神龍汽車有限公司（湖北襄陽(yáng) 441004）葉宗茂

神龍汽車有限公司襄陽(yáng)工廠質(zhì)檢分部計(jì)量室高級(jí)專家葉宗茂

曲軸是引擎的主要旋轉(zhuǎn)零件，為了滿足用戶對(duì)乘用車動(dòng)力的卓越性能的需要，曲軸從外形到軸頸形狀都在發(fā)生變化，如為了保證曲軸高速運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)下良好潤(rùn)滑的需要，曲軸軸頸必須為中凸形，我公司某新款發(fā)動(dòng)機(jī)要求其曲軸的每個(gè)軸頸的桶面度誤差在1～3μm之間。如何在現(xiàn)有的檢測(cè)資源條件下，正確測(cè)量和評(píng)價(jià)軸頸的桶面度誤差，驗(yàn)證工藝方法的執(zhí)行效果呢？

曲軸軸頸桶面度公差的提出

曲軸軸頸桶面度公差定義為軸頸外圓素線對(duì)平行于曲軸軸線的直線之間設(shè)計(jì)要求凸出的偏移值；桶面度誤差是指在曲軸軸向一定的測(cè)量范圍內(nèi)，軸頸外圓最高點(diǎn)與最低點(diǎn)的徑向距離，如圖1所示。曲軸軸頸的桶面形狀有利于形成油楔，可較大提高曲軸在高速旋轉(zhuǎn)下的潤(rùn)滑性能。

曲軸軸頸的凸凹程度直接影響到發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸連桿機(jī)構(gòu)這一重要運(yùn)動(dòng)副的潤(rùn)滑磨損，影響發(fā)動(dòng)機(jī)的輸出功率，因此，曲軸桶面度公差的提出有利于提高發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸的工藝性能，保證發(fā)動(dòng)機(jī)的運(yùn)行質(zhì)量，同時(shí)可有效減小曲軸在發(fā)動(dòng)機(jī)高速運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中產(chǎn)生的機(jī)械噪音，提高駕駛的舒適性。

曲軸桶面度誤差的測(cè)量實(shí)踐與探索

圖1 桶面度誤差示意圖

圖2曲軸功能圖是我們公司最新引進(jìn)的一款三缸渦輪增壓發(fā)動(dòng)機(jī)的曲軸，功能圖技術(shù)要求上明確提出了主軸頸/連桿頸桶面度公差要求為：1μm≤Z≤3μm，評(píng)定長(zhǎng)度為14mm。

為了準(zhǔn)確測(cè)量出曲軸軸頸桶面度誤差，驗(yàn)證工藝方法的執(zhí)行效果，我們分別在輪廓儀、圓度儀及ADCOLE軸類綜合測(cè)量?jī)x等三種測(cè)量?jī)x器上進(jìn)行了測(cè)量試驗(yàn)，通過(guò)對(duì)測(cè)試結(jié)果的分析比較，最終找到了一種準(zhǔn)確高效、安全可靠、方便快捷的桶面度誤差測(cè)量方法——ADCOLE測(cè)量法。通過(guò)編輯自動(dòng)測(cè)量程序，實(shí)現(xiàn)了曲軸軸頸桶面度自動(dòng)測(cè)量、自動(dòng)分析評(píng)價(jià)與自動(dòng)輸出桶面度測(cè)量結(jié)果的全自動(dòng)CNC的數(shù)字化測(cè)量，測(cè)量一個(gè)零件僅需要3min，實(shí)現(xiàn)了對(duì)新款發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸產(chǎn)品制造工藝方法的的驗(yàn)證，有效的指導(dǎo)了工藝方法的優(yōu)化、設(shè)備的調(diào)試與能力值的驗(yàn)收，進(jìn)而保證了新款發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸的符合性質(zhì)量。

