微補(bǔ)償技術(shù)在曲軸軸向圓跳動(dòng)控制中的應(yīng)用

王佳偉，朱平

中車(chē)資陽(yáng)機(jī)車(chē)有限公司 四川資陽(yáng) 641301

1 序言

某柴油機(jī)曲軸兩端結(jié)構(gòu)如圖1所示，曲軸總長(zhǎng)4570mm，成品質(zhì)量2950kg。端面D要求對(duì)基準(zhǔn)A和B全跳動(dòng)0.04mm，端面C是在磨床上磨削加工，跳動(dòng)為0.01mm，與端面D連接的是一個(gè)1000mm長(zhǎng)的連接軸。端面D的跳動(dòng)會(huì)影響裝配在端面D上的連接軸外圓的跳動(dòng)，并直接影響發(fā)動(dòng)機(jī)的輸出功率、整機(jī)動(dòng)平衡和可靠性。

圖1 曲軸兩端結(jié)構(gòu)

在試制過(guò)程中發(fā)現(xiàn)，端面D受到磨床行程限制，無(wú)法在磨床上磨削加工，改造磨床短時(shí)間內(nèi)無(wú)法完成，并且改造成本較高。端面D在車(chē)床上加工時(shí)全跳動(dòng)始終達(dá)不到圖樣設(shè)計(jì)要求。在車(chē)床上對(duì)圖中φ275mm外圓跳動(dòng)和支撐中心架找正0.02mm，圖中端面C的跳動(dòng)最好只能找正在0.06mm。端面D車(chē)削后跳動(dòng)最好只能達(dá)到0.08mm，與圖樣要求的0.04mm相比超差一倍，且找正時(shí)間較長(zhǎng)，無(wú)法滿(mǎn)足批量生產(chǎn)。

2 曲軸軸向圓跳動(dòng)超差分析

端面D車(chē)削時(shí)超差的主要原因：①加工基準(zhǔn)面C無(wú)法找正到0.02mm以?xún)?nèi)。②機(jī)床中心架數(shù)量較少，曲軸受到重力影響，在車(chē)削時(shí)出現(xiàn)撓度變形（見(jiàn)圖2），無(wú)法將曲軸中心軸線找正水平，曲軸端面D和曲軸旋轉(zhuǎn)中心線處于不垂直狀態(tài)。③只有兩個(gè)中心架，無(wú)法做到每個(gè)軸頸都支撐并把曲軸實(shí)際中心線找水平，而且每個(gè)軸頸都做支撐也不符合實(shí)際加工要求。由此可見(jiàn)，車(chē)床加工端面D時(shí)如果有足夠的中心架和找正時(shí)間，將曲軸實(shí)際中心軸線找正到理論中心軸線位置，就可以滿(mǎn)足圖樣精度要求，但不滿(mǎn)足實(shí)際生產(chǎn)制造節(jié)拍。為此需要探索新的端面加工方式。

曲軸軸向圓跳動(dòng)超差，實(shí)際就是端面上存在高點(diǎn)和低點(diǎn)，高點(diǎn)與低點(diǎn)之間落差超過(guò)圖樣設(shè)計(jì)要求。要保證端面D的跳動(dòng)要求，一是要找到端面上的高、低點(diǎn)，二是需要消除高點(diǎn)。因此可以通過(guò)逐層銑削端面的方式，以端面C為基準(zhǔn)，端面D通過(guò)補(bǔ)償銑削高點(diǎn)的方式保證軸向圓跳動(dòng)要求。

圖2 曲軸車(chē)削過(guò)程撓度變形示意

3 曲軸軸向圓跳動(dòng)控制及微補(bǔ)償技術(shù)開(kāi)發(fā)

3.1 端面銑削加工試驗(yàn)

端面銑削數(shù)控加工設(shè)備：西班牙鏜銑加工中心；設(shè)備操作系統(tǒng)：SIEMENS 840D；裝夾定位方式：機(jī)床3個(gè)中心架分別支撐圖1中曲軸1、5、10主軸頸，中心架采用液壓夾緊。端面C和端面D上有孔系加工，為方便使用機(jī)床cycle循環(huán)，此處使用坐標(biāo)系旋轉(zhuǎn)，將垂直于端面D的坐標(biāo)軸設(shè)定為Z軸。

