淺析曲軸徑向圓跳動超差原因

方桂景

摘要：曲軸加工質(zhì)量的優(yōu)劣，直接影響到柴油機的整機工作性能和使用壽命。通過對某款柴油機曲軸加工工藝中造成徑向圓跳動超差的原因分析，找出生產(chǎn)中控制徑向圓跳動的工藝方法，使曲軸加工質(zhì)量得到有效控制，提高了曲軸的加工質(zhì)量和整機性能。

主題詞：曲軸；徑向圓跳動；車削；磨削

曲軸的主要作用是將活塞的往復(fù)運動，通過連桿轉(zhuǎn)變成自身的旋轉(zhuǎn)運動并輸出動力，其加工質(zhì)量的優(yōu)劣，直接影響到柴油機的整機工作性能和使用壽命。

曲軸在機體中的轉(zhuǎn)動是靠其主軸頸與軸承蓋的配合完成的，因此，主軸頸徑向圓跳動的大小將直接影響主軸轉(zhuǎn)動過程中的配合間隙和轉(zhuǎn)動副的潤滑程度。若跳動超差，將使轉(zhuǎn)動副失去潤滑而無法工作，甚至?xí)斐烧麢C的質(zhì)量事故，因此曲軸主軸頸徑向圓跳動必須得到有效的控制。

問題描述

濰柴重機股份有限公司自行開發(fā)、生產(chǎn)的某款具備國內(nèi)先進水平的六缸柴油機具備結(jié)構(gòu)緊湊等特點，其所匹配曲軸的主軸頸和連桿頸的空間布置緊湊，各項技術(shù)參數(shù)要求嚴格。

此款曲軸材料采用QT800-2球墨鑄鐵整體鑄造，材料硬度260～300HBS。曲軸全長1612mm，連桿頸回轉(zhuǎn)半徑100mm±0.05mm；主軸頸直徑150-0.01 -0.035mm，連桿頸直徑135-0.01 -0.035mm，軸頸圓柱度0.012mm，表面粗糙度值Ra=0.5mm；各連桿頸對第一、第七主軸頸的平行度為0.03mm/100mm，第四主軸頸對第一、第七主軸頸的徑向圓跳動為0.07mm。部分設(shè)計要求如圖1所示。

1.生產(chǎn)工藝簡介

此款曲軸加工制造屬大批量生產(chǎn)類型，加工工藝采用流水線形式，生產(chǎn)線由通用設(shè)備和專機組成。主要分為軸頸車削與磨削加工、油孔加工、法蘭孔加工、探傷、熱處理、動平衡及清理等工序。曲軸加工工藝流程見表1。

2.測量數(shù)據(jù)

任意抽取10臺曲軸測量第四主軸頸徑向圓跳動測量數(shù)據(jù)，見表2。從結(jié)果看，主軸頸徑向圓跳動加工誤差已遠遠超出設(shè)計要求，且分布無規(guī)律，加工質(zhì)量難以滿足柴油機的正常運轉(zhuǎn)要求。

原因分析

在曲軸加工過程中，主軸頸與連桿頸磨削工序加工余量較小，很難糾正較大的跳動誤差，同時由于磨削軸頸時使用中心架支撐，因此在磨削主軸頸與連桿頸時不會產(chǎn)生大的徑向圓跳動誤差。曲軸熱處理工藝中都安排有校正工序，也不會對主軸徑向圓跳動誤差產(chǎn)生較大影響，且能糾正前面粗加工過程中產(chǎn)生的部分徑向圓跳動誤差。

1.車削加工工藝分析

在主軸頸車削加工中，為分散加工余量，盡量減小主軸徑向圓跳動誤差，車削工藝安排為：粗車主軸頸→去應(yīng)力→精車主軸頸。雖然去應(yīng)力工藝能夠糾正粗加工產(chǎn)生的主軸頸徑向圓跳動誤差，但其糾正力度并不是無限的，它只能糾正部分誤差，因此在粗加工過程中產(chǎn)生的大于糾正限度的跳動誤差將會累積到精車工序中，因此在粗車工序中必須控制跳動誤差。

（1）彎曲變形 曲軸裝夾過程中，在頂尖的作用下，軸向頂緊力使曲柄臂產(chǎn)生內(nèi)彎矩，曲柄臂在曲軸主軸軸線方向的位移變動s，每個曲柄臂將產(chǎn)生2s的軸向壓縮，如圖2所示。操作者按照以往習(xí)慣的夾緊方法操作，經(jīng)現(xiàn)場在曲軸每個拐臂用百分表測定，在頂尖頂緊力的作用下，曲軸軸向頂緊過程中每個拐臂的變化量s在0.01～0.02mm，整臺曲軸在軸向頂緊力作用下達到0.12～0.24mm的變形壓縮量。經(jīng)計算，曲柄臂的內(nèi)彎矩作用使曲軸產(chǎn)生彎曲變形t=2s×曲柄半徑÷曲軸總長=0.016～0.26mm。

