影響壓縮機(jī)曲軸加工表面完整性的因素分析

樊峰剛 彭慧明 申婷

FAN Fenggang2 PENG Huiming2 SHEN Ting1

1.國(guó)家節(jié)能環(huán)保制冷設(shè)備工程技術(shù)研究中心 廣東珠海 519070

2.空調(diào)設(shè)備及系統(tǒng)運(yùn)行節(jié)能國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 廣東珠海 519070

1. Chinese National Engineering Research Center of Green Refrigeration Equipment Zhuhai 519070

2. State Key Laboratory of Air-conditioning Equipment and System Energy Conservation Zhuhai 519070

1 引言

隨著人們對(duì)環(huán)境問題的關(guān)注度以及國(guó)家對(duì)環(huán)境保護(hù)的重視程度日益加強(qiáng)，節(jié)能環(huán)保理念已經(jīng)成為制冷行業(yè)的主題，研發(fā)更高效更節(jié)能的產(chǎn)品是制冷相關(guān)企業(yè)不可推卸的責(zé)任。隨著制造業(yè)的發(fā)展與進(jìn)步，對(duì)零件加工的尺寸精度、形狀精度及表面粗糙度的要求越來越嚴(yán)格，但是在最近我司加工的曲軸中發(fā)現(xiàn)大多數(shù)經(jīng)過磨合后在偏心圓部位出現(xiàn)斜紋（如圖1），因此對(duì)影響此曲軸加工表面完整性的因素進(jìn)行調(diào)查及分析，以期對(duì)零件工藝進(jìn)行優(yōu)化。

2 原因調(diào)查與驗(yàn)證

2.1 原因調(diào)查

（1）曲軸斜紋順壓縮機(jī)旋轉(zhuǎn)方向生成，升角約45°，目測(cè)間距均約1mm。用砂紙打磨未有痕跡的偏心圓低點(diǎn)位置，發(fā)現(xiàn)低點(diǎn)也存在斜紋；

（2）采用CW1500砂紙打磨庫(kù)存曲軸，發(fā)現(xiàn)其他型號(hào)曲軸偏心圓全部存在斜向紋路情況，檢測(cè)圓度0.0016mm。

2.2 設(shè)備及工藝檢查確認(rèn)

根據(jù)2.1中所述兩點(diǎn)確認(rèn)此批曲軸偏心圓斜紋為加工時(shí)形成，遂對(duì)曲軸精加工設(shè)備、工裝、砂輪和加工工藝進(jìn)行確認(rèn)。

（1）曲軸偏心圓為豐田工機(jī)A加工，設(shè)備電主軸參數(shù)主頻97Hz，2極，轉(zhuǎn)速5820r/min，砂輪直徑250mm，線速度約76m/s；其他特性：工件轉(zhuǎn)速300～350r/min，修整速度600mm/min，滿足現(xiàn)在工藝規(guī)范要求；

（2）對(duì)公司內(nèi)其他工機(jī)進(jìn)行排查，發(fā)現(xiàn)一部分工機(jī)加工的曲軸全部存在斜紋，而另一部分設(shè)備加工曲軸未發(fā)現(xiàn)此異常；

（3）檢查加工有斜紋的這部分的一臺(tái)工機(jī)發(fā)現(xiàn)，修整器跳動(dòng)大，重新安裝后達(dá)到2um以內(nèi)，重新修整后加工無紋路。其中一些工機(jī)修整器跳動(dòng)大，重新安裝無法校正，重新對(duì)刀加工仍然出現(xiàn)斜紋或網(wǎng)紋。降低進(jìn)給速度和增加光磨次數(shù)后，紋路消失。

2.3 原因分析

（1）修整器無安裝指引和檢測(cè)要求，部分故障。修整器芯軸圓跳動(dòng)和基準(zhǔn)端面跳動(dòng)均需要≤2um；

（2）工藝部分參數(shù)不受控，進(jìn)給速度過快、光磨次數(shù)太少。部分設(shè)備設(shè)置進(jìn)刀速度太快至加工時(shí)間僅約3s，光磨次數(shù)僅2次。標(biāo)準(zhǔn)要求加工時(shí)間不低于5s，光磨次數(shù)不少于5次。

3 精密磨削壓縮機(jī)曲軸表面加工的特點(diǎn)及理論分析

曲軸的加工表面完整性的要求主要有：

（1）零件表面經(jīng)過磨削后其表面層無損傷，表面層的機(jī)械和物理性能、金相組織等必須滿足使用要求，并滿足壓縮機(jī)的使用壽命；

（2）磨削加工能夠獲得較高的精度且能夠適應(yīng)許多場(chǎng)合，因此，用砂輪進(jìn)行磨削加工是制造機(jī)械零件的常用方法。它可以看成是砂輪表面無數(shù)的微型刀刃在不停地切割工件，因?yàn)樯拜嗈D(zhuǎn)速非常高，如本文研究的工機(jī)線速度就高達(dá)76m/s，因此，雖然每顆磨粒的切削量很少，但是整體切削效率仍然很高，也正是因?yàn)檫@無數(shù)刀刃的形狀不規(guī)則，導(dǎo)致磨削力變化不定，加之砂輪狀態(tài)、旋轉(zhuǎn)不平衡，系統(tǒng)剛性等一些因素綜合影響，磨削過程也成為復(fù)雜的受力過程和振動(dòng)過程，且精密磨削零件通常是重要的關(guān)鍵零件，曲軸為壓縮機(jī)的關(guān)鍵零件，對(duì)其加工表面完整性要求較高，曲軸表面完整性直接影響壓縮機(jī)的性能。

