穆东辉;卢振洋;范晋伟;陈冬菊
【摘 要】曲轴随动磨床是曲轴加工工艺链条中最核心的设备,而主轴系统直接决定着曲轴随动磨床的最终加工精度和效率.针对曲轴随动磨削的加工技术特点,提出一种曲轴磨床专用的高精度液体静压电主轴设计制造技术,可将主轴回转精度稳定控制在1μm以内,同时降低了曲轴随动磨床装备和曲轴制造的成本.
【期刊名称】《制造技术与机床》
【年(卷),期】2014(000)010
【总页数】5页(P66-70)
【关键词】曲轴随动磨床;静压电主轴;液体静压轴承
乐谱架【作 者】穆东辉;卢振洋;范晋伟;陈冬菊
【作者单位】北京工业大学 北京100124;北京联合大学 北京100101;北京工业大学 北京100124;北京工业大学 北京100124
【正文语种】中 文
【中图分类】TH161
曲轴是汽车发动机的关键零件，是决定汽车主要技术性能的关键环节。由于自身结构特点和功能要求，曲轴具有非常高的精度指标，特别是精磨时的加工难度大、工艺性差。国内在很长时期都采用传统的偏心夹具的磨削方法进行曲轴的精加工，但由于存在工件多次定位、精度差、加工效率低等诸多缺点，曲轴的传统磨削方法已不能适应目前汽车发动机曲轴零件加工的高精度、高效率、低成本、低能耗的需求。因此，近年来在国内新建的曲轴生产线上开始采用随动磨削工艺，大量进口随动式曲轴数控磨床。这种设备可在一次装夹中完成曲轴止推面、主轴颈和连杆颈的磨削加工任务，既减少了工件装卡时间又提高了产品精度。目前国内在此领域的研究工作还处于样机试制阶段，很多关键技术有待突破。
曲轴随动磨床最核心的部件之一是液体静压电主轴，其旋转精度、刚度、转速以及运转的
平稳性直接影响曲轴随动磨床的磨削精度。液体静压电主轴是以液体静压轴承为支撑，将主轴和电动机的转子集成在一体，实现了主轴的“零传动”[1]，相比于传统皮带传动主轴，电主轴省去了复杂的中间传动环节，具有调速范围宽、振动噪声小、效率高、可快速起动等优点。然而，液体静压电主轴是否具备高回转精度、高动态刚度、高阻尼减振性还取决于电主轴结构、液体静压轴承的结构、主轴电动机的支撑方式以及支撑液体静压主轴的砂轮架结构等多种因素。
开口料
高性能液体静压电主轴是一项综合、复杂的技术。由于装配液体静压电主轴 ，可使曲轴随动磨床具有极高的生产率，而且可显著地提高曲轴的加工精度和表面质量，因此液体静压电主轴的研制是自主研发随动式曲轴磨床的重要环节，对提高国产曲轴随动磨床品质和竞争力有着深远的影响。
1 曲轴随动磨床液体静压电主轴的性能要求
研制和开发曲轴随动磨床液体静压电主轴面临的第一个问题是如何从曲轴随动磨床总体性能指标要求中提取和凝练出液体静压电主轴性能指标，进而再围绕液体静压电主轴性能指标开展其总体设计、分析、详细设计和研制的各个阶段性任务。
随着我国汽车工业的快速发展，曲轴生产厂家为了提高曲轴的加工效率，在保证曲轴的加工精度及质量的前提下，尽量地压缩加工节拍，对汽车曲轴随动磨床提出高效、高精、高可靠性的总要求。为了实现曲轴的高效加工，需要对曲轴外圆进行大切深、高效率磨削，磨削加工余量很大，曲轴加工过程中会产生强烈的振动，这就要求砂轮主轴系统具备高转速、高刚度和良好的阻尼特性；为了实现曲轴的高精度加工，则需要砂轮主轴系统有极高的旋转精度；同时为了确保包括砂轮主轴系在内的整个砂轮架具有高的加(减)速度特性，则需要砂轮主轴系统及其支承结构的质量要尽量的小，且要具有一定的抗振性来保证较高的动态特性。
依据以上对曲轴随动磨床加工特点的分析，可初步概括出砂轮主轴系统应当具备高精度、高刚度、高转速、高动态特性的总体要求。下面再依据实际技术要求对这些性能要求做进一步的细化分解：
(1)高精度 曲轴零件的加工型面多，需要保证的尺寸、形状、位置精度也多，而且加工精度要求高。一般四缸发动机曲轴零件精密磨削的主要控制精度包括：主轴颈圆度≤0.004 mm，圆柱度≤0.005 mm；连杆颈圆度≤0.005 mm，圆柱度≤0.006 mm；表面粗糙度Ra≤0.
