穆東輝 盧振洋 范晉偉 陳冬菊

(①北京工業(yè)大學(xué) 北京 100124；②北京聯(lián)合大學(xué) 北京 100101)

曲軸是汽車發(fā)動(dòng)機(jī)的關(guān)鍵零件，是決定汽車主要技術(shù)性能的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。由于自身結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和功能要求，曲軸具有非常高的精度指標(biāo)，特別是精磨時(shí)的加工難度大、工藝性差。國(guó)內(nèi)在很長(zhǎng)時(shí)期都采用傳統(tǒng)的偏心夾具的磨削方法進(jìn)行曲軸的精加工，但由于存在工件多次定位、精度差、加工效率低等諸多缺點(diǎn)，曲軸的傳統(tǒng)磨削方法已不能適應(yīng)目前汽車發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸零件加工的高精度、高效率、低成本、低能耗的需求。因此，近年來(lái)在國(guó)內(nèi)新建的曲軸生產(chǎn)線上開始采用隨動(dòng)磨削工藝，大量進(jìn)口隨動(dòng)式曲軸數(shù)控磨床。這種設(shè)備可在一次裝夾中完成曲軸止推面、主軸頸和連桿頸的磨削加工任務(wù)，既減少了工件裝卡時(shí)間又提高了產(chǎn)品精度。目前國(guó)內(nèi)在此領(lǐng)域的研究工作還處于樣機(jī)試制階段，很多關(guān)鍵技術(shù)有待突破。

曲軸隨動(dòng)磨床最核心的部件之一是液體靜壓電主軸，其旋轉(zhuǎn)精度、剛度、轉(zhuǎn)速以及運(yùn)轉(zhuǎn)的平穩(wěn)性直接影響曲軸隨動(dòng)磨床的磨削精度。液體靜壓電主軸是以液體靜壓軸承為支撐，將主軸和電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子集成在一體，實(shí)現(xiàn)了主軸的“零傳動(dòng)”[1]，相比于傳統(tǒng)皮帶傳動(dòng)主軸，電主軸省去了復(fù)雜的中間傳動(dòng)環(huán)節(jié)，具有調(diào)速范圍寬、振動(dòng)噪聲小、效率高、可快速起動(dòng)等優(yōu)點(diǎn)。然而，液體靜壓電主軸是否具備高回轉(zhuǎn)精度、高動(dòng)態(tài)剛度、高阻尼減振性還取決于電主軸結(jié)構(gòu)、液體靜壓軸承的結(jié)構(gòu)、主軸電動(dòng)機(jī)的支撐方式以及支撐液體靜壓主軸的砂輪架結(jié)構(gòu)等多種因素。

高性能液體靜壓電主軸是一項(xiàng)綜合、復(fù)雜的技術(shù)。由于裝配液體靜壓電主軸 ，可使曲軸隨動(dòng)磨床具有極高的生產(chǎn)率，而且可顯著地提高曲軸的加工精度和表面質(zhì)量，因此液體靜壓電主軸的研制是自主研發(fā)隨動(dòng)式曲軸磨床的重要環(huán)節(jié)，對(duì)提高國(guó)產(chǎn)曲軸隨動(dòng)磨床品質(zhì)和競(jìng)爭(zhēng)力有著深遠(yuǎn)的影響。

1 曲軸隨動(dòng)磨床液體靜壓電主軸的性能要求

研制和開發(fā)曲軸隨動(dòng)磨床液體靜壓電主軸面臨的第一個(gè)問(wèn)題是如何從曲軸隨動(dòng)磨床總體性能指標(biāo)要求中提取和凝練出液體靜壓電主軸性能指標(biāo)，進(jìn)而再圍繞液體靜壓電主軸性能指標(biāo)開展其總體設(shè)計(jì)、分析、詳細(xì)設(shè)計(jì)和研制的各個(gè)階段性任務(wù)。