以上證明，頂尖頂緊力過大，會造成曲軸的彎曲變形t，頂緊力卸載后，由于工件的彈性恢復(fù)，同樣的彎曲變形量t將累積到主軸頸徑向圓跳動誤差中，造成曲軸徑向圓跳動的超差。因此，為提高主軸車削的主軸頸徑向圓跳動精度，必須控制軸向裝夾的彎曲變形量問題，確保車床尾座頂尖有合適大小的頂緊力，既要保證對工件的可靠頂緊，又要盡量減小頂緊力造成的彎曲變形對主軸頸徑向圓跳動的影響。

（2）切削力影響 曲軸主軸車削工序，主要靠普通車床完成。一方面，設(shè)備老化嚴重，絲杠、拖板等間隙過大，頂尖鎖緊力度差，車削過程中刀具竄動過大，導(dǎo)致加工中產(chǎn)生的切削力增大。而由于曲軸的結(jié)構(gòu)特點限制無法使用跟刀架，使曲軸在加工過程中產(chǎn)生彎曲變形，加工完成后變形恢復(fù)，增大了主軸頸徑向圓跳動的誤差，車削精度無法達到工藝要求。

另一方面，粗車軸頸工序中，鑄造毛坯余量大，分型面錯箱嚴重，使粗車機床沖擊過大，磨損嚴重，導(dǎo)致加工中產(chǎn)生的切削力增大，使曲軸加工中產(chǎn)生的彎曲變形累積加大，無法保持正常精度。這是造成曲軸主軸頸徑向圓跳動超差的核心因素。

2.磨削加工工藝分析

（1）主軸頸磨削工序 主軸頸磨削工序使用普通外圓磨床進行加工。為了保證各主軸頸的加工精度及第四主軸頸對第一和第七主軸頸的跳動要求，主軸頸的磨削采用曲軸兩端中心孔為主要定位基準，如圖3所示。

曲軸依靠外圓磨床的頭架單驅(qū)動，在前后頂尖和中心架的支撐下逐步對主軸頸進行磨削，在磨削過程中分別在第二、第四和第六主軸頸上使用中心架支撐。產(chǎn)品的尺寸精度和技術(shù)要求都有人工直接干預(yù)，特別是對中心架兩個方向支撐力量的控制。由于曲軸具有細長軸類零件的加工特點，在加工過程中極易產(chǎn)生彎曲變形，隨著被加工材料的去除，各主軸頸外圓與所使用的中心托架之間會出現(xiàn)一定的間隙，使曲軸主軸頸徑向圓跳動誤差增大。

（2）連桿頸磨工序 連桿頸磨削工序使用曲軸磨床進行加工，為了保證連桿頸回轉(zhuǎn)半徑要求和平行度要求，連桿頸的磨削采用第一和第七主軸頸表面為主要定位基準，采用定位銷孔作為相位角的定位基準，在磨削過程中分別在同時磨削的連桿頸上使用中心架支撐。磨床的頭尾架卡盤以頭尾架中心軸線為基準，按照曲軸主軸頸和連桿頸的沖程偏心量進行調(diào)整，使頭尾架卡盤夾持連桿頸的中心圍繞頭尾架主軸的旋轉(zhuǎn)中心，進行對連桿頸直徑的磨削加工。

同時，為了避免曲軸在加工旋轉(zhuǎn)中不均勻的運轉(zhuǎn)產(chǎn)生的的離心力影響，在磨床頭尾架后側(cè)都設(shè)有配重裝置，從而改善和均衡頭尾架的旋轉(zhuǎn)穩(wěn)定性。磨床采用同步軸傳遞，即頭架作為主傳動經(jīng)過一系列的傳動鏈傳遞到尾架，使它們實現(xiàn)曲軸磨床的頭尾架卡盤同步，保證曲軸在運轉(zhuǎn)過程中不造成扭曲的現(xiàn)象。但此設(shè)備長時間運轉(zhuǎn)，機械傳動鏈過長有間隙和磨損的現(xiàn)象，導(dǎo)致頭尾架運轉(zhuǎn)不同步，加工產(chǎn)生的磨削力極易使曲軸發(fā)生扭曲和彎曲變形，增大了主軸頸徑向圓跳動誤差，如圖4所示。

（3）操作技能 操作人員技術(shù)素質(zhì)相差較大，車床頂尖頂緊力度、磨床中心架跟進手法及力度有所欠缺，執(zhí)行工藝和操作規(guī)程不嚴格等因素也是影響曲軸徑向圓跳動控制的因素。

解決措施

1.車削工藝改進

1）為提高曲軸車削過程中的加工質(zhì)量，減小主軸頸徑向圓跳動誤差，首先必須控制工件的裝夾變形量問題，確保尾座頂尖頂緊力大小既要保證對工件的可靠頂緊，又要盡量減小頂緊力對曲軸彎曲變形的影響。通過不斷試驗，在裝夾操作中不斷摸索測量，最終確定曲軸全長的軸向壓縮量s在0.03～0.05mm時，既可確保頂緊可靠，又能使曲軸的頂緊力對彎曲變形的影響最小。

