曲軸減重對(duì)曲軸止推面精車滾壓的影響

柏立志

(南京汽車集團(tuán)有限公司，南京 210061)

0 引言

當(dāng)前，在日益嚴(yán)峻的排放和油耗的法規(guī)要求下，小型乘用車輕量化已成為現(xiàn)代小型乘用車發(fā)展的趨勢(shì)。發(fā)動(dòng)機(jī)作為整車的重要總成部件，占整車重量10%左右，發(fā)動(dòng)機(jī)的減重對(duì)整車輕量化至關(guān)重要。發(fā)動(dòng)機(jī)減重主要是通過(guò)零件結(jié)構(gòu)優(yōu)化及新材料和新工藝使用來(lái)實(shí)現(xiàn)。曲軸是發(fā)動(dòng)機(jī)最重要的旋轉(zhuǎn)部件，其減重優(yōu)化是其他運(yùn)動(dòng)部件輕量化的前提和基礎(chǔ)。曲軸在工作中承受循環(huán)變化的沖擊載荷，故減重時(shí)要充分考慮曲軸的強(qiáng)度和使用壽命，同時(shí)還要考慮其可加工性。

某發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸因減重優(yōu)化，給其曲軸止推面加工帶來(lái)影響，通過(guò)分析，發(fā)現(xiàn)了問(wèn)題的原因，并給出相應(yīng)的解決方案。

1 曲軸減重優(yōu)化簡(jiǎn)介

Major1.5L發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸在原有NSE1.5L發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸的基礎(chǔ)上進(jìn)行了減重優(yōu)化設(shè)計(jì)，曲軸材料沒有改變(Q700-2)，止推面位置在第4主軸頸兩側(cè)。曲軸減重優(yōu)化設(shè)計(jì)主要體現(xiàn)在3個(gè)方面：(1)連桿軸頸的直徑由48 mm減小到43 mm；(2)4個(gè)平衡塊進(jìn)行了結(jié)構(gòu)優(yōu)化；(3)部分曲柄臂進(jìn)行了減薄。經(jīng)減重優(yōu)化設(shè)計(jì)后，Major1.5L發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸為9.37 kg，比NSE1.5L發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸重量(10.57 kg)降低了11.35%。2種曲軸的外形結(jié)構(gòu)如圖1所示。從外形結(jié)構(gòu)上看，減重效果還是比較明顯的。

此外，連桿和凸輪軸也進(jìn)行了相應(yīng)地減重。減重后的Major1.5L發(fā)動(dòng)機(jī)功率提高了，排放和油耗降低了。減重后的Major1.5L發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸，在99.9%存活率下的彎曲疲勞強(qiáng)度為827 Nm，安全系數(shù)為3.2。

Major1.5L發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸通過(guò)改變平衡塊的厚度和寬度來(lái)確保其彎曲疲勞強(qiáng)度與NSE1.5L發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸彎曲疲勞強(qiáng)度基本一致。但是，曲柄臂的減薄造成Major1.5L曲軸圓角滾壓變形加大[1]，影響了曲軸止推面精車滾壓的質(zhì)量。

2 曲軸止推面加工工藝的演變

曲軸止推面不僅是曲軸精加工的軸向基準(zhǔn)，而且還承受曲軸受熱伸長(zhǎng)或受斜齒輪、離合器等軸向力作用而產(chǎn)生的軸向竄動(dòng)所帶來(lái)的沖擊。曲軸安裝在發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)體中，通過(guò)其止推面與曲軸止推片的接觸配合來(lái)實(shí)現(xiàn)軸向定位。因此，曲軸止推面的加工質(zhì)量至關(guān)重要，直接影響發(fā)動(dòng)機(jī)的整體性能。

