曲軸拋光工作原理及組成

姚志崗

上汽通用汽車有限公司 上海市 201206

1 拋光機的工作原理

曲軸砂帶拋光對曲軸進行最終尺寸和行位尺寸的加工，去除磨削加工后的加工余量，滿足曲軸關于圓度，粗糙度的要求。根據之前的項目經驗總結大致約6-8um的去除量，加工后的曲軸尺寸滿足發動機在工作過程中的關于摩檫力和潤滑的需求，以致于發動機在正常工作中的能夠有效的運行，避免因為高速旋轉造成發動機失效。曲軸與軸瓦配合間為液體潤滑方式，靠液動壓力使軸瓦間形成液體潤滑油膜，并有一最小油膜厚度h，當h等于軸頸和軸瓦微凸起高之和時，軸和瓦的液體潤滑狀態即被破壞，因此曲軸的直徑，外形輪廓和粗糙度是其關鍵指標，其中粗糙度通常由拋光來得到.

因為砂帶磨粒的植砂方式的特殊性，砂磨削能力高于砂輪（見圖1，2）。砂帶的磨削效率高表現在它具有很高的切除率、磨削比（切除工件重量與磨料損耗重量之比）和機床功率利用率。目前已知的砂帶磨削對鋼材的已達到700 mm /（mm.s），甚至超過了車削或銑削。砂帶的磨削比大大超過了砂輪，高達300：1，甚至400：1，而砂輪僅30：1。而且砂帶的功率利用率已到達96%，砂輪磨床只有52%，銑床57%，車床65%，所以砂帶磨削還是一種很好的節能綠色加工技術。

圖1

圖2

2 拋光的拋光方式

（1）按基本結構形式：砂帶磨削可以分為閉式和開式兩類，圖3是典型的閉式砂帶磨削方式，圖4是常見的開式砂帶磨削方式。

（2）按操作方式分類：可以分為手動磨削和機械磨削。

（3）按磨削力分類：可以分為恒力磨削和恒切除率磨削。即Ap是恒定的。

（4）按冷卻液還可分為干磨和濕磨。

由于技術的發展，目前市場上普遍采用的是恒力的濕氏的機械拋光方式，使用的嘉實多HONILO981的拋光油進行冷卻和潤滑以及磨泥的清理。

圖3

圖4

3 拋光機主要構成部件

拋光機一般有以下部件組成：床頭、振動機構、尾架、拋光機構、卷帶機構、液壓系統、氣動系統、冷卻系統、控制系統。上述的幾種主要部件在設備的三個工位中都有應用。

（1）站1工位為粗拋工位（見圖5），對主軸頸、連桿頸進行粗加工，加工余量在6～8μm。結構上，同時單元的每個卡鉗裝置上有先進的在線測量系統——Marposs在線測量裝置，通過Marposs在線時時監控曲軸表面的直徑來控制曲軸軸頸加工量。

圖5

（2）站2工位為精拋工位，對主軸頸和連桿頸進行修光及對油封面進行粗加工。

（3）站3工位為精拋止推面和油封工位。

4 曲軸拋光工藝尺寸

曲軸與軸瓦配合件為液體潤滑方式，靠液動壓力使軸瓦間形成液體潤滑油膜，并有一最小油膜厚度h，當h等于軸頸和軸瓦微凸起高之和時，軸和瓦的液體潤滑狀態即被破壞，因此曲軸的直徑，外形輪廓和粗糙度是其關鍵指標，其中粗糙度通常由拋光來得到。

工藝要求

（a）區域圓度：每20度范圍內，測量最大直徑和最小直徑的差值，圓周上依次得到360個值，然后這些值中的最大值為區域圓度。

（b）Ra：輪廓的算術平均偏差。

（c）Rq：輪廓偏差的平方根；Rsk：輪廓曲線分布偏差。

（d）Rpmax：輪廓波峰最高值；Rmax：Rz的最大值。

（e）HTP（Rmr）：選定粗糙度下輪廓材料比例。

（f）拋光前后尺寸對比。

根據下表1我們可以看出在使用40u粗拋工位和9u的精拋工位的情況下，對鑄鐵曲軸的拋光量大約在6um左右，經過數據對比測量可以合理安排磨削后的尺寸要求和加工余量。避免由于過大的加工余量造成拋光工位的零件報廢。

（g）油膜的建立和作用

油膜是保證在高速旋轉的工況下，對發動機的主要零部件比如軸瓦，曲軸進行潤滑減磨、輔助冷卻降溫、密封防漏、防銹防蝕、減震緩沖等。

圖6 拋光后表面組織

如上圖所示，拋光后的表面會有交叉的網絡，因為在拋光過程中除了曲軸的繞軸線旋轉的同時，頭架還有震蕩機構，這個機構可以保證工件在加工過程中增加左右震蕩的效果，已至于在曲軸軸頸表面形成網狀的結構，網狀結構有利于存儲潤滑油便于潤滑和冷卻高速旋轉的曲軸和軸瓦形成的高溫。

