曲軸止推面磨削燒傷工藝分析

曲軸止推面一個顯著特點就是其接觸面積比其他軸頸側(cè)面大很多，各項精度要求也很高。目前，止推面磨削燒傷是曲軸生產(chǎn)中普遍存在的缺陷。
    曲軸是發(fā)動機中的重要零件之一。其形狀特殊、又細又長，所用材料加工性能差，加工工藝繁多。如圖1所示為某轎車發(fā)動機曲軸的設(shè)計圖。

圖1 某轎車發(fā)動機曲軸

    從圖1中可以看出，止推面（止推軸頸和寬度）的顯著特點就是接觸面積大，各項加工精度要求高。隨著加工精度要求的不斷提高，止推面的磨削燒傷成為了普遍存在的缺陷，尤其是在成形磨削過程中。磨削燒傷破壞了表層金相組織，使表層金屬強度和硬度降低，嚴(yán)重影響了止推面的耐磨性和曲軸使用壽命。
    止推軸頸的圓跳動對由兩端主軸頸組成的公共軸線的圓跳動公差為0.04，對相鄰兩軸頸的圓跳動公差為0.02；止推頸寬度為260+0.05mm；止推面左側(cè)面要求對公共軸線的跳動公差0.02，垂直度公差0.01，平面度公差0.013；止推面右側(cè)面要求平面度公差要求外凸不超過0.005，內(nèi)凹不超過0.01；止推軸頸表面粗糙度Rz1.5μm，止推面表面粗糙度Rz3μm，止推軸頸的直徑為φ50mm，止推面外徑為φ85mm，其面積高達單側(cè)3 848mm2。在大批量生產(chǎn)的條件下，要想止推面（包括止推軸頸）達到如此高的精度，單靠普通的磨削工藝是很難實現(xiàn)，應(yīng)該使用高精度的數(shù)控磨床磨削，并且采用一系列的嚴(yán)格措施才能滿足圖紙要求。
    我公司在曲軸加工過程中，碰到了止推面磨削燒傷這樣的加工缺陷，雖然各方面尺寸和形狀位置公差達到了圖紙要求，但是曲軸止推面燒傷缺陷卻始終難以解決。通過調(diào)查研究，我們從理論和實踐兩個方面進行攻關(guān)，最終解決了這個問題。
磨削燒傷
    磨削表面質(zhì)量包括磨削表面粗糙度和磨削表面層的物理機械性能兩方面。因為磨削加工時磨粒對工件的作用包括滑擦、刻劃和切削，并且大多數(shù)磨粒是負前角和小后角，所以在整個磨削過程中，會產(chǎn)生大量的磨削熱，使磨削區(qū)的瞬時溫度可達1 000℃左右。這樣高的溫度會使工件表面層的金相組織發(fā)生變化，造成磨削燒傷。
    磨削燒傷會破壞曲軸止推面表層金相組織，使表層金屬強度和硬度降低，并伴有殘余應(yīng)力產(chǎn)生，甚至出現(xiàn)微觀裂紋，而使工件表面質(zhì)量惡化，嚴(yán)重地影響曲軸止推面的耐磨性和使用壽命。這種磨削燒傷在砂帶拋光時無法去除，因此必須避免磨削燒傷。
在磨削淬火鋼曲軸止推面時，可能產(chǎn)生以下3種燒傷：
1.回火燒傷
    如果磨削區(qū)的溫度未超過淬火鋼的相變溫度，但已超過馬氏體的轉(zhuǎn)變溫度，止推面表層金屬的回火馬氏體組織將轉(zhuǎn)變成硬度較低的回火組織（索氏體或托氏體），這種燒傷稱為回火燒傷。
2.淬火燒傷
    如果磨削區(qū)溫度超過了相變溫度，再加上冷卻液的急冷作用，表層金屬發(fā)生二次淬火，使表層金屬出現(xiàn)二次淬火馬氏體組織，其硬度比原來的回火馬氏體的高，在它的下層，因冷卻較慢，出現(xiàn)了硬度比原先的回火馬氏體低的回火組織（索氏體或托氏體），這種燒傷稱為淬火燒傷。
3.退火燒傷
    如果磨削區(qū)溫度超過了相變溫度，而磨削區(qū)域又無冷卻液進入，表層金屬將產(chǎn)生退火組織，表面硬度將急劇下降，這種燒傷稱為退火燒傷。在曲軸成形磨削中，多屬于此種燒傷。
改善磨削燒傷的途徑
    磨削熱是造成磨削燒傷的根源，故改善磨削燒傷有兩個途徑：一是盡可能地減少磨削熱的產(chǎn)生；二是改善冷卻條件，盡量使產(chǎn)生的熱量少傳入工件。
1.有沉割槽的曲軸止推軸頸
    在圖2中，曲軸止推軸頸有較深的沉割槽，而沉割槽已在以前工序加工好，在磨削時不用磨削沉割槽，只需磨削止推軸頸和兩個止推面。在這種情況下，即使是使用成形砂輪磨削，只要使用強力冷卻、合理的磨削余量和選擇好砂輪參數(shù)，一般情況下可以避免磨削燒傷缺陷的出現(xiàn)。在使用窄砂輪磨削止推軸頸時，可采用的方案是：調(diào)整程序和砂輪的角度磨削，使砂輪從軸頸的右側(cè)以斜切方式進入，磨削至要求尺寸，再快速沿原角度方向斜退出；使砂輪從軸頸的左側(cè)以斜切方式進入，磨削至要求尺寸，再快速沿原角度方向斜退出；使砂輪從軸頸的中間快速切入磨削至要求尺寸，再快速退出。在上述磨削時，要應(yīng)用強力冷卻。至此，止推軸頸及兩側(cè)面磨削完畢。

