低摩擦曲轴法兰抛光工艺关键因子研究及应用

彭勇 胡期君 于立群

（重庆长安汽车股份有限公司，重庆 401120）

1 研究背景

曲轴作为发动机核心零部件，是动力传递转换的关键，曲轴法兰是动力输出的核心。低摩擦曲轴在保证动力输出的同时，保证曲轴法兰密封可靠至关重要，而法兰表面粗糙度的设计及制造工艺控制是达成以上需求的关键。公司某低摩擦曲轴法兰外圆表面粗糙度要求控制在Rz0.8～2.5 μm 之间，质量过程能力保证难度大，在生产过程中如何高效的从工艺角度去满足产品设计要求，把法兰粗糙度的生产过程能力提升至较安全的水平是本次研究的主要内容。

黄永辉[1]认为曲轴抛光中为了得到更好的抛光质量, 需要更好的抛光带,抛光靴和稳定运动的机床结构，并对抛光原理、抛光砂带选取、SuPfina72o/3-NC 设备结构、抛光靴结构设计做了概述性介绍，但未对如何具体提升抛光质量进行分析验证。王艳菊[2]针对不同材质的曲轴，使用两种抛光装置抛光，通过使用不同介质、不同切削速度进行抛光验证，得出了两种手段在抛光过程中，只能提高表面粗糙度，几乎不改变轴颈尺寸及形位公差的结论。时君丽[3]等利用正交试验设计的方法，研究了涡旋压缩机曲轴电化学抛光工艺参数的最佳组合，其试验方法有较大的参考意义，但其采用的电化学抛光方法与砂带抛光工艺差异较大。张磊[4]等对砂带研抛曲轴连杆颈机构做了详细分析，并讨论了不同抛光块以及不同接触方式对抛光质量的影响，同时还分析了随动误差对抛光质量的影响。但仅开展了理论研究缺少试验验证。

2019 年5～6 月，公司某系列曲轴机加线曲轴抛光工位法兰外圆表面SC 特性——粗糙度Rz 值超出80%公差带的预警线，频繁预警，一旦超差可能导致法兰油封漏油的风险。该生产线投产初期共生产2 950件曲轴，法兰粗糙度Rz值分布偏上限（1.6～2.5 μm），如图1 所示，Ppk=0.79＜1，过程能力不足，超差风险大。如不合格，存在法兰油封漏油的风险。样本数据波动受控，样本均值Rz2.03 μm（目标值Rz1.65 μm），偏移较大，本研究结合理论与实际，通过分析锁定优化因子，并通用验证确定最优因子水平，实现样本均值方面进行改善，减小偏移。

图1 法兰粗糙度尺寸分布

2 曲轴法兰抛光关键因子分析

本次研究涉及的曲轴为球墨铸铁件，曲轴法兰外圆主要经过车、磨、抛光、清洗、涂油等工序完成加工，磨削、抛光是影响成品质量关键工序。法兰外圆经磨削后圆度小于5 μm、粗糙度小于Ra0.6 μm，且过程能力Ppk 大于1.67，本次研究主要集中在抛光过程的优化。

目前国际主流的曲轴抛光设备厂家有德国的Supfina 公司、Nagel 公司，美国的 Inpco、印度 Grind master，其设备的自动化程度高、加工精度高、性能稳定、控制功能先进。当前生产线采用Grind master NF600Cr全自动抛光机，工件采用两端中心中孔进行定位，抛光过程中在法兰端通过销钉驱动进行旋转。两个顶尖的同轴度及跳动超差将造成工件加工过程中异常抖动，会影响加工过程的稳定性。首先应对顶尖（图2）进行检测，检测结果如表1 所示，满足要求。抛光靴为硬件且在设备采购时配备了大量配件，其结构的优化验证本文不做分析。

图2 抛光工序夹具示意

表1 夹具检测结果

抛光油型号更换、验证周期长，暂不考虑，且该工序还加工其他内容，且其他轴颈加工过程稳定；抛光油流量设置量满足要求，也不做进一步分析。抛光带基带为聚酯膜、磨粒为氧化铝。颗粒度大小是抛光表面的材料去除关键要素，抛光带颗粒度对抛光后粗糙度影响较大，通常抛光带颗粒度越小，抛光出的表面质量越高。

工件抛光时的旋转方向决定了抛光完成后工件表面细微毛刺的形成方向。抛光的方向应该与发动机的转动方向一致，这样曲轴在运行过程中，轴颈表面上的毛刺不会刺破油膜[5]。

曲轴砂带抛光机床在加工过程中，在保证抛光介质（机械油和煤油的合理比例或专用抛光液）、抛光压力的前提下，工件旋转速度、抛光时间和工件振动频率对工件质量影响显著。曲轴法兰对密封性有较高的要求，抛光过程中避免工件震动/轴向串动可形成平行于旋转方向的微观细纹，更有利于保证密封要求。抛光臂夹紧力主要影响抛光去除量（直径），目前抛光后的外圆直径过程稳定，如果进行调整需要修改前工序尺寸状态，暂不做进一步分析。

