大型曲軸磨床典型結(jié)構(gòu)與先進(jìn)的磨削工藝
2014-1-19 來(lái)源：常州機(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)院 作者：虞行國(guó) 劉江
圖一
對(duì)于曲軸加工設(shè)備來(lái)講，磨床是使產(chǎn)品零件達(dá)到工藝要求的最終加工機(jī)床，固對(duì)其精度要求極高、復(fù)雜程度極難。對(duì)于工件長(zhǎng)度超過(guò)6m,重量超過(guò)5t,工件的主軸頸和連桿頸粗糙度值要達(dá)到R a=0.4~0.6μm,主軸頸、連桿頸直徑公差在0.008mm,主軸頸和連桿頸直線度在0.01 / 200 mm,連桿頸圓柱度0.015 mm,連桿頸分度±15′的技術(shù)要求并且加工不同角度和不同偏心量的連桿頸磨削的大型曲軸磨床，其要求就更高了。
根據(jù)目前現(xiàn)有設(shè)備狀況和加工工藝，曲軸在磨床上的加工是分兩步執(zhí)行的，也就是說(shuō)加工磨削主軸頸和連桿頸是由兩種機(jī)型分開(kāi)實(shí)施的，這主要是受到設(shè)備結(jié)構(gòu)的限制和約束。一般磨削主軸頸選擇在大型的普通外圓磨床進(jìn)行，曲軸依靠外圓磨床的頭架單驅(qū)動(dòng)，在二頂尖和中心架的支撐下逐步對(duì)主軸頸進(jìn)行磨削。在磨削主軸頸的過(guò)程中，產(chǎn)品的尺寸精度和技術(shù)要求都由人工直接干預(yù)。特別是對(duì)中心架兩個(gè)方向支撐力量的控制，這就要看操作工人的熟練掌握程度，但要長(zhǎng)期依靠人為因素來(lái)保證質(zhì)量穩(wěn)定是難以做到的，也是不科學(xué)的。如圖1所示，在加工磨削連桿頸直徑時(shí)，是選擇專用的曲軸磨床來(lái)進(jìn)行加工的。這種曲軸磨床的頭尾座卡盤(pán)是可以以頭尾座中心軸線為基準(zhǔn)，按照曲軸主軸頸和連桿頸的沖程偏心量進(jìn)行調(diào)整，使頭尾座卡盤(pán)夾持連桿頸的中心圍繞頭尾座主軸的旋轉(zhuǎn)中心，對(duì)連桿頸直徑進(jìn)行磨削加工。如圖2所示。
因?yàn)榍S技術(shù)設(shè)計(jì)的原因，它在長(zhǎng)度質(zhì)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(zhuǎn)中會(huì)出現(xiàn)運(yùn)轉(zhuǎn)不均勻的現(xiàn)象并產(chǎn)生有離心力狀況，這樣磨削加工的表面粗糙度肯定會(huì)受到影響。所以在機(jī)床的頭尾座后側(cè)都配制了配重裝置，通過(guò)觀察頭尾座的驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)電流的情況進(jìn)行調(diào)整，從而可以改善和均衡頭尾座的旋轉(zhuǎn)穩(wěn)定性。因?yàn)榍S本身結(jié)構(gòu)的原因，在頭尾座同時(shí)夾緊曲軸兩頭時(shí)，頭尾座在旋轉(zhuǎn)時(shí)不同步就會(huì)造成曲軸的扭曲而影響加工精度。目前為了保證頭尾座的同步，曲軸磨床頭尾座的傳動(dòng)方式有兩種，一是通過(guò)同步軸傳遞，即頭座作為主傳動(dòng)經(jīng)過(guò)一系列的傳動(dòng)鏈傳遞到尾座，使它們實(shí)現(xiàn)曲軸磨床的頭尾座卡盤(pán)同步，保證曲軸在運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中不造成扭曲的現(xiàn)象。這種傳遞的方式制造成本低，但不可避免地存在機(jī)械傳動(dòng)鏈過(guò)長(zhǎng)有間隙和磨損的現(xiàn)象，給調(diào)整帶來(lái)諸多的不便。另一種是利用頭尾座旋轉(zhuǎn)作為兩軸，采用數(shù)控同步技術(shù)，使頭尾座在旋轉(zhuǎn)的過(guò)程中旋轉(zhuǎn)誤差達(dá)到最小。