汽車發(fā)動機曲軸加工工藝研究

侯瑞麗

摘要：目前，傳統(tǒng)材料以及汽車發(fā)動機制造技術(shù)和現(xiàn)階段的汽車行業(yè)市場發(fā)展趨勢和要求之間還存在一定差異，汽車發(fā)動機機械加工技術(shù)也存在一些難以攻克的技術(shù)難點。在汽車生產(chǎn)制造中，對發(fā)動機曲軸機械生產(chǎn)的標(biāo)準(zhǔn)也越來越高。曲軸機械加工環(huán)境相對比較惡劣，很容易對曲軸機械加工質(zhì)量產(chǎn)生不利的影響，所以，需要嚴(yán)格控制曲軸材料材質(zhì)，保證曲軸加工工藝的精準(zhǔn)度。對此，本文以汽車發(fā)動機中的曲軸機械為例，分析曲軸機械加工工藝。

Abstract： At present， traditional materials and automotive engine manufacturing technology and the present stage of the automotive industry market development trend and requirements between there are still some differences， automotive engine machining technology also has some difficult to overcome technical difficulties. In automobile production and manufacturing， the standard of engine crankshaft machinery production is getting higher and higher. Crankshaft machining environment is relatively harsh， it is easy to adversely affect the quality of crankshaft machining， so it is necessary to strictly control the material of crankshaft to ensure the precision of crankshaft processing technology. In this paper， the crankshaft machinery in automobile engine as an example， analysis of crankshaft machining technology.

關(guān)鍵詞：汽車發(fā)動機;曲軸機械;加工工藝

Key words： automobile engine;crankshaft machinery;the processing technology

中圖分類號：U469.7 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號：1674-957X（2022）04-0039-03

0 ?引言

隨著汽車制造業(yè)生產(chǎn)加工水平的不斷提升，汽車發(fā)動機中的曲軸部件加工質(zhì)量也在不斷優(yōu)化。這里的曲軸部件對于汽車發(fā)動機的整體結(jié)構(gòu)合理性和使用性能都會產(chǎn)生很大影響，是汽車制造業(yè)系統(tǒng)中的技術(shù)研究重點和難點之一。在汽車發(fā)動機零部件生產(chǎn)制造中，曲軸是旋轉(zhuǎn)部件，工藝難度比較大，對于發(fā)動機的使用壽命和效率會有很大影響，也嚴(yán)重影響汽車駕駛安全性，所以在曲軸制造中，必須要保證質(zhì)量可靠，提升曲軸的加工精度，降低因為誤差和加工工藝等導(dǎo)致的廢品率，提升生產(chǎn)效益和效率，這對于汽車生產(chǎn)制造業(yè)來說至關(guān)重要。

1 ?汽車發(fā)動機的工作原理

汽車結(jié)構(gòu)是由很多元件組成，如馬達(dá)、輪胎、底板等元件。其中底板結(jié)構(gòu)的重要作用是承載汽車的整體荷載，保證汽車運行時的穩(wěn)定性，是汽車裝置中最為基本的結(jié)構(gòu)構(gòu)架。馬達(dá)是汽車的核心動力，其動力的正常發(fā)揮受到其他元件功能的影響。馬達(dá)品匯的優(yōu)劣直接決定汽車運行的安全性和動力，一般在發(fā)動機中馬達(dá)會設(shè)定有四個沖程：①進(jìn)氣環(huán)節(jié)，曲軸連帶活塞進(jìn)行活動，進(jìn)氣后，活塞移動增加汽缸空間容積量，內(nèi)外壓強不斷增加，產(chǎn)生氣體流入汽缸;當(dāng)活塞下移至最底部，結(jié)束進(jìn)氣。這個過程中，氣體介質(zhì)溫度不斷升高。②壓縮環(huán)節(jié)，活塞從下向上移動，關(guān)閉進(jìn)氣口和排氣口，此時汽缸的容積量逐漸下降，其中的氣體介質(zhì)不斷壓縮。③發(fā)動機作業(yè)環(huán)節(jié)，活化塞部件將壓縮后的氣體混合，即變成可燃?xì)怏w，將其引燃，活塞元件高壓下移動，從上至下作業(yè)。④排氣環(huán)節(jié)，將打開的所有排氣口關(guān)閉，隨后曲軸帶動連桿，活塞由下向上活動至頂端，整個排氣環(huán)節(jié)完成，氣缸空間中的燃燒廢氣向外排放。

2 ?汽車發(fā)動機曲軸裝置及加工特點

2.1 汽車發(fā)動機曲軸裝置

在汽車發(fā)動機的相關(guān)組成零部件中，曲軸是重要的組成部分，曲軸的功能是通過活塞連桿裝置中傳遞的氣體進(jìn)行轉(zhuǎn)換，使其變成旋轉(zhuǎn)力矩，再通過汽車離合器裝置、飛輪裝置及傳動系統(tǒng)來為汽車提供驅(qū)動力，并驅(qū)動發(fā)動機裝置。在曲軸裝置中，包含多個曲拐裝置，每一個曲拐裝置中又有兩個曲柄裝置、兩個曲軸徑裝置以及一個連桿軸頸裝置（詳見圖1）。

在曲軸的運行中，因為慣性作用以及力矩影響等，和汽車內(nèi)部氣體共同作用，在實際運轉(zhuǎn)中，可能會出現(xiàn)磨損。所以，要確保曲軸裝置的正常運行和工作，必須要避免磨損，提升曲軸的生產(chǎn)加工質(zhì)量，不斷提升曲軸零部件的生產(chǎn)加工強度，提升其耐磨性，做好潤滑處理等，才能延長曲軸的使用壽命。

