影响压缩机曲轴加工表面完整性的因素分析

樊峰刚 彭慧明 申婷

FAN Fenggang2 PENG Huiming2 SHEN Ting1

1.国家节能环保制冷设备工程技术研究中心 广东珠海 519070

2.空调设备及系统运行节能国家重点实验室 广东珠海 519070

1. Chinese National Engineering Research Center of Green Refrigeration Equipment Zhuhai 519070

2. State Key Laboratory of Air-conditioning Equipment and System Energy Conservation Zhuhai 519070

1 引言

随着人们对环境问题的关注度以及国家对环境保护的重视程度日益加强，节能环保理念已经成为制冷行业的主题，研发更高效更节能的产品是制冷相关企业不可推卸的责任。随着制造业的发展与进步，对零件加工的尺寸精度、形状精度及表面粗糙度的要求越来越严格，但是在最近我司加工的曲轴中发现大多数经过磨合后在偏心圆部位出现斜纹（如图1），因此对影响此曲轴加工表面完整性的因素进行调查及分析，以期对零件工艺进行优化。

2 原因调查与验证

2.1 原因调查

（1）曲轴斜纹顺压缩机旋转方向生成，升角约45°，目测间距均约1mm。用砂纸打磨未有痕迹的偏心圆低点位置，发现低点也存在斜纹；

（2）采用CW1500砂纸打磨库存曲轴，发现其他型号曲轴偏心圆全部存在斜向纹路情况，检测圆度0.0016mm。

2.2 设备及工艺检查确认

根据2.1中所述两点确认此批曲轴偏心圆斜纹为加工时形成，遂对曲轴精加工设备、工装、砂轮和加工工艺进行确认。

（1）曲轴偏心圆为丰田工机A加工，设备电主轴参数主频97Hz，2极，转速5820r/min，砂轮直径250mm，线速度约76m/s；其他特性：工件转速300～350r/min，修整速度600mm/min，满足现在工艺规范要求；

（2）对公司内其他工机进行排查，发现一部分工机加工的曲轴全部存在斜纹，而另一部分设备加工曲轴未发现此异常；

（3）检查加工有斜纹的这部分的一台工机发现，修整器跳动大，重新安装后达到2um以内，重新修整后加工无纹路。其中一些工机修整器跳动大，重新安装无法校正，重新对刀加工仍然出现斜纹或网纹。降低进给速度和增加光磨次数后，纹路消失。

2.3 原因分析

（1）修整器无安装指引和检测要求，部分故障。修整器芯轴圆跳动和基准端面跳动均需要≤2um；

（2）工艺部分参数不受控，进给速度过快、光磨次数太少。部分设备设置进刀速度太快至加工时间仅约3s，光磨次数仅2次。标准要求加工时间不低于5s，光磨次数不少于5次。

3 精密磨削压缩机曲轴表面加工的特点及理论分析

曲轴的加工表面完整性的要求主要有：

（1）零件表面经过磨削后其表面层无损伤，表面层的机械和物理性能、金相组织等必须满足使用要求，并满足压缩机的使用寿命；

（2）磨削加工能够获得较高的精度且能够适应许多场合，因此，用砂轮进行磨削加工是制造机械零件的常用方法。它可以看成是砂轮表面无数的微型刀刃在不停地切割工件，因为砂轮转速非常高，如本文研究的工机线速度就高达76m/s，因此，虽然每颗磨粒的切削量很少，但是整体切削效率仍然很高，也正是因为这无数刀刃的形状不规则，导致磨削力变化不定，加之砂轮状态、旋转不平衡，系统刚性等一些因素综合影响，磨削过程也成为复杂的受力过程和振动过程，且精密磨削零件通常是重要的关键零件，曲轴为压缩机的关键零件，对其加工表面完整性要求较高，曲轴表面完整性直接影响压缩机的性能。

