專利名稱：曲軸主軸承和連桿軸承的軸承座加工方法
曲軸主軸7R和連桿軸7R的軸7f義座力0工方法
技術領域：
本發明涉及一種曲軸主軸承和連桿軸承的軸承座加工方法，其中主軸承 和連桿軸承的軸承座在曲軸通過鍛造或鑄造預成形后實施多個加工工序。
按傳統的方式，曲軸主軸承和連桿軸承的軸承座分成多個階段切削加 工。按一種就這方面來說典型的加工順序，鍛造或鑄造曲軸的軸承座，首先 通過車、銑或旋轉拉削初加工，接著通過磨削中間加工，以及最后進行最后 一道工序加工。尤其為了防止軸承座在進一步的加工過程中受損，所述的加 工通常還包括淬火，以及隨這之后磨削，使軸承座在淬火后達到其最終尺寸。
例如Hegenscheidt, Erkelenz公司乂人 1983年起以 "Technologie der Kurbelwellen-Bearbeitung zur Steigerung von Qualitaet und Lebensdauer(提高 質量和使用壽命的曲軸加工技術)"為題的公司說明書中，介紹了 "四缸、5 軸承轎車曲軸的加工順序，，(下面將此文件簡稱為D0)。已知的加工順序包括 曲軸全套加工的25道工序(參見D0，第8和9頁)。本發明并不是對于說明 的所有工序都感興趣。在這里感興趣的工序是04、 05、 06、 09、 10、 11、 12、 13、 14和22a。工序04至06可以概括表述為"通過用規定的切削刃切削加 工成形"。作為工序09和10淬火和消除應力的替代，規定工序22a精整； 亦即硬化軸承座未經淬火的表面。之后，在任何情況下均按照工序13和14 實施主軸承和連桿軸承軸承座的精磨。
例如在DE212950和AT286067中還重復建議了曲軸軸承座的旋轉銑削。 其中繞一個與要加工的軸承座軸線垂直的軸線旋轉的指形銑刀，有切向進給 地在旋轉工件上通過。近來又重提這些建議，尤其為了避免在磨削的同時產 生的磨塵。
例如WO97/32680Al(下面將此文件簡稱為Dl)建議了 一種不經濕磨也 可行的曲軸軸承座加工方法，其中，曲軸借助一個將曲軸夾緊并可被驅動繞 其與機床C軸重合的縱軸線旋轉地支承在其中的承接裝置，每分鐘旋轉約 20至100轉，以及用銑刀加工，銑刀可以在刀具軸內繞其平行于機床X軸 的A軸旋轉，可沿其X軸朝工件方向切深進給以及可垂直于其X軸(沿機床 Y軸；與工件成切向)移動。在這里相應的加工分成兩個階段。在說明了這些后，為了考慮刀具的不同負荷和加工過程要達到的質量， 應當將切向進給速度控制為，在初加工階段(粗加工)銑刀的圓周切削刃有最 佳的切削條件，以及在軸承座最后加工(磨光)期間可以包括整個軸承座(參見
Dl，第11頁，第11至25行)。通過旋轉銑刀比較高的轉速，可以達到在高 速切削時要求的高切削速度，而盡管如此曲軸仍以普通的約達100min"的轉 速旋轉，這也在用于獲得高質量工件的磨削時使用。由于切削速度高，工件 負荷小和可以達到非常好的空間幾何尺寸。對于與軸承座的輪廓匹配的刀
具，旋轉銑刀的切向進給可以在一個加工過程中實現加工軸承座的整個寬 度。軸承座這些傳統的初加工和磨削加工步驟，可以在一臺機床內和通過一 次夾緊曲軸綜合為一個加工步驟，并由此達到一種非常合理化的安排。在銑 刀上設三個用傳統種類的刀具材料制成的、分別有一個端側和一個圓周側刀 刃的刀片。刀片的幾何形狀，在過渡半徑、方形肩等方面，與要加工的軸承 座的幾何形狀相匹配(參見D1，第6頁第33行至第7頁第5行)。
鑒于曲軸的連桿高度，已知的旋轉銑刀必須延伸得非常長(懸臂長度)， 以便能從事軸承座的加工(參見Dl,第8頁，第18至20行)。
總之，在D1中建議了一種方法和一種設備，在加工曲軸的軸承座時它 們通過使用高速旋轉銑刀，應能達到短的周期時間和非常高的質量，從而可 能完全取消磨削的加工步驟(參見D1，第15頁，第22至27行)。只是在可 以鍛造或鑄造的汽車曲軸與例如船用發動機的大而重的曲軸之間加以區別 (參見D1，第1頁第l和2段，第2頁第2段，以及第3頁第l段)。沒有明 確的問題是，所提及的曲軸是否淬火或經受其他某種方式硬化軸承座表面。 然而專業人員知道，在加工轎車曲軸與船用發動機曲軸之間存在巨大的技術 差異。因此人們可以懷疑，Dl的教導是否能無限制地轉用于所有類型的曲 軸，專業人員不必在這方面再積極地進行創造性思考勞動。
粗略地估計，占轎車曲軸產量的約25%是不淬火的。在生產的所有轎 車曲軸的約50%中，對軸承座進行淬火硬化處理。生產的轎車曲軸中將近 25 %在軸承座與曲柄臂之間還有淬火的過渡區或淬火的凹槽。
