曲轴主轴颈径向圆跳动误差的试验研究

魔神

    

在机械加工中，由于工艺系统的复杂性，往往很难从工艺系统本身的物理性质来确定系统对加工精度的影响。虽然在某些特殊情况下可以建立一些关系式，但这些关系式都是在理想化的条件下导出的，因此多数情况难以通过试验加以验证。考虑到在实际加工过程中影响加工质量的因素众多，且有许多因素是不可知或不可控的，这时我们不妨将工艺系统作为一个整体来看待，并从整体上研究系统对加工质量的影响。此时可以把零件加工前后的误差视为系统的输入和输出，并完全抛开对系统内部结构的研究，而将工艺系统视为“黑箱”来处理。这就引出了工艺链的基本理论。

所谓工艺链，就是为了使工件获得一定的尺寸、形状、位置精度、表面粗糙度而在工件下完成的一连串工序，对于每一道工序，我们所关心的是输出误差值与输入误差值之间的关系。在工艺链中，前一工序的输出误差就是后一工序的输入误差，而整个工艺链通过每个工序将输入误差变为输出误差，一步步减小误差值，最后使其达到所要求的误差范围。

曲轴是发动机中重要零件之一，其服役环境条件较差。根据实际要求，除对尺寸等公差提出较高精度要求外，还对主轴颈的径向圆跳动误差提出了很高的要求，如图1所示，跳动允差为0.03mm，然而从生产实践中我们发现，由于曲轴较长，自身重量较大，再加上曲轴的“曲折性”，因此刚性较差。在加工过程中容易产生挠性弯曲，导致加工时径向圆跳动超差。另外，曲轴在氮化期间，由于炉温较高(570℃±5℃) ，而且保温时间较长(6小时左右)，也易产生弯曲变形，导致曲轴径向圆跳动超差。

图1 曲轴简图(495Q型)

曲轴径向圆跳动超差会严重影响发动机的主机性能，加剧轴颈的磨损，致使轴瓦损伤，最终使零件失效。目前在生产实际中，对氮化后的曲轴逐一测量主轴颈径向跳动值，误差在0.05mm以上的采用冷校直的方法来修正。对跳动量较大的曲轴允许两次校直。曲轴氮化后冷校直存在明显的不足：一是冷校直存在较大的应力集中(虽经时效处理也不能完全去除应力)，在发动机内工作时受力与热的作用将恢复径向变形；二是冷校直降低了曲轴的疲劳强度。实践证明，曲轴冷校直是造成发动机断轴的重要原因之一。国内外许多发动机生产厂家已规定不允许或尽可能少的对曲轴进行冷校直。在这种情况下，研究如何控制和减小曲轴在加工过程中所产生的径向圆跳动误差，对于提高曲轴质量、延长使用寿命具有重要的实际意义。

1 曲轴径向圆跳动误差的试验与分析

根据工艺链理论，对于工艺链中的每一个工序，输出与输入误差之间大都存在着线性相关的关系。对于第n道工序，其输出误差e_oj与输入误差e_ij之间的关系可表示成

eoj=hjeij+ej

(1)

对于曲轴第n道工序加工后的径向圆跳动误差可改写成

d→oj=hj×d→ij+d→j

(2)

式中：d→_oj为第n道工序加工后的径向圆跳动误差；h_j×d→_ij本工序的部分误差，其中h_j为遗传系数；d→_j为由本工序自身产生的径向圆跳动误差。

下面对与曲轴径向圆跳动误差有影响的几道工序做工艺试验、分析误差产生的类型及遗传方式。

1. 试验条件
   以495Q型曲轴(图1)作为试验对象，选择在生产现场做工艺试验，以便数据更贴合生产实际。曲轴径向圆跳动误差数值均为第三主轴颈的测量值。
2. 试验结果及分
   1. 表1是对20根曲轴精车主轴颈前后径向圆跳动误差大小和方向的测量值。精车前误差是车中径(第三主轴颈)的输出误差。由表1可以看出：精车主轴颈后曲轴径向圆跳动误差总体上是增大的，这说明该工序后的曲轴径向圆跳动误差既有上道工序的遗传，又有工序本身产生的误差。
   2. 表2是对曲轴大小头进行精车前后径向圆跳动误差的测量值。精车前误差是精车主轴颈的输出误差。由表2可看出：该工序前后误差的大小和方向基本上没发生什么变化，这说明该工序加工后没有生产新的误差，而上道工序的误差几乎全部遗传到了本工序。

