曲轴磨削 篇1
(1) 因为磨削是磨削区瞬时温度达到或超过工件材料的相变温度, 通常磨削时工件表面的温度可能高达220～300℃或更高, 曲轴在磨削过程中, 其内部组织是马氏体和一定数量的残余奥氏体, 在磨削过程中其处于膨胀状态, 如果将表面快速加热至220～300℃并迅速冷却, 必然会产生收缩, 而这种收缩仅仅发生在工件表面, 其内部仍处于膨胀状态, 从而使表面层承受拉压力产生裂纹, 根据加热温度的逐渐增大, 裂纹也呈上升趋势。
(2) 因为淬火钢中的残余奥氏体, 在磨削时受磨削热的影响会发生分解, 之后逐渐转变成马氏体。这种新生的马氏体集中于曲轴表面, 引起曲轴局部体积膨胀, 加大了曲轴的表面应力, 导致磨削应力集中, 如果继续磨削就容易加速磨削裂纹的产生;另一方面, 在磨床上磨削曲轴时, 对曲轴而言, 既有拉力又有压力, 这样更助长了磨削裂纹的产生, 如果在磨削时冷却不均匀, 则由于磨削而产生的热量足以使磨削表面薄层重新奥氏体化, 随后再次淬火成为淬火马氏体, 因而使表面层产生附加的组织应力。再加上磨削所形成的热量使曲轴表面的温度升高极快, 这种组织应力和热应力的叠加就可能导致磨削表面出现磨削裂纹。
综上所述, 磨削表面产生裂纹的主要原因为:磨削热、冷却不到位和磨削前热处理工艺设定不合理。
磨削裂纹和表面烧伤的特征
磨削裂纹与一般淬火裂纹不同, 磨削裂纹只发生在工件磨削表面上, 深度较浅, 且深度基本一致, 较轻的磨削裂纹垂直或接近垂直于磨削方向的平行线, 是规则排列的条状裂纹;另一种较重的裂纹呈龟甲状 (即网状裂纹) , 其深度大致为0.03～0.15mm;最后一种是表面烧伤, 可以从颜色区分, 呈蓝色斑点状, 多是因为冷却不均匀造成。除最后一种外, 其他两种裂纹都可以通过磁粉探伤工艺检测出来。
消除磨削裂纹的工艺措施
针对淬火裂纹机理和特征研究分析, 对现有工艺改进如下。
1.由单口浇注式变更为四管喷射法
前面已经提到磨削裂纹的产生是因为磨削热所致, 所以降低磨削时产生的热量是解决磨削热的关键。从曲轴磨削加工冷却水浇注状况分析, 原来工艺是采用单口浇注式喷淋方式, 改进后的方式采用四管喷射法, 如图1所示。
从图1可以看到, 单口浇注法的缺点:由于浇注的管口较大, 造成在砂轮接触工件时有一个外力使水流不能全部进入到磨削区, 同时也使工件不能均匀冷却, 造成局部过冷或过热, 出现冷热不均, 就会出现磨削裂纹。使用四管喷射法的优点:在砂轮缓进的过程中, 磨削液可以浇注在曲轴被磨削表面的不同位置, 使曲轴被加工表面可以均匀受到冷却, 这样有效地控制了热量集中, 同时还可以迅速带走热量, 提高磨削效果, 使曲轴表面蓝斑减少到最低限度。
2.正确合理地修整砂轮
在磨削时, 砂轮的磨粒经受着变化的机械负荷和热负荷, 其切削刃不断受到磨损和碎裂, 当磨粒磨钝后就可能使工件表面产生裂纹, 所以砂轮就需要重新修整。砂轮的修整方法和条件对砂轮表面形貌和砂轮切削能力有很大影响, 合理选用修整方法, 可以改变磨削力的大小和砂轮的磨损状态。我公司曲轴研磨的机床是使用仿形法进行磨削, 根据曲轴本身的特点, 笔者设计一种与曲轴外径和端面呈镜向状对称的仿行板, 其轴径段差精度为±0.003mm, 如图2所示。
