嚴(yán)俊 王慶祥 王其龍

（上汽大眾汽車有限公司發(fā)動(dòng)機(jī)廠，上海201804）

1 前言

作為汽車的動(dòng)力核心，發(fā)動(dòng)機(jī)的產(chǎn)品質(zhì)量直接影響汽車的性能和安全。本次研究針對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)中的關(guān)鍵運(yùn)動(dòng)副——曲軸和曲軸孔，旨在改善兩者的配合情況，減少發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行過程中的軸瓦磨損，提升發(fā)動(dòng)機(jī)的工作性能和使用壽命。

2 背景介紹

2.1 同軸度定義

同軸度公差是1種定位公差帶，分為點(diǎn)的同軸度和線的同軸度。本次研究的對(duì)象屬于線的同軸度（下文簡(jiǎn)稱同軸度），是指被測(cè)軸線與基準(zhǔn)軸線重合的精度要求。

同軸度公差帶的圖示為以基準(zhǔn)軸線為軸線，直徑為公差值的圓柱面內(nèi)區(qū)域（圖1）。

圖1 同軸度公差帶

2.2 曲軸孔同軸度

EA888缸體有5檔曲軸孔，分別以A～E簡(jiǎn)稱，其中B、C、D檔曲軸孔有同軸度的工藝要求（Φ0.015 mm），即B、C、D檔曲軸孔的軸線需包含在直徑為0.015 mm的圓柱面區(qū)域內(nèi)，該圓柱面以A、E曲軸孔形成的公共基準(zhǔn)為軸線（圖2）。

圖2 缸體曲軸孔同軸度

缸體曲軸孔經(jīng)過鏜孔、珩磨2道加工工藝加工之后，都會(huì)對(duì)曲軸孔同軸度產(chǎn)生影響。

2.3 曲軸孔同軸度對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行的影響

曲軸孔是安裝曲軸的基體，也是發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行時(shí)曲軸運(yùn)動(dòng)的基礎(chǔ)。在安裝曲軸之前，需要在曲軸孔內(nèi)安裝軸瓦，用于與曲軸的運(yùn)動(dòng)配合。如果曲軸孔同軸度較差，5檔曲軸孔與曲軸的配合程度會(huì)有差異，在發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行時(shí)，會(huì)對(duì)軸瓦產(chǎn)生異常的磨損，從而影響發(fā)動(dòng)機(jī)的使用壽命。

3 問題描述

3.1 模擬缸蓋工藝介紹

在介紹同軸度問題之前，必須先介紹下缸體加工的特色工藝之一：模擬缸蓋工藝，這是導(dǎo)致曲軸孔同軸度變差的根本原因。

缸孔加工分為粗鏜、精鏜、珩磨3道工序，在精鏜之前，將模擬缸蓋以組裝缸蓋相同的扭矩固定在缸體上，使缸孔預(yù)變形，再進(jìn)行后續(xù)加工。這樣拆除模擬缸蓋之后，成品缸體的缸孔由于張力作用會(huì)產(chǎn)生變形，但安裝了標(biāo)準(zhǔn)的缸蓋之后，缸孔的形狀又恢復(fù)到標(biāo)準(zhǔn)的狀態(tài)。

模擬缸蓋工藝是缸體加工工藝的一大創(chuàng)新，通過預(yù)變形的方法，保證了發(fā)動(dòng)機(jī)的缸孔圓度，保證了缸孔與活塞環(huán)的間隙，提高密封性能，減少油耗，延長(zhǎng)發(fā)動(dòng)機(jī)使用壽命。但該工藝也帶來(lái)了一定的副作用。

3.2 模擬缸蓋壓裝對(duì)曲軸孔位置的影響

模擬缸蓋壓裝對(duì)曲軸孔的影響主要體現(xiàn)在螺栓的預(yù)緊力上。預(yù)緊力對(duì)缸體產(chǎn)生拉伸作用（圖3），這種拉伸作用在曲軸孔上，就引起曲軸孔中心在Y方向上的變化。我們將5檔曲軸孔的豎直方向位置用ya、yb、yc、yd、ye表示，由于缸體各部位的結(jié)構(gòu)區(qū)別以及壁厚區(qū)別，預(yù)緊力對(duì)ya～ye的影響也有所差異。

圖3 螺栓預(yù)緊力

根據(jù)VW01126-2《連接技術(shù)螺栓裝配的超彈性擰緊方法》標(biāo)準(zhǔn)（表1），對(duì)于過屈服擰緊M10 10.9級(jí)螺栓的預(yù)緊力可達(dá)46.5～58 kN。

表1 VW01126-2標(biāo)準(zhǔn)

為了驗(yàn)證預(yù)緊力對(duì)曲軸孔位置的影響，進(jìn)行對(duì)比試驗(yàn)：同1個(gè)缸體在精鏜、壓裝模擬缸蓋、珩磨后，分別對(duì)曲軸孔位置進(jìn)行三坐標(biāo)測(cè)量，測(cè)量數(shù)據(jù)整理如圖4。

