發(fā)動機(jī)曲軸軸頸中鼓度磨削的研究

李小新，李新文

（1.襄樊福達(dá)東康曲軸有限公司，襄陽441004 2.中國人民解放軍駐東風(fēng)公司軍代室，十堰442000）

在內(nèi)燃機(jī)的運轉(zhuǎn)過程中，曲軸軸頸與軸瓦之間的配合間隙影響潤滑油膜的形成，而通過曲軸軸頸中鼓度可降低曲軸軸瓦兩側(cè)的邊載負(fù)荷，有利于軸瓦兩側(cè)潤滑油膜厚度的形成及保持，避免內(nèi)燃機(jī)滑動軸承過早的側(cè)邊磨損失效，提升發(fā)動機(jī)可靠性。曲軸軸頸中鼓度即軸頸中間截面直徑分別減去軸頸兩側(cè)截面直徑，所得差值求和后再平均，一般大馬力柴油發(fā)動機(jī)曲軸軸頸中鼓度要求為1～5μm。

1 曲軸軸頸中鼓度磨削的主要方法

根據(jù)機(jī)床結(jié)構(gòu)、磨削技術(shù)和數(shù)控技術(shù)的差異，現(xiàn)階段曲軸軸頸中鼓度磨削主要有成型切入式磨削法和成型切點跟蹤式磨削法。

1.1 成型切入式磨削法

傳統(tǒng)曲軸磨削方法由兩道工序完成，在曲軸主軸頸磨床上，以曲軸中心孔定位，以主軸頸中心連線為回轉(zhuǎn)中心加工主軸頸；在曲軸連桿頸磨床上，以調(diào)偏心法磨削連桿頸，即以主軸頸定位，以被加工連桿頸的軸心線為回轉(zhuǎn)中心加工連桿頸。機(jī)床裝配砂輪磨料為棕剛玉、白剛玉或棕白玉混等普通砂輪，成型切入式磨削工藝為滿足軸頸中鼓度要求，砂輪寬度與被磨削軸頸最終檔寬一致，機(jī)床修整器通過走仿形或數(shù)控軌跡在成型砂輪外徑上修整出一定的中凹量，砂輪寬度與所磨削軸頸最終檔寬一致，采用切入式磨削。由于曲軸連桿頸磨床要用到偏心裝夾、曲拐分度，需增加加工工藝面或工藝孔等輔助工序作為曲拐分度的基準(zhǔn)。該磨削工藝所用機(jī)床工裝結(jié)構(gòu)復(fù)雜、加工效率低、加工機(jī)床或工序多、換型調(diào)整時間長，已有被逐步淘汰的趨勢。

1.2 成型切點跟蹤式磨削法

隨著磨削技術(shù)和數(shù)控技術(shù)的發(fā)展而出現(xiàn)的一種新型工序集中式的曲軸類零件的磨削加工方法，切點跟蹤磨削也稱曲軸連續(xù)軌跡數(shù)控磨削，其磨削主軸頸的方式同普通外圓磨削，磨削連桿頸的實現(xiàn)方式是采用計算機(jī)數(shù)控（CNC）技術(shù)，根據(jù)建立的連桿軸頸磨削運動的數(shù)學(xué)模型，控制砂輪的橫向進(jìn)給（X軸）和工件回轉(zhuǎn)（C軸），見圖1。切點跟蹤磨削工藝要求砂輪始終能與工件連桿切點接觸，保持磨粒形狀，普通磨料砂輪很難在跟蹤運動和承受擠壓的情況下保持磨料顆粒完整且砂輪不破碎。最新型的CBN磨料砂輪能很好的滿足這個要求，保證連桿頸的磨削尺寸精度和表面質(zhì)量。成型切點跟蹤式磨削法為滿足軸頸中鼓度要求，CBN砂輪寬度與被磨削軸頸最終檔寬一致，類似普通砂輪修整方式，在成型CBN砂輪外徑上修整出一定中凹量，采用切入式磨削。CBN砂輪保持磨料顆粒形狀能力很高，可以很好的保持軸頸中鼓度要求，但是CBN砂輪采購成本很高，在實際使用過程中因為工藝的不足，如CBN砂輪在進(jìn)刀時會造成側(cè)面和圓角受力過大，一方面曲軸容易產(chǎn)生磨削裂紋，另一方面曲軸端面和圓角區(qū)域容易起臺，此時只能通過砂輪修整解決問題，CBN砂輪的修整次數(shù)增多，造成CBN砂輪正常使用壽命的降低，降低了CBN砂輪的性價比，影響成型切點跟蹤式磨削法的使用和推廣。

2 矢量切點跟蹤式磨削法

由于成型切入式磨削法所用機(jī)床工裝結(jié)構(gòu)復(fù)雜、加工效率低；而成型切點跟蹤式磨削法所用成型CBN砂輪使用成本高；在切點跟蹤式磨削法的基礎(chǔ)上，國外提出了一種新的曲軸軸頸磨削法，即矢量切點跟蹤式磨削法，而運用該磨削方法磨削軸頸中鼓度在國內(nèi)曲軸制造廠家還沒有案例。

