曲轴滚压校直原理

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1、1曲轴滚压校直原理曲轴滚压校直是根据曲轴的滚压变形规律，针对被校直曲轴的具体变形情况，在计算机专家系统指导下对该曲轴的轴颈圆角的某些部位施加适当的压力进行滚压，使其产生与原变形方向相反的变形，以达到校直的目的1 。实践证明，滚压校直后的工件基本上克服了变形回复的缺点，而且使被滚压的轴颈圆角部分得到了表面强化处理，提高了工件的疲劳强度和承载能力。多缸发动机曲轴的轴颈和曲拐较多，弯曲刚度较低，而且在圆周方向上各向异性，加上材料的不均匀性，以及冷热加工中变形和残余应力等综合因素的影响，使得曲轴的弯曲变形十分复杂，其轴线是一条任意的空间曲线。因而在应用滚压校直这一新技术时，建立科学的校直专家系统来指导

2、滚压加工是问题的关键所在。专家系统根据被测曲轴的具体情况，通过分析，解决如下问题：在曲轴的哪些轴颈、轴颈的哪个部位施加滚压力；施加滚压力的角度范围，以及在各角度下该施加多大的滚压力；施加滚压力的滚压圈数。滚压校直后需要对曲轴再进行测量，如果仍然超差，则进行新一轮的滚压校直，直到合格为止。2 2）滚压力和滚压圈数的影响。在确定了需要滚压的轴颈及其角度范围后，还要确定在各滚压区域该施加多大的滚压力。各主轴颈的径向跳动量与滚压力的大小有关，但两者之间并不成线性关系，而且存在较大的不确定性。分析产生这一现象的原因，除了材料本身在塑性范围内的受力与变形不成线性比例外，还与工件的残余应力、缺陷、材质不均以

3、及工件的结构尺寸偏差等因素有关。因此，难以用简单的数学公式对滚压力与曲轴的弯曲变形之间的关系进行精确的表达。另外，是用较大的滚压力、较少的滚压圈数，还是反之，二者之间为辨证关系。从提高工效的角度考虑，前者为好；从减少回复变形量出发，后者为佳。专家系统需要选择一个最优方案。（3）曲轴结构尺寸的影响。在其它条件固定的前提下，曲轴结构尺寸对曲轴滚压所产生的弯曲变形的总体影响趋势为：轴颈之间开档宽度越小，圆角尺寸越大，则弯曲变形就越大，并且轴颈开档尺寸对变形的影响大于轴颈圆角半径的影响。通过对不同型号的曲轴进行滚压，并测量其弯曲变形，以取得大量的实验数据。在此基础上建立经验关系数据库。该数据库还应考虑

4、由于曲轴的滚压变形受曲轴毛坯质量和加工工艺的影响很大，使得变形与校直工艺之间很难有一成不变的准确对应关系。为了提高滚压校直的成功率，专家系统应具有自学习能力。在运行过程中，根据实际情况对数据库进行修改，即将生产实践中的成功滚压校直的实例不断地动态补充到数据库中，去掉数据库中的不理想数据。使系统具有一定的自适应能力，更有效地指导滚压校直。3 一、自动平衡校正技术与计算机辅助修正技术为了消除动力机械中作高速运动的关键零件由于自身不 平衡而引起的振动, 减少零部件的磨损,以确保产品的性能和质量,在这些零件的制造过程中往往 设置有平衡校正工序。在大批量生产情况下,为提高工效和校正质量,更需要采用各种自

5、动平衡校 正技术。曲轴、转子等的动平衡,连杆、活塞的称重去重和某些轴类、杆类零件的自动校直就是自 动平衡修正技术的代表性应用。自动校直过程包括自动测定工件的校直量、自动实施校直操作和事 后的检验。应该指出, 在精确地求出变形矢量的方向后,能实施规范化的修正操作。因此,从理论 上讲, 只要检测结果准确,修正措施控制得当,修正的目标一定能够达到。尤其是由于采用了微机 化的、已逐步产品化了的专用设备,这些自动平衡校正作业已变得十分有效, 并成为现代机械制造 技术(在批量生产条件下的)一个重要组成部分。计算机辅助修正技术所解决的则是另一类问题, 此时,检测结果的量值与需要修正的量值之间没有确定的函数关

