微補償技術在曲軸軸向圓跳動控制中的應用

王佳偉，朱平

中車資陽機車有限公司 四川資陽 641301

1 序言

某柴油機曲軸兩端結構如圖1所示，曲軸總長4570mm，成品質量2950kg。端面D要求對基準A和B全跳動0.04mm，端面C是在磨床上磨削加工，跳動為0.01mm，與端面D連接的是一個1000mm長的連接軸。端面D的跳動會影響裝配在端面D上的連接軸外圓的跳動，并直接影響發動機的輸出功率、整機動平衡和可靠性。

圖1 曲軸兩端結構

在試制過程中發現，端面D受到磨床行程限制，無法在磨床上磨削加工，改造磨床短時間內無法完成，并且改造成本較高。端面D在車床上加工時全跳動始終達不到圖樣設計要求。在車床上對圖中φ275mm外圓跳動和支撐中心架找正0.02mm，圖中端面C的跳動最好只能找正在0.06mm。端面D車削后跳動最好只能達到0.08mm，與圖樣要求的0.04mm相比超差一倍，且找正時間較長，無法滿足批量生產。

2 曲軸軸向圓跳動超差分析

端面D車削時超差的主要原因：①加工基準面C無法找正到0.02mm以內。②機床中心架數量較少，曲軸受到重力影響，在車削時出現撓度變形（見圖2），無法將曲軸中心軸線找正水平，曲軸端面D和曲軸旋轉中心線處于不垂直狀態。③只有兩個中心架，無法做到每個軸頸都支撐并把曲軸實際中心線找水平，而且每個軸頸都做支撐也不符合實際加工要求。由此可見，車床加工端面D時如果有足夠的中心架和找正時間，將曲軸實際中心軸線找正到理論中心軸線位置，就可以滿足圖樣精度要求，但不滿足實際生產制造節拍。為此需要探索新的端面加工方式。

曲軸軸向圓跳動超差，實際就是端面上存在高點和低點，高點與低點之間落差超過圖樣設計要求。要保證端面D的跳動要求，一是要找到端面上的高、低點，二是需要消除高點。因此可以通過逐層銑削端面的方式，以端面C為基準，端面D通過補償銑削高點的方式保證軸向圓跳動要求。

圖2 曲軸車削過程撓度變形示意

3 曲軸軸向圓跳動控制及微補償技術開發

3.1 端面銑削加工試驗

端面銑削數控加工設備：西班牙鏜銑加工中心；設備操作系統：SIEMENS 840D；裝夾定位方式：機床3個中心架分別支撐圖1中曲軸1、5、10主軸頸，中心架采用液壓夾緊。端面C和端面D上有孔系加工，為方便使用機床cycle循環，此處使用坐標系旋轉，將垂直于端面D的坐標軸設定為Z軸。

通過多次在鏜銑加工中心的銑削加工試驗發現，端面銑削高、低點的連線經過圓心，如圖3所示。連線HL一端為高點，一端為低點，其中β為任意角度，高點與低點的差值為0.04～0.20mm的隨機數值。

圖3 試驗加工時曲軸端面銑削結果示意

使用微補償高點消除法滿足軸向圓跳動要求，銑削時刀具每刀銑削寬度范圍內高、低點差值不能超過0.04mm。端面D最大外圓為275mm，試驗發現端面D銑削最大跳動值為0.2mm，為保證軸向圓跳動在0.04mm以內，需要將0.2mm跳動高點至少分為0.2/0.04=5段逐漸消除，將每段跳動控制在0.04mm以內。刀具最大直徑Dmax=275/5mm=55mm，考慮到D50mm銑刀為車間現有和常見刀具，最終選擇D50mm銑刀。

實際加工時，端面精銑分為兩步進行。第一步是尋找跳動高、低點。銑削時控制深度坐標軸不變，按照圖4中刀路M1、M2……M6進行銑削。銑削后使用深度游標卡尺測量端面C與D之間的高度差，測量P1、P2……P8共8個位置點（每45°一個測量點），測量值分別為H1、H2……H8，記錄并找出最大值和最小值。如測量發現P2點為最高點，數值為H2，則P6點為最低點，數值為H6。

