曲轴圆角滚压机床的设计与研究.pdf

主题汽拿御造技术I T o p i c s A u t o Ma n u f a c t u r i n g T e c h n o l o g y I I一 曲轴圆角滚压机床的设计与研究 张树礼 黄耀明 ①大连连城数控机器股份有限公司， 辽宁 大连 1 1 6 0 3 6； ②大连机床集 团有 限责任公司， 辽宁 大连 1 1 6 6 2 0 摘要 阐述 了用滚压 曲轴主轴颈和连杆颈圆角的方法 ， 来提高曲轴抗疲劳强度及使用寿命， 并介绍了滚压 机床的总体设计方案及关键部件的结构设计。 关键词 曲轴 圆角滚压滚压臂滚压轮 中图分类号 T H1 2 2 文献标识码 B De s i g n a n d r e s e a r c h o f c r a n k s h a f t f i l l e t r o l l i n g ma c h i n e ZHANG S h u l i ①② ， HUANG Ya o mi n g ② D a l i a n L i a n c h e n g C N C Ma c h i n e r y C o ． ， L t d ． ， D a l i a n 1 1 6 0 3 6， C H N； D a l i a n Ma c h i n e T o o l G r o u p C o r p ． ， D a l i a n 1 1 6 6 2 0， C H N Abs t r a c t Thi s a r t i c l e p r e s e nt s h o w t o i mp r o v e c r a n k s h a f t f a t i g u e s t r e n g t h a n d s e r v i e e l i f e b y me a n s o f r o l l i n g u n - d e r c u t s ．Th e n t h e a rti c l e i n t r o d uc e s t h e g e n e r a l d e s i g n s c h e me o f t he r o l l i ng ma c hi n e a n d t he s t r u c t ur e d e s i g n o f i t s k e y c o mp o n e nt s ． Ke y wo r dsCr a n ks ha f t ；F i l l e t Ro l l i n g；Ro l l i n g Ar m ；Ro l l i ng W h e e l 用滚压的方法加工 曲轴 圆角是上个世纪 7 0～ 8 O 年代兴起 的一种新技术。到 目前 ， 几乎所有 的轿车发 动机的曲轴均采用这种方法加工圆角。这种无屑加工 的方法 ， 不仅符合绿色环保的需要 ， 而且最关键 的是通 过滚压 ， 大大地提高了曲轴的抗疲劳强度 ， 增强了曲轴 的使用寿命。众所周知 ， 汽车发动机零件中， 曲轴是关 键零件之一 ， 在传递动力 的过程中， 它承受着交变载荷 的冲击 。这种交变载荷使 曲轴会产生 弯 曲和扭 曲变 形 ， 更易使曲轴连杆颈和主轴颈处造成疲劳断裂。而 采用滚压的方法加工 曲轴圆角 ， 就是利用滚轮的压力 作用 ， 在 曲轴 的主轴颈和连杆颈过渡 圆角处形成一条 滚压塑性变形带 ， 这条塑性变形带具有以下特点 1 产生 了残余压应力 ， 可与 曲轴在工作时 的拉 应力抵消或部分抵消 ， 从而提高疲劳强度。 2 硬度提高 ， 滚压使 圆角处形成高硬度 的致密 层 ， 使 曲轴的机械强度和疲劳强度得到提高。 3 表面粗糙度值减小， 圆角滚压可使圆角表面 粗糙度达到 R 0 ． 