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大型曲軸磨床典型結構與先進的磨削工藝

2014-1-19 來（lái）源：常州（zhōu）機電職業技術學院作者：虞行國劉江

圖一（yī）

　　對於曲軸加工（gōng）設備來講，磨床是使產品零（líng）件達到（dào）工藝要求的最終加工機床，固對其精度要求極高、複雜程度極難。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（dù）值（zhí）要（yào）達到R a=0.4~0.6μm,主軸頸、連杆頸直徑公（gōng）差在0.008mm,主軸頸和連杆頸直（zhí）線度在0.01 / 200 mm,連杆（gǎn）頸圓柱度0.015 mm,連杆頸分（fèn）度±15′的技術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（mù）前現有設備狀況和加工工藝，曲軸在磨床上（shàng）的加工是分兩步執行的，也就（jiù）是說加工磨削主軸頸和連杆頸（jǐng）是由兩種機型分開實施的，這主要是受到設（shè）備結構的限（xiàn）製和約束。一般磨削主軸頸選擇在大型的普通外圓磨床（chuáng）進行，曲軸依靠外圓磨床的頭架單驅動，在二頂尖和中心架的支撐下逐步對主（zhǔ）軸頸進行（háng）磨削。在磨削主軸頸的過程中，產品的尺寸（cùn）精度和技術要求都由人工直接幹（gàn）預。特別是對中心架兩個方向支撐力量的控製，這就要看操（cāo）作工人的熟練掌握程度，但要長期依靠人為因素來（lái）保證質量穩定是難以做到的，也是不科學的。如圖1所示，在加工磨削連杆頸直徑時，是選擇（zé）專用的曲（qǔ）軸磨床來進行加工的。這種曲軸磨床的頭尾座卡盤是可以以頭尾座中心軸線為基準，按照（zhào）曲軸主軸頸和（hé）連（lián）杆頸的衝程偏心量進行調整，使頭尾座卡（kǎ）盤夾持連杆（gǎn）頸的中心圍繞頭尾座主軸的旋轉中心，對連杆頸直（zhí）徑（jìng）進行（háng）磨（mó）削加工。如圖2所示。

　　因為曲軸技術設計的原因，它在長度（dù）質量分配上存在著比較大的偏心，如（rú）果不（bú）采取措施，曲軸在加工旋轉中會出現運轉不均勻的現象並產生有離心力狀（zhuàng）況，這樣磨（mó）削（xuē）加工的表麵粗糙度（dù）肯定會受到影響。所（suǒ）以在機床的頭（tóu）尾座後側（cè）都配製了配（pèi）重裝置，通過觀察頭尾座的驅動電動機電流（liú）的（de）情況進行調整，從而可（kě）以改善和均衡頭尾（wěi）座的旋（xuán）轉穩定性。因為曲軸（zhóu）本身結構的原因，在（zài）頭（tóu）尾座同時夾緊曲軸兩頭時，頭尾（wěi）座在旋轉時不（bú）同步就會（huì）造成曲軸的扭曲而影響加工精度。目前為了（le）保證頭尾座的同步，曲軸磨床頭尾座的傳動方式有兩（liǎng）種，一是通過同步軸傳遞，即頭座（zuò）作為主傳動經（jīng）過一係（xì）列的傳動鏈傳遞（dì）到尾座，使它們實現曲軸磨床的頭尾座卡盤同步，保證曲軸在運轉過程中不造成（chéng）扭曲的現象。這種傳遞（dì）的方式製造成本低，但不可避免地存在機械（xiè）傳動鏈過長有間隙（xì）和磨損的現象，給調整帶來諸多的不便。另一種（zhǒng）是利用（yòng）頭（tóu）尾座旋轉（zhuǎn）作為兩軸，采用數控同步技術，使（shǐ）頭尾座在旋轉（zhuǎn）的過程中（zhōng）旋轉誤（wù）差達到最小。有的在采用了頭尾座旋轉作為兩軸的數控同步技術的製造廠家，為了防止因設備故障和突然停電造成頭尾座失步，使設備損壞以（yǐ）及造成產品的報廢，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電機使用，把發出的電提供（gòng）給頭尾座電（diàn）動機（jī）作為臨（lín）時電源，臨時保證頭尾座能夠在短時間內有（yǒu）旋轉（zhuǎn）的空間（jiān）防止故障的擴大。同時為防止頭尾座電器係統本身（shēn）的故障而引起失步，在頭尾座機（jī）械部分設計有超越離機構作為保護裝置，在實際運（yùn）行中因頭（tóu）座調速係統模板故障造成頭尾座失（shī）步3°，正因為在該裝置的作用下防止故障進一步擴大和保全近30萬元（yuán）的（de）工件報廢（fèi）。

