曲軸圓角滾壓機(jī)床的設(shè)計(jì)與研究*

張樹禮 黃耀明

（①大連連城數(shù)控機(jī)器股份有限公司，遼寧大連116036;②大連機(jī)床集團(tuán)有限責(zé)任公司，遼寧大連 116620）

用滾壓的方法加工曲軸圓角是上個(gè)世紀(jì)70～80年代興起的一種新技術(shù)。到目前，幾乎所有的轎車發(fā)動(dòng)機(jī)的曲軸均采用這種方法加工圓角。這種無屑加工的方法，不僅符合綠色環(huán)保的需要，而且最關(guān)鍵的是通過滾壓，大大地提高了曲軸的抗疲勞強(qiáng)度，增強(qiáng)了曲軸的使用壽命。眾所周知，汽車發(fā)動(dòng)機(jī)零件中，曲軸是關(guān)鍵零件之一，在傳遞動(dòng)力的過程中，它承受著交變載荷的沖擊。這種交變載荷使曲軸會(huì)產(chǎn)生彎曲和扭曲變形，更易使曲軸連桿頸和主軸頸處造成疲勞斷裂。而采用滾壓的方法加工曲軸圓角，就是利用滾輪的壓力作用，在曲軸的主軸頸和連桿頸過渡圓角處形成一條滾壓塑性變形帶，這條塑性變形帶具有以下特點(diǎn):

（1）產(chǎn)生了殘余壓應(yīng)力，可與曲軸在工作時(shí)的拉應(yīng)力抵消或部分抵消，從而提高疲勞強(qiáng)度。

（2）硬度提高，滾壓使圓角處形成高硬度的致密層，使曲軸的機(jī)械強(qiáng)度和疲勞強(qiáng)度得到提高。

（3）表面粗糙度值減小，圓角滾壓可使圓角表面粗糙度達(dá)到Ra0.1 μm以下，從而大大減小了圓角處的應(yīng)力集中，提高了疲勞強(qiáng)度。

曲軸圓角滾壓工藝能大幅度提高曲軸疲勞壽命的原因在于金屬表層在滾壓力作用下，當(dāng)應(yīng)力超過材料的屈服極限時(shí)，產(chǎn)生塑性變形，發(fā)生冷作硬化，使硬度得以提高，可使曲軸壽命增加23%以上。正因?yàn)椴捎脻L壓的方法有上述諸多優(yōu)點(diǎn)，這一工藝成了曲軸圓角加工的主流工藝，滾壓機(jī)床也隨之誕生，并越來越多地取代了傳統(tǒng)機(jī)床用刀具車削曲軸主軸頸和連桿頸圓角的方法。曲軸圓角滾壓智能柔性加工機(jī)床是集機(jī)械、電子、檢測(cè)技術(shù)、人工智能為一體化的高技術(shù)數(shù)控設(shè)備，在國外，曲軸圓角滾壓機(jī)床技術(shù)已經(jīng)成熟，滾壓機(jī)床已廣泛應(yīng)用。然而，就目前來講，我國生產(chǎn)滾壓機(jī)床的技術(shù)和水平與國外有著很大的差距，許多核心技術(shù)還未真正掌握，以至于國內(nèi)曲軸生產(chǎn)廠，大都從國外引進(jìn)該類機(jī)床。大連機(jī)床集團(tuán)與其在美國的全資子公司——英格索爾曲軸公司聯(lián)合開發(fā)的曲軸圓角滾壓機(jī)床，打破了國內(nèi)市場(chǎng)長(zhǎng)期受國外機(jī)床廠商壟斷的現(xiàn)象，走出了一條屬于自己的路。

1 機(jī)床總體方案的設(shè)計(jì)

