曲轴主轴承和连杆轴承的轴承座加工方法

专利名称：曲轴主轴承和连杆轴承的轴承座加工方法
曲轴主轴7R和连杆轴7R的轴7f义座力0工方法
技术领域：
本发明涉及一种曲轴主轴承和连杆轴承的轴承座加工方法，其中主轴承 和连杆轴承的轴承座在曲轴通过锻造或铸造预成形后实施多个加工工序。
按传统的方式，曲轴主轴承和连杆轴承的轴承座分成多个阶段切削加 工。按一种就这方面来说典型的加工顺序，锻造或铸造曲轴的轴承座，首先 通过车、铣或旋转拉削初加工，接着通过磨削中间加工，以及最后进行最后 一道工序加工。尤其为了防止轴承座在进一步的加工过程中受损，所述的加 工通常还包括淬火，以及随这之后磨削，使轴承座在淬火后达到其最终尺寸。
例如Hegenscheidt, Erkelenz公司乂人 1983年起以 "Technologie der Kurbelwellen-Bearbeitung zur Steigerung von Qualitaet und Lebensdauer(提高 质量和使用寿命的曲轴加工技术)"为题的公司说明书中，介绍了 "四缸、5 轴承轿车曲轴的加工顺序，，(下面将此文件简称为D0)。已知的加工顺序包括 曲轴全套加工的25道工序(参见D0，第8和9页)。本发明并不是对于说明 的所有工序都感兴趣。在这里感兴趣的工序是04、 05、 06、 09、 10、 11、 12、 13、 14和22a。工序04至06可以概括表述为"通过用规定的切削刃切削加 工成形"。作为工序09和10淬火和消除应力的替代，规定工序22a精整； 亦即硬化轴承座未经淬火的表面。之后，在任何情况下均按照工序13和14 实施主轴承和连杆轴承轴承座的精磨。
例如在DE212950和AT286067中还重复建议了曲轴轴承座的旋转铣削。 其中绕一个与要加工的轴承座轴线垂直的轴线旋转的指形铣刀，有切向进给 地在旋转工件上通过。近来又重提这些建议，尤其为了避免在磨削的同时产 生的磨尘。
例如WO97/32680Al(下面将此文件简称为Dl)建议了 一种不经湿磨也 可行的曲轴轴承座加工方法，其中，曲轴借助一个将曲轴夹紧并可被驱动绕 其与机床C轴重合的纵轴线旋转地支承在其中的承接装置，每分钟旋转约 20至100转，以及用铣刀加工，铣刀可以在刀具轴内绕其平行于机床X轴 的A轴旋转，可沿其X轴朝工件方向切深进给以及可垂直于其X轴(沿机床 Y轴；与工件成切向)移动。在这里相应的加工分成两个阶段。在说明了这些后，为了考虑刀具的不同负荷和加工过程要达到的质量， 应当将切向进给速度控制为，在初加工阶段(粗加工)铣刀的圆周切削刃有最 佳的切削条件，以及在轴承座最后加工(磨光)期间可以包括整个轴承座(参见
Dl，第11页，第11至25行)。通过旋转铣刀比较高的转速，可以达到在高 速切削时要求的高切削速度，而尽管如此曲轴仍以普通的约达100min"的转 速旋转，这也在用于获得高质量工件的磨削时使用。由于切削速度高，工件 负荷小和可以达到非常好的空间几何尺寸。对于与轴承座的轮廓匹配的刀
具，旋转铣刀的切向进给可以在一个加工过程中实现加工轴承座的整个宽 度。轴承座这些传统的初加工和磨削加工步骤，可以在一台机床内和通过一 次夹紧曲轴综合为一个加工步骤，并由此达到一种非常合理化的安排。在铣 刀上设三个用传统种类的刀具材料制成的、分别有一个端侧和一个圆周侧刀 刃的刀片。刀片的几何形状，在过渡半径、方形肩等方面，与要加工的轴承 座的几何形状相匹配(参见D1，第6页第33行至第7页第5行)。
鉴于曲轴的连杆高度，已知的旋转铣刀必须延伸得非常长(悬臂长度)， 以便能从事轴承座的加工(参见Dl,第8页，第18至20行)。
总之，在D1中建议了一种方法和一种设备，在加工曲轴的轴承座时它 们通过使用高速旋转铣刀，应能达到短的周期时间和非常高的质量，从而可 能完全取消磨削的加工步骤(参见D1，第15页，第22至27行)。只是在可 以锻造或铸造的汽车曲轴与例如船用发动机的大而重的曲轴之间加以区别 (参见D1，第1页第l和2段，第2页第2段，以及第3页第l段)。没有明 确的问题是，所提及的曲轴是否淬火或经受其他某种方式硬化轴承座表面。 然而专业人员知道，在加工轿车曲轴与船用发动机曲轴之间存在巨大的技术 差异。因此人们可以怀疑，Dl的教导是否能无限制地转用于所有类型的曲 轴，专业人员不必在这方面再积极地进行创造性思考劳动。
粗略地估计，占轿车曲轴产量的约25%是不淬火的。在生产的所有轿 车曲轴的约50%中，对轴承座进行淬火硬化处理。生产的轿车曲轴中将近 25 %在轴承座与曲柄臂之间还有淬火的过渡区或淬火的凹槽。
