方桂景

摘要：曲軸加工質(zhì)量的優(yōu)劣，直接影響到柴油機(jī)的整機(jī)工作性能和使用壽命。通過(guò)對(duì)某款柴油機(jī)曲軸加工工藝中造成徑向圓跳動(dòng)超差的原因分析，找出生產(chǎn)中控制徑向圓跳動(dòng)的工藝方法，使曲軸加工質(zhì)量得到有效控制，提高了曲軸的加工質(zhì)量和整機(jī)性能。

主題詞：曲軸；徑向圓跳動(dòng)；車(chē)削；磨削

曲軸的主要作用是將活塞的往復(fù)運(yùn)動(dòng)，通過(guò)連桿轉(zhuǎn)變成自身的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)并輸出動(dòng)力，其加工質(zhì)量的優(yōu)劣，直接影響到柴油機(jī)的整機(jī)工作性能和使用壽命。

曲軸在機(jī)體中的轉(zhuǎn)動(dòng)是靠其主軸頸與軸承蓋的配合完成的，因此，主軸頸徑向圓跳動(dòng)的大小將直接影響主軸轉(zhuǎn)動(dòng)過(guò)程中的配合間隙和轉(zhuǎn)動(dòng)副的潤(rùn)滑程度。若跳動(dòng)超差，將使轉(zhuǎn)動(dòng)副失去潤(rùn)滑而無(wú)法工作，甚至?xí)斐烧麢C(jī)的質(zhì)量事故，因此曲軸主軸頸徑向圓跳動(dòng)必須得到有效的控制。

問(wèn)題描述

濰柴重機(jī)股份有限公司自行開(kāi)發(fā)、生產(chǎn)的某款具備國(guó)內(nèi)先進(jìn)水平的六缸柴油機(jī)具備結(jié)構(gòu)緊湊等特點(diǎn)，其所匹配曲軸的主軸頸和連桿頸的空間布置緊湊，各項(xiàng)技術(shù)參數(shù)要求嚴(yán)格。

此款曲軸材料采用QT800-2球墨鑄鐵整體鑄造，材料硬度260～300HBS。曲軸全長(zhǎng)1612mm，連桿頸回轉(zhuǎn)半徑100mm±0.05mm；主軸頸直徑150-0.01 -0.035mm，連桿頸直徑135-0.01 -0.035mm，軸頸圓柱度0.012mm，表面粗糙度值Ra=0.5mm；各連桿頸對(duì)第一、第七主軸頸的平行度為0.03mm/100mm，第四主軸頸對(duì)第一、第七主軸頸的徑向圓跳動(dòng)為0.07mm。部分設(shè)計(jì)要求如圖1所示。

1.生產(chǎn)工藝簡(jiǎn)介

此款曲軸加工制造屬大批量生產(chǎn)類(lèi)型，加工工藝采用流水線(xiàn)形式，生產(chǎn)線(xiàn)由通用設(shè)備和專(zhuān)機(jī)組成。主要分為軸頸車(chē)削與磨削加工、油孔加工、法蘭孔加工、探傷、熱處理、動(dòng)平衡及清理等工序。曲軸加工工藝流程見(jiàn)表1。

2.測(cè)量數(shù)據(jù)

任意抽取10臺(tái)曲軸測(cè)量第四主軸頸徑向圓跳動(dòng)測(cè)量數(shù)據(jù)，見(jiàn)表2。從結(jié)果看，主軸頸徑向圓跳動(dòng)加工誤差已遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出設(shè)計(jì)要求，且分布無(wú)規(guī)律，加工質(zhì)量難以滿(mǎn)足柴油機(jī)的正常運(yùn)轉(zhuǎn)要求。

原因分析

在曲軸加工過(guò)程中，主軸頸與連桿頸磨削工序加工余量較小，很難糾正較大的跳動(dòng)誤差，同時(shí)由于磨削軸頸時(shí)使用中心架支撐，因此在磨削主軸頸與連桿頸時(shí)不會(huì)產(chǎn)生大的徑向圓跳動(dòng)誤差。曲軸熱處理工藝中都安排有校正工序，也不會(huì)對(duì)主軸徑向圓跳動(dòng)誤差產(chǎn)生較大影響，且能糾正前面粗加工過(guò)程中產(chǎn)生的部分徑向圓跳動(dòng)誤差。

