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大型曲軸磨床典型結構與（yǔ）先進的磨削工藝

2014-1-19 來源：常（cháng）州機電（diàn）職業技術學（xué）院作者：虞行國（guó）劉江

圖一

　　對於曲軸加工設（shè）備來講，磨床（chuáng）是使（shǐ）產品零件達到工藝要求的最（zuì）終加工機床（chuáng），固對其精度要（yào）求極高、複雜（zá）程度極難（nán）。對於工件長度超過6m,重量超過5t,工件的主軸頸和連杆頸粗糙度值要達到R a=0.4~0.6μm,主軸頸、連杆頸直徑公差在0.008mm,主軸（zhóu）頸和連杆頸直線度在0.01 / 200 mm,連杆頸圓柱度0.015 mm,連杆頸分度±15′的技（jì）術（shù）要求並且加工不同角度和不同偏心量的連杆頸磨削的大型曲軸磨床，其要求就更高了。

　　根據目前現有設備狀況和加（jiā）工工藝，曲軸在磨床上的加工是分（fèn）兩步執行的，也就是說加工磨（mó）削主軸頸和連杆頸是由兩種機型分開實施的，這主要是受到設備結構的限製和約（yuē）束。一般（bān）磨削主軸頸選擇在大型的普（pǔ）通外圓磨床進行，曲軸依靠外圓磨（mó）床的頭架單驅動，在二頂尖和中心架的支撐（chēng）下（xià）逐步對主軸頸進行（háng）磨削。在磨削主軸頸的過程中，產品的尺寸精度和技術要求都由人工直接幹預。特別是對中心架兩個方向支撐力量的控製（zhì），這就要看（kàn）操作工人的熟練（liàn）掌握程度，但要長（zhǎng）期依靠人為因素（sù）來保證質量穩定是難以做到的，也是不科學的（de）。如圖1所示，在加工（gōng）磨（mó）削連杆頸直徑時，是選擇專（zhuān）用的曲軸磨床來進行加（jiā）工的。這種曲軸磨床的頭尾座卡盤是可以以頭尾座中心軸（zhóu）線為基準，按照曲軸主軸頸和連杆頸（jǐng）的衝程（chéng）偏心（xīn）量進行（háng）調整，使頭尾座卡盤（pán）夾持連（lián）杆頸的中心圍（wéi）繞頭尾座主軸的旋轉中心，對連杆頸直徑進行磨削加工。如圖2所示。

　　因為曲軸技術設（shè）計的原因，它在長度質量分配上存在著比較大的偏心，如果不采取措施，曲軸在加工旋轉中會出（chū）現運轉不均勻的現象並產生有離（lí）心力狀況，這樣（yàng）磨削加工的表麵粗糙度肯定會受到影響。所以在機床的（de）頭尾座後側都（dōu）配製了配重裝置，通過觀察頭尾座的驅動電動機電流的情況（kuàng）進行調整，從而可以改善和（hé）均衡（héng）頭尾（wěi）座的旋轉穩定性。因為曲軸本身結構的原因，在頭尾座（zuò）同時夾緊（jǐn）曲軸兩頭時，頭（tóu）尾座在旋轉時不同步就會造成曲軸的（de）扭曲而影響加工精度。目（mù）前為了保證頭尾（wěi）座的同步，曲軸（zhóu）磨床頭尾座（zuò）的傳動方式有兩種，一是通過同步軸傳遞，即頭座作為主傳動經過一係列的傳動鏈傳遞到尾座（zuò），使它們實現曲軸磨（mó）床的頭尾座卡盤同步，保證曲軸在運轉過（guò）程中不造成扭曲的（de）現象。這種傳遞的方式製造成本低（dī），但不可避免地存在機械（xiè）傳動鏈過長有間隙和磨損的現象，給調整（zhěng）帶來（lái）諸多的不便。另一種（zhǒng）是利用（yòng）頭尾（wěi）座旋轉作為兩軸，采用數控同步技術，使頭尾座在旋轉（zhuǎn）的過程中旋轉誤差達到（dào）最小。有的在采用了頭（tóu）尾座旋轉作為兩軸的數控同步技術的（de）製造廠家，為了防止因設備故障和（hé）突然停電造成頭尾座失步，使設備損壞以及造成產品的報廢（fèi），把砂輪電動機作為突然停電後的大直徑砂輪的慣性當作發（fā）電機使用，把發出的電提供給頭尾座電動機作為臨時電源，臨時保證頭尾座能夠在短時間內（nèi）有旋轉的空間防止故障的（de）擴大。同時為防止頭（tóu）尾座（zuò）電（diàn）器係統本身的故障而引起失步，在頭尾座機械部分（fèn）設計有（yǒu）超越離（lí）機構作為保護裝置，在實際運行（háng）中因（yīn）頭座調速係（xì）統模板故障造成頭（tóu）尾座失步3°，正因為在（zài）該裝置的作用下（xià）防止（zhǐ）故障進一步（bù）擴大（dà）和保全近30萬元的工件報廢。