由EP1030755B1(下面将此文件简称为D2)已知通过加工步骤切削加工-淬火-切削加工-最终加工的顺序加工曲轴。为此^L定，尤其对于钢的曲轴， 轴承座表面在其表面附近的区域内淬火。这用于提高轴承座耐磨性、在整个 生产过程中预防作业时损坏这些轴承座、以及影响曲轴的强度特性(参见D2,第1栏第23至30行)。D2中考虑问题时在技术上的出发点是，曲轴按传统 分四个步骤加工第一步是用规定的刀具切削加工；在这方面也列举了旋转 铣削，尤其高速旋转铣削。在接着的第二个加工步骤中曲轴的轴承座淬火。 第三步涉及借助实心硬质磨具，例如砂轮磨削。最后，在第四步借助通常静 止地压靠在曲轴的旋转轴承座外圆周上的环形砂布带或磨轮完成最后一道 工序。在最后一道工序中去除的材料加工余量在1至10pm的范围内变动(参 见D2，第2栏第32行至第3栏第15行)。
为了在曲轴加工时降低生本，按D2力图将轴承座的加工从四个减少到 三个不同的加工步骤(参见D2，第3栏第21至24行)。通过省去磨削加工， 将工序从四种减少到仅三种基本不同的加工方法。由此不仅避免消除磨尘的 废物处理问题，而且还取消了磨床的投资费用、刀具消耗费用以及特别是由 于磨削延长工件周转时间从而增加工件库存量。与之相对，废物排除切削加 工产生的切屑没有什么困难，因为与磨尘相比切屑的比表面小得多，所以完 全可以或(高速铣削)干式切削或分离切屑-油(参见D厶第4栏第21至B行)。
此外还必须考虑，在迄今轴承座磨削时由切削的初加工得出的圆度偏差 通过磨削通常仅减小其绝对值，而不是其特征值。因此通过磨削并不会由长 波的圆度偏差形成短波的圓度偏差，而是或保持或甚至减少波谷的数量，带 来的结果是要通过最终加工进一步改善圓度偏差，从每单位时间的改善成果 方面来看，无疑增加了最终加工的难度(参见D2，第7栏第49行至第8栏 第3行)。按D2在淬火后再次通过切削加工实施材料去除，具体而言是分两 阶段切削加工的第二个切削加工步骤(精切削加工)(参见D2，第9栏第20至 24行)。
因此在Dl和D2中陈述的共同点是，用湿式磨削避免轴承座多阶段旋 转铣削加工。由此如已说明的那样也可以使淬火的(参见D2)轴承座提高加工 质量并通过取消磨尘的同时导致降低成本。因此，已知的取得一致同意的见 解为，将多阶段旋转铣削加工综合在初加工中。在没有提出与此见解相背的 意见的情况下，列举了直至曲轴可使用的状态作为可能的工序组合切削加 工_淬火-切削加工_最终加工(参见D2,第4栏第50至54行)。
德国专利文件4446475也涉及一种曲轴主轴承和连杆轴承的轴承座加 工方法，其中没有明确说明反对可以以此为出发点，即，在相应的轴承座加 工前曲轴先进行通过锻造或铸造预成形。所述文件教导了连杆轴承的一种旋转铣削加工；该文件表示，与此相对应地，曲轴主轴承的加工并非通过旋转 铣削完成，而是通过旋转拉削或旋转-旋转拉削来进行。按这篇对比文件所 述，只有"偏心的工件表面"，亦即连杆轴承，才应经受旋转铣削加工。
本发明基于下述认识考虑到带轴承座，尤其偏心轴承座的曲轴和其它 轴结构的复杂性，仅仅采取已知的措施还不能达到优化生产成本和加工结 果。本发明的目的是，提供一种曲轴主轴承和连杆轴承的轴承座加工方法， 它可以有助于在成本比较低的同时加工高质量的曲轴。按本发明为达到此目 的提供一种曲轴主轴承和连杆轴承的轴承座加工方法，其中主轴承和连杆轴 承的轴承座在曲轴通过锻造或铸造预成形后实施下列加工工序
-通过用规定的切削刃切削加工成形，
-强化滚压主轴承和连杆轴承所有的倒角或凹槽，
-滚压校直曲轴，
-用指形铣刀分别通过高速的
-粗铣和
-精铣
精密切削加工，以及
-在精铣后精整曲轴的轴承座，
其中，粗铣和精铣分别在曲轴基本上旋转一整圈的过程中，在指形铣刀 没有纵向进给和没有切向进给的情况下完成。
若曲轴在用切削加工刀刃成形与强化滚压倒角或凹槽之间还要淬火，则 在轴承座淬火后，还要用规定的切削刃，通过包括粗铣和精铣的旋转铣削， 实施多阶段的切削加工过程，其中在曲轴涉及的每次旋转过程中，亦即在指 形铣刀切入与退出之间，不改变指形铣刀相对于要加工的轴承轴线的位置。 基于要切除的材料的密度或硬度以及旋转铣削加工的多阶段性，所以只同时 产生比较小的退火的切屑，它们是干的并可以作为废物顺利排除。通过曲轴 在粗铣期间以及在精铣期间按数量级只分别旋转大约一个整图，如后面还要 详细说明的那样这包括曲轴旋转约一个半整圈，所述的旋转铣削加工可以在 最短的时间内实行。