1.車(chē)削加工工藝分析

在主軸頸車(chē)削加工中，為分散加工余量，盡量減小主軸徑向圓跳動(dòng)誤差，車(chē)削工藝安排為：粗車(chē)主軸頸→去應(yīng)力→精車(chē)主軸頸。雖然去應(yīng)力工藝能夠糾正粗加工產(chǎn)生的主軸頸徑向圓跳動(dòng)誤差，但其糾正力度并不是無(wú)限的，它只能糾正部分誤差，因此在粗加工過(guò)程中產(chǎn)生的大于糾正限度的跳動(dòng)誤差將會(huì)累積到精車(chē)工序中，因此在粗車(chē)工序中必須控制跳動(dòng)誤差。

（1）彎曲變形 曲軸裝夾過(guò)程中，在頂尖的作用下，軸向頂緊力使曲柄臂產(chǎn)生內(nèi)彎矩，曲柄臂在曲軸主軸軸線(xiàn)方向的位移變動(dòng)s，每個(gè)曲柄臂將產(chǎn)生2s的軸向壓縮，如圖2所示。操作者按照以往習(xí)慣的夾緊方法操作，經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)在曲軸每個(gè)拐臂用百分表測(cè)定，在頂尖頂緊力的作用下，曲軸軸向頂緊過(guò)程中每個(gè)拐臂的變化量s在0.01～0.02mm，整臺(tái)曲軸在軸向頂緊力作用下達(dá)到0.12～0.24mm的變形壓縮量。經(jīng)計(jì)算，曲柄臂的內(nèi)彎矩作用使曲軸產(chǎn)生彎曲變形t=2s×曲柄半徑÷曲軸總長(zhǎng)=0.016～0.26mm。

以上證明，頂尖頂緊力過(guò)大，會(huì)造成曲軸的彎曲變形t，頂緊力卸載后，由于工件的彈性恢復(fù)，同樣的彎曲變形量t將累積到主軸頸徑向圓跳動(dòng)誤差中，造成曲軸徑向圓跳動(dòng)的超差。因此，為提高主軸車(chē)削的主軸頸徑向圓跳動(dòng)精度，必須控制軸向裝夾的彎曲變形量問(wèn)題，確保車(chē)床尾座頂尖有合適大小的頂緊力，既要保證對(duì)工件的可靠頂緊，又要盡量減小頂緊力造成的彎曲變形對(duì)主軸頸徑向圓跳動(dòng)的影響。

（2）切削力影響 曲軸主軸車(chē)削工序，主要靠普通車(chē)床完成。一方面，設(shè)備老化嚴(yán)重，絲杠、拖板等間隙過(guò)大，頂尖鎖緊力度差，車(chē)削過(guò)程中刀具竄動(dòng)過(guò)大，導(dǎo)致加工中產(chǎn)生的切削力增大。而由于曲軸的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)限制無(wú)法使用跟刀架，使曲軸在加工過(guò)程中產(chǎn)生彎曲變形，加工完成后變形恢復(fù)，增大了主軸頸徑向圓跳動(dòng)的誤差，車(chē)削精度無(wú)法達(dá)到工藝要求。

另一方面，粗車(chē)軸頸工序中，鑄造毛坯余量大，分型面錯(cuò)箱嚴(yán)重，使粗車(chē)機(jī)床沖擊過(guò)大，磨損嚴(yán)重，導(dǎo)致加工中產(chǎn)生的切削力增大，使曲軸加工中產(chǎn)生的彎曲變形累積加大，無(wú)法保持正常精度。這是造成曲軸主軸頸徑向圓跳動(dòng)超差的核心因素。

2.磨削加工工藝分析

（1）主軸頸磨削工序 主軸頸磨削工序使用普通外圓磨床進(jìn)行加工。為了保證各主軸頸的加工精度及第四主軸頸對(duì)第一和第七主軸頸的跳動(dòng)要求，主軸頸的磨削采用曲軸兩端中心孔為主要定位基準(zhǔn)，如圖3所示。

曲軸依靠外圓磨床的頭架單驅(qū)動(dòng)，在前后頂尖和中心架的支撐下逐步對(duì)主軸頸進(jìn)行磨削，在磨削過(guò)程中分別在第二、第四和第六主軸頸上使用中心架支撐。產(chǎn)品的尺寸精度和技術(shù)要求都有人工直接干預(yù)，特別是對(duì)中心架兩個(gè)方向支撐力量的控制。由于曲軸具有細(xì)長(zhǎng)軸類(lèi)零件的加工特點(diǎn)，在加工過(guò)程中極易產(chǎn)生彎曲變形，隨著被加工材料的去除，各主軸頸外圓與所使用的中心托架之間會(huì)出現(xiàn)一定的間隙，使曲軸主軸頸徑向圓跳動(dòng)誤差增大。

