一种曲轴连杆轴径加工工装系统的制作方法

本发明涉及工装夹具技术领域，特别是一种可用于六缸发动机曲轴连杆轴颈粗、精加工的夹具。

背景技术：

曲轴功能参数：曲轴是保证多缸内燃机对外输出特性的五大核心零件之一，其主要几何精度参数包括曲轴回转中心同轴度、同相位连杆轴颈同轴度、不同相位连杆轴颈相对回转中心跳动、不同相位连杆轴颈相对回转中心圆周相位差等。曲轴与缸体、连杆、活塞组成曲柄滑块机构将内燃形成的气体压力转变成旋转动力输出。

工艺现状：曲轴生产除了具有轴类的一般加工规律外，还具有其独特的结构、工艺特点，主要有形状复杂、刚性差、技术要求高等，加工过程应针对性采取相应措施。目前国内曲轴加工多采用普通机床和专用机床组成的多工序流水线，制造过程存在质量控制、生产效率、自动化程度等问题。如：(1)粗加工过程，常用多刀车床车削曲轴主轴颈及连杆轴颈，由于工序质量的稳定性受机床、夹具、操作、检测等因素影响较大，欲保证成品精度需要留有较大的精加工余量；(2)精加工过程，采用专用曲轴磨床(如MQ8260)在普通曲轴夹具上完成粗磨-半精磨-精磨-抛光，操作者在安装、调整、加工、检测过程需要较高技能，严重影响加工效率和产品质量的稳定性。

六缸发动机曲轴工艺分析：六缸发动机曲轴结构特点：1)六个连杆轴颈两两同轴，轴心线与曲轴主轴颈中心平行，且以其为基准按120°圆周分布；2)曲轴主轴颈中心与各连杆轴颈中心偏心距相等；3)在每处连杆轴颈位置设计配重，保证曲轴质量中心与几何中心重合。

连杆轴颈加工是制约曲轴生产的瓶颈工艺之一：

1)专用夹具保证六处连杆轴颈两两同轴，且与加工机床主轴同轴，加工过程相对曲轴主轴颈偏心距尺寸精度及平行度稳定；

2)能以曲轴主轴线为基准，圆周精准分度120°，一次安装完成六处连杆轴颈加工；

3)夹具自带配重，保证加工过程夹具及工件整体质量中心与机床主轴回转中心重合。

技术实现要素：

本发明的发明目的是，针对上述问题，提供一种曲轴连杆轴径加工工装系统，运用机、电、算一体化控制技术，通过设计基准、工艺基准、检测基准三基重合的途径，一次安装定位，完成全部连杆轴颈加工。最大限度降低了机床、工装、人员对加工误差的影响程度，有效提高曲轴连杆轴颈加工质量的稳定性和加工效率。

为达到上述目的，本发明所采用的技术方案是：

本发明通过以下技术手段实现：一种曲轴连杆轴径加工工装系统，包括夹具框架，夹具框架底部设置用于与床导轨固定安装的定位面，所述夹具框架前端由外至内依次安装莫氏锥度轴、电磁离合器、分度结构和夹具装置；所述夹具框架后端由外至内依次安装莫氏锥度轴、电磁离合器和夹具装置；

所述莫氏锥度轴分别通过轴承同轴安装在夹具框架的前端和后端并朝向向外；

所述电磁离合器一端同轴连接莫氏锥度轴，另一端同轴连接夹具装置；

所述夹具装置包括旋转盘、V型铁和弧形压盖，旋转盘与电磁离合器同轴连接，V型铁通过滑芯偏心设置在旋转盘相对电磁离合器的一端，滑芯与旋转盘的轴心线平行；所述弧形压盖设置在V型铁的V型开口一端，弧形压盖一端与V型铁转动连接并能够翻转使得弧形压盖与V型铁盖合，弧形压盖内弧面正对V型开口，弧形压盖另一端通过螺栓与V型铁连接；V型铁上相对V型开口的一端通过细牙螺栓设有配重；所述V型铁的V型面与旋转盘的轴心线平行；所述分度结构包括换向装置和锁紧装置，所述换向装置和锁紧装置分别连接滑芯。