精整工艺是一种用于所有可塑性变形的金属材料的无切屑表面精加工。 这种加工借助淬硬后抛光的工作轧辊，在旋转的曲轴上作用较低的挤压力完 成。在精整过程中，在材料表层发生塑性变形，此时断面的隆凸向下流动并整平尖点，直至发生部分或全部修平。在精整前和后的组织结构清楚地表明， 没有造成搭接。
与其他所有改善高应力工件表面质量的工艺技术相比，精整工艺的优点
在于
-均匀的表面加工， -高的承重比， -低的工具成本，
-长的工具使用寿命， -提高表层内的硬度， -提高抗扭强度，以及 -延长使用寿命。
强化滚压工艺与精整工艺类似，但要达到的目的完全不同。用强化滚压 力压紧的工作轧辊遵循工件的轮廓形状。在本方法使用于凹槽时，轧辊的强 化滚压力，在要加工的直径的整个圓周上，可以根据角度在可预选的最小压 力与最大压力之间自动调整，确切地说在曲轴每转一圈的范围之内。强化滚 压的次数可以预选。
达到的疲劳强度的提高与凹槽的材料、半径大小、轧制压力和强化滚压 次数有关。
强化滚压的优点在于
-提高表层硬度，
-加入压应力，
-按照规定形成要强化滚压的几何结构形状。 有一些与之不同的强化滚压方法，它们是 -进给法和 -切入法。
在按本发明的旋转铣削时，指形铣刀的轴线相对于要加工的轴承座的轴 线错开一个偏心距，在相应的包括刀具切入和退出阶段在内的加工阶段中它 保持不变，亦即是常数。在旋转铣削期间，不实施指形铣刀横向于纵轴线， 亦即沿Y方向或与工件切向的进给运动。加工速度(相对进给)仅取决于曲轴 的旋转速度和要加工的轴承座半径。在这里例如达到下列加工速度相对进 给在200mm/min与9000mm/min之间，优选地在约600mm/min与1500mm/min之间切削速度在60m/min与600m/min之间，优选地在约 80m/min与180m/min之间。指形铣刀轴线相对于要加工的轴承座轴线的错 移量，取决于轴承几何尺寸和等于指形铣刀直径的0.1倍至0.25倍，优选地 约0.15倍至0.2倍。通过指形铣刀的所述偏心距，端面切削刃可以覆盖整个 轴承座。为了减小铣削过程的动力学(振动特性)可以优化偏心距。轴承座的 铣削加工可以在切削刃进入时按顺铣或逆铣进行。
按本发明的一个特别的方面，工件在第一个加工阶段粗铣后进行测量， 以及在第二个加工阶段根据该测量结果针对精铣决定铣刀的切深进给。重要 的是，为了每个轴承座的中间加工实施适当的NC(数控)控制。这种控制是 存在测量机构和测量程序的前提条件，借助它们直接;险测加工结果并应用于 轴承座加工机械的NC(数控)程序中。优选地，在中间加工的粗铣后测量直 径，并接着进行针对最终尺寸的精切削精确的切深进给。在这里，确定表面 几何尺寸，例如直径、圓度、粗糙度和直度，以及与补偿策略相结合利用于 切深进给。所述的测量优选地用非接触式测量装置。在第一次切削后，借助 可编程的NC(数控)轴，将一个或多个测量装置使用于测量主轴承和连杆轴 承。在这里粗铣后轴承座的测量在夹紧的曲轴上进行，所以粗铣、测量和精 铣按直接的顺序执行。取决于各自的既有情况，在轴承座旋转铣削加工的各 个阶段中，可以分别切削轴承座大小相同但加工余量不同的表面。在这方面 特别有利的是，按规则居第二位提及的情况，在淬火后存在的加工余量的60 %至80% ,优选地约65至75%在粗铣期间切除，其余的量在精铣期间去除。 在第一与第二加工阶段之间加工余量的分配，取决于第一个加工阶段的加工 结果。在旋转铣削时，必要时应遵守最小切屑厚度(例如O.lmm)。为确定通 过旋转铣削加工要切除的总加工余量在旋转铣削加工两个阶段的最佳分布， 有利的是，曲轴的轴承以前面说明的方式在高速粗铣之前已经测量。
根据对表面质量和其他边界条件的要求，紧接在旋转铣削后按规则还进 行轴承座的精整。然而从成本的观点出发，特别优选的是一种没有最终加工 的工艺过程。这在原则上也可以实现；只要在精铣后在轴承座内还存在的表 面不平度不是工艺引起的平行延伸，而确切地说是横向于运动方向延伸。因 此这种表面不平度在工作中迅速校平，以及润滑膜在那里被局部撕裂的危 险，比在轴承座内存在径向环形细槽的情况下低。
按本发明另 一项优选的进一 步发展，在开始粗铣和开始精铣的切入期间，指形铣刀相对于指形铣刀轴线的切深进给仅分别有一个轴向分量。换句 话说，指形铣刀总是沿着它的纵轴线切深进给以及沿径向置于工件上，在此 期间曲轴旋转一个规定的量(参见后面)。这是有利的，以便在指形铣刀切入 要去除的材料中时防止形成"凹地"。通过以此方式避免形成凹陷，在旋转
