曲軸拋光工作原理及組成

姚志崗

上汽通用汽車有限公司 上海市 201206

1 拋光機的工作原理

曲軸砂帶拋光對曲軸進行最終尺寸和行位尺寸的加工，去除磨削加工后的加工余量，滿足曲軸關于圓度，粗糙度的要求。根據(jù)之前的項目經(jīng)驗總結(jié)大致約6-8um的去除量，加工后的曲軸尺寸滿足發(fā)動機在工作過程中的關于摩檫力和潤滑的需求，以致于發(fā)動機在正常工作中的能夠有效的運行，避免因為高速旋轉(zhuǎn)造成發(fā)動機失效。曲軸與軸瓦配合間為液體潤滑方式，靠液動壓力使軸瓦間形成液體潤滑油膜，并有一最小油膜厚度h，當h等于軸頸和軸瓦微凸起高之和時，軸和瓦的液體潤滑狀態(tài)即被破壞，因此曲軸的直徑，外形輪廓和粗糙度是其關鍵指標，其中粗糙度通常由拋光來得到.

因為砂帶磨粒的植砂方式的特殊性，砂磨削能力高于砂輪（見圖1，2）。砂帶的磨削效率高表現(xiàn)在它具有很高的切除率、磨削比（切除工件重量與磨料損耗重量之比）和機床功率利用率。目前已知的砂帶磨削對鋼材的已達到700 mm /（mm.s），甚至超過了車削或銑削。砂帶的磨削比大大超過了砂輪，高達300：1，甚至400：1，而砂輪僅30：1。而且砂帶的功率利用率已到達96%，砂輪磨床只有52%，銑床57%，車床65%，所以砂帶磨削還是一種很好的節(jié)能綠色加工技術(shù)。

圖1

圖2

2 拋光的拋光方式

（1）按基本結(jié)構(gòu)形式：砂帶磨削可以分為閉式和開式兩類，圖3是典型的閉式砂帶磨削方式，圖4是常見的開式砂帶磨削方式。

（2）按操作方式分類：可以分為手動磨削和機械磨削。

（3）按磨削力分類：可以分為恒力磨削和恒切除率磨削。即Ap是恒定的。

（4）按冷卻液還可分為干磨和濕磨。

由于技術(shù)的發(fā)展，目前市場上普遍采用的是恒力的濕氏的機械拋光方式，使用的嘉實多HONILO981的拋光油進行冷卻和潤滑以及磨泥的清理。

圖3

圖4

3 拋光機主要構(gòu)成部件

拋光機一般有以下部件組成：床頭、振動機構(gòu)、尾架、拋光機構(gòu)、卷帶機構(gòu)、液壓系統(tǒng)、氣動系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)、控制系統(tǒng)。上述的幾種主要部件在設備的三個工位中都有應用。

（1）站1工位為粗拋工位（見圖5），對主軸頸、連桿頸進行粗加工，加工余量在6～8μm。結(jié)構(gòu)上，同時單元的每個卡鉗裝置上有先進的在線測量系統(tǒng)——Marposs在線測量裝置，通過Marposs在線時時監(jiān)控曲軸表面的直徑來控制曲軸軸頸加工量。

圖5

（2）站2工位為精拋工位，對主軸頸和連桿頸進行修光及對油封面進行粗加工。

（3）站3工位為精拋止推面和油封工位。

4 曲軸拋光工藝尺寸

曲軸與軸瓦配合件為液體潤滑方式，靠液動壓力使軸瓦間形成液體潤滑油膜，并有一最小油膜厚度h，當h等于軸頸和軸瓦微凸起高之和時，軸和瓦的液體潤滑狀態(tài)即被破壞，因此曲軸的直徑，外形輪廓和粗糙度是其關鍵指標，其中粗糙度通常由拋光來得到。

工藝要求

（a）區(qū)域圓度：每20度范圍內(nèi)，測量最大直徑和最小直徑的差值，圓周上依次得到360個值，然后這些值中的最大值為區(qū)域圓度。

（b）Ra：輪廓的算術(shù)平均偏差。

（c）Rq：輪廓偏差的平方根；Rsk：輪廓曲線分布偏差。

（d）Rpmax：輪廓波峰最高值；Rmax：Rz的最大值。

（e）HTP（Rmr）：選定粗糙度下輪廓材料比例。

（f）拋光前后尺寸對比。

根據(jù)下表1我們可以看出在使用40u粗拋工位和9u的精拋工位的情況下，對鑄鐵曲軸的拋光量大約在6um左右，經(jīng)過數(shù)據(jù)對比測量可以合理安排磨削后的尺寸要求和加工余量。避免由于過大的加工余量造成拋光工位的零件報廢。

（g）油膜的建立和作用

油膜是保證在高速旋轉(zhuǎn)的工況下，對發(fā)動機的主要零部件比如軸瓦，曲軸進行潤滑減磨、輔助冷卻降溫、密封防漏、防銹防蝕、減震緩沖等。

圖6 拋光后表面組織

如上圖所示，拋光后的表面會有交叉的網(wǎng)絡，因為在拋光過程中除了曲軸的繞軸線旋轉(zhuǎn)的同時，頭架還有震蕩機構(gòu)，這個機構(gòu)可以保證工件在加工過程中增加左右震蕩的效果，已至于在曲軸軸頸表面形成網(wǎng)狀的結(jié)構(gòu)，網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)有利于存儲潤滑油便于潤滑和冷卻高速旋轉(zhuǎn)的曲軸和軸瓦形成的高溫。

