微補償技術在曲軸軸向圓跳動控制中的應用

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序言某柴油機曲軸兩端結構如圖1所示，曲軸總長4570mm，成品質(zhì)量2950kg。端面D要求對基準A和B全跳動0.04mm，端面C是在磨床上磨削加工，跳動為0.01mm，與端面D連接的是一個1000mm長的連接軸。端面D的跳動會影響裝配在端面D上的連接軸外圓的跳動，并直接影響發(fā)動機的輸出功率、整機動平衡和可靠性。圖1曲軸兩端結構在試制過程中發(fā)現(xiàn)，端面D受到磨床行程限制，無法在磨床上磨削加工，改造磨床短時間內(nèi)無法完成，并且改造成本較高。端面D在車床上加工時全跳動始終達不到圖樣的設計要求。在車床上對圖中φ275mm外圓跳動和支撐中心架找正0.02mm，圖中端面C的跳動最好只能找正在0.06mm。端面D車削后跳動最好只能達到0.08mm，與圖樣要求的0.04mm相比超差一倍，且找正時間較長，無法滿足批量生產(chǎn)。2

曲軸軸向圓跳動超差分析端面D車削時超差的主要原因：①加工基準面C無法找正到0.02mm以內(nèi)。②機床中心架數(shù)量較少，曲軸受到重力影響，在車削時出現(xiàn)撓度變形（見圖2），無法將曲軸中心軸線找正水平，曲軸端面D和曲軸旋轉中心線處于不垂直狀態(tài)。③只有兩個中心架，無法做到每個軸頸都支撐并把曲軸實際中心線找水平，而且每個軸頸都做支撐也不符合實際加工要求。由此可見，車床加工端面D時如果有足夠的中心架和找正時間，將曲軸實際中心軸線找正到理論中心軸線位置，就可以滿足圖樣精度要求，但不滿足實際生產(chǎn)制造節(jié)拍。為此需要探索新的端面加工方式。圖2曲軸車削過程撓度變形示意曲軸軸向圓跳動超差，實際就是端面上存在高點和低點，高點與低點之間落差超過圖樣設計要求。要保證端面D的跳動要求，一是要找到端面上的高、低點，二是需要消除高點。因此可以通過逐層銑削端面的方式，以端面C為基準，端面D通過補償銑削高點的方式保證軸向圓跳動要求。3

曲軸軸向圓跳動控制及微補償技術開發(fā)3.1端面銑削加工試驗端面銑削數(shù)控加工設備：西班牙鏜銑加工中心；設備操作系統(tǒng)：SIEMENS840D；裝夾定位方式：機床3個中心架分別支撐圖1中曲軸1、5、10主軸頸，中心架采用液壓夾緊。端面C和端面D上有孔系加工，為方便使用機床cycle循環(huán)，此處使用坐標系旋轉，將垂直于端面D的坐標軸設定為Z軸。通過多次在鏜銑加工中心的銑削加工試驗發(fā)現(xiàn)，端面銑削高、低點的連線經(jīng)過圓心，如圖3所示。連線HL一端為高點，一端為低點，其中β為任意角度，高點與低點的差值為0.04～0.20mm的隨機數(shù)值。圖3試驗加工時曲軸端面銑削結果示意使用微補償高點消除法滿足軸向圓跳動要求，銑削時刀具每刀銑削寬度范圍內(nèi)高、低點差值不能超過0.04mm。端面D最大外圓為275mm，試驗發(fā)現(xiàn)端面D銑削最大跳動值為0.2mm，為保證軸向圓跳動在0.04mm以內(nèi)，需要將0.2mm跳動高點至少分為0.2/0.04=5段逐漸消除，將每段跳動控制在0.04mm以內(nèi)。刀具最大直徑Dmax

=275/5mm=55mm，考慮到D50mm銑刀為車間現(xiàn)有和常見刀具，最終選擇D50mm銑刀。實際加工時，端面精銑分為兩步進行。第一步是尋找跳動高、低點。銑削時控制深度坐標軸不變，按照圖4中刀路M1

