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曲軸磨床加工方式探討
閱讀：4859 發(fā)布時間：2013-11-1
目前，上主流的曲軸外圓高速磨床大多采用帶測頭自動補償功能的CBN隨動磨床，隨著CBN材料刀具的逐步使用以及加工邏輯的優(yōu)化與提升，曲軸高速磨削不再是夢想，因此多種高速磨削的設計原理及邏輯結構是值得深入學習和研究的。
現(xiàn)代優(yōu)化設計擺動跟蹤磨床為曲軸的整體加工提供了多種解決方案。零件類型涵蓋了從單缸到12缸的所有曲軸品種。根據(jù)加工方式和要求的產量，每一種型號的高速切削磨床都設計并安裝有各具特色的平臺和砂輪架。
現(xiàn)代先進的擺動跟蹤磨床能夠完成曲軸加工的幾乎各項磨削任務，可以在一次裝夾中完成主軸頸（圓柱形、凸面和凹面）和連桿軸頸（圓柱形、球面、凸面和凹面）磨削，也可以磨削經過淬火的圓角。另外，該種機床還可以在工藝上將其與其他種類的磨削工藝任意組合。根據(jù)機床類型的組合，借助高速切削機床可完成對定位軸頸、凸緣和曲軸小端軸頸的磨削。
1.老式曲軸主軸頸連桿頸加工工藝安排
在擺動磨削工藝出現(xiàn)之前，曲軸連桿頸與主軸頸的加工通常分為兩個工序完成，先采用中心孔定位進行主軸頸的磨削，再利用已完成加工的主軸頸作為定位偏心基準進行連桿頸的磨削。隨著數(shù)控技術的發(fā)展，磨床出現(xiàn)擺動磨削方式，曲軸連桿頸的加工工藝也隨之發(fā)生變化，其定位以主軸頸中心為定位基準，大幅度簡化了設備的夾具結構。隨著該技術的不斷發(fā)展，隨動磨床能夠完成主軸頸與連桿頸的所有加工。德國JUCRANK10-10磨床就是一款能實現(xiàn)一次裝夾完成所有軸頸加工的隨動磨床。
2.高速切削磨床夾具結構
現(xiàn)代磨床的夾具結構特點實現(xiàn)了一次裝夾完成所有曲軸軸頸加工，這種結構特點擺脫了過去連桿頸及主軸頸分別加工的歷史。高速磨削機床的夾具特點如下：
（1）尾座*使用液壓缸加彈簧*由于曲軸在滾壓時，每一件零件的伸長率不同，其長度波動誤差可達到0.4mm，采用彈簧*能有效避免由于來料長度不一致造成的夾緊變形。
（2）罕見的卡爪彈性設計常見的浮動卡盤通常在卡盤與主軸的連接部分采用彈性結構，而勇克設計的夾具通過卡爪的彈性設計，用zui低的成本消除卡盤過定位，如圖1、圖2所示。
（3）周密的夾具過程動作設計為達到更高的加工精度，夾具的動作過程設計周密。加工過程中夾具動作過程為：頭架頂緊零件一端→尾架*頂緊→卡盤夾緊→粗加工中心支架夾緊軸頸→夾緊中心支架→粗磨各軸頸→松開卡盤轉低壓夾緊壓力→以低壓壓力再次夾緊卡盤→松開中心支架；精磨中心支架基準軸面→夾緊中心支架→完成其他軸頸精磨。
兩處關鍵的夾具動作造就了CBN高速切削磨床的與眾不同。以上動作順序有兩處關鍵動作：一是“松開卡盤轉低壓夾緊壓力”用兩段壓力進行加工，有效地減少了由于夾緊力變形、粗加工后應力釋放等造成的加工質量問題，這種方式在車床加工中很常見，但在磨削加工中應用很少；二是粗加工與精加工夾持的中心支架分別采用不同加工精度的基準面，減少了由于中心支架夾緊面精度不好造成的加工零件質量問題。
曲軸加工磨削質量的保證
1.采用分段式磨削大幅度提高工作效率
（1）常用的磨削加工方式外圓磨削加工是zui常見的磨削加工方式。它的磨削原理是采用徑向恒速進給方式，粗加工結束后根據(jù)測頭反饋的加工余量切換不同的切削用量，直到測頭反饋加工合格后進行修光、修圓，每一個加工余階段給一個特定的切削用量，整個加工過程X軸與C軸（零件轉動軸）的動作都是獨立按照規(guī)定好的速度進行。
（2）分段磨削加工方式所謂的分段磨削方式是零件每轉一周砂輪去除固定的余量，X軸與C軸的動作是相互關聯(lián)的，分段磨削方式粗磨時加工余量大，去除余量速度是恒速進給的兩倍以上。以下為該磨床采用分段進給的例子：