2.1 先期加工工藝

20世紀(jì)70、80年代，國(guó)內(nèi)曲軸止推面加工采用多刀車床車削、磨削和拋光，或采用成型砂輪一次性切入方法磨削曲軸的兩止推面(見圖2)，也有采用單側(cè)砂輪切入法磨削止推面和軸頸外圓(見圖3)。成型砂輪切入法磨削對(duì)砂輪兩側(cè)面直接修整比較困難[2]，經(jīng)常通過(guò)修整砂輪外圓來(lái)緩解砂輪鈍化；因此，加工效率低，砂輪消耗大。單側(cè)砂輪切入法雖然砂輪側(cè)面可以連續(xù)修整，但軸頸和止推面要求不一樣，止推面開檔尺寸不易保證，而且效率極低。無(wú)論采用哪種方法磨削止推面，都是使用剛玉砂輪，砂輪主軸轉(zhuǎn)速較低，磨削止推面時(shí)接觸面積大，冷卻效果差；而且磨削時(shí)都產(chǎn)生大量熱量，極易燒傷止推面。

20世紀(jì)90年代左右，曲軸外銑和車-車?yán)瓩C(jī)床出現(xiàn)，使曲軸的粗加工精度和效率更高。車-車?yán)瓩C(jī)床不僅可以粗加工主軸頸外圓、沉割槽、端面、也可以粗加工止推面開檔。車-車?yán)瓩C(jī)床的車?yán)庸榫嚌L壓曲軸止推面奠定了基礎(chǔ)，之后，采用精車滾壓加工替代磨削和拋光來(lái)加工曲軸止推面。

2.2 精車滾壓

精車滾壓加工(見圖4)是一種干式加工，對(duì)環(huán)境污染小，而且因其滾壓輪(高鉻硬質(zhì)合金)壽命長(zhǎng)、加工成本低、工藝穩(wěn)定性好的特點(diǎn)在曲軸加工中被廣泛運(yùn)用。曲軸精車滾壓加工主要步驟：(1)對(duì)粗加工后的曲軸止推面從左右兩邊分別進(jìn)行精車(精車前需對(duì)2止推面進(jìn)行測(cè)量，計(jì)算分中位置并對(duì)下一件加工進(jìn)行補(bǔ)償，精車后需要測(cè)量，以保證止推面開檔尺寸)；(2)精車后，滾壓輪通過(guò)液壓油缸的驅(qū)動(dòng)運(yùn)行至曲軸兩止推面之間，并旋轉(zhuǎn)一定角度后，對(duì)止推面兩側(cè)進(jìn)行滾壓。通過(guò)滾壓提高止推面表面的加工質(zhì)量和硬度，并產(chǎn)生淺層壓應(yīng)力，從而提高止推面的耐磨性，以此提高曲軸的使用壽命。但近幾年來(lái)，曲軸輕量化設(shè)計(jì)不斷涌現(xiàn)，量產(chǎn)曲軸也進(jìn)行減重和結(jié)構(gòu)優(yōu)化，這對(duì)曲軸止推面的加工不斷提出要求：止推面表面不但要有粗糙度要求(Ra≤0.15 μm)，而且還要有輪廓波峰高度(Rp)和輪廓支撐長(zhǎng)度率(Rmr)的要求。采用精車滾壓方法加工曲軸止推面，滾壓深度比較淺，不能滿足產(chǎn)品技術(shù)要求。要使曲軸止推面加工質(zhì)量滿足產(chǎn)品設(shè)計(jì)要求，就必須增加滾壓深度，也就是增加滾輪壓力。滾輪壓力增加，勢(shì)必加大止推面的變形，止推面表面質(zhì)量提高受到限制。

2.3 CBN高速磨削

為了提高止推面表面加工質(zhì)量，出現(xiàn)了采用CBN砂輪高速磨削曲軸止推面(見圖5)、再進(jìn)行2級(jí)拋光的加工方法。曲軸止推面磨削通常與曲軸法蘭面磨削在同一數(shù)控磨床上完成，也有與主軸頸、連桿軸頸磨削同時(shí)進(jìn)行。這主要是根據(jù)生產(chǎn)線設(shè)計(jì)節(jié)拍而定。由于使用電主軸和CBN砂輪，磨削速度大幅提高(磨削曲軸砂輪線速度通常在90～120 m/s)，單位時(shí)間內(nèi)磨削區(qū)的磨粒數(shù)增加，磨削效率很高；每個(gè)磨粒磨削的厚度變薄，磨削止推面的彈性變形層變淺，磨削時(shí)變形很小。由于高速磨削時(shí)單個(gè)磨粒磨削量變小，磨削表面凸起高度減小，磨削劃痕淺，所以表面粗糙度就降低，磨削產(chǎn)生的熱量也變小。