在曲轴高速磨削过程中，曲轴表面与砂轮上无数磨粒一直相互高速撞击，磨粒与曲轴表面的剪切力的瞬态作用会使剪切局限在一个微区域，能量在此微区域的耗散使曲轴局部温度升高，可能会达到熔化或接近熔化的状态。曲轴与砂轮磨粒的正反馈效应使局部绝热剪切作用愈加增强。随着砂轮旋转速度越高，这种绝热剪切作用也越强，这种高速磨削会走向极端条件，由此产生的新机理及带来的其他问题也需要深入研究和实践。与平面磨削相比，高速外圆磨削的砂轮轴和曲轴轴的双向旋转运动则给高速磨削的研究提出了更高的要求。

振动是磨削加工过程中十分有害但却不可避免的现象，振动大致可分为：自由振动（如曲轴外圆磨床周边的其它设备产生的冲击力，外圆磨床砂轮架在进退较快或工作台换向时引起的振动）、强迫振动（例如曲轴外圆磨床电机的转子不平衡、主轴或磨头间隙、砂轮的不平衡等因素引起的振动）和自激振动（自激振动也称作为颤振，颤振是由磨床系统自身产生的交变力所维持的振动，曲轴在磨削过程中产生的持续波动的磨削力就是磨床系统颤振的交变力）。其中自由振动和强迫振动，只要找出振源，总是可以找到消除它们的方法。而发生在砂轮和工件之间的颤动，不会因为有阻尼而衰减，一旦振动产生便会有增无减。

磨削表面是由磨粒磨削后在加工表面上形成残留轮廓和工艺系统振动所引起的波纹所决定，振动是最大的影响因素。目前，我司发现的波纹主要有下述几种情况，根据磨削相关原理和现场工作经验，对这些情况逐一分析：

（1）环点状纹

砂轮表面有杂质或修整不良导致沙粒松动，磨削时复印产生或由于砂轮圆周表面上硬度不均匀或不均匀的磨损引起局部振动造成的。因为这种扰动又会促使砂轮的再生振动，因此往往还可能伴随竖向振纹。进行重新修整或更换质量好的砂轮可以解决此问题。

图1 经过磨合后在偏心圆部位出现斜纹的曲轴

（2）直竖纹

产生曲轴偏心直竖纹的原因是砂轮相对曲轴的移动或者说砂轮对曲轴表面的磨削压力产生周期性变化而引起的振动。这种振动可以是强迫振动，也可以是自激振动，因此曲轴上的直波频通常不止一种。具体的原因有：（a）砂轮主轴的间隙太大；（b）砂轮静平衡不好或砂轮变钝；（c）曲轴的转速太高；（d）横向进刀速度太快；（e）砂轮主轴的轴承磨损或者配合间隙过大，导致产生径向跳动。一般通过降低进刀速度、修整砂轮和平衡砂轮都可以解决。

（3）鱼磷状纹

曲轴偏心的鱼鳞状纹是因为砂轮的切削刃不够锋利，在磨削曲轴表面时发生“啃住”现象，这个时候振动较大。导致振动大的具体原因有：砂轮变钝、修整不够锋利、砂轮硬度不够均匀等。通常可以通过修锐砂轮解决该问题。

（4）斜状纹

与网状、螺旋状纹类属于同一类型，产生的机理相同，只是某个影响因子成分多少不同，导致最终复印（或者称再生效应）结果不同而已。具体的原因有：（a）修整器刚性差、跳动大；（b）进给速度大；（c）工件刚性差。常常通过调整修整器、降低速度和增加无火花光磨时间可以消除此类纹路。

4 经验总结和预防措施

（1）本次调查过程发现采用W40砂纸打磨后由于砂纸粒度太粗无法发现异常，而采用水性氧化铝CW1500砂纸打磨工件后，曲轴表面异常可以发现。因此，可以将此操作增加至作业指导书中，以作为现场判断预防。

（2）编制金刚轮安装操作规范，明确步骤和检验标准。

（3）作业指导书增加重点工艺参数的受控规定。