隨著我國(guó)汽車工業(yè)的快速發(fā)展，曲軸生產(chǎn)廠家為了提高曲軸的加工效率，在保證曲軸的加工精度及質(zhì)量的前提下，盡量地壓縮加工節(jié)拍，對(duì)汽車曲軸隨動(dòng)磨床提出高效、高精、高可靠性的總要求。為了實(shí)現(xiàn)曲軸的高效加工，需要對(duì)曲軸外圓進(jìn)行大切深、高效率磨削，磨削加工余量很大，曲軸加工過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生強(qiáng)烈的振動(dòng)，這就要求砂輪主軸系統(tǒng)具備高轉(zhuǎn)速、高剛度和良好的阻尼特性；為了實(shí)現(xiàn)曲軸的高精度加工，則需要砂輪主軸系統(tǒng)有極高的旋轉(zhuǎn)精度；同時(shí)為了確保包括砂輪主軸系在內(nèi)的整個(gè)砂輪架具有高的加(減)速度特性，則需要砂輪主軸系統(tǒng)及其支承結(jié)構(gòu)的質(zhì)量要盡量的小，且要具有一定的抗振性來(lái)保證較高的動(dòng)態(tài)特性。

依據(jù)以上對(duì)曲軸隨動(dòng)磨床加工特點(diǎn)的分析，可初步概括出砂輪主軸系統(tǒng)應(yīng)當(dāng)具備高精度、高剛度、高轉(zhuǎn)速、高動(dòng)態(tài)特性的總體要求。下面再依據(jù)實(shí)際技術(shù)要求對(duì)這些性能要求做進(jìn)一步的細(xì)化分解：

(1)高精度 曲軸零件的加工型面多，需要保證的尺寸、形狀、位置精度也多，而且加工精度要求高。一般四缸發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸零件精密磨削的主要控制精度包括：主軸頸圓度≤0.004 mm，圓柱度≤0.005 mm；連桿頸圓度≤0.005 mm，圓柱度≤0.006 mm；表面粗糙度Ra≤0.32 μm。為滿足曲軸高精度的加工要求，本研發(fā)項(xiàng)目設(shè)定砂輪主軸系統(tǒng)的回轉(zhuǎn)精度為1 μm。

(2)高剛度 曲軸隨動(dòng)磨床砂輪主軸系統(tǒng)的剛度分為徑向剛度和軸向剛度。為了實(shí)現(xiàn)高轉(zhuǎn)速下變切削余量的高效磨削，砂輪主軸系統(tǒng)必須能夠提供充足的切削力以保證非圓磨削的精密位置控制。依據(jù)曲軸隨動(dòng)磨床的生產(chǎn)要求以及筆者的開發(fā)經(jīng)驗(yàn)，設(shè)定砂輪主軸系統(tǒng)的徑向剛度為350 N/μm；軸向剛度為400 N/μm。

(3)高轉(zhuǎn)速 曲軸隨動(dòng)磨床在磨削曲軸過(guò)程中，一般可采用高達(dá)120～160 m/s的磨削速度，針對(duì)曲軸隨動(dòng)磨床高速磨削要求，本文將砂輪主軸系統(tǒng)的轉(zhuǎn)速設(shè)定為6 000 r/min以上。

(4)高動(dòng)態(tài)特性 曲軸隨動(dòng)磨床磨削曲軸連桿頸的過(guò)程屬于隨動(dòng)磨削，曲軸隨動(dòng)磨削工藝可顯著地提高曲軸整體的磨削效率、磨削精度和加工柔性。隨動(dòng)磨削工藝是在砂輪主軸高速回轉(zhuǎn)、高效切削、進(jìn)給部件高加減速往復(fù)進(jìn)給等條件下實(shí)現(xiàn)的。本文設(shè)定進(jìn)給部件的最高設(shè)計(jì)加速度在2g以上。同時(shí)曲軸所有軸頸對(duì)磨削表面質(zhì)量要求又非常高，不能出現(xiàn)振紋，所以需要整個(gè)磨削系統(tǒng)具有良好的動(dòng)態(tài)特性。

