發(fā)動機用曲軸加工工藝分析與研究

易麗群

摘 要：為確保發(fā)動機運行的安全性，提出加強曲軸加工工藝設(shè)計的建議。文章以某輕型發(fā)動機的曲軸為實例進行分析，從粗加工、精加工等負面解析了曲軸加工的先進工藝技術(shù)、裝置與器具等，并探討了相關(guān)強化工藝方法。以期不斷提升曲軸的強度、剛度與精確度，進而延長發(fā)動機設(shè)備的使用年限并提升其運作的可靠性。

關(guān)鍵詞：發(fā)動機;曲軸;加工工藝;強化工藝

中圖分類號：TH162 文獻標識碼：A 文章編號：1671-2064（2019）02-0068-02

曲軸為活塞式發(fā)動機內(nèi)最關(guān)鍵的一類零件，其在發(fā)動機設(shè)備運行期間承受最大負荷。曲軸在正常運作狀態(tài)下，會同步承受交變扭矩與彎矩載荷的作用，這對其質(zhì)量提出相對較高要求。曲軸加工工藝一方面影響整個機械設(shè)備規(guī)格大小與自重，另一方面也與發(fā)動機設(shè)備運行安穩(wěn)性與壽命存在相關(guān)性[1]。故此，積極優(yōu)化曲軸加工方法，提升其精確度具有很大現(xiàn)實意義。

1 曲軸加工工藝的特征分析

此型發(fā)動機應(yīng)用的曲軸屬于小型曲軸，曲軸的加工故此通常應(yīng)用中心孔定位方式，其具有裝夾過程簡便、降低找正時間、維護匹處連桿軸頸方位精確度等諸多優(yōu)勢。曲軸的加工方法比較復(fù)雜，其對軸頸中的配合尺寸和形位公差要求很高，一般采用六級精度以上，作為一種柔性細長軸件，其加工工藝的重點和難點之處在于曲軸的主軸頸及連桿頸等部位的加工上，加工過程中主要有四大部分，分別是粗加工、熱處理強化、磨削及超精加工。

（1）基本加工工藝。制作毛坯（鍛件）→打中心孔（孔位多在幾何中心或質(zhì)量中心）→車兩端夾位→內(nèi)銑全部連桿頸及主軸頸→鉆油孔→中頻淬火→回火→重修中心孔→精磨主軸及連桿（Landis）→鉆兩端孔（螺紋及銷孔）→精磨前端→精磨后端→動平衡→探傷→軸頸拋光→清洗→上油包裝。

（2）確定工藝基準。在加工過程設(shè)計基準與加工基準兩者之間的統(tǒng)一，根據(jù)曲軸的設(shè)計要求，我們確定了曲軸的軸頸外圓以中心孔為基準，軸向長度以5主為基準，連桿頸平面角的角向以第1連桿頸為基準，對基準進行選擇確認后，后續(xù)所有工序的加工，均需要做到基準的統(tǒng)一，尤其是對精加工工序的基準統(tǒng)一要求更為嚴格。而且在加工工序中，粗加工及半精加工的基準選擇的是兩端的中心孔，而精加工選擇兩端中心孔外還要使用第一連桿頸進行角度確認。

（3）曲軸剛性相對較低，遵照“先粗后精”規(guī)則布設(shè)加工工序，以確保零件精確度不斷提升。針對主軸頸和連桿軸頸的加工次序，可做出如下概述：加工4個連桿軸頸→加工主軸頸與其他部位的外圓?！弊裾找陨霞庸ご涡?，有助于在初始階段提升工件剛度，規(guī)避在應(yīng)力作用下零件形態(tài)發(fā)生的改變，促進曲軸加工精度的提升進程。

2 發(fā)動機曲軸的加工工藝

該輕型發(fā)動機曲軸選用非調(diào)質(zhì)鋼48MnV，曲軸平面示意圖見圖1。

2.1 軸頸粗加工

（1）軸頸粗加工時，主軸頸加工以車削方式為主，并且需要在精車數(shù)控車床上進行。在對主軸頸進行車削的過程中，針對精車主軸頸1、5與兩側(cè)軸頸結(jié)構(gòu)的加工，需要先對5主軸頸軸頸進行加工，然后才能對其他部位定位。在安裝曲軸時，一端用卡盤夾緊另一端用頂尖頂住，主軸頸車削時需要采用硬質(zhì)涂層合金刀具。但由于是從毛坯開始加工，軸頸的切削量較大，且每一部分的余量不相同，加之旋轉(zhuǎn)過程中的不平衡會產(chǎn)生較強的沖擊力，要求設(shè)備具有較高的剛性?？稍诩庸r將中心孔和5主止推端面設(shè)為粗基準，先對主軸頸5進而加工，其繼而將主軸頸5前端面設(shè)為基準，對大/小頭端軸頸與1主軸頸進行加工。

