梁 卓

（上汽通用五菱汽車(chē)股份有限公司 青島分公司，山東 青島 266555）

0 引言

發(fā)動(dòng)機(jī)是汽車(chē)最為關(guān)鍵的部分，是決定汽車(chē)性能的最重要的因素，猶如人的心臟。而曲軸是發(fā)動(dòng)機(jī)的主要旋轉(zhuǎn)機(jī)件，是其最關(guān)鍵的部件之一。將曲軸裝上連桿后，可承接活塞的上下往復(fù)運(yùn)動(dòng)，轉(zhuǎn)化為曲軸的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，并最終帶動(dòng)飛輪旋轉(zhuǎn)，曲軸性能好壞直接影響汽車(chē)的壽命。

1 曲軸在發(fā)動(dòng)機(jī)中的位置

曲軸在發(fā)動(dòng)機(jī)的位置如圖1 所示。曲軸是發(fā)動(dòng)機(jī)最重要的機(jī)件之一，它與連桿配合將作用在活塞上的氣體壓力變?yōu)樾D(zhuǎn)的動(dòng)力，通過(guò)飛輪傳給底盤(pán)的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，同時(shí)，驅(qū)動(dòng)配氣機(jī)構(gòu)和其它輔助裝置，如風(fēng)扇、水泵、發(fā)電機(jī)等。曲軸的材料是由碳素結(jié)構(gòu)鋼或球墨鑄鐵制成的，有兩個(gè)重要部位：主軸頸，連桿頸（還有其他）。主軸頸被安裝在缸體上，連桿頸與連桿大頭孔連接，連桿小頭孔與汽缸活塞連接，是一個(gè)典型的曲柄滑塊機(jī)構(gòu)。曲軸的潤(rùn)滑主要是指與連桿大頭軸瓦與曲軸連桿頸的潤(rùn)滑和兩頭固定點(diǎn)的潤(rùn)滑. 曲軸的旋轉(zhuǎn)是發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力源。也是整個(gè)機(jī)械系統(tǒng)的源動(dòng)力。

圖1 曲軸在發(fā)動(dòng)機(jī)中的位置Fig.1 The crankshaft position in the engine

曲軸的主軸頸連桿頸主要是靠磨床和拋光機(jī)來(lái)保證，磨床的加工余量為0.3～0.4mm，拋光機(jī)的余量為0.01mm，磨床主要保證直徑、圓度、跳動(dòng)等重要尺寸，拋光機(jī)可保證軸頸的粗糙度，提高耐磨性能，綜合來(lái)講，在曲軸的加工過(guò)程中最重要的一步就是磨削，機(jī)床的加工穩(wěn)定性直接影響整條線的生產(chǎn)效率和生產(chǎn)線的成本。本文主要介紹通過(guò)優(yōu)化工藝的方法提升磨床加工穩(wěn)定性。

2 目前加工工藝介紹

2.1 美國(guó)Landis 磨床介紹

在上汽通用五菱，加工曲軸主軸頸和連桿頸的機(jī)床很多都是美國(guó)Landis 的磨床，其中青島一期共4 臺(tái)設(shè)備。機(jī)床通過(guò)頭架、尾架及頂尖機(jī)構(gòu)將曲軸夾緊后，左右兩個(gè)砂輪同時(shí)對(duì)各個(gè)主軸頸和連桿頸以及芯軸進(jìn)行加工，尺寸的控制同樣采用機(jī)床內(nèi)的測(cè)頭在線測(cè)量控制。產(chǎn)品圖紙要求軸頸有直徑，直線度，圓度，跳動(dòng)度，以及連桿頸位置度等尺寸，由于尺寸要求均是微米級(jí)，故對(duì)于該工位的加工過(guò)程控制非常嚴(yán)格，同時(shí)對(duì)于機(jī)床頂尖的跳動(dòng)度，兩端頂尖對(duì)中度，中心支架的挑起度和推出度等硬件的調(diào)整也同樣有著非常高的要求。

