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曲軸磨床加工方式探討
閱讀：4862 發(fā)布時(shí)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(bǔ)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(shè)計(jì)原理及邏輯結(jié)構(gòu)是值得深入學(xué)習(xí)和研究的。
現(xiàn)代優(yōu)化設(shè)計(jì)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(chǎn)量，每一種型號的高速切削磨床都設(shè)計(jì)并安裝有各具特色的平臺和砂輪架。
現(xiàn)代先進(jìn)的擺動跟蹤磨床能夠完成曲軸加工的幾乎各項(xiàng)磨削任務(wù)，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(jīng)過淬火的圓角。另外，該種機(jī)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(jī)床類型的組合，借助高速切削機(jī)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(jìn)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(zhǔn)進(jìn)行連桿頸的磨削。隨著數(shù)控技術(shù)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(zhǔn)，大幅度簡化了設(shè)備的夾具結(jié)構(gòu)。隨著該技術(shù)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(shí)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(jié)構(gòu)
現(xiàn)代磨床的夾具結(jié)構(gòu)特點(diǎn)實(shí)現(xiàn)了一次裝夾完成所有曲軸軸頸加工，這種結(jié)構(gòu)特點(diǎn)擺脫了過去連桿頸及主軸頸分別加工的歷史。高速磨削機(jī)床的夾具特點(diǎn)如下：
（1）尾座*使用液壓缸加彈簧*由于曲軸在滾壓時(shí)，每一件零件的伸長率不同，其長度波動誤差可達(dá)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(shè)計(jì)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(jié)構(gòu)，而勇克設(shè)計(jì)的夾具通過卡爪的彈性設(shè)計(jì)，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(shè)計(jì)為達(dá)到更高的加工精度，夾具的動作過程設(shè)計(jì)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(zhuǎn)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(zhǔn)軸面→夾緊中心支架→完成其他軸頸精磨。
兩處關(guān)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(guān)鍵動作：一是“松開卡盤轉(zhuǎn)低壓夾緊壓力”用兩段壓力進(jìn)行加工，有效地減少了由于夾緊力變形、粗加工后應(yīng)力釋放等造成的加工質(zhì)量問題，這種方式在車床加工中很常見，但在磨削加工中應(yīng)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(zhǔn)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(zhì)量問題。
曲軸加工磨削質(zhì)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(jìn)給方式，粗加工結(jié)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(jìn)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(zhuǎn)動軸）的動作都是獨(dú)立按照規(guī)定好的速度進(jìn)行。
（2）分段磨削加工方式所謂的分段磨削方式是零件每轉(zhuǎn)一周砂輪去除固定的余量，X軸與C軸的動作是相互關(guān)聯(lián)的，分段磨削方式粗磨時(shí)加工余量大，去除余量速度是恒速進(jìn)給的兩倍以上。以下為該磨床采用分段進(jìn)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(zhuǎn)*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(shí)現(xiàn)，所以這樣的方式在基于CBN材質(zhì)砂輪的基礎(chǔ)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(zhì)量穩(wěn)定
一般切削液控制方式采用固定減壓閥進(jìn)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(jìn)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(shí)現(xiàn)NC控制切削液壓力，在不同的磨削階段采用相應(yīng)的壓力進(jìn)行加工，并實(shí)時(shí)進(jìn)行壓力反饋，有效提升加工質(zhì)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(yīng)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(zhì)量不穩(wěn)定。為克服質(zhì)量提升的難關(guān)，高速切削磨床采用了更為有效的加工工藝設(shè)計(jì)。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(shí)，由于中心支架與隨動測頭有干涉，加工時(shí)中心支架不能夠夾到軸頸2上支承，因此加工該軸頸時(shí)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(bǔ)償