由EP1030755B1(下面將此文件簡稱為D2)已知通過加工步驟切削加工-淬火-切削加工-最終加工的順序加工曲軸。為此^L定，尤其對于鋼的曲軸， 軸承座表面在其表面附近的區域內淬火。這用于提高軸承座耐磨性、在整個 生產過程中預防作業時損壞這些軸承座、以及影響曲軸的強度特性(參見D2,第1欄第23至30行)。D2中考慮問題時在技術上的出發點是，曲軸按傳統 分四個步驟加工第一步是用規定的刀具切削加工；在這方面也列舉了旋轉 銑削，尤其高速旋轉銑削。在接著的第二個加工步驟中曲軸的軸承座淬火。 第三步涉及借助實心硬質磨具，例如砂輪磨削。最后，在第四步借助通常靜 止地壓靠在曲軸的旋轉軸承座外圓周上的環形砂布帶或磨輪完成最后一道 工序。在最后一道工序中去除的材料加工余量在1至10pm的范圍內變動(參 見D2，第2欄第32行至第3欄第15行)。
為了在曲軸加工時降低生本，按D2力圖將軸承座的加工從四個減少到 三個不同的加工步驟(參見D2，第3欄第21至24行)。通過省去磨削加工， 將工序從四種減少到僅三種基本不同的加工方法。由此不僅避免消除磨塵的 廢物處理問題，而且還取消了磨床的投資費用、刀具消耗費用以及特別是由 于磨削延長工件周轉時間從而增加工件庫存量。與之相對，廢物排除切削加 工產生的切屑沒有什么困難，因為與磨塵相比切屑的比表面小得多，所以完 全可以或(高速銑削)干式切削或分離切屑-油(參見D厶第4欄第21至B行)。
此外還必須考慮，在迄今軸承座磨削時由切削的初加工得出的圓度偏差 通過磨削通常僅減小其絕對值，而不是其特征值。因此通過磨削并不會由長 波的圓度偏差形成短波的圓度偏差，而是或保持或甚至減少波谷的數量，帶 來的結果是要通過最終加工進一步改善圓度偏差，從每單位時間的改善成果 方面來看，無疑增加了最終加工的難度(參見D2，第7欄第49行至第8欄 第3行)。按D2在淬火后再次通過切削加工實施材料去除，具體而言是分兩 階段切削加工的第二個切削加工步驟(精切削加工)(參見D2，第9欄第20至 24行)。
因此在Dl和D2中陳述的共同點是，用濕式磨削避免軸承座多階段旋 轉銑削加工。由此如已說明的那樣也可以使淬火的(參見D2)軸承座提高加工 質量并通過取消磨塵的同時導致降低成本。因此，已知的取得一致同意的見 解為，將多階段旋轉銑削加工綜合在初加工中。在沒有提出與此見解相背的 意見的情況下，列舉了直至曲軸可使用的狀態作為可能的工序組合切削加 工_淬火-切削加工_最終加工(參見D2,第4欄第50至54行)。
德國專利文件4446475也涉及一種曲軸主軸承和連桿軸承的軸承座加 工方法，其中沒有明確說明反對可以以此為出發點，即，在相應的軸承座加 工前曲軸先進行通過鍛造或鑄造預成形。所述文件教導了連桿軸承的一種旋轉銑削加工；該文件表示，與此相對應地，曲軸主軸承的加工并非通過旋轉 銑削完成，而是通過旋轉拉削或旋轉-旋轉拉削來進行。按這篇對比文件所 述，只有"偏心的工件表面"，亦即連桿軸承，才應經受旋轉銑削加工。
本發明基于下述認識考慮到帶軸承座，尤其偏心軸承座的曲軸和其它 軸結構的復雜性，僅僅采取已知的措施還不能達到優化生產成本和加工結 果。本發明的目的是，提供一種曲軸主軸承和連桿軸承的軸承座加工方法， 它可以有助于在成本比較低的同時加工高質量的曲軸。按本發明為達到此目 的提供一種曲軸主軸承和連桿軸承的軸承座加工方法，其中主軸承和連桿軸 承的軸承座在曲軸通過鍛造或鑄造預成形后實施下列加工工序
-通過用規定的切削刃切削加工成形，
-強化滾壓主軸承和連桿軸承所有的倒角或凹槽，
-滾壓校直曲軸，
-用指形銑刀分別通過高速的
-粗銑和
-精銑
精密切削加工，以及
-在精銑后精整曲軸的軸承座，
其中，粗銑和精銑分別在曲軸基本上旋轉一整圈的過程中，在指形銑刀 沒有縱向進給和沒有切向進給的情況下完成。
若曲軸在用切削加工刀刃成形與強化滾壓倒角或凹槽之間還要淬火，則 在軸承座淬火后，還要用規定的切削刃，通過包括粗銑和精銑的旋轉銑削， 實施多階段的切削加工過程，其中在曲軸涉及的每次旋轉過程中，亦即在指 形銑刀切入與退出之間，不改變指形銑刀相對于要加工的軸承軸線的位置。 基于要切除的材料的密度或硬度以及旋轉銑削加工的多階段性，所以只同時 產生比較小的退火的切屑，它們是干的并可以作為廢物順利排除。通過曲軸 在粗銑期間以及在精銑期間按數量級只分別旋轉大約一個整圖，如后面還要 詳細說明的那樣這包括曲軸旋轉約一個半整圈，所述的旋轉銑削加工可以在 最短的時間內實行。
