黃興紅 潘旭華 吳 興 黃文廣

(①浙江機(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)院，浙江杭州310053;②蘇州亞微精密機(jī)床廠，江蘇蘇州215021)

曲軸是汽車發(fā)動(dòng)機(jī)關(guān)鍵零件之一，其加工質(zhì)量直接影響發(fā)動(dòng)機(jī)的綜合性能和使用壽命。由于曲軸零件結(jié)構(gòu)復(fù)雜、加工精度要求高，如何提高曲軸零件的切削加工精度和加工效率是發(fā)動(dòng)機(jī)和汽車制造業(yè)亟需攻克的重大攻關(guān)課題。

國(guó)產(chǎn)曲軸磨床與汽車曲軸生產(chǎn)的高精度、高效率加工要求依然相去甚遠(yuǎn)。為此，已有部分企業(yè)從國(guó)外引進(jìn)了基于“兩軸聯(lián)動(dòng)切點(diǎn)跟蹤磨削”原理的數(shù)控高精度曲軸隨動(dòng)磨床，其加工精度可達(dá)0.005 mm，并可在一次裝夾條件下分別磨削主軸頸和連桿頸，從而也較大程度地提高了加工效率和相對(duì)位置精度。

但是，研究表明，兩軸聯(lián)動(dòng)切點(diǎn)跟蹤磨削方法存在以下技術(shù)缺陷［1-2］:

(1)連桿頸表面各點(diǎn)磨削時(shí)間不等。此種磨削方法在相同時(shí)間內(nèi)切點(diǎn)在連桿頸表面所走過的弧長(zhǎng)是不相等的，這將導(dǎo)致在連桿頸上各點(diǎn)的磨除率也不相等，從而直接影響連桿頸表面的加工精度和表面質(zhì)量。

(2)砂輪架隨動(dòng)程序開發(fā)困難。為保證“隨動(dòng)”關(guān)系，當(dāng)連桿頸以等角速度轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，砂輪架必須沿水平方向移動(dòng)，砂輪架隨動(dòng)運(yùn)動(dòng)與曲軸轉(zhuǎn)動(dòng)的關(guān)系為非線性關(guān)系，隨動(dòng)運(yùn)動(dòng)即時(shí)參數(shù)的計(jì)算極為復(fù)雜，給機(jī)床數(shù)控系統(tǒng)專用程序開發(fā)造成了很大難度。同樣，由于砂輪的橫向進(jìn)給或補(bǔ)償與連桿頸直徑變化也呈復(fù)雜的非線性關(guān)系，使得砂輪架整體位置補(bǔ)償、連桿頸表面誤差補(bǔ)償?shù)染芗庸ぜ夹g(shù)在數(shù)控專用程序的開發(fā)上遇到了難以逾越的困難。

(3)無法用普通砂輪磨削。由于砂輪架隨動(dòng)運(yùn)動(dòng)與砂輪直徑直接相關(guān)，而砂輪直徑變化對(duì)連桿頸直徑的影響在各個(gè)位置又不盡相同。因此，砂輪的磨耗(直徑變小)不僅改變砂輪架的隨動(dòng)運(yùn)動(dòng)要求，而且在加工中很難用一個(gè)固定量或者確定的數(shù)學(xué)關(guān)系量對(duì)其進(jìn)行補(bǔ)償。這就使得這種機(jī)床只能使用價(jià)格極其昂貴的進(jìn)口CBN砂輪。

(4)曲軸的受力方向不斷變化，容易造成不確定系統(tǒng)性加工誤差。加工過程中不斷變化的受力情況容易導(dǎo)致曲軸零件的裝夾穩(wěn)定性差和不同方向的受力變形，從而影響加工精度。

綜合以上分析可知，兩軸聯(lián)動(dòng)切點(diǎn)跟蹤磨削方法不僅存在原理性加工誤差和不穩(wěn)定性，而且隨動(dòng)軸運(yùn)動(dòng)、砂輪磨耗、誤差補(bǔ)償?shù)葦?shù)控專用程序開發(fā)極其困難。