在仿行板上安装测头, 测头形状与金刚笔一致, 同时在砂轮上部安装金刚笔, 通过测头对仿行板临摹轨迹带动金刚笔对砂轮的修整;两者是同步进行的, 在修整过程中每次修整0.04m m的量, 通过程序记录每次修整后砂轮的直径变化, 根据直径变化, 相应输入不同的转速。根据砂轮最大外径的修整, 其相应磨削参数设置如下:砂轮最大直径为610mm时, 其转速设定S=1408r/m i n, 进给量F=2699m/m i n;砂轮最大直径为580m m时, 其转速设定S=1480r/min, 进给量F=2566m/min;砂轮最大直径为550mm时, 其转速设定S=1562r/min, 进给量F=2599m/min。其对应关系如图3所示。
只要仿形板的静态精度能够达到设计水平, 金刚笔对砂轮不同部位的修整就是均衡的, 就保证了砂轮粒度的均匀性和砂轮受力的平稳性。同时根据砂轮被修整后的不同直径合理设定不同磨削参数, 也是保证曲轴磨削精度的最好方法。
3.合理选择磨削量
合理选择磨削用量也是消除磨削裂纹不可缺少的一项措施, 目前所知道的是:磨削深度越大, 砂轮速度越高, 轴向进给力越小, 工件速度越低时, 工件表面温度越高, 工件就越容易出现裂纹。曲轴磨削的预留量是0.3m m, 以前的工艺采用一次磨削到位, 现在增加了一道粗磨工序, 粗磨量为0.2m m, 粗磨后再进行精磨, 精磨量为0.1m m, 这样就有效减少了磨削力和磨削热, 同时也加长了磨削液流出的时间, 增加了流出的流量, 对控制磨削裂纹的产生起到了一定的作用。
4.合理进行曲轴热处理
热处理方面根据产品图样的要求, 曲轴淬火状态见附表。
在磨削前, 合理安排淬火、回火工艺是非常重要的, 以往的工艺是淬火、回火后直接进行曲轴磨削, 在一段时间的试验后发现, 由于淬火、回火后曲轴表面还不能达到常温, 用手触摸可以感觉到热。所以为了更好地消除曲轴内部应力, 变通为淬火、回火后的曲轴不直接进行磨削处理, 而是搁置一天后, 第二天再进行磨削 (当然, 对于批量生产的工件而言, 为了满足生产需求, 就要求提前一天备出第二天的曲轴) 。实践证明, 采用这种方法, 能有效控制磨削裂纹的产生。
曲轴磨削 篇2
曲轴是发动机的关键零件之一零件本身结构复杂,生产批量大,精度要求高。传统的曲轴磨削分两道工序在两台不同的磨床上分别对主轴颈和连杆颈进行磨削加工,需要两次定位,因而存在定位误差大、加工效率低等缺陷。切点跟踪磨削法是随着磨削技术和数控技术的发展而出现的一种新型的工序集中式磨削加工方法。国外对切点跟踪磨削法的研究比较早,20世纪90年代初就形成了商业化的产品。美国纳克索斯(NaxosUnion)公司、德国肖特(Schaudt)公司、日本TOYODA MACHINE WORKS公司和美国兰迪斯(LANDIS)公司等均在切点跟踪磨削法的研究方面做了大量工作,并且有商业化的产品推向市场,但其价格昂贵,且其核心技术并不公开,几乎没有实质性公开论文或资料[1,2]。国内虽有部分大学和机构进行了一些理论研究[3,4,5,6],但到目前为止,还仅止于理论和实验摸索中。同时,国外的曲轴磨削技术也还处于发展之中,加工精度(圆柱度3～4μm)还远达不到外圆磨削的同等精度(圆柱度1μm)[3]。目前的基于两轴联动的曲轴连杆颈切点跟踪磨削法存在磨削点磨削时间不均和磨削速度不断变化等缺陷。为此,本文提出了基于三轴联动的曲轴连杆颈切点跟踪磨削法,砂轮可以在X轴和Y轴两个方向进行插补,对该磨削法的运动模型进行了研究,并进行了实验,取得了良好的效果。
1 切点跟踪磨削法的原理
1.1 基于两轴联动的切点跟踪磨削法
图1是基于两轴联动的切点跟踪磨削法的示意图,其工作原理是通过控制工件的旋转运动和砂轮的横向进给运动,使砂轮外圆与工件被加工表面轮廓始终相切,从而实现曲轴连杆颈表面的加工。切点跟踪磨削法克服了传统的曲轴类零件磨削方式的缺点,一次装夹就能完成对曲轴主轴颈和各连杆颈的磨削,消除了因工件两次装夹而产生的定位误差,保证了加工精度,显著缩短了辅助时间,对设备、厂房的投资也可显著减少。