使用CBN砂輪磨削曲軸止推面(見圖6)時(shí)，采用電主軸式金剛滾輪修正裝置，可實(shí)現(xiàn)高速修正。電主軸驅(qū)動(dòng)金剛滾輪(見圖7)高速旋轉(zhuǎn)，通過(guò)砂輪主軸實(shí)現(xiàn)X、Z兩軸聯(lián)動(dòng)，來(lái)實(shí)現(xiàn)CBN砂輪兩端面修整。修整后的砂輪具有自動(dòng)補(bǔ)償功能，磨削精度大幅提高?；谝陨蟽?yōu)點(diǎn)，CBN高速砂輪磨削曲軸止推面工藝方案，近幾年在主機(jī)廠被逐漸廣泛運(yùn)用。

3 曲軸輕量化對(duì)其止推面精車滾壓的影響

減重后的Major1.5L發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸是在原有NSE1.5L發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸生產(chǎn)線上生產(chǎn)的，通過(guò)對(duì)部分夾具改造及對(duì)加工程序優(yōu)化來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)設(shè)計(jì)變更部分的加工。Major1.5L發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸整個(gè)加工工藝流程與NSE1.5發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸的是一致的，主要工藝流程見表1。

表1 Major1.5L發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸加工主要工藝流程

如果從減重的Major1.5L發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸角度來(lái)考慮止推面的加工，則采用CBN高速砂輪磨削加拋光是最合理的，可以有效避免曲軸減重后的加工變形。但這需要新增和改造設(shè)備，投資比較大。減重和結(jié)構(gòu)優(yōu)化后的Major1.5L發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸，其止推面的要求與NSE1.5L發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸的是一樣的：寬度 23.2+0.06mm，Ra 0.4 μm，垂直度0.025 mm；粗糙度Ra要求沒有超過(guò)0.2 μm，也沒有材料支撐率(Rmr)要求。采用精車滾壓工藝，理論上是可以滿足Major1.5L發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸止推面的技術(shù)要求(見圖8)。

3.1 精車滾壓后產(chǎn)生“黑皮”

Major1.5L發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸止推面的粗加工是在前面OP20工序(曲軸主軸頸外圓車-車?yán)庸?同時(shí)完成的。經(jīng)過(guò)外銑連桿軸頸、鉆油孔、圓角滾壓、兩端孔加工后，在OP70工序，對(duì)止推端面進(jìn)行精車滾壓。批量加工時(shí)，每天出現(xiàn)2～3根曲軸，其止推面邊緣有“黑皮”，如圖9所示。

經(jīng)分析，主要原因是Major1.5L發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸的曲柄臂減薄后，在OP50工序圓角滾壓時(shí)，加大了止推面端面的變形。圓角滾壓后，止推面最外端的開檔寬度加大了。為與NSE1.5L發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸的止推面開檔進(jìn)行比較，2種曲軸各取4根，分別在前、后的止推面邊緣圓周上相隔40°取1個(gè)點(diǎn)，共選取9個(gè)點(diǎn)，測(cè)量開檔寬度。分析測(cè)量數(shù)據(jù)得到， Major1.5L發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸的止推面開檔寬度與NSE1.5L發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸的最大差異為0.08 mm。這說(shuō)明需要對(duì)OP20工序粗車止推面寬度尺寸進(jìn)行優(yōu)化。寬度尺寸由(22.6+0.2)mm，優(yōu)化為(22.5+0.2)mm；相應(yīng)地，靠近曲軸法蘭端的止推面到定位距離由(112.52±0.10)mm更改為(112.57±0.1)mm(見圖10)，確保精車滾壓加工的精車余量。優(yōu)化粗加工止推面開檔尺寸后，精車滾壓止推面邊緣再也沒有出現(xiàn)“黑皮”現(xiàn)象。