（2）內(nèi)銑主軸頸2、3、4與所有連桿軸頸的加工，選用國產(chǎn)銑床設(shè)備，銑床應(yīng)用特制的搖臂式銑頭，銑頭一側(cè)用大口徑軸承做支撐，另一側(cè)應(yīng)用絲杠螺母驅(qū)動而運轉(zhuǎn)的搖臂方法。機床內(nèi)銑原理可做出如下概述：加工期間曲軸保持靜止，在一個豎直方向螺母的驅(qū)動下動力頭得以運作，環(huán)繞回轉(zhuǎn)中心做反復(fù)擺動與移動，應(yīng)用CNC對以上兩種運動模式做出管控，最終促使刀盤中心緊扣主軸頸中心進行公轉(zhuǎn)，實現(xiàn)切削。

2.2 油孔加工

本次研究中，決定選用麻花鉆機床進行加工作業(yè)，其油孔內(nèi)壁粗糙度與槍鉆機床想比較高，其會在油孔銜接處存有規(guī)模相對較大的翻邊毛刺，剔除難度相對較大，故此決定增設(shè)毛刺工序與處理以上問題，刀具壽命較長，柔韌性能優(yōu)良。

油孔加工工藝流程：先對直油孔實施鉆削加工處理，繼而加工直油孔設(shè)施，并實現(xiàn)小平面的有效銑削，在此基礎(chǔ)上落實斜油孔加工作業(yè)，最后對油孔口予以倒角處理。本次研究中，針對油孔加工作業(yè)選擇MQL微潤滑聯(lián)合內(nèi)冷鉆頭鉆的工藝技術(shù)，以方法能降低潤滑液用量（通常為0.03～0.2L/h），其極限壓力約為10MPa，對孔深過程造成一定限制。內(nèi)冷鉆頭由柄部至切削刃均有通孔覆蓋，具備壓縮空氣、油或切削液經(jīng)由通孔等多種功能，多被應(yīng)用在深孔或油孔加工領(lǐng)域[3]。在對直油孔加工過程中應(yīng)用MQL技術(shù)內(nèi)冷麻花鉆床，該類工藝技術(shù)具有潤滑性優(yōu)良、轉(zhuǎn)速精確等特征。

2.3 中心孔和兩端孔加工

中心孔可以視為曲軸徑向定位的有效參照指標。運用質(zhì)量中心孔定位法進行加工作業(yè)，有助于優(yōu)化動平衡的質(zhì)量，提升設(shè)備結(jié)構(gòu)產(chǎn)品的合格率、而上述目標的實現(xiàn)絕非是一蹴而就的，需減縮去重工序的加工時間，實現(xiàn)對曲軸內(nèi)部質(zhì)量的有效代償。曲軸工藝分析期間要完善孔系加工，以往的孔系加工工序相對較長，并需要有大量的設(shè)備設(shè)施去輔助，多布設(shè)在精磨軸頸以后進行，數(shù)次拆卸與加工后可能導(dǎo)致軸頸表層結(jié)構(gòu)損傷，造成產(chǎn)品整體質(zhì)量降低。輕型車發(fā)動機曲軸兩側(cè)孔加工以左側(cè)前端1個螺紋孔為主，建議應(yīng)用兩端孔專機，鉆、鉸、攻絲，構(gòu)建在相同臺專機上加工作業(yè)的模式，以免加工期間出現(xiàn)數(shù)次定位的現(xiàn)象;建議加工工序在磨削之前，以防對軸頸造成磕碰傷。