然而,基于两轴联动的切点跟踪磨削法在曲轴恒速转动的情况下,会出现以下问题[6]:
(1)砂轮在连杆颈上各接触点(磨削点)处的磨削时间不同。从图1可见,当曲轴绕回转中心从0°转到90°时,所磨削的弧段AB的长度与从90°转到180°时磨削的弧段BC的长度显然是不相等的,因此,砂轮在连杆颈上各磨削点处的磨削时间是不同的。
(2)连杆颈上各磨削点处的相对磨削速度不同。连杆颈上磨削点的速度与砂轮上磨削点的速度在曲轴转角处于0°时,方向相反,处于180°时,方向相同,处于其他转角时,成一定角度。可见,各磨削点的相对磨削速度是不断变化的。
(3)曲轴位于不同转角时,磨削点处磨削速度的大小和方向均不一样,所以磨削力也不一样。
(4)曲轴转动时,磨削力的方向、曲轴的受力状态均是变化的,加之工艺系统刚度的变化,导致了曲轴在不同转角处产生的弹性变形量也不一样。
通过分析可见,连杆颈表面各点的磨削速度、磨削时间与受力状态是不同的,从而影响了曲轴的加工精度和表面质量,为此,提出了基于三轴联动的切点跟踪磨削法。
1.2 基于三轴联动的切点跟踪磨削法
图2为基于三轴联动的曲轴连杆颈切点跟踪磨削法的示意图,曲轴绕主轴中心O顺时针旋转,砂轮自身顺时针旋转的同时,可以在X轴和Y轴两个方向上进行插补运动。这样,当曲轴的连杆颈处于不同位置时,砂轮与连杆颈的中心点始终处于同一水平线上,接触点(磨削点)始终位于水平的砂轮与连杆颈的连心线上。当连杆颈中心处于最高点时,此时的磨削点为A,曲轴顺时针旋转90°以后,磨削点移动到了点B,连杆颈磨削过的弧段为AB,如图2中阴影所示。当连杆颈中心处于最低点时,磨削点为C,连杆颈磨削过的弧段为AC,再次顺时针旋转90°以后,此时的磨削点为D,连杆颈磨削过的弧段为AD。这样,曲轴旋转一周,连杆颈正好完成一周的磨削。本实验中,机床采用西门子公司数控系统和直流伺服驱动装置,实现磨削循环中工作台的自动跳挡,砂轮架的自动切入和粗、精、微进给转换间隔停留以及砂轮修正器的自动修整循环。
2 基于三轴联动的切点跟踪磨削法的运动模型分析
如图3所示,O为曲轴主轴颈中心,以O为坐标原点建立坐标系,O′为砂轮中心点,O″为连杆颈中心点,连杆颈半径为rw,砂轮半径为rs,曲轴偏心距为L。当曲轴从连杆颈中心最高点顺时针转过角度α时,此时的磨削点为M,所磨削过的弧段为AM。此时磨削点M的坐标为
所以,磨削点M的运动轨迹方程为
砂轮中心O′的坐标为
砂轮中心O′的运动轨迹方程为
如图4所示,以砂轮与连杆颈的接触点M(磨削点)为坐标原点,建立相对坐标系。当曲轴连杆颈中心处于最高点时,此时的磨削点为A,曲轴顺时针转过角度α后,此时的磨削点移动到了点M,点A绕连杆颈中心顺时针转过了角度β,几何分析可知,α=β,两边同时对时间t求导,可得到ω0=ω1,其中ω0为曲轴主轴颈旋转的角速度,ω1为连杆颈上磨削点绕连杆颈中心O″旋转的角速度。由于曲轴主轴的旋转是匀速的,所以磨削点绕连杆颈中心O″的旋转也是匀速的,可见,连杆颈上的每一点被磨削时,其磨削的时间是均匀的,即磨削点在连杆颈上匀速运动连杆颈的半径可近似看作是恒定的,因此磨削点M绕O″旋转的速度vw也是恒定的。
对连杆颈上磨削点M处的速度进行分析,vO为磨削点M相对于坐标原点O的绝对运动速度,其方向垂直于OM,可以把vO看成两个运动速度的合成速度,其一为磨削点M绕连杆颈中心O″旋转的速度vw,其方向始终垂直于X′轴,其二为连杆颈中心O″绕坐标原点O旋转的速度vO″,其方向垂直于OO″,将其平移至磨削点M处。vw的大小和方向是确定的,vO和vO″的方向是确定的,根据速度合成的平行四边形法则,从图4中可以看出vw与vO″的合成速度即为vO。