通過(guò)多次在鏜銑加工中心的銑削加工試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，端面銑削高、低點(diǎn)的連線經(jīng)過(guò)圓心，如圖3所示。連線HL一端為高點(diǎn)，一端為低點(diǎn)，其中β為任意角度，高點(diǎn)與低點(diǎn)的差值為0.04～0.20mm的隨機(jī)數(shù)值。

圖3 試驗(yàn)加工時(shí)曲軸端面銑削結(jié)果示意

使用微補(bǔ)償高點(diǎn)消除法滿(mǎn)足軸向圓跳動(dòng)要求，銑削時(shí)刀具每刀銑削寬度范圍內(nèi)高、低點(diǎn)差值不能超過(guò)0.04mm。端面D最大外圓為275mm，試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)端面D銑削最大跳動(dòng)值為0.2mm，為保證軸向圓跳動(dòng)在0.04mm以?xún)?nèi)，需要將0.2mm跳動(dòng)高點(diǎn)至少分為0.2/0.04=5段逐漸消除，將每段跳動(dòng)控制在0.04mm以?xún)?nèi)。刀具最大直徑Dmax=275/5mm=55mm，考慮到D50mm銑刀為車(chē)間現(xiàn)有和常見(jiàn)刀具，最終選擇D50mm銑刀。

實(shí)際加工時(shí)，端面精銑分為兩步進(jìn)行。第一步是尋找跳動(dòng)高、低點(diǎn)。銑削時(shí)控制深度坐標(biāo)軸不變，按照?qǐng)D4中刀路M1、M2……M6進(jìn)行銑削。銑削后使用深度游標(biāo)卡尺測(cè)量端面C與D之間的高度差，測(cè)量P1、P2……P8共8個(gè)位置點(diǎn)（每45°一個(gè)測(cè)量點(diǎn)），測(cè)量值分別為H1、H2……H8，記錄并找出最大值和最小值。如測(cè)量發(fā)現(xiàn)P2點(diǎn)為最高點(diǎn)，數(shù)值為H2，則P6點(diǎn)為最低點(diǎn)，數(shù)值為H6。

圖4 銑削刀路及測(cè)量位置示意

第二步是消除高點(diǎn)。銑削時(shí)將坐標(biāo)系的一個(gè)坐標(biāo)軸旋轉(zhuǎn)到高、低點(diǎn)連線方向，控制銑削深度沿坐標(biāo)軸逐層變化，按照?qǐng)D5中刀路M1、M2……M6進(jìn)行銑削。M1刀路銑削時(shí)控制深度坐標(biāo)軸Z=0，M2刀路控制銑削深度坐標(biāo)Z=－（H2－H6）/5，M3刀路控制銑削深度坐標(biāo)Z=－2（H2－H6）/5，以此類(lèi)推，M6刀路控制銑削深度坐標(biāo)Z=－（H2－H6）。

圖5 微補(bǔ)償時(shí)曲軸端面銑削示意

按照以上步驟，M1～M6每層刀路都將保證端面D與端面C之間的距離控制在相同值，并逐漸將P2處的高點(diǎn)消除，保證端面C與端面D之間的高度一致，從而保證端面D的跳動(dòng)值。

試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)當(dāng)修正數(shù)值比較小時(shí)（＜0.08mm），也就是第一次銑削完軸向圓跳動(dòng)比較小時(shí)，容易出現(xiàn)兩個(gè)高點(diǎn)或兩個(gè)低點(diǎn)，此種情況下可以任意選擇一個(gè)高點(diǎn)方向作為修正角度，微補(bǔ)償后都可以滿(mǎn)足圖樣要求。但如果需要加工更高精度要求的端面時(shí)，需要提高測(cè)量量具精度并排除測(cè)量誤差，找到高點(diǎn)和低點(diǎn)，具體操作和以上方法類(lèi)似。

3.2 端面微補(bǔ)償銑削數(shù)控加工程序設(shè)計(jì)

