曲軸連桿頸跟蹤磨削工藝

    曲軸是發(fā)動(dòng)機(jī)的關(guān)鍵件之一，零件結(jié)構(gòu)復(fù)雜，生產(chǎn)批量大（在中、小批量生產(chǎn)中需進(jìn)行多品種輪翻生產(chǎn)），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(duì)曲軸磨床提出了很高的要求�，F(xiàn)代曲軸磨床除了要有很高的靜態(tài)、動(dòng)態(tài)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(wěn)定的加工精度，為此，對(duì)曲軸磨床的工序能力系數(shù)規(guī)定了Cp=1.67，這意味著要求曲軸磨床的實(shí)際加工公差要比曲軸給定的公差小一半。

    現(xiàn)代驅(qū)動(dòng)和控制技術(shù)，測量控制，CBN（立方氮化硼）砂輪和先進(jìn)的機(jī)床部件的應(yīng)用，為曲軸磨床的高精度、高效磨削加工創(chuàng)造了條件。

    一種稱之為連桿頸跟蹤磨削工藝（圖1）正是體現(xiàn)了這些新技術(shù)綜合應(yīng)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(duì)連桿頸進(jìn)行跟蹤磨削時(shí)，曲軸以中間軸頸為軸線進(jìn)行旋轉(zhuǎn)，并在一次裝夾下磨削連桿頸。在磨削過程中，磨頭實(shí)現(xiàn)往復(fù)擺動(dòng)進(jìn)給，跟蹤著偏心回轉(zhuǎn)的連桿頸進(jìn)行磨削加工。

    實(shí)現(xiàn)跟蹤磨削，X軸除了必須具有高的動(dòng)態(tài)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(zhuǎn)速Nw：60r/min

    磨削時(shí)間Tc:12min

    X軸必需具有的動(dòng)態(tài)性能

    X軸的速度Vmax：約28m/min

    X軸的加速度Amax：約3m/s²

    連桿頸

    跟蹤磨削的運(yùn)動(dòng)原理（Naxos)a-C軸的旋轉(zhuǎn)方向：b-X軸的往復(fù)擺動(dòng)運(yùn)動(dòng)（跟蹤運(yùn)動(dòng)）：c- 沖程偏移；d-C軸不同位置時(shí)的砂輪；Dh-連桿頸直徑；Rh-沖程半徑；Ds-砂輪直徑。 

    CBN砂輪的應(yīng)用是實(shí)現(xiàn)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(yùn)動(dòng)學(xué)方面的繁瑣計(jì)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(dá)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(dāng)于我國的QT70-2），硬度為HRC35，磨削余量為0.25mm的曲軸時(shí)，采用的砂輪圓周速度高達(dá)165m/s，從而大大縮短了磨削加工的基本時(shí)間。這種圓周速度實(shí)際上已達(dá)到了銑削加工材料的切除率，而常規(guī)的砂輪是不可能達(dá)到這樣的加工效率的。這特別對(duì)于有著較高軸肩的載重汽車的大型曲軸，在磨削時(shí)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(huán)時(shí)間，大大提高了生產(chǎn)效率。

    CBN砂輪具有很高的刀刃強(qiáng)度和輪廓穩(wěn)定性，砂輪修整的間隔時(shí)間長，耐用度很高，從而減少了砂輪的更換次數(shù)。CBN砂輪價(jià)格昂貴，但由于加工效率和耐用度高，分?jǐn)偟矫總�(gè)工件上的刀具費(fèi)用反而比采用價(jià)格低廉的普通砂輪的要低，據(jù)德國Naxos磨床廠的資料，采用CBN砂輪加工時(shí)間通�？煽s短50%，而加工費(fèi)用可節(jié)約50%以上。

    應(yīng)指出的是，隨著高速磨削工藝的開發(fā)，CBN磨削工藝已從單純的精加工工藝演變?yōu)橐环N普通的加工工藝，采用CBN砂輪磨削工藝時(shí)，工件可以留有較大的加工余量，相繼實(shí)現(xiàn)粗磨和精磨。

    直線電機(jī)結(jié)構(gòu)原理圖 

    為能充分利用這種新工藝的潛力，現(xiàn)代磨床必須要具備較高的靜、動(dòng)態(tài)剛度和較高動(dòng)態(tài)性能，磨頭重量要輕，在它進(jìn)行往復(fù)擺動(dòng)實(shí)現(xiàn)跟蹤磨削時(shí)以便保持較小的運(yùn)動(dòng)質(zhì)量。并通過采用直線電機(jī)以提高磨頭的動(dòng)態(tài)性能。采用這種直接驅(qū)動(dòng)模式，免去了將常規(guī)的回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換為直線運(yùn)動(dòng)的傳動(dòng)組件，由此不僅消除了傳動(dòng)間隙和傳動(dòng)件誤差所造成的運(yùn)動(dòng)誤差，并顯著提高了軸的動(dòng)態(tài)性能和移動(dòng)速度。

    為了讓工件的轉(zhuǎn)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(zhuǎn)速度，這就意味著磨頭在以往復(fù)擺動(dòng)進(jìn)行跟蹤磨削時(shí)，磨頭需要有較高的往復(fù)擺動(dòng)速度，而采用常規(guī)的滾珠絲杠傳動(dòng)是難以實(shí)現(xiàn)的。 

    磨削時(shí)，磨頭以往復(fù)擺動(dòng)對(duì)連桿頸的跟蹤精度，要依靠對(duì)磨頭運(yùn)動(dòng)軸的計(jì)算、控制和監(jiān)控來保證，這就要求機(jī)床控制系統(tǒng)具有很高的計(jì)算效率和與機(jī)床的快速連接，為此，特別要求通過過程監(jiān)控來實(shí)現(xiàn)。

    為對(duì)連桿頸的尺寸和橢圓度精度進(jìn)行監(jiān)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(chǎn)中，為進(jìn)行曲軸不同品種的輪翻生產(chǎn)，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(shí)現(xiàn)曲軸簇類不同型號(hào)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(shí)現(xiàn)對(duì)以180°、72°和120°分布的4、5和6缸曲軸不同數(shù)量的連桿頸進(jìn)行磨削加工，而不需要進(jìn)行任何機(jī)械調(diào)整。不同的夾緊長度可以通過NC工件頭架和可移動(dòng)的尾座來達(dá)到，連桿頸的分度和沖程高度所改變的運(yùn)動(dòng)聯(lián)系只需通過調(diào)用儲(chǔ)存在CNC控制系統(tǒng)里的相應(yīng)程序參數(shù)來實(shí)現(xiàn)。因此，對(duì)曲軸簇類不同品種間的輪翻生產(chǎn)，磨床所需的調(diào)整時(shí)間很短，只需（1-5）分鐘。而對(duì)于傳統(tǒng)的曲軸磨床，曲軸是通過偏心夾具進(jìn)行夾緊，待加工的連桿頸繞其軸線回轉(zhuǎn)進(jìn)行磨削，在進(jìn)行不同品種的磨削時(shí)機(jī)床的調(diào)整時(shí)間就較長，往往需要1個(gè)多小時(shí)。

    修整CBN砂輪必須采用涂有多層金剛石顆粒的驅(qū)動(dòng)式成型滾輪，通過NC軸以(2-5)mm的修整進(jìn)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(yōu)點(diǎn)，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(chǎn)廠中獲得愈來愈多的應(yīng)用。