曲轴抛光常见质量问题及其对策

张日升

摘要： 针对曲轴抛光后曲轴轴颈油孔下凹问题、曲柄销轴颈刹车印问题、圆角粗糙度超差问题、止推面粗糙度超差问题，通过分析抛光臂、抛光瓦与曲轴的受力和运动关系，找出质量问题根本原因，并针对性设计不同结构的抛光瓦解决相应质量问题。为同类产品的相似技术问题提供一套有效分析路径和改进措施。

Abstract： Aiming at the problem of crankshaft journal oil hole sinking after crankshaft polishing， crank pin journal brake mark， round corner roughness problem， thrust surface roughness problem， through analysis of the force of the polishing arm， polishing pad and crankshaft Relation to movement， find out the root cause of quality problems， and design polished tiles of different structures to solve the corresponding quality problems. Provide a set of effective analysis paths and improvement measures for similar technical problems of similar products.

关键词： 曲轴;抛光;抛光瓦;刹车印;油孔下凹

Key words： crankshaft;polishing;polishing tile;brake printing;concave under the oil hole

中图分类号：TG315.5+7                                    文献标识码：A                                  文章编号：1674-957X（2022）03-0106-03

0  引言

曲轴是发动机的重要运动部件，曲轴轴颈表面质量将导致发动机效率降低，同时还会造成其轴颈和轴瓦的磨损导致抱瓦、划瓦，进而影响发动机使用寿命。故曲轴轴颈表面粗糙度和形位公差是关键尺寸，必须通过加工工艺来保证表面粗糙度和形位公差在合格的范围内。在发动机曲轴制造过程中业内通常使用曲轴专用抛光机抛光的方式改善轴颈粗糙度和形位公差，其中曲轴抛光机的抛光瓦结构对抛光效果影响最大，我司在对抛光后曲轴轴颈检验时经常发现刹车印记、油孔位置下凹，圆角粗糙度超差和止推面粗糙度超差四种技术问题，影响产品质量。下面以某4缸曲轴为例子介绍四种不同抛光瓦结构对抛光后曲轴轴颈油孔下凹、刹车印、圆角粗糙度超差、止推面粗糙度超差四种技术问题的对策。

1  曲轴轴颈油孔下凹问题

在对抛光后曲轴检验时，发现使用ADCOEL曲轴凸轮轴综合测量仪检验的直线度轮廓不是平直的，轮廓显示中部有下凹情况，现场使用量块和蓝油（Prussian Blue 80038）同样可以检测出中部下凹。现场调查抛光时使用的是常规抛光瓦（见图2）。常规抛光瓦为窄胶块均布结构抛光瓦，此结构抛光瓦的胶块为均布结构（见图2），聚氨酯胶块与轴颈接触面积小于油孔孔口尺寸，以某4缸曲轴（见图1）为例，曲轴油孔直径在Φ8mm左右，油孔孔口圆角大小为R3mm，孔口尺寸为14mm，如图2所示的窄膠条抛光瓦，聚氨酯胶块与轴颈接触面积为12mm，小于孔口尺寸，如图3所示抛光后曲轴使用ADCOEL曲轴凸轮轴综合测量仪检验的直线度轮廓，可以明显看到，直线度中部有下凹情况，分析其原因是曲轴每旋转一周油孔都会在砂带上进行一次挂蹭，将砂带上残留磨屑刮去露出砂带磨料，导致砂带中部更锋利，下量更多，最终导致油孔下凹。

常规抛光瓦抛光参数为：粗抛光600#布基砂带，正转20圈，反转20圈;精抛光30μ聚酯薄膜砂带，正转20圈，反转20圈;机床转速90r/min，窜动量4mm，窜动速度2800mm/min;抛光压力：40bar。