粗磨主軸頸加工方式為不用中心支架，本步驟加工，零件轉*周去掉0.7mm余量，粗加工后留下0.08mm精加工余量。
分段加工方式的粗加工zui大去除余量為0.7mm，如此大的余量采用傳統(tǒng)的氧化鋁砂輪難以實現(xiàn)，所以這樣的方式在基于CBN材質砂輪的基礎上，大幅度提升了加工效率。未來CBN砂輪分段磨削方式有代替車削粗加工的趨勢。
2.采用程序自動控制的切削液供給系統(tǒng)確保加工質量穩(wěn)定
一般切削液控制方式采用固定減壓閥進行壓力控制，因此得到的切削液壓力級別有限，帶測量反饋磨床大多數(shù)采用兩級冷卻壓力，高壓用于粗磨，低壓用于精磨。使用低冷卻壓力進行精磨主要是考慮到高的冷卻壓力會有大振動和沖擊力，影響加工和測頭的測量。而高速切削磨床采用的無級冷卻壓力控制方式，可以實現(xiàn)NC控制切削液壓力，在不同的磨削階段采用相應的壓力進行加工，并實時進行壓力反饋，有效提升加工質量的穩(wěn)定性。
3.不同軸頸的加工工藝
不同軸頸采用不同加工工藝，應對加工過程中零件不同變形，提高軸頸加工精度。
此前接觸的隨動磨床，對加工尺寸相同的軸頸往往采用相同的加工工藝，這樣的方式受到各部位零件剛性的影響，從而造成加工的質量不穩(wěn)定。為克服質量提升的難關，高速切削磨床采用了更為有效的加工工藝設計。對于不同軸頸位置采用不同的磨削方式，如：加工主軸頸2和主軸頸5時，由于中心支架與隨動測頭有干涉，加工時中心支架不能夠夾到軸頸2上支承，因此加工該軸頸時的工藝明顯不同于其他帶中心支架的軸頸。而加工第1和第4主軸頸，因這兩個軸頸靠近夾具，剛性好，所以采用3圈去除所有余量。
隨動測頭動態(tài)監(jiān)控補償
磨床的補償讓曲軸的磨削質量得以提升，而實現(xiàn)補償?shù)闹饕Τ紕t是該磨床采用了隨動測頭對工件進行測量，地反饋了工件加工狀態(tài)。而在隨動測頭投入使用的基礎上，測頭自己的補償邏輯，兩者的高密度配合，讓高速度、高精度的曲軸加工不再是理想。
1.隨動測頭測量原理
B和角度ɑ是已知的，由公式：sinɑ=R/（R+B），可以計算出半徑。
那么，經過換算B=（R-sinɑR）/sinɑ，B值是經過MASTER校零后得來的。由此可見，當測頭的測量值變大時（即測針向下移B值變大時），所測量出的直徑偏大，反之則為小值。
2.測頭補償邏輯
現(xiàn)代先進高速切削磨床采用的測頭補償邏輯，讓整個加工過程中的加工質量得到了保證，同時為了保證監(jiān)控值的精密度，機床MARPOSS總共設有11個測量補償值，對每一個軸頸的加工尺寸進行了監(jiān)控和反饋。設置9個測量項分別控制零件9個軸頸的精磨zui終尺寸。
砂輪修整
砂輪修整質量的好壞關系到磨床加工零件質量的好壞，因為CBN涂層造價昂貴，其修整不能按普通砂輪一樣進行大切削量的修整，因此大部分先進的CBN磨床都采用超聲波監(jiān)控，微量修整的方式，每次的修整量為0.015mm，可根據(jù)需求的零件形狀調整砂輪修整的形狀，如：錐度、凹凸狀等。
砂輪與金剛輪經運轉，產生了超聲波，超聲波通過監(jiān)控，將信號轉換成控制脈沖信號，從而控制了砂輪修整質量。修整砂輪的信號反饋及優(yōu)化涉及的砂輪修整邏輯讓砂輪修整更加精密準確。
為了找到砂輪與金剛輪的接觸點，過程中花了大量的時間進行接近循環(huán)，為了實現(xiàn)生產，現(xiàn)代磨床設計的修整程序中均設定了一個記憶點。當*次修整砂輪成功后，砂輪與金剛輪接觸點會記錄在記憶參數(shù)中，若下次再進行修整，即可快速接近到該點，提率。同時為了防錯，如果在下次修整前修改過任何砂輪與金剛輪的參數(shù)，此記憶點中所記錄的偏置將清零，修整從程序中設定的zui遠點開始接近，這樣的程序設計為砂輪修整節(jié)約很多時間。
