大型柴油機(jī)用曲軸加工過程變形原因分析

趙訓(xùn)茶 丁明偉 韓 強(qiáng) 李繼財(cái) 王 其

（1、山東勞動職業(yè)技術(shù)學(xué)院，山東 濟(jì)南250300 2、中國石油集團(tuán)濟(jì)柴動力總廠，山東 濟(jì)南250300）

1 試驗(yàn)材料與方法

很多國際、國內(nèi)重點(diǎn)項(xiàng)目內(nèi)燃機(jī)發(fā)電設(shè)備及中國非道路用中高速大功率內(nèi)燃機(jī)應(yīng)用越來越廣泛，如應(yīng)用于大型輪船上的柴油發(fā)電機(jī)、應(yīng)用于石油開采的發(fā)電機(jī)等對其重要部件要求越來越嚴(yán)格，尤其是對中速大功率曲軸的加工質(zhì)量提出更高的要求，如圖1 是型號為26/32 的大型內(nèi)燃機(jī)用曲軸。由于其質(zhì)量大、形狀復(fù)雜，加工精度要求高、制造技術(shù)難度高，目前能進(jìn)行生產(chǎn)制造的國內(nèi)企業(yè)并不多。

本項(xiàng)目對曲軸在加工過程中容易出現(xiàn)的變形原因進(jìn)行分析和研究，以期探尋到能解決此類大型曲軸在加工過程中產(chǎn)生的變形問題，并對曲軸的加工工藝進(jìn)行改進(jìn)。發(fā)動機(jī)用曲軸在設(shè)備中主要起到傳遞動力和扭矩的作用，同時也起到支撐其他傳動零件的作用。在很大程度上影響發(fā)動機(jī)工作的可靠性和壽命[1]。通過與企業(yè)合作，解決新產(chǎn)品中速大功率曲軸如26/32（缸徑260mm，沖程320mm）在加工過程中的難點(diǎn)問題，如圖1 所示，得出適合我國中速大功率發(fā)動機(jī)曲軸加工過程去除加工變形的適合的加工方案，并對關(guān)鍵加工工藝進(jìn)行攻關(guān)，為企業(yè)加工大型柴油機(jī)曲軸提供有力的技術(shù)指導(dǎo)，實(shí)現(xiàn)中速大功率曲軸制造的自主化、智能化，減少對國外技術(shù)、設(shè)備的依賴，為此類曲軸積累加工經(jīng)驗(yàn)。

圖1 26/32 曲軸

曲軸在加工過程中因?yàn)樽陨龛T鍛件剛性差，加工后成品件形狀復(fù)雜，加工過程難度高，所以很難達(dá)到精度要求，在整個切削過程中由于受到機(jī)床轉(zhuǎn)矩和切削力的影響，導(dǎo)致曲軸在加工過程會產(chǎn)生一定的彎扭組合變形[2]。因此控制切削變形是提高曲軸加工質(zhì)量的關(guān)鍵技術(shù)之一。為此本文從分析探討曲軸變形的原因分析著手，進(jìn)行相關(guān)的研究，并制定出合理的加工方案。從而達(dá)到減小變形量，甚至避免變形發(fā)生的目的。

從圖1 中看到，大型柴油機(jī)用曲軸，形狀復(fù)雜，不具有均衡的形體，因此在加工過程中產(chǎn)生的平衡差異會產(chǎn)生一定的離心力，造成工件加工過程中出現(xiàn)回轉(zhuǎn)周線彎曲，使工件圓周上各處的切削深度不均勻，從而導(dǎo)致在工件外圓處產(chǎn)生一定的圓度誤差，導(dǎo)致跳動出現(xiàn)嚴(yán)重的超差現(xiàn)象。

2 試驗(yàn)結(jié)果及討論

2.1 曲軸加工產(chǎn)生變形原因

26/32 或27/38 曲軸在生產(chǎn)流程中因應(yīng)力存在或工藝缺陷會導(dǎo)致曲軸在加工過程中產(chǎn)生變形。通過逐個工序排查分析曲軸加工過程中產(chǎn)生的應(yīng)力或工藝缺陷，主要因素有：

