中速柴油機曲軸加工中力的分析與研究

陜西柴油機重工有限公司 （興平 713105） 贠虎臣 張建聯

1. 分析曲軸加工中各種作用力的必要性

曲軸的工作條件極為復雜，它既受變化的空間力系作用，又受到高速滑動摩擦的危害。氣體作用力、往復運動慣性力及連桿大端回轉慣性力直接作用于曲柄銷，經曲軸傳給主軸頸。它們使各單位曲軸柄在空間不同方向受到彎曲與扭矩，各曲柄之間也存在相互扭轉。諸力的作用使曲柄銷與主軸頸均受到彎、扭的聯合作用，使曲柄臂受拉、壓、彎及扭的復合載荷。由于諸力和力矩均隨曲柄轉角變化，均為重復脈動載荷，使曲軸產生疲勞損傷。曲軸本身的結構（見圖1）也加重其工作條件的艱巨性，具體表現為以下幾點：

圖 1

（1）由于形狀復雜，沿軸線方向截面變化急劇，應力集中現象十分嚴重。曲柄銷與曲柄過渡圓角處應力值往往是曲柄銷中央截面的2～3倍，這種應力集中在主軸頸與曲柄臂的過渡處，也嚴重存在于油口邊緣處，所以要盡力減少與克服加工中的切削應力，以及機床、工裝的夾緊力等。

（2）本文論述的曲軸長度L與主軸頸D之比＞16，在主軸軸線的長度方向，會因各擋主軸頸的不同心而造成曲軸中心線的撓曲。在曲軸旋轉時，在曲柄銷與曲柄臂過渡處就會出現時拉時壓的附加彎曲應力，這往往是曲軸產生裂紋的主要原因，使柴油機產生扭振，嚴重影響曲軸的壽命。在加工過程中如何保證曲軸主軸頸的同軸度、主軸頸支撐點位置及支撐力大小是減少主軸頸撓度的關鍵，同時需要克服曲軸由于自重而產生的下沉及彎曲。在曲軸精加工中磨床兩頂尖的頂力必須得到有效的控制，頂力過大則容易增加曲軸的彎曲度，進而增大曲軸的撓度，即主軸頸的同軸度；而頂尖力量過小則不能夾緊曲軸。

2. 曲軸精加工主要受力分析

在中速柴油機曲軸的制造過程中，曲軸以其自身質量大、曲柄頸多以及長徑比大等特點，使得其在加工過程中彈性變形大、加工難度大、加工周期長以及加工成本高。尤其在精車及磨削軸頸時，由于存在曲軸受到本身自重的影響而形成的彎曲下沉，同時受到主軸頸支架的徑向支撐力和縱向支撐力、機床主軸頂尖的軸向頂力、機床夾具的夾緊力、刀具切削力、曲軸旋轉的離心力、夾具與工件之間的摩擦力以及加工產生的應力等，都成為造成曲軸產生撓曲的因素。此時曲軸自身只有一定的加工余量，撓曲過大則導致曲軸報廢。所以對曲軸進行加工中的受力分析是十分必要的，抓住主要的影響力是曲軸受力分析的關鍵。

經過分析，曲軸自重產生的重力、主軸頸支架的徑向和縱向支撐力以及機床頂尖軸向頂力這3種力對曲軸的精加工影響最大。如何實現各力的合理控制，是目前曲軸加工的難點，將直接影響曲軸的生產質量和效率。實現了對上述3種力的有效控制，就能夠提高國產曲軸質量，降低對進口曲軸的依賴度。具體分析如下：

（1）曲軸自身的重力。零件的自重是不可避免的，曲軸由于自身重力而彎曲下沉。中速柴油機的曲軸總長與曲軸主軸頸的直徑之比超過16倍，而曲軸本身的特殊形狀導致其比一般形狀的直線軸更易發生彎曲，在自身重力的作用下，發生彎曲而下沉，產生撓曲變形。