滾壓機(jī)床由于加工方法不同于金屬切削機(jī)床，它的設(shè)計(jì)理念和方法與金屬切削機(jī)床有著很大的差異。滾壓是無屑加工，壓頭替代了傳統(tǒng)的車削刀具，而支持滾壓頭的是滾壓臂。由于曲軸的主軸頸和連桿頸在軸向上尺寸較窄，滾壓臂很薄，設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜。再者，由于汽車發(fā)動(dòng)機(jī)有四缸、六缸等不同規(guī)格，即曲軸的尺寸規(guī)格不同，因此，滾壓臂的數(shù)量及規(guī)格也隨之有所變化，從而使?jié)L壓機(jī)床的規(guī)格也有所不同，這些都是在滾壓機(jī)床的總體設(shè)計(jì)時(shí)考慮的。

1.1 總體方案的設(shè)計(jì)要求

根據(jù)上述提及的影響滾壓機(jī)床方案的因素，實(shí)際上每一臺(tái)機(jī)床必須根據(jù)用戶的圖紙要求來設(shè)計(jì)機(jī)床的總體方案。如用戶的曲軸產(chǎn)量、材料、硬度、沉割槽的尺寸及精度、主軸頸和連桿頸的尺寸等等，這都是設(shè)計(jì)機(jī)床總體方案中的重要依據(jù)，所設(shè)計(jì)的機(jī)床必須要達(dá)到用戶這些要求。本機(jī)床以四缸發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸為例，曲軸結(jié)構(gòu)如圖1所示。

1.2 機(jī)床參數(shù)及性能指標(biāo)的確定

采用滾壓加工曲軸沉割槽，其加工示意圖如圖2所示。

該加工示意圖表達(dá)了采用本機(jī)床所加工的部位及加工形式，在實(shí)際設(shè)計(jì)中，滾壓輪尺寸和壓力計(jì)算均根據(jù)曲軸各沉割槽加工部位的尺寸和精度、材料的硬度所確定的。因此，本機(jī)床要達(dá)到用戶圖紙的要求，必須滿足以下主要技術(shù)參數(shù)及性能指標(biāo):曲軸中心孔為加工定位基準(zhǔn);主軸最大加工直徑80 mm;連桿頸最大加工直徑70 mm;桿頸最大加工寬度50 mm，最小加工寬度19 mm;曲軸最大加工長(zhǎng)度1 200 mm;加工主軸頸5處;加工連桿頸4處;最大曲柄回轉(zhuǎn)半徑150 mm;機(jī)床主軸轉(zhuǎn)速3～100 r/min，無級(jí)可調(diào);滾壓力0～22 kN，無級(jí)可調(diào);滾壓臂數(shù)量為9;主軸直線度測(cè)量分辨率0.002 mm，測(cè)量精度0.01 mm;節(jié)拍時(shí)間:3 min/根。

1.3 機(jī)床結(jié)構(gòu)形式的確定

有了機(jī)床的參數(shù)和性能技術(shù)指標(biāo)，就要全盤考慮采用什么樣的機(jī)床結(jié)構(gòu)和布局，才能達(dá)到上述指標(biāo)的要求。根據(jù)這一要求，本機(jī)床設(shè)計(jì)成如圖3所示的結(jié)構(gòu)形式，即由床身、立柱、橫梁、吊架、滾壓臂、壓頭、主軸箱、卡盤、尾座、測(cè)量裝置及數(shù)控系統(tǒng)和液壓、過濾、冷卻系統(tǒng)等部件組成。

2 機(jī)床關(guān)鍵部件的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)與工作原理

本機(jī)床底座、立柱、橫梁均采用焊接結(jié)構(gòu)，減少了鑄造所帶來的污染。主軸由伺服電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)旋轉(zhuǎn)。主軸端裝有三爪卡盤，夾持曲軸工件的一端，夾緊力來源于主軸內(nèi)部的夾緊油缸系統(tǒng)。而曲軸工件的另一端，由尾座的頂尖頂緊，頂緊力來源于頂尖后的油缸，且頂尖內(nèi)裝有軸承，使之與曲軸同步轉(zhuǎn)動(dòng)。而9個(gè)滾壓臂在曲軸工件的帶動(dòng)下，做隨動(dòng)擺動(dòng)。滾壓臂主體鋼板采用預(yù)先淬火具有一定硬度的錳鉻合金優(yōu)質(zhì)結(jié)構(gòu)鋼，提高了滾壓臂的機(jī)械性能，減小變形。在其上面，安裝了滾壓頭，并由6個(gè)一組的壓力油缸施加滾壓力。這一滾壓技術(shù)，是多項(xiàng)技術(shù)綜合的體現(xiàn)。在這滾壓的原理中，包含了壓力驅(qū)動(dòng)技術(shù)，壓力檢測(cè)技術(shù)，壓力控制技術(shù)和滾壓輪的破損檢測(cè)技術(shù)。