可以看出，5檔曲軸孔Y方向的變形量是不一樣的：ya幾乎不變，但ye增大近0.02 mm，導(dǎo)致曲軸孔的中心不再維持在同一直線上，B、C、D檔曲軸孔同軸度變差，尤其C檔。

4 同軸度優(yōu)化

為了保證成品發(fā)動(dòng)機(jī)的質(zhì)量，必須要對(duì)帶模擬缸蓋狀態(tài)下的曲軸孔同軸度進(jìn)行優(yōu)化。優(yōu)化分為2個(gè)思路：補(bǔ)救法和反向干預(yù)法。

顧名思義，補(bǔ)救法就是在后道工序，對(duì)模擬缸蓋產(chǎn)生的影響進(jìn)行改善。

反向干預(yù)法就是在前道工序，提前干預(yù)，從而抵消模擬缸蓋產(chǎn)生的影響。

4.1 補(bǔ)救法

4.1.1 優(yōu)化珩磨工藝

曲軸孔在精鏜加工之后，需要珩磨加工。與缸孔珩磨采用的浮動(dòng)機(jī)構(gòu)不一樣，由于曲軸孔是多檔、不連續(xù)的狀態(tài)，所以珩磨頭與主軸采用了剛性連接[1]，如圖5所示。

圖4 曲軸孔位置變化

圖5 珩磨加工示意

珩磨頭連接在主軸上，通過加工滑行平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)加工的進(jìn)給與返回。刀具與主軸連接成一體，類似1根細(xì)長(zhǎng)軸，具有一定的柔性，柔性加工使得珩磨受前道工序曲軸孔位置的影響。

由于主軸與曲軸孔的相對(duì)位置由設(shè)備決定，且珩磨加工精度較高，盡量不要調(diào)整加工的相對(duì)位置。為了改善模擬缸蓋壓裝引起的曲軸孔同軸度偏差問題，需要從減弱珩磨加工的柔性方面著手。

4.1.2 優(yōu)化珩磨參數(shù)

珩磨參數(shù)主要有轉(zhuǎn)速和往復(fù)行程速度（進(jìn)給）。

轉(zhuǎn)速越大，進(jìn)給越小，珩磨頭每轉(zhuǎn)切削量越小，切削力越小，珩磨頭的加工柔性越弱。不過，轉(zhuǎn)速過大會(huì)影響刀具壽命，進(jìn)給過小會(huì)影響加工節(jié)拍[2]。

綜合考慮，設(shè)置了如表2所示的參數(shù)進(jìn)行組合試驗(yàn)，跟蹤珩磨后的同軸度情況。

通過表格整理數(shù)據(jù)可以發(fā)現(xiàn)，350 r/min與3 m/min達(dá)到的最好的效果，但對(duì)同軸度偏差的改善效果并不明顯。

表2 不同加工參數(shù)下的同軸度

4.1.3 優(yōu)化珩磨頭導(dǎo)向功能

珩磨砂條的前后都有導(dǎo)向條（圖6），用于避免砂條與曲軸孔的碰擦，保證珩磨余量的均勻性。為了減弱前道工序的曲軸孔位置對(duì)珩磨的影響，提高珩磨的加工剛性，需要減弱珩磨頭的導(dǎo)向作用。

圖6 珩磨導(dǎo)向條

有1種方法是將導(dǎo)向條的直徑磨小，這不僅耗時(shí)長(zhǎng)、難度大，還有可能損壞現(xiàn)有的珩磨頭。于是想到了1種替代方法：將曲軸孔精鏜加工的尺寸做大到上公差，從而減弱珩磨加工的導(dǎo)向作用。

通過對(duì)精鏜加工刀具進(jìn)行調(diào)整，將曲軸孔精鏜尺寸加工到工藝最大值（56.965 mm），對(duì)比珩磨之后同軸度的改善情況如表3所示。通過數(shù)據(jù)可以發(fā)現(xiàn)，該措施的有效性存在波動(dòng)，未能徹底改善同軸度偏差狀態(tài)。

表3 不同曲軸孔直徑下的同軸度

4.2 反向干預(yù)法

反向干預(yù)法是1種預(yù)防性的方法，使精鏜曲軸孔的位置趨勢(shì)由“凹”形（圖4a）變形為“凸”形，從而抵消模擬缸蓋壓裝對(duì)曲軸孔位置帶來(lái)的影響，如圖7所示。

圖7 反向干預(yù)法示意

4.2.1 調(diào)整前的測(cè)量工作

在調(diào)整之前，必須先對(duì)精鏜工序的設(shè)備狀態(tài)進(jìn)行準(zhǔn)確的測(cè)量。為保證測(cè)量數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，采用激光對(duì)中儀和傳統(tǒng)的千分表同時(shí)測(cè)量。

首先介紹下曲軸孔精鏜工位的設(shè)備結(jié)構(gòu)及刀具狀態(tài)。

整個(gè)結(jié)構(gòu)由動(dòng)力頭、軸套、鏜刀排、定位夾緊機(jī)構(gòu)組成（圖8）。

圖8 精鏜工位設(shè)備結(jié)構(gòu)