铣削前存在的加工余量可以相应地留得比较小(例如仅0.5mm ，亦即 r二0.25mm至r-0.15mm)，这对于多阶段精铣的经济性带来有利的效果。业已 证实特别有利的是，指形铣刀在其对于粗铣起决定性作用的位置切入要去除 的材料内，沿曲轴的一个约为3°至15°,优选地约5。的转角延伸。相应地这 也适用于指形铣刀在精铣时的切入。
为了与指形铣刀的切入和退出协调配合以达到优化圓度的目的，借助传 感和致动技术通过刀具轴补偿被动力(Passivkraft)的波动。在这里，刀具轴的 轨迹用压电元件在约10至20pm的Xm范围内校正。为了改善经精铣的轴 承座的圓度，借助力的测量和X轴位置调整自动化切深进给修正，在精铣加 工期间建立刀具/工件被动力的平衡。这通过沿刀具轴(刀具的轴向)力的测量 以确定被动力实现。为了确定力的正/负值上升(包括时间信号At在内)，两 个彼此相继的测量点比较高的扫描频率(取样频率)〉lkHz和用计算机进行计 算是必要的。需要快速的X轴驱动器，它可以例如通过压电元件产生10至 20pm(按已知的间隔错开时间测量脉冲/计算脉冲/移动脉沖)同样〉lkHz。
作为背景的基本思想是，若基于硬度波动或由于改变切削截面(油孔)使 被动力改变，则应相应地修正刀具沿X方向的切深进给。在X轴驱动器有 在10至2(^m范围内(移动窗口)足够高的分辨率和速度时，甚至由于切削刃 切入和退出的振动影响也可以显著减小(波峰与波谷的抗振/消振原理)。
然而在这方面必须注意，系统通过改变#1动力倾向于大幅度摆动，这可 能通过经修正的移动速度引起。若例如硬度减小，由此也降低被动力，如果 此时"修正，，工件+X距离，则被动力进一步下降以及系统"自振"。
一种可能的解决办法在于，在较长的时间范围内评估力信号，或通过积 分计算浮动的平均值，以及在从事修正之间有间歇的延迟修正。尽管如此仍
须减少高频振动。
本发明另 一项优选的进一步发展其特征在于，用于旋转铣削的切削刃直
径大于要加工的轴承座宽度。优选地应用于旋转铣削的指形铣刀直径，大约
等于要加工的轴承座宽度的1.15倍至1.35倍。在这种情况下恰当地在预成形期间在要制造的轴承座两侧分别加工一个凹槽，在旋转铣削加工时铣刀可 以在凹槽内跑空。考虑到这一参数，旋转铣削加工后在轴承座表面上留下的 表面形状，有 一种对于保持润滑剂膜有利的径迹。
在加工曲轴的轴承座时有利的是，曲轴为了多阶段旋转铣削加工在其法 兰 一端夹紧在可旋转的第 一卡盘内，以及在其轴颈 一端夹紧在可旋转的第二
卡盘内。在这里优选地这两个卡盘可以同步驱动，并以在1与100圈/min之 间的圆周速度旋转。
曲轴各个主轴承的轴承座恰当地用唯一的一个旋转铣刀先后加工，在此 期间曲轴优选地同时在至少一个相邻的主轴承处沿径向被一个或两个中心 架支撑。以相应的方式各个连杆轴承的轴承座用唯一的一个旋转铣刀先后加 工，在此期间曲轴同时在至少一个与加工的连杆轴承相邻的主轴承处沿径向 被一中心架支撑。
采用中心架支承避免曲轴在加工力作用下弯曲，并由此避免恶化加工结果。
与之不同，多个主轴承或多个连杆轴承用，个旋转铣刀同时力o工。在这 种情况下采用相应多数量的旋转铣刀。
特别有利的是，对于每个轴承座的多阶段旋转铣削加工运行自己独自的 NC控制程序。这种个性化控制的前提条件是存在测量机构和测量程序，借 助它们直接检测各自粗铣的加工结果，并在精铣期间使用于所涉及轴承座加 工机械的NC程序中。优选地，如已说明的那样，在多阶段旋转铣削加工的 粗铣后进行测量，并接着为精切削执行切深进给。由于最新的发展，机床的 这种复杂的NC控制如今无疑是可能实现的。
除了引言说明的加工轿车发动机的曲轴外，也可以^按类似的方式加工较 大型发动机的曲轴，例如用于小型船舶、坦克或机车的发动机。同样可以加 工凸轮轴或控制轴。
本发明还涉及一种实施所述方法的机床。机床有
-主轴，它有一条绕相应于要加工的轴的主旋转轴线的Z轴的旋转轴线 (C轴)，
-可在C轴内被驱动旋转的一-^盘，
-至少一个绕X轴旋转的刀具轴，它可沿Y方向和沿Z方向移动以及 沿X方向切深进给，
12-至少一个可沿Z方向移动的中心架，它有至少一个在曲轴轴承座处的 用于曲轴的支座，以及
-一个带顶尖的尾架或一个第二卡盘。
除了这种切削加工曲轴的机床外，还设置单独的机械或装置，用于强化 滚压倒角或凹槽或用于主轴和曲轴上轴承座的精整。如果这些切削加工装置 并未在连杆轴承用的机床上已经存在或不能安装在上面，则规定，强化滚压 和精整的作业在生产作业链内部的为此专门化的独立的机械上进行。