圖二

　　曲軸屬於（yú）細長軸零件，在（zài）加工時會（huì）形成中間下垂的情（qíng）況，有的廠家為了（le）克服這種狀態（tài）在機（jī）床設計中加有（yǒu）機械（xiè）、電氣（qì）、液壓（yā）測量等係統（tǒng）組成的曲軸防下垂吊係統。圖3、圖4所（suǒ）示就是該裝置的（de）外形，這個裝置（zhì）在機床數控係統中設置為第三軸，它的防曲軸下垂吊（diào）力由液壓比例閥控製，保（bǎo）持和頭尾座旋轉角度的同步。

圖（tú）三

圖四

　　隨著（zhe）數控技術（shù）的（de）發展，機床功能部件水平的提高（gāo），目（mù）前國外已經發展出一種隨動磨削（xuē）曲軸的新設備新工藝（yì），它隻要在同一台機床上通過一次夾裝就可（kě）以（yǐ）同時磨削加工曲軸主軸頸和連杆頸，而不需要（yào）再用兩（liǎng）台設（shè）備依次分別對曲軸主軸頸和連杆頸進行（háng）磨削。

　　圖（tú）5是該設備基本結構和加工工藝布置的示意（yì）圖。該（gāi）設備在電氣係統上設（shè）計成全數控（kòng）控製（zhì）、全閉環反（fǎn）饋測量的控製（zhì）模式，在機（jī）械設計上打破（pò）傳統磨床的結構分布，把原來頭尾座和工件Z 軸移動更改為砂輪架移動而頭（tóu）尾座及工件固定不動，因而床身長度就可以設計較短。由於采用了X 軸橫向（xiàng）滑台原理（lǐ），這樣就可以（yǐ）克（kè）服（fú）和消除（chú）因工件移動而造成的機（jī）床變形等諸多因素，並且（qiě）還增強（qiáng）了機床的剛性。固定工件（jiàn）的工作台台麵設計成向砂輪架方（fāng）向傾斜 20°，以便於冷卻液方便排泄帶走大（dà）量的磨削顆粒，保證（zhèng）了機床的熱穩定性和（hé）工件因工作台傾斜 20°的設（shè）計而使頭尾座能在固定工件的工作台台麵上安全夾緊。因設（shè）計結構的不同，從而磨削方法也（yě）不同於一（yī）般的傳統曲軸磨床，它的主軸頸磨削采用切入式磨削（xuē）法，連杆頸的（de）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（yǔ）砂輪運動的軌跡示意圖。

隨動磨削法的公式：

式中 X --砂輪架橫向滑（huá）台移動（dòng）軸；C--頭尾座工件（jiàn）夾持（chí）旋轉軸。

　　采用隨動磨削法是比較（jiào）先進的加工方法，但是它對設備有更高的要求，特別是對硬件和軟件相互（hù）之間的關係更為密切配合。隨動磨削法實際上是涉及到曲軸旋轉（zhuǎn）位置與砂輪架直線運動二（èr）者之間的相互關係，它的關鍵在於：

　　（1）C 1、C 2和X 1必須保（bǎo）持同步。就是頭座C 1和尾座C 2夾持曲（qǔ）軸二端頭，偏心於主軸頸的連杆頸中心線，圍（wéi）繞C 1、C 2旋轉軸（zhóu）線的運（yùn）動軌跡，與X 1軸砂輪架橫向（xiàng）滑台直線移動的前後（hòu）運（yùn）動的距離關係（xì），始終要使連杆頸的（de）外徑在360°的任何角度上要與砂（shā）輪的外圓保持相切位置。

