中速柴油機(jī)曲軸加工中力的分析與研究

陜西柴油機(jī)重工有限公司 （興平 713105） 贠虎臣 張建聯(lián)

1. 分析曲軸加工中各種作用力的必要性

曲軸的工作條件極為復(fù)雜，它既受變化的空間力系作用，又受到高速滑動(dòng)摩擦的危害。氣體作用力、往復(fù)運(yùn)動(dòng)慣性力及連桿大端回轉(zhuǎn)慣性力直接作用于曲柄銷，經(jīng)曲軸傳給主軸頸。它們使各單位曲軸柄在空間不同方向受到彎曲與扭矩，各曲柄之間也存在相互扭轉(zhuǎn)。諸力的作用使曲柄銷與主軸頸均受到彎、扭的聯(lián)合作用，使曲柄臂受拉、壓、彎及扭的復(fù)合載荷。由于諸力和力矩均隨曲柄轉(zhuǎn)角變化，均為重復(fù)脈動(dòng)載荷，使曲軸產(chǎn)生疲勞損傷。曲軸本身的結(jié)構(gòu)（見(jiàn)圖1）也加重其工作條件的艱巨性，具體表現(xiàn)為以下幾點(diǎn)：

圖 1

（1）由于形狀復(fù)雜，沿軸線方向截面變化急劇，應(yīng)力集中現(xiàn)象十分嚴(yán)重。曲柄銷與曲柄過(guò)渡圓角處應(yīng)力值往往是曲柄銷中央截面的2～3倍，這種應(yīng)力集中在主軸頸與曲柄臂的過(guò)渡處，也嚴(yán)重存在于油口邊緣處，所以要盡力減少與克服加工中的切削應(yīng)力，以及機(jī)床、工裝的夾緊力等。

（2）本文論述的曲軸長(zhǎng)度L與主軸頸D之比＞16，在主軸軸線的長(zhǎng)度方向，會(huì)因各擋主軸頸的不同心而造成曲軸中心線的撓曲。在曲軸旋轉(zhuǎn)時(shí)，在曲柄銷與曲柄臂過(guò)渡處就會(huì)出現(xiàn)時(shí)拉時(shí)壓的附加彎曲應(yīng)力，這往往是曲軸產(chǎn)生裂紋的主要原因，使柴油機(jī)產(chǎn)生扭振，嚴(yán)重影響曲軸的壽命。在加工過(guò)程中如何保證曲軸主軸頸的同軸度、主軸頸支撐點(diǎn)位置及支撐力大小是減少主軸頸撓度的關(guān)鍵，同時(shí)需要克服曲軸由于自重而產(chǎn)生的下沉及彎曲。在曲軸精加工中磨床兩頂尖的頂力必須得到有效的控制，頂力過(guò)大則容易增加曲軸的彎曲度，進(jìn)而增大曲軸的撓度，即主軸頸的同軸度；而頂尖力量過(guò)小則不能夾緊曲軸。

2. 曲軸精加工主要受力分析

在中速柴油機(jī)曲軸的制造過(guò)程中，曲軸以其自身質(zhì)量大、曲柄頸多以及長(zhǎng)徑比大等特點(diǎn)，使得其在加工過(guò)程中彈性變形大、加工難度大、加工周期長(zhǎng)以及加工成本高。尤其在精車及磨削軸頸時(shí)，由于存在曲軸受到本身自重的影響而形成的彎曲下沉，同時(shí)受到主軸頸支架的徑向支撐力和縱向支撐力、機(jī)床主軸頂尖的軸向頂力、機(jī)床夾具的夾緊力、刀具切削力、曲軸旋轉(zhuǎn)的離心力、夾具與工件之間的摩擦力以及加工產(chǎn)生的應(yīng)力等，都成為造成曲軸產(chǎn)生撓曲的因素。此時(shí)曲軸自身只有一定的加工余量，撓曲過(guò)大則導(dǎo)致曲軸報(bào)廢。所以對(duì)曲軸進(jìn)行加工中的受力分析是十分必要的，抓住主要的影響力是曲軸受力分析的關(guān)鍵。