在相对坐标系中,砂轮在磨削点M处的速度vs是恒定的,其方向始终垂直于X′轴。磨削点M绕O″旋转的速度vw与砂轮在磨削点M处的速度vs的合成速度即为相对磨削速度,由此可见,连杆颈上的每一点被磨削时,其相对磨削速度也是恒定的。
根据磨削基本原理可知,当量磨削厚度heq是控制磨削质量的基本参数[7],对外圆磨削有
式中,a为径向进给量。
磨削力是磨床设计的基础,也是磨削研究的主要因素,磨削力的计算经验公式[8]为
式中,K0、K1、K2、K3、λ均为系数;Ft、Fn分别为切向和法向磨削力。
由此可知当量磨削厚度和磨削力均与工件速度和砂轮速度有关。可见,采用基于三轴联动的切点跟踪磨削法可以实现恒定的磨削力,通过对砂轮的径向进给量进行控制,亦可实现恒定的当量磨削厚度,从而提高了连杆颈的加工精度和表面质量
3 检测补偿
采用切点跟踪磨削法磨削曲轴连杆颈时,由于运动过程中各参数相互关联,故磨削过程是复杂的运动过程,曲轴回转轴与砂轮轴的联动误差、曲轴在磨削力的作用下沿磨削点法向的弹性位移、砂轮实际半径与砂轮理论计算半径的差值、磨削力对曲轴回转中心的力矩随曲轴转角的变化等因素,都会为磨削加工后的连杆颈带来误差[9]。为此,在加工过程中,采用了在线测量装置,把磨削工艺分为粗磨和精磨,粗磨时将大余量磨削掉,在磨削过程中允许产生的圆柱度误差为6～8μm。粗磨后进行在线检测,采用意大利MARPOSS测量仪(含轴径测量、轴向定位、在线自动平衡、消空程、防碰撞等功能),机械手将测试探头接触曲轴颈,转动几周,得到圆柱度误差信息,并计算出不同角度范围内的误差值,对跟踪的两个坐标进行脉冲补偿(由控制系统自动进行补偿),补偿过程在精磨过程中进行,多次实验后的数据显示,这样加工后的连杆颈表面粗糙度Ra可以达到0.4μm,圆柱度达到2μm。
图5和图6所示分别为采用圆度仪定标确定基圆,MARPOSS测量仪动态检测记录得到的补偿前后曲轴连杆颈的磨削轮廓曲线,可以看出,检测补偿在基于三轴联动的切点跟踪磨削原理基础上,提高了连杆颈的加工精度和表面质量。
4 结论
与基于两轴联动的曲轴连杆颈切点跟踪磨削法相比较,采用基于三轴联动的曲轴连杆颈切点跟踪磨削法主要有两个优点:
(1)连杆颈与砂轮的各接触点(磨削点)处的磨削时间相同。
(2)曲轴位于不同转角时,连杆颈上各磨削点处的磨削速度的大小和方向均不变,从原理上实现了曲轴连杆颈的恒线速度磨削。
再辅以在线测量装置,可以使加工后的连杆颈圆柱度达到2μm,表面粗糙度Ra达到0.4μm,从而提高曲轴的使用寿命,改善润滑条件。与基于两轴联动的切点跟踪磨削法相比,大大提高了加工的精度和表面质量,具有重要的实际应用价值。
摘要：通过分析目前的基于两轴联动的曲轴连杆颈切点跟踪磨削法存在的各种不足,提出了基于三轴联动的曲轴连杆颈切点跟踪磨削法,砂轮可以在X轴和Y轴两个方向进行插补;对该磨削法的运动模型进行了研究。结果表明,采用这种磨削方法可以实现磨削点的恒线速度磨削,多次实验后的数据显示,连杆颈的圆柱度可以达到2μm,表面粗糙度Ra达到0.4μm,为获得较高的曲轴加工精度和表面质量提供了有效的方法。
关键词：曲轴,切点跟踪,磨削,恒线速度
参考文献
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[8]王德泉.砂轮特性与磨削加工[M].北京:中国标准出版社,2001.