　　（2）機（jī）械傳動鏈（liàn）的精度、光柵反饋係統的精度、在（zài）線測量（liàng）係統（tǒng）的精（jīng）度。

　　（3）開發的隨動磨（mó）削應用軟件合理和實用性等。

以上問（wèn）題將直接影響到磨（mó）削加工的精度，為此（cǐ），機（jī）床廠家在X 砂輪架橫向滑台移動軸上，設計成剛性好（hǎo）、吸振性（xìng）好、精度高的靜壓（yā）閉式導軌係（xì）統。X 軸驅動采用定（dìng）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（xiāo）除間（jiān）隙方法。X 軸定位用直線光柵尺進行精確。

　　頭座（zuò）C 1和尾座C 2采用水（shuǐ）冷扭（niǔ）矩（jǔ）電動機直接驅動工件，高分辨率圓光柵消除機械傳動的間隙，防止在磨削時的（de）頭尾座在（zài）旋轉時有上下死點的出現，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（kě）以保證磨削連杆頸的（de）圓度達到0.005mm和表麵粗糙度的要求。同（tóng）時為了提高（gāo）砂（shā）輪主軸轉（zhuǎn）速來提升砂輪線速度，普通砂輪磨削圓周（線）速（sù）度可達（dá）45m/s,電動（dòng）機主（zhǔ）軸驅動功率達到78kW,對砂輪主軸箱的（de）結構也進行了優化，如圖8、圖9所示。把原先的圓桶形軸瓦支（zhī）撐更改為高精度的無需保養的陶瓷球軸承結構。為了提（tí）高砂輪（lún）主（zhǔ）軸的（de）精度還配製了帶砂輪自動平衡（héng）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（噪聲控（kòng）製）作（zuò）為防止砂輪碰撞工件的保護裝置。為了使工件在機床上加工找正方便，還設計有曲軸防下垂補償功能，曲軸的下垂可通過一個安裝在砂（shā）輪頭架上預先設定中心的測量頭（tóu）係統，來檢測曲軸的實際位置，與原設定中心進行比較後，通過數控係統對數控中（zhōng）心架進行控製補償。如圖10所示。

為了提高砂輪主軸的精度還配製了帶砂輪自動平衡按每個操作命令實現往複運動，以測量垂直麵中心高。對每個加工（gōng）後的（de）曲軸頸外圓進行多（duō）次測量，直至采用（yòng）了（le）足夠數量的中心（xīn）架，如圖11所示。在全自動磨削時保證曲軸（zhóu）頸直徑的一致，還配製在線直徑測量頭，裝在砂輪（lún）頭座上，可自動擺入和擺出。測量頭始終跟隨連杆軸頸作回（huí）轉運動並具備自動（dòng）圓度檢測，該裝置能夠識別（bié）和顯示采用切（qiē）入式方法的圓度偏差，將橢圓度與圓度測量機床的測量（liàng）結果進行比較，並（bìng）直接對機（jī）床控製進行數據（jù）修正，並以人機友好的方式運行，能快速給出（chū）與圓（yuán）度有關的機床參數的最佳值。在（zài）生產過程中可（kě）以對圓度進行常規檢測，可以節省測量（liàng）的時間。全部功能和顯（xiǎn）示都集（jí）成在機床的控製係統中（zhōng）。

　　在目前國內的磨床製造廠家中，還沒能真正生產出大型（xíng）的采用隨動磨削結構的設備（bèi），以及大型（xíng）曲軸進行隨動磨削的工藝技術。這有待於我們工（gōng）作在設備係統的全體（tǐ）科研人（rén）員共同努力（lì），不斷（duàn）地對數控係統軟件（jiàn）的開發、機床功能（néng）配套部件的研發升級（jí）。隻有整體製造水平的提高，設備製（zhì）造（zào）理念的更（gèng）新，才能與國外僅有的幾家生產隨動磨削設備（bèi）的廠家競爭叫板。

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