精密曲轴连杆颈磨削加工技术的研究

张慎明

摘 要：内燃机与发动机作为汽车的心脏，曲轴作为心脏的血管，所以加强曲轴的设计与加工就显得尤为重要，加上曲轴类型多样，加工精度将直接关乎到发动机性能，进而对汽车质量带来影响。因此，市面上对于曲轴精度的要求也越发苛刻。本文对以精密曲轴连杆颈磨削加工技术作为研究对象，对其工艺要点和相关误差因素进行了探究，旨于为企业带来更好的经济效应。

关键词：加工技术 连杆轴颈摩削 曲轴连杆颈

Research on Grinding Technology of Precision Crankshaft Connecting Rod Neck

Zhang Shenming

Abstract：The internal combustion engine and the engine are the heart of the car， and the crankshaft is the blood vessel of the heart. Therefore， it is particularly important to strengthen the design and processing of the crankshaft. With the various types of crankshafts， the machining accuracy will directly affect the performance of the engine， which will affect the quality of the car. Therefore， the requirements for crankshaft accuracy on the market are becoming more stringent. This article takes the precision crankshaft connecting rod neck grinding processing technology as the research object， and explores its process points and related error factors， aiming to bring better economic effects to the enterprise.

Key words：machining technology， connecting rod journal rubbing， crankshaft connecting rod journal

1 引言

曲轴的作用是承受连杆传来的力，并将这份力转变为转矩输出并驱动发动机上附件来支持附件的工作。曲轴的运转受到三个力的作用，这三个力分别是具有周期变化的气体的惯性力、旋转质量的离心力和轴身往返惯性力。这三个力使曲轴具有能够承受弯曲扭转载荷的作用，而要承受这三个力的作用，必须要求曲轴有足够的强度和刚度。

为了减少磨损，往往需要减少曲轴的质量与其因运动而产生的离心力，为此，常常将曲轴轴颈做成中空的结构，并在轴颈表上开油孔，用来方便引进机油来润滑轴颈的表面。而减小离心力的办法则是依靠曲轴配重（又叫曲轴平衡重），通过配重，不仅能平衡旋转离心力与力矩，部分情况下，还能减轻主轴承受的负荷。

2 曲轴加工技术概述

2.1 传统加工技术-磨削

曲轴磨削是曲轴加工的传统技术，该技术常见的有两种方式：一是对曲轴主轴颈磨床进行开孔定位，并将中心线作为中心实施回转加工;二是采取主轴颈进行定位，以被加工的连杆颈的中轴线为中心回转加工。

磨床的机头尾架上都装了可以调整的装置，比如平衡块、卡盘（径向偏心），这样不仅能加持工件，而且还能对偏心距进行调整，从而确保曲轴连杆颈的中心始终能与旋转中心的一致，从而并避免因不平衡而造成的曲轴扭转变形。

这种方法的优点是工艺系统的刚性良好，中心支承被方便的运用再两次定位上，具体过程是首先对主轴颈进行粗磨处理，再次基础上将其与粗磨处理后的连杆轴颈定位，此为一次定位。而二次定位是对主轴颈进行精磨处理的基础上，与精磨处理后的连杆轴颈定位，从而确保磨连杆轴径时的定位精度。但是在实践中，也会存在定位误差，每道工序都需要装夹，使得辅助时间较长，在降低加工效率的同时影响精度，加上所需磨床要2台，设备的投资巨大，同时也增加了厂房所需的占地面积，进一步增加了投入，费时且费力（图1）。

2.2 切点跟踪磨削法

切点跟踪磨削法是对传统工艺的创新，具有较强的集成性，主要是对工件旋转、砂轮横向运动过程进行有效控制，实现偏圆心与非圆表面的加工，其中砂轮的外圆与被加工件表面轮廓从始至终都必须相切。用这种方式进行曲轴磨削处理时，将主轴颈的中心连线作为其中心回转，并在装夹后磨出主轴颈与连杆颈。就主轴颈而言，在对其进行消磨时，所采用的方法与传统方式相同;而磨削连杆轴颈的方式，则是控制砂轮在曲轴旋转运动上横向进给，并使它们始终保持相切，从而使两轴联动旋转，从而实现磨削。

这种方法克服了传统的曲轴零件磨削方式的缺点，节省了機器的占地空间，使用一台机器就能完成多种零件的磨削，不但排除了误差，还减少了辅助世间，节省了投资成本，且对精度更有保障（图2）。

3 切点跟踪磨削法核心技术

切点跟踪磨削法的技术原理掌握是确保其应用成效的关键。所以在实际应用中，需要紧密结合其技术原理来设计和制造数控式曲轴磨床，但是就精度与圆度而言，要想满足还存在一定的差距和难度。目前掌握这一核心技术的磨床生产厂家寥寥无几。本文在研究过程中，虽然查阅了大量的文献，但是发现很多都只是对原理简单的概述，而实际技术的核心文献方面则较少，因此，笔者通过自身的工作实践，对这一技术的核心进行了总结，主要包含以下三点：一是可以结合恒线速原理建立运动模型，以阐述头架变速转动与砂轮架往复式运动的运动关系;二是以建立的运动模型为载体，通过研究伺服控制系统与机床结构后发现，利用运动模型能保证工件与砂轮可以按照预设的运动规律来运动;三是通过修正运动模型，能更好地分析加工误差，所以需要加强误差补偿模型的构建，以更好地修正运动模型。因此，在实践运用中，需要切实掌握这三个方面的核心问题，才能更好地提高磨床的设计制造水平。

