通用機(jī)床加工大型單拐曲軸的工藝分析

李 麒

(常州寶菱重工機(jī)械有限公司，江蘇 常州 213019)

1 概 述

在大型煉鋼設(shè)備、船用設(shè)備的傳動(dòng)部件中，通常會(huì)應(yīng)用大型曲軸，如圖1所示；其作為主要核心零部件，裝上連桿后，承接連桿的上、下(往復(fù))運(yùn)動(dòng)變成循環(huán)(旋轉(zhuǎn))運(yùn)動(dòng)。

大型曲軸承受著彎曲、扭轉(zhuǎn)、剪切和拉壓等交變應(yīng)力的作用，受力狀態(tài)十分惡劣，曲軸本身結(jié)構(gòu)復(fù)雜，加工難度較大。

在飛剪設(shè)備中，就出現(xiàn)了如圖2所示的大型單拐曲軸，其能否成功的制作，關(guān)鍵在于其核心的工藝流程和制作要領(lǐng)。

圖1 各種常用曲軸圖

圖2 單拐曲軸的外形

圖3 單拐曲軸的技術(shù)參數(shù)圖

2 加工難點(diǎn)分析

如圖2所示的曲軸結(jié)構(gòu)復(fù)雜、緊湊、裝配精度要求高，尤其是作為以傳遞載荷為主的傳動(dòng)曲軸，是飛剪重要的零部件之一，主要承受連桿傳來(lái)的力矩，并將其轉(zhuǎn)變?yōu)檗D(zhuǎn)矩通過(guò)曲軸輸出，曲軸受到旋轉(zhuǎn)質(zhì)量的離心力、周期變化的氣體慣性力和往復(fù)慣性力的共同作用，使曲軸承受彎曲扭轉(zhuǎn)載荷的作用。因此要求曲軸有足夠的強(qiáng)度和剛度，軸頸表面需耐磨及確保曲軸工作均勻，有足夠的平衡性。

該曲軸重量重，偏重多，偏心量也大，結(jié)構(gòu)相對(duì)復(fù)雜，因此加工難度大。為了保證整個(gè)飛剪的剪切精度及使用壽命，對(duì)傳動(dòng)曲軸的加工制造就需要有著嚴(yán)格的技術(shù)控制要求。

該曲軸的最大直徑為Φ1090 mm， 長(zhǎng)度為4780 mm，有兩個(gè)偏心部位，一處偏心量20 mm，一處偏心量270 mm，重量15.8噸，由于曲軸的最大偏心大，由此造成刀鼓的偏重比較大，加工難度高，從曲軸的參數(shù)分析可知：曲軸的主要加工難度是裝軸承的兩個(gè)軸頸Φ1090 mm，偏心最大處的兩個(gè)Φ630 mm以及各處外圓的尺寸及形位公差，如圖3所示。

3 加工工藝流程分析

專(zhuān)業(yè)的曲軸加工公司，有著相對(duì)專(zhuān)業(yè)的加工設(shè)備，但是無(wú)法滿足該曲軸的制作要求。結(jié)合其技術(shù)特點(diǎn)、技術(shù)參數(shù)，制訂規(guī)范、合理的曲軸加工工藝流程，實(shí)現(xiàn)了利用現(xiàn)有普通設(shè)備(普通車(chē)床、數(shù)控車(chē)床、磨床等通用設(shè)備)解決制作難點(diǎn)，主要工藝流程如下：

鍛造毛坯—粗加工—UT—熱處理調(diào)質(zhì)—半精車(chē)—配重—精車(chē)—粗磨外圓—檢測(cè)偏心—精磨外圓—平兩端面，鉆小偏心中心孔—數(shù)控精車(chē)兩端偏心外圓—銑軸頸鍵槽(及加工螺紋)—成品檢驗(yàn)。

針對(duì)曲軸制造過(guò)程，從材料、熱處理、制造難點(diǎn)等方面逐個(gè)進(jìn)行可行性分析。主要加工難點(diǎn)有：毛坯鍛造、熱處理、機(jī)加工偏心精度以及大偏心量引起的偏重問(wèn)題。

3.1 毛坯鍛造

毛坯的質(zhì)量對(duì)傳動(dòng)曲軸生產(chǎn)使用會(huì)產(chǎn)生重要的影響，針對(duì)鍛造質(zhì)量提出嚴(yán)格的要求。該曲軸的材質(zhì)為50CrMo，鍛造時(shí)通過(guò)熱處理多道鍛模，鍛成單拐平面狀，在紅熱狀態(tài)下最后一道工序?qū)⒐諗Q轉(zhuǎn)到相應(yīng)的角度，毛坯制造商必須提供如下完整記錄：

化學(xué)成分分析表、機(jī)械性能試驗(yàn)報(bào)告、無(wú)損探傷檢驗(yàn)報(bào)告、尺寸檢驗(yàn)報(bào)告、全部熱處理報(bào)告、機(jī)械性能試驗(yàn)報(bào)告；此類(lèi)報(bào)告對(duì)曲軸后續(xù)的熱處理、機(jī)械加工有很大的幫助。