2.1 滾壓臂

滾壓臂是曲軸圓角滾壓機(jī)床最關(guān)鍵的部件之一，如圖4所示。滾壓臂由油缸、滾壓頭、直線導(dǎo)軌、滾壓臂體等多個(gè)小部件組成。在滾壓中，壓力的大小直接影響到曲軸圓角的滾壓效果，壓力大，則在短時(shí)間內(nèi)完成加工要求。但如滾壓力過大，除了滾壓輪易破損外，更易使曲軸整體或局部發(fā)生不規(guī)則的彎曲變形，這種變形誤差如超過了圖紙的要求，曲軸就得報(bào)廢。為了減小曲軸的變形，滾壓臂裝置在設(shè)計(jì)時(shí)，在滾壓臂張口的下方安裝了應(yīng)變儀，當(dāng)壓力變化時(shí)，應(yīng)變儀通過滾壓臂張口的變形，來檢測(cè)壓力的大小，并把信號(hào)反饋給中央控制系統(tǒng)，控制伺服閥對(duì)壓力大小進(jìn)行控制。然而，無論壓力大小怎樣控制，曲軸依然會(huì)發(fā)生變形。這其一是受滾壓力而發(fā)生了變形，其次是曲軸帶著9個(gè)滾壓臂而自身旋轉(zhuǎn)，在只有兩端支承的情況下，曲軸在滾壓臂重量的作用下也會(huì)產(chǎn)生變形。為了解決變形問題，本機(jī)床采用了曲軸彎曲變形檢測(cè)技術(shù)及自動(dòng)校直補(bǔ)償技術(shù)。

2.2 檢測(cè)裝置

主要用來檢測(cè)曲軸在滾壓后的彎曲變形，并進(jìn)行校直。它是將測(cè)頭（圖3）安裝在滑板上，滑板安裝在四連桿機(jī)構(gòu)的架上，在油缸的作用下，使測(cè)頭始終垂直曲軸的狀態(tài)下作上下移動(dòng)。而測(cè)架上裝有滾動(dòng)導(dǎo)軌和滑板，安裝在滑板上的測(cè)頭又可實(shí)現(xiàn)沿曲軸軸線方向的任一位置移動(dòng)，以便檢測(cè)每個(gè)主軸頸和連桿頸的變形情況，并通過反饋，通過專家校直軟件系統(tǒng)，根據(jù)曲軸變形的部位和方向，通過伺服控制閥，對(duì)在曲軸旋轉(zhuǎn)的360°方向上的任意角度上滾壓力的大小進(jìn)行控制及補(bǔ)償，從而實(shí)現(xiàn)校直功能，保證曲軸滾壓后的合格率。

2.3 壓頭

壓頭（見圖4）是滾壓機(jī)床的重要部件，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)復(fù)雜，兩個(gè)壓力滾輪是由曲軸旋轉(zhuǎn)帶著而作從動(dòng)轉(zhuǎn)動(dòng)的。由于滾輪受到來自油缸的壓力，這個(gè)力最終作用在滾輪與曲軸的主軸頸和連桿頸上，產(chǎn)生了滾動(dòng)摩擦力，因此，在曲軸旋轉(zhuǎn)時(shí)，滾輪便隨之滾動(dòng)，達(dá)到了滾壓的目的。在壓頭中，由于滾輪是硬度極高的薄件，在滾壓時(shí)，受交變載荷的作用下極易發(fā)生破損現(xiàn)象。為了監(jiān)控這一缺陷，在壓頭中增加了壓輪破損檢測(cè)裝置。由于滾壓輪硬度高，且很薄，是無軸的小圓盤，在壓力的作用下滾動(dòng)一段時(shí)間后最易破損，破損時(shí)整個(gè)輪將掉出。因此，檢測(cè)滾壓輪的破損是保證滾壓加工的重要手段。在壓頭內(nèi)，裝有檢測(cè)開關(guān)，一旦滾壓輪破損掉出，即發(fā)出報(bào)警指令，更換滾壓輪，從而保證滾壓精度，不會(huì)使曲軸圓角產(chǎn)生缺陷，使機(jī)床正常工作。