使用CBN砂輪進行高速切削的現(xiàn)代磨床，無論從技術上，還是設計邏輯上都是磨床制造的重大突破。通過解析及研究不難發(fā)現(xiàn)，新型磨床大膽采用的采樣技術及邏輯，讓高速切削磨床從眾多磨床生產模式中脫穎而出，成為磨床技術的轉折點。從夾具、控制邏輯到反饋信號的使用，讓整臺機床的功能更加的完整，使運行更精密、更。
現(xiàn)代優(yōu)化設計擺動跟蹤磨床為曲軸的整體加工提供了多種解決方案。零件類型涵蓋了從單缸到12缸的所有曲軸品種。根據(jù)加工方式和要求的產量，每一種型號的高速切削磨床都設計并安裝有各具特色的平臺和砂輪架。
現(xiàn)代先進的擺動跟蹤磨床能夠完成曲軸加工的幾乎各項磨削任務，可以在一次裝夾中完成主軸頸（圓柱形、凸面和凹面）和連桿軸頸（圓柱形、球面、凸面和凹面）磨削，也可以磨削經過淬火的圓角。另外，該種機床還可以在工藝上將其與其他種類的磨削工藝任意組合。根據(jù)機床類型的組合，借助高速切削機床可完成對定位軸頸、凸緣和曲軸小端軸頸的磨削。
1.老式曲軸主軸頸連桿頸加工工藝安排
在擺動磨削工藝出現(xiàn)之前，曲軸連桿頸與主軸頸的加工通常分為兩個工序完成，先采用中心孔定位進行主軸頸的磨削，再利用已完成加工的主軸頸作為定位偏心基準進行連桿頸的磨削。隨著數(shù)控技術的發(fā)展，磨床出現(xiàn)擺動磨削方式，曲軸連桿頸的加工工藝也隨之發(fā)生變化，其定位以主軸頸中心為定位基準，大幅度簡化了設備的夾具結構。隨著該技術的不斷發(fā)展，隨動磨床能夠完成主軸頸與連桿頸的所有加工。德國JUCRANK10-10磨床就是一款能實現(xiàn)一次裝夾完成所有軸頸加工的隨動磨床。
2.高速切削磨床夾具結構
現(xiàn)代磨床的夾具結構特點實現(xiàn)了一次裝夾完成所有曲軸軸頸加工，這種結構特點擺脫了過去連桿頸及主軸頸分別加工的歷史。高速磨削機床的夾具特點如下：
（1）尾座*使用液壓缸加彈簧*由于曲軸在滾壓時，每一件零件的伸長率不同，其長度波動誤差可達到0.4mm，采用彈簧*能有效避免由于來料長度不一致造成的夾緊變形。
（2）罕見的卡爪彈性設計常見的浮動卡盤通常在卡盤與主軸的連接部分采用彈性結構，而勇克設計的夾具通過卡爪的彈性設計，用zui低的成本消除卡盤過定位，如圖1、圖2所示。
（3）周密的夾具過程動作設計為達到更高的加工精度，夾具的動作過程設計周密。加工過程中夾具動作過程為：頭架頂緊零件一端→尾架*頂緊→卡盤夾緊→粗加工中心支架夾緊軸頸→夾緊中心支架→粗磨各軸頸→松開卡盤轉低壓夾緊壓力→以低壓壓力再次夾緊卡盤→松開中心支架；精磨中心支架基準軸面→夾緊中心支架→完成其他軸頸精磨。
兩處關鍵的夾具動作造就了CBN高速切削磨床的與眾不同。以上動作順序有兩處關鍵動作：一是“松開卡盤轉低壓夾緊壓力”用兩段壓力進行加工，有效地減少了由于夾緊力變形、粗加工后應力釋放等造成的加工質量問題，這種方式在車床加工中很常見，但在磨削加工中應用很少；二是粗加工與精加工夾持的中心支架分別采用不同加工精度的基準面，減少了由于中心支架夾緊面精度不好造成的加工零件質量問題。
曲軸加工磨削質量的保證
1.采用分段式磨削大幅度提高工作效率
（1）常用的磨削加工方式外圓磨削加工是zui常見的磨削加工方式。它的磨削原理是采用徑向恒速進給方式，粗加工結束后根據(jù)測頭反饋的加工余量切換不同的切削用量，直到測頭反饋加工合格后進行修光、修圓，每一個加工余階段給一個特定的切削用量，整個加工過程X軸與C軸（零件轉動軸）的動作都是獨立按照規(guī)定好的速度進行。
（2）分段磨削加工方式所謂的分段磨削方式是零件每轉一周砂輪去除固定的余量，X軸與C軸的動作是相互關聯(lián)的，分段磨削方式粗磨時加工余量大，去除余量速度是恒速進給的兩倍以上。以下為該磨床采用分段進給的例子：
粗磨主軸頸加工方式為不用中心支架，本步驟加工，零件轉*周去掉0.7mm余量，粗加工后留下0.08mm精加工余量。