圖二

　　曲軸屬於細長軸（zhóu）零件，在加工時會形成中間下垂的情況，有的廠家為了克服這種狀態在機床（chuáng）設計中加有機械、電氣、液壓測量等係統組成（chéng）的曲軸防下垂吊係統。圖3、圖4所示就是該裝置的外形，這個裝置在機床數控係（xì）統中設置為第三軸，它的防曲軸下垂吊力由液壓比例閥控製，保持和頭尾座旋轉角度的同步。

圖（tú）三

圖四

　　隨著數控技術的發展（zhǎn），機床功能部件水平的提高，目前國外已經發展出一（yī）種隨動磨削曲軸的（de）新設備新工藝，它隻要在同一台機床上通過（guò）一次夾裝就可以（yǐ）同（tóng）時磨削加（jiā）工曲軸主軸頸和連杆頸，而不需要再用兩（liǎng）台（tái）設（shè）備依次分別對曲軸主軸頸和連杆頸進行磨削。

　　圖5是該設備基本結構和加工工藝布置的示意圖。該設備在電氣係統上設（shè）計成全（quán）數控控製、全閉環反饋測量的控製模式，在機械設計上打破傳統磨床（chuáng）的結構分布，把原來頭尾座和工件Z 軸移動更改為砂輪架移動而頭尾座及工件固定不動，因而床（chuáng）身長度就可以設計較短。由於采用了X 軸橫向滑台原理，這樣就（jiù）可以克服和消除（chú）因工件移動而造成的機床變形等諸多因素，並且還增強了機床（chuáng）的剛性。固定工件的工作台（tái）台麵（miàn）設計成向（xiàng）砂輪（lún）架方向（xiàng）傾斜（xié） 20°，以便於（yú）冷卻液方便排（pái）泄帶走大量的磨削顆粒，保證了機床（chuáng）的熱穩定性和工件因工作台傾斜 20°的設計而使頭尾座能在固定工件的工（gōng）作台台麵上安全夾（jiá）緊。因設計結構的不同（tóng），從而磨削方法（fǎ）也不同於一般的傳統（tǒng）曲軸磨床，它的主軸頸（jǐng）磨削采用切入式磨削法，連杆頸的磨削是采用切入式隨動磨削法。圖6、圖7是隨動磨削法的曲軸與砂（shā）輪運動的軌跡示意圖。

隨動磨削法的公式：

式中 X --砂輪（lún）架橫向滑台移動軸；C--頭尾座工件夾持旋轉軸。

　　采用隨動磨削法是比較先（xiān）進的加（jiā）工方法，但是它對設備有（yǒu）更高的要求，特（tè）別是對硬件和軟件相互之間的關係更為（wéi）密切配合。隨動磨削（xuē）法實際上是涉及到曲軸旋轉位置與砂輪架直線運動二者之間的相互（hù）關係，它的關（guān）鍵在於：

　　（1）C 1、C 2和X 1必須保持同步。就是頭座C 1和尾座C 2夾持曲軸（zhóu）二端頭，偏心於主軸頸（jǐng）的連杆頸中心線，圍繞C 1、C 2旋轉軸（zhóu）線的運動軌跡，與X 1軸砂輪架橫向滑台直線移動的前（qián）後運動的距（jù）離關係，始終要使連杆頸的外徑在360°的任何角（jiǎo）度上要（yào）與砂輪的外（wài）圓保持相切位置。

