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曲轴滚磨光整加工技术研究
2014-4-18  来源:一汽解放汽车有限公司  作者:张云天 金霞

引言

   

      曲轴类零件作为发动机的关键零部件,对发动机整机性能有十分关键的影响,根据设计要求,除满足较高的制造精度外,其表面质量、清洁度也很重要,可大幅度提高曲轴的使用性能和寿命,降低市场咬瓦、断轴等故障的发生。目前,对于曲轴( 包括进口曲轴及国内引进先进加工设备的高档生产线) 的表面光整问题,没有一种高效全面的加工方法,这是当前实际生产中的技术难题。国内外大中型曲轴主要光整工艺,仍是采用砂带抛光和手工打磨等形式,受工艺手段限制,其加工质量、效率和成本均不理想。

   

      本文以某厂滚磨工艺在实际生产中的应用实例,着重就滚磨加工原理、不同滚磨工艺的特点及适用零件、磨料、工作介质( 磨液) 、工艺参数优化等进行阐述,并通过实际曲轴滚磨工艺实施前后的对比,详细的论述了滚磨的相关工艺要点。

   

1 曲轴滚磨光整工作机理及特点

   

      滚磨光整加工技术应用于发动机曲轴,可以使其表面质量、清洁度、防锈性能等大幅度提高,其主要工作原理是: 由颗粒状磨料和多功能磨液以及水组成磨具,磨具在料箱中做复杂的自由运动,将工件沉没于磨具之中旋转运动,工件与磨具以一定的相对速度和作用力发生摩擦、挤压、刻划和微量切削,以达到表面质量的提高。尤其对曲轴而言,由于结构复杂人工去除毛刺困难,几乎无法通过常规工艺手段得到比较完美的外观质量,而滚磨光整技术却可以十分有效的解决此问题。 

   

滚磨光整加工技术的具体效果和主要特点包括:

   

      a. 能较全面地去除毛刺、圆化尖角锐边。

   

      b. 能去除手工无法去除( 如曲轴线板部位、锻造结构R 部位) 的锈蚀、氧化层和改善缺陷,使表面光亮夺目柔和。

   

      c. 能有效提高曲轴清洁度、颗粒度,工艺过程相对稳定。

   

      d. 细化表面组织,提高轴颈表面残余压应力的数值。

   

      e. 改善装配性,提高可靠性和使用寿命,降低市场咬瓦、断轴等故障率。

   

2.滚磨加工的几种典型形式及特点

   

      a. 涡流式。加工前将磨料装入滚筒内,加工中将工件和工作介质( 磨液) 加入滚筒,在旋转底盘的带动下,滚筒中的工件和工作介质在离心力的作用下,延筒壁爬高,当达到一定高度时下落到滚筒中间底部,这一过程重复发生,使工件和工作介质产生螺旋状的涡流运动,从而在工件被加工表面与磨料件产生相对运动,工件被均匀地抛光、倒角、去毛刺。从该工艺的特点分析,比较适合小件的光整加工,对大件如曲轴不适合。图1 是涡流式滚磨机工作原理图。

   

                             

   

      b. 振动式。主要靠容器在特定的频率和振幅下

   

      振动时,工件和磨料件产生碰撞、滚压和微量磨削,从而达到抛光的目的。振动式主要应用于中小件的光整加工,加工质量好、加工效率高,但因振动产生的噪音比较大,因振动冲击对曲轴主要几何尺寸如跳动、中心距等造成破坏,因此,该工艺对曲轴不适用。图2 是振动式滚磨机工作原理图。

   

      c. 离心式。是将工件、磨料和工作介质按一定比例加入密闭滚筒中,滚筒作行星运动,在惯性力的作用下,工作介质产生强制流动,使磨料与被加工表面产生滚压、微量磨削,实现抛光。主要应用于中小件另外工件在光整过程中有较大的冲击力,因此不适用于曲轴光整加工。

   

                           

   

      d. 主轴式。是将工件安装在工作主轴上,加工时放置在有磨料和工作介质的容器中,加工时主轴作旋转,容器也作旋转或上下往复运动,使磨料与被加工件表面产生碰撞、滚压、和微量磨削,实现抛光、去毛刺和倒楞。主轴旋转时可作公转、摆动和往复运动,使滚磨效果更好,此工艺工件独立安装定位,在光整加工过程中冲击力小,适合于曲轴的光整加工。 

   

3 磨粒的种类及特点

   

      a. 磨粒的种类

   

      磨粒按工作原理分两大种类,一类是刚玉磨料,这类磨料通过工件与磨料的相对运动,直接参与切削,因此,磨料的性能与砂轮接近,一般采用棕刚玉、白刚玉,材料价格低、磨粒锋利、硬度低,有利于在低速的条件下更有效的去除锐边、毛刺,同时又不伤害到淬硬的轴颈表面。另一类是尼龙球或塑料球,其本身并不参与切削,而是借助于黏附于其表面的磨液中的磨料和其他化学物品对曲轴进行光整。

   

      b. 磨粒的硬度

   