圖2 具有軸頸桶面度公差要求的曲軸功能圖

1.ADCOLE軸類綜合測(cè)量?jī)x簡(jiǎn)介

ADCOLE 軸類綜合測(cè)量?jī)x是由美國(guó)艾帝科測(cè)量設(shè)備有限公司生產(chǎn)制造，其產(chǎn)品性能主要特點(diǎn)為：計(jì)算機(jī)控制，帶觸摸屏操作，徑向測(cè)量采用雙海德漢光柵，測(cè)量精度0.5μm，分辨率0.1μm，軸向測(cè)量采用雙圓柱導(dǎo)軌，直線精度0.5μ m/50m m，主軸回轉(zhuǎn)精度0.25μm、定位精度1〞；采用雙頂尖定位，立式裝夾曲軸；可測(cè)量的曲軸參數(shù)有曲軸主軸頸和連桿徑的直徑、圓度、圓柱度、錐度、平行度、直線度、桶面度、中截面偏差、主軸頸徑向跳動(dòng)、偏心、連桿徑的角向位置、曲拐半徑、對(duì)稱度、位置度，曲軸止推面、法蘭端面、鏈輪端面跳動(dòng)和垂直度等；采用專用測(cè)量分析軟件，評(píng)價(jià)功能強(qiáng)大，分析功能完善，并配以快速的數(shù)據(jù)處理及圖形顯示、打印等功能來(lái)滿足用戶不同曲軸測(cè)量分析的需要，該設(shè)備具有一次采樣多次分析的功能，可實(shí)現(xiàn)全自動(dòng)CNC曲軸全尺寸測(cè)量功能，可滿足新款發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸產(chǎn)品桶面度測(cè)量需求。

2.ADCOLE測(cè)量評(píng)價(jià)軸頸桶面度的原理與方法

ADCOLE設(shè)備測(cè)量評(píng)價(jià)曲軸桶面度的原理是基于確定直線度掃描起始點(diǎn)和結(jié)束點(diǎn)之間的中間點(diǎn)的高度，這個(gè)值可能為正，也可能為負(fù)，測(cè)量結(jié)果為正，說(shuō)明軸頸中部是凸起的，測(cè)量結(jié)果為負(fù)，說(shuō)明中部是凹下去的，高速發(fā)動(dòng)機(jī)為了保證曲軸的潤(rùn)滑效果，規(guī)定桶面度為正偏差，即只允許軸頸中部凸起；桶面度不同于直線度誤差，它只評(píng)價(jià)直線中間點(diǎn)到所評(píng)定的兩個(gè)端點(diǎn)之間的距離，其評(píng)價(jià)曲軸桶面度的方法如圖3所示。

（1）曲軸零件數(shù)據(jù)文件的建立。ADCOLE在測(cè)量零件前，必須先建立零件數(shù)據(jù)文件，數(shù)據(jù)文件主要內(nèi)容包括主軸頸和連桿頸數(shù)量、各軸頸中截面位置、直徑公差、幾何量公差、零件軸向基準(zhǔn)到儀器0點(diǎn)的位置、軸向掃描長(zhǎng)度及徑向掃描截面數(shù)量等等；利用ADCOLE的零件數(shù)據(jù)文件公用程序Part.Dat,建立EB2DTS曲軸零件數(shù)據(jù)文件EB2DTS.Dat,由于桶面度不是通用幾何量術(shù)語(yǔ)，其公差的設(shè)置需要在測(cè)量程序中添加。

（2）曲軸桶面度測(cè)量程序的建立。ADCOLE進(jìn)行零件檢測(cè)是由測(cè)量程序文件指導(dǎo)測(cè)量機(jī)動(dòng)作，測(cè)量程序包含了在檢測(cè)中要運(yùn)行的指令清單。當(dāng)測(cè)量零件時(shí)，測(cè)量機(jī)讀出該指令清單，并按順序執(zhí)行各指令，測(cè)量程序是在ADCOLE的Seqbuild公用程序編輯器中編制，Seqbuild調(diào)用零件數(shù)據(jù)文件中的信息，如上面建立的EB2DT曲軸零件數(shù)據(jù)文件EB2DTS.Dat中的信息，按用戶的檢測(cè)規(guī)劃及設(shè)置自動(dòng)生成標(biāo)準(zhǔn)測(cè)量程序，但不是檢測(cè)零件所需的所有信息都包含在零件數(shù)據(jù)文件中，如標(biāo)定以及零件基準(zhǔn)的測(cè)量所需的信息需要由用戶輸入。

測(cè)量桶面度時(shí)，測(cè)頭沿零件軸線進(jìn)行線性掃描，依據(jù)EB2DTS曲軸產(chǎn)品功能圖上的桶面度技術(shù)要求，線性掃描長(zhǎng)度為14mm。

