磨削工艺方案对曲轴加工精度及节拍的影响

刘 霁，朱晓民

（1. 华南理工大学 机械与汽车工程学院，广州 510000；2. 北京机械工业自动化研究所，北京 100120）

0 引言

汽车发动机曲轴是汽车发动机中精度要求最高和最难以加工的零件之一，曲轴的主轴颈和连杆轴颈同轴度、圆柱度、垂直度等项形位公差以及粗糙度要求都极其严格；另外，在保证精度的基础上，加工节拍也必须满足生产工艺设计要求。某乘用车1.8升汽油发动机曲轴在经过粗加工、热处理及半精加工磨削后，主轴颈和连杆颈要在一台CNC随动双CBN砂轮磨床上进行精加工，具体加工部位如图1所示。采用不同的磨削加工工艺方案，磨削加工节拍和加工精度就会发生相应变化。试生产初期，在满足220秒节拍的条件下，圆度、圆柱度、垂直度以及粗糙度均达到了图纸规定的精度要求，然而，5个主轴颈的同轴度却难以达到图纸规定的公差16微米（µm）要求。为解决这个问题，设计了五种工艺方案进行试验，每种工艺方案加工一组30件曲轴，对每种工艺方案的实际加工效果进行对比并对每种工艺方案对主轴颈同轴度的影响进行分析，从中选取出了最佳的工艺方案。

图1 磨削示意图

图中符号说明：

1）第1、2、3、4、5主轴颈分别用1J、2J、3J、4J、5J表示；

2）第1、2、3、4连杆轴颈分别用1P、2P、3P、4P表示。

1 方案一

1）磨削顺序: 首先同时磨削1P和3P，然后同时磨削2P和4P，下一步同时磨削1J和4J，接下来同时磨削2J和5J，最后磨削3J；

2）中间支撑: 在3J位置设置两轴半闭环控制的NC中心架；

3）主轴颈同轴度测量值（以1J、5J为测量基准）：最大值34µm,平均值13.9µm，具体数据如图2所示；

4）结论：主轴颈同轴度不合格，节拍合格。

图2 按磨削工艺方案一加工出的工件同轴度情况

2 方案二

1）磨削顺序: CBN砂轮单独依次磨削1P、2P、3P、4P、3J、2J、4J 、1J、5J；

2）中间支撑方式: 在3J位置设置两轴半闭环控制的NC中心架；

3）主轴颈同轴度测量值（以1J、5J为测量基准）：最大值8.1μm, 平均值3.3µm，具体数据如图3所示；

4）结论：主轴颈同轴度合格，节拍不合格。

图3 按磨削工艺方案二加工出的工件同轴度情况

3 方案三

1）磨削顺序: 首先磨削3J，然后同时磨削1P和3P，下一步同时磨削2P和4P，接下来同时磨削1J和4J，最后同时磨削2J和5J；

2）中间支撑方式: 在3J位置设置三轴自定心自动伸缩液压中心架；

3）主轴颈同轴度：最大值26.7µm, 平均值12.3µm，主轴颈同轴度具体数据如图4所示；

4）结论：主轴颈同轴度不合格，节拍合格。

图4 按磨削工艺方案三加工出的工件同轴度情况

4 方案四

1）磨削顺序: 首先同时磨削1P和3P，然后同时磨削2P和4P，下一步同时磨削1J和4J，接下来同时磨削2J和5J，最后磨削3J；

2）中间支撑方式: 在3J位置设置三轴自定心自动伸缩液压中心架；

3）主轴颈同轴度：最大值17.3µm, 平均值10.6µm，具体数据如图5所示；

4）结论：主轴颈同轴度不合格，节拍合格。

图5 按磨削工艺方案四加工出的工件同轴度情况

5 方案五

1）磨削顺序: 首先磨削3J，然后同时磨削1P和3P，接下来同时磨削2P和4P，下一步同时磨削1J和4J，再下一步同时磨削2J和5J，最后再次磨削3J；

2）中间支撑方式：在3J位置设置三轴自定心自动伸缩液压中心架；

3）主轴颈同轴度：最大15.8µm，平均至10.7μm，具体数据如图6所示；

4）结论：主轴颈同轴度合格，节拍合格。

图6 按磨削工艺方案五加工出的工件同轴度情况

6 结论

上述五种磨削工艺方案中，主要区别点是磨削顺序和中间支撑方式的不同。由于主轴颈同轴度的测量基准是1J和5J，中间支撑点在3J上，因而3J磨削顺序直接影响到曲轴最终的同轴度。中间支撑方式不同主要影响到磨削过程中曲轴的刚性，对于单个CBN砂轮磨削时影响较小，而对两个CBN砂轮同时磨削时影响较大，主要原因是两种磨削力差别将近一倍，并且磨削连杆轴颈时磨削力的方向在时时变化。比较五种方案得出在3J位置设置三轴自定心自动伸缩液压中心架比两轴半闭环控制的NC中心架对机床工件系统的支撑刚性要好。由于曲轴结构的差异，图1中曲轴左侧比右侧轴径细，左侧刚性比右侧低，所以2J的同轴度误差数值在五种方案中普遍较大。

图7 各磨削工艺方案主轴颈同轴度数值对比

综上所述，比较以上五种磨削工艺方案，主轴颈同轴度平均及最大数值对比如图7所示。从中可见，精度最好的磨削工艺方案是方案二，该方案采用了CBN砂轮单独逐一磨削连杆轴颈和主轴颈的方式，但加工节拍最长，效率最低，加工时间达到了280秒，超出了220秒的工艺规划要求节拍。除此以外，主轴颈同轴度精度较好的磨削工艺方案是方案五，该方案采用了首先磨削第3主轴颈，然后用两个CBN砂轮同时磨削连杆轴颈与主轴颈，最后再次磨削第3主轴颈的方式，同轴度精度15.8µm，达到了图纸规定的公差要求，节拍则比方案二缩短近30%，且在生产线工艺规定的节拍220秒范围内。而方案一、方案三及方案四的加工节拍虽然较短，但加工后的主轴颈同轴度精度较差，超出了图纸规定的公差要求。经过综合比较，最终选择了磨削工艺方案五作为批量生产的方式。