圖4 銑削刀路及測量位置示意

第二步是消除高點。銑削時將坐標系的一個坐標軸旋轉到高、低點連線方向，控制銑削深度沿坐標軸逐層變化，按照圖5中刀路M1、M2……M6進行銑削。M1刀路銑削時控制深度坐標軸Z=0，M2刀路控制銑削深度坐標Z=－（H2－H6）/5，M3刀路控制銑削深度坐標Z=－2（H2－H6）/5，以此類推，M6刀路控制銑削深度坐標Z=－（H2－H6）。

圖5 微補償時曲軸端面銑削示意

按照以上步驟，M1～M6每層刀路都將保證端面D與端面C之間的距離控制在相同值，并逐漸將P2處的高點消除，保證端面C與端面D之間的高度一致，從而保證端面D的跳動值。

試驗發現當修正數值比較小時（＜0.08mm），也就是第一次銑削完軸向圓跳動比較小時，容易出現兩個高點或兩個低點，此種情況下可以任意選擇一個高點方向作為修正角度，微補償后都可以滿足圖樣要求。但如果需要加工更高精度要求的端面時，需要提高測量量具精度并排除測量誤差，找到高點和低點，具體操作和以上方法類似。

3.2 端面微補償銑削數控加工程序設計

在數控加工程序編制時，為保證程序的通用性，滿足所有隨機β角度方向的補償，在編制程序時引入坐標系旋轉（在之前鉆孔的坐標系旋轉之后，再次進行坐標系旋轉），并把坐標系旋轉值設定為變量R30，在主程序或R參數中通過修改變量值，達到修正銑削高點角度的目的。由于高點H與低點L之間的差值每次都是隨機變化的，所以在主程序中將H與L之間的差值設定為變量R2，滿足隨機高低差值的銑削補償。數控加工主程序如下。

;*** FINISH MILL PLANE *******

N10 G54

N20 M115

N30 T41 D1

N40 M6

N50 HEAD_C1(-180)

N60 HEAD_C2(90)

N70 TRANS X-48

N80 AROT Y-90

N90 M114

N100 G0 Z100

;First processing

N110 R1=275; 端面D外圓直徑

N120 R2=0 R30=0; 角度和高度差修正值，第一次銑削設定為0

N130 m0

N140 stopre

N150 FINISH_MILL_PLANE;銑削子程序

N160 M0; 測量記錄端面高低點差值及角度方向

;Second processing

N170 R2=0 R30=0

N180 M0; 程序運行到此處時，修改機床R參數表中的R2和R30參數

N190 stopre

N200 FINISH_MILL_PLANE; 銑削子程序

N210 trans

N220 M115

N230 M30

數控加工子程序內容如下。

;FINISH_MILL_PLANE; 子程序內容

N10 R10=2*$P_TOOLR-4; 排除刀片刀尖半徑，設定銑削時刀具有效直徑

N20 R11=trunc(R1/R10)

N30 if((R1/R10)＞R11); 設定刀路銑削次數

N40 R12=R11+1

N50 else

N60 R12=R11

N70 Endif

N80 R13=R1/R12

N90 G0 Z100

N100 Y=0

N110 X=0

N120 G0 Z50

N130 M03 S700 M8

N140 R20=0; 銑削刀路計數器

N150 AROT Z=R30; 根據高低點角度修正端面銑削時坐標系旋轉角度

N160 _start_MILL:

N170 g1 Y=-sqrt(pot(R1/2+$P_TOOLR)-pot(R1/2-R13/2-R13*R20))-5 f2000

N180 X=R1/2-R13/2-R13*R20

N190 Z=0-(R2/(R12-1))*R20 F800; 修正銑削深度補償

N200 Y=sqrt(pot(R1/2+$P_TOOLR)-pot(R1/2-R13/2-R13*R20))+5 f200

N210 Z=5 F800

N220 R20=R20+1

N230 if(R20＜R12)

N240 gotoB _start_MILL; 跳轉銑削下一層端面

N250 Endif

N260 AROT Z=-R30; 取消端面銑削時的坐標系角度旋轉

N270 G0 Z100 M05 M9

N270 M17

4 結束語

通過以上方法加工完成后，在臥式車床使用兩個百分表同時對端面D和端面C的相同角度位置進行跳動檢測。兩個百分表相同角度位置指針讀數變化在0.02mm以內，磨削表面C跳動在0.01mm以內，最終端面D跳動0.03mm，達到圖樣要求的全跳動0.04mm。本文所述微補償端面銑削加工方法，提出了一種新的加工精度控制理念，可以推廣應用到其他需要保證精度的類似部位的加工中。