曲轴连杆颈磨削过程中常见问题解析

作者:哈尔滨东安汽车动力股份有限公司 朱进军 胡本洋 金智勇 文章来源:AI《汽车制造业》 点击数:135 发布时间:2016-12-22
本文介绍了某发动机曲轴连杆颈磨削的基本原理,对连杆颈磨削过程中经常出现的一些典型问题及其形成原因进行了分析,并提出了相应的对策和解决办法。
曲轴连杆颈磨削过程中常见问题解析

曲轴是发动机的重要组成部件,其加工精度和加工难度在发动机各大件中首屈一指。曲轴连杆轴颈(也称拐颈)在发动机中与连杆相连接,承受着各种复杂的交变载荷,轴颈与轴瓦间长期处于高速的相对运动状态,因此工艺对拐颈加工的形状、位置精度及表面粗糙度有着十分严格的要求。在曲轴的整个机加过程当中,连杆颈的精磨工序是最重要、最关键的一步,本道工序的加工质量对曲轴成品质量的影响举足轻重。

拐颈磨削原理

拐颈磨削是一个复杂的过程,设备精度水平高,调整保障维护难度大,生产对时间性要求较强,对于加工中发生的各种缺陷和偏差,工艺人员应具有较强的处理能力,能够及时判断出问题产生的原因,采取措施。图1所示为某汽车发动机曲轴拐颈磨削工序,各连杆颈的轴心线与主轴颈的轴心线在同一平面内,其位置度公差为0.2 mm。

如图1所示,A1、A2、A3、A4和A5所指为主轴颈,是曲轴工作旋转时的支撑和回转中心,连杆颈B1、B2、B3和B4围绕主轴颈旋转,活塞及连杆带动拐颈将直线运动转化为圆周运动,为发动机输出动力。B1、B4在同一轴线上,B2、B3在另一轴线上,二者相差180°。

曲轴的大小和规格有所区别,但拐颈的磨削原理和方法基本相同。在实际生产中,曲轴拐颈磨削采用的是日本日平公司和丰田公司生产的数控拐颈磨床,二者定位方式相同,均是采用偏心夹具,半圆硬质合金瓦座支撑主轴颈A1、A5径向定位。该机床左头上有一套翻转机构,由翻转机构上的菱形销伸入到曲轴大头端面的φ6定位销孔驱动曲轴完成180°翻转并使角向精确定位,分别磨削B1、B4或B2、B3。轴向采用Marposs端面定位器(以下称“对中器”),测量拐颈端面位置,自动均匀分配拐颈端面余量并进行轴向定位。磨削过程实行主动测量,磨削过程如图2所示。

常见问题与解决办法

1.拐颈偏磨的出现原因及解决办法

在实际磨削过程中,粗磨结束进行半精磨、精磨时,Marposs主动测量装置开始工作(测头检测轴颈,边磨边测,自动闭环控制)时,数值显示屏上光标出现剧烈闪烁,到精磨末段甚至无火花磨削阶段才稳定。这时,磨过的曲轴在综合测具上进行位置度检测时,(一般以φ6销孔和主轴颈A1、A5为测量基准)会出现百分表上显示的拐颈实际位置测量值与其理论值相差过大(最大可达0.30 mm以上),这说明拐颈外圆产生偏心磨削,极端情况下甚至超出磨削余量范围,致使某一范围内的外圆磨不到,出现“黑皮”现象。这种情况的出现导致砂轮出现不连续磨削,工件处于非正常的加工状态。而且,由于测头置于不圆的轴颈表面导致其不停地产生摆动和振动,容易造成测头损坏,影响测量和加工精度。

在实际加工过程中,偏磨实际上是一种接近正常的加工状态,因为装夹后的工件中心不可能与回转中心完全重合,或多或少都会出现一定的偏磨现象,只是一定要将偏磨量控制在一定的范围,否则会对设备造成不良的影响。而“黑皮”则是在偏磨的极端状况下才会出现的一种状态,它将导致工件报废。

如图3所示,可以看出偏磨或“黑皮”的形成原因。磨削时拐颈旋转中心亦即头尾架的回转中心,它是一条固定的轴心线,理想的工作状态是装夹后拐颈中心与回转中心重合,磨削余量才会均匀。但在实际加工中,由于夹具磨损或其他原因,会导致装夹后的拐颈轴心线与其回转中心线不重合,可能出现一个偏移量e。

图3中所示的d0表示磨削前拐颈直径,d为磨削后直径,f为理论上磨削后拐颈外圆至未磨到部分外圆在半径方向最大距离。由图可知,

f= e-(d0 -d)/2

在磨削过程中,可能出现以下情况:

(1)当f<0,即e<(d0 -d)/2时,能够磨成一个完整拐颈圆周,但可能有偏磨现象。

(2)当f=0,即e=(d0 -d)/2时,处于临界状态,拐颈只能刚刚磨成一个完整圆周。

(3)当f>0,即e>(d0 -d)/2时,则不能磨成一个完整拐颈圆周,局部范围内出现“黑皮”。

最理想的状态是e=0,即回转中心与拐颈中心重合,这样在磨削时,余量分配均匀,不会出现偏磨。

偏磨或“黑皮”出现在不同位置,其形成原因有所区别。如图4a(所有侧视图曲轴均为起始装夹位置,从小头看)所示,主要是由于翻转机构上的定位销位置不合适,角向偏离原位,使得定位时拐颈中心沿角向(左、右)偏移,从而导致该中心与磨削时其回转中心不重合,此时极端状态下将导致连杆颈在如图位置的水平方向出现黑皮。实际调整时,可根据实测的拐颈偏移量,顺(逆)时针调整定位销位置,使拐颈与其回转中心趋于一致。若出现如图4b的情况时,则是支撑主轴颈的半圆瓦座高度有问题,使得装夹时拐颈中心在垂直方向上偏离其磨削回转中心,此时极端状态下将导致如图位置的竖直方向出现黑皮。具体的操作方法是通过调整半圆瓦座在垂直方向上的位置,使两个中心恢复一致。