本文是基于課題組成員的多項(xiàng)國(guó)家發(fā)明專利，基于“三軸聯(lián)動(dòng)切點(diǎn)跟蹤”磨削原理，對(duì)汽車曲軸隨動(dòng)磨削技術(shù)進(jìn)行系統(tǒng)研究，力圖研制一種采用新型磨削原理和多種高新技術(shù)、可用普通砂輪磨削的汽車曲軸隨動(dòng)磨床。

1 三軸聯(lián)動(dòng)切點(diǎn)跟蹤隨動(dòng)磨削原理及其技術(shù)優(yōu)勢(shì)

1.1 三軸聯(lián)動(dòng)切點(diǎn)跟蹤隨動(dòng)磨削原理

此種方法磨削曲軸連桿頸時(shí)，砂輪主軸將隨著連桿頸位置的變化沿著水平和垂直兩個(gè)方向跟隨連桿頸同步運(yùn)動(dòng)，使砂輪與連桿頸中心連線始終處于水平位置(即Y軸進(jìn)給方向)上，并保證磨削點(diǎn)P與連桿中心之間的距離。從而使得曲軸在以主軸頸中心定位前提下，實(shí)現(xiàn)了連桿頸等同于普通外圓磨削的工藝方法。由于這種磨削方法要求砂輪架的水平移動(dòng)(Y軸)、垂直移動(dòng)(Z軸)與工件轉(zhuǎn)動(dòng)(θ軸)保持“隨動(dòng)”關(guān)系，故稱三軸聯(lián)動(dòng)切點(diǎn)跟蹤隨動(dòng)磨削法［3］(圖1)。

1．2 三軸聯(lián)動(dòng)切點(diǎn)跟蹤曲軸隨動(dòng)磨削運(yùn)動(dòng)模型

以曲軸中心為坐標(biāo)原點(diǎn)建立坐標(biāo)系，設(shè)連桿頸半徑為r，砂輪半徑為R，連桿頸偏心量為e，曲軸轉(zhuǎn)動(dòng)速度為ω1，砂輪中心坐標(biāo)為(Y，Z)，砂輪架隨動(dòng)轉(zhuǎn)速為ω2。根據(jù)曲軸和砂輪架的隨動(dòng)運(yùn)動(dòng)要求，則:

砂輪架的隨動(dòng)運(yùn)動(dòng)軌跡方程為:

上述運(yùn)動(dòng)模型表明，三軸聯(lián)動(dòng)切點(diǎn)跟蹤磨削原理中砂輪架的隨動(dòng)運(yùn)動(dòng)是一個(gè)與曲軸連桿頸完全同步的簡(jiǎn)單圓周運(yùn)動(dòng)。雖然其軌跡方程與砂輪和連桿頸半徑有關(guān)，但由于磨削時(shí)切點(diǎn)始終位于砂輪與連桿頸中心的水平連線上，與普通外圓磨削無異，砂輪磨耗或修整，乃至連桿頸實(shí)測(cè)的圓度誤差都可以通過砂輪架額外的水平移動(dòng)(Y軸方向)予以補(bǔ)償，因而極大地簡(jiǎn)化了機(jī)床專用數(shù)控程序的開發(fā)和加工程序的編制。

1．3 三軸聯(lián)動(dòng)切點(diǎn)跟蹤曲軸隨動(dòng)磨削技術(shù)優(yōu)勢(shì)

通過上述原理分析，與兩軸聯(lián)動(dòng)切點(diǎn)跟蹤磨削方法相比，三軸聯(lián)動(dòng)切點(diǎn)跟蹤曲軸隨動(dòng)磨削工藝具有以下技術(shù)優(yōu)勢(shì):

(1)加工過程中單位時(shí)間內(nèi)切點(diǎn)在連桿頸表面走過的弧長(zhǎng)均等，連桿頸上各點(diǎn)的磨除率相等，而且砂輪直徑和工件直徑變化都不會(huì)影響加工表面的圓度。因此，不存在原理性加工誤差。

(2)砂輪架隨動(dòng)運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)單，幾乎無需開發(fā)數(shù)控專用程序。砂輪修整和連桿頸直徑與圓度誤差補(bǔ)償?shù)韧跀?shù)控外圓磨削工藝，專用數(shù)控程序開發(fā)和加工程序編制簡(jiǎn)單易行。