止推面圓角滾壓后止推面變形加大，但可以通過(guò)調(diào)整圓角滾壓壓力來(lái)減小。圓角滾壓壓力調(diào)整必須大于圖紙規(guī)定的主軸頸最小滾壓壓力，小于圖紙規(guī)定的連桿軸頸最大滾壓壓力，否則需要進(jìn)行曲軸彎曲疲勞驗(yàn)證。

3.2 精車滾壓后止推面粗糙度超差

Major1.5L發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸精車滾壓后，工藝要求止推面粗糙度Ra≤0.4 μm。抽檢位于第4主軸頸兩側(cè)止推面(靠近曲軸軸頭一側(cè)的止推面以下稱為前止推面，靠近曲軸法蘭一側(cè)的止推面稱為后止推面)粗糙度時(shí)，發(fā)現(xiàn)后止推面(離最邊緣2 mm左右處，有凸起的車刀痕(見圖11)。經(jīng)檢測(cè)，車刀痕處的粗糙度偶有超差現(xiàn)象，Ra約為0.5 μm。根據(jù)粗糙度檢測(cè)結(jié)果，對(duì)止推面精車切削速度進(jìn)行調(diào)整，由180 m/min降低到150 m/min，進(jìn)給量由0.18 mm/轉(zhuǎn)降低到0.13 mm/轉(zhuǎn)。精車滾壓后，對(duì)后止推面粗糙度進(jìn)行檢測(cè)，測(cè)量10個(gè)點(diǎn)(見圖12)，點(diǎn)2～10(9個(gè)點(diǎn))的粗糙度Ra≤0.4 μm，點(diǎn)1(有車刀痕)的粗糙度Ra為0.5 μm。車刀痕處的粗糙度沒有得到改善。

用霍梅爾T8000R法對(duì)點(diǎn)1處車刀痕進(jìn)行測(cè)量，車刀痕凸起約2 μm(見圖13)，即精車后的滾壓沒有將車削產(chǎn)生的車刀痕波峰滾入波谷。精車的目的是為了使止推面的開檔距離接近技術(shù)要求，同時(shí)給滾輪滾壓止推面提供良好的表面粗糙度基礎(chǔ)。

Major 1.5L發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸滾壓止推面滾壓量在8 μm左右。滾壓頭通過(guò)液壓油缸驅(qū)動(dòng)運(yùn)行至曲軸兩止推面之間，伺服電機(jī)使?jié)L壓頭轉(zhuǎn)動(dòng)，此時(shí)滾壓頭內(nèi)的2個(gè)滾壓輪開始接觸止推面邊緣。由于轉(zhuǎn)動(dòng)滾壓?jiǎn)卧膹椈杀患虞d，產(chǎn)生滾壓力。滾壓壓力可通過(guò)伺服電機(jī)調(diào)節(jié)滾壓角度來(lái)調(diào)整。調(diào)節(jié)的角度一般限制在36°～41°。通常，增大滾壓頭角度，可以降低止推面的表面粗糙度，故分別將滾壓角度從36°提高到37°、39°和41°進(jìn)行滾壓。但結(jié)果是，有車刀痕地方的粗糙度并沒有降低，且止推面的垂直度隨著角度的增大而變差。采用常規(guī)的調(diào)整方法不能解決此問(wèn)題。主要原因是曲軸減重后，加工變形加大。針對(duì)止推面表面粗糙度超差主要現(xiàn)象是在滾壓后出現(xiàn)明顯車刀痕，對(duì)止推面出現(xiàn)車刀痕凸起處進(jìn)行硬度和金相檢測(cè)。檢測(cè)結(jié)果：平均硬度為254 HBW，金相組織中的球化率≥85%、珠光體≥90%(見圖14)，均符合圖紙要求。同時(shí)，還檢查了機(jī)床頂尖的夾緊力、車削時(shí)工件旋轉(zhuǎn)方向[3](從曲軸法蘭端看，逆時(shí)針旋轉(zhuǎn))、滾輪滾壓止推面時(shí)油霧潤(rùn)滑情況。檢查結(jié)果表明這些都正常。

