汽車發(fā)動機(jī)曲軸軸頸桶面度誤差的測量實踐與探索

神龍汽車有限公司（湖北襄陽 441004）葉宗茂

神龍汽車有限公司襄陽工廠質(zhì)檢分部計量室高級專家葉宗茂

曲軸是引擎的主要旋轉(zhuǎn)零件，為了滿足用戶對乘用車動力的卓越性能的需要，曲軸從外形到軸頸形狀都在發(fā)生變化，如為了保證曲軸高速運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)下良好潤滑的需要，曲軸軸頸必須為中凸形，我公司某新款發(fā)動機(jī)要求其曲軸的每個軸頸的桶面度誤差在1～3μm之間。如何在現(xiàn)有的檢測資源條件下，正確測量和評價軸頸的桶面度誤差，驗證工藝方法的執(zhí)行效果呢？

曲軸軸頸桶面度公差的提出

曲軸軸頸桶面度公差定義為軸頸外圓素線對平行于曲軸軸線的直線之間設(shè)計要求凸出的偏移值；桶面度誤差是指在曲軸軸向一定的測量范圍內(nèi)，軸頸外圓最高點與最低點的徑向距離，如圖1所示。曲軸軸頸的桶面形狀有利于形成油楔，可較大提高曲軸在高速旋轉(zhuǎn)下的潤滑性能。

曲軸軸頸的凸凹程度直接影響到發(fā)動機(jī)曲軸連桿機(jī)構(gòu)這一重要運(yùn)動副的潤滑磨損，影響發(fā)動機(jī)的輸出功率，因此，曲軸桶面度公差的提出有利于提高發(fā)動機(jī)曲軸的工藝性能，保證發(fā)動機(jī)的運(yùn)行質(zhì)量，同時可有效減小曲軸在發(fā)動機(jī)高速運(yùn)轉(zhuǎn)過程中產(chǎn)生的機(jī)械噪音，提高駕駛的舒適性。

曲軸桶面度誤差的測量實踐與探索

圖1 桶面度誤差示意圖

圖2曲軸功能圖是我們公司最新引進(jìn)的一款三缸渦輪增壓發(fā)動機(jī)的曲軸，功能圖技術(shù)要求上明確提出了主軸頸/連桿頸桶面度公差要求為：1μm≤Z≤3μm，評定長度為14mm。

為了準(zhǔn)確測量出曲軸軸頸桶面度誤差，驗證工藝方法的執(zhí)行效果，我們分別在輪廓儀、圓度儀及ADCOLE軸類綜合測量儀等三種測量儀器上進(jìn)行了測量試驗，通過對測試結(jié)果的分析比較，最終找到了一種準(zhǔn)確高效、安全可靠、方便快捷的桶面度誤差測量方法——ADCOLE測量法。通過編輯自動測量程序，實現(xiàn)了曲軸軸頸桶面度自動測量、自動分析評價與自動輸出桶面度測量結(jié)果的全自動CNC的數(shù)字化測量，測量一個零件僅需要3min，實現(xiàn)了對新款發(fā)動機(jī)曲軸產(chǎn)品制造工藝方法的的驗證，有效的指導(dǎo)了工藝方法的優(yōu)化、設(shè)備的調(diào)試與能力值的驗收，進(jìn)而保證了新款發(fā)動機(jī)曲軸的符合性質(zhì)量。

圖2 具有軸頸桶面度公差要求的曲軸功能圖

1.ADCOLE軸類綜合測量儀簡介

ADCOLE 軸類綜合測量儀是由美國艾帝科測量設(shè)備有限公司生產(chǎn)制造，其產(chǎn)品性能主要特點為：計算機(jī)控制，帶觸摸屏操作，徑向測量采用雙海德漢光柵，測量精度0.5μm，分辨率0.1μm，軸向測量采用雙圓柱導(dǎo)軌，直線精度0.5μ m/50m m，主軸回轉(zhuǎn)精度0.25μm、定位精度1〞；采用雙頂尖定位，立式裝夾曲軸；可測量的曲軸參數(shù)有曲軸主軸頸和連桿徑的直徑、圓度、圓柱度、錐度、平行度、直線度、桶面度、中截面偏差、主軸頸徑向跳動、偏心、連桿徑的角向位置、曲拐半徑、對稱度、位置度，曲軸止推面、法蘭端面、鏈輪端面跳動和垂直度等；采用專用測量分析軟件，評價功能強(qiáng)大，分析功能完善，并配以快速的數(shù)據(jù)處理及圖形顯示、打印等功能來滿足用戶不同曲軸測量分析的需要，該設(shè)備具有一次采樣多次分析的功能，可實現(xiàn)全自動CNC曲軸全尺寸測量功能，可滿足新款發(fā)動機(jī)曲軸產(chǎn)品桶面度測量需求。

