汽車曲軸的“三軸聯(lián)動切點跟蹤”隨動磨床及其關(guān)鍵技術(shù)研究*

黃興紅 潘旭華 吳 興 黃文廣

(①浙江機電職業(yè)技術(shù)學(xué)院，浙江杭州310053;②蘇州亞微精密機床廠，江蘇蘇州215021)

曲軸是汽車發(fā)動機關(guān)鍵零件之一，其加工質(zhì)量直接影響發(fā)動機的綜合性能和使用壽命。由于曲軸零件結(jié)構(gòu)復(fù)雜、加工精度要求高，如何提高曲軸零件的切削加工精度和加工效率是發(fā)動機和汽車制造業(yè)亟需攻克的重大攻關(guān)課題。

國產(chǎn)曲軸磨床與汽車曲軸生產(chǎn)的高精度、高效率加工要求依然相去甚遠(yuǎn)。為此，已有部分企業(yè)從國外引進(jìn)了基于“兩軸聯(lián)動切點跟蹤磨削”原理的數(shù)控高精度曲軸隨動磨床，其加工精度可達(dá)0.005 mm，并可在一次裝夾條件下分別磨削主軸頸和連桿頸，從而也較大程度地提高了加工效率和相對位置精度。

但是，研究表明，兩軸聯(lián)動切點跟蹤磨削方法存在以下技術(shù)缺陷［1-2］:

(1)連桿頸表面各點磨削時間不等。此種磨削方法在相同時間內(nèi)切點在連桿頸表面所走過的弧長是不相等的，這將導(dǎo)致在連桿頸上各點的磨除率也不相等，從而直接影響連桿頸表面的加工精度和表面質(zhì)量。

(2)砂輪架隨動程序開發(fā)困難。為保證“隨動”關(guān)系，當(dāng)連桿頸以等角速度轉(zhuǎn)動時，砂輪架必須沿水平方向移動，砂輪架隨動運動與曲軸轉(zhuǎn)動的關(guān)系為非線性關(guān)系，隨動運動即時參數(shù)的計算極為復(fù)雜，給機床數(shù)控系統(tǒng)專用程序開發(fā)造成了很大難度。同樣，由于砂輪的橫向進(jìn)給或補償與連桿頸直徑變化也呈復(fù)雜的非線性關(guān)系，使得砂輪架整體位置補償、連桿頸表面誤差補償?shù)染芗庸ぜ夹g(shù)在數(shù)控專用程序的開發(fā)上遇到了難以逾越的困難。

(3)無法用普通砂輪磨削。由于砂輪架隨動運動與砂輪直徑直接相關(guān)，而砂輪直徑變化對連桿頸直徑的影響在各個位置又不盡相同。因此，砂輪的磨耗(直徑變小)不僅改變砂輪架的隨動運動要求，而且在加工中很難用一個固定量或者確定的數(shù)學(xué)關(guān)系量對其進(jìn)行補償。這就使得這種機床只能使用價格極其昂貴的進(jìn)口CBN砂輪。

(4)曲軸的受力方向不斷變化，容易造成不確定系統(tǒng)性加工誤差。加工過程中不斷變化的受力情況容易導(dǎo)致曲軸零件的裝夾穩(wěn)定性差和不同方向的受力變形，從而影響加工精度。

綜合以上分析可知，兩軸聯(lián)動切點跟蹤磨削方法不僅存在原理性加工誤差和不穩(wěn)定性，而且隨動軸運動、砂輪磨耗、誤差補償?shù)葦?shù)控專用程序開發(fā)極其困難。

本文是基于課題組成員的多項國家發(fā)明專利，基于“三軸聯(lián)動切點跟蹤”磨削原理，對汽車曲軸隨動磨削技術(shù)進(jìn)行系統(tǒng)研究，力圖研制一種采用新型磨削原理和多種高新技術(shù)、可用普通砂輪磨削的汽車曲軸隨動磨床。

1 三軸聯(lián)動切點跟蹤隨動磨削原理及其技術(shù)優(yōu)勢

1.1 三軸聯(lián)動切點跟蹤隨動磨削原理

此種方法磨削曲軸連桿頸時，砂輪主軸將隨著連桿頸位置的變化沿著水平和垂直兩個方向跟隨連桿頸同步運動，使砂輪與連桿頸中心連線始終處于水平位置(即Y軸進(jìn)給方向)上，并保證磨削點P與連桿中心之間的距離。從而使得曲軸在以主軸頸中心定位前提下，實現(xiàn)了連桿頸等同于普通外圓磨削的工藝方法。由于這種磨削方法要求砂輪架的水平移動(Y軸)、垂直移動(Z軸)與工件轉(zhuǎn)動(θ軸)保持“隨動”關(guān)系，故稱三軸聯(lián)動切點跟蹤隨動磨削法［3］(圖1)。

