低摩擦曲軸法蘭拋光工藝關(guān)鍵因子研究及應(yīng)用

彭勇 胡期君 于立群

（重慶長安汽車股份有限公司，重慶 401120）

1 研究背景

曲軸作為發(fā)動機(jī)核心零部件，是動力傳遞轉(zhuǎn)換的關(guān)鍵，曲軸法蘭是動力輸出的核心。低摩擦曲軸在保證動力輸出的同時，保證曲軸法蘭密封可靠至關(guān)重要，而法蘭表面粗糙度的設(shè)計及制造工藝控制是達(dá)成以上需求的關(guān)鍵。公司某低摩擦曲軸法蘭外圓表面粗糙度要求控制在Rz0.8～2.5 μm 之間，質(zhì)量過程能力保證難度大，在生產(chǎn)過程中如何高效的從工藝角度去滿足產(chǎn)品設(shè)計要求，把法蘭粗糙度的生產(chǎn)過程能力提升至較安全的水平是本次研究的主要內(nèi)容。

黃永輝[1]認(rèn)為曲軸拋光中為了得到更好的拋光質(zhì)量, 需要更好的拋光帶,拋光靴和穩(wěn)定運(yùn)動的機(jī)床結(jié)構(gòu)，并對拋光原理、拋光砂帶選取、SuPfina72o/3-NC 設(shè)備結(jié)構(gòu)、拋光靴結(jié)構(gòu)設(shè)計做了概述性介紹，但未對如何具體提升拋光質(zhì)量進(jìn)行分析驗證。王艷菊[2]針對不同材質(zhì)的曲軸，使用兩種拋光裝置拋光，通過使用不同介質(zhì)、不同切削速度進(jìn)行拋光驗證，得出了兩種手段在拋光過程中，只能提高表面粗糙度，幾乎不改變軸頸尺寸及形位公差的結(jié)論。時君麗[3]等利用正交試驗設(shè)計的方法，研究了渦旋壓縮機(jī)曲軸電化學(xué)拋光工藝參數(shù)的最佳組合，其試驗方法有較大的參考意義，但其采用的電化學(xué)拋光方法與砂帶拋光工藝差異較大。張磊[4]等對砂帶研拋曲軸連桿頸機(jī)構(gòu)做了詳細(xì)分析，并討論了不同拋光塊以及不同接觸方式對拋光質(zhì)量的影響，同時還分析了隨動誤差對拋光質(zhì)量的影響。但僅開展了理論研究缺少試驗驗證。

2019 年5～6 月，公司某系列曲軸機(jī)加線曲軸拋光工位法蘭外圓表面SC 特性——粗糙度Rz 值超出80%公差帶的預(yù)警線，頻繁預(yù)警，一旦超差可能導(dǎo)致法蘭油封漏油的風(fēng)險。該生產(chǎn)線投產(chǎn)初期共生產(chǎn)2 950件曲軸，法蘭粗糙度Rz值分布偏上限（1.6～2.5 μm），如圖1 所示，Ppk=0.79＜1，過程能力不足，超差風(fēng)險大。如不合格，存在法蘭油封漏油的風(fēng)險。樣本數(shù)據(jù)波動受控，樣本均值Rz2.03 μm（目標(biāo)值Rz1.65 μm），偏移較大，本研究結(jié)合理論與實際，通過分析鎖定優(yōu)化因子，并通用驗證確定最優(yōu)因子水平，實現(xiàn)樣本均值方面進(jìn)行改善，減小偏移。

圖1 法蘭粗糙度尺寸分布

2 曲軸法蘭拋光關(guān)鍵因子分析

本次研究涉及的曲軸為球墨鑄鐵件，曲軸法蘭外圓主要經(jīng)過車、磨、拋光、清洗、涂油等工序完成加工，磨削、拋光是影響成品質(zhì)量關(guān)鍵工序。法蘭外圓經(jīng)磨削后圓度小于5 μm、粗糙度小于Ra0.6 μm，且過程能力Ppk 大于1.67，本次研究主要集中在拋光過程的優(yōu)化。

目前國際主流的曲軸拋光設(shè)備廠家有德國的Supfina 公司、Nagel 公司，美國的 Inpco、印度 Grind master，其設(shè)備的自動化程度高、加工精度高、性能穩(wěn)定、控制功能先進(jìn)。當(dāng)前生產(chǎn)線采用Grind master NF600Cr全自動拋光機(jī)，工件采用兩端中心中孔進(jìn)行定位，拋光過程中在法蘭端通過銷釘驅(qū)動進(jìn)行旋轉(zhuǎn)。兩個頂尖的同軸度及跳動超差將造成工件加工過程中異常抖動，會影響加工過程的穩(wěn)定性。首先應(yīng)對頂尖（圖2）進(jìn)行檢測，檢測結(jié)果如表1 所示，滿足要求。拋光靴為硬件且在設(shè)備采購時配備了大量配件，其結(jié)構(gòu)的優(yōu)化驗證本文不做分析。