在具有两个可驱动旋转的卡盘的机床内加工曲轴的轴承座时，曲轴在其 法兰端安装在其中第一卡盘中，以及，曲轴在其轴颈端安装在第二卡盘中。 作为卡盘优选地使用带顶尖安装座的平衡卡盘。
旋转铣刀的刀具轴还有一个装置，以便能调整刀具轴，为的是调整在要加工
的轴承座轴线与刀具轴线之间沿机床Y方向的偏心距(错移量)。最后，刀具 轴还可以沿机床的Z方向移位和定位，以便能先后加工各个轴承座。
为了加工连杆轴承的轴承座表面，刀具轴有一个装置，借助它刀具轴可 以协调沿X轴方向的振动，从而在曲轴绕其主轴线旋转期间可使刀具轴依随 连杆轴承的圓运动。第二 "重叠的"X轴设置用于借助压电元件切深进给， 直至例如10pm。由此也可以减d、过程动力。
刀具轴优选地设置用于安装指形铣刀，它的刀杆长度与其直径之比在 10:1.5至10:3之间。指形铣刀的这种细长度，是曲轴旋转时能用此刀具加工 轴承座所有表面(外表面)的前提条件。但所述细长度还有一个先决条件是， 指形铣刀的刀杆应有高的抗弯强度。有利的是，指形铣刀的刀杆用硬质合金 或其他有高抗弯强度的材料制造。指形铣刀的夹紧优选地在 一个缩紧夹头内 实现。
为了达到平稳而均匀地切削，在指形铣刀上优选地设至少三个由钎焊或 其他适当方法固定的CBN(立方氮化硼)刀片构成的，或由另 一种适用的刀具 材料制成的刀片构成的端面切削刃。指形铣刀的端面切削刃优选地分别有一 个很小的偏角在0.02。与0.08°之间。采用这种偏角可以达到轴承座的一种在 曲轴上有利的凸形(球形)。在这里可通过斜磨端侧刀刃造成的偏角可尤其约 为0.04°。在需要时刀具可以内部冷却。
各个未处于加工状态的轴承座可优选地规定的通过中心架的支承(见上)，恰当地在一个主轴承的三点进行，其中之一(在旋转铣刀对面)处于沿X 方向。为避免所述支承受主轴承和连杆轴承中必要的油孔的干扰，中心架的 支承面优选地设计为滑块，它们在主轴承座的油孔区内可分别有一个槽状缺 口。除此之外，滑块可以与轴承外体线的表面轮廓形状相匹配，尤其通过与 轴承直径协调的凹面磨削。这用于使承力部分最大化来优化所述的支承。
如上面已详细说明的那样，尤其对于它们的轴承座经淬火的曲轴和其他 轴，本发明显然有突出的优点。然而，若对于轴承座的淬火既非为了在进一 步处理过程中保护轴承座也非为了求得耐磨性而所需要，则可考虑在轴承座 不淬火的情况下使用按本发明的方法。在这种情况下对旋转铣刀的切削刃的 要求较低。此外，因为通常在淬火时产生的翘曲变形不再出现，所以为旋转 铣削加工预留的加工余量比淬火的轴承座小，这从生产经济学的观点来看是 有利的。
下面借助实施例详细说明本发明。附图不按尺寸比例示出和局部非常简
化，附图中:


图1表示一个四缸发动机曲轴的透^f见图2以缩小的尺寸表示一个可用于加工图l所示曲轴的轴承座的指形铣 刀侧视图1^、放大的尺寸表示按图2的指形铣刀沿图2箭头A方向的俯视图4以放大的尺寸i示指形铣刀端部的侧视图5用剖面图表示加工图1所示曲轴的主轴承；
图6表示在旋转铣削加工不同阶段相对进给的矢量图7用剖面图表示另一个主轴承的支承；以及
图8表示中心架滑块的俯视图9在侧视图中表示曲轴具有针对强化滚压优选的位置； 图IO表示强化滚压工具作用在连杆支承颈上； 图11在侧视图中表示曲轴具有针对精整优选的位置； 图12表示精整工具作用在连杆支承颈上。
在用规定的切削刃通过切削加工(预)成形的曲轴1上，若规定这样做， 则首先将所有轴承座的表面淬火，并与之同时过渡部分-倒角或凹槽大多也 淬火。与此无关，接着作为下一道工序强化滚压所有倒角或凹槽42(图9)。 在这里用预先给定的强化滚压力在凹槽42内压入两个强化滚压轧辊43和44，在此期间曲轴1旋转。强化滚压轧辊43和44在强化滚压期间由导辊45 支承，它可旋转地支承在强化滚压轧辊顶端46上(图10)。与强化滚压轧辊 43和44相对，支承颈PL由两个支承辊47支承，它们可旋转地支承在支承 辊顶端48上。强化滚压轧辊顶端46和支承辊顶端48是强化滚压工具(未表 示)的组成部分。
如果需要，曲轴在淬火和/或强化滚压倒角或凹槽35后定向。所述的定 向用与强化滚压时所用的同一个强化滚压工具进行，当然此时根据尺寸和方 向调整强化滚压力。通过强化滚压，与原始的疲劳强度相比，可以提高钢制 曲轴的疲劳强度约200%，以及球墨铸铁制曲轴的疲劳强度约300%。切削 加工预成形的未淬火或已淬火的定向强化滚压的曲轴1,可绕其主旋转轴线 2旋转地夹紧在机床(未表示)内，现在其主轴承和连杆轴承的轴承座在机床 内通过精铣进行加工。从轴颈3处开始，主轴承先后称为HL1至HL5。连 杆轴承类似地计数，它们在图中从轴颈3那里开始先后用符号PL1至PL4 表示。在曲轴1与轴颈3对置端是法兰4。在本实施例中，曲轴1在法兰4 和轴颈3处分别被一个卡盘夹紧，图中只分别表示了卡盘的两个夹爪5。夹 紧力相应于箭头6的方向沿径向作用在法兰4上。