（2）連桿頸磨工序 連桿頸磨削工序使用曲軸磨床進(jìn)行加工，為了保證連桿頸回轉(zhuǎn)半徑要求和平行度要求，連桿頸的磨削采用第一和第七主軸頸表面為主要定位基準(zhǔn)，采用定位銷(xiāo)孔作為相位角的定位基準(zhǔn)，在磨削過(guò)程中分別在同時(shí)磨削的連桿頸上使用中心架支撐。磨床的頭尾架卡盤(pán)以頭尾架中心軸線(xiàn)為基準(zhǔn)，按照曲軸主軸頸和連桿頸的沖程偏心量進(jìn)行調(diào)整，使頭尾架卡盤(pán)夾持連桿頸的中心圍繞頭尾架主軸的旋轉(zhuǎn)中心，進(jìn)行對(duì)連桿頸直徑的磨削加工。

同時(shí)，為了避免曲軸在加工旋轉(zhuǎn)中不均勻的運(yùn)轉(zhuǎn)產(chǎn)生的的離心力影響，在磨床頭尾架后側(cè)都設(shè)有配重裝置，從而改善和均衡頭尾架的旋轉(zhuǎn)穩(wěn)定性。磨床采用同步軸傳遞，即頭架作為主傳動(dòng)經(jīng)過(guò)一系列的傳動(dòng)鏈傳遞到尾架，使它們實(shí)現(xiàn)曲軸磨床的頭尾架卡盤(pán)同步，保證曲軸在運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中不造成扭曲的現(xiàn)象。但此設(shè)備長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)轉(zhuǎn)，機(jī)械傳動(dòng)鏈過(guò)長(zhǎng)有間隙和磨損的現(xiàn)象，導(dǎo)致頭尾架運(yùn)轉(zhuǎn)不同步，加工產(chǎn)生的磨削力極易使曲軸發(fā)生扭曲和彎曲變形，增大了主軸頸徑向圓跳動(dòng)誤差，如圖4所示。

（3）操作技能 操作人員技術(shù)素質(zhì)相差較大，車(chē)床頂尖頂緊力度、磨床中心架跟進(jìn)手法及力度有所欠缺，執(zhí)行工藝和操作規(guī)程不嚴(yán)格等因素也是影響曲軸徑向圓跳動(dòng)控制的因素。

解決措施

1.車(chē)削工藝改進(jìn)

1）為提高曲軸車(chē)削過(guò)程中的加工質(zhì)量，減小主軸頸徑向圓跳動(dòng)誤差，首先必須控制工件的裝夾變形量問(wèn)題，確保尾座頂尖頂緊力大小既要保證對(duì)工件的可靠頂緊，又要盡量減小頂緊力對(duì)曲軸彎曲變形的影響。通過(guò)不斷試驗(yàn)，在裝夾操作中不斷摸索測(cè)量，最終確定曲軸全長(zhǎng)的軸向壓縮量s在0.03～0.05mm時(shí)，既可確保頂緊可靠，又能使曲軸的頂緊力對(duì)彎曲變形的影響最小。

操作者裝夾曲軸時(shí)，在靠近尾座頂尖的端面安裝百分表，測(cè)量曲軸全長(zhǎng)的軸向壓縮量，保證在確定的范圍內(nèi)，如圖5所示。并通過(guò)不斷練習(xí)，獲取操作經(jīng)驗(yàn)，確保車(chē)削加工質(zhì)量的穩(wěn)定性。

2）改進(jìn)優(yōu)化曲軸車(chē)削工藝，合理分配加工余量，減小加工中產(chǎn)生的切削力對(duì)主軸跳動(dòng)誤差的影響，提高曲軸的加工質(zhì)量。在熱處理去應(yīng)力工序前增加半精車(chē)主軸工序，并將精車(chē)主軸頸工序使用的設(shè)備改變?yōu)樾略龊透脑斓膬膳_(tái)經(jīng)濟(jì)型數(shù)控車(chē)床CK6180自動(dòng)車(chē)削，減少人為因素對(duì)主軸徑向圓跳動(dòng)的影響。通過(guò)設(shè)計(jì)開(kāi)展車(chē)床主軸轉(zhuǎn)速S、車(chē)刀進(jìn)給速度f(wàn)、切削深度ap等三因子、兩水平的DOE試驗(yàn)，確定最優(yōu)工藝參數(shù)組合s=117.8mm、f=1.0mm、ap=0.8mm。利用先進(jìn)的數(shù)控技術(shù)，采用新型的機(jī)夾可轉(zhuǎn)位刀具和刀尖補(bǔ)償編程、橫線(xiàn)速切削等先進(jìn)的工藝手段，實(shí)現(xiàn)了曲軸的精密車(chē)削，使曲軸的車(chē)削加工精度得到有效的控制提高。