測(cè)量后止推面外圓直徑，發(fā)現(xiàn)曲軸曲柄臂外形尺寸減薄后，止推面不是完整的圓，靠近曲柄臂一端(圖15中Y軸)比水平方向大2.5 mm左右。精車止推面邊緣時(shí)，形成斷續(xù)切削，車刀切削時(shí)受到持續(xù)交變的干擾力[4]；尤其是空行程切入曲軸時(shí)，受到瞬間沖擊，車刀所受切向力迅速增大，車刀離開止推面進(jìn)入空行程時(shí)發(fā)生負(fù)剪切現(xiàn)象，導(dǎo)致車刀應(yīng)力場(chǎng)急劇變化，加快車刀破損。用新刀具精車止推面時(shí)，止推面上沒有凸起車刀痕。由于是斷續(xù)切削，當(dāng)加工曲軸止推面30件后，就陸續(xù)出現(xiàn)凸起車刀痕。

為了降低斷續(xù)切削影響，在前期降低車刀切削速度和進(jìn)給量的基礎(chǔ)上，再對(duì)車削加工程序進(jìn)行優(yōu)化，改變切深厚度。一刀車削改為二刀車削，第1刀車至直徑66 mm處(見圖16)，覆蓋了原來(lái)凸起車刀痕位置，距離主軸頸約8 mm處，并給第2刀車削預(yù)留0.1 mm的加工余量，使第2刀車削達(dá)到到技術(shù)要求。采用一刀車削和二刀車削2種方法，各加工30件，不進(jìn)行滾壓，各抽10件，檢查曲軸止推面上點(diǎn)1處(出現(xiàn)凸起車刀痕位置)的粗糙度，檢查結(jié)果表明，采用二刀車削，點(diǎn)1處的粗糙度有明顯改善(見圖17)。采用2刀車削，降低了斷續(xù)切削對(duì)后止推面粗糙度的影響，改善了精車后的止推面表面粗糙度，同時(shí)提高了刀具的壽命。

采用二刀精車、滾壓后，跟蹤止推面的表面粗糙度。隨機(jī)抽檢8根曲軸，每側(cè)止推面上相隔90°測(cè)量1個(gè)點(diǎn)(見表2)。從表2中可以發(fā)現(xiàn)，前止推面粗糙度優(yōu)于后止推面粗糙度。后止推面點(diǎn)1處(凸起車刀痕處)粗糙度比一刀車削粗糙度有所改善，但還是偶有超差現(xiàn)象，最大0.42 μm。

精車后滾壓時(shí)，必須解鎖支撐曲軸的頭架和尾架的鎖緊機(jī)構(gòu)，以適應(yīng)軸向尺寸的微小變化。滾壓頭的中心線理論上應(yīng)該和車削中心線一致，確保兩側(cè)止推面粗糙度盡可能一致，但前提條件是，止推面兩側(cè)曲柄臂強(qiáng)度足夠，確保滾壓時(shí)止推面彎曲變形小。Major1.5L發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸的曲柄臂減薄后，止推面兩側(cè)的強(qiáng)度低于NSE 1.5L發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸。精車后滾壓時(shí)，滾輪接觸止推面后進(jìn)行擠壓，曲軸止推面受到切向摩擦力和軸向擠壓力。隨著滾壓頭角度增大，止推面受到的軸向擠壓力進(jìn)一步加大，止推面“喇叭口”變形更嚴(yán)重，滾輪與止推面(車刀痕處)擠壓加大，所以增大滾壓角度不能有效降低止推面的表面粗糙度。由于精車滾壓后，前止推面表面粗糙度低于后止推面粗表面糙度，故采用平移滾壓頭的方法，并通過(guò)MARPOSS測(cè)頭測(cè)量分中數(shù)據(jù)，使?jié)L壓頭向曲軸法蘭側(cè)偏移0.025 mm(見圖18)。這樣在沒有增加滾壓壓力的情況下，減小了前止推面滾壓深度，從而增加了后止推面滾壓深度，適當(dāng)減小了滾壓時(shí)兩側(cè)止推面的同時(shí)變形。