2.中心距误差的出现原因及解决办法

中心距指的是拐颈中心线至主轴颈中心线的距离。本道工序尺寸要求39±0.08 mm,超出此范围会影响活塞行程,进而对发动机的工作状态产生不良影响。中心距超差的原因与图4b出现的偏磨道理相同,若出现中心距超差的现象,可采取同样办法调整处理,即通过调整瓦座的高低进行处理,此处不再赘述。

3.位置度误差的出现原因及解决办法

曲轴拐颈在数控磨床上的磨削顺序是B4→B1→B2→B3,即先磨B4、B1,然后松夹,由翻转机构上的菱形销驱动曲轴翻转180°,将B2、B3置于磨削位置,夹紧磨削。

理论上要求各拐颈中心线与主轴颈中心线在一个平面上,但在实际磨削过程中由于受各种因素的影响,实际磨削后的状态与理想状态必然有一定的误差,本工序要求为0.2 mm。由于B1、B4为同一轴线,一次装夹,B2、B3为另一轴线,二次装夹,那么,B1、B4之间B2、B3之间呈现较大偏差的几率很小。这里主要讨论B1、B4与B2、B3在180°方向上实际位置与理论位置的误差。实测时,用专用量具(位置度量规)在位置度对表样件上对零后测量B1、B4和B2的值(以A1、A5和B3外径所构成的平面为基准),测得B1、B4的位置度可能出现正值,也可能出现负值。但一般情况下,B1、B4显示值的方向是相同的(见图5)。

位置度误差的产生原因是这样的,如图6所示,N点是磨削1、4拐颈时翻转定位块和扇形块相接触的位置,B1、B4磨完后,曲轴在翻转机构的驱动下完成顺时针180°旋转,此时M点是磨削2、3拐颈时翻转定位块和扇形块相接触的位置。但实际翻转的过程中,翻转机构转过的角度不一定等于180°(这个角度可以通过测量位置度的数值进行估算),可能出现翻转不到位或翻转过头的现象,这样会导致磨削的拐颈产生同样误差。

原因是翻转定位块的位置不当(如定位块位置过高或过低)或者由于长期接触导致接触面磨损造成。若出现这种情况,一般的方法是调整定位块的上下位置,通过上下位置的变化来改变翻转的角度,这个调整过程必须经过加工后的工件位置度验证,直至将位置度调整到公差范围内为止。

4.平行度误差的产生原因及解决办法

这里所说的平行度指的是曲轴主轴颈与拐颈中心线间的平行度,本工序公差要求为0.01 mm,是一个很严格的项目,而主轴颈定位夹具失当会导致拐颈平行度误差。平行度的产生原因是这样的,如果定位夹紧后,A1、A5到磨削回转中心相对位置不一致,即A1、A5半圆瓦座在水平方向错位扭曲,在垂直方向位置高低不同,就会产生这种情况。校正的方法是用一个心轴(直径与主轴颈相同的直样棒,长度与曲轴相近),夹在A1、A5瓦座上,将百分表吸在机床的某一固定部位,表的触头打在样棒的表面,可在样棒上面和侧面分别打表,沿样棒母线方向移动工作台,观察表的读数变化,反复调整A1、A5瓦座在水平和垂直方向的位置,使得在样棒全长范围内的读数尽量趋于一致。

5.椭圆度超差的原因及解决办法

椭圆度是同一截面内最大直径和最小直径的尺寸之差,它是衡量轴颈加工质量高低的一个重要指标。本工序的椭圆度误差为0.005 mm。

一般来说,正常加工后的轴颈不可避免地存在着椭圆度,但如果椭圆度过大,则可认为工件处于不正常的加工状态。曲轴不同于一般的轴类,它的刚性较差,在磨削过程中易发生变形,所以在实际磨削过程中不得不借助支撑来减小变形,但同时会出现由于加支撑所带来的一些问题。例如,支撑力不能太大或太小,否则易造成拐颈在磨削过程中受力不均而造成椭圆。所以本工序加工后的拐颈出现椭圆后,一般是通过调整支撑架的压力来实现的。具体调整时是将一个成品曲轴放在机床上,将支撑支到工件上,用表打曲拐的上下变动量和前后变动量,将变化量控制在0.003~0.005 mm之间为宜。

另外,工件磨削前毛坯的形状误差不能太大,形状误差太大会造成因余量不均匀而引起的磨削深度变化,使工件弹性变形发生相应变化,结果磨削后的工件表面部分地保留着毛坯的形状误差,所以拐颈磨削时应严格控制前道工序(拐颈铣削工序)的形状误差。

结语

以上所介绍的是拐颈磨削工序最常遇到的几个问题。在实际加工过程中,前边所列举的各种问题、误差不一定是单独存在的,很有可能是互相关联交叉出现,如平面度误差过大也有可能导致偏磨或“黑皮”,定位销磨损对平面度也会有影响等。

一般来说,上述问题大都是由夹具定位元件或其他相关元件失准引起,在实际生产当中属于常见典型现象,但若不能掌握其发生的内在规律,就会陷入被动境地,解决起来无从下手。另外,加工中出现的问题可能千变万化,应做到举一反三,具体问题具体分析。