影響壓縮機曲軸加工表面完整性的因素分析

樊峰剛 彭慧明 申婷

FAN Fenggang2 PENG Huiming2 SHEN Ting1

1.國家節能環保制冷設備工程技術研究中心 廣東珠海 519070

2.空調設備及系統運行節能國家重點實驗室 廣東珠海 519070

1. Chinese National Engineering Research Center of Green Refrigeration Equipment Zhuhai 519070

2. State Key Laboratory of Air-conditioning Equipment and System Energy Conservation Zhuhai 519070

1 引言

隨著人們對環境問題的關注度以及國家對環境保護的重視程度日益加強，節能環保理念已經成為制冷行業的主題，研發更高效更節能的產品是制冷相關企業不可推卸的責任。隨著制造業的發展與進步，對零件加工的尺寸精度、形狀精度及表面粗糙度的要求越來越嚴格，但是在最近我司加工的曲軸中發現大多數經過磨合后在偏心圓部位出現斜紋（如圖1），因此對影響此曲軸加工表面完整性的因素進行調查及分析，以期對零件工藝進行優化。

2 原因調查與驗證

2.1 原因調查

（1）曲軸斜紋順壓縮機旋轉方向生成，升角約45°，目測間距均約1mm。用砂紙打磨未有痕跡的偏心圓低點位置，發現低點也存在斜紋；

（2）采用CW1500砂紙打磨庫存曲軸，發現其他型號曲軸偏心圓全部存在斜向紋路情況，檢測圓度0.0016mm。

2.2 設備及工藝檢查確認

根據2.1中所述兩點確認此批曲軸偏心圓斜紋為加工時形成，遂對曲軸精加工設備、工裝、砂輪和加工工藝進行確認。

（1）曲軸偏心圓為豐田工機A加工，設備電主軸參數主頻97Hz，2極，轉速5820r/min，砂輪直徑250mm，線速度約76m/s；其他特性：工件轉速300～350r/min，修整速度600mm/min，滿足現在工藝規范要求；

（2）對公司內其他工機進行排查，發現一部分工機加工的曲軸全部存在斜紋，而另一部分設備加工曲軸未發現此異常；

（3）檢查加工有斜紋的這部分的一臺工機發現，修整器跳動大，重新安裝后達到2um以內，重新修整后加工無紋路。其中一些工機修整器跳動大，重新安裝無法校正，重新對刀加工仍然出現斜紋或網紋。降低進給速度和增加光磨次數后，紋路消失。

2.3 原因分析

（1）修整器無安裝指引和檢測要求，部分故障。修整器芯軸圓跳動和基準端面跳動均需要≤2um；

（2）工藝部分參數不受控，進給速度過快、光磨次數太少。部分設備設置進刀速度太快至加工時間僅約3s，光磨次數僅2次。標準要求加工時間不低于5s，光磨次數不少于5次。

3 精密磨削壓縮機曲軸表面加工的特點及理論分析

曲軸的加工表面完整性的要求主要有：

（1）零件表面經過磨削后其表面層無損傷，表面層的機械和物理性能、金相組織等必須滿足使用要求，并滿足壓縮機的使用壽命；

（2）磨削加工能夠獲得較高的精度且能夠適應許多場合，因此，用砂輪進行磨削加工是制造機械零件的常用方法。它可以看成是砂輪表面無數的微型刀刃在不停地切割工件，因為砂輪轉速非常高，如本文研究的工機線速度就高達76m/s，因此，雖然每顆磨粒的切削量很少，但是整體切削效率仍然很高，也正是因為這無數刀刃的形狀不規則，導致磨削力變化不定，加之砂輪狀態、旋轉不平衡，系統剛性等一些因素綜合影響，磨削過程也成為復雜的受力過程和振動過程，且精密磨削零件通常是重要的關鍵零件，曲軸為壓縮機的關鍵零件，對其加工表面完整性要求較高，曲軸表面完整性直接影響壓縮機的性能。