由于機油的特殊特性，可以在旋轉件之間形成一層薄薄的保護層，而這個保護層就是油膜。油膜特性如下：

（a）油膜強度——油膜強度就是油膜的一種很重要的屬性，具有抵抗壓力不破裂，并能保持足夠油膜厚度，從而防止磨擦面直接接觸的能力。油膜強度有一個參數，叫“HTHS”。這個參數是油液在150℃時候通過毛細管粘度測試得到的表觀粘度，也就是動力粘度。因HTHS正是反映了軸與軸瓦之間的潤滑油的附著能力，所以把它理解為油膜強度。

（b）油膜厚度——既然有膜，就會有薄厚，油膜的薄厚是怎么衡量的呢？可以簡單理解成：粘度高的機油就是油膜厚，稀的機油就是油膜薄。因此潤滑油粘度即通常所說的油的厚薄。

當發動機運轉時，只有油膜不破才能保護好發動機。如果運轉中油膜薄，油膜破裂，發動機磨損會很大。拋光的過程就是將零件表面油膜在什么時候都存在，粘度高的機油油膜厚，稀的機油油膜薄。只有油膜不破才能保護好發動機。

表1

5 刀具

5.1 拋光臂

拋光臂是拋光機的主要部件，類似于加工中心的主軸，在加工過程中拋光臂向前運動以抱緊零件進行加工，由于目前產品更新過快，拋光機需要很高的柔性度，因此拋光臂可以調整軸向位置來適應不同缸距的曲軸加工。拋光時，通過拋光鞋夾緊工件，拋光臂根據工件旋轉進行隨動運動。

圖7

5.2 拋光組成

卷帶機構由拋光帶“刀庫”，導向機構，回轉機構和進給單元及鎖緊組成。里面還包含斷帶檢測機構、拋光帶刀具壽命檢測和張緊機構等。每次加工完成后由進給單元拉動拋光帶向前移動，保證每次加工過程中都使用新的拋光帶進行拋光。

5.3 拋光靴

工位1：粗拋工位采用金剛石拋光鞋來進行拋光余量的去除。

工位2：精拋工位采用金剛石和聚氨酯結合的拋光鞋進行表面光潔度的保證。

5.4 拋光帶—磨料的組成分類

（1）天然磨料（礦砂）；

（2）石榴石：其化學組分較為復雜，不同元素構成不同的組合，故而形成類質同像的系列石榴石族。其通式為A3B2（SiO4）3，其中A代表二價元素（鈣、鎂、鐵、錳等），B為三價元素（鋁、鐵、鉻以及鈦、釩、鋯等）；

（3）合成磨料（礦砂）；

（4）氧化鋁（剛玉）：氧化鋁（Al2O3）是一種高硬度的化合物，熔點為2054℃，沸點為2980℃，是在高溫下可電離的離子晶體，常用于制造耐火材料；

（5）碳化硅：金剛砂又名碳化硅（SiC）是用石英砂、石油焦（或煤焦）、木屑（生產綠色碳化硅時需要加食鹽）等原料通過電阻爐高溫冶煉而成；

（6）陶瓷剛玉：又名剛玉瓷，是利用溶膠一凝膠技術生產的微晶氧化鋁陶瓷磨料，具有硬度高、韌性好等特點。

（7）拋光帶—磨粒硬度（見表2）。

表2

6 拋光帶的更換及要求

由于拋光工序是曲軸最后一道冷加工工序，除了保證零件本身的尺寸要求外，還需要滿足整機的要求。目前主機廠普遍使用的3M拋光帶，但是市場上還有例如日本的FuJi Star，德國的Hermes等廠家。由于各個廠家使用的顆粒標準不統一，例如中國關于顆粒度的標準執行的是GB/T 9258.2—2000，德國Hermes使用的時歐標（FEPA），日本Fuji Star使用的是JIS而美國3M使用的卻是ANSI標準。使其每個廠家的產品有稍微的差異，所以在拋光帶更換上除了滿足產品的要求和驗收能力外，一般還需要做發動機耐久試驗，發動機熱拉傷和冷拉傷等試驗，整個周期需要約1156小時。

7 結語

本文介紹了曲軸拋光機的機械結構和拋光原理，進過拋光的曲軸在機油形成的油膜潤滑和冷卻保護下安全運行，保證曲軸在發動機工作時能夠高速正常工作能有效的進行工作。