2.ADCOLE測量評價軸頸桶面度的原理與方法

ADCOLE設(shè)備測量評價曲軸桶面度的原理是基于確定直線度掃描起始點和結(jié)束點之間的中間點的高度，這個值可能為正，也可能為負(fù)，測量結(jié)果為正，說明軸頸中部是凸起的，測量結(jié)果為負(fù)，說明中部是凹下去的，高速發(fā)動機(jī)為了保證曲軸的潤滑效果，規(guī)定桶面度為正偏差，即只允許軸頸中部凸起；桶面度不同于直線度誤差，它只評價直線中間點到所評定的兩個端點之間的距離，其評價曲軸桶面度的方法如圖3所示。

（1）曲軸零件數(shù)據(jù)文件的建立。ADCOLE在測量零件前，必須先建立零件數(shù)據(jù)文件，數(shù)據(jù)文件主要內(nèi)容包括主軸頸和連桿頸數(shù)量、各軸頸中截面位置、直徑公差、幾何量公差、零件軸向基準(zhǔn)到儀器0點的位置、軸向掃描長度及徑向掃描截面數(shù)量等等；利用ADCOLE的零件數(shù)據(jù)文件公用程序Part.Dat,建立EB2DTS曲軸零件數(shù)據(jù)文件EB2DTS.Dat,由于桶面度不是通用幾何量術(shù)語，其公差的設(shè)置需要在測量程序中添加。

（2）曲軸桶面度測量程序的建立。ADCOLE進(jìn)行零件檢測是由測量程序文件指導(dǎo)測量機(jī)動作，測量程序包含了在檢測中要運(yùn)行的指令清單。當(dāng)測量零件時，測量機(jī)讀出該指令清單，并按順序執(zhí)行各指令，測量程序是在ADCOLE的Seqbuild公用程序編輯器中編制，Seqbuild調(diào)用零件數(shù)據(jù)文件中的信息，如上面建立的EB2DT曲軸零件數(shù)據(jù)文件EB2DTS.Dat中的信息，按用戶的檢測規(guī)劃及設(shè)置自動生成標(biāo)準(zhǔn)測量程序，但不是檢測零件所需的所有信息都包含在零件數(shù)據(jù)文件中，如標(biāo)定以及零件基準(zhǔn)的測量所需的信息需要由用戶輸入。

測量桶面度時，測頭沿零件軸線進(jìn)行線性掃描，依據(jù)EB2DTS曲軸產(chǎn)品功能圖上的桶面度技術(shù)要求，線性掃描長度為14mm。

圖3 桶面度測量評價示意圖

（3）曲軸桶面度可編程測量報告模板的建立。Adcole1100型測量機(jī)可提供可編程報告，幫助保存和發(fā)布數(shù)據(jù)，根據(jù)EB2DTS曲軸全尺寸及桶面度測量需求，我們編輯了包含桶面度在內(nèi)的EB2DTS曲軸零件全尺寸可編程測量報告模板REPORT1116.CRK，按此報告模版打印的測量報告如表1所示（節(jié)選），包含了軸頸桶面度的公差與測量結(jié)果。

3.曲軸桶面度測量結(jié)果的準(zhǔn)確性和重復(fù)性驗證

從表1所示的測量結(jié)果中可以看出：被測零件各個軸頸的桶面度為負(fù)數(shù)，說明被測零件各個軸頸的桶形為中凹形，不符合該產(chǎn)品的桶面度公差要求。

為了驗證ADCOLE測量桶面度的準(zhǔn)確性，我們用泰勒·霍普森的FTS－i120型臺式粗糙度儀測量了該零件各個軸頸的表面形貌，如圖4所示的圖形為第一連桿頸表面形貌，從第一連桿頸表面形貌圖上可很直觀的判斷出被測零件該軸頸桶面形狀中部是凹下去的，且凹下的幅值為1.4μm，這與ADCOLE測量的該軸頸桶面度測量結(jié)果僅差0.1μm，說明ADCOLE桶面度測量結(jié)果是準(zhǔn)確的。

表1 曲軸桶面度測量報告

為了驗證ADCOLE測量桶面度的重復(fù)性和再現(xiàn)性，我們分別對1件零件進(jìn)行重復(fù)裝夾，重復(fù)測量3次，測量結(jié)果如表2所示，7個軸頸3次測量結(jié)果的桶面度最大重復(fù)性誤差為0.0005mm，說明桶面度的ADCOLE測量結(jié)果是可靠的，測量結(jié)果的重復(fù)性和再現(xiàn)性是滿足產(chǎn)品桶面度公差的測量要求。

4.測量結(jié)果對工藝的指導(dǎo)