      表1 曲轴精车主轴颈前后径向圆跳动误差(mm) 序号 曲轴铸号 精车前误差 精车后误差 1 599050945* 0.1525° 0.2560° 2 599050841 0.2040° 0.2770° 3 599050863 0.1755° 0.2375° 4 599050861 0.25120° 0.3480° 5 599050742 0.30120° 0.38110° 6 599051146 0.2870° 0.2370° 7 599050761 0.3520° 0.4540° 8 599050843 0.3960° 0.42105° 9 599051159 0.37300° 0.45210° 10 599051047 0.38105° 0.4285° 11 599050844 0.4175° 0.4535° 12 599050642 0.27175° 0.3565° 13 599051142 0.29340° 0.37190° 14 599051247 0.32120° 0.3960° 15 599051171 0.38195° 0.4585° 16 599051173 0.3170° 0.2570° 17 599050864 0.27230° 0.3970° 18 599050862 0.10255° 0.2530° 19 599051046 0.21290° 0.31170° 20 599050927 0.1850° 0.2510° 注：*：铸号599050945系铸5班1999年5月8日所铸第4包铁水中第5条曲轴；表中下标角度是指跳动最大数值所在位置。

      表2 曲轴精车大小头前后径向圈跳动误差(mm) 序号 曲轴铸号 精车前误差 精车后误差 1 599050845 0.2560° 0.2560° 2 599050841 0.2770° 0.2670° 3 599050863 0.2375° 0.2375° 4 599050861 0.3480° 0.3580° 5 599050742 0.38110° 0.38110° 6 5990501146 0.2370° 0.2370° 7 599050761 0.4540° 0.4540° 8 599050843 0.42105° 0.41105° 9 599051159 0.45210° 0.45210° 10 599051047 0.4265° 0.4285° 11 599050844 0.4535° 0.4535° 12 599050642 0.3565° 0.3565° 13 599051142 0.37190° 0.37190° 14 599051247 0.3960° 0.4060° 15 599051171 0.4585° 0.4585° 16 599051173 0.2570° 0.2570° 17 599050864 0.3970° 0.3970° 18 599050862 0.2530° 0.2530° 19 599051046 0.31170° 0.30170° 20 599050927 0.2510° 0.2510°

   3. 图2所示的是粗磨主轴颈前后曲轴径向圆跳动误差的变化情况。
      由图2可知：粗磨主轴颈前后．曲轴径向圆跳动误差值发生了很大变化(试验证明，误差方向也发生了很大变化)。通过仔细分析查明：粗磨主轴颈基本匕消除了上道工序的径向圆跳动误差，其现有误差是自身工艺系统产生的。
      