經(jīng)過(guò)分析，曲軸自重產(chǎn)生的重力、主軸頸支架的徑向和縱向支撐力以及機(jī)床頂尖軸向頂力這3種力對(duì)曲軸的精加工影響最大。如何實(shí)現(xiàn)各力的合理控制，是目前曲軸加工的難點(diǎn)，將直接影響曲軸的生產(chǎn)質(zhì)量和效率。實(shí)現(xiàn)了對(duì)上述3種力的有效控制，就能夠提高國(guó)產(chǎn)曲軸質(zhì)量，降低對(duì)進(jìn)口曲軸的依賴度。具體分析如下：

（1）曲軸自身的重力。零件的自重是不可避免的，曲軸由于自身重力而彎曲下沉。中速柴油機(jī)的曲軸總長(zhǎng)與曲軸主軸頸的直徑之比超過(guò)16倍，而曲軸本身的特殊形狀導(dǎo)致其比一般形狀的直線軸更易發(fā)生彎曲，在自身重力的作用下，發(fā)生彎曲而下沉，產(chǎn)生撓曲變形。

（2）曲軸在機(jī)床上加工時(shí)，支架徑向和縱向的輔助支撐力。支架縱向消除曲軸自重下沉，徑向抵消機(jī)床切削的力，然而由于曲軸自身質(zhì)量大，彈性變形大，在旋轉(zhuǎn)加工時(shí)，必須在支架支撐下加工，若支架支撐力調(diào)節(jié)不當(dāng)，會(huì)導(dǎo)致支架所支撐的軸頸偏移，偏離機(jī)床旋轉(zhuǎn)中心加工，加工的軸頸出現(xiàn)位置偏差；曲軸在受到重力作用下，中間下沉，兩端主軸頸作為支撐時(shí)曲軸的變形模擬如圖2所示。

圖 2

（3）機(jī)床頂尖的軸向頂力，即機(jī)床頂尖或機(jī)床卡盤對(duì)曲軸施加的軸向定位夾緊力。曲軸在機(jī)床上定位固定后，如果軸向頂力過(guò)小，則曲軸定位不準(zhǔn)確，曲軸產(chǎn)生軸向竄動(dòng)；軸向頂力過(guò)大，會(huì)導(dǎo)致曲柄傾斜，曲柄徑向開擋收縮，曲柄頸開擋測(cè)量?jī)x數(shù)值失真，誤導(dǎo)支架支撐，使曲軸在彈性變形下加工，加工軸頸出現(xiàn)位置偏差。

為了研究曲軸自重力和開擋變動(dòng)對(duì)曲軸的影響，以靠近曲軸兩端主軸頸為支撐點(diǎn)，將其作為基準(zhǔn)，并調(diào)整共線，進(jìn)行檢測(cè)，測(cè)量值如附表所示。

重力影響下不同型號(hào)曲軸彎曲度變化情況表 （單位：mm）

3. 如何控制主軸頸加工的外在影響力

作為曲軸最重要的部位，主軸頸是曲軸的加工工藝基準(zhǔn)，主軸頸的加工精度決定曲柄頸、曲柄等曲軸其他部位的加工精度，決定著曲軸質(zhì)量的高低。

主軸頸加工過(guò)程中，由于主軸頸徑向跳動(dòng)量對(duì)其相鄰曲柄頸開擋變化影響很大（一般曲柄頸開擋變化量是主軸頸徑向跳動(dòng)量變化量的5倍左右），而采用曲柄頸開擋測(cè)量值來(lái)指導(dǎo)支架支撐力的控制很難滿足主軸頸加工精度的需求。但是經(jīng)常依靠操作經(jīng)驗(yàn)掌握支架的支撐力，缺乏科學(xué)數(shù)據(jù)，因此技能水平高低直接制約著主軸頸加工質(zhì)量，制約著曲軸加工過(guò)程。