精整工藝是一種用于所有可塑性變形的金屬材料的無切屑表面精加工。 這種加工借助淬硬后拋光的工作軋輥，在旋轉的曲軸上作用較低的擠壓力完 成。在精整過程中，在材料表層發生塑性變形，此時斷面的隆凸向下流動并整平尖點，直至發生部分或全部修平。在精整前和后的組織結構清楚地表明， 沒有造成搭接。
與其他所有改善高應力工件表面質量的工藝技術相比，精整工藝的優點
在于
-均勻的表面加工， -高的承重比， -低的工具成本，
-長的工具使用壽命， -提高表層內的硬度， -提高抗扭強度，以及 -延長使用壽命。
強化滾壓工藝與精整工藝類似，但要達到的目的完全不同。用強化滾壓 力壓緊的工作軋輥遵循工件的輪廓形狀。在本方法使用于凹槽時，軋輥的強 化滾壓力，在要加工的直徑的整個圓周上，可以根據角度在可預選的最小壓 力與最大壓力之間自動調整，確切地說在曲軸每轉一圈的范圍之內。強化滾 壓的次數可以預選。
達到的疲勞強度的提高與凹槽的材料、半徑大小、軋制壓力和強化滾壓 次數有關。
強化滾壓的優點在于
-提高表層硬度，
-加入壓應力，
-按照規定形成要強化滾壓的幾何結構形狀。 有一些與之不同的強化滾壓方法，它們是 -進給法和 -切入法。
在按本發明的旋轉銑削時，指形銑刀的軸線相對于要加工的軸承座的軸 線錯開一個偏心距，在相應的包括刀具切入和退出階段在內的加工階段中它 保持不變，亦即是常數。在旋轉銑削期間，不實施指形銑刀橫向于縱軸線， 亦即沿Y方向或與工件切向的進給運動。加工速度(相對進給)僅取決于曲軸 的旋轉速度和要加工的軸承座半徑。在這里例如達到下列加工速度相對進 給在200mm/min與9000mm/min之間，優選地在約600mm/min與1500mm/min之間切削速度在60m/min與600m/min之間，優選地在約 80m/min與180m/min之間。指形銑刀軸線相對于要加工的軸承座軸線的錯 移量，取決于軸承幾何尺寸和等于指形銑刀直徑的0.1倍至0.25倍，優選地 約0.15倍至0.2倍。通過指形銑刀的所述偏心距，端面切削刃可以覆蓋整個 軸承座。為了減小銑削過程的動力學(振動特性)可以優化偏心距。軸承座的 銑削加工可以在切削刃進入時按順銑或逆銑進行。
按本發明的一個特別的方面，工件在第一個加工階段粗銑后進行測量， 以及在第二個加工階段根據該測量結果針對精銑決定銑刀的切深進給。重要 的是，為了每個軸承座的中間加工實施適當的NC(數控)控制。這種控制是 存在測量機構和測量程序的前提條件，借助它們直接;險測加工結果并應用于 軸承座加工機械的NC(數控)程序中。優選地，在中間加工的粗銑后測量直 徑，并接著進行針對最終尺寸的精切削精確的切深進給。在這里，確定表面 幾何尺寸，例如直徑、圓度、粗糙度和直度，以及與補償策略相結合利用于 切深進給。所述的測量優選地用非接觸式測量裝置。在第一次切削后，借助 可編程的NC(數控)軸，將一個或多個測量裝置使用于測量主軸承和連桿軸 承。在這里粗銑后軸承座的測量在夾緊的曲軸上進行，所以粗銑、測量和精 銑按直接的順序執行。取決于各自的既有情況，在軸承座旋轉銑削加工的各 個階段中，可以分別切削軸承座大小相同但加工余量不同的表面。在這方面 特別有利的是，按規則居第二位提及的情況，在淬火后存在的加工余量的60 %至80% ,優選地約65至75%在粗銑期間切除，其余的量在精銑期間去除。 在第一與第二加工階段之間加工余量的分配，取決于第一個加工階段的加工 結果。在旋轉銑削時，必要時應遵守最小切屑厚度(例如O.lmm)。為確定通 過旋轉銑削加工要切除的總加工余量在旋轉銑削加工兩個階段的最佳分布， 有利的是，曲軸的軸承以前面說明的方式在高速粗銑之前已經測量。
根據對表面質量和其他邊界條件的要求，緊接在旋轉銑削后按規則還進 行軸承座的精整。然而從成本的觀點出發，特別優選的是一種沒有最終加工 的工藝過程。這在原則上也可以實現；只要在精銑后在軸承座內還存在的表 面不平度不是工藝引起的平行延伸，而確切地說是橫向于運動方向延伸。因 此這種表面不平度在工作中迅速校平，以及潤滑膜在那里被局部撕裂的危 險，比在軸承座內存在徑向環形細槽的情況下低。
按本發明另 一項優選的進一 步發展，在開始粗銑和開始精銑的切入期間，指形銑刀相對于指形銑刀軸線的切深進給僅分別有一個軸向分量。換句 話說，指形銑刀總是沿著它的縱軸線切深進給以及沿徑向置于工件上，在此 期間曲軸旋轉一個規定的量(參見后面)。這是有利的，以便在指形銑刀切入 要去除的材料中時防止形成"凹地"。通過以此方式避免形成凹陷，在旋轉