2.2 機(jī)床構(gòu)造及加工原理

美國(guó)LANDIS 磨床結(jié)構(gòu)如圖2 所示，包含左砂輪及右砂輪機(jī)構(gòu)、尺寸量?jī)x、頭架、尾架、支承架等硬件結(jié)構(gòu)，機(jī)床通過(guò)頭架、尾架機(jī)構(gòu)的相對(duì)移動(dòng)用頂尖來(lái)將工件軸向頂緊，通過(guò)頭架機(jī)構(gòu)中的卡盤(pán)縱向夾緊工件，同時(shí)驅(qū)動(dòng)曲軸做高速圓周運(yùn)動(dòng)，由于曲軸較長(zhǎng)，加工過(guò)程中會(huì)受力不均，中間位置容易彎曲變形，通過(guò)支撐架來(lái)夾緊曲軸的中間位置，來(lái)均勻各部位受力，同時(shí)在加工過(guò)程中通過(guò)尺寸量?jī)x測(cè)量曲軸直徑來(lái)保證加工余量。

四缸發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸的軸頸包括5 個(gè)主軸頸和4 個(gè)連桿頸，簡(jiǎn)稱A1、A2、A3、A4、A5、P1、P2、P3、P4，見(jiàn)圖2 所示，磨床加工曲軸的軸頸時(shí)需保證其直徑、跳動(dòng)、圓度、平行度、直線度等參數(shù)滿足工藝要求。

圖2 機(jī)床結(jié)構(gòu)示意圖Fig.2 Machine structure diagram

2.3 尺寸量?jī)x的原理及作用

尺寸量?jī)x的作用是在磨削時(shí)測(cè)量軸頸的尺寸，保證磨削到工藝要求的尺寸，量?jī)x的主要結(jié)構(gòu)有，量?jī)x調(diào)整塊緊固螺釘，緊固螺釘，量?jī)xV 型塊，量?jī)x調(diào)整塊，量?jī)x彈簧，量?jī)x測(cè)頭，量?jī)x反饋線等重要結(jié)構(gòu)，見(jiàn)圖3 所示。其中量?jī)x測(cè)頭直接接觸工件表面，將彈簧的伸縮量通過(guò)量?jī)x反饋線傳遞到系統(tǒng)中，依此來(lái)判斷軸頸的尺寸。

圖3 量?jī)x的整體結(jié)構(gòu)Fig.3 The overall structure of the instrument

2.4 加工工藝

磨削余量：OP80 磨削主軸頸單邊余量為0.3mm，磨削連桿頸單邊余量0.4mm，當(dāng)前青島Landis 磨床采用的是雙砂輪磨床，磨削時(shí)砂輪和工件均順時(shí)針旋轉(zhuǎn)，磨削時(shí)靠Marposs 在線量?jī)x進(jìn)行實(shí)時(shí)反饋，來(lái)保證加工主軸頸和連桿軸頸的尺寸，見(jiàn)后面加工程序。

砂輪開(kāi)始以P0=1000mm/S 的加速轉(zhuǎn)動(dòng)，以P3=550mm/s 的速度快速進(jìn)給到距離加工要求P4=0.5mm 處，再以P9=0.07mm/s 的速度快速進(jìn)給到距加工尺寸P10=0.06 處，此時(shí)工件以P30 速度開(kāi)始轉(zhuǎn)動(dòng)。砂輪再分別以P18，P21 的慢速進(jìn)給加工，以P24=0.002mm/s 的速度慢速進(jìn)給到規(guī)定尺寸要求（對(duì)應(yīng)工件以P32/P33 速度開(kāi)始轉(zhuǎn)動(dòng)），最后砂輪以P27=400mm/s 的速度加速退回。