1．2 三軸聯(lián)動切點跟蹤曲軸隨動磨削運動模型

以曲軸中心為坐標(biāo)原點建立坐標(biāo)系，設(shè)連桿頸半徑為r，砂輪半徑為R，連桿頸偏心量為e，曲軸轉(zhuǎn)動速度為ω1，砂輪中心坐標(biāo)為(Y，Z)，砂輪架隨動轉(zhuǎn)速為ω2。根據(jù)曲軸和砂輪架的隨動運動要求，則:

砂輪架的隨動運動軌跡方程為:

上述運動模型表明，三軸聯(lián)動切點跟蹤磨削原理中砂輪架的隨動運動是一個與曲軸連桿頸完全同步的簡單圓周運動。雖然其軌跡方程與砂輪和連桿頸半徑有關(guān)，但由于磨削時切點始終位于砂輪與連桿頸中心的水平連線上，與普通外圓磨削無異，砂輪磨耗或修整，乃至連桿頸實測的圓度誤差都可以通過砂輪架額外的水平移動(Y軸方向)予以補償，因而極大地簡化了機床專用數(shù)控程序的開發(fā)和加工程序的編制。

1．3 三軸聯(lián)動切點跟蹤曲軸隨動磨削技術(shù)優(yōu)勢

通過上述原理分析，與兩軸聯(lián)動切點跟蹤磨削方法相比，三軸聯(lián)動切點跟蹤曲軸隨動磨削工藝具有以下技術(shù)優(yōu)勢:

(1)加工過程中單位時間內(nèi)切點在連桿頸表面走過的弧長均等，連桿頸上各點的磨除率相等，而且砂輪直徑和工件直徑變化都不會影響加工表面的圓度。因此，不存在原理性加工誤差。

(2)砂輪架隨動運動簡單，幾乎無需開發(fā)數(shù)控專用程序。砂輪修整和連桿頸直徑與圓度誤差補償?shù)韧跀?shù)控外圓磨削工藝，專用數(shù)控程序開發(fā)和加工程序編制簡單易行。

(3)加工過程中工件受力均勻、方向一致，工藝系統(tǒng)穩(wěn)定性好。

(4)加工過程中砂輪的磨耗不影響加工表面圓度誤差，砂輪修整后不影響隨動運動軌跡，故可以采用普通剛玉砂輪加工。

由此可知，三軸聯(lián)動切點跟蹤曲軸隨動磨削工藝不僅具有一次安裝、無需分度即可連續(xù)加工多組連桿頸和主軸頸的共同優(yōu)點，比兩軸聯(lián)動切點跟蹤磨削方法更容易保證工件的的加工精度，而且大大簡化了機床專用數(shù)控程序的開發(fā)和加工程序編制，還可以用普通剛玉砂輪作為切削工具，因而大幅降低生產(chǎn)成本。此外，此種方法用于磨削其他非圓表面(如凸輪輪廓表面等)時同樣具有上述技術(shù)優(yōu)勢。

2 三軸聯(lián)動切點跟蹤汽車曲軸隨動磨床的關(guān)鍵技術(shù)

高精度汽車曲軸隨動磨床的研制是一項世界頂尖技術(shù)，它不僅需要各組成部分具有極高的靜態(tài)精度和剛度，更需要整個工藝系統(tǒng)具備極高的動態(tài)剛性、響應(yīng)速度和穩(wěn)定性。為達(dá)到項目機床的設(shè)計目標(biāo)要求(圓度誤差≤0.003 mm)，課題組研發(fā)和綜合運用了以下關(guān)鍵技術(shù)。

2.1 高精度液體靜壓導(dǎo)軌技術(shù)

為保證砂輪架與工件旋轉(zhuǎn)運動的高度同步(隨動)，砂輪架導(dǎo)軌(特別是水平方向)必須具有很高的運動靈敏度、定位和重復(fù)定位精度。課題組經(jīng)過多年的研究，對傳統(tǒng)靜壓導(dǎo)軌的結(jié)構(gòu)及裝配制造工藝進(jìn)行了大量的改進(jìn)，成功試制了高剛性、高靈敏度的閉式液體靜 壓 導(dǎo) 軌 (專 利 號:ZL200610049966.X、ZL200410048664.1和ZL200510061224.4)。該產(chǎn)品已通過上海機床檢測中心和國家機床檢測中心檢測，定位精度達(dá)到0.001 3 mm，重復(fù)定位精度達(dá)到0.000 6 mm，并成功應(yīng)用于高精度外圓磨床。此項技術(shù)能確保項目機床所需運動部件的定位精度、重復(fù)定位精度和良好的運動平穩(wěn)性要求。