、M2

……M6

進行銑削。銑削后使用深度游標卡尺測量端面C與D之間的高度差，測量P1

、P2

……P8

共8個位置點（每45°一個測量點），測量值分別為H1

、H2

……H8

，記錄并找出最大值和最小值。如測量發(fā)現(xiàn)P2

點為最高點，數(shù)值為H2

，則P6

點為最低點，數(shù)值為H6

。圖4銑削刀路及測量位置示意第二步是消除高點。銑削時將坐標系的一個坐標軸旋轉到高、低點連線方向，控制銑削深度沿坐標軸逐層變化，按照圖5中刀路M1

、M2

……M6

進行銑削。M1

刀路銑削時控制深度坐標軸Z=0，M2

刀路控制銑削深度坐標Z=－（H2

－H6

）/5，M3

刀路控制銑削深度坐標Z=－2（H2

－H6

）/5，以此類推，M6刀路控制銑削深度坐標Z=－（H2

－H6

）。圖5微補償時曲軸端面銑削示意按照以上步驟，M1

～M6

每層刀路都將保證端面D與端面C之間的距離控制在相同值，并逐漸將P2

處的高點消除，保證端面C與端面D之間的高度一致，從而保證端面D的跳動值。試驗發(fā)現(xiàn)當修正數(shù)值比較小時（＜0.08mm），也就是第一次銑削完軸向圓跳動比較小時，容易出現(xiàn)兩個高點或兩個低點，此種情況下可以任意選擇一個高點方向作為修正角度，微補償后都可以滿足圖樣要求。但如果需要加工更高精度要求的端面時，需要提高測量量具精度并排除測量誤差，找到高點和低點，具體操作和以上方法類似。3.2端面微補償銑削數(shù)控加工程序設計在數(shù)控加工程序編制時，為保證程序的通用性，滿足所有隨機β角度方向的補償，在編制程序時引入坐標系旋轉（在之前鉆孔的坐標系旋轉之后，再次進行坐標系旋轉），并把坐標系旋轉值設定為變量R30，在主程序或R參數(shù)中通過修改變量值，達到修正銑削高點角度的目的。由于高點H與低點L之間的差值每次都是隨機變化的，所以在主程序中將H與L之間的差值設定為變量R2，滿足隨機高低差值的銑削補償。數(shù)控加工主程序如下。;***FINISHMILLPLANE*******N10G54N20M115N30T41D1N40M6N50HEAD_C1(-180)N60HEAD_C2(90)N70TRANSX-48N80AROTY-90N90M114N100G0Z100;FirstprocessingN110R1=275;端面D外圓直徑N120R2=0R30=0;角度和高度差修正值，第一次銑削設定為0N130m0N140stopreN150FINISH_MILL_PLANE;銑削子程序N160M0;測量記錄端面高低點差值及角度方向;SecondprocessingN170R2=0R30=0N180M0;程序運行到此處時，修改機床R參數(shù)表中的R2和R30參數(shù)N190stopreN200FINISH_MILL_PLANE;銑削子程序N210transN220M115N230M30數(shù)控加工子程序內(nèi)容如下。;FINISH_MILL_PLANE;子程序內(nèi)容N10R10=2*$P_TOOLR-4;排除刀片刀尖半徑，設定銑削時刀具有效直徑N20R11=trunc(R1/R10)N30if((R1/R10)>R11);設定刀路銑削次數(shù)N40R12=R11+1N50elseN60R12=R11N70EndifN80R13=R1/R12N90G0Z100N100Y=0N110X=0N120G0Z50N130M03S700M8N140R20=0;銑削刀路計數(shù)器N150AROTZ=R30;根據(jù)高低點角度修正端面銑削時坐標系旋轉角度N160_start_MILL:N170g1Y=-sqrt(pot(R1/2+$P_TOOLR)-pot(R1/2-R13/2-R13*R20))-5f2000N180X=R1/2-R13/2-R13*R20N190Z=0-(R2/(R12-1))*R20F800;修正銑削深度補償N200Y=sqrt(pot(R1/2+$P_TOOLR)-pot(R1/2-R13/2-R13*R20))+5f200N210Z=5F800N220R20=R20+1N230if(R20<R12)N240gotoB_start_MILL;跳轉銑削下一層端面N250EndifN260AROTZ=-R30;取消端面銑削時的坐標系角度旋轉N270G0Z100M05M9N270M174

結束語通過以上方法加工完成后，