2 曲軸磨床電主軸的總體設(shè)計(jì)

依據(jù)以上概括出的性能指標(biāo)要求，本文設(shè)計(jì)的曲軸隨動(dòng)磨床液體靜壓電主軸采取電動(dòng)機(jī)內(nèi)置直聯(lián)技術(shù)，將主軸和電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子集成在一體，省去了復(fù)雜的中間傳動(dòng)環(huán)節(jié)，從而具備了調(diào)速范圍寬、振動(dòng)噪聲小、可快速起動(dòng)和準(zhǔn)停等優(yōu)點(diǎn)。在砂輪架體內(nèi)部采取獨(dú)立冷卻水套系統(tǒng)，避免了電動(dòng)機(jī)高速運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)產(chǎn)生的熱量對(duì)主軸回轉(zhuǎn)精度造成影響。

本文設(shè)計(jì)的電主軸采用液體靜壓軸承支撐。液體靜壓軸承摩擦系數(shù)小、油膜剛度高、承載能力強(qiáng)，可使主軸在預(yù)定載荷和任意轉(zhuǎn)速下，都與軸承處于完全液體摩擦狀態(tài)，并可以吸收磨削過(guò)程中產(chǎn)生的振動(dòng)[2]，并且容易加工，能夠保證電主軸的旋轉(zhuǎn)精度，從而滿足曲軸隨動(dòng)磨床對(duì)曲軸精加工的要求。本文設(shè)計(jì)的電主軸內(nèi)部裝有MARPOSS軸芯式動(dòng)平衡儀，可以在線自動(dòng)平衡，能夠在高轉(zhuǎn)速時(shí)達(dá)到很好的平衡效果，避開發(fā)生共振的轉(zhuǎn)速區(qū)域，從而保證了液體靜壓電主軸能在平穩(wěn)運(yùn)轉(zhuǎn)的狀態(tài)下進(jìn)行曲軸精加工。

砂輪架體是液體靜壓電主軸的基礎(chǔ)支撐件，砂輪主軸組件將裝配于其中。而由于曲軸主軸頸和連桿頸不在同一軸線上，在磨削過(guò)程連桿頸回轉(zhuǎn)空間大，為防止在磨削過(guò)程中砂輪架與曲軸發(fā)生碰撞，在設(shè)計(jì)時(shí)必須確保砂輪架結(jié)構(gòu)緊湊。本文設(shè)計(jì)的液體靜壓電主軸的前后軸承是直接安裝于砂輪架箱體孔內(nèi)的，因此，在設(shè)計(jì)中，對(duì)砂輪架體軸承孔的尺寸、形狀、位置精度，孔自身與底部基面的平行度、前后兩個(gè)孔的同軸度等都給出了微米級(jí)的高精度要求。

3 液體靜壓電主軸設(shè)計(jì)的關(guān)鍵技術(shù)

液體靜壓電主軸是以液體靜壓軸承為支撐，采用電動(dòng)機(jī)直聯(lián)的主軸系統(tǒng)，液體靜壓軸承的特點(diǎn)是支撐剛度高、承載能力強(qiáng)，適合曲軸的大余量切削和高速、高精加工要求；液體靜壓電主軸設(shè)計(jì)的關(guān)鍵技術(shù)主要包括液體靜壓電主軸軸系的優(yōu)化設(shè)計(jì)、液體靜壓電主軸軸承設(shè)計(jì)、液體靜壓電主軸剛度校核等。電主軸電動(dòng)機(jī)是高速運(yùn)轉(zhuǎn)的部件，其性能直接關(guān)系到電主軸的輸出特性，選配專業(yè)高速電機(jī)廠商生產(chǎn)的電動(dòng)機(jī)和控制器，可節(jié)省設(shè)計(jì)時(shí)間，確保電動(dòng)機(jī)的性能。

