發動機曲軸磨削的工藝分析

王雷 劉興

（長城汽車股份有限公司徐水分公司，河北 保定 071000）

曲軸是發動機中的重要零件之一，在發動機五大件中屬于最難加工的零件。曲軸又是非常獨特的零件，任何其它零件的加工都不需要這么多不同的工藝，它又細又長，所用材料加工性能差。其中止推面（包括止推軸頸和寬度）的精度要求也越來越高，而且止推面一個顯著特點就是其接觸面積比其他軸頸側面大很多，各項精度要求也高很多。以某轎車曲軸止推軸頸為例：止推軸頸的圓跳動對由兩端主軸頸組成的公共軸線的圓跳動公差為0.04，對相鄰兩軸頸的圓跳動公差為0.02；止推頸寬度為26（+0.05/0）；止推面左側面要求對公共軸線的跳動公差0.02，垂直度公差0.01，平面度公差0.013；止推面右側面要求平面度公差要求外凸不超過0.005，內凹不超過0.01；止推軸頸表面粗糙度Rz1.5μm，止推面表面粗糙度Rz3μm，止推軸頸的直徑為Φ50，止推面外徑為Φ85，其面積高達單側3848mm2。在大批量生產的條件下，要想止推面（包括止推軸頸）達到如此高的精度，單靠普通的磨削工藝是很難實現的，應該使用高精度的數控磨床磨削，并且采用一系列的嚴格措施才能滿足圖紙要求。我公司現有數臺高精度數控曲軸磨床，在曲軸加工過程中，碰到了止推面磨削燒傷這樣的加工缺陷，雖然各方面尺寸和形狀位置公差達到了圖紙要求，但是曲軸止推面燒傷缺陷卻始終難以解決。我們通過調查研究，從理論和實踐兩個方面進行攻關，最終解決了這個問題。

一、磨削燒傷

磨削表面質量包括磨削表面粗糙度和磨削表面層的物理機械性能兩方面的內容。因為磨削加工時磨粒對工件的作用包括滑擦、刻劃和切削, 并且大多數磨粒是負前角和小后角, 所以在整個磨削過程中,會產生大量的磨削熱, 使磨削區的瞬時溫度可達1000℃左右, 這樣高的溫度會使工件表面層的金組織發生變化, 造成磨削燒傷。磨削燒傷表面會出現黃褐、紫、青等顏色, 它是工件表面在瞬時高溫下產生的氧化膜顏色，是由于磨削表面在磨削熱的作用下產生氧化層, 并呈現出不同的光譜干涉色的緣故, 也就是相當于熱處理時的回火色。磨削燒傷會破壞曲軸止推面表層金相組織,使表層金屬強度和硬度降低，并伴有殘余應力產生，甚至出現微觀裂紋，而使工件表面質量惡化, 嚴重地影響曲軸止推面的耐磨性和使用壽命。這種磨削燒傷在砂帶拋光時無法去除，因此必須避免磨削燒傷。

二、改善磨削燒傷的途徑

磨削熱是造成磨削燒傷的根源，故改善磨削燒傷由兩個途徑：一是盡可能地減少磨削熱地產生；二是改善冷卻條件，盡量使產生地熱量少傳入工件。曲軸止推軸頸有較深的沉割槽，而沉割槽已在以前工序加工好，在磨削時不用磨削沉割槽，只需磨削止推軸頸和兩個止推面。在這種情況下，即使是使用成型砂輪磨削，只要使用強力冷卻、合理的磨削余量和選擇好砂輪參數，一般情況下可以避免磨削燒傷缺陷的出現。在使用窄砂輪磨削止推軸頸時，可采用的方案是：第一步，調整程序和砂輪的角度磨削，使砂輪從軸頸的右側以斜切方式進入，磨削至要求尺寸，再快速沿原角度方向斜退出；第二步，使砂輪從軸頸的左側以斜切方式進入，磨削至要求尺寸，再快速沿原角度方向斜退出；第三步，使砂輪從軸頸的中間快速切入磨削至要求尺寸，再快速推出。在上述磨削時，要應用強力冷卻。至此，止推軸頸及兩側面磨削完畢。另外一種情況，曲軸止推軸頸無沉割槽，在磨削時需磨削止推軸頸和兩個止推面，另外還有兩個成型圓角。在這種情況下，即使是使用窄砂輪磨削，使用強力冷卻，也很難避免磨削燒傷缺陷的出現。下面分兩種磨削方式來分述解決方案：

（一）成型磨削

在成型磨削中，其產生燒傷的主要原因是磨削熱的大量積累和冷卻液無法進入而造成的退火燒傷，退火燒傷造成曲軸止推面硬度下降，表層產生退火組織，止推面的耐磨性變差，嚴重影響發動機的運行穩定性。根據其造成燒傷的主要因素，我們分別從三個方面入手：選擇合適的砂輪、選擇合理的磨削余量和改善冷卻條件。

1.選擇合適的砂輪：淬火鋼曲軸止推面硬度高，面積大，砂粒易磨鈍，為了避免砂粒磨鈍而產生大量磨削熱，砂輪硬度宜選軟些，以便磨鈍的砂粒及時脫落，保持砂輪的自銳性。宜選擇組織較軟的砂輪。

2.選擇合理的磨削余量和磨削參數：在生產實踐中, 常以提高工件速度, 減少徑向進給量來減少工件表面燒傷和裂紋。有一種經驗為0.1mm磨削法, 即在最后加工的0.1mm 余量中, 逐漸減少進給量, 進給量依次為:第一次走刀進給量為0.04mm；第二次走刀進給量為0.03mm；第三次走刀進給量為0.02mm；第四次走刀進給量為0.01mm, 采用這種磨削法可以去掉前兩次磨削行程中產生的表面損傷層, 以減少磨削燒傷。

（二）窄砂輪磨削（砂輪寬度低于止推軸頸檔寬尺寸）

在使用窄砂輪磨削中，成型磨削中采用防燒傷措施均可應用于此種方法的磨削中，只不過窄砂輪磨削在砂輪進給方式上可有更多的選擇。一種是徑向切入法磨削，此種磨削如調整不當可造成前文所述的喇叭口形狀；一種是斜切方式磨削，也是前文所述的磨削方式，即第一步，使砂輪從軸頸的右側以斜切方式進入，磨削至要求尺寸，再快速沿原角度方向斜退出；第二步，使砂輪從軸頸的左側以斜切方式進入，磨削至要求尺寸，再快速沿原角度方向斜退出；第三步，使砂輪從軸頸的中間快速切入磨削至要求尺寸，再快速推出。其工序磨削余量和冷卻方式與成型磨削采用一致的參數。

發動機曲軸止推面一個顯著特點就是面積比其他軸頸大很多，其磨削燒傷是普遍存在的缺陷，尤其是成型磨削。解決磨削燒傷缺陷屬行業難題。本文從生產實踐和借鑒國內外相關資料提出的解決磨削燒傷的辦法，對提高產品質量，優化工藝參數有一定的幫助，希望能給業界同仁提供有益的幫助，也希望對不足之處提出批評指正。