1 Ix m以下 ， 从而大大减小 了圆角处 的应力集中， 提高了疲劳强度。 曲轴圆角滚压工艺能大幅度提高曲轴疲劳寿命 的 原因在于金属表层在滚压力作用下， 当应力超过材料 的屈服极限时 ， 产生塑性变形 ， 发生冷作硬化 ， 使硬度 得以提高， 可使曲轴寿命增加 2 3 ％ 以上。正因为采用 滚压的方法有上述诸多优点 ， 这一工艺成了曲轴 圆角 加工的主流工艺， 滚压机床也随之诞生， 并越来越多地 取代 了传统机床用刀具车削曲轴主轴颈和连杆颈圆角 的方法 。曲轴 圆角滚压智能柔性加工机床是集机械 、 电子、 检测技术、 人工智能为一体化 的高技术 数控设 备 ， 在国外 ， 曲轴圆角滚压机床技术已经成熟 ， 滚压机 床 已广泛应用 。然而 ， 就 目前来讲 ， 我国生产滚压机床 的技术和水平与国外有着很大 的差距 ， 许多核心技术 还未真正掌握 ， 以至于国内曲轴生产厂 ， 大都从国外引 进该类机床。大连机床集 团与其在美 国的全资子公 司英格索尔 曲轴公 司联合开发的曲轴圆角滚压机 床， 打破了国内市场长期受国外机床厂商垄断的现象 ， 走 出了一条属于 自己的路。 1 机床 总体 方案的设计 滚压机床由于加工方法不 同于金属切削机床 ， 它 的设计理念和方法与金属切削机床有着很大的差异。 国家汽 车发动机关键零件高效高精加工柔性 自动线技术创新平 台建设项 目 2 0 1 1 Z X 0 4 0 1 6 1 0 1 43 l 主题 汽车翻造技术 。 。 I T o p ic s Au t o Ma n u f a c t u r i n g T e c h n o l o g y 。 滚压是无屑加工 ， 压头替代了传统的车削刀具 ， 而支持 滚压头的是滚压臂。由于曲轴的主轴颈和连杆颈在轴 向上尺寸较 窄， 滚压臂很薄 ， 设计结构较为 复杂。再 者 ， 由于汽车发动机有四缸 、 六缸等不同规格 ， 即曲轴 的尺寸规格不同， 因此 ， 滚压臂的数量及规格也 随之有 所变化 ， 从而使滚压机床的规格也有所不同， 这些都是 在滚压机床的总体设计时考虑的。 1 ． 1 总体方案的设计要求 根据上述提及 的影响滚压机床方案 的因素 ， 实际 上每一 台机床必须根据用户的图纸要求来设计机床的 总体方案。如用户的曲轴产量、 材料、 硬度、 沉割槽的 尺寸及精度 、 主轴颈和连杆颈的尺寸等等 ， 这都是设计 机床总体方案中的重要依据， 所设计的机床必须要达 到用户这些要求 。本机床 以四缸发动机曲轴 为例 ， 曲 轴结构如图 1 所示。 图 1 曲轴图 1 ． 2 机床参数及性能指标的确定 采用滚压加工 曲轴沉 割槽 ， 其加工示意图如图2 所 不 。 该加工示意图表达了采用本机床所加工的部位及 加工形式 ， 在实际设计中， 滚压轮尺寸和压力计算均根 据曲轴各沉割槽加工部位 的尺寸和精度 、 材料 的硬度 所确定的。因此 ， 本机床要达到用户图纸的要求 ， 必须 满足以下主要技术参数及性能指标 曲轴 中心孔为加 工定位基准 ； 主轴最大加工直径 8 0 mm； 连杆颈最大加 工直径 7 0 m m； 杆颈最大加工宽度 5 0 m m， 最小加工宽 度 1 9 m m； 曲轴最大加工长度 1 2 0 0 m m； 加工主轴颈 5 处 ； 加工连杆颈 4处 ； 最大曲柄 回转半径 1 5 0 m m； 机床 主轴转速 3～1 0 0 r ／ ra i n ， 无级可调 ； 滚压力 0～ 2 2 k N， 无级可调 ； 滚压臂数 量为 9 ； 主轴 直线度测量分 辨率 0 ． 0 0 2 mi ll ， 测量精度 0 ． 0 1 m m； 节拍时间 3 m i n ／ 根 。 1 ． 3 机床结构形式的确定 有 了机床的参数和性 能技术指标 ， 就要全盘考虑 采用什么样的机床结构和布局 ， 才能达到上述指标 的 要求。