本方案中为通过夹具框架组合的一体式夹具，利用夹具框架上的定位面作基准固定在曲轴磨床指定位置；其可分为主轴和尾架两部分，分别对应连接机床的主轴和尾架。选择曲轴端面基准作轴向定位基准，两端主轴颈外圆表面作中心基准，实现工件连杆轴颈精加工前在夹具中的定位。初始时，通过设置V型铁的V型开口一端同一位置并水平设置，曲轴对应安装在两V型铁之间，安装轴端相对旋转盘偏心设置；但由于曲轴中间的轴颈其处于不同的轴心线上，在加工时需要使其与机床主轴的旋转轴线同轴以进行加工。而V型铁的偏心设置是针对上述情况设置的，V型铁在夹持曲轴后，通过分度结构调节滑芯圆周精确旋转，并使得待加工的轴颈的轴心线可以调节到与机床主轴的旋转轴线同轴，并通过分度结构固定。这样旋转盘和V型铁相对固定，待加工的轴颈与机床主轴同轴旋转，只需要通过通常轴加工的方法即可以对轴颈进行车削和磨削加工。滑芯相对旋转盘的偏心距离为安装好后的曲轴，其待加工轴颈轴心线到滑芯轴心线的距离。通过上述结构，曲轴的加工装夹从复杂变得简单，摆脱了以往加工六缸发动机曲轴连杆轴颈时需要多次夹持，避免其偏心距尺寸精度及平行度不稳定的情况，同时可以可以快速固定安装，适合大量或生产线生产，能够保证产品质量稳定性和加工速率。同时为保证使用过程安全，夹具结构连接电磁离合器，通过电磁离合器可以及时停车作业，起到双重安全保障。这里通过莫氏锥度轴可以满足快速安装或自动化生产线需求。

优选地，所述换向装置包括主动齿轮、从动齿轮、超越离合器、伺服电机；所述主动齿轮通过超越离合器连接伺服电机的输出端，伺服电机设有旋转编码器并安装在夹具框架上；所述从动齿轮为内外双联齿轮，从动齿轮安装在旋转盘对应电磁离合器一端，从动齿轮的外齿轮与主动齿轮相啮合，从动齿轮的内齿轮与所述滑芯相啮合；所述伺服电机的输出端、主动齿轮、从动齿轮及滑芯的轴心线平行。分度机构通过齿轮实现对圆周的精确多等分，一次安装完成六缸曲轴六处偏心连杆轴颈精磨、半精磨加工。分度结构包括换向装置和锁紧装置：换向装置用于分度调节；锁紧装置用于滑芯的锁紧和松开，以便于完成分度调节。通过超越离合器实现主动齿轮单向驱动，保证其移动的单向性和准确性，避免不必要误差。

优选地，所述锁紧装置包括为换向锁止机构，锁紧装置连接所述滑芯并同轴设置。

优选地，所述夹具装置还包括夹具体，夹具体呈L型结构，V型铁设置的夹具体前端并且与其构成开口朝上的U型结构，该U型结构内腔宽度根据曲轴连杆端部的轴颈长度设置；所述夹具体相对V型铁一端连接滑芯；夹具体底部还设置有用于放置平衡配重的平衡重配置槽。

优选地，所述旋转盘对应V型铁一端设有定位孔和相配合的圆柱销，定位孔位于V型铁竖立时V型铁的两侧并与V型铁侧边相切。圆柱销用于加工前的定位，具体是将V型铁竖直朝上设置，圆柱销设置在V型铁两侧用于保证V型铁开口的初始位置。

优选地，还包括控制系统，所述控制系统包括中央处理器，中央处理器分别连接电磁离合器、伺服电机和旋转编码器。通过控制系统可以实现加夹具与机床一体化控制，从而有效协调机床与夹具之间的动作，加快工件的装卸效率，同时能够对机床和电磁离合器单独或同时停车，有效保障加工中的安全及应对突发状况。

优选地，所述控制系统还包括安装在跟刀架对应工件一端的跟刀架从动导轮上的压力传感器，所述压力传感器连接中央处理器。通过压力传感器采集到的压力数据，控制系统实时调节刀具对曲轴径向的初始压力。

优选地，所述夹具框架上对应主动齿轮或从动齿轮设置采用非接触式高灵敏接近开关，所述接近开关连接中央处理器。接近开用于关位置检测，同时用于加工信号采集和循环加工的系统置零。

优选地，所述滑芯于V型铁之间采用可拆式连接。通过更换不同结构的V型铁已到达匹配不同型号曲轴轴颈加工的需要；这里可以通过定位销和键完成定位和力传动。

由于采用上述技术方案，本发明具有以下有益效果：

1.本发明专用夹具运用成熟的机、电、算一体化技术，在普通曲轴磨床上一次安装，自动完成六缸发动机曲轴连杆轴颈磨削加工，相对常规曲轴加工多工序流水作业，更利于多规格产品的质量控制。

2.本发明夹具实现了工件设计基准、检验基准、加工基准的合一，一次安装完成6处连杆轴颈精磨，利于充分发挥曲轴磨床工艺能力；配重系统、跟刀系统等措施保证加工过程运行平稳，磨削径向力影响降低，有利于提高加工速度和加工精度，提高了生产效率。