支架縱向支撐力的大小，決定著能否有效去除曲軸自重的下沉力及曲軸的縱向彈性變形。主軸頸縱向支撐過(guò)大，軸頸縱向中心偏移旋轉(zhuǎn)中心過(guò)大。支架徑向支撐力過(guò)小，主軸頸加工過(guò)程中產(chǎn)生竄動(dòng)，主軸頸產(chǎn)生橢圓度，有時(shí)還產(chǎn)生振紋；支架徑向支撐力過(guò)大，主軸頸徑向中心偏移旋轉(zhuǎn)中心過(guò)大，此時(shí)曲軸在彈性變形和偏移旋轉(zhuǎn)中心的狀態(tài)下加工，會(huì)導(dǎo)致加工的曲軸成為廢品或超差。

機(jī)床尾座頂尖施加到曲軸上的軸向頂力，使曲軸軸向定位固定，然而由于曲軸較長(zhǎng)、構(gòu)造曲折特點(diǎn)，使軸向頂力的傳遞是由機(jī)床尾架端頂尖→主軸頸→曲柄→曲柄頸→……→機(jī)床頭架端頂尖，若尾架頂尖頂力過(guò)小，曲軸定位不準(zhǔn)確，加工中產(chǎn)生竄動(dòng)；頂力過(guò)大，曲軸曲柄傾斜，曲柄頸開擋收縮，曲柄頸開擋測(cè)量?jī)x數(shù)值失真，若按照失真的數(shù)值調(diào)整支架的支撐量，會(huì)使曲軸處于彈性變形下加工，曲軸的變形量更大，所以該方法不能有效地減少曲軸加工的彈性變形，曲軸的加工精度不易保證。

綜上所述，以上3種力的施加中，任何1種力控制不當(dāng)都會(huì)影響其他2種力的掌控，這3種力是相互影響、相互作用的。一般情況下，操作工臨床采用加大軸向頂力，支架的徑向支撐力來(lái)制約主軸頸的竄動(dòng)，從而保證主軸頸的圓柱度，然而這種裝夾只會(huì)增加曲軸的彈性變形量，使主軸頸中心與機(jī)床旋轉(zhuǎn)中心的偏移量增大。雖然在臨床加工和檢驗(yàn)時(shí)，主軸頸的跳動(dòng)量處于工藝要求范圍內(nèi)，但是當(dāng)曲軸處于自由狀態(tài)下或裝配檢驗(yàn)時(shí)，主軸頸往往會(huì)超差，無(wú)法滿足圖樣的精度要求。因此，如何控制這3種力是曲軸加工的關(guān)鍵。常采用如下措施：

（1）軸向力的控制。首先切斷軸向頂力的傳遞路徑，改變力的傳遞方式，改頂力為拉力。即在機(jī)床卡盤和尾座設(shè)計(jì)專用法蘭，采用高強(qiáng)度螺栓將法蘭與曲軸兩端面分別鎖緊，通過(guò)兩端的鏈接螺栓各自反方向加力，使機(jī)床頂尖和曲軸主軸頸中心孔配合，達(dá)到對(duì)曲軸定位固定。

為使曲軸定位固定最準(zhǔn)確，且曲軸無(wú)彈性變形的存在，可在過(guò)程中調(diào)節(jié)尾座鏈接裝置，微量松開旋轉(zhuǎn)曲軸數(shù)圈，再緊固聯(lián)接裝置并定位，此方法在加工過(guò)程中調(diào)整兩次，首次在軸頸支架加工完調(diào)整，第二次在最終加工前調(diào)整，這樣可使軸向頂力定位固定最合理。

（2）支架的縱向和橫向支撐力的控制。曲軸因材料和剛性的不同，因自重而引起的下沉幅度不同；支架支撐部位不同，減少的下沉量也不一樣，所以選擇合理的支撐部位及支架縱向支撐力是決定曲軸變形量的關(guān)鍵因素，適當(dāng)?shù)卣{(diào)節(jié)支撐架的部位及支撐力，使曲軸的彈性變形和徑向跳動(dòng)最小，即采用徑向力與切削力大小相同是最為合理的。首先，控制主軸頸側(cè)母線的跳動(dòng)值，增加支架徑向力的施加，使主軸頸徑向旋轉(zhuǎn)中心和機(jī)床徑向旋轉(zhuǎn)中心同心，消除主軸頸的彎曲，若主軸頸縱向等高，說(shuō)明曲軸的自重下沉得到有效的校正，施加支撐力使主軸的縱向旋轉(zhuǎn)中心與機(jī)床的縱向旋轉(zhuǎn)中心同心，曲軸的下沉可得到有效消除。即在機(jī)床刀架部位裝置高精度數(shù)顯測(cè)量?jī)x，測(cè)量主軸頸側(cè)母線的跳動(dòng)量和上母線的跳動(dòng)量，依據(jù)跳動(dòng)量的差值調(diào)整支架的支撐部位及支撐力的大小。