圖3 桶面度測(cè)量評(píng)價(jià)示意圖

（3）曲軸桶面度可編程測(cè)量報(bào)告模板的建立。Adcole1100型測(cè)量機(jī)可提供可編程報(bào)告，幫助保存和發(fā)布數(shù)據(jù)，根據(jù)EB2DTS曲軸全尺寸及桶面度測(cè)量需求，我們編輯了包含桶面度在內(nèi)的EB2DTS曲軸零件全尺寸可編程測(cè)量報(bào)告模板REPORT1116.CRK，按此報(bào)告模版打印的測(cè)量報(bào)告如表1所示（節(jié)選），包含了軸頸桶面度的公差與測(cè)量結(jié)果。

3.曲軸桶面度測(cè)量結(jié)果的準(zhǔn)確性和重復(fù)性驗(yàn)證

從表1所示的測(cè)量結(jié)果中可以看出：被測(cè)零件各個(gè)軸頸的桶面度為負(fù)數(shù)，說(shuō)明被測(cè)零件各個(gè)軸頸的桶形為中凹形，不符合該產(chǎn)品的桶面度公差要求。

為了驗(yàn)證ADCOLE測(cè)量桶面度的準(zhǔn)確性，我們用泰勒·霍普森的FTS－i120型臺(tái)式粗糙度儀測(cè)量了該零件各個(gè)軸頸的表面形貌，如圖4所示的圖形為第一連桿頸表面形貌，從第一連桿頸表面形貌圖上可很直觀的判斷出被測(cè)零件該軸頸桶面形狀中部是凹下去的，且凹下的幅值為1.4μm，這與ADCOLE測(cè)量的該軸頸桶面度測(cè)量結(jié)果僅差0.1μm，說(shuō)明ADCOLE桶面度測(cè)量結(jié)果是準(zhǔn)確的。

表1 曲軸桶面度測(cè)量報(bào)告

為了驗(yàn)證ADCOLE測(cè)量桶面度的重復(fù)性和再現(xiàn)性，我們分別對(duì)1件零件進(jìn)行重復(fù)裝夾，重復(fù)測(cè)量3次，測(cè)量結(jié)果如表2所示，7個(gè)軸頸3次測(cè)量結(jié)果的桶面度最大重復(fù)性誤差為0.0005mm，說(shuō)明桶面度的ADCOLE測(cè)量結(jié)果是可靠的，測(cè)量結(jié)果的重復(fù)性和再現(xiàn)性是滿足產(chǎn)品桶面度公差的測(cè)量要求。

4.測(cè)量結(jié)果對(duì)工藝的指導(dǎo)

從表1的測(cè)量報(bào)告和圖4的軸頸表面形貌圖形報(bào)告中可以得出這樣的結(jié)論：被測(cè)零件軸頸的桶面度是不合格的，不滿足產(chǎn)品的技術(shù)要求。這說(shuō)明調(diào)試加工的EB2DTS曲軸的軸頸中部是凹下去的，且凹下的幅度在1～2μm之間，而產(chǎn)品要求軸頸中部是凸的，且中部凸起1～3μm，由此，調(diào)試加工的零件是不合格的。

表2 EB2DTS曲軸軸頸桶面度測(cè)量結(jié)果統(tǒng)計(jì)表（mm）

測(cè)量結(jié)果反饋給新項(xiàng)目組的工藝人員及磨床供應(yīng)商后，供應(yīng)商對(duì)磨床砂輪的素線形狀按照零件的測(cè)量結(jié)果進(jìn)行了修整，重新加工零件，零件所有軸頸的桶面度測(cè)量結(jié)果變?yōu)檎?，說(shuō)明工藝優(yōu)化后軸頸的桶面形狀為中凸形，且中部凸起在1～3μm，工藝優(yōu)化后的軸頸桶面度測(cè)量結(jié)果如表3所示。