曲轴1的旋转轴线2同时也是机床沿Z方向延伸的C轴。在法兰4那 里开始，按箭头9通过精铣先后切削加工首先是曲轴1的主轴承HL5至HL1。 在沿箭头9方向，即机床的X方向加工期间，沿与加工方向9反向的箭头 10的方向进行曲轴1的支承。所述沿箭头10方向的支承通过机床的一个或 两个中心架(未表示)实现。在这里，当支承在HL4上时实施HL5的加工， 当支承在HL3上时实施HL4的加工，当支承在HL4和/或HL2上时实施HL5 的加工，当支承在HL3上时实施HL2的加工，以及当支承在HL2上时实施 HL1的加工。类似地设计在加工连杆轴承PL1至PL4时的支承。在例如沿 加工方向11加工PL1时，实施在HL1和/或HL2上的支承。当支承在HL2 和/或HL3上时则实施PL2的加工，当支承在HL3和/或HL4上时实施PL3 的加工，以及最后当支 K在HL4和/或HL5上时实施PL4的加工。为了简化， W支定加工方向11与加工方向9并因而与才几床的X方向一:f丈。
为了精铣轴承座HL和PL采用指形铣刀12(图2)。在本实施例中指形 铣刀的直径13为24mm,而主轴承座HL和连杆轴承座PL的宽度为19mm。 因此在通过曲轴1切削加工预成形期间，在每个轴岸义座两侧分别加工一个2.5mm的凹槽，指形铣刀12可以在凹槽内空跑。与其直径13相比，指形铣 刀12的刀杆15有大的长度14。刀杆15大的长度14提供可能性，例如连杆 轴承PL1或PL4的轴承座表面，当它们在曲轴1大约旋转半圈后处于下部 位置时也可以从方向9和11加工，图1表示两个在内部的连杆轴承PL2和 PL3正处于这一位置。为此目的，指形铣刀12的刀杆15有大的抗弯刚度。 刀杆15插入机床刀具轴(未表示)普通的刀架16内。指形铣刀12的旋转轴线 17同时平行于才几床的X方向。
从箭头A的方向观察，指形铣刀12有三个刀片18，它们沿圆周均匀分 布(图3)。刀片18用简称CBN的等轴结晶的立方氮化硼(kubisch kristallines Bornitrid)制造。刀片18的端面切削刃朝旋转轴线17的方向分别有一个小的 偏角19。
图5表示通过曲轴1任意一个主轴承HL的剖面图。机床的C轴处于沿 旋转轴线2的方向；因此Z轴垂直于图纸平面。X轴与之成直角延伸，以及 Y轴又与X轴和与Z轴正交(见图1右下方)。指形铣刀12的旋转轴线17相 对于X轴沿Y方向移动一个错移量e,它在本实施例中约为4至5mm。曲 轴l的旋转方向用弯曲的箭头20表示，指形铣刀12的旋转方向则用弯曲的 箭头21表示。
为了主轴承HL的多阶段旋转铣削加工，预留有加工余量22(例如 0.25mm)。在粗4先期间，此时曲轴1沿方向20大体旋转一整圈，从主轴承 HL切除一个有预定厚度的外层23(粗加工余量，例如0.15mm)。直接在这之 后，例如不重新夹紧曲轴1，在粗铣并测量轴承后通过精铣实施内层24的切 除(精加工余量，例如0.1mm),此时曲轴1仍沿旋转方向20旋转，以及指形 铣刀12沿旋转方向21旋转。也可以为了精铣改变旋转方向20和21。在精 铣期间使曲轴1略超过一整圈旋转。加上在精铣阶段一开始用于将指形铣刀 12切入的转角范围，指形铣刀12在切削过程中大体经过一个角度范围为 420。。
图6借助矢量图示意表示指形铣刀12在材料内插入，亦即切入时(虛 线)、旋转时(实线)以及退出时(点划线)的相对进给。由几何学关系得出(在旋 转时仅轴承座的直径和角速度决定矢量)，在曲轴1旋转时不存在纯切向的 相对进给；确切地说，切向分量35上叠加了一个(夸张地放大表示的)径向分 量36,由此在曲轴1旋转期间得到表示为矢量的相对进给37。在切入过程
16中，指形铣刀12的切深进给运动38沿着它的纵轴线17(沿X轴)发生。通过 与矢量37叠加得出的切入期间的相对进给，由相应的切入或插入矢量39表 示。当曲轴l完整地旋转后在指形铣刀12退出期间，指形铣刀12沿X方向 完成的切深进给运动40导致相对进给37。在指形铣刀12退出期间通过与矢 量37叠加得出的相对进给，用相应的退出矢量41表示。切深进给运动38 和40各自的大小事先通过试验确定，其中，曲轴1的旋转方向20可以考虑 或沿铣刀轴线17相对于曲轴1旋转轴线2错移e的方向，或与此方向相反。 作为取决于其他加工参数及几何关系确定切深进给速度数量级的依据，可适 用的是，使所述的切入优选地沿曲轴1旋转3。至15。的角度范围延伸。这对 于主轴承HL和连杆轴承PL是同样适用的。