6、系,甚至没有确定的实施修正作业 的方向。这项技术的出现,一方面是加工工艺的发展所促成的,另一方面也是检测技术与计算机应 用技术相结合的产物。它的实质是理论分析和实践经验综合的工业化“专家系统” 的实际应用, 是 计算机软件技术在加工业应用的一个新的领域。计算机辅助修正技术现已用于不少场合,并取得了 较好的效果,其中很典型的一个实例就是在发动机制造业滚压、校直工艺中的成功应用。二、曲轴 的滚压、校直技术曲轴是汽油机、柴油机的心脏,其制造质量要求很高。曲轴又是典型的非均质结 构的轴类零件,它的弯曲刚度较低,而且各向异性。这一种结构特点, 加上曲轴材料的不均匀性, 冷、热加工工序客观条件以及加工中所

7、产生的残余应力等因素的综合影响。使其在制造过程中出现 的弯曲变形问题,远比一般轴类零件复杂。它既可能是较简单的平面圆弧,也可能是很复杂的空间 曲线。上面提到的对轴类零件的校直工序,特别在批量生产情况下的自动校直,已是曲轴加工中不 可缺少的一道关键工序。曲轴的滚压、校直工艺是八十年代末才发展起来的一种新技术,九十年代 开始在一些大企业逐步获得应用。这一先进技术的形成和完善并非偶然。众所周知,曲轴(拐 )圆 角滚压强化具有成本低、效率高和强化效果显著的优点,因而在发动机曲轴加工中应用日益广泛。 曲轴在加工过程(包括圆角滚压强化工序)中,难免要发生弯曲变形,为此校直是曲轴加工中不可 缺少的工序。而目

8、前普遍采用的压力校直方法,尽管通过应用先进的检测技术和微机技术, 已大大 提高了校直质量和工效,但压力校直这一传统方式的工作机理决定了其存在的若干不足: 在校直过 程中产生的塑性变形,使工件强度的薄弱环节轴颈圆角处产生拉应力,造成工件损伤甚至压裂 压断。还存在校直后的工件容易产生变形回复的问题。曲轴的滚压校直技术是对曲轴圆角滚压强化 工艺的补充和完善,它巧妙地将滚压强化和自动校直两道工序在一台高效专用设备中予以实现。该 设备是一种高性能的机电一体化系统,它首先对工件实施圆角滚压强化, 然后通过在线检测,获得 曲轴的变形规律。再针对被校工件变形的具体情况,在计算机专家系统指导下,用适当的压力对工

9、 件的某些部位(圆角处)进行滚压,使工件产生与原变形方向相反的变形,从而达到校直的目的。 采用这种先进的工艺方法,不仅进一步提高了生产效率,尤其是使工件的被校部位得到了强化, 从 而提高了曲轴的整体强度和可靠性。而且,滚压校直工艺对于被校工件在校正前的变形程度的限制 远远低于传统的压力校直,表明其适用范围更大。确实,这是一种处于九十年代国际先进水平的工 艺。三、曲轴弯曲变形滚压校直的数学模型和工作机理为了便于研究发动机曲轴的弯曲变形,引入 了变形矢量的概念来描述主轴颈的变形状态。规定各主轴颈的最大径向跳动量作为它们的变形矢量 的模,在最大径向跳动量所处点的横截面上,圆心与最大跳动量的点的连线所

10、指的方向为变形矢量 的方向。假定变形后各主轴颈的轴线仍保持与工件的轴线平行,则各主轴颈变形矢量可简化为一组 与工件轴线体变形状态(D0),从数据库中寻找合适的校正矢量(rc),通过一次或多次的校 直操作,(8)成立,并最终实现式软件需要注意如下事项。由于多缸发动机曲轴变形状态十分复 杂,轴颈变形矢量的方向往往不同,在大多数情况下,一个工件的校直需要采用多个校正矢量才能 满足式(5)难是,首先在运用某一校正矢量时,颈的径向跳动量出现此消彼长的现象, 能是多样 的。它要求专家系统能根据具体情况, 相应的判断,控制校直运算进行的程度。个工位:“A”和 “B”。其中,左侧“A”为待料工位 ,右侧“B”

11、为加工工位,即滚压校直工位。待料工位“A ”与生产线上的前后加工工位处于同一直线, 在正常工作时,布置在车间空中的输送机构机械手 4 (图 3)首先把经前道工序加工后的曲轴放入位于工件“A”滑台 1 上的托架 2 内。托架上设有一 个叉形定位装置,当它在油缸推动下升起时,就将工件的圆周位置固定在曲柄平面处于垂直的状态 。然后滑台 1 在驱动机构作用下右移,托架 2 携带已定位的曲轴进入工位“B”,随即该设备的头 、尾顶尖伸出,将工件固定,见图 2b 所示。在滑台退回后,如图 1 所示的9 组滚压头同时作用在 5 挡主轴颈和 4 挡连杆轴颈的退刀槽处,在液压系统施力下系统工作实施强化滚压(见图

