曲轴是汽车发动机上的关键零件，需求量大，组成要素多，轮廓形状复杂，精度要求高，其加工质量直接影响发动机的工作性能。磨削加工作为曲轴与凸轮轴生产的精加工工序，决定了曲轴与凸轮轴的最终加工质量。汽车发动机生产线生产节拍快，连续工作周期长，对产品加工质量稳定性要求高，对汽车发动机生产线曲轴磨床提出了高精度、高效率、高可靠性以及高柔性的要求。我国汽车发动机生产线所用的曲轴磨床、凸轮轴磨床几乎全部从国外进口，主要供应商有英国Landis、德国JUNKER和德国SCHAUDT等。
上海机床厂有限公司在自主研制的适合单机生产的H405-BF数控曲轴切点跟踪磨床的基础上，牵头承担了2013年度“高档数控机床与基础制造装备”科技重大专项项目“汽车发动机生产线用数控曲轴磨床、凸轮轴磨床（课题编号：2013ZX04002-031）”，其总体目标是利用前期数控专项课题成果，开展曲轴磨床可靠性研究及关键部件使用寿命研究，开发相关磨削用户工艺软件、磨削技术支持软件、异型轮廓磨削软件，在具有国际先进水平的汽车发动机曲轴生产线中并线生产，实现示范应用，有效满足汽车工业中曲轴精密加工的实际需要和提升国产设备技术与制造水平的迫切要求。
3.2 体系内涵
聚焦国家战略，围绕上海电气建设具有国际竞争力和品牌影响力的本土跨国企业的创新驱动发展战略，根据集团现有中长期战略规划、五年发展规划、531产业规划、三年行动规划等多种规划体系，上机公司每年组织编制“3+3”产业发展规划，明确公司新业务的发展方向、传统产品的发展规划以及技术发展路线，加强科技发展战略与规划管理。
（1）设立科技创新委员会——技术委员会。技术委员会委员为非常设的技术评审机构，秘书处负责日常项目的管理和会议组织工作，成员以各个条线的技术专家以及外聘技术专家为主体；成员是在本专业技术领域中有较高造诣，必须具有高级技术职称或在本专业技术领域具有突出贡献的专家。技术委员会将全面负责公司各类国家/省市级专项、厂级项目、新产品项目以及其他特殊项目的技术评审，向企业管理层负责和报备。
（2）制订《科研项目制度》，加强科研项目的管理。技术来源方面，公司以自主研发为主，辅以合作研发。针对企业产品的共性技术、新产品新工艺、核心关键技术进行梳理，成立了若干研发项目组进行研究，形成梯次研发机构。
（3）建立项目绩效奖励制度和技术人才激励制度。根据《财政部 科技部 发展改革委关于印发<国家科技重大专项（民口）资金管理办法>的通知》（财科教[2017]74号）以及《关于印发<上海市科研计划项目（课题）专项经费管理办法>的通知》，并围绕《关于加快推进上海电气集团科技创新发展的若干意见》，将相关制度和文件进行修订，将正向激励提升技术人员积极性纳入该体系制度，实施科技创新激励政策。
（4）加强知识产权的保护和运用。根据《“十三五”国家知识产权保护和运用规划》及《上海电气知识产权（技术类）管理行动计划》，积极开展知识产权管理体系的各项工作，打造知识产权人才队伍，建立依托上海电气集团的知识产权风险防范机制。
3.3 主要做法
项目启动会召开前，公司成立研发项目组——汽车发动机生产线用数控曲轴磨床开发团队，课题组长带队到用户——上汽通用汽车有限公司金桥基地调研学习，了解汽车发动机曲轴精密加工要求，获取汽车发动机生产线用曲轴磨床配置所需的生产能力要求、工序流程计划等相关资料，机电液工艺各条线相关人技术员自我学习，经过多次技术交流，制定曲轴磨床的设备需求、生产节拍、工艺模式，加工余量的优化分配方法，确定工件定位、夹紧、测量与自动搬运方式，形成面向汽车发动机生产线的曲轴磨床配置策略。
在课题组长的组织下，产品开发团队制定数控曲轴磨床的开发计划，机电液小组形成磨床的总体布局设计方案，砂轮架主轴采用专用的高速主轴系统；进给系统采用高动态响应砂轮架十字拖板、直线电机直接驱动的闭式静压导轨结构；头架为带卡盘的高精度回转系统；中心架采用高精度液压自定心支承技术；测量采用Marposs在线测量装置。同时，软件小组按照生产线连续加工要求自主研发专用软件，并基于误差补偿试验平台开发误差补偿的内嵌功能。
产品图纸下发生产后，按工艺要求进行加工制造，同步采购外购件和标准件。待零件成套后，装配小组按高质量装配技术要求进行部件、整机安装，之后按制造型式进行技术考虑。具备磨削条件后，上汽派专员进行工艺跟踪，完成上线前的机床能力考核。
产品下线后进入生产线安装调试，进行基于生产线长期、高效加工、连续运转公开下的整机可靠性及关键部件使用寿命的监控。
3.4 实施效果
根据上汽通用汽车有限公司发动机金桥生产基地成线的汽车整机厂发动机生产线四缸机、六缸机曲轴磨削要求，研制了MK8220/SD双砂轮架数控曲轴磨床，机床采用卧式布局，砂轮架拖板移动，双砂轮架形式。床身导轨之上为十字拖板导轨，十字拖板导轨之上为砂轮架，导轨为闭式静压结构，X轴和Z轴由直线电机驱动；工作台位于机床前侧；头架安装在工作台上的直线导轨上，通过液压缸可精确地移动；尾架安装在工作台上的直线导轨上，通过液压缸可驱动尾架前进或后退。
