曲軸制造工藝研究進展

盧占盈,王華輝,李佩琪,明玥,游國強

(1.南充隆固機械工業(yè)有限公司，四川南充 637800；2.重慶大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院, 重慶 400044)

0 引言

作為發(fā)動機中最重要的零部件之一，曲軸的質(zhì)量性能對發(fā)動機的工作效果有直接的影響。它將發(fā)動機缸體中活塞連桿傳來的力轉(zhuǎn)變?yōu)檗D(zhuǎn)矩并通過曲軸輸出，從而驅(qū)動發(fā)動機上其他附件工作。曲軸在工作過程受到旋轉(zhuǎn)離心力、周期變化的慣性力和往復(fù)慣性力的共同作用，承受較大的彎曲應(yīng)力和扭轉(zhuǎn)應(yīng)力，工作條件復(fù)雜，其性能直接影響發(fā)動機的工作效果[1]。

曲軸加工工藝過程具有形狀復(fù)雜、技術(shù)要求高的特點，工藝路線一般較長，需要涉及較多的精加工步驟。受惡劣工作條件的影響，曲軸材質(zhì)以及毛坯加工技術(shù)、精度、表面粗糙度、熱處理和表面強化、動平衡等都需要具備嚴(yán)格的加工要求[2]。隨著“中國制造2025”發(fā)展戰(zhàn)略的實施，我國的曲軸制造水平整體發(fā)展迅速，但與歐美等發(fā)達國家相比仍有一定差距，研究曲軸先進制造加工技術(shù)，提高我國曲軸加工制造的自主創(chuàng)新能力，進而實現(xiàn)曲軸產(chǎn)品生產(chǎn)高效率、高質(zhì)量、高精度的要求，對實現(xiàn)我國制造強國的戰(zhàn)略目標(biāo)有重要意義。

1 曲軸毛坯的成形技術(shù)

曲軸毛坯的成形技術(shù)分為鍛造加工和鑄造加工兩種[3]。

1.1 鍛造加工

曲軸鍛造加工常用材料為中碳鋼和中碳合金鋼，如35、40、45、35Mn2、40Cr、35CrMo等[4]。中碳鋼的各種型材是最廣泛的大眾化材料，作為曲軸零件成形材質(zhì)，其塑性、強度適中，易于切削加工，并且可以通過熱處理方法來滿足零件不同的性能要求[5]：對中碳鋼進行調(diào)質(zhì)處理，淬火后可以得到隱針狀馬氏體組織，提高零件表面硬度，扭轉(zhuǎn)疲勞壽命也得以提高；而對于承受載荷較輕的曲軸零件，表面通過滲氮、氮碳共滲處理可以進一步提高曲軸的耐磨性、耐蝕性。曲軸的形狀復(fù)雜，主軸頸與連桿頸不在同一軸線上，對偏心距有一定的尺寸要求，材料分配不均勻，在曲軸鍛造過程必須合理預(yù)分配材料，制定合理的工藝步驟，保證曲軸的成形質(zhì)量和精度[6]。根據(jù)曲軸結(jié)構(gòu)以及成形工藝的不同，曲軸在鍛壓生產(chǎn)的設(shè)備上大致可分為熱模鍛壓力機生產(chǎn)線、模鍛錘生產(chǎn)線以及螺旋壓力機生產(chǎn)線[7]。

從20世紀(jì)80年代發(fā)展至今，國內(nèi)外曲軸鍛造生產(chǎn)的合理化、自動化程度大大提高。普遍采用計算機模擬來優(yōu)化工藝設(shè)計，通過有限元模擬等技術(shù)可以較為準(zhǔn)確地獲得鍛造過程中的應(yīng)力、應(yīng)變場以及溫度場，這對鍛造工藝設(shè)計及模具設(shè)計都有一定的指導(dǎo)作用。借助數(shù)值模擬的方法模擬鍛件成形的充模過程，檢驗?zāi)＞吆凸に囋O(shè)計，對有效規(guī)避曲軸在鍛壓成形過程中的質(zhì)量問題、促進先進曲軸加工技術(shù)的發(fā)展具有重要意義[8]。