在曲軸高速磨削過程中，曲軸表面與砂輪上無數(shù)磨粒一直相互高速撞擊，磨粒與曲軸表面的剪切力的瞬態(tài)作用會(huì)使剪切局限在一個(gè)微區(qū)域，能量在此微區(qū)域的耗散使曲軸局部溫度升高，可能會(huì)達(dá)到熔化或接近熔化的狀態(tài)。曲軸與砂輪磨粒的正反饋效應(yīng)使局部絕熱剪切作用愈加增強(qiáng)。隨著砂輪旋轉(zhuǎn)速度越高，這種絕熱剪切作用也越強(qiáng)，這種高速磨削會(huì)走向極端條件，由此產(chǎn)生的新機(jī)理及帶來的其他問題也需要深入研究和實(shí)踐。與平面磨削相比，高速外圓磨削的砂輪軸和曲軸軸的雙向旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)則給高速磨削的研究提出了更高的要求。

振動(dòng)是磨削加工過程中十分有害但卻不可避免的現(xiàn)象，振動(dòng)大致可分為：自由振動(dòng)（如曲軸外圓磨床周邊的其它設(shè)備產(chǎn)生的沖擊力，外圓磨床砂輪架在進(jìn)退較快或工作臺(tái)換向時(shí)引起的振動(dòng)）、強(qiáng)迫振動(dòng)（例如曲軸外圓磨床電機(jī)的轉(zhuǎn)子不平衡、主軸或磨頭間隙、砂輪的不平衡等因素引起的振動(dòng)）和自激振動(dòng)（自激振動(dòng)也稱作為顫振，顫振是由磨床系統(tǒng)自身產(chǎn)生的交變力所維持的振動(dòng)，曲軸在磨削過程中產(chǎn)生的持續(xù)波動(dòng)的磨削力就是磨床系統(tǒng)顫振的交變力）。其中自由振動(dòng)和強(qiáng)迫振動(dòng)，只要找出振源，總是可以找到消除它們的方法。而發(fā)生在砂輪和工件之間的顫動(dòng)，不會(huì)因?yàn)橛凶枘岫p，一旦振動(dòng)產(chǎn)生便會(huì)有增無減。

磨削表面是由磨粒磨削后在加工表面上形成殘留輪廓和工藝系統(tǒng)振動(dòng)所引起的波紋所決定，振動(dòng)是最大的影響因素。目前，我司發(fā)現(xiàn)的波紋主要有下述幾種情況，根據(jù)磨削相關(guān)原理和現(xiàn)場(chǎng)工作經(jīng)驗(yàn)，對(duì)這些情況逐一分析：

（1）環(huán)點(diǎn)狀紋

砂輪表面有雜質(zhì)或修整不良導(dǎo)致沙粒松動(dòng)，磨削時(shí)復(fù)印產(chǎn)生或由于砂輪圓周表面上硬度不均勻或不均勻的磨損引起局部振動(dòng)造成的。因?yàn)檫@種擾動(dòng)又會(huì)促使砂輪的再生振動(dòng)，因此往往還可能伴隨豎向振紋。進(jìn)行重新修整或更換質(zhì)量好的砂輪可以解決此問題。

圖1 經(jīng)過磨合后在偏心圓部位出現(xiàn)斜紋的曲軸

（2）直豎紋

產(chǎn)生曲軸偏心直豎紋的原因是砂輪相對(duì)曲軸的移動(dòng)或者說砂輪對(duì)曲軸表面的磨削壓力產(chǎn)生周期性變化而引起的振動(dòng)。這種振動(dòng)可以是強(qiáng)迫振動(dòng)，也可以是自激振動(dòng)，因此曲軸上的直波頻通常不止一種。具體的原因有：（a）砂輪主軸的間隙太大；（b）砂輪靜平衡不好或砂輪變鈍；（c）曲軸的轉(zhuǎn)速太高；（d）橫向進(jìn)刀速度太快；（e）砂輪主軸的軸承磨損或者配合間隙過大，導(dǎo)致產(chǎn)生徑向跳動(dòng)。一般通過降低進(jìn)刀速度、修整砂輪和平衡砂輪都可以解決。

（3）魚磷狀紋

曲軸偏心的魚鱗狀紋是因?yàn)樯拜喌那邢魅胁粔蜾h利，在磨削曲軸表面時(shí)發(fā)生“啃住”現(xiàn)象，這個(gè)時(shí)候振動(dòng)較大。導(dǎo)致振動(dòng)大的具體原因有：砂輪變鈍、修整不夠鋒利、砂輪硬度不夠均勻等。通?？梢酝ㄟ^修銳砂輪解決該問題。

（4）斜狀紋

與網(wǎng)狀、螺旋狀紋類屬于同一類型，產(chǎn)生的機(jī)理相同，只是某個(gè)影響因子成分多少不同，導(dǎo)致最終復(fù)?。ɑ蛘叻Q再生效應(yīng)）結(jié)果不同而已。具體的原因有：（a）修整器剛性差、跳動(dòng)大；（b）進(jìn)給速度大；（c）工件剛性差。常常通過調(diào)整修整器、降低速度和增加無火花光磨時(shí)間可以消除此類紋路。

4 經(jīng)驗(yàn)總結(jié)和預(yù)防措施

（1）本次調(diào)查過程發(fā)現(xiàn)采用W40砂紙打磨后由于砂紙粒度太粗無法發(fā)現(xiàn)異常，而采用水性氧化鋁CW1500砂紙打磨工件后，曲軸表面異?？梢园l(fā)現(xiàn)。因此，可以將此操作增加至作業(yè)指導(dǎo)書中，以作為現(xiàn)場(chǎng)判斷預(yù)防。

（2）編制金剛輪安裝操作規(guī)范，明確步驟和檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)。

（3）作業(yè)指導(dǎo)書增加重點(diǎn)工藝參數(shù)的受控規(guī)定。