机床主要技术参数如下：
最大回转直径 200 mm
最大磨削长度 750 mm
最大砂轮线速度 150 m/s
最大工件重量 30 kg
中心架上最大可磨削直径 φ60 mm
机床在进行的空运转试验、加载试验、静刚度试验、空运转加速试验、安全试验、典型试件磨削试验等可靠性试验中，监测机床精度变化，保证机床可靠安全运行。随后进行曲轴加工精度测试，利用Adcole测量仪检测后完善软件误差补偿功能。2015年12月，完成50件连续加工能力考核。2016年4月，MK8220/SD双砂轮架数控切点跟踪曲轴磨床先后通过了上汽通用汽车有限公司设备终验收能力考核和生产线PPAP（生产件批准程序）能力考核。PPAP能力考核最为重要，其考核零件件数为50件，其中平均主轴颈直径尺寸误差达到0.001mm（要求0.006mm），平均主轴颈圆度误差达到0.001mm（要求0.005mm），平均连杆颈直径尺寸误差达到0.003mm（要求±0.006mm），平均连杆颈圆度误差达到0.002mm（要求0.005mm）。随后开始在上汽通用汽车有限公司上海金桥生产基地动力总成厂曲轴自动生产线的并线生产。截止至2020年1月底，EOP、LGE曲轴线共生产2.0/2.5曲轴91万根，其中OP110D共生产2.0曲轴13万根。
在四年并线生产过程中，在生产线高效加工、连续运转工况下该机床展现了高精度、高效率和高可靠性。按照上汽通用生产抽查规定，在所有抽查的零件（约5600件）中，平均圆度误差达到0.005mm，平均主轴颈直径尺寸达到Φ56.09±0.006mm，平均连杆颈直径尺寸达到Φ49.015±0.006mm。与同时并线生产的德国JUNKER数控曲轴磨床及其他国际同类产品对比，日产300根，月产量8000根，生产能力同Junker一致。上汽通用汽车有限公司一致认为该设备整体技术水平在同类产品中，达到国内领先、国际先进水平。
图1 生产线上的MK8220/SD双砂轮架数控切点跟踪曲轴磨床
在知识产权方面，上机公司申请国家专利共6项，其中发明2项。
依托该课题，2016年11月，以双砂轮架数控切点跟踪曲轴磨床主要技术申报的“非对称轴随动磨削工艺与装备核心技术”荣获上海市科学技术奖技术发明奖一等奖。2018年4月，MK8220/SD 双砂轮架数控切点跟踪曲轴磨床参展第十届中国数控机床展览会，荣获春燕奖，并被评为2017年度自主创新十佳。
2018年9月，该项目在顺利通过了专项办组织的专项验收工作。
该项目的实施，突破了多项关键核心技术，取得了多项创新，具体情况如下：
1）数控曲轴磨床专用高速主轴系统
高速主轴系统是数控曲轴磨床的重要部件，由于其工作转速高，对支承刚度、动平衡、发热等均有严格要求，本子课题对比分析不同支承与驱动方式对主轴系统性能的影响，确定数控曲轴磨床专用高速主轴系统的支承及驱动方式，搭建了高速内置式静压电主轴系统试验台，完成高速、高刚性的数控曲轴磨床主轴系统的方案开发。
2）高动态响应双砂轮架双向进给系统设计与制造技术
针对汽车发动机曲轴多主轴颈与连杆颈磨削需求及高效率的加工要求，曲轴磨床配备双砂轮架系统，本子课题通过搭建直线电机驱动的高动态响应双砂轮双向进给系统试验台与伺服电机驱动丝杠螺母副传动的高动态响应双砂轮进给系统试验台，通过对比分析确定里数控曲轴磨床高动态响应双砂轮架驱动系统的组成。综合考虑到砂轮架的双向进给需求、空间布局及生产线应用保养维修需求，开发了数控曲轴磨床专用十字滑台驱动系统，满足了高动态响应双砂轮架双向进给系统的使用要求。
3）在线测量装置与误差补偿技术
针对汽车发动机生产线生产节拍短，生产周期长，连续运转以及高质量的要求。磨削作为曲轴等发动机零部件生产线上最后一道且是非常关键的加工工序，很大程度影响了零部件的加工精度，故对面向汽车发动机生产线的曲轴磨床的高效性和高精度提出了极高的要求。本子课题构建了针对曲轴的高效率在线测量系统。采用以Fenar L 专用曲轴在线测量装置为核心的测量系统，对曲轴主轴颈以及连杆颈均能进行测量。以校正后的Marposs 测量数据作为输入，建立曲轴连杆颈误差补偿模型和补偿规则，确定自动在线补偿策略及方法，最终保证曲轴加工的效率和精度，减小该环节的生产节拍。在此基础上，开发出具有人机交互性能的曲轴磨削误差补偿软件，实现曲轴的在线自动补偿。
上述技术研究成果，在公司其他高端磨床产品中获得了推广应用，主要工作有：
（1）基于MK8220/SD 双砂轮架数控切点跟踪曲轴磨床，开发了单砂轮架的MK8232数控切点跟踪曲轴磨床产品。该机床主要适应国内汽车发动机生产线用中端用户。
（2）利用随动磨削技术开发了H367数控随动高精度偏心轴磨床。该机床主要用于磨削RV减速器的曲柄轴以及类似的偏心轴类零件，机床可完成工件的自动对刀，能在一次安装工件的情况下，完成多档偏心轴外圆表面的自动循环磨削。
张凤和
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