（2）曲軸在機床上加工時，支架徑向和縱向的輔助支撐力。支架縱向消除曲軸自重下沉，徑向抵消機床切削的力，然而由于曲軸自身質量大，彈性變形大，在旋轉加工時，必須在支架支撐下加工，若支架支撐力調節不當，會導致支架所支撐的軸頸偏移，偏離機床旋轉中心加工，加工的軸頸出現位置偏差；曲軸在受到重力作用下，中間下沉，兩端主軸頸作為支撐時曲軸的變形模擬如圖2所示。

圖 2

（3）機床頂尖的軸向頂力，即機床頂尖或機床卡盤對曲軸施加的軸向定位夾緊力。曲軸在機床上定位固定后，如果軸向頂力過小，則曲軸定位不準確，曲軸產生軸向竄動；軸向頂力過大，會導致曲柄傾斜，曲柄徑向開擋收縮，曲柄頸開擋測量儀數值失真，誤導支架支撐，使曲軸在彈性變形下加工，加工軸頸出現位置偏差。

為了研究曲軸自重力和開擋變動對曲軸的影響，以靠近曲軸兩端主軸頸為支撐點，將其作為基準，并調整共線，進行檢測，測量值如附表所示。

重力影響下不同型號曲軸彎曲度變化情況表 （單位：mm）

3. 如何控制主軸頸加工的外在影響力

作為曲軸最重要的部位，主軸頸是曲軸的加工工藝基準，主軸頸的加工精度決定曲柄頸、曲柄等曲軸其他部位的加工精度，決定著曲軸質量的高低。

主軸頸加工過程中，由于主軸頸徑向跳動量對其相鄰曲柄頸開擋變化影響很大（一般曲柄頸開擋變化量是主軸頸徑向跳動量變化量的5倍左右），而采用曲柄頸開擋測量值來指導支架支撐力的控制很難滿足主軸頸加工精度的需求。但是經常依靠操作經驗掌握支架的支撐力，缺乏科學數據，因此技能水平高低直接制約著主軸頸加工質量，制約著曲軸加工過程。

支架縱向支撐力的大小，決定著能否有效去除曲軸自重的下沉力及曲軸的縱向彈性變形。主軸頸縱向支撐過大，軸頸縱向中心偏移旋轉中心過大。支架徑向支撐力過小，主軸頸加工過程中產生竄動，主軸頸產生橢圓度，有時還產生振紋；支架徑向支撐力過大，主軸頸徑向中心偏移旋轉中心過大，此時曲軸在彈性變形和偏移旋轉中心的狀態下加工，會導致加工的曲軸成為廢品或超差。

機床尾座頂尖施加到曲軸上的軸向頂力，使曲軸軸向定位固定，然而由于曲軸較長、構造曲折特點，使軸向頂力的傳遞是由機床尾架端頂尖→主軸頸→曲柄→曲柄頸→……→機床頭架端頂尖，若尾架頂尖頂力過小，曲軸定位不準確，加工中產生竄動；頂力過大，曲軸曲柄傾斜，曲柄頸開擋收縮，曲柄頸開擋測量儀數值失真，若按照失真的數值調整支架的支撐量，會使曲軸處于彈性變形下加工，曲軸的變形量更大，所以該方法不能有效地減少曲軸加工的彈性變形，曲軸的加工精度不易保證。

綜上所述，以上3種力的施加中，任何1種力控制不當都會影響其他2種力的掌控，這3種力是相互影響、相互作用的。一般情況下，操作工臨床采用加大軸向頂力，支架的徑向支撐力來制約主軸頸的竄動，從而保證主軸頸的圓柱度，然而這種裝夾只會增加曲軸的彈性變形量，使主軸頸中心與機床旋轉中心的偏移量增大。雖然在臨床加工和檢驗時，主軸頸的跳動量處于工藝要求范圍內，但是當曲軸處于自由狀態下或裝配檢驗時，主軸頸往往會超差，無法滿足圖樣的精度要求。因此，如何控制這3種力是曲軸加工的關鍵。常采用如下措施：

（1）軸向力的控制。首先切斷軸向頂力的傳遞路徑，改變力的傳遞方式，改頂力為拉力。即在機床卡盤和尾座設計專用法蘭，采用高強度螺栓將法蘭與曲軸兩端面分別鎖緊，通過兩端的鏈接螺栓各自反方向加力，使機床頂尖和曲軸主軸頸中心孔配合，達到對曲軸定位固定。