圖2 曲軸止推軸頸帶有沉割槽

2.無沉割槽的曲軸止推軸頸
    圖3所示曲軸止推軸頸無沉割槽，在磨削時需磨削止推軸頸和兩個止推面，另外還有兩個成形圓角。在這種情況下，即使是使用窄砂輪磨削，使用強力冷卻，也很難避免磨削燒傷缺陷的出現(xiàn)。下面分兩種磨削方式來分述解決方案：

圖3 曲軸止推軸頸不帶沉割槽

（1）成形磨削。在成形磨削中，其產(chǎn)生燒傷的主要原因是磨削熱的大量積累和冷卻液無法進入而造成的退火燒傷，退火燒傷造成曲軸止推面硬度下降，表層產(chǎn)生退火組織，止推面的耐磨性變差，嚴(yán)重影響發(fā)動機的運行穩(wěn)定性。根據(jù)其造成燒傷的主要因素，我們分別從3個方面入手：選擇合適的砂輪、選擇合理的磨削余量和改善冷卻條件。
①選擇合適的砂輪。淬火鋼曲軸止推面硬度高、面積大，砂粒易磨鈍。為了避免砂粒磨鈍而產(chǎn)生大量磨削熱，砂輪硬度宜選軟些，以便磨鈍的砂粒及時脫落，保持砂輪的自銳性。組織較軟的砂輪氣孔多，其中可以容納切屑，避免砂輪堵塞，又可將冷卻液或空氣帶入磨削區(qū)域，從而使磨削區(qū)域溫度降低。
    在保證曲軸止推面粗糙度要求的前提下，宜選擇較粗粒度的砂輪，以達到較高的去除比率；另外，砂輪必須精細地平衡，以便砂輪工作時處于良好的平衡狀態(tài)；砂輪必須及時修整以保持其鋒利；影響砂輪修整頻次的因素很多，包括被磨材料的純度和類型、冷卻液的凈度等；修整砂輪的金剛石支座必須牢固，若金剛石表面上有0.5～0.6mm的磨損量，標(biāo)志金剛石已磨鈍了，應(yīng)及時更換；嚴(yán)格控制砂輪傳動系統(tǒng)及砂輪心軸的間隙；砂輪傳動帶松緊調(diào)整合適。
②選擇合理的磨削余量和磨削參數(shù)。在生產(chǎn)實踐中，常以提高工件速度，減少徑向進給量來減少工件表面燒傷和裂紋。有一種經(jīng)驗為0.1mm磨削法，即在最后加工的0.1mm余量中，逐漸減少進給量，可以去掉前兩次磨削行程中產(chǎn)生的表面損傷層，以減少磨削燒傷。
    根據(jù)以上理論，我們在生產(chǎn)實踐中采用曲軸止推軸頸多工序磨削，分為粗磨、半精磨和靜磨等工序。經(jīng)過多工序磨削后，曲軸止推軸頸直徑余量為0.15～0.25mm，止推面單邊余量為0.04～0.07mm，成形磨削再配以強力冷卻等措施，可有效避免燒傷缺陷的產(chǎn)生。值得一提的是，選擇合理的磨削余量，還可以防止止推面出現(xiàn)喇叭口形狀（因防止燒傷，一般選擇較軟的砂輪，余量太大，磨粒脫落較塊，容易出現(xiàn)錐面）。
③改善冷卻條件，實施強力冷卻。冷卻液必須有效充分，冷卻液必須噴到磨削區(qū)域；流量一般為40～45L/min，以實現(xiàn)充分冷卻；壓力一般為0.8～1.2N/mm2，以沖去粘在砂輪上的切屑；保持冷卻液的純凈，妥善地過濾，以清除冷卻液的切屑、磨粒等臟物；冷卻液的容器要足夠大，以免摻入過多的氣體或泡沫；防止冷卻液的溫度急劇升高或降低，一般控制冷卻系統(tǒng)的容積和工作間的室溫，就足以控制冷卻液的溫度，然而在特殊儲況下應(yīng)當(dāng)使用散熱器。
（2）窄砂輪磨削（砂輪寬度低于止推軸頸檔寬尺寸）。在使用窄砂輪磨削中，成形磨削采用的防燒傷措施均可應(yīng)用于此種方法的磨削，只不過窄砂輪磨削在砂輪進給方式上可有更多的選擇。一種是徑向切入法磨削，此種磨削如調(diào)整不當(dāng)可造成前文所述的喇叭口形狀；另一種是斜切方式磨削，第一步，使砂輪從軸頸的右側(cè)以斜切方式進入，磨削至要求尺寸，再快速沿原角度方向斜退出；第二步，使砂輪從軸頸的左側(cè)以斜切方式進入，磨削至要求尺寸，再快速沿原角度方向斜退出；第三步，使砂輪從軸頸的中間快速切入磨削至要求尺寸，再快速推出。其工序磨削余量和冷卻方式與成形磨削采用一致的參數(shù)。
結(jié)束語
    在借鑒國內(nèi)外相關(guān)資料的基礎(chǔ)上，本文結(jié)合生產(chǎn)實踐提出了解決曲軸止推面磨削燒傷的辦法，對提高產(chǎn)品質(zhì)量，優(yōu)化工藝參數(shù)有一定的幫助。