2.4 主軸頸、連桿軸頸精加工

從性質(zhì)上分析，曲軸屬于最具代表性的細長柔性桿，在外力作用下形體會發(fā)生改變，出現(xiàn)彎曲，形成“讓刀”現(xiàn)象，車削環(huán)節(jié)會形成鼓形、振動、波紋等問題，其均會對成品整體質(zhì)量產(chǎn)生負面影響;熱處理變形產(chǎn)生的影響可能還會導(dǎo)致大批量磨削加工初期產(chǎn)生曲軸跳動現(xiàn)象，并要將中間軸頸的偏差控制在0.35mm上下，為實現(xiàn)有效規(guī)避，建議運用中心架，其還能促使磨削獲得更大的切深抗力。中心架發(fā)揮輔助性支撐作用，在具體加工作業(yè)期間中心架和工件了兩者不會產(chǎn)生軸向移動。

選用Landis數(shù)控磨床（英國蘭迪斯）對成品實現(xiàn)有效加工，該設(shè)備是雙砂輪，一次裝備裝完全部主軸及連桿的加工，設(shè)備具有自動調(diào)整其動平衡、其中心架能自動跟蹤、能自動測量、自動補償、砂輪自動修整、自動調(diào)整恒線速度等功能要求，來滿足曲軸的高精度要求。其有助于提高產(chǎn)品加工質(zhì)量，完善加工工藝程序。引進進口磨床對曲軸進行磨削加工，包括粗磨、半精磨、精磨與光磨等流程。對連桿軸頸磨削應(yīng)用隨動磨削法，在以上過程中將連桿軸頸中心線設(shè)為回轉(zhuǎn)中心，在很大程度上其能有效維護連桿軸頸加工質(zhì)量。用CBN砂輪對連桿實施高速追蹤式磨削，因為在單位時間中作用的磨粒數(shù)目有所增長，與普通磨削相比較有30.0～100.0%的增幅，生產(chǎn)效率明顯提升，運行年限相應(yīng)延長，磨削力與工件在應(yīng)力、重力等作用下形體不會產(chǎn)生明顯改變，加工精確度明顯提升[4]。

2.5 軸頸超精加工

曲軸表面的粗糙度質(zhì)量對發(fā)動機性能影響非常大，該曲軸粗糙要求極高，為提高表面粗糙度，拋光軸瓦采用硬支撐結(jié)構(gòu)，砂帶采用聚脂基砂帶對曲軸軸頸表面、圓角以及止推面進行拋光，表面粗糙度可到達Ra0.1;此種曲軸拋光方式后不僅能達表面粗糙度要求，并且可改善軸頸圓度，從而改善曲軸在發(fā)動機中的運轉(zhuǎn)性能和縮短發(fā)動機的磨合期。

3 發(fā)動機曲軸的強化工藝

在交變應(yīng)力作用下，曲軸軸頸面變化轉(zhuǎn)接圓角位置出現(xiàn)應(yīng)力疲勞與應(yīng)變破壞的風(fēng)險率相對較高。當(dāng)下，多應(yīng)用噴丸強化和圓角滾壓強化，去調(diào)整曲軸抗疲勞能力。

（1）噴丸強化：該工藝是采用導(dǎo)入一個預(yù)壓應(yīng)力去抵除零件在后續(xù)作業(yè)中所承受的拉力、應(yīng)力，進而增強工件抗疲勞性能，拓展使用年限。在應(yīng)用噴丸強化工藝期間，有兩個參數(shù)應(yīng)得到重視：應(yīng)力強度與覆蓋率。

（2）圓角+軸頸淬火強化：圓角與軸頸同時感應(yīng)淬火，曲軸的圓角及軸頸放在感應(yīng)器中，當(dāng)感應(yīng)器中通過交變電流時，在感應(yīng)器周圍產(chǎn)生與電流頻率相同的交變磁場，在工件表面形成渦流。這種渦流在工件的電阻的作用下，電能轉(zhuǎn)化為熱能，使工件表面溫度達到淬火加熱溫度，實現(xiàn)表面淬火。通過軸頸及圓角組織轉(zhuǎn)變硬化，而使曲軸強度提高。其特點是：不僅表面硬度提升、曲軸耐磨性提高，也能提高曲軸疲勞強度。

4 結(jié)語

文章對輕型車發(fā)動機曲軸的加工工藝特征、定位基準選擇形式與工藝流程，軸頸粗加工、油孔加工、中心孔和兩端孔加工等主要工藝設(shè)計、裝置與器械選擇等做出探究，希望能對有關(guān)曲軸加工工藝方案的設(shè)置提供一定參照。

參考文獻

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