　　（2）機械傳動鏈的精度（dù）、光柵反饋（kuì）係統的（de）精度、在線測（cè）量係統的精度。

　　（3）開發的隨動磨削應用（yòng）軟件合（hé）理和實用性等。

以上問題將直接影（yǐng）響到磨削加工的精度，為此，機床廠家在X 砂輪架橫向滑台（tái）移動軸上（shàng），設計成剛性好、吸振性好、精（jīng）度高的靜壓閉式導軌係統。X 軸驅動采用定位重複性好和傳動間隙小的非機械傳動的（de）直線電動機消除間隙方法。X 軸定位用直線光柵尺進行精確。

　　頭（tóu）座C 1和尾（wěi）座C 2采用水冷扭矩電動機直接驅動（dòng）工件，高分辨率圓光柵消除機械傳（chuán）動的間隙（xì），防止在磨削時的頭尾座在旋轉時（shí）有上下死點的出現，並保持同步和恒線速度磨削（xuē）。采取這些措施從而在理論上可以保證磨削連杆頸的圓度達到0.005mm和表麵粗（cū）糙度的要求。同時為了提高砂輪主軸轉速來提升砂輪線速度，普通砂輪磨（mó）削圓周（線）速度（dù）可達45m/s,電動（dòng）機主軸驅動功率（lǜ）達到78kW,對砂輪主軸（zhóu）箱（xiāng）的結構也進行了優化，如（rú）圖8、圖9所示。把原先的圓桶形軸瓦支撐更改為高精度（dù）的無需保（bǎo）養的陶瓷球（qiú）軸承結構。為了提高砂輪主軸的精度還（hái）配製了帶砂輪自動平衡係統（意大利MARPOSS製造），與砂輪主軸為一體，並帶有超聲波間隙控製係統（噪聲（shēng）控製）作為防止砂（shā）輪碰撞工件的保護裝置（zhì）。為了使工件在機（jī）床上（shàng）加工找正方便，還設計有曲軸防下垂補償功能，曲（qǔ）軸（zhóu）的（de）下垂可通過一個安裝在砂輪頭架（jià）上預先設定中心的測（cè）量頭係統，來檢測曲軸的實際位置，與原設定中心進行比（bǐ）較後，通過數控係統對數控中心（xīn）架進行控製補償。如圖10所示。

為了提（tí）高砂輪主軸的精（jīng）度還配製了（le）帶砂輪（lún）自動平衡按每個操作命令實現往複（fù）運動（dòng），以測量垂直麵（miàn）中心高。對每個加工後的曲軸頸外（wài）圓進行多次（cì）測量，直至采用了足夠數量的中心架，如圖11所示。在全自動磨削時保（bǎo）證曲軸頸直徑的一致（zhì），還配製在線直徑測量（liàng）頭，裝在砂輪頭座（zuò）上，可自動擺入和擺出（chū）。測量頭始終跟隨連杆（gǎn）軸頸作回轉運動並具備自動圓度檢測，該裝置能夠識別和顯（xiǎn）示采用切入式方法的圓度偏差，將橢圓度與圓度測量機床的測（cè）量結果進行（háng）比較，並直接對機床（chuáng）控製進（jìn）行數據（jù）修正，並以人機（jī）友好的方式運行，能快速給出與圓度有關的機床參數的最佳值。在生產（chǎn）過（guò）程中可以對圓度進行常規檢測，可（kě）以節省測量的時間。全部功能和顯（xiǎn）示都集成在機床的控製（zhì）係統中。

　　在目前國內的磨床製造廠家中，還沒（méi）能真（zhēn）正生產出大型的采用隨動磨削結構的設備，以及大型曲軸進行隨動磨削的工藝技術。這有待（dài）於我們（men）工（gōng）作在設備（bèi）係統的全體科研人員共同努力，不斷地對數控係統（tǒng）軟件的開發、機床（chuáng）功能配套部件的研發升級。隻有整體（tǐ）製造水平的提高，設備製造理念的更新，才能（néng）與國外僅有的（de）幾家生產隨（suí）動磨削設備的廠家競爭叫板。

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