根据这一要求 ， 本机床设计成如图 3所示 的结 构形式 ， 即由床身、 立柱 、 横梁 、 吊架 、 滚压臂 、 压头 、 主 轴箱 、 卡盘 、 尾座 、 测量装置及数控系统 和液压 、 过滤 、 冷却系统等部件组成。 2 机床 关键 部件 的结构特点 与工作原 理 本机床底座、 立柱、 横梁均采用焊接结构 ， 减少了 铸造所带来 的污染。主轴 由伺服电动机驱动旋转。主 a加工示意图 图2 加工示意 图 a 主视图 图3 机床 总图 滚压前R1 ． 8 o o b滚压放大图 b右视图 耋 u l‘ ， 轴端装有三爪卡盘 ， 夹持曲轴工件的一端 ， 夹紧力来源 于主轴内部 的夹紧油缸系统。而曲轴工件 的另一端 ， 由尾座的顶尖顶紧 ， 顶紧力来源于顶尖后的油缸 ， 且顶 尖内装有轴承 ， 使之与曲轴 同步转动。而 9个滚压臂 在曲轴工件 的带动下 ， 做随动摆 动。滚压臂主体钢板 采用预先淬火具有一定硬度 的锰铬合金优质结构钢， 提高了滚压臂的机械性能， 减小变形 。在其上面 ， 安装 了滚压头 ， 并由 6个一组 的压力油缸施加滚压力。这 一 滚压技术 ， 是多项技术综合 的体现。在这滚压 的原 理 中， 包含了压力驱动技术 ， 压力检测技术 ， 压力控制 技术和滚压轮的破损检测技术 。 2 ． 1 滚压臂 滚压臂是 曲轴 圆角滚压机床最关 键的部件之一 ， 如图 4所示。滚压臂 由油缸、 滚压头 、 直线导轨 、 滚压 臂体等多个小部件组成。在滚压 中， 压力的大小直接 影响到 曲轴圆角的滚压效果 ， 压力大 ， 则在短时间内完 成加工要求。但如滚压力过大 ， 除了滚压轮易破损外 ， 更易使曲轴整体或局部发 生不规则的弯曲变形 ， 这种 变形误差如超过了图纸 的要求 ， 曲轴就得报废。为 了 减小曲轴的变形 ， 滚压臂装置在设计时， 在滚压臂张口 的下方安装了应变仪 ， 当压力变化时 ， 应变仪通过滚压 臂张 口的变形 ， 来检测压力的大小 ， 并把信号反馈给中 央控制系统 ， 控制伺服阀对压力大小进行控制。然而 ， 无论压力大小怎样控制 ， 曲轴依然会发生变形。这其 一 是受滚压力而发生了变形 ， 其次是 曲轴带着 9个滚 压臂而 自身旋转 ， 在只有两端支承的情况下 ， 曲轴在滚 压臂重量的作用下也会产生变形。为了解 决变形 问 题 ， 本机床采用了曲轴弯 曲变形检测技术及 自动校直 补偿技术。 图4 滚压臂 2 ． 2 检测装置 主要用来检测 曲轴在滚压后 的弯曲变形 ， 并进行 校直。它是将测头 图 3 安装在滑板上 ， 滑板安装在 四连杆机构的架上， 在油缸的作用下， 使测头始终垂直 曲轴 的状态下作上下移动。而测架上装有滚动导轨和 滑板 ， 安装在滑板上的测头又可实现沿 曲轴轴线方 向 的任一位置移动， 以便检测每个主轴颈和连杆颈的变 形情况 ， 并通过反馈 ， 通过专家校直软件系统 ， 根据曲 轴变形的部位和方向 ， 通过伺服控制 阀， 对在曲轴旋转 的 3 6 0 。 方 向上 的任意角度上滚压力的大小进行控制 及补偿 ， 从 而实现校直功 能， 保证 曲轴滚压后 的合格 率。 2 ． 3压 头 压头 见图 4 是滚压机床 的重要部件 ， 其 内部结 构复杂， 两个压力滚轮是由曲轴旋转带着而作从动转 动 的。由于滚轮受到来 自油缸 的压力 ， 这个力最终作 用在滚轮与曲轴的主轴颈和连杆颈上 ， 产生了滚动摩 擦力 ， 因此 ， 在曲轴旋转时 ， 滚轮便随之滚动 ， 达到了滚 压 的目的。在压头中， 由于滚轮是硬度极高的薄件 ， 在 滚压时， 受交变载荷的作用下极易发生破损现象。为 了监控这一缺陷， 在压头中增加了压轮破损检测装置。 由于滚压轮硬度高， 且很 薄， 是无轴 的小圆盘 ， 在压力 的作用下滚动一段时间后最易破损 ， 破损时整个 轮将 掉 出。