汽車發動機曲軸制造中的機械加工技術研究

許昕

（山西科技學院，晉城 048011）

隨著汽車制造水平的不斷提高，汽車發動機曲軸的生產標準越來越高。曲軸部件的加工精度與質量會影響汽車發動機整體結構的合理性和使用壽命，因此必須重視機械加工技術在汽車發動機曲軸制造中的合理應用，保證曲軸加工精度。基于此，探討汽車發動機曲軸制造中的機械加工技術。

1 汽車發動機的工作原理

汽車內部結構較為復雜，一般由底板、輪胎、馬達等元件構成。其中，底板的主要作用是承載汽車的所有元件，如車身、馬達等，能夠在汽車行駛期間保證汽車的整體穩定性，屬于汽車的基礎結構之一。馬達是決定汽車性能的關鍵元件之一，其性能的發揮會在一定程度上受到其他設備的影響，若汽車其他設備的硬度、穩定性較差，可能會影響馬達的運轉效果。一般情況下，發動機的馬達有如下4 個沖程。

第一，進氣。活塞在曲軸的作用下運動，隨著活塞的運動，氣缸空間容量不斷提升，進而使內外壓差不斷增大，產生的氣體逐漸填滿整個氣缸，直至活塞移動至最底部，進氣環節結束。

第二，壓縮。當活塞處于最底部時，其移動軌跡變為由下至上，在此過程中排氣口、進氣口關閉，此時氣缸的整體容積量呈下降趨勢，其中的氣體持續處于被壓縮狀態。

第三，發動機運行。活塞上下移動使進入的氣體被不斷壓縮，氣體內部能量逐漸變大、溫度升高，最終成為可燃氣體。氣體引燃后，活塞在高壓作用下移動，變為持續運動狀態。

第四，排氣。關閉所有處于開放狀態下的排氣口，然后在曲軸連桿的帶動下，活塞移動至頂端并完成排氣動作，排放氣缸中燃燒后的廢棄氣體。

2 汽車發動機曲軸的結構

曲軸裝置是汽車發動機結構中十分重要的零部件之一，其結構如圖1 所示。曲軸裝置的質量會直接影響汽車發動機的整體性能與使用壽命。在汽車發動機運行過程中，曲軸裝置可以將活塞連桿裝置中傳遞的氣體轉換為旋轉力矩，作為汽車發動機運行的原始動力，然后傳動系統、飛輪裝置、汽車離合裝置等為汽車及發動機的運行提供驅動力[1]。曲軸裝置中存在若干曲拐裝置，而每個曲拐裝置中又包含1 個連桿軸頸裝置、2 個曲軸徑裝置及2 個曲柄裝置。

圖1 汽車曲軸結構

曲軸裝置可由多種材料制成，根據材料可將其分為如下幾類。第一，鋼制曲軸。鋼制曲軸的材料包括不銹鋼、合金鋼及碳鋼3 種。第二，鑄鐵曲軸。鑄鐵曲軸具有阻尼小、剛性好、質量輕以及成本低的優勢，但其散熱性不足，主要用于低功率發動機，如農用發電機、摩托車發動機等。第三，球墨鑄鐵曲軸。球墨鑄鐵曲軸具有生產工藝簡單、能源消耗少、成本低的優勢，被廣泛用于中小型發動機。第四，鋁合金曲軸。鋁合金曲軸具有質量輕、散熱性能優異的特點，但應用成本偏高且剛性弱于鋼材料，適用于跑車發動機或小型發動機。

曲軸裝置在實際使用過程中往往會受各類因素的影響，如汽車內部氣體傳輸、運動慣性作用、力矩影響等，而出現磨損。當曲軸裝置磨損達到一定程度后，可能影響汽車發動機性能，嚴重時甚至會對汽車內其他零部件的完整度產生影響。為此，需綜合實際情況，采用有效手段盡可能減少曲軸裝置運行過程中產生的磨損。例如，提前做好潤滑處理；通過優化曲軸裝置的生產加工工藝，不斷提高其耐磨性；增加曲軸裝置中其他零部件的強度等。

3 曲軸的加工特點

3.1 機械加工技術應用標準嚴格

曲軸裝置屬于汽車發動機結構中相對重要的部分，其制造質量直接影響汽車發動機的整體質量，因此在制造加工過程中，相關人員要嚴格按照有關標準和規范，開展制造加工工作。需要注意的是，與汽車發動機結構中其他零部件不同，曲軸零部件有多個加工面，每個加工面的加工形狀、尺寸等存在差異，而且對每個加工面的加工位置、形狀、尺寸等的精確度要求十分嚴格，一旦某個加工面的偏差超出標準范圍，就需要重新加工。此外，在實際加工作業中，工作人員要提高對粗細加工流程的重視，綜合具體加工標準、要求等，合理分配流程，確保加工作業的有效性、科學性及合理性。