3 結(jié)語

本機(jī)床在用戶使用后，其效果顯著。其主要性能指標(biāo)為:可加工曲軸長(zhǎng)度為400～1 200 mm;曲軸沖程為150 mm;最大滾壓力為25 kN;生產(chǎn)節(jié)拍為3 min。滾壓后的效果:

（1）滾壓后曲軸的伸長(zhǎng)量:在滾壓過程中，曲軸受到了軸向的作用力，且產(chǎn)生了塑性變形，這使曲軸的總長(zhǎng)度會(huì)伸長(zhǎng)，各個(gè)軸頸的開檔會(huì)變大。由于曲軸材料不同，伸長(zhǎng)量也不相同。球墨鑄鐵的曲軸，每個(gè)軸頸軸向的延伸量約為0.06 mm，鍛鋼材料的曲軸每個(gè)軸頸延伸量約為0.03 mm。

（2）滾輪的壓入量:沉割槽的壓入量是由曲軸的材料、施加壓力的大小、滾壓時(shí)間等因素決定。本機(jī)床壓入量約為0.1～0.15 mm。

（3）曲軸跳動(dòng):滾壓后曲軸跳動(dòng)量為0.06～0.1 mm。

（4）滾壓后的表面粗糙度:滾壓前Ra6.3 μm，滾壓后可達(dá)到Ra0.1 μm。

（5）加工效率:通過滾壓，不僅提高了曲軸的疲勞強(qiáng)度，也使曲軸加工效率提高到了3 min/根，且機(jī)床的精度穩(wěn)定、可靠。

（6）滾壓臂性能:滾壓臂是滾壓機(jī)床的重要部件之一，本機(jī)床的滾壓臂體采用了優(yōu)質(zhì)合金結(jié)構(gòu)鋼42CrMo，且在加工前進(jìn)行了熱處理，硬度達(dá)T285，不僅機(jī)械性能好而且剛度也高，從而使?jié)L壓精度穩(wěn)定。

可見，與國外同類機(jī)床相比，本機(jī)床達(dá)到國外先進(jìn)的技術(shù)水平，不僅替代進(jìn)口，而且還銷往美國。正因?yàn)橛辛嗽O(shè)計(jì)與生產(chǎn)滾壓機(jī)床的這一基礎(chǔ)，2011年承擔(dān)了國家汽車發(fā)動(dòng)機(jī)關(guān)鍵零件高效高精加工柔性自動(dòng)線技術(shù)創(chuàng)新平臺(tái)建設(shè)項(xiàng)目（項(xiàng)目號(hào):2011ZX04016－101），這個(gè)項(xiàng)目中就包含了滾壓曲軸沉割槽這一技術(shù)?？梢?，采用滾壓加工曲軸沉割槽的方法，不僅實(shí)現(xiàn)無屑加工，達(dá)到綠色加工的目的，而且提高了曲軸的使用壽命，保證了汽車發(fā)動(dòng)機(jī)的性能，提升了國產(chǎn)滾壓機(jī)床的水平。

［1］盛小兵.曲軸圓角滾壓強(qiáng)化工藝中曲軸變形的研究［D］.武漢:武漢理工大學(xué)，2008.

［2］韓少軍，理光原，楊曉峰.汽車曲軸圓角滾壓機(jī)鉗口滾壓力及波動(dòng)分析［J］.湖北工業(yè)大學(xué)報(bào)，2005，20（3）.

［3］李輝.汽車曲軸圓角冷滾壓鉗口壓力波動(dòng)分析及研究［D］.武漢:武漢理工大學(xué)，2006.