（1）調(diào)質(zhì)等熱處理原因：調(diào)質(zhì)分為淬火和回火，其中淬火過程產(chǎn)生的組織應(yīng)力和熱應(yīng)力較大。而回火的目的是消除淬火時產(chǎn)生的殘余內(nèi)應(yīng)力，提高材料的塑性和韌性；獲得良好的綜合力學(xué)性能；穩(wěn)定工作尺寸，使鋼的組織在工件使用過程中不發(fā)生大的變化。從理論上講，回火溫度越高，消除淬火應(yīng)力越徹底，但受制于機(jī)械性能要求，回火溫度高了，機(jī)械性能下降，因此在此工序會殘留一定的應(yīng)力。

（2）校直原因：在不同階段可能會有對曲軸進(jìn)行熱校直或者冷校直的操作。校直的過程實(shí)際上是發(fā)生塑性變形的過程，如果僅發(fā)生彈性變形，則起不到校直的目的。但曲軸發(fā)生塑性變形，必然產(chǎn)生大量的應(yīng)力。

（3）機(jī)加工過程原因：曲軸精加工階段普遍分為車銑過程與磨削過程，在這兩個過程中，為防止曲軸變形，設(shè)計(jì)采用較小的切削進(jìn)給量與合適的冷卻方式。此過程工藝參數(shù)、工藝安排是影響曲軸質(zhì)量、反應(yīng)曲軸變形的主要過程。加工過程中產(chǎn)生的應(yīng)力變形也最為關(guān)鍵[3]。高溫去應(yīng)力原因：目的是去除塑性變形加工、切削加工造成的內(nèi)應(yīng)力及鍛件內(nèi)存在的殘留內(nèi)應(yīng)力。去應(yīng)力的效果與溫度和保溫時間有關(guān)，理論上退火溫度越高，內(nèi)應(yīng)力消除越徹底。但同樣受回火溫度影響，不能高于回火溫度，高于回火溫度必然導(dǎo)致機(jī)械性能下降。

2.2 制定解決方案

根據(jù)曲軸加工流程分析，造成曲軸變形主要有三方面，一是曲軸鍛造、校直殘余應(yīng)力的釋放，造成曲軸的變形；二是機(jī)加工的殘余應(yīng)力造成工件在加工過程中產(chǎn)生變形；三是曲軸加工工藝缺陷導(dǎo)致曲軸變形超差。根據(jù)變形原因分析，制定改進(jìn)方案如下：

（1）調(diào)質(zhì)等熱處理改進(jìn)方案：

a.采用合理的淬火工藝、設(shè)備、較緩和的冷卻介質(zhì)，減少調(diào)質(zhì)工序的組織應(yīng)力和熱應(yīng)力。

b.合理安排高溫去應(yīng)力時機(jī)與加熱溫度，最大量去除曲軸應(yīng)力。加熱過程應(yīng)采用緩慢升溫過程、控制保溫時間、降溫過程在高溫階段控制降溫幅度等來降低熱應(yīng)力產(chǎn)生并最大幅度去除曲軸其它應(yīng)力。建議將企業(yè)現(xiàn)使用高溫去應(yīng)力時加熱溫度由530℃提升到560℃，并在其它工藝不變的情況下加工2 根26/32 曲軸（3#、4#）至完工與工廠原工藝加工曲軸（1#、2#）完工跳動數(shù)據(jù)進(jìn)行對比，數(shù)據(jù)見表1。

表1 不同去應(yīng)力溫度下曲軸磨削跳動對比

由表1 可以看出3-4#曲軸與1-2#曲軸對比，曲軸磨削后主軸頸跳動有減少趨勢，證明提高去應(yīng)力溫度，確實(shí)直接有利于減少應(yīng)力對曲軸磨削跳動的影響。