由于機油的特殊特性，可以在旋轉(zhuǎn)件之間形成一層薄薄的保護層，而這個保護層就是油膜。油膜特性如下：

（a）油膜強度——油膜強度就是油膜的一種很重要的屬性，具有抵抗壓力不破裂，并能保持足夠油膜厚度，從而防止磨擦面直接接觸的能力。油膜強度有一個參數(shù)，叫“HTHS”。這個參數(shù)是油液在150℃時候通過毛細管粘度測試得到的表觀粘度，也就是動力粘度。因HTHS正是反映了軸與軸瓦之間的潤滑油的附著能力，所以把它理解為油膜強度。

（b）油膜厚度——既然有膜，就會有薄厚，油膜的薄厚是怎么衡量的呢？可以簡單理解成：粘度高的機油就是油膜厚，稀的機油就是油膜薄。因此潤滑油粘度即通常所說的油的厚薄。

當發(fā)動機運轉(zhuǎn)時，只有油膜不破才能保護好發(fā)動機。如果運轉(zhuǎn)中油膜薄，油膜破裂，發(fā)動機磨損會很大。拋光的過程就是將零件表面油膜在什么時候都存在，粘度高的機油油膜厚，稀的機油油膜薄。只有油膜不破才能保護好發(fā)動機。

表1

5 刀具

5.1 拋光臂

拋光臂是拋光機的主要部件，類似于加工中心的主軸，在加工過程中拋光臂向前運動以抱緊零件進行加工，由于目前產(chǎn)品更新過快，拋光機需要很高的柔性度，因此拋光臂可以調(diào)整軸向位置來適應不同缸距的曲軸加工。拋光時，通過拋光鞋夾緊工件，拋光臂根據(jù)工件旋轉(zhuǎn)進行隨動運動。

圖7

5.2 拋光組成

卷帶機構(gòu)由拋光帶“刀庫”，導向機構(gòu)，回轉(zhuǎn)機構(gòu)和進給單元及鎖緊組成。里面還包含斷帶檢測機構(gòu)、拋光帶刀具壽命檢測和張緊機構(gòu)等。每次加工完成后由進給單元拉動拋光帶向前移動，保證每次加工過程中都使用新的拋光帶進行拋光。

5.3 拋光靴

工位1：粗拋工位采用金剛石拋光鞋來進行拋光余量的去除。

工位2：精拋工位采用金剛石和聚氨酯結(jié)合的拋光鞋進行表面光潔度的保證。

5.4 拋光帶—磨料的組成分類

（1）天然磨料（礦砂）；

（2）石榴石：其化學組分較為復雜，不同元素構(gòu)成不同的組合，故而形成類質(zhì)同像的系列石榴石族。其通式為A3B2（SiO4）3，其中A代表二價元素（鈣、鎂、鐵、錳等），B為三價元素（鋁、鐵、鉻以及鈦、釩、鋯等）；

（3）合成磨料（礦砂）；

（4）氧化鋁（剛玉）：氧化鋁（Al2O3）是一種高硬度的化合物，熔點為2054℃，沸點為2980℃，是在高溫下可電離的離子晶體，常用于制造耐火材料；

（5）碳化硅：金剛砂又名碳化硅（SiC）是用石英砂、石油焦（或煤焦）、木屑（生產(chǎn)綠色碳化硅時需要加食鹽）等原料通過電阻爐高溫冶煉而成；

（6）陶瓷剛玉：又名剛玉瓷，是利用溶膠一凝膠技術(shù)生產(chǎn)的微晶氧化鋁陶瓷磨料，具有硬度高、韌性好等特點。

（7）拋光帶—磨粒硬度（見表2）。

表2

6 拋光帶的更換及要求

由于拋光工序是曲軸最后一道冷加工工序，除了保證零件本身的尺寸要求外，還需要滿足整機的要求。目前主機廠普遍使用的3M拋光帶，但是市場上還有例如日本的FuJi Star，德國的Hermes等廠家。由于各個廠家使用的顆粒標準不統(tǒng)一，例如中國關于顆粒度的標準執(zhí)行的是GB/T 9258.2—2000，德國Hermes使用的時歐標（FEPA），日本Fuji Star使用的是JIS而美國3M使用的卻是ANSI標準。使其每個廠家的產(chǎn)品有稍微的差異，所以在拋光帶更換上除了滿足產(chǎn)品的要求和驗收能力外，一般還需要做發(fā)動機耐久試驗，發(fā)動機熱拉傷和冷拉傷等試驗，整個周期需要約1156小時。

7 結(jié)語

本文介紹了曲軸拋光機的機械結(jié)構(gòu)和拋光原理，進過拋光的曲軸在機油形成的油膜潤滑和冷卻保護下安全運行，保證曲軸在發(fā)動機工作時能夠高速正常工作能有效的進行工作。