4 切点跟踪磨削法在磨床设计制作中的误差问题梳理

机械加工的最大问题就是精度问题，尤其是在尺寸方面的加工精度需要高度重视，所以在磨床设计制作中，需要充分考虑磨床刀具与工件的相对位移这一技术参数。常见的机械加工误差源于系统、随机两个方面。其中，系统误差是指在特定规律变化下形成的误差，此类误差需要在辨识的基础上针对性的消除和处理。而随机误差具有偶发性，也就是具有不确定性，但是不确定的范围往往能确定，且在这一范围内按照一定的规律变动，因此可以对其进行分析与研究。因为本文研究的曲轴非圆磨床在精度检验标准上不明确，所以本文主要是采用某高精度外圆磨床的精度检验标准，就曲轴非圆数控磨床的加工误差形成方式及其性质，从五个方面对其进行划分，这五个方面分别是机床、工件、砂轮、夹具、数控系统。通过分析机床误差源，为追溯加工误差奠定了坚实的基础，并建立误差给加工结果带来影响的分析工具-正向解析模型，使得工件误差的精度预测与补偿问题得到处理。通过笔者的实践发现，曲轴非圆磨床的磨削加工精度误差主要是以下三项：一是随机误差，其处理主要是以数理统计法为载体，统计和分析零件加工误差，从而对加工误差规律进行总结，并采取针对性的措施，尽可能地将其影响降到最低。二是定值误差，主要是结合误差的大小与方向进行针对性的调整工艺装备，并通过对工艺装备的检修，掌握其问题所在，并针对性的处理。三是变值误差，主要是结合变化规律后，采取自动补偿的方式强化对其的处理。

磨床产品的核心竞争力就在于是否有着较高的加工精度，但是加工精度的影响因素多，为加强对其的处理，需要切实注重以下工作的开展：首先，从机床系统入手，既要加强误差预防，又要注重误差。在误差预防过程中，需要基于设计制造的视角，尽可能地将机床误差降低，但是实际是由于技术水平的不足，导致加工精度的提升受到的影响较大，所以就需要采用误差补偿，常见的做法是在误差反方向附加补偿运动，从而对机床设计制造时的误差有效的校正，对误差输出进行有效限制，需要说明的是，还可以采取实时在线测量加工误差对机床运动关系进行修正也是一种思路，因此，在机床系统的基础上，还要发挥微机的作用。其次，利用微机进行误差处理时，主要是在机械加工中运用微机，对工件误差进行在线检测，对误差进行在线分析与数据处理，从而对其进行实时控制。目前，随着传感器技术与测试技术的不断发展，使得误差补偿技术得到了有效的完善。传统的误差补偿主要是利用校正尺来处理，相较于这一方式，采取计算机软件来补偿误差，不仅对机床自身的精度无要求，而且加工的零件的精度很好，即便是长期使用，机床的磨损也能有效补偿，而且补偿量还能结合在线测试数据而针对性的调整和优化。此外，还能对工艺系统引发的热变形与弹性变形而导致的误差进行有效补偿。但是在误差补偿时，需要满足待补偿误差大于随机误差的前提，也就是机场误差具有可重复性。利用软件实施误差补偿时，常见的有两种方式。一是在线测量法进行误差补偿，主要是在零件加工时，通过对加工尺寸进行在线测量，将其与理论尺寸对比之后，找到二者的误差，再利用数控系统进行实时补偿。但是这种方法的不足就在成本较大。二是利用数字模型进行误差补偿，主要是对加工误差的影响因素进行分析，并通过建立数学模型，在零件加工时，结合给定加工条件，对加工时可能发现的误差进行计算，这样在数控程序编写过程中，通过预先加入补偿，使得精度得到有效的提升。这一方式因为经济实用性较强，所以在实践中得到了广泛应用。

通过上述对误差影响因素的分析，能更好地掌握切点跟踪磨削法的误差补偿要点，尤其是利用数学模型来实施误差补偿方面有着较为重要的作用。在具体的补偿过程中，我们还要切实利用动态数据理论为指导，将其作为误差补偿技术实施的理论基础，并对各种误差进行深入对比和分析的基础上，切实加强对误差补偿技术的创新和研究。因此，笔者未来将在机械系统动态误差测量和建模与参数估计等方面加大对其的研究，结合系统的特性强化对其的辨识，并在误差补偿控制系统方面不断完善，充分发挥誤差运动学模型的优势，基于几何运动关系的视角，对刀具和工件的误差进行分析，为误差补偿奠定坚实的基础，并利用三点法误差分离原理，采用两点法圆度误差测量技术，从而更好地契合在线检测与误差补偿的需要。

5 结束语

本文总结分析了切点跟踪磨削法和传统曲轴磨削加工技术，比较两种工艺的资金投入和优略，具体对切点跟踪磨削法进行了阐述，总结出了它的核心技术与造成误差的几种原因，从而使企业在未来机床使用与选择上产生帮助。

参考文献：

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