(3)加工過程中工件受力均勻、方向一致，工藝系統(tǒng)穩(wěn)定性好。

(4)加工過程中砂輪的磨耗不影響加工表面圓度誤差，砂輪修整后不影響隨動(dòng)運(yùn)動(dòng)軌跡，故可以采用普通剛玉砂輪加工。

由此可知，三軸聯(lián)動(dòng)切點(diǎn)跟蹤曲軸隨動(dòng)磨削工藝不僅具有一次安裝、無需分度即可連續(xù)加工多組連桿頸和主軸頸的共同優(yōu)點(diǎn)，比兩軸聯(lián)動(dòng)切點(diǎn)跟蹤磨削方法更容易保證工件的的加工精度，而且大大簡(jiǎn)化了機(jī)床專用數(shù)控程序的開發(fā)和加工程序編制，還可以用普通剛玉砂輪作為切削工具，因而大幅降低生產(chǎn)成本。此外，此種方法用于磨削其他非圓表面(如凸輪輪廓表面等)時(shí)同樣具有上述技術(shù)優(yōu)勢(shì)。

2 三軸聯(lián)動(dòng)切點(diǎn)跟蹤汽車曲軸隨動(dòng)磨床的關(guān)鍵技術(shù)

高精度汽車曲軸隨動(dòng)磨床的研制是一項(xiàng)世界頂尖技術(shù)，它不僅需要各組成部分具有極高的靜態(tài)精度和剛度，更需要整個(gè)工藝系統(tǒng)具備極高的動(dòng)態(tài)剛性、響應(yīng)速度和穩(wěn)定性。為達(dá)到項(xiàng)目機(jī)床的設(shè)計(jì)目標(biāo)要求(圓度誤差≤0.003 mm)，課題組研發(fā)和綜合運(yùn)用了以下關(guān)鍵技術(shù)。

2.1 高精度液體靜壓導(dǎo)軌技術(shù)

為保證砂輪架與工件旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的高度同步(隨動(dòng))，砂輪架導(dǎo)軌(特別是水平方向)必須具有很高的運(yùn)動(dòng)靈敏度、定位和重復(fù)定位精度。課題組經(jīng)過多年的研究，對(duì)傳統(tǒng)靜壓導(dǎo)軌的結(jié)構(gòu)及裝配制造工藝進(jìn)行了大量的改進(jìn)，成功試制了高剛性、高靈敏度的閉式液體靜 壓 導(dǎo) 軌 (專 利 號(hào):ZL200610049966.X、ZL200410048664.1和ZL200510061224.4)。該產(chǎn)品已通過上海機(jī)床檢測(cè)中心和國(guó)家機(jī)床檢測(cè)中心檢測(cè)，定位精度達(dá)到0.001 3 mm，重復(fù)定位精度達(dá)到0.000 6 mm，并成功應(yīng)用于高精度外圓磨床。此項(xiàng)技術(shù)能確保項(xiàng)目機(jī)床所需運(yùn)動(dòng)部件的定位精度、重復(fù)定位精度和良好的運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)性要求。

2.2 西門子高剛性直線驅(qū)動(dòng)技術(shù)

在研制過程中，課題組曾分別采用機(jī)械傳動(dòng)、伺服電動(dòng)機(jī)與滾珠絲杠傳動(dòng)、步進(jìn)電動(dòng)機(jī)滾珠絲杠加液壓隨動(dòng)等方法來實(shí)現(xiàn)砂輪架的隨動(dòng)運(yùn)動(dòng)，但終因傳動(dòng)系統(tǒng)的反向間隙、受力變形等因素導(dǎo)致?lián)Q向時(shí)產(chǎn)生“相位飄移”或者響應(yīng)速度滯后，無法滿足機(jī)床的動(dòng)態(tài)剛性和超精密磨削要求，甚至造成很大的局部誤差。參照國(guó)外類似機(jī)床運(yùn)動(dòng)驅(qū)動(dòng)技術(shù)，最終采用西門子公司提供的直線電動(dòng)機(jī)來提供砂輪架的水平運(yùn)動(dòng)。經(jīng)過不同規(guī)格(力矩)的直線電動(dòng)機(jī)在各種運(yùn)動(dòng)速度下的反復(fù)試驗(yàn)，確認(rèn)大功率(20 000 N)、高剛性直線驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)可以有效地實(shí)現(xiàn)砂輪頭架快速、精確地隨動(dòng)運(yùn)動(dòng)，并保證砂輪架水平運(yùn)動(dòng)方向很高的響應(yīng)速度(即“電剛性”)，而且允許工件以較高的轉(zhuǎn)速運(yùn)轉(zhuǎn)，以保證足夠高的生產(chǎn)率。