表2 兩側(cè)止推面粗糙度檢測(cè) 單位：μm

平移滾壓頭后，前止推面表面粗糙度略有增加，Ra基本在0.3 μm左右，但后止推面車刀痕處的表面粗糙度有了很大改善，車刀痕產(chǎn)生的波峰被滾入波谷。止推面精車滾壓加工采用精車分2步和滾壓頭平移0.025 mm后，刀具壽命提高到100件。對(duì)10件工件的粗糙度進(jìn)行檢測(cè)，前止推面測(cè)4點(diǎn)，后止推面測(cè)5點(diǎn)，粗糙度都符合技術(shù)要求，最大0.36 μm，見表3。

表3 兩次車削、滾壓頭平移后止推面粗糙度檢查結(jié)果 單位：μm

4 持續(xù)改進(jìn)，優(yōu)化減重曲軸毛坯

通過(guò)優(yōu)化粗加工OP20工藝(車-車?yán)に?尺寸、OP70精車滾壓工藝、精車工藝參數(shù)和加工程序，以及采用滾壓頭平移方法，解決了Major1.5L發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸止推面加工中出現(xiàn)“黑皮”和止推面粗糙度超差問(wèn)題。但精車止推面中出現(xiàn)的斷續(xù)加工、滾壓時(shí)滾壓頭施加的軸向力造成止推面兩側(cè)嚴(yán)重變形問(wèn)題，都是由Major1.5L發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸毛坯止推面兩側(cè)曲柄臂過(guò)度減薄造成的。隨后對(duì)Major1.5L發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸毛坯進(jìn)行局部?jī)?yōu)化。兩側(cè)止推面外圓直徑由原來(lái)的72 mm增大到75 mm，使止推面的水平和垂直方向直徑相等，保證止推面是個(gè)完整的圓。另外，止推面兩側(cè)曲柄臂外側(cè)加厚1 mm，見圖19。對(duì)優(yōu)化后的曲軸毛坯，采用“一刀”車削，沒有出現(xiàn)凸起車刀痕，滾壓后止推面表面粗糙度低于毛坯優(yōu)化前，見表4。這為后期提高刀具壽命奠定了良好基礎(chǔ)。

表4 加厚止推面兩側(cè)前后粗糙度比較 單位：μm

5 結(jié)論

1)對(duì)輕量化設(shè)計(jì)的曲軸，在規(guī)劃其全新生產(chǎn)線、制定曲軸止推面加工工藝方案時(shí)，應(yīng)充分考慮止推面加工中的變形問(wèn)題，根據(jù)止推面技術(shù)要求，優(yōu)先考慮采用高速磨削加2級(jí)拋光工藝。

2)可通過(guò)對(duì)量產(chǎn)曲軸進(jìn)行減重和結(jié)構(gòu)優(yōu)化來(lái)實(shí)現(xiàn)曲軸輕量化。采用精車滾壓工藝加工曲軸止推面時(shí)，需要通過(guò)優(yōu)化車?yán)旨庸すに嚦叽纭⒅雇泼婢嚬に噮?shù)和加工程序，并采取調(diào)整滾壓頭夾角或平移滾壓頭位置，來(lái)降低曲軸減重造成的加工變形問(wèn)題對(duì)精車滾壓止推面的影響。

3)持續(xù)優(yōu)化減重的曲軸毛坯，有利于穩(wěn)定精車滾壓的加工質(zhì)量的和提高刀具壽命。