磨床的補(bǔ)償讓曲軸的磨削質(zhì)量得以提升，而實(shí)現(xiàn)補(bǔ)償?shù)闹饕Τ紕t是該磨床采用了隨動測頭對工件進(jìn)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(chǔ)上，測頭自己的補(bǔ)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(jì)算出半徑。
那么，經(jīng)過換算B=（R-sinɑR）/sinɑ，B值是經(jīng)過MASTER校零后得來的。由此可見，當(dāng)測頭的測量值變大時(shí)（即測針向下移B值變大時(shí)），所測量出的直徑偏大，反之則為小值。
2.測頭補(bǔ)償邏輯
現(xiàn)代先進(jìn)高速切削磨床采用的測頭補(bǔ)償邏輯，讓整個加工過程中的加工質(zhì)量得到了保證，同時(shí)為了保證監(jiān)控值的精密度，機(jī)床MARPOSS總共設(shè)有11個測量補(bǔ)償值，對每一個軸頸的加工尺寸進(jìn)行了監(jiān)控和反饋。設(shè)置9個測量項(xiàng)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(zhì)量的好壞關(guān)系到磨床加工零件質(zhì)量的好壞，因?yàn)镃BN涂層造價(jià)昂貴，其修整不能按普通砂輪一樣進(jìn)行大切削量的修整，因此大部分先進(jìn)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(diào)整砂輪修整的形狀，如：錐度、凹凸?fàn)畹取?br />
砂輪與金剛輪經(jīng)運(yùn)轉(zhuǎn)，產(chǎn)生了超聲波，超聲波通過監(jiān)控，將信號轉(zhuǎn)換成控制脈沖信號，從而控制了砂輪修整質(zhì)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(zhǔn)確。
為了找到砂輪與金剛輪的接觸點(diǎn)，過程中花了大量的時(shí)間進(jìn)行接近循環(huán)，為了實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)，現(xiàn)代磨床設(shè)計(jì)的修整程序中均設(shè)定了一個記憶點(diǎn)。當(dāng)*次修整砂輪成功后，砂輪與金剛輪接觸點(diǎn)會記錄在記憶參數(shù)中，若下次再進(jìn)行修整，即可快速接近到該點(diǎn)，提率。同時(shí)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(diǎn)中所記錄的偏置將清零，修整從程序中設(shè)定的zui遠(yuǎn)點(diǎn)開始接近，這樣的程序設(shè)計(jì)為砂輪修整節(jié)約很多時(shí)間。
使用CBN砂輪進(jìn)行高速切削的現(xiàn)代磨床，無論從技術(shù)上，還是設(shè)計(jì)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(shù)及邏輯，讓高速切削磨床從眾多磨床生產(chǎn)模式中脫穎而出，成為磨床技術(shù)的轉(zhuǎn)折點(diǎn)。從夾具、控制邏輯到反饋信號的使用，讓整臺機(jī)床的功能更加的完整，使運(yùn)行更精密、更。
現(xiàn)代優(yōu)化設(shè)計(jì)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(chǎn)量，每一種型號的高速切削磨床都設(shè)計(jì)并安裝有各具特色的平臺和砂輪架。
現(xiàn)代先進(jìn)的擺動跟蹤磨床能夠完成曲軸加工的幾乎各項(xiàng)磨削任務(wù)，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(jīng)過淬火的圓角。另外，該種機(jī)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(jī)床類型的組合，借助高速切削機(jī)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(jìn)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(zhǔn)進(jìn)行連桿頸的磨削。隨著數(shù)控技術(shù)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(zhǔn)，大幅度簡化了設(shè)備的夾具結(jié)構(gòu)。隨著該技術(shù)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(shí)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(jié)構(gòu)
現(xiàn)代磨床的夾具結(jié)構(gòu)特點(diǎn)實(shí)現(xiàn)了一次裝夾完成所有曲軸軸頸加工，這種結(jié)構(gòu)特點(diǎn)擺脫了過去連桿頸及主軸頸分別加工的歷史。高速磨削機(jī)床的夾具特點(diǎn)如下：
（1）尾座*使用液壓缸加彈簧*由于曲軸在滾壓時(shí)，每一件零件的伸長率不同，其長度波動誤差可達(dá)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(shè)計(jì)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(jié)構(gòu)，而勇克設(shè)計(jì)的夾具通過卡爪的彈性設(shè)計(jì)，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(shè)計(jì)為達(dá)到更高的加工精度，夾具的動作過程設(shè)計(jì)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(zhuǎn)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(zhǔn)軸面→夾緊中心支架→完成其他軸頸精磨。
