曲軸加工技術(shù)分析及優(yōu)化

張彥崗 李二紅 張曉輝 張倉平 白澤兵

摘 要：高性能中高速柴油機(jī)廣泛應(yīng)用于船舶動力、發(fā)電領(lǐng)域。曲軸是柴油機(jī)的核心部件，因其形狀復(fù)雜、精度要求高，國內(nèi)很多廠家很難對曲軸的加工精度和生產(chǎn)效率進(jìn)行有效控制。曲軸的加工精度和生產(chǎn)效率取決于加工技術(shù)設(shè)計合理與否，尤其是曲軸熱處理會產(chǎn)生較大的應(yīng)力及變形，并影響隨后的精磨，導(dǎo)致曲軸加工精度很難提高。基于此，針對某型號曲軸，詳細(xì)分析了關(guān)鍵機(jī)械加工工序及熱處理工序，找到了影響曲軸精度的關(guān)鍵因素，并對曲軸加工工藝進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計。

關(guān)鍵詞：曲軸;變形;控制;優(yōu)化

0 ? ?引言

曲軸是柴油發(fā)動機(jī)中傳輸動力的核心部件。在柴油發(fā)動機(jī)的工作循環(huán)中，曲軸承受的載荷不斷變化，因此對曲軸的剛度、韌性、耐磨性、抗疲勞強(qiáng)度等要求很高[1]。

本文討論的某型號曲軸總長2 m，有8個連桿軸頸、9個主軸頸，主軸頸、連桿軸頸及其圓角采用中頻淬火強(qiáng)化。中頻淬火產(chǎn)生熱應(yīng)力會引起曲軸變形，且其會一直影響到后續(xù)的磨削。

控制曲軸跳動是該曲軸的加工難點，本文根據(jù)該型號曲軸小批量加工全過程各工序的詳細(xì)數(shù)據(jù)，重點圍繞跳動控制進(jìn)行詳細(xì)分析，找到影響跳動的主要因素，提出合理有效的措施，優(yōu)化加工工藝。

該曲軸的主要加工工藝流程為：鍛造毛坯—調(diào)質(zhì)—粗銑一—第一次高溫時效—粗銑二—第二次高溫時效—精銑—第三次高溫時效—粗磨—中頻淬火—修中心孔—精磨—拋光—探傷—清洗—最終檢驗。

1 ? ?影響曲軸精度的主要工序分析

1.1 ? ?鍛造毛坯

大功率柴油發(fā)動機(jī)的曲軸毛坯常用鍛件，根據(jù)各種鍛造工藝的特點，主要有墩鍛工藝、整體模鍛工藝。墩鍛工藝使用特制的工裝，在液壓機(jī)上通過逐拐變形實現(xiàn)曲軸鍛件逐拐的整體成型，最終獲得毛坯鍛件。而整體模鍛是采用整體鍛造模具，在液壓機(jī)上一次鍛造成型。

在加工工藝研究過程中，上述兩種狀態(tài)的毛坯都采用過。對比兩種狀態(tài)的毛坯，在后續(xù)機(jī)械加工及調(diào)質(zhì)過程中發(fā)現(xiàn)，單拐墩鍛毛坯變形不規(guī)律，后續(xù)加工中很難消除其變形，粗銑后曲軸跳動依然很大，導(dǎo)致后續(xù)加工余量不足，無法繼續(xù)加工;而且該種鍛造工藝應(yīng)力分布雜亂，在后續(xù)中頻淬火后，曲軸彎曲變形不規(guī)律，高點位置隨意，很難控制。因此該種狀態(tài)的毛坯不建議繼續(xù)使用。

整體模鍛件毛坯，整體余量均勻，應(yīng)力分布較好。體現(xiàn)在后續(xù)加工中，每次粗銑后，零件跳動較小，在0.4～1 mm之間，而且經(jīng)過高溫時效后還會減小，通過跟蹤小批次曲軸的加工情況可知，變形比較穩(wěn)定。因此后續(xù)加工中建議使用整體模鍛件毛坯。

1.2 ? ?調(diào)質(zhì)

零件整體調(diào)質(zhì)，硬度302HB～363HB，抗拉強(qiáng)度980～1 180 MPa。曲軸調(diào)質(zhì)有兩種方式：第一種是井式爐加熱，零件豎直吊裝入液淬火;第二種是箱式爐水平放置加熱，零件水平放置入液淬火。

