跳動超差。前序工件徑向圓跳動超差，過大的不均勻余量影響工件在加工過程中的中心架支撐，導致工件未磨圓，在磨削后工件徑向圓跳動和圓度仍然超差。

2）頂尖徑向圓跳動超差。頭架頂尖徑向圓跳動超差，加工過程中曲軸產生徑向圓跳動，會造成曲軸徑向圓跳動和圓度均超差，此種現象在靠近頭架一側表現較為明顯。

3）砂輪端面軸向圓跳動超差。CBN砂輪磨削時轉速為2000～2500r/min，線速度為70～120m/s，端面軸向圓跳動大，磨削時的輕微擺動會導致磨削后工件軸徑徑向圓跳動和圓度超差。

4）冷卻不足。機床采用油冷方式，噴油嘴油路堵塞，磨削油沖刷壓力不足，無法及時將磨泥等雜質帶走。磨泥會積壓在砂輪表面導致砂輪不鋒利，砂輪和工件接觸面得不到充分冷卻，影響磨削質量。

5）機床磨削參數不合適。不合適的磨削參數會導致機床進刀出現撞刀，如前期工件相位差距大，工件余量不均勻，以及快速進刀未留足安全距離等，可能會導致快速移動過程中碰到工件。輕微的碰撞會導致砂輪脫粒，工件輕微移動導致磨削出現問題。此外，粗加工給精加工留的余量也會影響磨削質量。

6）磨削過程中應力釋放，磨削方式不合理。不合理的磨削方式會影響磨削應力釋放，比如隨動磨削連桿時，曲軸受到較大的磨削力，導致曲軸在加工過程中產生輕微變形，加工完成后可能出現徑向圓跳動和圓度超差。

7）中心架安裝不到位，中心架抬起/推出度超差。中心架的合金塊安裝在卡槽內以后，要求合金塊可以在卡槽內左右擺動，但不可以上下滑動。左右擺動是為了適應曲軸毛坯形狀差異，上下滑動會導致中心架在加工過程中支撐不穩定。中心架對于曲軸的抬起/推出度影響曲軸在加工過程中的受力，砂輪磨削力要和中心架支撐力相互抵消，才能使得工件在磨削時尺寸合格。

4 針對徑向圓跳動和圓度的調整方案

根據以上分析，優先檢查上述第1）～第5）項。檢查結果如下。

1）使用百分表測量加工前工件自身徑向圓跳動0.4mm，滿足工藝要求的＜0.6mm。

2）使用千分表測量頂尖徑向圓跳動0.004mm，不滿足要求的＜0.002mm，將頂尖徑向圓跳動調整為0.001mm后進行試加工工件，發現徑向圓跳動和圓度無明顯改善。

3）使用千分表測量砂輪端面軸向圓跳動0.01mm，滿足要求的＜0.025mm。

4）機床冷卻壓力正常，將砂輪架上噴油嘴拆下來重新清理干凈后裝上，試切工件后發現徑向圓跳動和圓度無改善。

5）核對機床參數，發現有部分余量不合適，將機床快速進刀終點向后調整0.1mm，觀察磨削過程快速進刀無火花產生，保證快速進刀砂輪未和工件接觸。

以上5項內容檢查后，發現磨削工件徑向圓跳動和圓度無明顯改善。根據第6）、第7）項影響因素進行分析，從磨削方式上轉變，以及保證在磨削過程中中心架的有效支撐，來消除曲軸變形對徑向圓跳動和圓度的影響[1]。

機床原磨削順序為：半精磨M3和M5→半精磨所有連桿→半精磨其余主軸→精磨M3和M5→精磨所有連桿→精磨其余主軸。

以上磨削順序在精磨階段，首先將主軸M3和M5精磨完成以后磨連桿，連桿在隨動磨削過程中，會導致曲軸受力不均而產生微量變形，導致M3和M5受力，產生徑向圓跳動和圓度誤差。精磨連桿以后，M3和M5產生變形，中心架支撐M3和M5磨其余主軸，會造成其余主軸也產生徑向圓跳動和圓度誤差。基于以上原因，調整磨削順序如下：半精磨M3和M5→半精磨所有連桿→半精磨其余主軸→第一次精磨M3和M5（留余量）→精磨所有連桿→第二次精磨M3和M5→精磨其余主軸。

調整磨削順序以后，曲軸各個主軸頸徑向圓跳動均合格，監控磨削4000件并統計平均徑向圓跳動數據。調整磨削順序后徑向圓跳動對比見表2。

表2 調整磨削順序后徑向圓跳動對比 （單位：mm）

根據近4000件工件的數據分析，發現徑向圓跳動均在圖樣要求范圍內，且最大徑向圓跳動僅0.07mm，加工過程穩定。

工件徑向圓跳動問題解決，但測量圓度依然無改善。檢查中心架的各個合金塊，將合金塊重新拆卸安裝，對每個安裝面進行清理，保證安裝后位置正確，并且調整中心架抬起/推出度。為保證中心架始終和工件表面接觸，使用4組抬起/推出度進行調試，分別為抬起0.005mm/推出0.008mm、抬起0.008mm/推出0.015mm、抬起0.010mm/推出0.020mm以及抬起0.015mm/推出0.025mm，使得中心架支撐曲軸的力逐漸加大。最終對比ADCOLE測量數據，發現抬起0.015mm/推出0.025mm時，所有主軸頸的圓度為0.003mm以下，達到工藝要求的＜0.005mm。針對連桿頸進行補償后，所有連桿軸頸圓度實際為0.002～0.0045mm，也滿足圖樣要求。經調整，使用ADCOLE測量各個軸頸數據。圖3為調整后ADCOLE測量情況。

圖3 調整后ADCOLE測量情況

圖3與圖2對比，軸頸圓度得到明顯改善，經3個月機床產品類型來回切換4次后跟蹤調整，軸頸圓度均在圖樣要求范圍內，說明合適的抬起/推出度對磨削后軸頸圓度起重要作用。

5 結束語

Landis專用曲軸磨床在工裝及加工參數不變的情況下，通過優化加工程序，改變相應的磨削順序，可以從根本上避免在磨削過程中因曲軸的變形而產生的徑向圓跳動，從而改善主軸頸徑向圓跳動大小。通過改變中心架的抬起/推出度，使用更合理的抬起/推出度數值，會改善軸頸在加工后的圓度。精磨主軸連桿徑向圓跳動和圓度的改善可以提高曲軸加工質量，高質量的曲軸在使用過程中的壽命也會得到相應的保障。