銑削前存在的加工余量可以相應地留得比較小(例如僅0.5mm ，亦即 r二0.25mm至r-0.15mm)，這對于多階段精銑的經濟性帶來有利的效果。業已 證實特別有利的是，指形銑刀在其對于粗銑起決定性作用的位置切入要去除 的材料內，沿曲軸的一個約為3°至15°,優選地約5。的轉角延伸。相應地這 也適用于指形銑刀在精銑時的切入。
為了與指形銑刀的切入和退出協調配合以達到優化圓度的目的，借助傳 感和致動技術通過刀具軸補償被動力(Passivkraft)的波動。在這里，刀具軸的 軌跡用壓電元件在約10至20pm的Xm范圍內校正。為了改善經精銑的軸 承座的圓度，借助力的測量和X軸位置調整自動化切深進給修正，在精銑加 工期間建立刀具/工件被動力的平衡。這通過沿刀具軸(刀具的軸向)力的測量 以確定被動力實現。為了確定力的正/負值上升(包括時間信號At在內)，兩 個彼此相繼的測量點比較高的掃描頻率(取樣頻率)〉lkHz和用計算機進行計 算是必要的。需要快速的X軸驅動器，它可以例如通過壓電元件產生10至 20pm(按已知的間隔錯開時間測量脈沖/計算脈沖/移動脈沖)同樣〉lkHz。
作為背景的基本思想是，若基于硬度波動或由于改變切削截面(油孔)使 被動力改變，則應相應地修正刀具沿X方向的切深進給。在X軸驅動器有 在10至2(^m范圍內(移動窗口)足夠高的分辨率和速度時，甚至由于切削刃 切入和退出的振動影響也可以顯著減小(波峰與波谷的抗振/消振原理)。
然而在這方面必須注意，系統通過改變#1動力傾向于大幅度擺動，這可 能通過經修正的移動速度引起。若例如硬度減小，由此也降低被動力，如果 此時"修正，，工件+X距離，則被動力進一步下降以及系統"自振"。
一種可能的解決辦法在于，在較長的時間范圍內評估力信號，或通過積 分計算浮動的平均值，以及在從事修正之間有間歇的延遲修正。盡管如此仍
須減少高頻振動。
本發明另 一項優選的進一步發展其特征在于，用于旋轉銑削的切削刃直
徑大于要加工的軸承座寬度。優選地應用于旋轉銑削的指形銑刀直徑，大約
等于要加工的軸承座寬度的1.15倍至1.35倍。在這種情況下恰當地在預成形期間在要制造的軸承座兩側分別加工一個凹槽，在旋轉銑削加工時銑刀可 以在凹槽內跑空。考慮到這一參數，旋轉銑削加工后在軸承座表面上留下的 表面形狀，有 一種對于保持潤滑劑膜有利的徑跡。
在加工曲軸的軸承座時有利的是，曲軸為了多階段旋轉銑削加工在其法 蘭 一端夾緊在可旋轉的第 一卡盤內，以及在其軸頸 一端夾緊在可旋轉的第二
卡盤內。在這里優選地這兩個卡盤可以同步驅動，并以在1與100圈/min之 間的圓周速度旋轉。
曲軸各個主軸承的軸承座恰當地用唯一的一個旋轉銑刀先后加工，在此 期間曲軸優選地同時在至少一個相鄰的主軸承處沿徑向被一個或兩個中心 架支撐。以相應的方式各個連桿軸承的軸承座用唯一的一個旋轉銑刀先后加 工，在此期間曲軸同時在至少一個與加工的連桿軸承相鄰的主軸承處沿徑向 被一中心架支撐。
采用中心架支承避免曲軸在加工力作用下彎曲，并由此避免惡化加工結果。
與之不同，多個主軸承或多個連桿軸承用，個旋轉銑刀同時力o工。在這 種情況下采用相應多數量的旋轉銑刀。
特別有利的是，對于每個軸承座的多階段旋轉銑削加工運行自己獨自的 NC控制程序。這種個性化控制的前提條件是存在測量機構和測量程序，借 助它們直接檢測各自粗銑的加工結果，并在精銑期間使用于所涉及軸承座加 工機械的NC程序中。優選地，如已說明的那樣，在多階段旋轉銑削加工的 粗銑后進行測量，并接著為精切削執行切深進給。由于最新的發展，機床的 這種復雜的NC控制如今無疑是可能實現的。
除了引言說明的加工轎車發動機的曲軸外，也可以^按類似的方式加工較 大型發動機的曲軸，例如用于小型船舶、坦克或機車的發動機。同樣可以加 工凸輪軸或控制軸。
本發明還涉及一種實施所述方法的機床。機床有
-主軸，它有一條繞相應于要加工的軸的主旋轉軸線的Z軸的旋轉軸線 (C軸)，
-可在C軸內被驅動旋轉的一-^盤，
-至少一個繞X軸旋轉的刀具軸，它可沿Y方向和沿Z方向移動以及 沿X方向切深進給，
12-至少一個可沿Z方向移動的中心架，它有至少一個在曲軸軸承座處的 用于曲軸的支座，以及
-一個帶頂尖的尾架或一個第二卡盤。
除了這種切削加工曲軸的機床外，還設置單獨的機械或裝置，用于強化 滾壓倒角或凹槽或用于主軸和曲軸上軸承座的精整。如果這些切削加工裝置 并未在連桿軸承用的機床上已經存在或不能安裝在上面，則規定，強化滾壓 和精整的作業在生產作業鏈內部的為此專門化的獨立的機械上進行。