如已提及的那样，在多阶段旋转铣削加工主轴承HL时，曲轴l由机床 的一个或两个中心架(未表示)支承。所述的支承最初沿X方向进行，在图7 中它表示为垂直方向。滑块25用于支承，它可以沿X轴在两个方向26运动。 除了沿X方向通过滑块25支承外，附加地还通过另外两个滑块27和28支 承，它们可以分别沿径向29运动到靠在曲轴1主轴承座HL上以及能重新 移开。中心架的运动机构(未表示)以这样的方式协调这三个运动26和29， 即，将滑块27和28运动到主轴承HL上，而在此期间使滑块25沿双向箭 头26的方向向下运动。 一个已知的在这里无需进一步说明的运动机构，保 证协调26和29的运动，由此在轴承座直径不同的情况下导致曲轴1定心地 夹紧。
但主轴承HL的轴承座30也被油孔31截断。在主轴承HL由滑块25、 27和28支承期间，当曲轴1旋转时油孔31的边缘可能引起干扰。为避免这 些干扰，滑块25、 27和28分别制有一个槽32。槽32促使滑块25、 27和 28整个支承面上用于支承的部分33,小于它们各自在支承期间面朝主轴承 HL的横截面积34。图中没有表示借助凹面磨削(见上)使滑块与要加工的轴 承座外体线可能的匹配。
接着前面的粗铣和精铣的工序，可以随意，亦即按需，再实施主轴承 HL和连杆轴承PL的轴承座的精整工序(图11和12)。
图11表示在曲轴1上优选地要精整的主轴承轴承座HL和连杆轴承座 PL的位置。曲轴1止推轴承HL3的轴环面BL也优选地精整；不过这一工 序并不属于本发明的范围，在这里我们只是为了完整性才提及。取代通过砂轮或环形砂布带的最终加工，对主轴承HL和连杆轴承PL的轴承座实施精 整。
精整借助沿连杆轴承PL的轴承座圓周分布的三个圆柱形精整辊进行。 图12中只能看到其中两个精整辊49和50;为了更好地理解将后者表示在图 纸平面内。每个精整辊49和50侧面分别由两个支承辊51和52支承，在这 里同样将它们回转到图纸平面内。如可看出的那样，支承辊51和52本身可 旋转地装在外壳53或54中。在精整期间曲轴1旋转，与此同时使精整辊49 和54处于旋转状态，并通过精整辊49和54同样使支承辊51和52旋转。 在精整时，精整辊49和54以预先给定的轧制力压靠在曲轴1的轴承座PL 上。
通过精整，达到轴承座HL和PL有功能更好的表面特征。在精铣后遗 留的剩余粗糙度减小。增大型面承力部分和提高表层硬度。提升曲轴l的抗 扭强度。最后，还能减小也许还存在的形状误差。
优选地，在每个曲轴1上还精整轴颈3的密封面55和法兰4的密封面 56(图11)。
上面介绍的方法除加工曲轴外，也适用于以相同的方式加工所有类型的 凸轮轴和控制轴。
权利要求
1. 一种曲轴主轴承和连杆轴承的轴承座加工方法，其中主轴承和连杆轴承的轴承座在曲轴通过锻造或铸造预成形后实施下列加工工序-通过用规定的切削刃切削加工成形，-强化滚压主轴承和连杆轴承所有的倒角或凹槽，-滚压校直曲轴，-用指形铣刀分别通过高速的-粗铣和-精铣精密切削加工，-在精铣后精整曲轴的轴承座，其中，粗铣和精铣分别在曲轴基本上旋转一整圈的过程中，在指形铣刀没有纵向进给和没有切向进给的情况下完成。
2. 按照权利要求1所述的方法，其特征为，在粗铣后进行曲轴主轴承 和连杆轴承的直径测量，然后根据测量结果借助对于加工机械的数字控制实 施精切削的切深进给。
3. 按照权利要求1或权利要求2所述的方法，其特征为，在用规定的 切削刃切削加工成形后接着淬火。
4. 按照权利要求1至3之一所述的方法，其特征为，在开始粗铣和开 始精铣的切入期间，指形铣刀相对于指形铣刀旋转轴线的切深进给仅沿旋转 轴线的方向进行。
5. 按照权利要求4所述的方法，其特征为，在指形铣刀切入期间切口 延伸3°至15°,优选地约5°曲轴转角。
6. 按照权利要求1至5之一所述的方法，其特征为，应用于旋转铣削 的指形铣刀直径等于要加工的轴承座宽度的1.15倍至1.35倍。
7. 按照权利要求1至6之一所述的方法，其特征为，在预成形期间要 制造的轴承座两侧分别加工 一 个凹槽。
8. 按照权利要求1至7之一所述的方法，其特征为，将指形铣刀的旋 转轴线相对于轴承座的旋转轴线错开指形铣刀直径约0.15至0.2倍的量进行 粗铣和精铣。