圖2 拋光工序夾具示意

表1 夾具檢測結(jié)果

拋光油型號更換、驗證周期長，暫不考慮，且該工序還加工其他內(nèi)容，且其他軸頸加工過程穩(wěn)定；拋光油流量設(shè)置量滿足要求，也不做進(jìn)一步分析。拋光帶基帶為聚酯膜、磨粒為氧化鋁。顆粒度大小是拋光表面的材料去除關(guān)鍵要素，拋光帶顆粒度對拋光后粗糙度影響較大，通常拋光帶顆粒度越小，拋光出的表面質(zhì)量越高。

工件拋光時的旋轉(zhuǎn)方向決定了拋光完成后工件表面細(xì)微毛刺的形成方向。拋光的方向應(yīng)該與發(fā)動機(jī)的轉(zhuǎn)動方向一致，這樣曲軸在運(yùn)行過程中，軸頸表面上的毛刺不會刺破油膜[5]。

曲軸砂帶拋光機(jī)床在加工過程中，在保證拋光介質(zhì)（機(jī)械油和煤油的合理比例或?qū)Ｓ脪伖庖海?、拋光壓力的前提下，工件旋轉(zhuǎn)速度、拋光時間和工件振動頻率對工件質(zhì)量影響顯著。曲軸法蘭對密封性有較高的要求，拋光過程中避免工件震動/軸向串動可形成平行于旋轉(zhuǎn)方向的微觀細(xì)紋，更有利于保證密封要求。拋光臂夾緊力主要影響拋光去除量（直徑），目前拋光后的外圓直徑過程穩(wěn)定，如果進(jìn)行調(diào)整需要修改前工序尺寸狀態(tài)，暫不做進(jìn)一步分析。

綜合以上分析，法蘭粗糙度過程能力的影響因子主要為拋光帶顆粒度、進(jìn)帶量、拋光參數(shù)（轉(zhuǎn)速、圈數(shù)）4 個，下面將做進(jìn)一步驗證分析。

3 關(guān)鍵影響因子工藝參數(shù)確定

為保證生產(chǎn)成本不增加，生產(chǎn)效率不降低，擬采用先選取合適的拋光帶將減少樣本均值的偏移量，再基于成本選取進(jìn)帶量，最后再通過優(yōu)化工藝參數(shù)來實現(xiàn)粗糙度過程能力的提升。

3.1 基于成本選取拋光帶顆粒度

當(dāng)前采用的顆粒度為30 μm 的拋光帶，根據(jù)當(dāng)前法蘭外圓粗糙度數(shù)據(jù)的分布（實際值偏大）來看，當(dāng)前粗糙度值靠近公差上限。通常拋光帶顆粒度越小，拋光出的表面質(zhì)量越高，且顆粒度為20 μm的拋光帶成本與30 μm 拋光帶成本相當(dāng)，所以引入顆粒度為20 μm 的拋光帶進(jìn)行驗證（其他狀態(tài)一致）。采用假設(shè)檢驗的方式，主要檢驗采用20 μm拋光帶相比30 μm 拋光帶時的樣本均值與目標(biāo)值的偏移量改善是否顯著。如果采用20 μm 拋光帶后改善顯著可快速縮短試驗驗證的周期及成本。

采用顆粒度為20 μm、30 μm 拋光帶各加工25件產(chǎn)品并檢測統(tǒng)計拋光后的粗糙度數(shù)據(jù)，分析兩組數(shù)據(jù)距離目標(biāo)值的偏移量的大小，如表2 所示；對實測值Y進(jìn)行（|Y-1.65|）轉(zhuǎn)化（1.65 μm 為法蘭粗糙度目標(biāo)值）。對轉(zhuǎn)化后的兩組數(shù)據(jù)進(jìn)行方差及均值分析，等方差檢驗，設(shè)H0為“μm（20 μm偏差）-μm（30 μm 偏差）≥0”，H1 為μm（20 μm 偏差）-μm（30 μm 偏差）＜0，在95 置信區(qū)間進(jìn)行分析。試驗結(jié)果為兩組數(shù)據(jù)方差無顯著差異，但是用20 μm拋光帶的粗糙度偏差均值顯著小于用30 μm 的拋光帶，選用20 μm 的拋光帶更優(yōu)，如圖3 所示。

表2 拋光帶顆粒度試驗數(shù)據(jù)