在設(shè)計(jì)液體靜壓電主軸時(shí)，依據(jù)曲軸隨動(dòng)磨床液體靜壓電主軸性能要求，液體靜壓電主軸設(shè)計(jì)應(yīng)滿足主軸旋轉(zhuǎn)精度高且穩(wěn)定、主軸系統(tǒng)剛性好、振動(dòng)小、動(dòng)態(tài)性能穩(wěn)定、發(fā)熱低、不漏油、制造裝配簡(jiǎn)單，調(diào)整維修方便等技術(shù)要求。

3.1 液體靜壓電主軸軸系設(shè)計(jì)

(1)液體靜壓電主軸的支撐方式設(shè)計(jì)

液體靜壓電主軸常見的支撐方式主要有兩種：即電動(dòng)機(jī)后置式和電動(dòng)機(jī)內(nèi)裝式[3]，如圖1所示。后置式將電動(dòng)機(jī)安裝在主軸的尾部，靜壓軸承的結(jié)構(gòu)與常見的砂輪架靜壓主軸軸系相似，具有密封簡(jiǎn)單、安裝維護(hù)方便等特點(diǎn)。內(nèi)置式液體靜壓電主軸的電動(dòng)機(jī)安裝在前后軸承之間。內(nèi)裝式比后置式的主軸長(zhǎng)度要短，結(jié)構(gòu)緊湊，有利于增加液體靜壓電主軸的剛度和減小電主軸的彈性變形，適合在曲軸隨動(dòng)磨床上應(yīng)用。在保證加工工藝和裝配工藝的前提下，本文在支撐方式上選擇內(nèi)裝式液體靜壓電主軸。

(2)液體靜壓電主軸的電動(dòng)機(jī)選擇

電主軸設(shè)計(jì)中一般都選用電機(jī)專業(yè)廠商生產(chǎn)的各種類型的電動(dòng)機(jī)，而不再自行設(shè)計(jì)電動(dòng)機(jī)，這樣做既可以節(jié)省設(shè)計(jì)時(shí)間，又可以利用電機(jī)廠商的電機(jī)設(shè)計(jì)技術(shù)與經(jīng)驗(yàn)，以確保電主軸的可靠性和穩(wěn)定性。

電主軸電動(dòng)機(jī)有交流變頻調(diào)速異步電動(dòng)機(jī)和永磁同步電動(dòng)機(jī)兩大類。異步型電主軸具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、堅(jiān)固，維護(hù)簡(jiǎn)單，易于實(shí)現(xiàn)高速化的驅(qū)動(dòng)控制等優(yōu)點(diǎn)，是目前應(yīng)用最為廣泛的類型[4]。但其體積比較大。因此內(nèi)置式液體靜壓電主軸選用的是結(jié)構(gòu)緊湊的永磁同步主軸電動(dòng)機(jī)。

目前德國(guó)的西門子、瑞士的 EundA等公司專門提供電主軸電動(dòng)機(jī)，以便某些研究機(jī)構(gòu)自行設(shè)計(jì)電主軸。高速電動(dòng)機(jī)應(yīng)和變頻控制器共同使用，實(shí)現(xiàn)高速運(yùn)轉(zhuǎn)。根據(jù)曲軸隨動(dòng)磨床的磨削功率、靜壓軸承的摩擦損耗以及主軸系的結(jié)構(gòu)尺寸，本文液體靜壓電主軸設(shè)計(jì)中選用了德國(guó)西門子公司的2極高速電動(dòng)機(jī)，額定功率 30 kW、額定轉(zhuǎn)速7 600 r/min、定子外徑 170 mm、定子內(nèi)徑 110 mm、轉(zhuǎn)子外徑109.5 mm；轉(zhuǎn)子內(nèi)徑75 mm、鐵芯長(zhǎng)度180 mm、電動(dòng)機(jī)效率達(dá)到90%。