比較兩種熱處理方式，在后續(xù)機(jī)械加工中發(fā)現(xiàn)，采用第二種調(diào)質(zhì)方式的零件彎曲變形較大，而且經(jīng)過粗銑一消除變形后，經(jīng)過第一次高溫時效，零件跳動依然會很大;經(jīng)過粗加工消除跳動后，在中頻淬火時其跳動依然會很大且不容易控制。而采用第一種調(diào)質(zhì)方式的零件在后續(xù)加工中其變形非常規(guī)律且容易控制，能夠滿足后續(xù)粗精銑、中頻淬火、粗精磨工序要求。

1.3 ? ?粗銑一

曲軸調(diào)質(zhì)后進(jìn)行第一次粗銑，粗銑主軸頸、連桿軸頸、曲臂，此工序使用曲軸內(nèi)銑機(jī)床。此工序為毛坯鍛造后第一次粗加工，切削余量大且不均勻（主軸頸及連桿軸頸單邊銑削余量4 mm），切削過程中振動較大;毛坯經(jīng)過畫線工序，導(dǎo)致余量不均勻，甚至局部有毛坯面加工不出來，加工完成后，零件跳動在1～2 mm。粗銑完零件會產(chǎn)生較大的殘余切削應(yīng)力，因此對其進(jìn)行高溫時效處理，以消除殘余切削應(yīng)力[2]。

1.4 ? ?第一次高溫時效

粗銑加工后，曲軸的組織內(nèi)部會產(chǎn)生切削殘余應(yīng)力，因此曲軸在粗加工后，需進(jìn)行去應(yīng)力處理。此工序采用箱式爐高溫回火，溫度550 ℃，保溫5 h，曲軸放在專用回火夾具中，水平放置，高點向上，隨爐冷卻至室溫。高溫回火后，曲軸跳動將減小0.1～0.5 mm。可以看出，高溫時效處理能有效減小加工過程中產(chǎn)生的切削應(yīng)力。

1.5 ? ?粗銑二

曲軸第二次粗銑，此工序去除了主軸頸及連桿軸頸單邊加工余量4 mm，由于已進(jìn)行了一次銑削加工，此工序加工余量相對均勻，切削狀態(tài)良好。此工序仍然采用曲軸內(nèi)銑設(shè)備。零件加工完成后，其跳動值在0.4～1.94 mm，比一次粗銑后明顯降低，具體如表1所示。

1.6 ? ?第二次高溫時效

由于粗銑二去除了較大的余量，因此對曲軸進(jìn)行二次高溫時效。參數(shù)及方式與第一次高溫時效相同。高溫時效后曲軸跳動將減小（表1），減小量最大為1.24 mm，可以看出，高溫回火能有效減小加工過程中產(chǎn)生的切削應(yīng)力。

1.7 ? ?精銑

精銑曲軸，主軸頸單邊余量3 mm，連桿軸頸單邊余量2.5 mm。此工序仍然采用曲軸內(nèi)銑設(shè)備。該工序零件加工完成后，曲軸各開檔直線尺寸已到成品尺寸，軸肩留余量進(jìn)行后續(xù)磨削加工。加工完成后其跳動均小于1 mm，比粗銑有所減小（表1）。

1.8 ? ?第三次高溫時效

曲軸精銑后為減小切削殘余應(yīng)力，進(jìn)行第三次高溫時效，參數(shù)與方式同前兩次，高溫時效后跳動減小（表1），最大減小量達(dá)到0.35 mm，說明本次高溫時效可以減小應(yīng)力，但減小幅度沒有前兩次大。

1.9 ? ?粗磨

粗磨主軸頸及連桿軸頸，磨削余量單邊0.85 mm，所用設(shè)備為曲軸磨床，主軸頸與連桿軸頸一次裝夾磨削，能夠很好地保證尺寸的一致性，磨削完成后曲軸最大跳動如表1所示。

1.10 ? ?中頻淬火

淬火在中頻感應(yīng)淬火機(jī)床上進(jìn)行，三爪卡盤夾緊自由端，三爪卡盤與傳動軸浮動連接，只起到傳遞扭矩的作用，曲軸在自由狀態(tài)下進(jìn)行中頻感應(yīng)淬火。由于圓角部位的淬火，曲軸變形較大，達(dá)到1 mm以上，這個變形量不能滿足工藝要求。之后設(shè)計專用夾具，調(diào)整電壓、功率、加熱時間等參數(shù)，同時確定先對連桿軸頸淬火，再對主軸頸淬火，通過一系列的多次試驗，最終有效減小了曲軸在淬火過程中的變形。中頻淬火后，檢測曲軸直線尺寸，發(fā)現(xiàn)曲軸長度縮短了0.6～1.3 mm。