在具有兩個可驅動旋轉的卡盤的機床內加工曲軸的軸承座時，曲軸在其 法蘭端安裝在其中第一卡盤中，以及，曲軸在其軸頸端安裝在第二卡盤中。 作為卡盤優選地使用帶頂尖安裝座的平衡卡盤。
旋轉銑刀的刀具軸還有一個裝置，以便能調整刀具軸，為的是調整在要加工
的軸承座軸線與刀具軸線之間沿機床Y方向的偏心距(錯移量)。最后，刀具 軸還可以沿機床的Z方向移位和定位，以便能先后加工各個軸承座。
為了加工連桿軸承的軸承座表面，刀具軸有一個裝置，借助它刀具軸可 以協調沿X軸方向的振動，從而在曲軸繞其主軸線旋轉期間可使刀具軸依隨 連桿軸承的圓運動。第二 "重疊的"X軸設置用于借助壓電元件切深進給， 直至例如10pm。由此也可以減d、過程動力。
刀具軸優選地設置用于安裝指形銑刀，它的刀桿長度與其直徑之比在 10:1.5至10:3之間。指形銑刀的這種細長度，是曲軸旋轉時能用此刀具加工 軸承座所有表面(外表面)的前提條件。但所述細長度還有一個先決條件是， 指形銑刀的刀桿應有高的抗彎強度。有利的是，指形銑刀的刀桿用硬質合金 或其他有高抗彎強度的材料制造。指形銑刀的夾緊優選地在 一個縮緊夾頭內 實現。
為了達到平穩而均勻地切削，在指形銑刀上優選地設至少三個由釬焊或 其他適當方法固定的CBN(立方氮化硼)刀片構成的，或由另 一種適用的刀具 材料制成的刀片構成的端面切削刃。指形銑刀的端面切削刃優選地分別有一 個很小的偏角在0.02。與0.08°之間。采用這種偏角可以達到軸承座的一種在 曲軸上有利的凸形(球形)。在這里可通過斜磨端側刀刃造成的偏角可尤其約 為0.04°。在需要時刀具可以內部冷卻。
各個未處于加工狀態的軸承座可優選地規定的通過中心架的支承(見上)，恰當地在一個主軸承的三點進行，其中之一(在旋轉銑刀對面)處于沿X 方向。為避免所述支承受主軸承和連桿軸承中必要的油孔的干擾，中心架的 支承面優選地設計為滑塊，它們在主軸承座的油孔區內可分別有一個槽狀缺 口。除此之外，滑塊可以與軸承外體線的表面輪廓形狀相匹配，尤其通過與 軸承直徑協調的凹面磨削。這用于使承力部分最大化來優化所述的支承。
如上面已詳細說明的那樣，尤其對于它們的軸承座經淬火的曲軸和其他 軸，本發明顯然有突出的優點。然而，若對于軸承座的淬火既非為了在進一 步處理過程中保護軸承座也非為了求得耐磨性而所需要，則可考慮在軸承座 不淬火的情況下使用按本發明的方法。在這種情況下對旋轉銑刀的切削刃的 要求較低。此外，因為通常在淬火時產生的翹曲變形不再出現，所以為旋轉 銑削加工預留的加工余量比淬火的軸承座小，這從生產經濟學的觀點來看是 有利的。
下面借助實施例詳細說明本發明。附圖不按尺寸比例示出和局部非常簡
化，附圖中:
圖1表示一個四缸發動機曲軸的透^f見圖2以縮小的尺寸表示一個可用于加工圖l所示曲軸的軸承座的指形銑 刀側視圖1^、放大的尺寸表示按圖2的指形銑刀沿圖2箭頭A方向的俯視圖4以放大的尺寸i示指形銑刀端部的側視圖5用剖面圖表示加工圖1所示曲軸的主軸承；
圖6表示在旋轉銑削加工不同階段相對進給的矢量圖7用剖面圖表示另一個主軸承的支承；以及
圖8表示中心架滑塊的俯視圖9在側視圖中表示曲軸具有針對強化滾壓優選的位置； 圖IO表示強化滾壓工具作用在連桿支承頸上； 圖11在側視圖中表示曲軸具有針對精整優選的位置； 圖12表示精整工具作用在連桿支承頸上。
在用規定的切削刃通過切削加工(預)成形的曲軸1上，若規定這樣做， 則首先將所有軸承座的表面淬火，并與之同時過渡部分-倒角或凹槽大多也 淬火。與此無關，接著作為下一道工序強化滾壓所有倒角或凹槽42(圖9)。 在這里用預先給定的強化滾壓力在凹槽42內壓入兩個強化滾壓軋輥43和44，在此期間曲軸1旋轉。強化滾壓軋輥43和44在強化滾壓期間由導輥45 支承，它可旋轉地支承在強化滾壓軋輥頂端46上(圖10)。與強化滾壓軋輥 43和44相對，支承頸PL由兩個支承輥47支承，它們可旋轉地支承在支承 輥頂端48上。強化滾壓軋輥頂端46和支承輥頂端48是強化滾壓工具(未表 示)的組成部分。
如果需要，曲軸在淬火和/或強化滾壓倒角或凹槽35后定向。所述的定 向用與強化滾壓時所用的同一個強化滾壓工具進行，當然此時根據尺寸和方 向調整強化滾壓力。通過強化滾壓，與原始的疲勞強度相比，可以提高鋼制 曲軸的疲勞強度約200%，以及球墨鑄鐵制曲軸的疲勞強度約300%。切削 加工預成形的未淬火或已淬火的定向強化滾壓的曲軸1,可繞其主旋轉軸線 2旋轉地夾緊在機床(未表示)內，現在其主軸承和連桿軸承的軸承座在機床 內通過精銑進行加工。從軸頸3處開始，主軸承先后稱為HL1至HL5。連 桿軸承類似地計數，它們在圖中從軸頸3那里開始先后用符號PL1至PL4 表示。在曲軸1與軸頸3對置端是法蘭4。在本實施例中，曲軸1在法蘭4 和軸頸3處分別被一個卡盤夾緊，圖中只分別表示了卡盤的兩個夾爪5。夾 緊力相應于箭頭6的方向沿徑向作用在法蘭4上。