综合以上分析，法兰粗糙度过程能力的影响因子主要为抛光带颗粒度、进带量、抛光参数（转速、圈数）4 个，下面将做进一步验证分析。

3 关键影响因子工艺参数确定

为保证生产成本不增加，生产效率不降低，拟采用先选取合适的抛光带将减少样本均值的偏移量，再基于成本选取进带量，最后再通过优化工艺参数来实现粗糙度过程能力的提升。

3.1 基于成本选取抛光带颗粒度

当前采用的颗粒度为30 μm 的抛光带，根据当前法兰外圆粗糙度数据的分布（实际值偏大）来看，当前粗糙度值靠近公差上限。通常抛光带颗粒度越小，抛光出的表面质量越高，且颗粒度为20 μm的抛光带成本与30 μm 抛光带成本相当，所以引入颗粒度为20 μm 的抛光带进行验证（其他状态一致）。采用假设检验的方式，主要检验采用20 μm抛光带相比30 μm 抛光带时的样本均值与目标值的偏移量改善是否显著。如果采用20 μm 抛光带后改善显著可快速缩短试验验证的周期及成本。

采用颗粒度为20 μm、30 μm 抛光带各加工25件产品并检测统计抛光后的粗糙度数据，分析两组数据距离目标值的偏移量的大小，如表2 所示；对实测值Y进行（|Y-1.65|）转化（1.65 μm 为法兰粗糙度目标值）。对转化后的两组数据进行方差及均值分析，等方差检验，设H0为“μm（20 μm偏差）-μm（30 μm 偏差）≥0”，H1 为μm（20 μm 偏差）-μm（30 μm 偏差）＜0，在95 置信区间进行分析。试验结果为两组数据方差无显著差异，但是用20 μm抛光带的粗糙度偏差均值显著小于用30 μm 的抛光带，选用20 μm 的抛光带更优，如图3 所示。

表2 抛光带颗粒度试验数据

图3 抛光带颗粒度对比验证结果

3.2 利用回归分析法确定进带量

法兰抛光过程中，每加工1 件后抛光带都需要进行步进式更换，以保证加工质量；为保证抛光过程中不断带且有较好的抛光质量并兼顾经济性，法兰抛光的单次进带量通常设置在24～30 mm 之间，具体数据如表3 所示。在其他状态一致的条件下，收集不同进带量水平状态下抛光法兰后的法兰外圆粗糙度数据，并生成散点图如下，通过散点图可知，进带量与粗糙度存在相关性，具体关系需进一步分析。

表3 抛光带进带量试验设计

对数据进行多项式回归分析结果如图4 所示，粗糙度与进带量的回归方程为：粗糙度=63.39-4.559×进带量+0.083 49×进带量×进带量，回归标准差S=0.0982，多元相关系数R-Sq=91.9%，修正的多元相关系数R-Sq（调整）=91%，回归项对应的置信度p＜0.05，回归模型显著，方差的序贯分析中，二次项对应的置信度p＜0.05，二次相关显著。通过响应优化器，获取最优设置后得回归方程如下：粗糙度= 63.68- 4.567×进带量+ 0.083 38×进带量×进带量。由优化图可知，进带量设置为24.9 mm、29.7 mm 两个值时最接近期望值，因抛光带进带量越小，抛光带寿命越高，所以选定抛光带的进带量为25 mm，后续验证基于这个经济量开展进一步分析。

图4 抛光带进带量验证结果

3.3 关键因子工艺参数确定及验证

基于确定的抛光带进带量、抛光带颗粒度，对抛光参数优化试验设计。对抛光转速X1、抛光圈数X2 进行两水平（并增加中心点）试验设计见表4。试验结果如表5 所示。

表4 抛光转速、圈数试验设计

表5 抛光转速、圈数试验结果

试验结果为转速、圈数、转速与圈数交互作用对粗糙度有显著影响。回归方程如下，通过响应优化器，获取最优设置，转速选择80、圈数选择4，粗糙度最接近期望值。

粗糙度=1.837+0.003 39×转速-0.011 4×圈数-0.001 69×转速×圈数

综合前述分析，将进带量取值25 mm、抛光带颗粒度选取20 μ、抛光转速选取80 r/min、抛光圈数选取4 圈进行加工验证。跟踪7 月至9 月生产数据，计算达到粗糙度目标的Ppk=1.29，相比改善前0.79，效果显著，改进方案可行。

4 结论

a.抛光过程中法兰外圆粗糙度过程能力的改善提升可从设备精度、抛光带颗粒度、进带量、抛光转速及抛光圈数等因子进行。

b.在确保抛光前的过程尺寸稳定、检测系统满足要求、设备主轴精度正常的前提下开展进一步分析，且应优先确定抛光带颗粒度及进带量。

c.运用等方差分析、双样本T 检验法、回归分析法逐步确定各项关键因子及水平，能够有效改善法兰外圆粗糙度过程能力。