3）主軸頸磨削工序，操作者在每一主軸頸的加工過(guò)程中，隨時(shí)根據(jù)工件的磨削情況調(diào)整兩個(gè)托架的位置控制手柄，盡量使兩個(gè)托架與被加工主軸頸的表面保持合理的接觸間隙，以減小切削力對(duì)曲軸的彎曲變形影響，減小主軸頸徑向圓跳動(dòng)誤差。

4）連桿頸磨削工序?yàn)闇p少磨削過(guò)程中曲軸的扭轉(zhuǎn)變形和彎曲變形，磨床的尾架與主軸箱使用數(shù)控伺服同步系統(tǒng)代替?zhèn)鹘y(tǒng)的同步軸，使頭尾架在旋轉(zhuǎn)的過(guò)程中旋轉(zhuǎn)誤差達(dá)到最小，提高尾座與主軸箱的同步精度，以消除同步軸機(jī)械傳動(dòng)間隙對(duì)扭轉(zhuǎn)變形和彎曲變形的影響，如圖6所示。并且在加工過(guò)程中使用相適應(yīng)的平衡配重塊來(lái)保證曲軸的轉(zhuǎn)動(dòng)平穩(wěn)性。嚴(yán)格規(guī)定了各軸頸的磨削順序，具體為：第五、第二連桿頸→第三、第四連桿頸→第一、第六連桿頸，每一次磨削必須使用中心架支撐，且在每一連桿頸的加工過(guò)程中，隨時(shí)根據(jù)工件的磨削情況調(diào)整兩個(gè)托架的位置控制手柄，盡量使兩個(gè)托架與被加工連桿頸的表面保持合理的接觸間隙，以減小切削力對(duì)曲軸的變形影響，減小主軸頸徑向圓跳動(dòng)誤差。

5）加強(qiáng)對(duì)操作者的工藝基本知識(shí)、設(shè)備操作規(guī)程和質(zhì)量素質(zhì)教育，加強(qiáng)操作人員間的技術(shù)經(jīng)驗(yàn)交流，提高他們的質(zhì)量控制意識(shí)和操作技能，嚴(yán)格執(zhí)行工藝紀(jì)律。

效果驗(yàn)證

經(jīng)過(guò)加工工藝改進(jìn)和優(yōu)化，采用數(shù)控車(chē)削加工技術(shù)，并結(jié)合操作者對(duì)加工質(zhì)量的有效控制后，對(duì)曲軸主軸頸徑向圓跳動(dòng)誤差的最終模底檢驗(yàn)。主軸頸徑向圓跳動(dòng)誤差在0.03～0.06mm，合格率100%，完全達(dá)到設(shè)計(jì)要求，且大部分工件具備1/3精度儲(chǔ)備，使曲軸的加工質(zhì)量得到了有效的提高和控制。

曲軸機(jī)加工發(fā)展方向

隨著我國(guó)數(shù)控機(jī)床的不斷增加，曲軸粗加工將廣泛采用數(shù)控車(chē)床、數(shù)控內(nèi)銑床、數(shù)控外銑床及數(shù)控車(chē)?yán)驳认冗M(jìn)設(shè)備，對(duì)主軸頸、連桿頸進(jìn)行數(shù)控車(chē)削、內(nèi)銑削和外銑削和車(chē)-拉削加工，以有效減少曲軸加工的變形量。曲軸精加工將廣泛采用CNC控制的多軸聯(lián)動(dòng)數(shù)控曲軸磨床對(duì)其軸頸進(jìn)行精磨加工，此種磨床將配備砂輪自動(dòng)動(dòng)平衡裝置、中心架自動(dòng)跟蹤裝置、自動(dòng)測(cè)量裝置、自動(dòng)補(bǔ)償裝置、砂輪自動(dòng)修整和恒線(xiàn)速度等功能要求，以保證曲軸軸頸磨削質(zhì)量的穩(wěn)定。

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[1] 劉圣華，周保龍.內(nèi)燃機(jī)學(xué)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2017.