為使曲軸定位固定最準確，且曲軸無彈性變形的存在，可在過程中調節尾座鏈接裝置，微量松開旋轉曲軸數圈，再緊固聯接裝置并定位，此方法在加工過程中調整兩次，首次在軸頸支架加工完調整，第二次在最終加工前調整，這樣可使軸向頂力定位固定最合理。

（2）支架的縱向和橫向支撐力的控制。曲軸因材料和剛性的不同，因自重而引起的下沉幅度不同；支架支撐部位不同，減少的下沉量也不一樣，所以選擇合理的支撐部位及支架縱向支撐力是決定曲軸變形量的關鍵因素，適當地調節支撐架的部位及支撐力，使曲軸的彈性變形和徑向跳動最小，即采用徑向力與切削力大小相同是最為合理的。首先，控制主軸頸側母線的跳動值，增加支架徑向力的施加，使主軸頸徑向旋轉中心和機床徑向旋轉中心同心，消除主軸頸的彎曲，若主軸頸縱向等高，說明曲軸的自重下沉得到有效的校正，施加支撐力使主軸的縱向旋轉中心與機床的縱向旋轉中心同心，曲軸的下沉可得到有效消除。即在機床刀架部位裝置高精度數顯測量儀，測量主軸頸側母線的跳動量和上母線的跳動量，依據跳動量的差值調整支架的支撐部位及支撐力的大小。

4. 曲軸加工中力的分析與應用

在船用中速柴油機曲軸主軸頸的粗、精磨削加工中，臨床操作中必須對上述三種力進行分解、平衡，以某型機六拐曲軸為例，具體做法如下：首先依據曲柄頸開擋測量儀值和操作經驗掌控支架支撐力，調節好軸向頂力，粗磨各擋主軸頸。

第一步，以兩端主軸頸為基準，松開主軸頸的徑向支撐，使用數顯測量尺檢測最中間擋主軸頸側母線的跳動值，依據檢測值在中間擋位主軸頸跳動的最高點位置施加徑向支撐力，微量調節砂輪的進給量，磨削中間擋主軸頸（中間主軸頸是指從曲軸自由端起，第4擋主軸頸），磨削至中間擋主軸頸跳動量最小。為防止在微量磨削時，中間主軸頸支架徑向支撐力過大導致中間擋主軸頸產生的彈性變形量大，可測量中間擋主軸頸與兩端主軸頸跳動量偏差量，依照偏差量，利用高精度數顯測量儀的數顯刻度，調節支架的徑向支撐力，使中間擋與兩端主軸徑向同心，對主軸頸進行磨削加工。用此方法依次對其他主軸頸進行磨削。然而值得注意的是，必須按照從中間向兩端依次修磨，使中間主軸頸與兩端主軸頸處于同心的狀態下進行。

第二步，測量并計算中間各擋主軸頸與兩端基準主軸頸直徑差值，以兩端主軸頸上母線為基準，利用機床主軸箱上的高精度數顯測量尺對其余主軸頸的上母線經行檢測，利用測量尺上的讀數調節支架的縱向支撐力，使主軸頸縱向同心，以此方法依次從兩端向中間調節，使中間各擋主軸頸與兩端基準主軸頸及機床的旋轉中心三者同心。

通過上述操作，降低了曲軸的彈性變形，減少因外力作用致使曲軸的主軸頸同軸度發生變化量，提高了曲軸的加工精度。

5. 結語

通過此方法的應用，我們取得了一些成績，有效克服了常規加工方法中存在的不足，減小了曲軸的彈性變形和軸頸同心度，但是該方法還有待進一步優化和提升。

[1] 孟少農. 機械加工工藝手冊[M].北京：機械工業出版社，1996.

[2] 李益民. 機械制造工藝設計簡明手冊[M].北京：機械工業出版社，1994.

專家點評

文章的亮點是曲軸加工中力的分析與應用，指出容易使曲軸發生彈性變形的3種作用力，并采用新的方法進行分解與克服，從而有效控制曲軸的彈性變形與加工精度，在實際生產中具有很好的指導意義。