曲軸1的旋轉軸線2同時也是機床沿Z方向延伸的C軸。在法蘭4那 里開始，按箭頭9通過精銑先后切削加工首先是曲軸1的主軸承HL5至HL1。 在沿箭頭9方向，即機床的X方向加工期間，沿與加工方向9反向的箭頭 10的方向進行曲軸1的支承。所述沿箭頭10方向的支承通過機床的一個或 兩個中心架(未表示)實現。在這里，當支承在HL4上時實施HL5的加工， 當支承在HL3上時實施HL4的加工，當支承在HL4和/或HL2上時實施HL5 的加工，當支承在HL3上時實施HL2的加工，以及當支承在HL2上時實施 HL1的加工。類似地設計在加工連桿軸承PL1至PL4時的支承。在例如沿 加工方向11加工PL1時，實施在HL1和/或HL2上的支承。當支承在HL2 和/或HL3上時則實施PL2的加工，當支承在HL3和/或HL4上時實施PL3 的加工，以及最后當支 K在HL4和/或HL5上時實施PL4的加工。為了簡化， W支定加工方向11與加工方向9并因而與才幾床的X方向一:f丈。
為了精銑軸承座HL和PL采用指形銑刀12(圖2)。在本實施例中指形 銑刀的直徑13為24mm,而主軸承座HL和連桿軸承座PL的寬度為19mm。 因此在通過曲軸1切削加工預成形期間，在每個軸岸義座兩側分別加工一個2.5mm的凹槽，指形銑刀12可以在凹槽內空跑。與其直徑13相比，指形銑 刀12的刀桿15有大的長度14。刀桿15大的長度14提供可能性，例如連桿 軸承PL1或PL4的軸承座表面，當它們在曲軸1大約旋轉半圈后處于下部 位置時也可以從方向9和11加工，圖1表示兩個在內部的連桿軸承PL2和 PL3正處于這一位置。為此目的，指形銑刀12的刀桿15有大的抗彎剛度。 刀桿15插入機床刀具軸(未表示)普通的刀架16內。指形銑刀12的旋轉軸線 17同時平行于才幾床的X方向。
從箭頭A的方向觀察，指形銑刀12有三個刀片18，它們沿圓周均勻分 布(圖3)。刀片18用簡稱CBN的等軸結晶的立方氮化硼(kubisch kristallines Bornitrid)制造。刀片18的端面切削刃朝旋轉軸線17的方向分別有一個小的 偏角19。
圖5表示通過曲軸1任意一個主軸承HL的剖面圖。機床的C軸處于沿 旋轉軸線2的方向；因此Z軸垂直于圖紙平面。X軸與之成直角延伸，以及 Y軸又與X軸和與Z軸正交(見圖1右下方)。指形銑刀12的旋轉軸線17相 對于X軸沿Y方向移動一個錯移量e,它在本實施例中約為4至5mm。曲 軸l的旋轉方向用彎曲的箭頭20表示，指形銑刀12的旋轉方向則用彎曲的 箭頭21表示。
為了主軸承HL的多階段旋轉銑削加工，預留有加工余量22(例如 0.25mm)。在粗4先期間，此時曲軸1沿方向20大體旋轉一整圈，從主軸承 HL切除一個有預定厚度的外層23(粗加工余量，例如0.15mm)。直接在這之 后，例如不重新夾緊曲軸1，在粗銑并測量軸承后通過精銑實施內層24的切 除(精加工余量，例如0.1mm),此時曲軸1仍沿旋轉方向20旋轉，以及指形 銑刀12沿旋轉方向21旋轉。也可以為了精銑改變旋轉方向20和21。在精 銑期間使曲軸1略超過一整圈旋轉。加上在精銑階段一開始用于將指形銑刀 12切入的轉角范圍，指形銑刀12在切削過程中大體經過一個角度范圍為 420。。
圖6借助矢量圖示意表示指形銑刀12在材料內插入，亦即切入時(虛 線)、旋轉時(實線)以及退出時(點劃線)的相對進給。由幾何學關系得出(在旋 轉時僅軸承座的直徑和角速度決定矢量)，在曲軸1旋轉時不存在純切向的 相對進給；確切地說，切向分量35上疊加了一個(夸張地放大表示的)徑向分 量36,由此在曲軸1旋轉期間得到表示為矢量的相對進給37。在切入過程
16中，指形銑刀12的切深進給運動38沿著它的縱軸線17(沿X軸)發生。通過 與矢量37疊加得出的切入期間的相對進給，由相應的切入或插入矢量39表 示。當曲軸l完整地旋轉后在指形銑刀12退出期間，指形銑刀12沿X方向 完成的切深進給運動40導致相對進給37。在指形銑刀12退出期間通過與矢 量37疊加得出的相對進給，用相應的退出矢量41表示。切深進給運動38 和40各自的大小事先通過試驗確定，其中，曲軸1的旋轉方向20可以考慮 或沿銑刀軸線17相對于曲軸1旋轉軸線2錯移e的方向，或與此方向相反。 作為取決于其他加工參數及幾何關系確定切深進給速度數量級的依據，可適 用的是，使所述的切入優選地沿曲軸1旋轉3。至15。的角度范圍延伸。這對 于主軸承HL和連桿軸承PL是同樣適用的。
