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曲轴连杆颈的跟踪磨削工艺 |
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作者：大连组合机床研究所 李如松 |
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曲轴是发动机的关键件之一，零件结构复杂，生产批量大（在中、小批量生产中需进行多品种轮翻生产），精度要求高（连杆颈的尺寸精度IT6-IT7，圆度≤0.005mm，表面粗糙度Ra0.2-Ra0.4）。目前，曲轴的终加工，仍普遍采用磨削工艺。为满足曲轴日益提高的加工要求，对曲轴磨床提出了很高的要求。现代曲轴磨床除了要有很高的静态、动态刚度和很高的加工精度外，还要求有很高的磨削效率和更多的柔性。近年来，更要求曲轴磨床具有稳定的加工精度，为此，对曲轴磨床的工序能力系数规定了Cp=1.67，这意味着要求曲轴磨床的实际加工公差要比曲轴给定的公差小一半。
现代驱动和控制技术，测量控制，CBN（立方氮化硼）砂轮和先进的机床部件的应用，为曲轴磨床的高精度、高效磨削加工创造了条件。
一种称之为连杆颈跟踪磨削工艺（图1）正是体现了这些新技术综合应用的具体成果。而这种跟踪磨削工艺可显著地提高曲轴连杆颈的磨削效率、加工精度和加工柔性。
在对连杆颈进行跟踪磨削时，曲轴以中间轴颈为轴线进行旋转，并在一次装夹下磨削连杆颈。在磨削过程中，磨头实现往复摆动进给，跟踪着偏心回转的连杆颈进行磨削加工。
实现跟踪磨削，X轴除了必须具有高的动态性能外，还必须具有足够的跟踪精度，以确保连杆颈所要求的圆度：3mm-7mm。
示例：载重汽车的曲轴
连杆颈直径Dh:94mm
砂轮直径Ds:650mm
冲程半径Rh:75mm
曲轴转速Nw：60r/min
磨削时间Tc:12min
X轴必需具有的动态性能
X轴的速度Vmax：约28m/min
X轴的加速度Amax：约3m/s²
图1 连杆颈
跟踪磨削的运动原理（Naxos)a-C轴的旋转方向：b-X轴的往复摆动运动（跟踪运动）：c- 冲程偏移；d-C轴不同位置时的砂轮；Dh-连杆颈直径；Rh-冲程半径；Ds-砂轮直径。
CBN砂轮的应用是实现连杆颈跟踪磨削的重要条件。由于CBN砂轮耐磨性高，在磨削过程中砂轮的直径几乎是不变的，从而可以减少运动学方面的繁琐计算。
CBN砂轮可以采用很高的磨削速度，在曲轴磨床上一般可采用高达125-140m/s的磨削速度，有的甚至可更高些。例如在磨削球墨铸铁GGG70（相当于我国的QT70-2），硬度为HRC35，磨削余量为0.25mm的曲轴时，采用的砂轮圆周速度高达165m/s，从而大大缩短了磨削加工的基本时间。这种圆周速度实际上已达到了铣削加工材料的切除率，而常规的砂轮是不可能达到这样的加工效率的。这特别对于有着较高轴肩的载重汽车的大型曲轴，在磨削时需要较大的切入行程，而采用CBN砂轮可以显著减少工艺循环时间，大大提高了生产效率。
CBN砂轮具有很高的刀刃强度和轮廓稳定性，砂轮修整的间隔时间长，耐用度很高，从而减少了砂轮的更换次数。CBN砂轮价格昂贵，但由于加工效率和耐用度高，分摊到每个工件上的刀具费用反而比采用价格低廉的普通砂轮的要低，据德国Naxos磨床厂的资料，采用CBN砂轮加工时间通常可缩短50%，而加工费用可节约50%以上。
应指出的是，随着高速磨削工艺的开发，CBN磨削工艺已从单纯的精加工工艺演变为一种普通的加工工艺，采用CBN砂轮磨削工艺时，工件可以留有较大的加工余量，相继实现粗磨和精磨。
图2 直线电机结构原理图
为能充分利用这种新工艺的潜力，现代磨床必须要具备较高的静、动态刚度和较高动态性能，磨头重量要轻，在它进行往复摆动实现跟踪磨削时以便保持较小的运动质量。并通过采用直线电机（图2）以提高磨头的动态性能。采用这种直接驱动模式，免去了将常规的回转运动转换为直线运动的传动组件，由此不仅消除了传动间隙和传动件误差所造成的运动误差，并显著提高了轴的动态性能和移动速度。
为了让工件的转速和砂轮圆周速度之间的比例不要相差太大，由此避免造成磨削烧伤。工件必须尽可能保持较高的回转速度，这就意味着磨头在以往复摆动进行跟踪磨削时，磨头需要有较高的往复摆动速度，而采用常规的滚珠丝杠传动是难以实现的。
磨削时，磨头以往复摆动对连杆颈的跟踪精度，要依靠对磨头运动轴的计算、控制和监控来保证，这就要求机床控制系统具有很高的计算效率和与机床的快速连接，为此，特别要求通过过程监控来实现。
为对连杆颈的尺寸和椭圆度精度进行监控，在磨床上通常采用安装在V型体上的测量头测量正待磨削的和已磨削的连杆颈直径。
在中、小批量生产中，为进行曲轴不同品种的轮翻生产，要求磨床具有更多的柔性。而采用跟踪磨削工艺就能十分容易实现曲轴簇类不同型号曲轴的磨削加工：在相同轴颈宽度的条件下，在这样的磨床上，可以通过不同的冲程高度来实现对以180°、72°和120°分布的4、5和6缸曲轴不同数量的连杆颈进行磨削加工，而不需要进行任何机械调整。不同的夹紧长度可以通过NC工件头架和可移动的尾座来达到，连杆颈的分度和冲程高度所改变的运动联系只需通过调用储存在CNC控制系统里的相应程序参数来实现。因此，对曲轴簇类不同品种间的轮翻生产，磨床所需的调整时间很短，只需（1-5）分钟。而对于传统的曲轴磨床，曲轴是通过偏心夹具进行夹紧，待加工的连杆颈绕其轴线回转进行磨削，在进行不同品种的磨削时机床的调整时间就较长，往往需要1个多小时。
修整CBN砂轮必须采用涂有多层金刚石颗粒的驱动式成型滚轮，通过NC轴以(2-5)mm的修整进给将砂轮修整到所要求的形状。
由于跟踪磨削工艺具有高效、高精度和柔性等优点，目前已成为连杆颈磨削加工的主要工艺方法，并在曲轴生产厂中获得愈来愈多的应用。
(end)
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(4/20/2004) |
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