有的在采用了頭尾座旋轉(zhuǎn)作為兩軸的數(shù)控同步技術(shù)的制造廠家，為了防止因設(shè)備故障和突然停電造成頭尾座失步，使設(shè)備損壞以及造成產(chǎn)品的報(bào)廢，把砂輪電動(dòng)機(jī)作為突然停電后的大直徑砂輪的慣性當(dāng)作發(fā)電機(jī)使用，把發(fā)出的電提供給頭尾座電動(dòng)機(jī)作為臨時(shí)電源，臨時(shí)保證頭尾座能夠在短時(shí)間內(nèi)有旋轉(zhuǎn)的空間防止故障的擴(kuò)大。同時(shí)為防止頭尾座電器系統(tǒng)本身的故障而引起失步，在頭尾座機(jī)械部分設(shè)計(jì)有超越離機(jī)構(gòu)作為保護(hù)裝置，在實(shí)際運(yùn)行中因頭座調(diào)速系統(tǒng)模板故障造成頭尾座失步3°，正因?yàn)樵谠撗b置的作用下防止故障進(jìn)一步擴(kuò)大和保全近30萬(wàn)元的工件報(bào)廢。
圖二
曲軸屬于細(xì)長(zhǎng)軸零件，在加工時(shí)會(huì)形成中間下垂的情況，有的廠家為了克服這種狀態(tài)在機(jī)床設(shè)計(jì)中加有機(jī)械、電氣、液壓測(cè)量等系統(tǒng)組成的曲軸防下垂吊系統(tǒng)。圖3、圖4所示就是該裝置的外形，這個(gè)裝置在機(jī)床數(shù)控系統(tǒng)中設(shè)置為第三軸，它的防曲軸下垂吊力由液壓比例閥控制，保持和頭尾座旋轉(zhuǎn)角度的同步。
圖三
圖四
隨著數(shù)控技術(shù)的發(fā)展，機(jī)床功能部件水平的提高，目前國(guó)外已經(jīng)發(fā)展出一種隨動(dòng)磨削曲軸的新設(shè)備新工藝，它只要在同一臺(tái)機(jī)床上通過(guò)一次夾裝就可以同時(shí)磨削加工曲軸主軸頸和連桿頸，而不需要再用兩臺(tái)設(shè)備依次分別對(duì)曲軸主軸頸和連桿頸進(jìn)行磨削。
圖5是該設(shè)備基本結(jié)構(gòu)和加工工藝布置的示意圖。該設(shè)備在電氣系統(tǒng)上設(shè)計(jì)成全數(shù)控控制、全閉環(huán)反饋測(cè)量的控制模式，在機(jī)械設(shè)計(jì)上打破傳統(tǒng)磨床的結(jié)構(gòu)分布，把原來(lái)頭尾座和工件Z 軸移動(dòng)更改為砂輪架移動(dòng)而頭尾座及工件固定不動(dòng)，因而床身長(zhǎng)度就可以設(shè)計(jì)較短。由于采用了X 軸橫向滑臺(tái)原理，這樣就可以克服和消除因工件移動(dòng)而造成的機(jī)床變形等諸多因素，并且還增強(qiáng)了機(jī)床的剛性。固定工件的工作臺(tái)臺(tái)面設(shè)計(jì)成向砂輪架方向傾斜 20°，以便于冷卻液方便排泄帶走大量的磨削顆粒，保證了機(jī)床的熱穩(wěn)定性和工件因工作臺(tái)傾斜 20°的設(shè)計(jì)而使頭尾座能在固定工件的工作臺(tái)臺(tái)面上安全夾緊。因設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)的不同，從而磨削方法也不同于一般的傳統(tǒng)曲軸磨床，它的主軸頸磨削采用切入式磨削法，連桿頸的磨削是采用切入式隨動(dòng)磨削法。圖6、圖7是隨動(dòng)磨削法的曲軸與砂輪運(yùn)動(dòng)的軌跡示意圖。
隨動(dòng)磨削法的公式：
式中 X --砂輪架橫向滑臺(tái)移動(dòng)軸；C--頭尾座工件夾持旋轉(zhuǎn)軸。
采用隨動(dòng)磨削法是比較先進(jìn)的加工方法，但是它對(duì)設(shè)備有更高的要求，特別是對(duì)硬件和軟件相互之間的關(guān)系更為密切配合。隨動(dòng)磨削法實(shí)際上是涉及到曲軸旋轉(zhuǎn)位置與砂輪架直線運(yùn)動(dòng)二者之間的相互關(guān)系，它的關(guān)鍵在于：
（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夾持曲軸二端頭，偏心于主軸頸的連桿頸中心線，圍繞C 1、C 2旋轉(zhuǎn)軸線的運(yùn)動(dòng)軌跡，與X 1軸砂輪架橫向滑臺(tái)直線移動(dòng)的前后運(yùn)動(dòng)的距離關(guān)系，始終要使連桿頸的外徑在360°的任何角度上要與砂輪的外圓保持相切位置。
（2）機(jī)械傳動(dòng)鏈的精度、光柵反饋系統(tǒng)的精度、在線測(cè)量系統(tǒng)的精度。