2.2 西門子高剛性直線驅(qū)動技術(shù)

在研制過程中，課題組曾分別采用機械傳動、伺服電動機與滾珠絲杠傳動、步進(jìn)電動機滾珠絲杠加液壓隨動等方法來實現(xiàn)砂輪架的隨動運動，但終因傳動系統(tǒng)的反向間隙、受力變形等因素導(dǎo)致?lián)Q向時產(chǎn)生“相位飄移”或者響應(yīng)速度滯后，無法滿足機床的動態(tài)剛性和超精密磨削要求，甚至造成很大的局部誤差。參照國外類似機床運動驅(qū)動技術(shù)，最終采用西門子公司提供的直線電動機來提供砂輪架的水平運動。經(jīng)過不同規(guī)格(力矩)的直線電動機在各種運動速度下的反復(fù)試驗，確認(rèn)大功率(20 000 N)、高剛性直線驅(qū)動系統(tǒng)可以有效地實現(xiàn)砂輪頭架快速、精確地隨動運動，并保證砂輪架水平運動方向很高的響應(yīng)速度(即“電剛性”)，而且允許工件以較高的轉(zhuǎn)速運轉(zhuǎn)，以保證足夠高的生產(chǎn)率。

此外，本機床砂輪和曲軸的運動也采用直接驅(qū)動。其中砂輪驅(qū)動采用電主軸驅(qū)動，曲軸旋轉(zhuǎn)(工件頭架)采用力矩電機驅(qū)動，以盡可能減少機械傳動可能造成的振動、變形和傳動誤差，從而保證各主要部件的動態(tài)性能。

2.3 在線測量與誤差補償技術(shù)

為進(jìn)一步消除機床各系統(tǒng)性誤差對最終加工精度的影響，本機床在曲軸進(jìn)入精磨之前的最后階段利用馬波士圓度儀對連桿徑進(jìn)行圓度誤差在線測量，并自動生成圓度誤差數(shù)據(jù)(測量原理圖2)。通過840d系統(tǒng)內(nèi)嵌MARPOSS數(shù)據(jù)處理軟件，自動處理誤差數(shù)據(jù)并生成誤差文件(插補表)。該文件包含每圈360個點的誤差數(shù)據(jù)。最終利用內(nèi)嵌在PCU上的由第三方軟件編制的誤差處理軟件(研制的專用軟件)生成誤差處理NC程序，并由該NC程序引導(dǎo)完成精磨加工。

以下是采用本機床加工曲軸連桿頸的一組圓度誤差分布曲線實例。其中圖3為該連桿頸粗磨后精磨前測得的圓度誤差曲線，最大值為0.004 79 mm;圖4為精磨后實際測得的圓度誤差曲線，最大值為0.001 06 mm。

3 結(jié)語

基于“三軸聯(lián)動切點跟蹤”原理的汽車曲軸隨動磨削技術(shù)經(jīng)過課題組及其依托單位兩年多的試制調(diào)試和對樣機的不斷改進(jìn)，一種采用新型磨削原理和多種高新技術(shù)、可用普通砂輪磨削的汽車曲軸隨動磨床基本成形。該樣本機床在對495發(fā)動機曲軸主軸頸和連桿頸的連續(xù)磨削試驗中，已經(jīng)能夠穩(wěn)定控制圓度誤差在0.002～0.002 5 mm范圍之內(nèi)，完全達(dá)到項目目標(biāo)≤0.003 mm的要求。

毋庸置疑，研制具有自主知識產(chǎn)權(quán)、能夠取代進(jìn)口設(shè)備的高精度、高效率、低成本汽車曲軸隨動磨床，為汽車發(fā)動機制造提供強力的工藝與裝備技術(shù)支持，對于我國汽車工業(yè)的可持續(xù)發(fā)展有著重大的現(xiàn)實意義。

［1］周志雄，羅紅平，密海清，等.切點跟蹤磨削法磨削曲軸零件的若干問題探討［J］.中國機械工程，2002，13(23).

［2］許梅，孫軍，石青輝，等.曲軸連桿軸頸的隨動磨削［J］.山東內(nèi)燃機，2004，3.

［3］潘旭華.一種曲軸連桿頸的隨動磨削方法:中國，ZL200710067750.0［P］.2008-11-28.