1.2 鑄造加工

鑄造加工中多用鑄鋼、球墨鑄鐵、珠光體可鍛鑄鐵以及合金鑄鐵， 如ZG230-450、QT600-3、QT700-2、KTZ450-5、KTZ500-4等材料[9]。采用鑄造工藝可以滿足曲軸結(jié)構(gòu)形狀的要求，進一步實現(xiàn)曲軸的輕量化要求。隨著鑄造水平的逐漸提高，機加工余量隨之減小，據(jù)統(tǒng)計現(xiàn)國外球鐵鑄造曲軸的單邊余量平均可達2～3 mm[10]。球墨鑄鐵曲軸由于鑄造工藝過程簡便，成本低廉，并且可以通過熱處理和表面強化處理等手段提高曲軸的抗疲勞強度和耐磨性，此外，還具備對表面裂紋不敏感等優(yōu)良特性，在國內(nèi)外得到廣泛應(yīng)用。

鑄造曲軸由于其優(yōu)良的性能和高效的加工工藝，在曲軸生產(chǎn)制造領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。隨著熔煉技術(shù)與合金化技術(shù)的不斷發(fā)展，保證鑄造曲軸的性能不斷滿足曲軸的使用性能是今后鑄造曲軸的發(fā)展方向；采用球鐵等材料取代鍛鋼生產(chǎn)發(fā)動機曲軸從而節(jié)約成本，是曲軸發(fā)展生產(chǎn)制造的必然趨勢。

2 曲軸的機械加工技術(shù)進展

2.1 曲軸粗加工

傳統(tǒng)的老式曲軸生產(chǎn)線粗加工設(shè)備多采用多刀車床車削曲軸主軸頸及連桿軸頸，機加工余量不足使得加工過程會產(chǎn)生較大的內(nèi)應(yīng)力，產(chǎn)品精度低，柔性差，質(zhì)量穩(wěn)定性得不到保證[11]。20世紀(jì)80年代，隨著CNC車削、CNC外銑加工以及CNC內(nèi)銑加工技術(shù)的出現(xiàn)，曲軸粗加工的生產(chǎn)效率、加工精度大幅度提升，適用范圍廣，柔性好，加工性能指標(biāo)逐步增強。

其后，車-車?yán)夹g(shù)開始應(yīng)用于曲軸加工制造過程，一汽大眾汽車有限公司生產(chǎn)的EA113發(fā)動機將數(shù)控車-車?yán)夹g(shù)應(yīng)用于曲軸主軸頸和連桿頸的粗加工、半精加工工藝中[12]。車-車?yán)夹g(shù)由于其生產(chǎn)效率、加工精度均高于車削和銑削技術(shù)，逐步開始與車削和銑削技術(shù)展開競爭[13]。圖1所示為具有雙主軸、雙刀架的車-車?yán)瓩C床結(jié)構(gòu)示意圖[14]，機床采用CNC控制技術(shù)，加工過程中刀架可隨曲軸旋轉(zhuǎn)實行自動進給，從而提高曲軸加工效率和精度。

圖1 車-車?yán)瓩C床的結(jié)構(gòu)

20世紀(jì)90年代中期，軸頸的粗加工又開發(fā)出CNC高速外銑技術(shù)對高硬度材料加工，其表面質(zhì)量高，還可以實現(xiàn)脆性材料和薄壁材料的加工的獨特的優(yōu)勢[15]。由于其生產(chǎn)效率高、加工精度高、產(chǎn)品柔性好，歐美發(fā)達國家已較為廣泛的采用此種加工方法。圖2所示為某公司生產(chǎn)的EFM系列曲軸加工隨動高速銑床主機結(jié)構(gòu)圖，通過C軸和X軸插補實現(xiàn)銑削切點隨動，完成曲軸主軸頸、連桿頸和平衡臂側(cè)面半精加工，建立高速度、高精度、高效率的曲軸加工生產(chǎn)線[16]。

圖2 EFM曲軸外銑床主機結(jié)構(gòu)

圖2中各坐標(biāo)軸定義：W1軸、W2軸表示主軸箱移動；W3軸表示中心移動架；X軸表示刀盤徑向進給；Z軸表示刀盤側(cè)向移動；C軸表示主軸旋轉(zhuǎn)；S軸表示刀盤旋轉(zhuǎn)。