鏜刀排一端連接動(dòng)力頭主軸，一端插入軸套進(jìn)行固定。整個(gè)加工過程中，鏜刀排始終處于兩端固定的狀態(tài)。主軸與軸套的同軸度直接影響曲軸孔加工后的同軸度，因此本次測(cè)量工作的重點(diǎn)就是動(dòng)力頭主軸與軸套的偏差程度。

a.采用ROTALIGN Ultra型號(hào)的激光對(duì)中儀測(cè)量，工作原理如下。

在2根軸上分別安裝激光發(fā)射單元和接受單元，激光束發(fā)出后，落在接收器的光電點(diǎn)陣CCD采集面上時(shí)便形成1個(gè)很小的照射區(qū)域，經(jīng)主機(jī)計(jì)算確定該照射區(qū)域的能量中心點(diǎn)。隨著軸的轉(zhuǎn)動(dòng)，能量中心點(diǎn)也在接收單元的CCD采集面上移動(dòng)[3]，根據(jù)位移量即可計(jì)算出被測(cè)軸的偏差（圖9）。

圖9 激光對(duì)中儀

實(shí)際測(cè)量過程中，利用自制芯棒連接主軸和軸套，帶動(dòng)主軸和軸套同步轉(zhuǎn)動(dòng)（圖10）。

圖10 激光對(duì)中儀測(cè)量實(shí)物照

測(cè)量結(jié)果顯示，主軸相對(duì)于軸套在Y方向有0.074 mm的軸偏差（圖11）。

圖11 激光對(duì)中儀測(cè)量結(jié)果

b.為了保證測(cè)量準(zhǔn)確性，我們同時(shí)也采用了原始的千分表測(cè)量進(jìn)行確認(rèn)。

為模擬正常加工時(shí)的狀態(tài)，用千分表監(jiān)控鏜刀排進(jìn)入軸套時(shí)的狀態(tài)變化（圖12）。

圖12 千分表測(cè)量實(shí)物照

在刀排的上母線和側(cè)母線處，分別放置千分表，用于監(jiān)控刀排進(jìn)入軸套的瞬間在X和Y方向上的位移變化。經(jīng)過測(cè)量，X方向變化0.011 mm，Y方向刀排上抬0.067 mm，與激光對(duì)中儀的測(cè)量數(shù)據(jù)基本一致。

4.2.2 設(shè)備調(diào)整

測(cè)量數(shù)據(jù)表明，主軸在Y方向比軸套低約0.07 mm。這也從設(shè)備層面驗(yàn)證了圖4a的測(cè)量數(shù)據(jù)，繪制的曲軸孔位置曲線呈“凹”形。為了實(shí)現(xiàn)反向干預(yù)的效果，使得精鏜后曲軸孔位置曲線呈“凸”形，就要調(diào)整床身，使得主軸“抬頭”。

動(dòng)力頭床身有2×4共8顆地腳螺絲固定。最終確定的調(diào)整方案為：通過千分表搭表的方式，將第1排2顆螺絲上調(diào)0.08 mm，第2排2顆螺絲上調(diào)0.06 mm，第3排2顆螺絲上調(diào)0.04 mm，第4排2顆螺絲上調(diào)0.02 mm，使得動(dòng)力頭主軸呈現(xiàn)“抬頭”的姿態(tài)，如圖13所示。

圖13 動(dòng)力圖床身結(jié)構(gòu)

調(diào)整之后，鏜刀排會(huì)以“抬頭”的姿態(tài)進(jìn)入軸套，由于軸套的剛性約束，即形成“凸”形的位置曲線，見圖14a的曲線。

對(duì)精鏜以及珩磨之后的曲軸孔位置度進(jìn)行三坐標(biāo)測(cè)量，5檔曲軸孔Y方向的變形規(guī)律與之前一致：ya幾乎不變，ye增大近0.02 mm，但由于ye之前是比B、C、D檔位置低的，變形之后反而使得A～E曲軸孔位置呈現(xiàn)為1條直線的狀態(tài)（圖14c）。曲軸孔同軸度得到極大的改善。測(cè)量數(shù)據(jù)整理如圖14所示。

5 結(jié)論

a.利用三坐標(biāo)測(cè)量的尺寸，根據(jù)大量對(duì)比試驗(yàn)的數(shù)據(jù)，分析模擬缸蓋壓裝的螺栓預(yù)緊力是引起曲軸孔同軸度偏差的根本原因。

b.通過珩磨參數(shù)的組合試驗(yàn)，選取最優(yōu)的珩磨參數(shù)對(duì)曲軸孔同軸度進(jìn)行改善，效果不明顯；通過減弱珩磨頭的導(dǎo)向作用對(duì)曲軸孔同軸度進(jìn)行改善，措施穩(wěn)定性較差。

圖14 調(diào)整后的曲軸孔位置變化

c.通過調(diào)整曲軸孔精鏜設(shè)備，使得曲軸孔位置呈現(xiàn)反向的“凸”形趨勢(shì)，從而抵消模擬缸蓋壓裝帶來(lái)的變形影響，措施驗(yàn)證有效。