分段加工方式的粗加工zui大去除余量為0.7mm，如此大的余量采用傳統(tǒng)的氧化鋁砂輪難以實現(xiàn)，所以這樣的方式在基于CBN材質砂輪的基礎上，大幅度提升了加工效率。未來CBN砂輪分段磨削方式有代替車削粗加工的趨勢。
2.采用程序自動控制的切削液供給系統(tǒng)確保加工質量穩(wěn)定
一般切削液控制方式采用固定減壓閥進行壓力控制，因此得到的切削液壓力級別有限，帶測量反饋磨床大多數(shù)采用兩級冷卻壓力，高壓用于粗磨，低壓用于精磨。使用低冷卻壓力進行精磨主要是考慮到高的冷卻壓力會有大振動和沖擊力，影響加工和測頭的測量。而高速切削磨床采用的無級冷卻壓力控制方式，可以實現(xiàn)NC控制切削液壓力，在不同的磨削階段采用相應的壓力進行加工，并實時進行壓力反饋，有效提升加工質量的穩(wěn)定性。
3.不同軸頸的加工工藝
不同軸頸采用不同加工工藝，應對加工過程中零件不同變形，提高軸頸加工精度。
此前接觸的隨動磨床，對加工尺寸相同的軸頸往往采用相同的加工工藝，這樣的方式受到各部位零件剛性的影響，從而造成加工的質量不穩(wěn)定。為克服質量提升的難關，高速切削磨床采用了更為有效的加工工藝設計。對于不同軸頸位置采用不同的磨削方式，如：加工主軸頸2和主軸頸5時，由于中心支架與隨動測頭有干涉，加工時中心支架不能夠夾到軸頸2上支承，因此加工該軸頸時的工藝明顯不同于其他帶中心支架的軸頸。而加工第1和第4主軸頸，因這兩個軸頸靠近夾具，剛性好，所以采用3圈去除所有余量。
隨動測頭動態(tài)監(jiān)控補償
磨床的補償讓曲軸的磨削質量得以提升，而實現(xiàn)補償?shù)闹饕Τ紕t是該磨床采用了隨動測頭對工件進行測量，地反饋了工件加工狀態(tài)。而在隨動測頭投入使用的基礎上，測頭自己的補償邏輯，兩者的高密度配合，讓高速度、高精度的曲軸加工不再是理想。
1.隨動測頭測量原理
B和角度ɑ是已知的，由公式：sinɑ=R/（R+B），可以計算出半徑。
那么，經過換算B=（R-sinɑR）/sinɑ，B值是經過MASTER校零后得來的。由此可見，當測頭的測量值變大時（即測針向下移B值變大時），所測量出的直徑偏大，反之則為小值。
2.測頭補償邏輯
現(xiàn)代先進高速切削磨床采用的測頭補償邏輯，讓整個加工過程中的加工質量得到了保證，同時為了保證監(jiān)控值的精密度，機床MARPOSS總共設有11個測量補償值，對每一個軸頸的加工尺寸進行了監(jiān)控和反饋。設置9個測量項分別控制零件9個軸頸的精磨zui終尺寸。
砂輪修整
砂輪修整質量的好壞關系到磨床加工零件質量的好壞，因為CBN涂層造價昂貴，其修整不能按普通砂輪一樣進行大切削量的修整，因此大部分先進的CBN磨床都采用超聲波監(jiān)控，微量修整的方式，每次的修整量為0.015mm，可根據(jù)需求的零件形狀調整砂輪修整的形狀，如：錐度、凹凸狀等。
砂輪與金剛輪經運轉，產生了超聲波，超聲波通過監(jiān)控，將信號轉換成控制脈沖信號，從而控制了砂輪修整質量。修整砂輪的信號反饋及優(yōu)化涉及的砂輪修整邏輯讓砂輪修整更加精密準確。
為了找到砂輪與金剛輪的接觸點，過程中花了大量的時間進行接近循環(huán)，為了實現(xiàn)生產，現(xiàn)代磨床設計的修整程序中均設定了一個記憶點。當*次修整砂輪成功后，砂輪與金剛輪接觸點會記錄在記憶參數(shù)中，若下次再進行修整，即可快速接近到該點，提率。同時為了防錯，如果在下次修整前修改過任何砂輪與金剛輪的參數(shù)，此記憶點中所記錄的偏置將清零，修整從程序中設定的zui遠點開始接近，這樣的程序設計為砂輪修整節(jié)約很多時間。
使用CBN砂輪進行高速切削的現(xiàn)代磨床，無論從技術上，還是設計邏輯上都是磨床制造的重大突破。通過解析及研究不難發(fā)現(xiàn)，新型磨床大膽采用的采樣技術及邏輯，讓高速切削磨床從眾多磨床生產模式中脫穎而出，成為磨床技術的轉折點。從夾具、控制邏輯到反饋信號的使用，讓整臺機床的功能更加的完整，使運行更精密、更。