此外，本機(jī)床砂輪和曲軸的運(yùn)動(dòng)也采用直接驅(qū)動(dòng)。其中砂輪驅(qū)動(dòng)采用電主軸驅(qū)動(dòng)，曲軸旋轉(zhuǎn)(工件頭架)采用力矩電機(jī)驅(qū)動(dòng)，以盡可能減少機(jī)械傳動(dòng)可能造成的振動(dòng)、變形和傳動(dòng)誤差，從而保證各主要部件的動(dòng)態(tài)性能。

2.3 在線測(cè)量與誤差補(bǔ)償技術(shù)

為進(jìn)一步消除機(jī)床各系統(tǒng)性誤差對(duì)最終加工精度的影響，本機(jī)床在曲軸進(jìn)入精磨之前的最后階段利用馬波士圓度儀對(duì)連桿徑進(jìn)行圓度誤差在線測(cè)量，并自動(dòng)生成圓度誤差數(shù)據(jù)(測(cè)量原理圖2)。通過840d系統(tǒng)內(nèi)嵌MARPOSS數(shù)據(jù)處理軟件，自動(dòng)處理誤差數(shù)據(jù)并生成誤差文件(插補(bǔ)表)。該文件包含每圈360個(gè)點(diǎn)的誤差數(shù)據(jù)。最終利用內(nèi)嵌在PCU上的由第三方軟件編制的誤差處理軟件(研制的專用軟件)生成誤差處理NC程序，并由該NC程序引導(dǎo)完成精磨加工。

以下是采用本機(jī)床加工曲軸連桿頸的一組圓度誤差分布曲線實(shí)例。其中圖3為該連桿頸粗磨后精磨前測(cè)得的圓度誤差曲線，最大值為0.004 79 mm;圖4為精磨后實(shí)際測(cè)得的圓度誤差曲線，最大值為0.001 06 mm。

3 結(jié)語(yǔ)

基于“三軸聯(lián)動(dòng)切點(diǎn)跟蹤”原理的汽車曲軸隨動(dòng)磨削技術(shù)經(jīng)過課題組及其依托單位兩年多的試制調(diào)試和對(duì)樣機(jī)的不斷改進(jìn)，一種采用新型磨削原理和多種高新技術(shù)、可用普通砂輪磨削的汽車曲軸隨動(dòng)磨床基本成形。該樣本機(jī)床在對(duì)495發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸主軸頸和連桿頸的連續(xù)磨削試驗(yàn)中，已經(jīng)能夠穩(wěn)定控制圓度誤差在0.002～0.002 5 mm范圍之內(nèi)，完全達(dá)到項(xiàng)目目標(biāo)≤0.003 mm的要求。

毋庸置疑，研制具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)、能夠取代進(jìn)口設(shè)備的高精度、高效率、低成本汽車曲軸隨動(dòng)磨床，為汽車發(fā)動(dòng)機(jī)制造提供強(qiáng)力的工藝與裝備技術(shù)支持，對(duì)于我國(guó)汽車工業(yè)的可持續(xù)發(fā)展有著重大的現(xiàn)實(shí)意義。

［1］周志雄，羅紅平，密海清，等.切點(diǎn)跟蹤磨削法磨削曲軸零件的若干問題探討［J］.中國(guó)機(jī)械工程，2002，13(23).

［2］許梅，孫軍，石青輝，等.曲軸連桿軸頸的隨動(dòng)磨削［J］.山東內(nèi)燃機(jī)，2004，3.

［3］潘旭華.一種曲軸連桿頸的隨動(dòng)磨削方法:中國(guó)，ZL200710067750.0［P］.2008-11-28.