      对于刚玉类磨削球来说,一般采用硬度比较低的棕刚玉、白刚玉,因其可有效减少对已经精加工的轴颈表面的破坏,而对于实际起到磨料载体的尼龙球或塑料球来说,其本身的硬度并不重要,而只是起到一个载体的作用,依靠自身的重量提供足够的摩擦、切削力。

   

      c. 磨料的形状

   

      要解决曲轴各部位圆角部分是光整加工的目标之一,因此选择磨块的形状和尺寸大小也是很重要的,先后试验过球形、正菱形、小圆柱体等多种形状,最后选用了一种Φ3 mm 小球体的形状,效果较好。

   

4 磨液的种类和特点

   

      a. 四氯化碳类磨液。

   

      这类磨液具有比较锋利的磨削效果,颗粒比较细也比较均匀,因此,光整后能够得到比较好的表面粗糙度。同时,由于四氯化碳具有表面钝化作用,在曲轴表面能够形成保护氧化层,对提高曲轴的表面外观质量、以及提高曲轴的防锈性能起到良好的作用,但其本身带有毒副作用,因此对环境及操作者均带来伤害,目前已逐步淘汰。

   

      b. 滚磨光整专用磨液,该磨液考虑光整加工中需要达到的各方面因素,因此,在切削性能保持不变的情况下,能有效提高光整加工的效率,提高工作节拍,达到更为理想的光整效果,同时,对环境及操作人员的伤害降低到最小。

   

5 曲轴滚磨光整案例

   

      考虑到曲轴本身刚性不足,工件加工尺寸又较大,在抛光过程中不能破坏跳动、中心距、轴颈尺寸,同时考虑到曲轴在加工过程对于沿轴线方向的加工均匀性,本方案采用了立式行星曲轴滚磨工艺,每次安装2 支曲轴同时滚磨光整。采用立式行星曲轴滚磨设备,还便于集中布置在生产线中。

   

                     

   

5.2 设备结构及工作原理

   

      立式曲轴滚磨机床见图3,曲轴水平放置装夹在主轴和顶尖间,由升降机构带动,插入料箱磨料中,主轴带动工件旋转。而料箱带动磨料、磨液( 水溶液) 作线性往复运动,从而使磨料与工件表面产生挤压、磨擦等,实现对工件的微切削高效加工,并通过回转和往复运动不同的速度组合,使曲轴不同部位的不同形状均获得均匀的光整,以获得曲轴整体表面最佳的光整效果。 

   

            

   

53 技术规格

   

      滚磨设备技术规格见表2

   

       

5.4 相关工艺参数

   

      滚磨设备相关工艺参数见表3

   

                        

   

5.5 滚磨光整工艺效果

   

      a. 曲轴外面毛刺、锐边情况

   

      降低了轴颈表面粗糙度,能够稳定达到0.150.25μm( 图纸要求0.32μm) ,曲轴外观所有棱边光滑无毛刺,同时由于非加工面滚磨后有钝化作用,因此,与未进行整体抛光曲轴有明显的改善,外观明显光亮顺滑,见图4,图5

   

                                      

   

      b. 清洁度情况

   

      未采取光整工艺时清洁度不稳定,采用光整工艺后,曲轴整体清洁度已达到要求,并从连续跟踪的情况分析,十分稳定,见表4、表5

   

                          

   

      根据上表,采用光整工艺后总体清洁度降低67.1%,油道清洁度降低24.7%

   

      c. 曲轴锈蚀情况

   

      加工后采取整体抛光工艺,使曲轴表面光滑、表面钝化,延长了曲轴的防锈期。为确定曲轴滚磨后提高防锈性能的效果,在2010年的610日(678 月正是雨季,空气比较潮湿) 做了曲轴裸放试验,共挑选4 根喷丸效果最佳的550 曲轴废品( 经过滚磨加工和未经过滚磨加工各2 ) ,然后将曲轴架起来放在通风良好、不会被雨淋的环境里,定期去观察,结果如下:

   

                         

   

      a. 未经光整加工的2 根曲轴分别在76日、77( 分别为第26天、第27) 开始在轴颈上出现锈点,非加工面也开始出现锈迹。

   

      b. 经光整加工的曲轴在714日、716( 分别为34 天、36 ) 开始在非加工面上有锈蚀现象。

   

      曲轴防锈性能提高量计算: 

   

      ( 3426)÷26×100% = 30.8%

   

      ( 3627)÷27×100% = 33.3%

   

      由此可以得出结论: 经过整体抛光的曲轴防锈性能可以提高约30%

   

6 结束语

   

      曲轴滚磨光整加工工艺,是提高曲轴表面质量、清洁度及防锈性能的有效途径,该工艺已比较成熟,具有投资成本低、材料消耗少、加工效率高及光整效果明显的特点,值得在曲轴加工中推广。在该工艺的使用过程中,根据需要光整的曲轴产品系列,要选择合适的光整设备、磨料、磨液,并根据自身曲轴的特点,通过不断试验,优化光整工艺各环节参数,来取得最好的效果。

 

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