4. 曲軸加工中力的分析與應(yīng)用

在船用中速柴油機(jī)曲軸主軸頸的粗、精磨削加工中，臨床操作中必須對(duì)上述三種力進(jìn)行分解、平衡，以某型機(jī)六拐曲軸為例，具體做法如下：首先依據(jù)曲柄頸開擋測(cè)量?jī)x值和操作經(jīng)驗(yàn)掌控支架支撐力，調(diào)節(jié)好軸向頂力，粗磨各擋主軸頸。

第一步，以兩端主軸頸為基準(zhǔn)，松開主軸頸的徑向支撐，使用數(shù)顯測(cè)量尺檢測(cè)最中間擋主軸頸側(cè)母線的跳動(dòng)值，依據(jù)檢測(cè)值在中間擋位主軸頸跳動(dòng)的最高點(diǎn)位置施加徑向支撐力，微量調(diào)節(jié)砂輪的進(jìn)給量，磨削中間擋主軸頸（中間主軸頸是指從曲軸自由端起，第4擋主軸頸），磨削至中間擋主軸頸跳動(dòng)量最小。為防止在微量磨削時(shí)，中間主軸頸支架徑向支撐力過(guò)大導(dǎo)致中間擋主軸頸產(chǎn)生的彈性變形量大，可測(cè)量中間擋主軸頸與兩端主軸頸跳動(dòng)量偏差量，依照偏差量，利用高精度數(shù)顯測(cè)量?jī)x的數(shù)顯刻度，調(diào)節(jié)支架的徑向支撐力，使中間擋與兩端主軸徑向同心，對(duì)主軸頸進(jìn)行磨削加工。用此方法依次對(duì)其他主軸頸進(jìn)行磨削。然而值得注意的是，必須按照從中間向兩端依次修磨，使中間主軸頸與兩端主軸頸處于同心的狀態(tài)下進(jìn)行。

第二步，測(cè)量并計(jì)算中間各擋主軸頸與兩端基準(zhǔn)主軸頸直徑差值，以兩端主軸頸上母線為基準(zhǔn)，利用機(jī)床主軸箱上的高精度數(shù)顯測(cè)量尺對(duì)其余主軸頸的上母線經(jīng)行檢測(cè)，利用測(cè)量尺上的讀數(shù)調(diào)節(jié)支架的縱向支撐力，使主軸頸縱向同心，以此方法依次從兩端向中間調(diào)節(jié)，使中間各擋主軸頸與兩端基準(zhǔn)主軸頸及機(jī)床的旋轉(zhuǎn)中心三者同心。

通過(guò)上述操作，降低了曲軸的彈性變形，減少因外力作用致使曲軸的主軸頸同軸度發(fā)生變化量，提高了曲軸的加工精度。

5. 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)此方法的應(yīng)用，我們?nèi)〉昧艘恍┏煽?jī)，有效克服了常規(guī)加工方法中存在的不足，減小了曲軸的彈性變形和軸頸同心度，但是該方法還有待進(jìn)一步優(yōu)化和提升。

[1] 孟少農(nóng). 機(jī)械加工工藝手冊(cè)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1996.

[2] 李益民. 機(jī)械制造工藝設(shè)計(jì)簡(jiǎn)明手冊(cè)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1994.

專家點(diǎn)評(píng)

文章的亮點(diǎn)是曲軸加工中力的分析與應(yīng)用，指出容易使曲軸發(fā)生彈性變形的3種作用力，并采用新的方法進(jìn)行分解與克服，從而有效控制曲軸的彈性變形與加工精度，在實(shí)際生產(chǎn)中具有很好的指導(dǎo)意義。