线膨胀系数在曲轴精加工工艺中的应用

襄阳福达东康曲轴有限公司刘黎 2015-09-29

曲轴作为发动机精度最高的零部件之一，加工过程中尺寸对环境温度的敏感程度非常高。特别是精磨后的直径，受外界环境温度变化的影响非常大。我公司主要生产东风康明斯发动机曲轴，该曲轴的原材料为非调质钢48MnV。本文以康明斯B系列曲轴为例，介绍了如何应用线膨胀系数研究曲轴热变形与环境温度的关系，对曲轴直径的精加工进行现场控制。

试验与分析

线膨胀系数是表征物体热线膨胀性质的物理量，即表征物体受热时其长度、面积和体积增大程度的物理量。为了阐述线膨胀系数的应用过程，分以下几个步骤进行分析：

1.热变形与环境温度的关系

本试验的环境：曲轴精加工设备采用英国兰迪斯LT2HE-1000磨床，加工节拍为20min/件。该磨床配备独立的集中过滤系统，能够保证磨削液始终处于恒温20℃。

检测曲轴直径在加工完成后5 min之内完成。随后，曲轴的直径随自身温度变化而发生变化，曲轴直径加工完8h后趋于稳定。我们要求稳定后的曲轴直径在公差范围内，但实际过程控制中却不可能在加工一件曲轴8h后检测其是否合格。所以，我们需要找到曲轴加工完后5min内检测的直径与曲轴温度稳定后的直径之间的关系，便于在加工完后就能立即检测并判定曲轴直径是否合格。

本试验中关系到曲轴直径变化的最大因素就是曲轴自身的温度变化。曲轴在精加工过程中引起曲轴出现热变形的关联因子主要有以下几个：砂轮切削热的传导;磨削液的温度传导;车间温度的传导。由于曲轴磨削时间只有20min，各种温度的传导仅限于曲轴表面，所以曲轴磨削后的温度是不均匀的，是无法检测数据并用于计算的。

曲轴在加工过程中的热形变是以图1所示的形式进行的。根据材料线膨胀系数公式：

α=(Φ2-Φ1)/Φ0×(t2-t1)

其中，Φ0为20℃恒温条件下检测曲轴的直径。我们要寻求Φ1与Φ2之间的关系，在实际应用中通过控制过程尺寸Φ2，达到控制曲轴最终尺寸Φ1的目的。

根据线膨胀系数的公式可以得出热变形与温度的关系如下：

Φ2-Φ1=Φ0×(t2-t1)×α

首先，由于砂轮切削量是一定的，砂轮的转速、进给速度等参数都是一定的，因此，可以认为砂轮切削热对曲轴热变形的作用也是一定的。其次，磨削液恒温20℃，磨削液对曲轴热变形的作用也是一定的。所以，我们可以将曲轴精加工过程中会造成曲轴热变形的热量当作一个常量Δt，即Δt=t2-t1。轴的温度升高或降低，造成了曲轴的热变形。那么，热变形与温度的关系在这种情况中可以简化为：Φ2-Φ1=Φ0×Δt×α。

2. 线膨胀系数的应用过程

为了找到曲轴精磨过程中热变形与曲轴自身温度变化之间的关系，我们抽取一件曲轴，在曲轴加工完后马上测量与放置8h后再次测量。测量时采用多人对曲轴同一主轴颈的同一测量点进行测量，排除测量系统对试验的影响。

采集过程中，磨削液温度为20℃，室内环境温度为9℃，加工时间20min，具体采集数据如表1所示，可以得出Φ2-Φ1=0.007mm。

我们测得20℃时该曲轴同一部位的直径为Φ83.007m，与室温状态下的检测数据一致，即Φ0=Φ1。参照金属材质，我们查询金属线膨胀系数α=12×10﹣6/℃。由于曲轴精磨后的温度无法测算，那么我们根据以上数据和公式，计算得出：

Δt=0.007/(83.000×12×10﹣6)=7.03℃

根据计算得到在环境温度9℃时，造成曲轴温度变化的影响为7.03℃。那么得到用于控制的精磨直径：

Φ2=Φ1+Φ1×Δt×α

=Φ1+0.000084×Φ1

在曲轴精磨过程中有两个直径需要控制，温度稳定后，要求主轴颈Φ83±0.01mm，连杆颈Φ69±0.01mm。根据以上公式可以得出应用于加工过程直径的名义尺寸为：

(1)主轴颈：83+0.000084×83=83.007mm

(2)连杆颈：69+0.000084×69=69.006mm

为此，我们按照试验后得出的直径公差范围对生产过程进行控制，在终检二次确认直径均符合成品公差要求。