矢量磨削：曲軸生產的一個重大飛躍

寂靜天花板 · 發表于 2016-2-21 06:15:33

當前在汽車生產中，對質量檢驗的重視程度越來越高。汽車制造業面臨的持續上升的競爭壓力、更加嚴格的法律規定以及為了避免代價高昂的召回事件等各方面諸多的考量已經成為汽車制造業未來發展的基調。例如，據汽車管理（CAM）中心統計，僅在2014年德國就有超過190萬輛汽車被執行召回。面對這種局面，各個領域的制造商們不得不加緊改進他們的生產工藝，特別是改進發動機結構的生產工藝。其中曲軸就是一個典型的例子: 這種核心組件在未來需要承擔的穩定性更高，才能將結構更加緊湊的發動機的特定輸出傳送到齒輪上。為此，采用高精密的磨削工藝至關重要。在這種情況下，EMAG磨削專家的一項新技術，為汽車制造商們開啟了全新的可能性：矢量磨削大大削減了復雜的曲軸磨削加工的加工成本。

目前汽車生產的規劃人員正試圖“辦他們做不到的事”：一方面，由于殘酷的競爭形勢需要降低生產成本，但另一方面，對于許多有高質量和安全要求的部件來說，在技術和幾何形狀方面正面臨更嚴格的要求。當然，規劃人員也正在尋找可利用的工廠和機械設備：如何應用新的解決方案實現更高效的生產，以便與技術進步保持同步？

以卡車曲軸為例
曲軸加工是這一挑戰的一個很好的例子。整個發動機的效率和穩定性取決于這一核心部件。因此，各種軸承需要采用磨削工藝進行精細地加工，且精度要達到微米要求。特別是在卡車生產中，使用的技術必須服從于苛刻的要求，如卡車曲軸始終需要具有非常高的穩定性，這是由于其發動機要求具有較長的運行時間。因此，磨削此類曲軸時，需要進行精細的加工，這不僅是對連桿軸頸和主軸頸的端面而言，而且還包括軸承面和凸緣之間的圓角（半徑）的加工。整個發動機的核心組件的每個角落都需仔細加工才能成為一個完美的工件。對卡車發動機來說，必須使振動達到最小程度，從而才能保證運行的平穩，這是一個必要條件，而正是這種特殊的質量要求，使其成為汽車制造商們正在遵循的一個模式。由德國制造商制造的某些汽車已經配備了采用類似方式加工的曲軸。而其支承面和半徑的組合磨削是特別具有挑戰性的。一方面，部件加工產生的內部應力會引起部件尺寸的變化。這就是為什么在耗時的初步磨削步驟之后要跟著進行精密磨削的原因。另一方面，目前使用的技術涉及大量的砂輪磨損。從圓角到平套環之間的轉換特別會對工具產生應力。總而言之，軸承面和半徑的組合磨削不僅成本特別昂貴而且費時費力。

遵守各種磨削要求
位于德國Salach的EMAG Maschinenfabrik公司磨削技術部的負責人Roland Schmitz對開始的情形這樣解釋說： “鑒于這一切，我們對到目前為止我們使用的復雜的工藝和各種技術，并基于我們開發出一種新技術，我們稱之為矢量磨削的技術，進行了全面仔細的分析。使用這種技術，難以執行磨削工作的主軸和連桿軸承的加工速度變得更快，因此，也更多地降低了成本。” EMAG的工程師們的此項研發源于一個簡單的觀察發現：汽缸直徑的磨削和曲軸上的平凸緣的加工有著完全不同的要求。在中央直徑通過多級加工工藝（從粗加工到精加工，再到精細加工和拋光加工）得到完美、平行的表面的同時，略顯粗糙的凸緣加工明顯需要較少加工步驟。該部件在加工過程中以特定的方式產生變形，使情況即使是對機械工程師來說變得更為棘手。在直徑加工過程中，會產生徑向彎曲。因此，執行這種加工時需要降低功率。而在加工平凸緣的過程中產生的軸向彎曲可忽略不計。但是，這種不好的接觸條件有引起過熱的趨勢，從而會使砂輪更快地磨損。

成功的關鍵：精確的控制
“鑒于所有這些差異，舉例來說你可能特別想將直徑和凸緣的磨削加工嚴格地分離開來，以便能夠正確地調整磨削速度。當然，這樣就會使加工過程減慢。相反，我們的矢量磨削技術在一個單一的包羅萬象的、復雜的加工過程中卻能合二為一。我們分別控制磨削速度和各軸的運動，每個子程序都精確控制，” Schmitz說。在最終結果中顯示出其得天獨厚的優勢：這種新的 EMAG技術能夠完成連桿軸承、主軸頸和套筒分離式軸承的初步磨削加工，比經常用于曲軸加工的傳統的雙切入磨削大約節省三分之一的時間。因此，一個帶有七個軸承的曲軸可以在20分鐘內（而不是以前的35分鐘）完全全部磨削，成為大批量生產曲軸的一個重大進展，最終使零部件的成本大大減少。除此之外，精確的過程控制是降低工具成本的保證，因為在過程的開始階段，通常是以較低的功率來加工直徑的，以便減少對砂輪的影響。 Schmitz對巨大的成本優勢證實說： “我們預計這樣會使每個部件削減三分之一的工具損耗。”

適合未來發展的技術
自今年年初以來，EMAG已經將該項技術應用到矢量磨削機上。首批產品目前正用于卡車生產中。但是，進行廣泛的汽車生產擴展并沒有什么障礙。 Schmitz說道： “目前的趨勢正朝著我們的技術應用方向發展，可以這么說，因為汽車發動機的小型化意味著最終會有更大的作用力施加到曲軸上。因此，對零部件進行更廣泛的磨削加工將成為必不可少的條件。因為有了矢量磨削加工，使今天我們擁有了更高效的技術。” 對于這樣的一種競爭優勢，EMAG的工程師們還打算將其運用到其零部件的加工中。例如，針對凸輪軸和齒輪軸加工都會以相似的方式從矢量磨削技術中獲益。 “我們相信每種情況都有很多應用的可能性，” Schmitz有把握地說。