曲轴磨削 篇3
【关键词】数控系统；曲轴；磨削
1.曲轴数控磨削工艺
曲轴是发动机的核心零件，曲轴连杆轴颈在发动机中会直接承受各种复杂的交变载荷，轴颈与轴瓦间长期处于高速相对运动状态，因此对连杆颈的制造有非常严格的要求，包括它的形状、位置精度以及表面粗糙度。
1.1曲轴的加工工艺和材料
一般曲轴在运转时主要受交变的扭矩和弯矩载荷的影响，这就必须要求曲轴必须具备足够的强度和刚度以及高精度才能够承受荷载！综上所述，曲轴的加工方法以及必要地提高加工精度则显得尤为重要！一般地，球墨铸铁和调质钢以及非调质钢是曲轴常用的材料！首先制造业的发展需要考虑成本因素，因此，一般用球墨铸铁，由于球墨铸铁的力学性能接近调质钢，性能也比较好，并且成本只有调质钢的1/3左右，在工业中得到广泛使用。根据统计资料来看，车用发动机的曲轴一般用球墨和铸铁材料所占的百分比来合成，例如美国为90%，英国为85%，日本为60%。在我国的汽油机曲轴中，和国外不同的是我国一般采用球墨铸铁来进行制造，国内采用的材料牌号主要有：qt700-2、qt800-6、qt900-6、等温淬火球墨铸铁等。在柴油机曲轴的制造中，通常采用调质钢或者非调质钢来进行制造，其中调质钢通钢所用的材料主要有：40cr和42crmo等；非调质钢通常所用的材料主要有：48mnv、38mnv6等。
1.2曲轴磨削的工艺要求
国内磨削工艺一般分为粗磨和精磨，磨削工艺主要兼顾两个问题，第一点是如何保证曲轴质量，第二点则是要有利于消除或减少磨削裂纹！
1.2.1曲轴磨削的工艺精度要求
在设备加工中，曲轴磨削的工艺精度要求极高，这不仅仅只是为了考虑误差因素，更多的是工业发展中对技术的一种认可！在机床的加工生产中，对工件的精度有非常严格的要求，比如长度超过6m以及重量超过5t的工件，主轴颈和脸干精度则必须要达到Ra=0.4～0.6μm，主轴颈、连杆颈直径公差必须控制在0.008mm，并且它们的直线度要控制在0.01/200mm；而对于连杆颈分度±15′的技术要求是在加工不同角度和不同偏心量的连杆颈磨削的大型曲轴磨床时，精度必须更加准确才能合格！
1.2.2曲轴磨削的质量指标及理论公式
曲轴磨削的质量指标主要包括磨削粗糙度、磨削力以及砂轮损耗等因素；
磨削力的主要特征及计算
如图所示，对于砂轮来说，虽然单个磨粒的切削厚度比较小，但是砂轮是整体运转，大部分的磨粒同时与被磨金属层进行挤压、刻划和滑擦的话，并且在机械加工中磨粒的工作角度有时候不会特别合理，这就使得磨削力的总量值变得非常大；所以在测量和计算中，一般会把总磨削力进行分解，分别是三个相互垂直轴向（F）x、径向（Fy）和切向（Fz）磨削力；根据图1可以分析磨削力主要包括以下几种特征：
1.根据计算，径向磨削力F应该最大。原因是磨粒的刀棱主要是以负前角来进行工作，并且在刀棱钝化了以后，棱面变小，而与磨粒与工件的实际接触面积增大了，使得径向磨削力Fy增大，通常径向磨削力Fy=（1.6～3.2）Fz。