3.本发明一次安装完成全部连杆轴颈加工，能减轻夹具磨损，大幅度减少安装、调整等工艺辅助时间。

4.本发明自动化运行降低了对人工技能的要求，消除人为因素对产品质量稳定性的影响，降低了一线工人的劳动强度。

附图说明

图1是本发明专用夹具总体结构及六缸曲轴示意图；

图2是本发明夹具初始定位、夹紧、配重调整示意图；

图3是本发明工件安装位置示意图；

图4是本发明工件定位及夹紧示意图；

图5是本发明分度及定位锁紧原理图；

图6是本发明跟刀架压力调节示意图；

图7是工件六缸发动机曲轴左视图。

附图中，1-机床主轴、2-尾架、3-曲轴、4-夹具框架、5-莫氏锥度轴、6-电磁离合器、7-分度结构、8-夹具装置、9-旋转盘、10-V型铁、11-弧形压盖、12-螺栓、13-配重、14-滑芯、15-定位孔、16-夹具体、17-平衡重配置槽、18-伺服电机、19-主动齿轮、20-从动齿轮、21-锁紧装置、22-跟刀架从动导轮、23-磨削砂轮。

具体实施方式

以下结合附图对发明的具体实施进一步说明。

如图1-2所示，用于曲轴连杆轴径加工工装系统包括夹具框架4、莫氏锥度轴5、电磁离合器6、分度结构7和夹具装置8。夹具框架4底部设置用于与机床导轨固定安装的定位面，夹具框架4前端由外至内依次安装莫氏锥度轴5、电磁离合器6、分度结构7和夹具装置8；夹具框架4后端由外至内依次安装莫氏锥度轴5、电磁离合器6和夹具装置8。曲轴3放置在两夹具装置8之间，并使用夹具装置8固定。

夹具框架4前端对应机床的机床主轴1，夹具框架4前端由外至内依次连接安装莫氏锥度轴5、电磁离合器6、分度结构7和夹具装置8，莫氏锥度轴5通过轴承安装在夹具框架4的前端并朝向外侧；使用时，莫氏锥度轴5对应插接固定在机床主轴1上。夹具框架4后端对应机床的尾架2，夹具框架4后端由外至内依次连接安装莫氏锥度轴5、电磁离合器6和夹具装置8；莫氏锥度轴5通过轴承安装在夹具框架4的后端并朝向外侧；使用时，莫氏锥度轴5对应旋转固定在尾架2上。应该了解的是，两莫氏锥度轴5之间同轴设置，夹具装置8之间相向对应设置，且相对莫氏锥度轴5轴线偏心设置，使用时，通过分度结构7调节夹具装置8的旋转角度，从而调节曲轴3的偏转，使其待要加工的轴颈轴线处于机床主轴1旋转的轴心位置。

如图3所示，夹具装置8包括旋转盘9、V型铁10和弧形压盖11，弧形压盖11设置在V型铁10的V型开口一端，弧形压盖11一端与V型铁10转动连接并能够翻转使得弧形压盖11与V型铁10盖合，弧形压盖11内弧面正对V型开口，弧形压盖11另一端能够通过螺栓12与V型铁10连接。V型铁10上相对V型开口的一端还通过细牙螺栓设有配重13。使用时，曲轴3端部轴颈放置在V型开口上，翻转弧形压盖11并通过螺栓12进行固定，螺栓12拉力使弧形压盖11发生微量变形，确保不损伤工件表面的前提下，提高夹紧的可靠性，最后完成工件夹紧。通过螺栓精调配重13相对回转中心的偏距，消除或尽量减少回转部分的质量偏心。具体的，螺栓12为活节螺栓。

如图4所示，对夹具装置8结构进一步优化，此时夹具装置8包括夹具体16、旋转盘9、V型铁10和弧形压盖11，夹具体16呈L型结构，V型铁10设置的夹具体16前端并且与其构成开口朝上的U型结构，该U型结构内腔宽度根据曲轴3端部的轴颈长度设置，以避免曲轴3不能放置或放置后触碰其他部件，从而损伤曲轴3。在该U型结构的下部还设置有平衡重配置槽17，用于放置平衡配重。

如图5所示，分度结构7包括换向装置和锁紧装置21，换向装置和锁紧装置21分别连接滑芯14；两所述夹具装置8的滑芯14位置相同，V型铁10的V型开口位置一一对应。换向装置包括主动齿轮19、从动齿轮20、超越离合器、伺服电机18。主动齿轮19通过超越离合器连接伺服电机18的输出端，伺服电机18设有旋转编码器并安装在夹具框架4上。从动齿轮20为内外双联齿轮，从动齿轮20的外齿轮与主动齿轮19相啮合，从动齿轮20的内齿轮与所述滑芯14一端的换向分度齿轮相啮合。伺服电机18的输出端、主动齿轮19、从动齿轮20及滑芯14的轴线平行。锁紧装置21包括为换向锁止机构，锁紧装置21连接所述滑芯14。这里，滑芯14一端连接V型铁10，另一端一端设置同轴的换向分度齿轮，并通过向心推力轴承偏心设置在旋转盘9上。