（3）開(kāi)發(fā)的隨動(dòng)磨削應(yīng)用軟件合理和實(shí)用性等。
以上問(wèn)題將直接影響到磨削加工的精度，為此，機(jī)床廠家在X 砂輪架橫向滑臺(tái)移動(dòng)軸上，設(shè)計(jì)成剛性好、吸振性好、精度高的靜壓閉式導(dǎo)軌系統(tǒng)。X 軸驅(qū)動(dòng)采用定位重復(fù)性好和傳動(dòng)間隙小的非機(jī)械傳動(dòng)的直線電動(dòng)機(jī)消除間隙方法。X 軸定位用直線光柵尺進(jìn)行精確。
頭座C 1和尾座C 2采用水冷扭矩電動(dòng)機(jī)直接驅(qū)動(dòng)工件，高分辨率圓光柵消除機(jī)械傳動(dòng)的間隙，防止在磨削時(shí)的頭尾座在旋轉(zhuǎn)時(shí)有上下死點(diǎn)的出現(xiàn)，并保持同步和恒線速度磨削。采取這些措施從而在理論上可以保證磨削連桿頸的圓度達(dá)到0.005mm和表面粗糙度的要求。同時(shí)為了提高砂輪主軸轉(zhuǎn)速來(lái)提升砂輪線速度，普通砂輪磨削圓周（線）速度可達(dá)45m/s,電動(dòng)機(jī)主軸驅(qū)動(dòng)功率達(dá)到78kW,對(duì)砂輪主軸箱的結(jié)構(gòu)也進(jìn)行了優(yōu)化，如圖8、圖9所示。把原先的圓桶形軸瓦支撐更改為高精度的無(wú)需保養(yǎng)的陶瓷球軸承結(jié)構(gòu)。為了提高砂輪主軸的精度還配制了帶砂輪自動(dòng)平衡系統(tǒng)（意大利MARPOSS制造），與砂輪主軸為一體，并帶有超聲波間隙控制系統(tǒng)（噪聲控制）作為防止砂輪碰撞工件的保護(hù)裝置。為了使工件在機(jī)床上加工找正方便，還設(shè)計(jì)有曲軸防下垂補(bǔ)償功能，曲軸的下垂可通過(guò)一個(gè)安裝在砂輪頭架上預(yù)先設(shè)定中心的測(cè)量頭系統(tǒng)，來(lái)檢測(cè)曲軸的實(shí)際位置，與原設(shè)定中心進(jìn)行比較后，通過(guò)數(shù)控系統(tǒng)對(duì)數(shù)控中心架進(jìn)行控制補(bǔ)償。如圖10所示。
為了提高砂輪主軸的精度還配制了帶砂輪自動(dòng)平衡按每個(gè)操作命令實(shí)現(xiàn)往復(fù)運(yùn)動(dòng)，以測(cè)量垂直面中心高。對(duì)每個(gè)加工后的曲軸頸外圓進(jìn)行多次測(cè)量，直至采用了足夠數(shù)量的中心架，如圖11所示。在全自動(dòng)磨削時(shí)保證曲軸頸直徑的一致，還配制在線直徑測(cè)量頭，裝在砂輪頭座上，可自動(dòng)擺入和擺出。測(cè)量頭始終跟隨連桿軸頸作回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)并具備自動(dòng)圓度檢測(cè)，該裝置能夠識(shí)別和顯示采用切入式方法的圓度偏差，將橢圓度與圓度測(cè)量機(jī)床的測(cè)量結(jié)果進(jìn)行比較，并直接對(duì)機(jī)床控制進(jìn)行數(shù)據(jù)修正，并以人機(jī)友好的方式運(yùn)行，能快速給出與圓度有關(guān)的機(jī)床參數(shù)的最佳值。在生產(chǎn)過(guò)程中可以對(duì)圓度進(jìn)行常規(guī)檢測(cè)，可以節(jié)省測(cè)量的時(shí)間。全部功能和顯示都集成在機(jī)床的控制系統(tǒng)中。
在目前國(guó)內(nèi)的磨床制造廠家中，還沒(méi)能真正生產(chǎn)出大型的采用隨動(dòng)磨削結(jié)構(gòu)的設(shè)備，以及大型曲軸進(jìn)行隨動(dòng)磨削的工藝技術(shù)。這有待于我們工作在設(shè)備系統(tǒng)的全體科研人員共同努力，不斷地對(duì)數(shù)控系統(tǒng)軟件的開(kāi)發(fā)、機(jī)床功能配套部件的研發(fā)升級(jí)。只有整體制造水平的提高，設(shè)備制造理念的更新，才能與國(guó)外僅有的幾家生產(chǎn)隨動(dòng)磨削設(shè)備的廠家競(jìng)爭(zhēng)叫板。
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