曲軸連桿頸的跟蹤磨削工藝

曲軸是發動機的關鍵件之一，零件結構復雜，生產批量大（在中、小批量生產中需進行多品種輪翻生產），精度要求高（連桿頸的尺寸精度IT6-IT7，圓度≤0.005mm，表面粗糙度Ra0.2-Ra0.4）。目前，曲軸的終加工，仍普遍采用磨削工藝。為滿足曲軸日益提高的加工要求，對曲軸磨床提出了很高的要求。現代曲軸磨床除了要有很高的靜態、動態剛度和很高的加工精度外，還要求有很高的磨削效率和更多的柔性。近年來，更要求曲軸磨床具有穩定的加工精度，為此，對曲軸磨床的工序能力系數規定了Cp=1.67，這意味著要求曲軸磨床的實際加工公差要比曲軸給定的公差小一半。現代驅動和控制技術，測量控制，CBN（立方氮化硼）砂輪和先進的機床部件的應用，為曲軸磨床的高精度、高效磨削加工創造了條件。一種稱之為連桿頸跟蹤磨削工藝（圖1）正是體現了這些新技術綜合應用的具體成果。

　　而這種跟蹤磨削工藝可顯著地提高曲軸連桿頸的磨削效率、加工精度和加工柔性。在對連桿頸進行跟蹤磨削時，曲軸以中間軸頸為軸線進行旋轉，并在一次裝夾下磨削連桿頸。在磨削過程中，磨頭實現往復擺動進給，跟蹤著偏心回轉的連桿頸進行磨削加工。實現跟蹤磨削，X軸除了必須具有高的動態性能外，還必須具有足夠的跟蹤精度，以確保連桿頸所要求的圓度：3mm-7mm。示例：載重汽車的曲軸連桿頸直徑Dh:94mm砂輪直徑Ds:650mm沖程半徑Rh:75mm曲軸轉速Nw：60r/min磨削時間Tc:12minX軸必需具有的動態性能X軸的速度Vmax：約28m/minX軸的加速度Amax：約3m/s²圖1連桿頸跟蹤磨削的運動原理（Naxos)a-C軸的旋轉方向：b-X軸的往復擺動運動（跟蹤運動）：c-沖程偏移；d-C軸不同位置時的砂輪；Dh-連桿頸直徑；Rh-沖程半徑；Ds-砂輪直徑。CBN砂輪的應用是實現連桿頸跟蹤磨削的重要條件。

　　由于CBN砂輪耐磨性高，在磨削過程中砂輪的直徑幾乎是不變的，從而可以減少運動學方面的繁瑣計算。CBN砂輪可以采用很高的磨削速度，在曲軸磨床上一般可采用高達125-140m/s的磨削速度，有的甚至可更高些。例如在磨削球墨鑄鐵GGG70（相當于我國的QT70-2），硬度為HRC35，磨削余量為0.25mm的曲軸時，采用的砂輪圓周速度高達165m/s，從而大大縮短了磨削加工的基本時間。這種圓周速度實際上已達到了銑削加工材料的切除率，而常規的砂輪是不可能達到這樣的加工效率的。

　　這特別對于有著較高軸肩的載重汽車的大型曲軸，在磨削時需要較大的切入行程，而采用CBN砂輪可以顯著減少工藝循環時間，大大提高了生產效率。CBN砂輪具有很高的刀刃強度和輪廓穩定性，砂輪修整的間隔時間長，耐用度很高，從而減少了砂輪的更換次數。CBN砂輪價格昂貴，但由于加工效率和耐用度高，分攤到每個工件上的刀具費用反而比采用價格低廉的普通砂輪的要低，據德國Naxos磨床廠的資料，采用CBN砂輪加工時間通常可縮短50%，而加工費用可節約50%以上。

　　應指出的是，隨著高速磨削工藝的開發，CBN磨削工藝已從單純的精加工工藝演變為一種普通的加工工藝，采用CBN砂輪磨削工藝時，工件可以留有較大的加工余量，相繼實現粗磨和精磨。圖2直線電機結構原理圖為能充分利用這種新工藝的潛力，現代磨床必須要具備較高的靜、動態剛度和較高動態性能，磨頭重量要輕，在它進行往復擺動實現跟蹤磨削時以便保持較小的運動質量。

　　并通過采用直線電機（圖2）以提高磨頭的動態性能。采用這種直接驅動模式，免去了將常規的回轉運動轉換為直線運動的傳動組件，由此不僅消除了傳動間隙和傳動件誤差所造成的運動誤差，并顯著提高了軸的動態性能和移動速度。為了讓工件的轉速和砂輪圓周速度之間的比例不要相差太大，由此避免造成磨削燒傷。工件必須盡可能保持較高的回轉速度，這就意味著磨頭在以往復擺動進行跟蹤磨削時，磨頭需要有較高的往復擺動速度，而采用常規的滾珠絲杠傳動是難以實現的。磨削時，磨頭以往復擺動對連桿頸的跟蹤精度，要依靠對磨頭運動軸的計算、控制和監控來保證，這就要求機床控制系統具有很高的計算效率和與機床的快速連接，為此，特別要求通過過程監控來實現。

　　為對連桿頸的尺寸和橢圓度精度進行監控，在磨床上通常采用安裝在V型體上的測量頭測量正待磨削的和已磨削的連桿頸直徑。在中、小批量生產中，為進行曲軸不同品種的輪翻生產，要求磨床具有更多的柔性。而采用跟蹤磨削工藝就能十分容易實現曲軸簇類不同型號曲軸的磨削加工：在相同軸頸寬度的條件下，在這樣的磨床上，可以通過不同的沖程高度來實現對以180°、72°和120°分布的4、5和6缸曲軸不同數量的連桿頸進行磨削加工，而不需要進行任何機械調整。

　　不同的夾緊長度可以通過NC工件頭架和可移動的尾座來達到，連桿頸的分度和沖程高度所改變的運動聯系只需通過調用儲存在CNC控制系統里的相應程序參數來實現。因此，對曲軸簇類不同品種間的輪翻生產，磨床所需的調整時間很短，只需（1-5）分鐘。而對于傳統的曲軸磨床，曲軸是通過偏心夾具進行夾緊，待加工的連桿頸繞其軸線回轉進行磨削，在進行不同品種的磨削時機床的調整時間就較長，往往需要1個多小時。修整CBN砂輪必須采用涂有多層金剛石顆粒的驅動式成型滾輪，通過NC軸以(2-5)mm的修整進給將砂輪修整到所要求的形狀。由于跟蹤磨削工藝具有高效、高精度和柔性等優點，目前已成為連桿頸磨削加工的主要工藝方法，并在曲軸生產廠中獲得愈來愈多的應用。