在數(shù)控加工程序編制時(shí)，為保證程序的通用性，滿(mǎn)足所有隨機(jī)β角度方向的補(bǔ)償，在編制程序時(shí)引入坐標(biāo)系旋轉(zhuǎn)（在之前鉆孔的坐標(biāo)系旋轉(zhuǎn)之后，再次進(jìn)行坐標(biāo)系旋轉(zhuǎn)），并把坐標(biāo)系旋轉(zhuǎn)值設(shè)定為變量R30，在主程序或R參數(shù)中通過(guò)修改變量值，達(dá)到修正銑削高點(diǎn)角度的目的。由于高點(diǎn)H與低點(diǎn)L之間的差值每次都是隨機(jī)變化的，所以在主程序中將H與L之間的差值設(shè)定為變量R2，滿(mǎn)足隨機(jī)高低差值的銑削補(bǔ)償。數(shù)控加工主程序如下。

;*** FINISH MILL PLANE *******

N10 G54

N20 M115

N30 T41 D1

N40 M6

N50 HEAD_C1(-180)

N60 HEAD_C2(90)

N70 TRANS X-48

N80 AROT Y-90

N90 M114

N100 G0 Z100

;First processing

N110 R1=275; 端面D外圓直徑

N120 R2=0 R30=0; 角度和高度差修正值，第一次銑削設(shè)定為0

N130 m0

N140 stopre

N150 FINISH_MILL_PLANE;銑削子程序

N160 M0; 測(cè)量記錄端面高低點(diǎn)差值及角度方向

;Second processing

N170 R2=0 R30=0

N180 M0; 程序運(yùn)行到此處時(shí)，修改機(jī)床R參數(shù)表中的R2和R30參數(shù)

N190 stopre

N200 FINISH_MILL_PLANE; 銑削子程序

N210 trans

N220 M115

N230 M30

數(shù)控加工子程序內(nèi)容如下。

;FINISH_MILL_PLANE; 子程序內(nèi)容

N10 R10=2*$P_TOOLR-4; 排除刀片刀尖半徑，設(shè)定銑削時(shí)刀具有效直徑

N20 R11=trunc(R1/R10)

N30 if((R1/R10)＞R11); 設(shè)定刀路銑削次數(shù)

N40 R12=R11+1

N50 else

N60 R12=R11

N70 Endif

N80 R13=R1/R12

N90 G0 Z100

N100 Y=0

N110 X=0

N120 G0 Z50

N130 M03 S700 M8

N140 R20=0; 銑削刀路計(jì)數(shù)器

N150 AROT Z=R30; 根據(jù)高低點(diǎn)角度修正端面銑削時(shí)坐標(biāo)系旋轉(zhuǎn)角度

N160 _start_MILL:

N170 g1 Y=-sqrt(pot(R1/2+$P_TOOLR)-pot(R1/2-R13/2-R13*R20))-5 f2000

N180 X=R1/2-R13/2-R13*R20

N190 Z=0-(R2/(R12-1))*R20 F800; 修正銑削深度補(bǔ)償

N200 Y=sqrt(pot(R1/2+$P_TOOLR)-pot(R1/2-R13/2-R13*R20))+5 f200

N210 Z=5 F800

N220 R20=R20+1

N230 if(R20＜R12)

N240 gotoB _start_MILL; 跳轉(zhuǎn)銑削下一層端面

N250 Endif

N260 AROT Z=-R30; 取消端面銑削時(shí)的坐標(biāo)系角度旋轉(zhuǎn)

N270 G0 Z100 M05 M9

N270 M17

4 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)以上方法加工完成后，在臥式車(chē)床使用兩個(gè)百分表同時(shí)對(duì)端面D和端面C的相同角度位置進(jìn)行跳動(dòng)檢測(cè)。兩個(gè)百分表相同角度位置指針讀數(shù)變化在0.02mm以?xún)?nèi)，磨削表面C跳動(dòng)在0.01mm以?xún)?nèi)，最終端面D跳動(dòng)0.03mm，達(dá)到圖樣要求的全跳動(dòng)0.04mm。本文所述微補(bǔ)償端面銑削加工方法，提出了一種新的加工精度控制理念，可以推廣應(yīng)用到其他需要保證精度的類(lèi)似部位的加工中。