如已提及的那樣，在多階段旋轉銑削加工主軸承HL時，曲軸l由機床 的一個或兩個中心架(未表示)支承。所述的支承最初沿X方向進行，在圖7 中它表示為垂直方向。滑塊25用于支承，它可以沿X軸在兩個方向26運動。 除了沿X方向通過滑塊25支承外，附加地還通過另外兩個滑塊27和28支 承，它們可以分別沿徑向29運動到靠在曲軸1主軸承座HL上以及能重新 移開。中心架的運動機構(未表示)以這樣的方式協調這三個運動26和29， 即，將滑塊27和28運動到主軸承HL上，而在此期間使滑塊25沿雙向箭 頭26的方向向下運動。 一個已知的在這里無需進一步說明的運動機構，保 證協調26和29的運動，由此在軸承座直徑不同的情況下導致曲軸1定心地 夾緊。
但主軸承HL的軸承座30也被油孔31截斷。在主軸承HL由滑塊25、 27和28支承期間，當曲軸1旋轉時油孔31的邊緣可能引起干擾。為避免這 些干擾，滑塊25、 27和28分別制有一個槽32。槽32促使滑塊25、 27和 28整個支承面上用于支承的部分33,小于它們各自在支承期間面朝主軸承 HL的橫截面積34。圖中沒有表示借助凹面磨削(見上)使滑塊與要加工的軸 承座外體線可能的匹配。
接著前面的粗銑和精銑的工序，可以隨意，亦即按需，再實施主軸承 HL和連桿軸承PL的軸承座的精整工序(圖11和12)。
圖11表示在曲軸1上優選地要精整的主軸承軸承座HL和連桿軸承座 PL的位置。曲軸1止推軸承HL3的軸環面BL也優選地精整；不過這一工 序并不屬于本發明的范圍，在這里我們只是為了完整性才提及。取代通過砂輪或環形砂布帶的最終加工，對主軸承HL和連桿軸承PL的軸承座實施精 整。
精整借助沿連桿軸承PL的軸承座圓周分布的三個圓柱形精整輥進行。 圖12中只能看到其中兩個精整輥49和50;為了更好地理解將后者表示在圖 紙平面內。每個精整輥49和50側面分別由兩個支承輥51和52支承，在這 里同樣將它們回轉到圖紙平面內。如可看出的那樣，支承輥51和52本身可 旋轉地裝在外殼53或54中。在精整期間曲軸1旋轉，與此同時使精整輥49 和54處于旋轉狀態，并通過精整輥49和54同樣使支承輥51和52旋轉。 在精整時，精整輥49和54以預先給定的軋制力壓靠在曲軸1的軸承座PL 上。
通過精整，達到軸承座HL和PL有功能更好的表面特征。在精銑后遺 留的剩余粗糙度減小。增大型面承力部分和提高表層硬度。提升曲軸l的抗 扭強度。最后，還能減小也許還存在的形狀誤差。
優選地，在每個曲軸1上還精整軸頸3的密封面55和法蘭4的密封面 56(圖11)。
上面介紹的方法除加工曲軸外，也適用于以相同的方式加工所有類型的 凸輪軸和控制軸。
權利要求
1. 一種曲軸主軸承和連桿軸承的軸承座加工方法，其中主軸承和連桿軸承的軸承座在曲軸通過鍛造或鑄造預成形后實施下列加工工序-通過用規定的切削刃切削加工成形，-強化滾壓主軸承和連桿軸承所有的倒角或凹槽，-滾壓校直曲軸，-用指形銑刀分別通過高速的-粗銑和-精銑精密切削加工，-在精銑后精整曲軸的軸承座，其中，粗銑和精銑分別在曲軸基本上旋轉一整圈的過程中，在指形銑刀沒有縱向進給和沒有切向進給的情況下完成。
2. 按照權利要求1所述的方法，其特征為，在粗銑后進行曲軸主軸承 和連桿軸承的直徑測量，然后根據測量結果借助對于加工機械的數字控制實 施精切削的切深進給。
3. 按照權利要求1或權利要求2所述的方法，其特征為，在用規定的 切削刃切削加工成形后接著淬火。
4. 按照權利要求1至3之一所述的方法，其特征為，在開始粗銑和開 始精銑的切入期間，指形銑刀相對于指形銑刀旋轉軸線的切深進給僅沿旋轉 軸線的方向進行。
5. 按照權利要求4所述的方法，其特征為，在指形銑刀切入期間切口 延伸3°至15°,優選地約5°曲軸轉角。
6. 按照權利要求1至5之一所述的方法，其特征為，應用于旋轉銑削 的指形銑刀直徑等于要加工的軸承座寬度的1.15倍至1.35倍。
7. 按照權利要求1至6之一所述的方法，其特征為，在預成形期間要 制造的軸承座兩側分別加工 一 個凹槽。
8. 按照權利要求1至7之一所述的方法，其特征為，將指形銑刀的旋 轉軸線相對于軸承座的旋轉軸線錯開指形銑刀直徑約0.15至0.2倍的量進行 粗銑和精銑。