如图6所示，跟刀架从动导轮22和磨削砂轮23对应贴合曲轴连杆轴颈，这里跟刀架是在普通跟刀架的基础上安装精密压力传感器，具体是在跟刀架从动导轮22上安装精密压力传感器，通过横向水平位移，控制加工前对曲轴颈的初始压力。

为了夹具和机床协调工作，这里设置一控制系统分别连接控制机床和夹具，采用工业可编程控制器PLC作中央处理器，中央处理器连接控制伺服电机18、旋转编码器、电磁离合器6、接近开关和压力传感器，实现一键启动完成曲轴轴颈磨削加工。通过控制系统可以实现加夹具与机床一体化控制，从而有效协调机床与夹具之间的动作，加快工件的装卸效率，同时能够对机床和电磁离合器单独或同时停车，有效保障加工中的安全及应对突发状况。

以下以加工六缸发动机曲轴连杆轴颈，具体实施选用在MQ1350B外圆磨床上进行连杆轴颈精加工为例。

首先，将曲轴3对应夹具的V形铁安装并夹紧，具体是：

利用夹具框架4上的定位面将夹具整体安置于磨床纵向导轨，夹具框架4两端莫氏锥度轴5分别与机床主轴1、尾架2的莫氏锥孔配合并连接；微调夹具框架4安装基座，将夹具框架4整体可靠固定；用千分表、校验轴等通用检具校正、微调，保证夹具的主回转中心与机床主轴1中心的同轴度；

分别调整夹具框架4上对应机床主轴1和尾架2两部分的V型铁10，将圆柱销分别插入V型铁10两端定位孔15，机床主轴1和尾架2两部分的V形铁V形开口朝上，定位中心线与机床主轴1中心同轴。

将待加工曲轴3两端对应水平放入V型铁10，曲轴3两端轴颈外圆置于V形铁内，翻转弧形压盖11，并用活节螺栓紧固。螺栓12拉力使弧形压盖11发生微量变形，完成工件夹紧。

取出两端工艺圆柱销，伺服电机18不通电，两端电磁离合器6处于脱离，安装工件后的夹具回转部分回转盘整体将以机床主轴1为中心呈自由状态；转动V形铁底部的配重13细牙螺栓，精调配重13相对回转中心的偏距，消除或尽量减少回转部分的质量偏心；调整跟刀架，通过压力传感器，保证合适的初始压力。

一键启动，曲轴磨床与夹具系统联合控制，自动按顺序完成下述步骤的连杆轴颈加工：

(1)伺服电机18启动，经超越离合器驱动V形铁复位，接近开关发出加工开始信号及系统数据清零信号；伺服电机18停止，两端电磁离合器6通电。

(2)机床主轴1启动，曲轴3第一连杆轴颈和第六连杆轴颈与机床主轴1同轴转动；跟刀架系统进给，跟刀架从动导轮22分别与第一连杆轴颈和第六连杆轴颈外圆接触；磨削砂轮23系统启动，并按预设参数进给，同时磨削第一连杆轴颈和第六连杆轴颈，达到预期尺寸精度及表面质量。

(3)磨削砂轮23退出，机床主轴1停机直到静止；电磁离合器6脱离，伺服电机18启动，利用伺服电机18自带旋转编码器实现精确120°转位；伺服电机18停并自锁，电磁离合器6通电锁紧；曲轴3第二连杆轴颈和第五连杆轴中心与机床主轴1同轴。

(4)磨削砂轮23、跟刀架从动导轮22平移至第二连杆轴颈和第五连杆轴位置，启动、进给程序与上述步骤(2)相同，同时磨削第二连杆轴颈和第五连杆轴，达到预期尺寸精度及表面质量。

(5)与上述步骤(2)、(3)、(4)运行相同，步骤相同，同时磨削第三连杆轴颈和第四连杆轴，达到预期尺寸精度及表面质量。

(6)自动停机，将整体回转部分调整到适当位置，取出成品；同时安装待加工曲轴3，进行下一循环。

上述说明是针对本发明较佳可行实施例的详细说明，但实施例并非用以限定本发明的专利申请范围，凡本发明所提示的技术精神下所完成的同等变化或修饰变更，均应属于本发明所涵盖专利范围。