表3 工藝優(yōu)化后的曲軸零件測(cè)量報(bào)告

圖4 軸頸表面形貌圖形報(bào)告

圖5 工藝優(yōu)化后的軸頸表面形貌圖形報(bào)告

為了進(jìn)一步驗(yàn)證工藝優(yōu)化后的桶面度測(cè)量結(jié)果的準(zhǔn)確性，我們又在粗糙度儀上測(cè)量該零件各個(gè)軸頸的表面形貌，如圖5所示的表面形貌為第三連桿頸表面形狀，可以很直觀的看出該零件桶面形狀為中凸形，凸起的幅值為2.7μm,與ADCOLE測(cè)量的該軸頸桶面度測(cè)量結(jié)果僅差0.1μm。工藝優(yōu)化后的零件加工結(jié)果桶面度合格，滿足了產(chǎn)品的技術(shù)要求。

由此可得出結(jié)論：ADCOLE測(cè)量曲軸軸頸桶面度的方法，不僅準(zhǔn)確高效，而且能夠指導(dǎo)工藝優(yōu)化，正確驗(yàn)證工藝方法的執(zhí)行效果，可有效服務(wù)制造工藝的提升。

5.曲軸桶面度的ADCOLE測(cè)量方法與其他測(cè)量方法的效率比較

曲軸桶面度也可以用輪廓儀測(cè)量，但輪廓儀測(cè)量效率較低。原因是桶面度測(cè)量時(shí)要求測(cè)頭沿曲軸軸向移動(dòng)時(shí)始終在軸頸的同一條素線上，而零件在輪廓儀上的支撐用的是一對(duì)V形鐵，曲軸橫放在V形鐵上，用V形鐵來(lái)模擬零件軸線，V形鐵又放置在輪廓儀大理石平臺(tái)上或大理石平臺(tái)上的固定支架上，這樣在測(cè)量軸頸桶面度時(shí)，操作者需要花大量時(shí)間來(lái)調(diào)整零件的軸線與輪廓儀測(cè)量基準(zhǔn)軸線的平行，稍有偏離就會(huì)產(chǎn)生較大的測(cè)量誤差；第二在輪廓儀上分析桶面度，靠的是操作人員手動(dòng)分析，一個(gè)三缸曲軸測(cè)完所有軸頸最低需要30min，而且重復(fù)性較差，第三在輪廓儀上測(cè)量分析桶面度，需要找準(zhǔn)每個(gè)軸頸軸向長(zhǎng)度的中點(diǎn)，這樣測(cè)量軸頸素線時(shí)必須從曲軸每一個(gè)軸頸的一端的沉割槽開(kāi)始測(cè)量到另一端的沉割槽結(jié)束，測(cè)量長(zhǎng)度稍有偏差，測(cè)量時(shí)就有掛斷測(cè)針的風(fēng)險(xiǎn)或不能完成測(cè)量任務(wù)的風(fēng)險(xiǎn)。

曲軸桶面度也可以用圓度儀測(cè)量，由于曲軸在圓度儀上的定位裝夾大都采用三爪卡盤(pán)立式裝夾，為了減小測(cè)量誤差，測(cè)量時(shí)需要花費(fèi)很長(zhǎng)時(shí)間對(duì)零件進(jìn)行調(diào)平調(diào)心，以保證圓度儀主軸軸線與工件軸線的平行，測(cè)量桶面度時(shí)才能保證測(cè)頭沿曲軸軸向的移動(dòng)始終在軸頸的同一條素線上，由于圓度儀測(cè)頭一般為球形測(cè)頭，軸線稍有偏差就會(huì)帶來(lái)較大的桶面度測(cè)量誤差。另外圓度儀的分析軟件在分析桶面度時(shí)，柔性化不夠，僅僅是一種近似的評(píng)價(jià)，誤差較大。

而在ADCOLE1100曲軸綜合測(cè)量?jī)x上測(cè)量分析桶面度，零件定位采用上下頂尖，定位精度高，測(cè)量頭采用的是平直的圓柱測(cè)頭，不需要調(diào)整,軸向掃描長(zhǎng)度和每個(gè)軸頸軸向中點(diǎn)的定義都是嚴(yán)格按照產(chǎn)品圖上的軸向尺寸的位置設(shè)定在測(cè)量程序數(shù)據(jù)文件中，可以采用自動(dòng)測(cè)量程序直接在測(cè)量曲軸各種其他參數(shù)時(shí)一同測(cè)量出桶面度,測(cè)量一個(gè)3缸曲軸全尺寸也僅需要5min，測(cè)量的準(zhǔn)確度、重復(fù)性、再現(xiàn)性和一致性都很高。