圖3 拋光帶顆粒度對比驗證結(jié)果

3.2 利用回歸分析法確定進(jìn)帶量

法蘭拋光過程中，每加工1 件后拋光帶都需要進(jìn)行步進(jìn)式更換，以保證加工質(zhì)量；為保證拋光過程中不斷帶且有較好的拋光質(zhì)量并兼顧經(jīng)濟(jì)性，法蘭拋光的單次進(jìn)帶量通常設(shè)置在24～30 mm 之間，具體數(shù)據(jù)如表3 所示。在其他狀態(tài)一致的條件下，收集不同進(jìn)帶量水平狀態(tài)下拋光法蘭后的法蘭外圓粗糙度數(shù)據(jù)，并生成散點圖如下，通過散點圖可知，進(jìn)帶量與粗糙度存在相關(guān)性，具體關(guān)系需進(jìn)一步分析。

表3 拋光帶進(jìn)帶量試驗設(shè)計

對數(shù)據(jù)進(jìn)行多項式回歸分析結(jié)果如圖4 所示，粗糙度與進(jìn)帶量的回歸方程為：粗糙度=63.39-4.559×進(jìn)帶量+0.083 49×進(jìn)帶量×進(jìn)帶量，回歸標(biāo)準(zhǔn)差S=0.0982，多元相關(guān)系數(shù)R-Sq=91.9%，修正的多元相關(guān)系數(shù)R-Sq（調(diào)整）=91%，回歸項對應(yīng)的置信度p＜0.05，回歸模型顯著，方差的序貫分析中，二次項對應(yīng)的置信度p＜0.05，二次相關(guān)顯著。通過響應(yīng)優(yōu)化器，獲取最優(yōu)設(shè)置后得回歸方程如下：粗糙度= 63.68- 4.567×進(jìn)帶量+ 0.083 38×進(jìn)帶量×進(jìn)帶量。由優(yōu)化圖可知，進(jìn)帶量設(shè)置為24.9 mm、29.7 mm 兩個值時最接近期望值，因拋光帶進(jìn)帶量越小，拋光帶壽命越高，所以選定拋光帶的進(jìn)帶量為25 mm，后續(xù)驗證基于這個經(jīng)濟(jì)量開展進(jìn)一步分析。

圖4 拋光帶進(jìn)帶量驗證結(jié)果

3.3 關(guān)鍵因子工藝參數(shù)確定及驗證

基于確定的拋光帶進(jìn)帶量、拋光帶顆粒度，對拋光參數(shù)優(yōu)化試驗設(shè)計。對拋光轉(zhuǎn)速X1、拋光圈數(shù)X2 進(jìn)行兩水平（并增加中心點）試驗設(shè)計見表4。試驗結(jié)果如表5 所示。

表4 拋光轉(zhuǎn)速、圈數(shù)試驗設(shè)計

表5 拋光轉(zhuǎn)速、圈數(shù)試驗結(jié)果

試驗結(jié)果為轉(zhuǎn)速、圈數(shù)、轉(zhuǎn)速與圈數(shù)交互作用對粗糙度有顯著影響。回歸方程如下，通過響應(yīng)優(yōu)化器，獲取最優(yōu)設(shè)置，轉(zhuǎn)速選擇80、圈數(shù)選擇4，粗糙度最接近期望值。

粗糙度=1.837+0.003 39×轉(zhuǎn)速-0.011 4×圈數(shù)-0.001 69×轉(zhuǎn)速×圈數(shù)

綜合前述分析，將進(jìn)帶量取值25 mm、拋光帶顆粒度選取20 μ、拋光轉(zhuǎn)速選取80 r/min、拋光圈數(shù)選取4 圈進(jìn)行加工驗證。跟蹤7 月至9 月生產(chǎn)數(shù)據(jù)，計算達(dá)到粗糙度目標(biāo)的Ppk=1.29，相比改善前0.79，效果顯著，改進(jìn)方案可行。

4 結(jié)論

a.拋光過程中法蘭外圓粗糙度過程能力的改善提升可從設(shè)備精度、拋光帶顆粒度、進(jìn)帶量、拋光轉(zhuǎn)速及拋光圈數(shù)等因子進(jìn)行。

b.在確保拋光前的過程尺寸穩(wěn)定、檢測系統(tǒng)滿足要求、設(shè)備主軸精度正常的前提下開展進(jìn)一步分析，且應(yīng)優(yōu)先確定拋光帶顆粒度及進(jìn)帶量。

c.運(yùn)用等方差分析、雙樣本T 檢驗法、回歸分析法逐步確定各項關(guān)鍵因子及水平，能夠有效改善法蘭外圓粗糙度過程能力。