（2）校直改進(jìn)方案

通過鍛造、調(diào)質(zhì)工藝優(yōu)化盡量避免熱校直或冷校直，考慮到機(jī)加工原因即使采用了熱校直或冷校直，要合理增加或者安排回火處理，去除應(yīng)力。工廠中曲軸毛坯為外購，工廠只負(fù)責(zé)毛坯采購后的熱處理與機(jī)加工，但工廠在曲軸調(diào)質(zhì)后因冷卻變形會存在部分曲軸跳動過大，通常采用冷校直來滿足加工要求，針對此要求我們通過分析建議工廠在精加工前增加高溫去應(yīng)力工序，可同時基本去除校直與機(jī)加工帶來的應(yīng)力。

（3）機(jī)加工改進(jìn)方案

柴油機(jī)曲軸屬于細(xì)長軸類，是典型的柔性件，由于曲軸曲拐的偏心角度分布導(dǎo)致結(jié)構(gòu)工藝性較差，軸向尺寸產(chǎn)生變化或磨削過程中砂輪對曲軸的推力及曲軸自身的重力，使曲軸的徑向尺寸發(fā)生變化、跳動超差。解決方案如下：

a.曲軸用頂尖頂起后要準(zhǔn)確判斷頂尖的夾緊力，既要保證曲軸中心孔與頂尖接觸良好，又要能保證在人工轉(zhuǎn)動下曲軸能繞頂尖回轉(zhuǎn)運(yùn)動、防止頂緊多度。

b.車削曲軸主軸頸或曲拐時為防止曲軸振顫變形，要在主軸頸檔間或曲拐檔間安裝支撐螺栓或支撐夾板，間接增加曲軸剛性，減少車削時曲軸振顫與變形。

c.具備條件下車削主軸頸時支撐中心架，采用主軸頸倒頭車削。車削曲拐時在適當(dāng)曲拐支撐環(huán)形隨動中心架。但此建議因涉及中心架使用暫不具備條件未執(zhí)行。

d.車削軸頸時確定不同車削次數(shù)、吃刀量與軸頸車削順序，減少曲軸主軸頸跳動。

e.在半精車階段，為減少車削曲拐對主軸頸變形帶來的影響，建議工廠在半精車曲拐后再對主軸頸去除小余量車削一次，消除車削曲拐帶來的變形。

按照上述建議優(yōu)化工藝后加工2 根26/32 曲軸（5#、6#）至完工與工廠原工藝加工曲軸（1#、2#）完工跳動數(shù)據(jù)進(jìn)行對比，數(shù)據(jù)見表2。

1#、2#曲軸車削完畢后，主軸頸跳動值與下一工序余量基本相同，為保證加工余量必須重新調(diào)整主軸頸軸線基準(zhǔn)。

表2 曲軸不同狀況下跳動對比

由表2 可以看出5-6#曲軸與1-2#曲軸對比，曲軸車削工藝優(yōu)化后在各階段的跳動值都小于原工藝跳動值，保證了后續(xù)加工主軸頸跳動值與軸頸尺寸余量差的需求。

對于增加的二次半精車主軸頸工序，工廠可根據(jù)工序質(zhì)量穩(wěn)定性與工藝需求確定是否保留。

按照上述建議優(yōu)化工藝后進(jìn)行磨削2 根26/32 曲軸（5#、6#）至完工與工廠原工藝加工曲軸（1#、2#）完工跳動數(shù)據(jù)進(jìn)行對比，數(shù)據(jù)見表3。

表3 曲軸不同磨削工藝下跳動對比

由表3 可以看出5-6#曲軸采取一系列熱處理、機(jī)加工工藝優(yōu)化后，最終曲軸主軸頸跳動數(shù)值最小，基本滿足圖紙要求。

3 結(jié)論

綜上所述，曲軸最優(yōu)化生產(chǎn)流程為：毛坯采購- 粗加工-調(diào)質(zhì)-（冷校直）- 半精加工- 高溫去應(yīng)力- 精加工，按照此生產(chǎn)流程與以上所述工藝控制要求能生產(chǎn)出變形量與跳動量完全符合要求的高質(zhì)量曲軸。