21世紀(jì)以來，復(fù)合機床由于其多種加工集成功能廣泛使用于曲軸制造業(yè)中，雙主軸車銑復(fù)合機床是利用車銑合成運動來加工復(fù)雜工件表面的先進切削技術(shù)和工藝方法[17]，在曲軸硬化前實現(xiàn)“一次裝夾，全部加工”，加工后可直接轉(zhuǎn)入精加工工序。圖3所示為瑞士BUMOTEC生產(chǎn)的高精高速銑車復(fù)合中心，以銑削功能為主，兼?zhèn)滠囅鞴δ?，其基本形式是在加工中心上加上車削主軸來完成銑車加工[19]。在保證加工精度的同時，可以大幅提高生產(chǎn)效率。

圖3 S-191 FTLR高精高速銑車復(fù)合機床

2.2 曲軸精加工

曲軸精加工也從傳統(tǒng)的手工磨削逐步轉(zhuǎn)成采用數(shù)控磨床磨削工藝發(fā)展過程，老式生產(chǎn)線精加工多采用普通的手工曲軸磨床，其產(chǎn)品精度低，尺寸波動范圍大。相對于傳統(tǒng)的手工磨削生產(chǎn)方式，采用現(xiàn)代化的數(shù)控技術(shù)，曲軸的加工精度以及尺寸的一致性也得到改善，生產(chǎn)效率大幅提高。此外，由于大多采用普通設(shè)備，產(chǎn)品主要通過多設(shè)備的分解工序來提高生產(chǎn)效率，生產(chǎn)效率低，場地占用面積大[20]。為了進一步提高曲軸軸頸表面的粗糙度，使用數(shù)控砂帶拋光機進行超精加工的工藝也得到廣泛使用。目前，市面常見的工序集成的CBN數(shù)控磨床可以實現(xiàn)一次裝夾完成磨削全部的曲軸主軸頸和連桿軸頸[21]，還可實現(xiàn)對磨削過程中出現(xiàn)的各種尺寸誤差的自動補償，保證磨削過程中的尺寸一致性，高精度、高效率數(shù)控機床成為曲軸精加工發(fā)展的必然趨勢。圖4所示為全數(shù)控凸輪軸磨床工作原理，它是按照砂輪與凸輪輪廓磨削點始終跟隨的原理進行磨削加工的，工件1由伺服電機C驅(qū)動，按恒線速要求進行旋轉(zhuǎn); 砂輪架2由伺服電機X驅(qū)動，可以實現(xiàn)很高的凸輪輪廓精度[22]。

圖4 全數(shù)控凸輪軸磨床磨削工作原理

總之，隨著國外技術(shù)的引入，我國曲軸加工技術(shù)的自動化程度不斷提高。目前曲軸加工工藝已廣泛采用自動化生產(chǎn)線和數(shù)控技術(shù)，具有很高的靈活性和適應(yīng)性，曲軸的加工工藝正逐步邁向高效率、高質(zhì)量、高精度的良性發(fā)展軌道。采用Pro/E、UG、CATIA等計算機輔助技術(shù)應(yīng)用于曲軸產(chǎn)品的工藝開發(fā)過程中，可以對曲軸進行優(yōu)化設(shè)計，優(yōu)化曲軸加工工藝流程，減少曲軸的加工工序[23]。但是我國的曲軸加工工藝大多依賴外國的技術(shù)設(shè)備，自主創(chuàng)新程度不高，整體工藝水平仍然很低，在關(guān)鍵技術(shù)的掌握方面遠遠不能達到制造大國的要求，先進曲軸加工技術(shù)仍然需要進一步的研究。

3 結(jié)束語

隨著現(xiàn)代科技的不斷進步，我國的交通產(chǎn)業(yè)發(fā)展迅速，曲軸作為發(fā)動機中最重要零部件之一，在車輛的發(fā)動機中發(fā)揮著相當(dāng)重要的作用。在引進國外技術(shù)的基礎(chǔ)上，要不斷地吸收創(chuàng)新，優(yōu)化成本、降低能耗，不斷提高國家曲軸制造水平，提高曲軸加工工藝，改進曲軸加工設(shè)備的性能，從而提高我國曲軸制造工藝加工的整體工藝水平，對推動我國制造業(yè)的大力發(fā)展具有重要的意義。