根据ADCOLE图像可以看到抛光后油孔位置有约0.003mm凹陷，凹陷宽度约20mm与油孔孔口尺寸相符合，分析根本原因是胶块接触宽度与孔口抛光尺寸几乎相同，当抛光时曲轴油孔旋转到胶块处时，因接触面积突然减小，聚氨酯胶块产生塑性变形，导致油孔处单位面积压力加大并刮去磨屑，露出锋利的磨料，导致油孔下凹。解决措施：设计宽块均布结构抛光瓦此结构抛光瓦胶块为均布结构（见图4），聚氨酯胶块与轴颈接触面积大于油孔孔口尺寸，以4缸曲轴（见图1）为例，曲轴油孔直径在Φ8mm左右，油孔孔口圆角大小为R3mm，孔口尺寸为14mm，如图4所示的宽胶条抛光瓦，聚氨酯胶块与轴颈接触面积为26.7mm，大于油孔孔口尺寸，如图5为抛光后ADCOEL曲轴凸轮轴综合测量仪检验的直线度轮廓，可以明显看到，直线度平滑没有凹陷情况。

宽胶块均布结构抛光瓦抛光参数为：粗抛光600#布基砂带，正转25圈，反转25圈;精抛光30μ聚酯薄膜砂带，正转25圈，反转25圈;机床转速90r/min，窜动量4mm，窜动速度2800mm/min;抛光压力：40bar。

小结：通过现场验证使用胶块加宽结构抛光瓦，降低单位接触面积表面压力方式可以有效防止因油孔处下凹问题产生。相较常规抛光瓦，优势是有效消除抛光油孔处下凹问题，劣势有因接触面积加大导致单位面积压力变小，抛光下量减少影响粗糙度，需要适当增加抛光时间。

2  曲軸曲柄销轴颈刹车印问题

在对抛光后曲轴进行外观检验时发现，曲轴2、3曲柄销轴颈在轴颈有刹车印记（见图6），刹车印位置粗糙度Ra0.3-0.35大于其余位置粗糙度，且每根曲轴刹车印位置和角度一致，经过现场对比刹车印位置与上抛光瓦左侧胶块位置重合，形成批量质量问题，现场人工使用较细砂带修整，耗费工时且人工修整质量一致性差。通过绘图分析与抛光瓦结构、抛光臂结构有关，具体原因分析如下：抛光结束，抛光臂停止在2，3曲柄销向上位置（见图7），此时抛光臂呈现一定倾斜角度，导致上抛光瓦上两聚氨酯胶块受力不均匀，如（见图8）可见上瓦左侧聚氨酯胶块与垂直线角度A大于上瓦右侧聚氨酯胶块与垂直线角度B。

根据连杆上抛光瓦受力分析图（见图9）和已知参数进行理论计算，过程如下：已知，下夹紧压力F=800N，角度A=60°，B=30°，根据力的矢量加法的三角形法则则绘矢量图（见图10）;经过计算可得：F1=F×cos30°=800×0.866=692.8;F4=F×cos60°=800×0.5=400。根据计算分析可以得出左胶块摩擦力F1大于右胶块摩擦力F4，这与刹车印出现在左胶块而右胶块没有相吻合。解决措施：连杆上抛光瓦结构进行重新设计，方案如下（见图11）。偏心连杆抛光瓦抛光参数为：粗抛光600#布基砂带，正转20圈，反转20圈，精抛光30μ聚酯薄膜砂带砂带，正转20圈，反转20圈，机床转速90r/min，窜动量4mm，窜动速度2800mm/min，抛光压力：40bar。

小结：经过现场验证此方案抛光瓦，可以解决刹车印问题，此瓦左右胶块倾斜角度C与D相等（见图11），可以保证当抛光臂夹紧状态，两胶块受力相同，避免因单个胶块摩擦力较大导致的刹车印问题。