兩處關(guān)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(guān)鍵動作：一是“松開卡盤轉(zhuǎn)低壓夾緊壓力”用兩段壓力進(jìn)行加工，有效地減少了由于夾緊力變形、粗加工后應(yīng)力釋放等造成的加工質(zhì)量問題，這種方式在車床加工中很常見，但在磨削加工中應(yīng)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(zhǔn)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(zhì)量問題。
曲軸加工磨削質(zhì)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(jìn)給方式，粗加工結(jié)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(jìn)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(zhuǎn)動軸）的動作都是獨(dú)立按照規(guī)定好的速度進(jìn)行。
（2）分段磨削加工方式所謂的分段磨削方式是零件每轉(zhuǎn)一周砂輪去除固定的余量，X軸與C軸的動作是相互關(guān)聯(lián)的，分段磨削方式粗磨時(shí)加工余量大，去除余量速度是恒速進(jìn)給的兩倍以上。以下為該磨床采用分段進(jìn)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(zhuǎn)*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(shí)現(xiàn)，所以這樣的方式在基于CBN材質(zhì)砂輪的基礎(chǔ)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(zhì)量穩(wěn)定
一般切削液控制方式采用固定減壓閥進(jìn)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(jìn)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(shí)現(xiàn)NC控制切削液壓力，在不同的磨削階段采用相應(yīng)的壓力進(jìn)行加工，并實(shí)時(shí)進(jìn)行壓力反饋，有效提升加工質(zhì)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(yīng)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(zhì)量不穩(wěn)定。為克服質(zhì)量提升的難關(guān)，高速切削磨床采用了更為有效的加工工藝設(shè)計(jì)。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(shí)，由于中心支架與隨動測頭有干涉，加工時(shí)中心支架不能夠夾到軸頸2上支承，因此加工該軸頸時(shí)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(bǔ)償
磨床的補(bǔ)償讓曲軸的磨削質(zhì)量得以提升，而實(shí)現(xiàn)補(bǔ)償?shù)闹饕Τ紕t是該磨床采用了隨動測頭對工件進(jìn)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(chǔ)上，測頭自己的補(bǔ)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(jì)算出半徑。
那么，經(jīng)過換算B=（R-sinɑR）/sinɑ，B值是經(jīng)過MASTER校零后得來的。由此可見，當(dāng)測頭的測量值變大時(shí)（即測針向下移B值變大時(shí)），所測量出的直徑偏大，反之則為小值。
2.測頭補(bǔ)償邏輯
現(xiàn)代先進(jìn)高速切削磨床采用的測頭補(bǔ)償邏輯，讓整個加工過程中的加工質(zhì)量得到了保證，同時(shí)為了保證監(jiān)控值的精密度，機(jī)床MARPOSS總共設(shè)有11個測量補(bǔ)償值，對每一個軸頸的加工尺寸進(jìn)行了監(jiān)控和反饋。設(shè)置9個測量項(xiàng)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(zhì)量的好壞關(guān)系到磨床加工零件質(zhì)量的好壞，因?yàn)镃BN涂層造價(jià)昂貴，其修整不能按普通砂輪一樣進(jìn)行大切削量的修整，因此大部分先進(jìn)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(diào)整砂輪修整的形狀，如：錐度、凹凸?fàn)畹取?br />
砂輪與金剛輪經(jīng)運(yùn)轉(zhuǎn)，產(chǎn)生了超聲波，超聲波通過監(jiān)控，將信號轉(zhuǎn)換成控制脈沖信號，從而控制了砂輪修整質(zhì)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(zhǔn)確。
為了找到砂輪與金剛輪的接觸點(diǎn)，過程中花了大量的時(shí)間進(jìn)行接近循環(huán)，為了實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)，現(xiàn)代磨床設(shè)計(jì)的修整程序中均設(shè)定了一個記憶點(diǎn)。當(dāng)*次修整砂輪成功后，砂輪與金剛輪接觸點(diǎn)會記錄在記憶參數(shù)中，若下次再進(jìn)行修整，即可快速接近到該點(diǎn)，提率。同時(shí)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(diǎn)中所記錄的偏置將清零，修整從程序中設(shè)定的zui遠(yuǎn)點(diǎn)開始接近，這樣的程序設(shè)計(jì)為砂輪修整節(jié)約很多時(shí)間。
使用CBN砂輪進(jìn)行高速切削的現(xiàn)代磨床，無論從技術(shù)上，還是設(shè)計(jì)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(shù)及邏輯，讓高速切削磨床從眾多磨床生產(chǎn)模式中脫穎而出，成為磨床技術(shù)的轉(zhuǎn)折點(diǎn)。從夾具、控制邏輯到反饋信號的使用，讓整臺機(jī)床的功能更加的完整，使運(yùn)行更精密、更。