因此 ， 检测滚压轮 的破损是保证滚压加工的重 要手段 。在压头内， 装有检测开关 ， 一旦滚压轮破损掉 出， 即发出报警指令 ， 更换滚压轮 ， 从而保证滚压精度 ， 不会使 曲轴 圆角产生缺陷 ， 使机床正常工作。 3 结语 本机床在用户使 用后 ， 其效果显著。其主要性能 指标为 可加工曲轴长度为 4 0 0～1 2 0 0 mm； 曲轴冲 为 1 5 0 mm； 最大滚压力为 2 5 k N； 生产节拍为 3 m i n 滚压后的效果 1 滚压后曲轴的伸长量 在 滚压过程中， 曲轴受 到了轴 向的作用力 ， 且产生了塑性变形 ， 这使 曲轴的总 长度会伸长， 各个轴颈的开档会变大。由于曲轴材料 不 同， 伸长量也不相同。球墨铸铁的曲轴 ， 每个轴颈轴 向的延伸量约为 0 ． 0 6 m m， 锻钢材料 的曲轴每个轴颈 延伸量约为 0 ． 0 3 mm。 2 滚轮 的压入量 沉割槽 的压入量是 由曲轴 的 材料 、 施加压力的大小 、 滚压时间等因素决定 。本机床 压人量约为 0 ． 1 0 ． 1 5 m m。 3 曲轴 跳动 滚压后 曲轴跳 动量为 0 ． 0 6～0 ． 1 mm。 4 滚压后 的表面粗糙度 滚压前 R 6 ． 3 m， 滚 压后可达到 R 0 ． 1 m。 5 加工效率 通过滚压 ， 不仅提高了曲轴的疲劳 强度， 也使曲轴加工效率提高到了3 m in ／ 根， 且机床的 精度稳定 、 可靠。 6 滚压臂性能 滚压臂是滚压机床 的重要部件 I 主题汽车制造技术 -T o p ic s 一Au t o Ma n u f a。c t u r in g T e c h n o lo g y 凸轮测量容易出现的问题及解决的途径 刘兴富 刘瑞玲 ①广州威而信精密仪器有 限公司西安分公司， 陕西 西安 7 1 0 0 7 5 ； ②陕西五环 集 团 实业有 限责任公司， 陕西 西安 7 1 0 0 3 8 摘要 针对凸轮测量选择测量基准和确定测量位置方法中存在的问题进行 了分析， 并参照国家标准 GB ／ T l 1 8 2 m2 0 0 8的通则要求 ， 从发动机凸轮升程和转角是非线性 函数关系入手 ， 论述了凸轮基准选择 原则和确定凸轮测量位置 起始转角 的方法 ， 以及对 凸轮测量中的测头替换 ， 测点布局等 问题进行 了分 析。 关键词 凸轮测量问题解决途径 中图分类号 T H1 3 2 ． 2 文献标识码 B Pr o b l e ms a n d s o l u t i o n o f c a m me a s u r e me n t L I U Xi n g f u ① ， LI U Ru i l i n g ② X i a n B r a n c h ， G u a n g z h o u Wi l s o n P r e c i s i o n I n s t r u m e n t C o ． ， L t d ． ， X i a n 7 1 0 0 7 5 ， C HN； S h a a n x i R i n g s G r o u p I n d u s t C o ． ，L t d ． ， X i a n 7 1 0 0 3 8 ， C HN Abs t r a c tT h e c u r r e n t pr o b l e ms e x i s t ing i n s e l e c t i n g b e n c h ma r k s a n d me t h o d s o f d e t e r mi ni ng me a s ur e me n t s l o c a t i o n o f c a m e n g i n e we r e a n a l y z e d，r e f e r e n c i