3.2 液體靜壓電主軸軸承設(shè)計(jì)

軸承是液體靜壓電主軸中關(guān)鍵的部件，因此電主軸的軸承設(shè)計(jì)是液體靜壓電主軸設(shè)計(jì)的關(guān)鍵要素，在軸承設(shè)計(jì)過(guò)程中主要以液體靜壓電主軸的高剛度、高精度、高轉(zhuǎn)速等技術(shù)指標(biāo)為依據(jù)，細(xì)致分析和核算靜壓軸承的各項(xiàng)參數(shù)。在電主軸軸承設(shè)計(jì)過(guò)程中主要采取以下幾個(gè)核心的設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)。

(1)靜壓軸承結(jié)構(gòu)參數(shù)計(jì)算

如圖2所示，本文設(shè)計(jì)的液體靜壓軸承在軸瓦內(nèi)表面上開有4個(gè)對(duì)稱的油腔。另外，液體靜壓軸承按照回油方式不同分為有周向回油和無(wú)周向回油軸承[5]兩類。周向回油軸承的計(jì)算最簡(jiǎn)單，且其承載能力大，油膜剛度高。綜合考慮上述因素，本文研究的液體靜壓電主軸的軸承選定為有周向回油的4油腔等面積液體靜壓軸承。

根據(jù)曲軸隨動(dòng)磨床的精度要求，承載能力以及機(jī)床設(shè)計(jì)手冊(cè)和磨床設(shè)計(jì)中給出的液體靜壓軸承計(jì)算公式確定出靜壓軸承的參數(shù)如下：軸承長(zhǎng)度L=135 mm；封油面長(zhǎng)S=12 mm；回油槽寬度b1=6 mm；軸承半徑間隙h0=0.025 mm；回油槽深度l1=3 mm；油腔有效承載面積Ae=5 300 mm2。

(2)節(jié)流器和供油壓力確定

曲軸隨動(dòng)磨床，工作載荷大，精度要求高，必須具備極高的油膜剛度。通過(guò)對(duì)滑閥節(jié)流器和小孔節(jié)流器參數(shù)的合理設(shè)計(jì)均可以滿足高剛度的要求。但由于滑閥節(jié)流器結(jié)構(gòu)復(fù)雜，使用調(diào)整較難，且在階躍載荷作用下的過(guò)渡時(shí)間較長(zhǎng)。因此本設(shè)計(jì)最終決定選用小孔節(jié)流器。

選擇節(jié)流比β=1.7，供油壓力Ps=2.5 MPa。小孔節(jié)流靜壓軸承適用低粘度潤(rùn)滑油，因?yàn)榈驼扯葷?rùn)滑油摩擦阻力小，相同的軸承尺寸下，流量較大，有利于軸承的散熱。本設(shè)計(jì)選擇2號(hào)主軸油為液體靜壓軸承的潤(rùn)滑油。

3.3 液體靜壓電主軸系統(tǒng)剛度校核

液體靜壓電主軸系統(tǒng)的剛度，包括軸承剛度和主軸本身的剛度。設(shè)計(jì)中如果只計(jì)算軸承剛度，而忽略主軸本身剛度，主軸就無(wú)法達(dá)到較高的旋轉(zhuǎn)精度。主軸系統(tǒng)剛度檢驗(yàn)準(zhǔn)則[6]：在主軸承受最大載荷時(shí)，在軸承端部的Q點(diǎn)處(見圖3)，不允許軸頸與軸承直接接觸，要求這個(gè)位移變形量控制在軸承半徑間隙(h)的 1/3之內(nèi)。

不計(jì)接觸變形時(shí)，Q點(diǎn)處主軸位移變形量 f 為：

根據(jù)上述公式，本文在通過(guò)對(duì)液體靜壓電主軸系統(tǒng)各結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化后，獲得了前述的主軸結(jié)構(gòu)參數(shù)指標(biāo)，計(jì)算結(jié)果表明主軸位移量滿足設(shè)計(jì)要求的主軸撓度。