3.2 剛性較差

從汽車發動機整體結構來看，曲軸長頸的空間占用率較高，原因是其連接曲軸結構，因此在汽車發動機實際運行過程中難以充分保證其剛性，存在一定概率的形變、磨損情況，進而對汽車發動機的整體質量產生一定影響。相關工作人員在加工生產過程中需提高對曲軸零部件加工的重視，并重點關注曲軸長頸加工環節。一般情況下，通過在粗加工環節精細調整機床刀具、夾具剛度，可確保加工過程中產生的切削力被足量抵消[2-3]。

3.3 加工形狀復雜

曲軸零部件的主軸頸與連桿軸頸之間存在一定的偏心距，加工人員要按標準嚴格控制偏心距的精度。同時，相關工作人員要提高對夾具設計的重視，加強對設計精度的控制，避免因夾具設計誤差而直接影響曲軸零部件的制造加工質量。

4 曲軸制造中的機械加工技術

4.1 車拉技術

車拉技術主要用于半精加工曲軸的主軸頸和連桿軸頸，根據加工形式該技術可分為直線車拉、外環刀具旋轉車拉以及內環刀具旋轉車拉。車拉技術可以實現所有同心圓的車削，具有高效、柔性加工、機床保養便捷、維護成本低的優勢。在實際技術應用中，車拉技術更適合無須加工的平衡塊側面及有沉割槽軸頸的曲軸加工。

4.2 高速外銑技術

相比于車拉技術，高速外銑技術在加工需處理平衡側面的曲軸時具有更高的生產效率。以四拐曲軸加工為例，車拉技術在加工連桿軸頸時有2 道工序，而使用高速外銑技術僅需1 道工序即可完成加工。在實際曲軸加工中，高速外銑技術結合工件回轉和銑刀進給伺服聯動控制技術，實現一次裝夾不改變曲軸回轉中心、隨動跟蹤銑削曲軸的連桿軸頸，具有切削速度快、工序循環時間短、刀具壽命長、加工精度高以及柔性好的優勢。該技術還能夠實現曲軸主軸頸和連桿軸頸粗加工向精加工的轉型。

4.3 零部件加工技術

曲軸零部件加工分為粗加工與精加工2 種。零部件粗加工主要包括內銑加工、外銑加工、負荷粗加工以及車拉加工等技術。根據曲軸零部件生產制造需求及材料特點，靈活應用加工技術，以有效降低切削變形程度，進而提高加工準確率。加工人員在進行曲軸零部件粗加工作業時，應做好以下2 點。一方面，動態化記錄曲軸毛坯余量，若余量大于5 mm 可綜合具體情況選用內銑或外銑加工技術，若余量小于3 mm 則選用車拉技術；另一方面，基于曲軸長度優化粗加工技術，若長度為700 mm 作用且誤差小于20 mm，可使用連桿加工技術[4]。

隨著信息技術、自動化技術等先進技術的不斷革新與完善，曲軸零部件精加工技術在不斷優化。傳統的曲軸零部件加工往往采用手工曲磨床裝置進行，該裝置存在精度差、控制難等缺陷，易造成加工誤差，無法切實滿足目前的汽車發動機制造及加工標準。在現代化技術的支持下，曲軸零部件精加工不僅能夠實現數控加工效果，大幅提高加工精度，而且許多危險或難度大的環節可由系統自動化完成。

4.4 數控磨削技術

曲軸磨削工藝在傳統磨削工藝中具有一定代表性，應用較為廣泛，但其對技術人員的專業能力要求較高，只有他們精細工作才能夠保證產品精度，因此該工藝在質量與產量方面存在矛盾。這是因為，曲軸磨削工藝采用磨削線速度為35 m·s-1的曲軸磨床，砂輪進給與修整均需要人員手動操作，導致臺肩、軸徑出現較大的磨削余量，降低了砂輪的耐久度。為了在保證產品質量的同時，盡可能提高加工效率，可以根據實際情況選擇如下高效磨削方法。

第一，以單序加工為主的曲軸磨削工藝[5]。該工藝使用五砂輪磨削四拐曲軸主軸頸，采用雙砂輪磨削四拐曲軸連桿頸，具有砂輪一次修整后各軸徑尺寸一致性高、磨削后軸頸跳動量易控制以及作業效率高等優勢。但是，其劣勢在于只能用于單一系列產品的加工，缺乏兼容性，且在實際應用時柔性差。

第二，以復合加工為主的曲軸磨削工藝。復合加工主要是指在單次加工中裝夾所有需要磨削的連桿軸頸、主軸頸。在磨削過程中使用隨動磨削技術對連桿軸頸進行磨削，可以確保磨削精度。該磨削方式在實際應用時具有柔性高的優點。一般情況下，復合加工主要通過2 種工藝實現：一是同步磨削主軸軸頸及連桿軸頸，二是按順序磨削主軸軸頸及連桿軸頸。

5 結語

曲軸是汽車發動機的重要部件。曲軸制造的關鍵在于曲軸毛坯材料的選擇及加工技術的應用，需綜合汽車發動機的應用標準選擇合適的材料，同時要結合先進技術，如數字技術、信息技術等，優化機械加工環節，從而有效保證曲軸生產加工質量，提高曲軸制造水平，促進汽車制造業及相關行業的發展。