機(jī)床的加工程序如下：

圖4 工件的加工步驟Fig.4 Workpiece processing steps

參照?qǐng)D4，并從程序中可以看出，磨床的加工順序?yàn)锳1（左量?jī)x）A3——P2（左量?jī)x）P4（右量?jī)x）——P1（左量?jī)x）P3（右量?jī)x）——A1（左量?jī)x）A3——芯軸A2（右量?jī)x）——芯軸A4（右量?jī)x）——芯軸A5（右量?jī)x），由于A3 有支撐架，若加工時(shí)用量?jī)x測(cè)量，會(huì)干涉，所以其尺寸無(wú)法通過(guò)量?jī)x來(lái)保證，而是靠上一個(gè)工件A5的加工量來(lái)補(bǔ)償，其他軸頸均通過(guò)量?jī)x來(lái)實(shí)時(shí)測(cè)量保證加工余量。

2.5 目前加工工藝的弊端

從直徑不合格統(tǒng)計(jì)來(lái)看，連桿頸直徑不合格比列達(dá)到90%以上，為什么連桿頸比主軸頸加工差呢，我們對(duì)機(jī)床加工過(guò)程進(jìn)行了模擬分析，見(jiàn)圖5。

圖5 加工過(guò)程示意圖Fig.5 Schematic diagram of nc machining process

主軸頸和連桿頸加工有差別，由于機(jī)床依靠曲軸兩端中心孔定位軸向，主軸頸加工時(shí)量?jī)x不動(dòng)，只有曲軸轉(zhuǎn)動(dòng)，而測(cè)量連桿頸時(shí)，量?jī)x和連桿頸需同時(shí)轉(zhuǎn)動(dòng)，而且二者的運(yùn)動(dòng)軌跡大不相同，這樣測(cè)量的準(zhǔn)確度和穩(wěn)定性就會(huì)大大降低，成為曲軸線加工能力提升的一大關(guān)鍵問(wèn)題。

3 工藝優(yōu)化

3.1 優(yōu)化方案

通過(guò)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn)，A3 雖然沒(méi)有量?jī)x測(cè)量，但是加工穩(wěn)定性很好，這樣我們就提出了一個(gè)想法，連桿頸不用量?jī)x測(cè)量保證尺寸，而是參考主軸頸的測(cè)量值進(jìn)行補(bǔ)償。

3.2 加工順序優(yōu)化后程序

對(duì)程序進(jìn)行如下優(yōu)化：

從新程序中可以看出，#3、#4、#7、#8 的程序段均發(fā)生了變化，優(yōu)化后的加工順序?yàn)锳1（左量?jī)x）A5（右量?jī)x）——A1（左量?jī)x）A3（參考A5 補(bǔ)償）——芯軸A2（右量?jī)x）——芯軸A4（右量?jī)x）——芯軸A5（右量?jī)x）——P2（參考A1 補(bǔ)償）P4（參考A5 補(bǔ)償），P1（參考A1 補(bǔ)償）P3（參考A5 補(bǔ)償）。這個(gè)程序?qū)⒃绦虻娜毕葸M(jìn)行了修補(bǔ)，保證了連桿頸加工的穩(wěn)定性與主軸頸相當(dāng)。

4 總結(jié)

磨床對(duì)于年輕的團(tuán)隊(duì)來(lái)說(shuō)是很陌生的，平時(shí)只是救火，它的加工能力均無(wú)法從根本上得到提高，更改加工順序?qū)B桿頸加工穩(wěn)定性有了很大的提升，讓我們意識(shí)到原廠帶的東西并不一定是最好的，只有大膽創(chuàng)新，將新思路和想法的提出努力的試驗(yàn)和研究，才能達(dá)到最佳的效果，同時(shí)將這個(gè)問(wèn)題巧妙的解決后，為生產(chǎn)線解決測(cè)量系統(tǒng)問(wèn)題提供了方法和思路，達(dá)到了提高測(cè)量系統(tǒng)準(zhǔn)確性的目的，對(duì)工廠提高效益和降低工廠成本做出了貢獻(xiàn)。