32 μm。为满足曲轴高精度的加工要求，本研发项目设定砂轮主轴系统的回转精度为1 μm。
(2)高刚度 曲轴随动磨床砂轮主轴系统的刚度分为径向刚度和轴向刚度。为了实现高转速下变切削余量的高效磨削，砂轮主轴系统必须能够提供充足的切削力以保证非圆磨削的精密位置控制。依据曲轴随动磨床的生产要求以及笔者的开发经验，设定砂轮主轴系统的径向刚度为350 N/μm；轴向刚度为400 N/μm。
(3)高转速 曲轴随动磨床在磨削曲轴过程中，一般可采用高达120～160 m/s的磨削速度，针对曲轴随动磨床高速磨削要求，本文将砂轮主轴系统的转速设定为6 000 r/min以上。
(4)高动态特性 曲轴随动磨床磨削曲轴连杆颈的过程属于随动磨削，曲轴随动磨削工艺可显著地提高曲轴整体的磨削效率、磨削精度和加工柔性。随动磨削工艺是在砂轮主轴高速回转、高效切削、进给部件高加减速往复进给等条件下实现的。本文设定进给部件的最高设计加速度在2g以上。同时曲轴所有轴颈对磨削表面质量要求又非常高，不能出现振纹，所以需要整个磨削系统具有良好的动态特性。
2 曲轴磨床电主轴的总体设计
依据以上概括出的性能指标要求，本文设计的曲轴随动磨床液体静压电主轴采取电动机内置直联技术，将主轴和电动机的转子集成在一体，省去了复杂的中间传动环节，从而具备了调速范围宽、振动噪声小、可快速起动和准停等优点。在砂轮架体内部采取独立冷却水套系统，避免了电动机高速运转时产生的热量对主轴回转精度造成影响。
精密电主轴本文设计的电主轴采用液体静压轴承支撑。液体静压轴承摩擦系数小、油膜刚度高、承载能力强，可使主轴在预定载荷和任意转速下，都与轴承处于完全液体摩擦状态，并可以吸收磨削过程中产生的振动[2]，并且容易加工，能够保证电主轴的旋转精度，从而满足曲轴随动磨床对曲轴精加工的要求。本文设计的电主轴内部装有MARPOSS轴芯式动平衡仪，可以在线自动平衡，能够在高转速时达到很好的平衡效果，避开发生共振的转速区域，从而保证了液体静压电主轴能在平稳运转的状态下进行曲轴精加工。
led间隔柱砂轮架体是液体静压电主轴的基础支撑件，砂轮主轴组件将装配于其中。而由于曲轴主轴颈和连杆颈不在同一轴线上，在磨削过程连杆颈回转空间大，为防止在磨削过程中砂轮架与曲轴发生碰撞，在设计时必须确保砂轮架结构紧凑。本文设计的液体静压电主轴的前后轴承是直接安装于砂轮架箱体孔内的，因此，在设计中，对砂轮架体轴承孔的尺寸、形状
、位置精度，孔自身与底部基面的平行度、前后两个孔的同轴度等都给出了微米级的高精度要求。
3 液体静压电主轴设计的关键技术
液体静压电主轴是以液体静压轴承为支撑，采用电动机直联的主轴系统，液体静压轴承的特点是支撑刚度高、承载能力强，适合曲轴的大余量切削和高速、高精加工要求；液体静压电主轴设计的关键技术主要包括液体静压电主轴轴系的优化设计、液体静压电主轴轴承设计、液体静压电主轴刚度校核等。电主轴电动机是高速运转的部件，其性能直接关系到电主轴的输出特性，选配专业高速电机厂商生产的电动机和控制器，可节省设计时间，确保电动机的性能。
在设计液体静压电主轴时，依据曲轴随动磨床液体静压电主轴性能要求，液体静压电主轴设计应满足主轴旋转精度高且稳定、主轴系统刚性好、振动小、动态性能稳定、发热低、不漏油、制造装配简单，调整维修方便等技术要求。
3.1 液体静压电主轴轴系设计
自动供墨系统
(1)液体静压电主轴的支撑方式设计
液体静压电主轴常见的支撑方式主要有两种：即电动机后置式和电动机内装式[3]，如图1所示。后置式将电动机安装在主轴的尾部，静压轴承的结构与常见的砂轮架静压主轴轴系相似，具有密封简单、安装维护方便等特点。内置式液体静压电主轴的电动机安装在前后轴承之间。内装式比后置式的主轴长度要短，结构紧凑，有利于增加液体静压电主轴的刚度和减小电主轴的弹性变形，适合在曲轴随动磨床上应用。在保证加工工艺和装配工艺的前提下，本文在支撑方式上选择内装式液体静压电主轴。
(2)液体静压电主轴的电动机选择
水性附着力促进剂电主轴设计中一般都选用电机专业厂商生产的各种类型的电动机，而不再自行设计电动机，这样做既可以节省设计时间，又可以利用电机厂商的电机设计技术与经验，以确保电主轴的可靠性和稳定性。
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