9. 按照權利要求1至8之一所述的方法，其特征為，曲軸的軸承座通 過粗銑和精銑進行加工，曲軸在其法蘭一端夾緊在第一卡盤內以及在其軸頸 一端夾緊在第二卡盤內。
10. 按照權利要求1至9之一所述的方法，其特征為，加工曲軸主軸承 的軸承座，為此用唯一的一個指形銑刀先后精加工主軸承的每一個軸承座， 在此期間曲軸同時在每一個相鄰的主軸承處沿徑向被一中心架支撐。
11. 按照權利要求8或9所述的方法，其特征為，加工曲軸連桿軸承的 軸承座，為此用唯一的一個指形銑刀先后精加工連桿軸承的每一個軸承座， 在此期間曲軸同時在每一個相鄰的主軸承處沿徑向被一 中心架支撐。
12. 按照權利要求1至11之一所述的方法，其特征為，精銑圍繞曲軸 360°以上的轉角。
13. 按照權利要求1至12之一所述的方法，其特征為，在粗銑和/或精 銑時在油孔的區域內開始實施精密切削加工。
14. 一種尤其對曲軸實施按照權利要求1至13之一所述方法的機床， 其特征為機床有-主軸，它有一條繞相應于要加工的曲軸(1)主旋轉軸線(2)的Z軸的旋 轉軸線(C軸)，- 一可在C軸內被旋轉驅動的曲軸(1)卡盤，-至少一個繞X軸旋轉的刀具軸，它可沿Y方向和沿Z方向移動以及 沿X方向切深進給，-至少一個可沿Z方向移動的中心架，它有至少一個在曲軸(l)主軸承 (HL)軸承座處的用于曲軸(1)的支座，以及-兩個卡盤或一個卡盤和一個帶頂尖的尾架或一個彈簧夾頭。
15. 按照權利要求14所述的機床，其特征為，機床有兩個可驅動旋轉 的卡盤，曲軸(1)在其法蘭端(4)安裝在其中第一卡盤中，以及，曲軸(l)在其 軸頸端(3)安裝在其中第二卡盤中。
16. 按照權利要求14或15所述的機床，其特征為，刀具軸可沿Y方向 錯移一個量e。
17. 按照權利要求14至16之一所述的機床，其特征為，刀具軸設置用 于安裝指形銑刀(12),該銑刀的刀桿(15)長度與其直徑(13)之比在10:1.5至 10:3之間。
18. 按照權利要求17所述的機床，其特征為，指形銑刀(12)有三個由釬 焊的CBN刀片(18)構成的端面切削刃。
19. 按照權利要求18所述的機床，其特征為，CBN刀片(18)分別有一 個偏角(19),它從指形銑刀(12)的外圓周朝其縱軸線(17)的方向減d、一個在 0.02°與0.08。之間的量。
20. 按照權利要求14至19之一所述的機床，其特征為， 一個或兩個卡 盤的轉速與刀具軸轉速之比在l:400至l:2000之間。
21. 按照權利要求14至20之一所述的機床，其特征為，中心架的支承 在曲軸(l)主軸承(HLl-5)的三個點上進行，其中之一沿X方向。
22. 按照權利要求21所述的機床，其特征為，曲軸(l)通過中心架的支 承由滑塊(25、 27、 28)構成，它們在主軸承軸承座(30)的油孔(31)區內分別有 一個凹槽(32)。
23. 按照權利要求14所述的機床，其特征為，它有借助強化滾壓工具(43 至48)強化滾壓倒角或凹槽(42)的裝置。
24. 按照權利要求14或23所述的機床，其特征為，它有精整主軸承(HL) 和連桿軸承(PL)軸承座的裝置。
25. 按照權利要求14所述的機床，其特征為，它有一個給主軸承(HL) 和連桿軸承(PL)的倒角或凹槽(42)或軸承座淬火的裝置。
26. 按照權利要求14所述的機床，其特征為，它有一個為了兩端驅動 工件而被驅動的對向頂軸。
27. 按照權利要求14所述的機床，其特征為，機床有至少一個可回轉 和/或可定位的測量裝置，用于測量主軸承和連桿軸承。
28. 按照權利要求27所述的機床，其特征為，設有非接觸式測量裝置用 于測量主軸承和連桿軸承。
全文摘要
本發明涉及一種曲軸(1)主軸承和連桿軸承(HL、PL)的軸承座加工方法，其中主軸承和連桿軸承(HL、PL)的軸承座(30)在曲軸(1)通過鍛造或鑄造預成形后實施下列加工工序通過用規定的切削刃切削加工成形；強化滾壓主軸承和連桿軸承所有的倒角或凹槽；滾壓校直曲軸(1)；用指形銑刀(12)分別通過高速的粗銑和精銑精密切削加工；在精銑后精整曲軸的軸承座，其中，粗銑和精銑分別在曲軸(1)基本上旋轉一整圈的過程中，在指形銑刀(12)沒有縱向進給和沒有切向進給的情況下完成。
文檔編號B23C3/06GK101448593SQ200780018260
公開日2009年6月3日 申請日期2007年5月24日 優先權日2006年5月26日
發明者漢斯·J·諾曼 申請人:奈爾斯-西蒙斯工業設備有限責任公司