解析汽車曲軸加工工藝

姚坤

摘 要：筆者結(jié)合實(shí)際工作經(jīng)驗(yàn)，主要探討當(dāng)前主流曲軸生產(chǎn)加工的工藝路線，采用的主要加工設(shè)備及優(yōu)缺點(diǎn)，同時(shí)各種曲軸加工過程中容易出現(xiàn)的問題。

關(guān)鍵詞：發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸 工藝分析 工藝設(shè)計(jì) 應(yīng)力 加工設(shè)備

1、概述

隨著經(jīng)濟(jì)發(fā)展，制造水平的進(jìn)步，乘用車逐步在家庭生活中的地位也越來越明顯。汽車心臟部分是發(fā)動(dòng)機(jī)，而發(fā)動(dòng)機(jī)的組成部件之一曲軸，是運(yùn)用燃燒氣體產(chǎn)生的動(dòng)力，推動(dòng)活塞進(jìn)行直線運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)變成回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的橋梁。曲軸的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)是整車或發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力源，曲軸在工作中承受交變載荷，主軸頸和連桿頸圓角過渡處屬于曲軸強(qiáng)度的薄弱環(huán)節(jié)，長(zhǎng)期的高速旋轉(zhuǎn)運(yùn)轉(zhuǎn)和較大的交變負(fù)荷應(yīng)力將造成曲軸圓角處產(chǎn)生裂紋或斷裂。因此曲軸的壽命是發(fā)動(dòng)機(jī)考核的關(guān)鍵指標(biāo)之一，所以保證曲軸加工基準(zhǔn)各軸頸加工精度及剛性，是備受關(guān)注的。

2、曲軸材料、工程規(guī)范

曲軸工作狀態(tài)，主軸頸作用于支撐整個(gè)曲軸，而連桿頸則與連桿相連，帶動(dòng)連桿活塞做上下往復(fù)運(yùn)動(dòng)。

曲軸常用材料有：球墨鑄鐵、合金鋼。對(duì)于汽油機(jī)曲軸和小型柴油機(jī)曲軸，由于功率較小，曲軸毛坯一般采用球墨鑄鐵和優(yōu)質(zhì)碳素鋼；中、重型柴油機(jī)曲軸毛坯一般采用合金鋼。曲軸的材質(zhì)首先得滿足結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和加工工藝正確合理，主要是材料強(qiáng)度決定曲軸的體積、重量和壽命。

曲軸的工程規(guī)范主要包括曲軸軸頸的材質(zhì)性能、滾壓條件、疲勞強(qiáng)度、尺寸精度、表面粗糙度以及清潔度要求等。材質(zhì)性能主要通過曲軸的材料以及機(jī)械加工過程中的強(qiáng)化處理來保證，曲軸表面粗糙度決定曲軸磨損情況的好壞，當(dāng)前曲軸的主流表面的粗糙度要求在Ra0.2或Ra0.15同時(shí)在曲軸止推面粗糙度要求Ra0.4的基礎(chǔ)上增加了Tp值要求，Tp值的要求相當(dāng)于模擬汽車在磨合期過后止推面實(shí)際承受面積占總面積的百分比。

3、主要工藝介紹

曲軸屬細(xì)長(zhǎng)桿件零件，在加工中極易產(chǎn)生變形，這就需要在進(jìn)行加工工藝設(shè)計(jì)時(shí)，根據(jù)曲軸的材料、技術(shù)及質(zhì)量、生產(chǎn)能力等要求，綜合考慮加工方案。

3.1心孔的加工

曲軸的中心孔是曲軸加工過程的重要定位基準(zhǔn)，曲軸常見的中心孔加工方式為幾何中心孔和質(zhì)量中心孔。

以曲軸毛坯軸頸的外圓定心加工出的中心孔稱為幾何中心孔，由于幾何中心孔的加工工藝簡(jiǎn)單、設(shè)備價(jià)格低，因此國(guó)內(nèi)目前大多采用幾何中心孔，但對(duì)毛坯質(zhì)量差的曲軸的動(dòng)平衡影響較大。

以曲軸毛坯的旋轉(zhuǎn)質(zhì)量中心加工的中心孔稱為質(zhì)量中心孔，質(zhì)量中心孔的加工是尋找出曲軸的質(zhì)量中心線后，在曲軸兩端加工出中心孔，使其兩端加工出中心孔的軸線與曲軸的質(zhì)量中心線重合。采用質(zhì)量中心孔定位加工曲軸的主要優(yōu)點(diǎn)為：減少曲軸動(dòng)平衡時(shí)的去重量，提高動(dòng)平衡的合格率，降低去重工序的加工節(jié)拍，改善曲軸內(nèi)部質(zhì)量補(bǔ)償；缺點(diǎn)為：設(shè)備造價(jià)高，中心孔坐標(biāo)需根據(jù)毛坯質(zhì)量而進(jìn)行不定期調(diào)整。

3.2 軸頸的粗加工

傳統(tǒng)的加工工藝設(shè)計(jì)為主軸頸及連桿軸頸的粗加工均采用車削工藝，即同時(shí)使用多把刀具一次完成軸頸的粗加工。曲軸車削機(jī)床徑向切削軸頸的方式，效率較高，但存在變形大、加工精度低、柔性差等缺點(diǎn)，已逐步被后開發(fā)出的 CNC車削、CNC外銑和CNC內(nèi)銑等先進(jìn)工藝所淘汰。