12、2a 中的 3)。由油缸产生的液压力在对曲轴与主轴进行滚压时,压力为恒定值,范围在 1100014 000N 之间,相当60 80bar 的液压系统工作压力。对工件 4 挡连杆轴颈的退刀槽实施滚 压时,随动的滚压头作上下摆动,所设计的工艺规定, 此时的压力不再为恒定值,而在一个规定的 幅度内变化 ,其最大值与最小值所对应的圆周位置( 矢径极角)是预先设定的。滚压力范围在 70 5014150N 之间 ,相当于 4082bar 的液压系统工作压力。在强化滚压过程中,工 件需回转 11 转。在这台专用设备的前部,即靠近工位 A 的地方还设置有一套电感测量系统 3,安 装在一个液压驱动的摆杆机构 2

13、 的顶端 ,如图 3 所示。当强化滚压过程结束后, 滚压头脱开工件, 上述带有5 个电感传感器的摇臂在油缸推动下回转到达加工工位, 侧端分别与工件 5 个主轴颈的表 面相接触。接着,工件从一确定方位回转二周,依靠径向的电感测头和设备主轴系统中的角度编码 器,或求出各主轴颈的变形矢量,也就是最大径向跳动量以及所处的方向圆周范围内的指向。 如几处的主轴颈的跳动量不超过规定的工艺要求,则不再需要进行校直,但若出现一处或数处跳动 超差的情况,就需要通过纠偏。根据强化滚压后进行的检测所获得的曲轴变形规律, 本文第二节中 谈到的该高效专用设备所配置 ab1、滑台 2、支承托架 3、滚压头4、液压机构图 2

14、 曲轴滚压校 直工艺的典型设备结构简图图 14 缸机曲轴滚压部位示意图 1、滑台 2、摆杆机构 3、电感测量系 统 4、输送机构图 3 曲轴滚压校直工艺设备工作示意图图 4 流程图(下转第 5 页)的计算机专家系 统将展开工作,针对工件变形超差的具体情况,某个滚压头将以适当的压力对曲轴的对应轴颈实施 滚压,使工件产生与原变形方向相反的变形,从而达到校直的目的。第一次滚压校直结束后,电感 测量系统再次对工件的 5 挡主轴颈进行检测,以判断各处跳动量是否在规定的范围内。如仍有超差 现象,则还需要进行第二次校直滚压。图 4 是曲轴滚压校直工艺的流程, 简洁地描述了其运行的全 计算机专家系统还有这样一

15、个功能,若连续多次出现对工件的校直滚压都发生在同一轴颈这种情况 ,则专家系统就会自动修正设备开始运行时设定的工作参数,比如适当增大某一挡轴颈做强化滚压 时的工作压力。综上所述,曲轴的滚压校直工艺由于综合应用了当代的种种先进技术,使发动机“ 心脏”的一道关键工序出现了突破,无论是产品质量还是工作效率都得到了实质性的提高。(上接 第 61 页)一种九十年代先进制造工艺曲轴滚压校直$上海大众汽车有限公司!201805 朱正德具有九十年代国际先进水平的曲轴滚压校直工艺,是计算机辅助修正技术的典型应用。本 文就这种工艺的特点、工作原理、实施方法等作了较全面的论述,并介绍了应用实例。王植 槐、朱正德等.汽

16、车制造检测技术(P420).北京理工大学出版社.2000.11 锤蒙璞傅 耐贰捕馍斐?将工件固定,见图 2b 所示。在滑台退回后,如图 1 所示的 9 组滚压头同时作用 在 5 挡主轴颈和 4 挡连杆轴颈的退刀槽处,在液压系统施力下系统工作实施强化滚压( 见图 2a 中 的 3)。由油缸产生的液压力在对曲轴与主轴进行滚压时,压力为恒定值,范围在 110001 4000N 之间,相当 6080bar 的液压系统工作压力。对工件 4 挡连杆轴颈的退刀槽实施 滚压时,随动的滚压头作上下摆动,所设计的工艺规定,此时的压力不再为恒定值,而在一个规定 的幅度内变化,其最大值与最小值所对应的圆周位置(矢径极角)是预先设定的。滚压力范围在 7 05014150N 之间,相当于 4082bar 的液压系统工作压力。在强化滚压过程中, 工件需回转 11 转。在这台专用设备的前部 ,即靠近工位 A 的地方还设置有一套电感测量系统 3, 安装在一个液压驱动的摆杆机构 2 的顶端, 如图 3 所示。当强化滚压过程