n g t h e n a t i o n a l s t a nd a r d s GB／T1 1 8 2-1 9 9 6 g e n e r a l r e q ui r e me n t s ，f r o m t h e e ng i n e c a m l i f t a n d t h e c o F n e l “b e i ng a n o n l i ne a r f u n c t i o n，t h e p rin c i p l e s o f c a m b a s e l i n e c h o i c e a n d t h e m e t h o d s o f c a m m e a s u ri n g p o s i t i o n s t a r t i n g s w i t c h a n g l e w e r e e x p o u n d s ． Ke ywo r dsEn g i n e；Ca m ；Me a s u r e me n t P r o b l e ms；S o l u t i o n 盘形 凸轮机构在 自动化机械 、 精密仪器、 自动化控 制系统 中有着广泛 的应用 ， 特别是在各类发动机中， 凸 轮机构的作用显得特别重要。发动机 凸轮 型线的测 量， 属于形位公差的测量范畴， 应按形位测量要求确定 选择 测量基准 。参照国家标准 G B ／ T 1 1 8 2 --2 0 0 8通 则要求 ， 凸轮型线形状公差带取决 于被测凸轮 的理想 几何形状和设计要求 ， 并以此来评定凸轮形线 的形状 误差 。测量时 ， 理想凸轮的位置应按 “ 最小条件” 原则 确定 ， 即使两同心理想凸轮包容实际凸轮 ， 且两同心理 想凸轮问的距离为最小。 对发动机凸轮而言 ， 一 般是通过凸轮机构从动件 的升程误差 ， 问接地评定凸轮型线的形状误差 ， 即凸轮 之 一 ， 本 机 床 的 滚压 臂 体 采用 了优 质合 金 结 构 钢 4 2 C r Mo ， 且在加工前进行了热处理 ， 硬度达 T 2 8 5 ， 不仅 机械性能好而且刚度也高 ， 从而使滚压精度稳定。 可见 ， 与国外同类机床相比， 本机床达到国外先进 的技术水平 ， 不仅替代进 口， 而且还销往美国。正 因为 有了设计与生产滚压机床 的这一基础 ， 2 0 1 1 年承担了 国家汽车发动机关键零件高效高精加工柔性 自动线技 术创新平台建设项 目 项 目号 2 0 1 1 Z X 0 4 0 1 6 1 0 1 ， 这 个项 目中就包含 了滚压曲轴沉割槽 这一技术。可见 ， 采用滚压加工曲轴沉割槽的方法 ， 不仅实现无屑加工 ， 达到绿色加工的目的， 而且提高了曲轴的使用寿命 ， 保 证了汽车发动机的性能 ， 提升了国产滚压机床的水平。 参考文 献 [ 1 ] 盛小兵 ． 曲轴圆角滚压强化工艺 中曲轴变形 的研究 [ D] ． 武汉 武 汉 理工 大学 ， 2 0 0 8 ． [ 2 ] 韩少军 ， 理光原 ， 杨晓峰． 汽车曲轴 圆角滚 机钳 【 I 滚压力 及波 动分 析[ J ] ． 湖北工业大学报， 2 0 0 5 ， 2 0 3 ． [ 3 ] 李辉． 汽车曲轴 圆角冷滚压钳 口压力波 动分析 及研究 [ D] ． 武 汉 武 汉理工大学 ， 2 0 0 6 ． 第一作者 张树礼 ， 男， 1 9 5 9年 生， 高级工程 师， 大 连市优 秀发 明家， 主要研 究方向为金属切削机床 、 柔性 自动线和 多线切割机。 编辑余捷 收稿日 期 2 0 1 2 0 4 0 5 文章编号 1 2 0 7 1 6 如栗 您想发表对本文的看法， 请将文 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