      图2 粗磨主轴颈前后的径向圆跳动误差

      图3 精磨主轴颈前后的径向圆跳动误差

   4. 图3 是精磨主轴颈前后，曲轴径向圆跳动误差情况。由图可知，其类型同试验上c。
      

      图4 氮化前后的径向圆跳动的误差

   5. 图4是曲轴氮化前后，其径向圆跳动误差的变化情况。
      由图4可知：氮化后的曲轴径向圆跳动误差基本上是增大的，而且个别变化幅度较大。经认真分析查明：氮化后的曲轴径向圆跳动误差，既有上道工序的遗传，又有工序本身产生的新误差，并且新误差占主导作用。
3. 试验总结
   通过对曲轴几个关键工序的试验结果表明，其中很多工序与曲轴径向圆跳动误差有关，而且不同工序所造成的影响程度不同，一般可分为以下三类：第一类：式(2 )中的d→_j=0 ，即d→_oj=h_j×d→_ij。也就是曲轴经该工序加工后的径向圆跳动误差为上道工序误差的遗传，其大小取决于上道工序的误差值及遗传系数h_j，而工序本身不产生误差。试验b属于这种情况，其中h_j=1。
   第二类：式(2)中的h_j×d→_ij=0，即d→_oj=d→_j。也就是曲轴经该工序加工后基本上消除了上道工序产生的径向圆跳动误差，具有很强的误差校正能力。同时本身产生了新的误差瓦，在一般情况下d→_j<d→_ij。试验c、d属于这种情况。
   第三类：d→_oj=h_j×d→_ij+d→_j。即曲轴经该工序加工后的径向圆跳动误差既有上道工序误差的遗传，又有工序木身产生的误差。试验a、e属于这种情况。
   实践证明，在绝大多数情况下，整个工艺过程的自有误差总是大于上一工序的遗传误差。因此应该把注意力集中到工艺过程的自由误差上。又由于遗传系数气通常总小于1．在自有误差项中，愈是后面的工序，对最后结果影响愈大。因此，减小曲轴径向圆跳动误差的关键在于减小最后几道工序(如精磨主轴颈、氮化等工序)的自有误差。

2 减小曲轴径向圆跳动误差的措施

根据以上试验过程和分析结果可知：要尽可能地减小曲轴径向圆跳动误差，提高精磨主轴颈工序的加工精度、严格氮化操作规程是解决问题的关键。砂轮磨钝或被磨屑堵塞及磨床顶尖调整力不当也是造成曲轴径向圆跳动超差的因素。

提高精磨主轴颈加工精度的方法有(这里仅指解决曲轴径向圆跳动的问题)：用机械开式中心架支撑曲轴磨削中径。磨削时应边调整边磨削以便能消除前面上序的跳动误差。另外，提高头、尾架主轴的精度也是减小曲轴径向圆跳动误差的重要措施。

砂轮磨钝或被磨屑堵塞如不及时修正，在磨削曲轴时会导致磨削力增大和表面质量下降(如烧伤等)，轴颈径向圆跳动误差随之增大。生产实践证明，精磨四拐曲轴时，每磨削两根曲轴时就必须修正一次砂轮。只有这样才能保持良好的磨削性能，减小磨削后的曲轴径向圆跳动误差。

试验证明，磨床顶尖顶紧力的大小也对磨削后曲轴径向圆跳动误差有影响。在生产中可采取试磨的方法来调整顶尖顶紧力的大小。

减小因氮化弯曲变形而造成的曲轴径向圆跳动超差的措施有：

1. 合理装炉。曲轴是长轴类零件，氮化时可采用垂直吊挂的方式，使其处于自然放松状态。若用托盘装曲轴，则一定要使曲轴处于垂直状态，间隔40mm以上，防止氮化时曲轴歪斜而产生弯曲变形。
2. 在氮化操作中，缓慢升温和均匀升温是减小和防止弯曲变形的重要一环。如升温速度过快，势必造成靠近炉罐的曲轴外侧温度高、内侧温度低，这样由于曲轴两侧存在温差，就势必会产生弯曲变形。
3. 考虑到曲轴在精车主轴颈与精车连杆颈时切削量大，容易造成较大的应力集中。可考虑在该工序之后对曲轴进行二次去应力回火，这样在氮化时弯曲变形就小一些。我们对六拐曲轴做过此类工艺试验，结果曲轴的氮化变形量明显减小。

此外，对曲轴毛坯存在的铸造内应力和正火应力也不容忽视，它也是造成曲轴在加工过程中弯曲变形的因素之一。应对毛坯采取去应力回火、振动时效等一系列工序措施。

3 结束语

综上所述，用工艺链理论分析法分析曲轴在加工过程中产生的径向圆跳动误差有一定的规律可循。利用这一规律可探求各工序误差的来源及工序前后的遗传关系，进而在生产实践中采取有效的工艺措施，以达到控制和减小曲轴径向圆跳动误差的目的。

【MechNet】