連桿軸頸淬火，淬火順序為先中間后兩邊，感應(yīng)器依次對各連桿軸頸進(jìn)行淬火。淬火時使用專用工裝，能夠?qū)Ω鬏S頸進(jìn)行壓緊，由于相位的不同，根據(jù)理論推算，具體淬火時壓緊相應(yīng)的軸頸，能夠有效減小曲軸變形，淬火后曲軸跳動如表1所示。

主軸頸淬火，感應(yīng)器依次對各主軸頸進(jìn)行淬火。根據(jù)理論推算，淬火時壓緊相應(yīng)的軸頸，能夠有效降低曲軸變形，淬火后曲軸跳動如表1所示。

主軸頸淬火后回火，回火采用專用工裝支撐，曲軸水平放置。

1.11 ? ?修中心孔

淬火后曲軸變形，影響后續(xù)磨削加工，需要修正中心孔。原先中心孔在普通車床加工，由于效果較差，經(jīng)過分析，針對每一根曲軸淬火后跳動情況，進(jìn)行精確測量，找到相應(yīng)高點位置，通過計算，找到最佳位置，在加工中心上修正中心孔。修正后，曲軸跳動值≤0.4 mm，滿足后續(xù)磨削加工要求。

1.12 ? ?精磨

磨削主軸頸和連桿軸頸，設(shè)備采用曲軸磨床，直徑磨削余量0.8 mm。本次磨削后，曲軸跳動0.05～0.10 mm，工藝要求為0.05 mm，因此不能夠完全滿足工藝要求。之后進(jìn)行多次調(diào)整，改變磨削順序、多次磨削、優(yōu)化磨削參數(shù)，反復(fù)試驗，最后保證了曲軸跳動能夠滿足圖樣要求[3]。

2 ? ?曲軸加工工藝優(yōu)化對策

根據(jù)上述對曲軸加工關(guān)鍵工序的工藝分析，對以下工序進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)：（1）毛坯選擇模鍛件;（2）調(diào)質(zhì)過程采用井式爐加熱，垂直入液;（3）粗銑切削余量大，變形嚴(yán)重，應(yīng)采取多次銑削方式減小切削應(yīng)力;（4）中頻淬火由于操作比較復(fù)雜，注意的事項較多，因此通過試驗驗證形成了作業(yè)指導(dǎo)書;（5）中頻淬火雖然采取了各種措施，但變形依然較大，因此中頻淬火后重新修正中心孔以保證滿足后續(xù)加工要求;（6）中頻淬火后長度縮短，在精銑工序進(jìn)行長度補(bǔ)償。

曲軸加工工藝優(yōu)化對策具體如表2所示。

3 ? ?結(jié)語

中高速柴油機(jī)的曲軸加工過程非常復(fù)雜，加工技術(shù)要求較高，必須同時考慮毛坯、熱處理、機(jī)械加工等每個加工單元的特定條件并使用先進(jìn)的加工技術(shù)。本文主要關(guān)注了某型號曲軸，采用中頻淬火強(qiáng)化，在加工過程中控制其變形;在對各個加工環(huán)節(jié)進(jìn)行詳細(xì)的工藝分析的基礎(chǔ)上，對其進(jìn)行了改進(jìn)優(yōu)化。今后需要進(jìn)一步針對不同技術(shù)要求的曲軸，研究其整體的工藝方案，以逐步提高曲軸的加工工藝水平。

[參考文獻(xiàn)]

[1] 任國光.曲軸加工工藝分析[J].科技信息，2009（28）：99-100.

[2] 叢明.中速柴油機(jī)鍛鋼曲軸連桿頸加工關(guān)鍵工藝研究[D].大連：大連理工大學(xué)，2017.

[3] 鐘希圣.國內(nèi)外曲軸磨床及磨削生產(chǎn)線[J].機(jī)械工藝師，1992（9）：24-26.

收稿日期：2021-08-23

作者簡介：張彥崗（1980—），男，山西大同人，工程師，研究方向：柴油機(jī)制造工藝技術(shù)。