矢量切點跟蹤式磨削法與成型切點跟蹤式磨削法的數(shù)學(xué)模型相似，主要差別表現(xiàn)為砂輪在做X軸的跟蹤進(jìn)給，同時還在進(jìn)行Z軸方向的進(jìn)給（如圖2）。CBN砂輪寬度小于被磨削軸頸最終擋寬，CBN砂輪可設(shè)計成同時適用主軸頸和連桿頸磨削，曲軸一次裝夾完成主軸頸和連桿頸的磨削加工，實現(xiàn)CBN砂輪的通用性，提高磨削效率和磨削質(zhì)量。CBN砂輪采用矢量進(jìn)給方式，避免直接切入進(jìn)給時側(cè)面和圓角受力擠壓，降低CBN砂輪使用成本。

2.1 磨削原理

矢量切點跟蹤式磨削法，CBN砂輪磨削軸頸采用矢量進(jìn)給方式，解決砂輪寬度與被磨削軸頸最終擋寬不一致問題。通過CBN砂輪磨削軸頸左側(cè)和右側(cè)時，砂輪線速度調(diào)整，實現(xiàn)中鼓度磨削。其中鼓度磨削原理主要基于砂輪高速旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生離心力，離心力作用在砂輪基體上產(chǎn)生微量形變，通過砂輪基體微量形變反應(yīng)在砂輪外徑上實現(xiàn)中鼓度磨削。為實現(xiàn)砂輪基體形變，將砂輪基體結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn) （見圖3），當(dāng)CBN砂輪高速旋轉(zhuǎn)線速度達(dá)到60 m/s以上，砂輪基體受離心力產(chǎn)生微量形變，以CBN砂輪修整時線速度為基準(zhǔn)，提高砂輪線速度，砂輪基體產(chǎn)生向外的線性趨勢微量形變；降低砂輪線速度，砂輪基體產(chǎn)生向內(nèi)的線性趨勢微量形變（見圖4）。

以砂輪型號為M100311的陶瓷CBN砂輪為例（見圖5），其基體材料為調(diào)質(zhì)處理的40Cr，運用有限元分析和Pro/E等理論工具，對基體進(jìn)行應(yīng)力和形變分布情況的模擬仿真計算，得出砂輪基體在不同的線速度下兩側(cè)外圓的最大形變量（見表1）。

2.2 磨削控制

以LT2雙砂輪架CNC磨床為例，兩片陶瓷CBN砂輪對稱排列（見圖6），通過砂輪基體微量形變實現(xiàn)曲軸軸頸中鼓度的磨削。

磨削軸頸中鼓度在精磨階段通過線速度調(diào)整完成，分三個步驟。以右側(cè)CBN砂輪磨削為例：1）以基準(zhǔn)線速度矢量進(jìn)給磨削曲軸軸頸左側(cè)，進(jìn)給到尺寸后砂輪退回；2）以基準(zhǔn)線速度矢量進(jìn)給磨削曲軸軸頸右側(cè)，進(jìn)給到尺寸后砂輪暫不退回；3）接第二步驟，砂輪線速度在基準(zhǔn)線速度的基礎(chǔ)上降低并迅速完成從右側(cè)到左側(cè)的橫掃（見圖7）。左側(cè)CBN砂輪磨削與右側(cè)類似，需要注意砂輪從右到左橫掃時，砂輪線速度在基準(zhǔn)線速度的基礎(chǔ)上升高。

表1 M100311型CBN砂輪左、右側(cè)外圓在不同線速度下的最大形變量

依照上述磨削控制步驟，磨削后可以得到平直的“∧”中鼓度圖形，通過優(yōu)化CBN砂輪磨削第三步橫掃軌跡，將上述中鼓度形狀修形為過渡圓滑的“⌒”中鼓度圖形（見圖 8）。

2.3 磨削驗證

以某商用車的發(fā)動機(jī)曲軸為例，磨削工裝樣件30件，通過ADCOLE曲軸凸輪軸測量機(jī)檢測，檢測報告直線度圖形符合曲軸圖紙中鼓度要求 （見圖9），中鼓度數(shù)據(jù)報告在2.5μm左右，符合要求。根據(jù)M100311型陶瓷CBN砂輪及LT2機(jī)床特性，當(dāng)砂輪線速度在±10 m/s范圍內(nèi)調(diào)整時，可滿足0～3μm的中鼓度磨削要求。

3 結(jié)束語

矢量切點跟蹤式磨削法，不依靠修整砂輪形狀磨削出中鼓度，創(chuàng)新出一種通過CBN砂輪基體結(jié)構(gòu)修改，調(diào)整砂輪線速度，使用砂輪在不同線速度下的微量形變完成曲軸軸頸中鼓度磨削，將該理論應(yīng)用于實際磨削，最終試磨獲得成功。

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