2.轴向磨削力Fx在磨削力计算中一般很小，所以可以忽略不计。
3.不同的磨削阶段磨削力一般会发生变化；首先在初磨阶段，磨削力的变化幅度较大，一般由小变大；其次进入稳定阶段以后，磨削力比较稳定，主要原因是工艺系统的弹性变形达到了一定程度；最后，达到光磨阶段后，实际磨削深度基本为零，此时的磨削力渐渐变得很小。
1.2.3关于曲轴磨削粗糙度在实际生产中的影响因素
在实际生产中，关于曲轴磨削粗糙度在实际生产中的影响因素主要包括几何因素、物理因素以及工艺系统振动！
1.3曲轴数控磨削的加工流程
曲轴数控磨削的加工流程在现代工业技术中并不繁琐，主要融入了很多现代先进的设计和工艺技术，使得加工精度得到完善，加工效率得到提高！
曲轴制造工艺的进展一般包括球墨铸铁曲轴毛坯铸造技术（熔炼和造型）、钢曲轴毛坯的锻造技术以及机械加工技术等！
2.曲轴的数控加工技术
曲轴是汽车等发动机中最重要而且是承受负荷最复杂的零件，鉴于曲轴的复杂性和重要性，对曲轴的数控加工技术的研究显得尤为重要！
2.1曲轴的特征分析
曲轴的作用是把活塞的往复运动转化为旋转运动，输出发动机的功率。主轴颈、连杆轴颈、曲柄、平衡块、前端和后端是曲轴的主要结构特征；而曲轴对机械加工要求较高的部分主要是主轴颈和连杆颈，主轴颈的作用是为了保证曲轴始终工作在同一轴线上，并且在主轴承上转动灵活，使摩擦尽可能减小；连杆颈的主要作用是连接连杆（连杆颈处载荷较大，对其强度和刚度要求高）。
2.2曲轴加工技术及其特点
曲轴加工技术主要包括四点，分别是曲轴车削技术、曲轴铣削技术、曲轴车—车拉技术以及车—车拉曲轴加工技术；车—车拉曲轴加工技术是将以前曲轴铣削、车—拉和计算机数控技术融于一体而产生的，它代表着当今曲轴加工的最新技术水平！
2.3曲轴NC加工实现
曲轴NC加工的实现需要一系列繁琐的数控程序和过程，主要步骤是（以Pro/Engineer集成软件为例）。
结束语
本文主要对数控系统曲轴磨削加工技术做了初步的分析研究；通过对曲轴磨削技术的论述，来研究基于磨削技术在加工中的重要作用。首先在分析国内曲轴磨削工艺的基础上，结合我国机械制造当前的生产条件，对曲轴数控磨削工艺的流程以及要求进行分析，以此来阐述实际生产过程中该工艺的各项影响因素；通过对曲轴数控磨削技术进行侧重论述，来体现数控磨削作为磨削技术的主要发展方向之一的重要作用。数控技术可以提高磨削的自动化程度，实现高速高精度加工。对曲轴磨削技术的深入研究，有利于我国机械制造业的发展，对提高我国的磨削制造水平具有重要的意义！我国目前工业化发展迅速，现代化的设计工艺与技术也为当前磨削数控系统的智能化、高速高精度加工的发展提供了很多发展机遇，使得曲轴磨削数控加工技术在现代化的工业浪潮中得到不断完善，工业化进程也得到提高！
参考文献