3.4 液體靜壓電主軸系統(tǒng)回轉(zhuǎn)精度測(cè)試

高精度主軸系統(tǒng)回轉(zhuǎn)精度測(cè)試技術(shù)是液體靜壓電主軸研制的重要環(huán)節(jié)。本設(shè)計(jì)利用磨削技術(shù)實(shí)驗(yàn)室主軸動(dòng)態(tài)回轉(zhuǎn)精度測(cè)試平臺(tái)進(jìn)行試驗(yàn)，該平臺(tái)采用標(biāo)準(zhǔn)球法來(lái)進(jìn)行測(cè)試，可以通過(guò)測(cè)試軟件系統(tǒng)輸出直觀的測(cè)試記錄[7]。在測(cè)試時(shí)采用高精度、高靈敏度的電渦流傳感器來(lái)進(jìn)行測(cè)試，其精度可達(dá)0.1 μm，輸出±5 V電壓信號(hào)。采用高精度的標(biāo)準(zhǔn)球與液體靜壓電主軸聯(lián)接在一起，通過(guò)測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)球的動(dòng)態(tài)回轉(zhuǎn)精度來(lái)確定砂輪主軸的回轉(zhuǎn)精度。

砂輪主軸動(dòng)態(tài)回轉(zhuǎn)誤差經(jīng)試驗(yàn)測(cè)量，軟件輸出結(jié)果如圖4所示。從圖4中可以看出，砂輪軸回轉(zhuǎn)精度為0.959 3 μm，達(dá)到了設(shè)計(jì)要求。

本文根據(jù)以上的設(shè)計(jì)方案和參數(shù)計(jì)算方法，完成了液體靜壓電主軸的詳細(xì)設(shè)計(jì)，研制出的液體靜壓電主軸如圖5所示，電主軸放置在砂輪架體中，由前后兩個(gè)徑向靜壓軸承共同支撐，同時(shí)配置了止推軸承，使主軸可同時(shí)承受徑向和軸向載荷。該液體靜壓電主軸的回轉(zhuǎn)精度小于1 μm，其它各項(xiàng)指標(biāo)也均滿足前述的高精度、高剛度、高轉(zhuǎn)速等性能要求，可以完全替代國(guó)外產(chǎn)品，使得汽車曲軸隨動(dòng)磨床的成本大大降低。

4 結(jié)語(yǔ)

(1)汽車曲軸隨動(dòng)磨床由于具有高效、高精、高可靠性的特殊要求，其設(shè)計(jì)制造難度極大，對(duì)其核心功能部件電主軸的設(shè)計(jì)，采取電動(dòng)機(jī)直聯(lián)技術(shù)，簡(jiǎn)化了結(jié)構(gòu)，減少了振源，實(shí)現(xiàn)了高回轉(zhuǎn)精度及同步性，而且可顯著地提高曲軸的加工精度和表面質(zhì)量。

(2)在設(shè)計(jì)曲軸隨動(dòng)磨床電主軸時(shí)，要時(shí)刻考慮高剛度、高轉(zhuǎn)速、高精度的設(shè)計(jì)要求，電主軸采用液體靜壓軸承作支撐，提高了電主軸的旋轉(zhuǎn)精度和主軸系統(tǒng)的剛度?；谟?jì)算設(shè)計(jì)公式，優(yōu)化軸承的結(jié)構(gòu)尺寸，并對(duì)主軸系統(tǒng)進(jìn)行了剛度校核和回轉(zhuǎn)精度測(cè)試，是設(shè)計(jì)中的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。

(3)研制出具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的高精度、高效率的液體靜壓電主軸，該主軸能夠替代國(guó)外產(chǎn)品，降低了汽車曲軸隨動(dòng)磨床的成本，提升國(guó)內(nèi)曲軸磨床的競(jìng)爭(zhēng)力。

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