操作者裝夾曲軸時，在靠近尾座頂尖的端面安裝百分表，測量曲軸全長的軸向壓縮量，保證在確定的范圍內(nèi)，如圖5所示。并通過不斷練習(xí)，獲取操作經(jīng)驗，確保車削加工質(zhì)量的穩(wěn)定性。

2）改進優(yōu)化曲軸車削工藝，合理分配加工余量，減小加工中產(chǎn)生的切削力對主軸跳動誤差的影響，提高曲軸的加工質(zhì)量。在熱處理去應(yīng)力工序前增加半精車主軸工序，并將精車主軸頸工序使用的設(shè)備改變?yōu)樾略龊透脑斓膬膳_經(jīng)濟型數(shù)控車床CK6180自動車削，減少人為因素對主軸徑向圓跳動的影響。通過設(shè)計開展車床主軸轉(zhuǎn)速S、車刀進給速度f、切削深度ap等三因子、兩水平的DOE試驗，確定最優(yōu)工藝參數(shù)組合s=117.8mm、f=1.0mm、ap=0.8mm。利用先進的數(shù)控技術(shù)，采用新型的機夾可轉(zhuǎn)位刀具和刀尖補償編程、橫線速切削等先進的工藝手段，實現(xiàn)了曲軸的精密車削，使曲軸的車削加工精度得到有效的控制提高。

3）主軸頸磨削工序，操作者在每一主軸頸的加工過程中，隨時根據(jù)工件的磨削情況調(diào)整兩個托架的位置控制手柄，盡量使兩個托架與被加工主軸頸的表面保持合理的接觸間隙，以減小切削力對曲軸的彎曲變形影響，減小主軸頸徑向圓跳動誤差。

4）連桿頸磨削工序為減少磨削過程中曲軸的扭轉(zhuǎn)變形和彎曲變形，磨床的尾架與主軸箱使用數(shù)控伺服同步系統(tǒng)代替?zhèn)鹘y(tǒng)的同步軸，使頭尾架在旋轉(zhuǎn)的過程中旋轉(zhuǎn)誤差達到最小，提高尾座與主軸箱的同步精度，以消除同步軸機械傳動間隙對扭轉(zhuǎn)變形和彎曲變形的影響，如圖6所示。并且在加工過程中使用相適應(yīng)的平衡配重塊來保證曲軸的轉(zhuǎn)動平穩(wěn)性。嚴格規(guī)定了各軸頸的磨削順序，具體為：第五、第二連桿頸→第三、第四連桿頸→第一、第六連桿頸，每一次磨削必須使用中心架支撐，且在每一連桿頸的加工過程中，隨時根據(jù)工件的磨削情況調(diào)整兩個托架的位置控制手柄，盡量使兩個托架與被加工連桿頸的表面保持合理的接觸間隙，以減小切削力對曲軸的變形影響，減小主軸頸徑向圓跳動誤差。

5）加強對操作者的工藝基本知識、設(shè)備操作規(guī)程和質(zhì)量素質(zhì)教育，加強操作人員間的技術(shù)經(jīng)驗交流，提高他們的質(zhì)量控制意識和操作技能，嚴格執(zhí)行工藝紀律。

效果驗證

經(jīng)過加工工藝改進和優(yōu)化，采用數(shù)控車削加工技術(shù)，并結(jié)合操作者對加工質(zhì)量的有效控制后，對曲軸主軸頸徑向圓跳動誤差的最終模底檢驗。主軸頸徑向圓跳動誤差在0.03～0.06mm，合格率100%，完全達到設(shè)計要求，且大部分工件具備1/3精度儲備，使曲軸的加工質(zhì)量得到了有效的提高和控制。

曲軸機加工發(fā)展方向

隨著我國數(shù)控機床的不斷增加，曲軸粗加工將廣泛采用數(shù)控車床、數(shù)控內(nèi)銑床、數(shù)控外銑床及數(shù)控車拉床等先進設(shè)備，對主軸頸、連桿頸進行數(shù)控車削、內(nèi)銑削和外銑削和車-拉削加工，以有效減少曲軸加工的變形量。曲軸精加工將廣泛采用CNC控制的多軸聯(lián)動數(shù)控曲軸磨床對其軸頸進行精磨加工，此種磨床將配備砂輪自動動平衡裝置、中心架自動跟蹤裝置、自動測量裝置、自動補償裝置、砂輪自動修整和恒線速度等功能要求，以保證曲軸軸頸磨削質(zhì)量的穩(wěn)定。

參考文獻：

[1] 劉圣華，周保龍.內(nèi)燃機學(xué)[M].北京：機械工業(yè)出版社，2017.