針對(duì)該曲軸偏心量的特點(diǎn)，左端Ф598.36 mm外圓及右端Ф1010 mm外圓考慮工藝長(zhǎng)度余量，確保偏心中心孔的制作。

3.2 粗加工

在數(shù)控龍門(mén)上找出曲軸的中心，一次性完成中心孔的制作，確保偏心精度。車(chē)床加工時(shí)，依據(jù)同一軸心線，分別進(jìn)行車(chē)削加工。刀具主要采用特固克CNMG120408RNKCP40，主偏角為80°的重型斷續(xù)加工硬質(zhì)合金刀片。

在粗加工的時(shí)候，充分考慮熱處理變形，粗加工中預(yù)留單邊15 mm的后續(xù)余量(左端Ф598.36 mm外圓除外，考慮工藝余量)，兩端長(zhǎng)度方向留有中心孔加工余量。

在工件配重平衡的前提下，首先加工車(chē)主軸頸外圓及長(zhǎng)度；其次，在車(chē)床卡盤(pán)處搭配重塊，車(chē)偏心距270 mm各外圓。

曲軸的粗加工示意圖如圖4所示。

圖4 曲軸的粗加工示意圖

3.3 熱處理

傳動(dòng)曲軸的材質(zhì)是50CrMo，技術(shù)要求為屈服強(qiáng)度490 MPa，抗拉強(qiáng)度690～840 MPa，延伸率15%，沖擊功31 J。其執(zhí)行的熱處理工藝如圖5所示，確保晶粒細(xì)化、均勻，從而達(dá)到更好的機(jī)械性能；熱處理后，調(diào)質(zhì)硬度為35～40 HSD。

圖5 傳動(dòng)曲軸的熱處理工藝圖

在熱處理過(guò)程中，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，曲軸圓周單邊余量為15 mm；另外在具體熱處理實(shí)施時(shí)，采取了以下措施，防止變形過(guò)大，如圖6所示。

(1)為有效控制變形，在曲軸突出臺(tái)階處焊接圓棒做支撐，熱處理在焊接前注意用測(cè)溫槍檢測(cè)焊接部位溫度，確保預(yù)熱充分。

(2)采用井式爐熱處理，在軸向中心軸線上打吊裝孔，起吊用垂直式，盡量避免較大的變形，影響后續(xù)加工。

(3)熱處理在淬火出油后，用拉絲的方式測(cè)變形，在回火過(guò)程中加以控制。

(4)在回火過(guò)程中，放置在設(shè)計(jì)的專(zhuān)用工裝上，對(duì)變形加以控制。

圖6 熱處理防止變形圖

3.4 精加工

修磨精加工中心孔是關(guān)鍵工序，在數(shù)控龍門(mén)修兩端中心孔(主軸頸、偏心距270 mm)，兩端中心孔應(yīng)盡量做到孔軸線相互重合，中心孔的錐角要準(zhǔn)確，與頂尖的接觸面積要大，表面粗糙度要小，否則裝夾于兩頂尖間的傳動(dòng)曲軸在加工過(guò)程中將因接觸剛度的變化而出現(xiàn)圓度誤差。

中心孔修磨時(shí)用程序走75°錐度，再用75°中心鉆修整，確保中心孔偏心距和粗糙度。在磨削加工之前，修研中心孔工序，以消除誤差，保證兩端中心孔的精度。

精加工車(chē)削刀具采用特固克CNMG120408MTTT8115，主偏角為5°硬質(zhì)合金刀片，切削參數(shù)為：V=150～250 m/min，f=0.1～0.3 mm/rev；在半精車(chē)時(shí)單邊留3 mm的后續(xù)余量，在精車(chē)時(shí)單邊留0.5～0.7mm的后續(xù)粗、精磨余量。

另外，工件磨削前的平衡精度將決定曲軸尺寸和形狀位置精度以及表面粗糙度。

曲軸的半精(精)加工示意圖如圖7所示。

圖7 曲軸的半精(精)加工示意圖

傳動(dòng)曲軸的偏心量270 mm很大，預(yù)先借助三維軟件計(jì)算配重塊的外形尺寸及重量，通過(guò)模擬，曲軸兩端的若干圓形偏心塊作靜平衡配重計(jì)算，靜平衡配重分別為曲軸中間軸軸線水平面下的若干圓形偏心塊重量與曲軸中間軸軸線水平面上的若干圓形偏心塊重量之差。

3.5 偏重、配重

根據(jù)靜平衡配重計(jì)算結(jié)果分別制作曲軸兩端的配重塊，使曲軸中間配重后中心與曲軸中間零件中心線兩個(gè)方向偏差均在0.1 mm之內(nèi)，配重塊分別安裝在曲軸兩端非加工面，并與曲軸兩端偏重重心平衡，啟動(dòng)機(jī)床試切曲軸中間軸外圓，圓度≤0.04 mm時(shí)，即可進(jìn)行曲軸的加工，保證傳動(dòng)曲軸尺寸及形位公差滿足技術(shù)要求。

4 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)對(duì)材料、熱處理及工裝、工具的合理選用，實(shí)現(xiàn)了采用通用設(shè)備完成大型曲軸的加工并滿足了設(shè)計(jì)及裝配要求，為以后加工制造該類(lèi)大型單拐曲軸積累了加工經(jīng)驗(yàn)。