在曲軸高速磨削過程中，曲軸表面與砂輪上無數磨粒一直相互高速撞擊，磨粒與曲軸表面的剪切力的瞬態作用會使剪切局限在一個微區域，能量在此微區域的耗散使曲軸局部溫度升高，可能會達到熔化或接近熔化的狀態。曲軸與砂輪磨粒的正反饋效應使局部絕熱剪切作用愈加增強。隨著砂輪旋轉速度越高，這種絕熱剪切作用也越強，這種高速磨削會走向極端條件，由此產生的新機理及帶來的其他問題也需要深入研究和實踐。與平面磨削相比，高速外圓磨削的砂輪軸和曲軸軸的雙向旋轉運動則給高速磨削的研究提出了更高的要求。

振動是磨削加工過程中十分有害但卻不可避免的現象，振動大致可分為：自由振動（如曲軸外圓磨床周邊的其它設備產生的沖擊力，外圓磨床砂輪架在進退較快或工作臺換向時引起的振動）、強迫振動（例如曲軸外圓磨床電機的轉子不平衡、主軸或磨頭間隙、砂輪的不平衡等因素引起的振動）和自激振動（自激振動也稱作為顫振，顫振是由磨床系統自身產生的交變力所維持的振動，曲軸在磨削過程中產生的持續波動的磨削力就是磨床系統顫振的交變力）。其中自由振動和強迫振動，只要找出振源，總是可以找到消除它們的方法。而發生在砂輪和工件之間的顫動，不會因為有阻尼而衰減，一旦振動產生便會有增無減。

磨削表面是由磨粒磨削后在加工表面上形成殘留輪廓和工藝系統振動所引起的波紋所決定，振動是最大的影響因素。目前，我司發現的波紋主要有下述幾種情況，根據磨削相關原理和現場工作經驗，對這些情況逐一分析：

（1）環點狀紋

砂輪表面有雜質或修整不良導致沙粒松動，磨削時復印產生或由于砂輪圓周表面上硬度不均勻或不均勻的磨損引起局部振動造成的。因為這種擾動又會促使砂輪的再生振動，因此往往還可能伴隨豎向振紋。進行重新修整或更換質量好的砂輪可以解決此問題。

圖1 經過磨合后在偏心圓部位出現斜紋的曲軸

（2）直豎紋

產生曲軸偏心直豎紋的原因是砂輪相對曲軸的移動或者說砂輪對曲軸表面的磨削壓力產生周期性變化而引起的振動。這種振動可以是強迫振動，也可以是自激振動，因此曲軸上的直波頻通常不止一種。具體的原因有：（a）砂輪主軸的間隙太大；（b）砂輪靜平衡不好或砂輪變鈍；（c）曲軸的轉速太高；（d）橫向進刀速度太快；（e）砂輪主軸的軸承磨損或者配合間隙過大，導致產生徑向跳動。一般通過降低進刀速度、修整砂輪和平衡砂輪都可以解決。

（3）魚磷狀紋

曲軸偏心的魚鱗狀紋是因為砂輪的切削刃不夠鋒利，在磨削曲軸表面時發生“啃住”現象，這個時候振動較大。導致振動大的具體原因有：砂輪變鈍、修整不夠鋒利、砂輪硬度不夠均勻等。通常可以通過修銳砂輪解決該問題。

（4）斜狀紋

與網狀、螺旋狀紋類屬于同一類型，產生的機理相同，只是某個影響因子成分多少不同，導致最終復印（或者稱再生效應）結果不同而已。具體的原因有：（a）修整器剛性差、跳動大；（b）進給速度大；（c）工件剛性差。常常通過調整修整器、降低速度和增加無火花光磨時間可以消除此類紋路。

4 經驗總結和預防措施

（1）本次調查過程發現采用W40砂紙打磨后由于砂紙粒度太粗無法發現異常，而采用水性氧化鋁CW1500砂紙打磨工件后，曲軸表面異常可以發現。因此，可以將此操作增加至作業指導書中，以作為現場判斷預防。

（2）編制金剛輪安裝操作規范，明確步驟和檢驗標準。

（3）作業指導書增加重點工藝參數的受控規定。