從表1的測量報告和圖4的軸頸表面形貌圖形報告中可以得出這樣的結(jié)論：被測零件軸頸的桶面度是不合格的，不滿足產(chǎn)品的技術(shù)要求。這說明調(diào)試加工的EB2DTS曲軸的軸頸中部是凹下去的，且凹下的幅度在1～2μm之間，而產(chǎn)品要求軸頸中部是凸的，且中部凸起1～3μm，由此，調(diào)試加工的零件是不合格的。

表2 EB2DTS曲軸軸頸桶面度測量結(jié)果統(tǒng)計表（mm）

測量結(jié)果反饋給新項目組的工藝人員及磨床供應(yīng)商后，供應(yīng)商對磨床砂輪的素線形狀按照零件的測量結(jié)果進(jìn)行了修整，重新加工零件，零件所有軸頸的桶面度測量結(jié)果變?yōu)檎?，說明工藝優(yōu)化后軸頸的桶面形狀為中凸形，且中部凸起在1～3μm，工藝優(yōu)化后的軸頸桶面度測量結(jié)果如表3所示。

表3 工藝優(yōu)化后的曲軸零件測量報告

圖4 軸頸表面形貌圖形報告

圖5 工藝優(yōu)化后的軸頸表面形貌圖形報告

為了進(jìn)一步驗證工藝優(yōu)化后的桶面度測量結(jié)果的準(zhǔn)確性，我們又在粗糙度儀上測量該零件各個軸頸的表面形貌，如圖5所示的表面形貌為第三連桿頸表面形狀，可以很直觀的看出該零件桶面形狀為中凸形，凸起的幅值為2.7μm,與ADCOLE測量的該軸頸桶面度測量結(jié)果僅差0.1μm。工藝優(yōu)化后的零件加工結(jié)果桶面度合格，滿足了產(chǎn)品的技術(shù)要求。

由此可得出結(jié)論：ADCOLE測量曲軸軸頸桶面度的方法，不僅準(zhǔn)確高效，而且能夠指導(dǎo)工藝優(yōu)化，正確驗證工藝方法的執(zhí)行效果，可有效服務(wù)制造工藝的提升。

5.曲軸桶面度的ADCOLE測量方法與其他測量方法的效率比較

曲軸桶面度也可以用輪廓儀測量，但輪廓儀測量效率較低。原因是桶面度測量時要求測頭沿曲軸軸向移動時始終在軸頸的同一條素線上，而零件在輪廓儀上的支撐用的是一對V形鐵，曲軸橫放在V形鐵上，用V形鐵來模擬零件軸線，V形鐵又放置在輪廓儀大理石平臺上或大理石平臺上的固定支架上，這樣在測量軸頸桶面度時，操作者需要花大量時間來調(diào)整零件的軸線與輪廓儀測量基準(zhǔn)軸線的平行，稍有偏離就會產(chǎn)生較大的測量誤差；第二在輪廓儀上分析桶面度，靠的是操作人員手動分析，一個三缸曲軸測完所有軸頸最低需要30min，而且重復(fù)性較差，第三在輪廓儀上測量分析桶面度，需要找準(zhǔn)每個軸頸軸向長度的中點，這樣測量軸頸素線時必須從曲軸每一個軸頸的一端的沉割槽開始測量到另一端的沉割槽結(jié)束，測量長度稍有偏差，測量時就有掛斷測針的風(fēng)險或不能完成測量任務(wù)的風(fēng)險。

曲軸桶面度也可以用圓度儀測量，由于曲軸在圓度儀上的定位裝夾大都采用三爪卡盤立式裝夾，為了減小測量誤差，測量時需要花費(fèi)很長時間對零件進(jìn)行調(diào)平調(diào)心，以保證圓度儀主軸軸線與工件軸線的平行，測量桶面度時才能保證測頭沿曲軸軸向的移動始終在軸頸的同一條素線上，由于圓度儀測頭一般為球形測頭，軸線稍有偏差就會帶來較大的桶面度測量誤差。另外圓度儀的分析軟件在分析桶面度時，柔性化不夠，僅僅是一種近似的評價，誤差較大。

而在ADCOLE1100曲軸綜合測量儀上測量分析桶面度，零件定位采用上下頂尖，定位精度高，測量頭采用的是平直的圓柱測頭，不需要調(diào)整,軸向掃描長度和每個軸頸軸向中點的定義都是嚴(yán)格按照產(chǎn)品圖上的軸向尺寸的位置設(shè)定在測量程序數(shù)據(jù)文件中，可以采用自動測量程序直接在測量曲軸各種其他參數(shù)時一同測量出桶面度,測量一個3缸曲軸全尺寸也僅需要5min，測量的準(zhǔn)確度、重復(fù)性、再現(xiàn)性和一致性都很高。