CNC曲軸內(nèi)銑的加工方式是：當(dāng)裝有硬質(zhì)合金刀片的內(nèi)銑刀盤高速旋轉(zhuǎn)徑向切入至軸頸尺寸后，刀盤環(huán)繞軸一周完成曲軸扇形面、軸頸、圓角銑削?？稍谝淮伟惭b下及中心架支撐的條件下，依次銑削出所有主軸頸、連桿頸，因機(jī)床具有極大的柔性，適用于多品種生產(chǎn)，銑削過程中多個(gè)刀片參與切削，銑削力小，因而曲軸彎曲變形小，加工精度高。

3.3 曲軸油孔加工

曲軸油孔孔徑較小且深，屬深孔加工，因此加工難度較大，曲軸油孔加工早期采用搖臂鉆加工，孔壁質(zhì)量較差，刀具壽命較低，勞動(dòng)強(qiáng)度大，無法滿足大批量加工需求，后逐漸被組合機(jī)代替，雖說可以滿足大批量生產(chǎn)需求，但是設(shè)備柔性較差，刀具壽命也相對(duì)較低，加工后工件質(zhì)量保證度差，目前已逐漸采用槍鉆加工，槍鉆加工精度高，視不同的被加工材料和選用不同的切削用量可以一次加工出精度很高的孔。

3.4 曲軸強(qiáng)化工藝

為提高曲軸的強(qiáng)度、增加表面耐磨性，曲軸一般需要對(duì)軸頸表面、圓角等處進(jìn)行強(qiáng)化處理，常用的強(qiáng)化工藝有淬火、滾壓、氮化等。

3.5 軸頸的精加工

普通外圓磨削方式適用于曲軸主軸頸的磨削加工，而無法實(shí)現(xiàn)連桿頸的加工，傳統(tǒng)的連桿頸的加工常采用偏心夾具定位夾緊加工連桿頸，但這樣設(shè)備的柔性較差，加工精度較差，目前隨著機(jī)床制造技術(shù)的發(fā)展，連桿頸的磨削則采用跟磨削法。跟磨削法是以主軸頸中心線為回轉(zhuǎn)中心，一次裝夾可完成曲軸連桿頸的磨削加工（也可用于主軸頸磨削），磨削連桿軸頸的實(shí)現(xiàn)方式是通過CNC控制砂輪的進(jìn)給和工件回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)兩軸聯(lián)動(dòng)，來完成加工進(jìn)給，從而減少設(shè)備費(fèi)用，降低加工成本，提高加工精度和生產(chǎn)效率。

3.6 曲軸平衡去重

測(cè)量與校正曲軸動(dòng)平衡機(jī)由測(cè)量工位、回轉(zhuǎn)傳輸裝置、鉆孔校正工位組成；平衡測(cè)量，測(cè)量和顯示不平衡量，自動(dòng)分解計(jì)算鉆孔數(shù)據(jù)，鉆孔校正、不平衡量復(fù)檢等動(dòng)作全部為自動(dòng)。

3.7 曲軸砂帶拋光

磨削完成后需對(duì)軸頸和圓角進(jìn)行拋光，以降低軸頸的表面粗糙度，提高表面質(zhì)量，曲軸拋光根據(jù)磨削表面質(zhì)量以及產(chǎn)品要求，采用不同粒度的砂帶進(jìn)行拋光。

3.8 曲軸清洗

曲軸清洗去除加工后表面殘留，保證曲軸整體表面清潔，避免在裝配過程因此引起的不必要的表面劃上，并可一定成效上防止工件表面生銹。

4、曲軸加工過程中常見問題

曲軸在機(jī)加工過程中常見的問題主要有連桿頸寬度超差、軸頸圓度超差、連桿頸相位超差等。其中連桿頸寬度影響連桿的側(cè)隙大小，離合器工作狀態(tài)會(huì)使曲軸向動(dòng)為輸入端移動(dòng)，如果側(cè)隙過大會(huì)造成連桿頸側(cè)面與曲軸連桿頸側(cè)面碰擦，因此在加工過程中需要考慮對(duì)該尺寸的重點(diǎn)控制，同時(shí)還需要考慮強(qiáng)化處理對(duì)該寬度尺寸的影響等。軸頸的圓度直接影響軸瓦的局部磨損，該尺寸為曲軸中的一個(gè)重要特性。而圓度超差的根本原因分為磨床砂輪動(dòng)平衡值偏大、磨削工序的定位基準(zhǔn)尺寸（前后中心孔）不合格、工件夾緊裝置問題。連桿頸相位指連桿頸的角向尺寸，該特性直接影響發(fā)動(dòng)機(jī)的做功階段和輸入輸出的銜接，因此也是曲軸的一個(gè)重要特性。相位超差的根本原因可分為粗精加工定位基準(zhǔn)不統(tǒng)一、精加工定位基準(zhǔn)質(zhì)量不穩(wěn)定，等等。

5、結(jié)束語(yǔ)

中國(guó)汽車產(chǎn)業(yè)的飛速發(fā)展，相應(yīng)的新工藝、新設(shè)備、新材料也不斷涌現(xiàn)，市場(chǎng)竟?fàn)幰苍絹碓郊ち?，作為發(fā)動(dòng)機(jī)核心零件的曲軸，其制造工藝也將發(fā)生較大的變化，高速、高效、柔性、復(fù)合化的技術(shù)是曲軸制造發(fā)展的主要方向，先進(jìn)的曲軸生產(chǎn)線一定是生產(chǎn)線短、效率高、人員少、生產(chǎn)過程穩(wěn)定、產(chǎn)品質(zhì)量可靠的自動(dòng)化生產(chǎn)線。

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