3  五主圆角粗糙度超差问题

在对抛光后曲轴圆角粗糙度检验过程中发现靠近5主圆角（见图12）粗糙度不合格，其余圆角合格。

分析其原因是当抛光机抛光时，因抛光机往复窜动抛光瓦聚氨酯胶块与曲轴5主左侧台肩碰撞，将聚氨酯胶块抛碰撞松动，在后续加工时因胶块松动间隙扩大导致聚氨酯胶块接触不到圆角及台肩，致使圆角粗糙度超差。而其余轴颈因档宽两侧均有台肩可以避免胶块位置的松动导致的位置偏移，故不会出现圆角没有抛光到情况。

改进方案：设计单侧抛光瓦，瓦右侧聚氨酯与瓦体找平，在瓦体开螺纹孔，并装配弹簧垫片和内六角圆柱头螺钉，限制聚氨酯胶块横向自由度。保证不因机床窜动导致聚氨酯胶块松动（图13）。单侧抛光瓦抛光参数为：粗抛光600#布基砂带，正转20圈，反转20圈;精抛光30μ聚酯薄膜砂带砂带，正转20圈，反转20圈;机床转速90r/min，窜动量4mm，窜动速度2800mm/min，抛光压力：40bar。小结：经过现场验证此方案抛光瓦，可有效避免胶块松动保证，保证圆角粗糙度合格。

4  曲轴止推面粗糙度超差问题

曲轴止推面一个显著特点就是其接触面积比其他轴颈侧面大很多，各项精度要求也很高。目前，曲轴抛光主要针对轴颈，对止推面粗糙度控制关注较少，下面介绍一种可有效改善止推面粗糙度的抛光瓦。

目前现有常规抛光瓦（见图14）采用将聚氨酯胶块钉入抛光瓦燕尾槽结构，此结构抛光瓦受聚氨酯胶块尺寸限制，与止推面接触的范围较小，由于曲轴抛光机抛光时有窜动动作，导致止推面抛光并不能360度均充分抛光。

解决措施：设计增大侧面触面积抛光瓦，此抛光瓦与常规抛光瓦制作工艺有所不同，常规抛光瓦上将聚氨酯胶块钉入抛光瓦，在使用数控铣加工内径等尺寸。增大侧面触面积抛光瓦是将抛光瓦放入模具浇筑聚氨酯，再进行使用数控铣加工内径等尺寸，优势在于拥有较大聚氨酯接触面积，可以有效规避因抛光机窜动动作导致的止推面抛光不充分（图15）。增大侧面触面积抛光瓦抛光参数为：粗抛光600#布基砂带，正转20圈，反转20圈，瓦移动至止推档左侧停3秒，机床转速90r/min，瓦移动至止推档右侧停3秒，机床转速90r/min，精抛光30μ聚酯薄膜砂带砂带，正转20圈，反转20圈，机床转速90r/min，窜动量4.3mm，窜动速度2800mm/min，抛光压力：40bar。

小结：现场使用此结构抛光瓦，并将抛光参数进行微调，止推面粗糙度可达到Ra0.05-0.1之间，且各部分粗糙度一致。满足图纸要求。

5  结语

发动机是汽车的心脏，曲轴是发动机的心脏，曲轴质量的好坏直接影响到发动机的传动效率，进而影响油耗的大小。随着人们对个性化的需要，批量化生产方式将逐渐减少，小批量多品种产品越来越多，故工装创新性和设计的针对性是保证产品质量重要组成部分，通过对上述四个具体技术问题的分析与计算，确定技术问题的根本产生原因，针对性设计专用抛光工装，可以解决相应的问题。希望本文的工装设计方案对今后类似曲轴抛光工装设计有一定借鉴作用。

参考文献：

[1]冯道.机械零件切削加工工艺与技术标准实用手册[M].安徽：安徽问候音像出版社，2003：1577-1595.

[2]孟少农.机械加工工艺手册[M].北京：机械工业出版社，1998.

[3]王德泉.砂轮特性与磨削加工[M].北京：中国标准出版社，2001.