9. 按照权利要求1至8之一所述的方法，其特征为，曲轴的轴承座通 过粗铣和精铣进行加工，曲轴在其法兰一端夹紧在第一卡盘内以及在其轴颈 一端夹紧在第二卡盘内。
10. 按照权利要求1至9之一所述的方法，其特征为，加工曲轴主轴承 的轴承座，为此用唯一的一个指形铣刀先后精加工主轴承的每一个轴承座， 在此期间曲轴同时在每一个相邻的主轴承处沿径向被一中心架支撑。
11. 按照权利要求8或9所述的方法，其特征为，加工曲轴连杆轴承的 轴承座，为此用唯一的一个指形铣刀先后精加工连杆轴承的每一个轴承座， 在此期间曲轴同时在每一个相邻的主轴承处沿径向被一 中心架支撑。
12. 按照权利要求1至11之一所述的方法，其特征为，精铣围绕曲轴 360°以上的转角。
13. 按照权利要求1至12之一所述的方法，其特征为，在粗铣和/或精 铣时在油孔的区域内开始实施精密切削加工。
14. 一种尤其对曲轴实施按照权利要求1至13之一所述方法的机床， 其特征为机床有-主轴，它有一条绕相应于要加工的曲轴(1)主旋转轴线(2)的Z轴的旋 转轴线(C轴)，- 一可在C轴内被旋转驱动的曲轴(1)卡盘，-至少一个绕X轴旋转的刀具轴，它可沿Y方向和沿Z方向移动以及 沿X方向切深进给，-至少一个可沿Z方向移动的中心架，它有至少一个在曲轴(l)主轴承 (HL)轴承座处的用于曲轴(1)的支座，以及-两个卡盘或一个卡盘和一个带顶尖的尾架或一个弹簧夹头。
15. 按照权利要求14所述的机床，其特征为，机床有两个可驱动旋转 的卡盘，曲轴(1)在其法兰端(4)安装在其中第一卡盘中，以及，曲轴(l)在其 轴颈端(3)安装在其中第二卡盘中。
16. 按照权利要求14或15所述的机床，其特征为，刀具轴可沿Y方向 错移一个量e。
17. 按照权利要求14至16之一所述的机床，其特征为，刀具轴设置用 于安装指形铣刀(12),该铣刀的刀杆(15)长度与其直径(13)之比在10:1.5至 10:3之间。
18. 按照权利要求17所述的机床，其特征为，指形铣刀(12)有三个由钎 焊的CBN刀片(18)构成的端面切削刃。
19. 按照权利要求18所述的机床，其特征为，CBN刀片(18)分别有一 个偏角(19),它从指形铣刀(12)的外圓周朝其纵轴线(17)的方向减d、一个在 0.02°与0.08。之间的量。
20. 按照权利要求14至19之一所述的机床，其特征为， 一个或两个卡 盘的转速与刀具轴转速之比在l:400至l:2000之间。
21. 按照权利要求14至20之一所述的机床，其特征为，中心架的支承 在曲轴(l)主轴承(HLl-5)的三个点上进行，其中之一沿X方向。
22. 按照权利要求21所述的机床，其特征为，曲轴(l)通过中心架的支 承由滑块(25、 27、 28)构成，它们在主轴承轴承座(30)的油孔(31)区内分别有 一个凹槽(32)。
23. 按照权利要求14所述的机床，其特征为，它有借助强化滚压工具(43 至48)强化滚压倒角或凹槽(42)的装置。
24. 按照权利要求14或23所述的机床，其特征为，它有精整主轴承(HL) 和连杆轴承(PL)轴承座的装置。
25. 按照权利要求14所述的机床，其特征为，它有一个给主轴承(HL) 和连杆轴承(PL)的倒角或凹槽(42)或轴承座淬火的装置。
26. 按照权利要求14所述的机床，其特征为，它有一个为了两端驱动 工件而被驱动的对向顶轴。
27. 按照权利要求14所述的机床，其特征为，机床有至少一个可回转 和/或可定位的测量装置，用于测量主轴承和连杆轴承。
28. 按照权利要求27所述的机床，其特征为，设有非接触式测量装置用 于测量主轴承和连杆轴承。
全文摘要
本发明涉及一种曲轴(1)主轴承和连杆轴承(HL、PL)的轴承座加工方法，其中主轴承和连杆轴承(HL、PL)的轴承座(30)在曲轴(1)通过锻造或铸造预成形后实施下列加工工序通过用规定的切削刃切削加工成形；强化滚压主轴承和连杆轴承所有的倒角或凹槽；滚压校直曲轴(1)；用指形铣刀(12)分别通过高速的粗铣和精铣精密切削加工；在精铣后精整曲轴的轴承座，其中，粗铣和精铣分别在曲轴(1)基本上旋转一整圈的过程中，在指形铣刀(12)没有纵向进给和没有切向进给的情况下完成。
文档编号B23C3/06GK101448593SQ200780018260
公开日2009年6月3日 申请日期2007年5月24日 优先权日2006年5月26日
发明者汉斯·J·诺曼 申请人:奈尔斯-西蒙斯工业设备有限责任公司