2.2 曲軸加工特點

就汽車發(fā)動機曲軸制造加工技術(shù)來看，在實際操作中，存在多個特點：

第一，技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)嚴(yán)格。曲軸是汽車發(fā)動機中比較重要的組成部分，在加工中也需要嚴(yán)格執(zhí)行相關(guān)技術(shù)要求和加工質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)[5]。因為曲軸零部件和一般零部件不同，曲軸零部件一般有多個加工面，可能不同加工面的尺寸、形狀等還是不一樣的，在加工中對于相應(yīng)加工面的加工尺寸、形狀、位置等參數(shù)要求都十分嚴(yán)苛，需要執(zhí)行的加工工序也比較麻煩。在具體加工中，還需要關(guān)注粗細(xì)加工流程分配，保證精準(zhǔn)性和可靠性。

第二，剛性偏差。因為汽車發(fā)動機中的曲軸長徑是很大的，因為連接著曲軸結(jié)構(gòu)，所以在運行中很難保證剛性，就容易出現(xiàn)形變的情況。相關(guān)機械加工生產(chǎn)人員在進(jìn)行曲軸零部件加工中，就需要注意到這一問題。一般為了解決這一問題，需要在粗加工環(huán)節(jié)，確保夾具和機床刀具剛度達(dá)標(biāo)，同時，保證加工期間切削力作用能夠?qū)崿F(xiàn)相互抵消[6]。

第三，加工形狀比較復(fù)雜。在汽車發(fā)動機的曲軸零部件中，連桿軸頸和主軸頸間有一定的偏心距，在加工中因為對偏心距的精度控制有嚴(yán)格要求，相應(yīng)曲軸結(jié)構(gòu)還有平衡重問題，所以在進(jìn)行夾具設(shè)計中需要確保精度控制達(dá)標(biāo)，避免產(chǎn)生誤差影響曲軸零部件的生產(chǎn)加工質(zhì)量[7]。

3 ?曲軸加工技術(shù)

3.1 曲軸毛坯加工

在開展曲軸毛坯的加工處理中，多采取兩種加工方式，即鑄造加工模式以及鍛造加工模式。在進(jìn)行鍛造加工中，多使用碳合金鋼材料以及中碳鋼材料。在開展鑄造加工中，多使用球墨鑄鐵、鑄鋼以及合金鑄鐵材料。相比較而言，球墨鑄鐵材料整體性能更加理想，材料性質(zhì)和碳鋼材料比較類似，而且這種材料的成本更低，所以更容易被接受，并且在很多企業(yè)的生產(chǎn)加工中能夠得到廣泛應(yīng)用。

3.2 零部件粗加工

針對汽車發(fā)動機進(jìn)行曲軸粗加工處理中，使用的加工處理技術(shù)也比較多樣，包含車-車?yán)庸ぜ夹g(shù)、復(fù)合粗加工技術(shù)、外銑加工技術(shù)以及內(nèi)銑加工技術(shù)。在具體加工過程中，需要結(jié)合加工的零部件實際需要，選擇最合適的加工技術(shù)，這對于降低切削變形，提升加工準(zhǔn)確率很有必要。這樣的加工處理中能夠有效保證曲軸加工質(zhì)量。相關(guān)加工技術(shù)人員在進(jìn)行粗加工技術(shù)應(yīng)用中，應(yīng)該要把握技術(shù)應(yīng)用要點，一方面，應(yīng)該做好曲軸毛坯余量的記錄，要是余量在5mm范圍外，就需要選擇外銑或者內(nèi)銑加工技術(shù)。要是余量在3mm范圍內(nèi)，應(yīng)該選擇使用車?yán)夹g(shù)。另一方面，相關(guān)技術(shù)人員需要結(jié)合曲軸長度來進(jìn)行粗加工技術(shù)的優(yōu)化選擇。曲軸長度如果在700mm范圍上下，應(yīng)該選擇連桿軸徑加工技術(shù)。在具體的粗加工處理中，需要結(jié)合相應(yīng)的加工變形原因，進(jìn)行加工過程中的質(zhì)量控制，而使用連桿軸徑粗加工技術(shù)，能夠有效避免這些問題出現(xiàn)，而在使用車?yán)夹g(shù)加工中，則需要做好相應(yīng)的加工尺寸和參數(shù)控制，保證加工精度可靠。

3.3 零部件精加工

目前，汽車發(fā)動機曲軸零部件加工中，精加工技術(shù)也必不可少，這一加工技術(shù)近幾年來發(fā)展迅速，其加工的自動化水平也在不斷提升。在此前的加工過程中，很多曲軸零部件加工都是通過手工曲磨床裝置來進(jìn)行的，該裝置在加工使用中的缺陷明顯，無法保證精度，容易出現(xiàn)嚴(yán)重誤差，所以不適應(yīng)汽車發(fā)動機現(xiàn)代化的生產(chǎn)需求了?，F(xiàn)代曲軸精加工技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)數(shù)控效果，保證加工精度，且很多環(huán)節(jié)實現(xiàn)自動化操作，讓加工的效率也明顯提升。在很多汽車發(fā)動機生產(chǎn)加工中，被應(yīng)用到曲軸加工環(huán)節(jié)，但是實際使用中機械占地面積大，在生產(chǎn)效率提升上也沒有明顯成效。對此，需要進(jìn)一步優(yōu)化曲軸軸徑表面光滑性，可以借助數(shù)控拋光機裝置，解決上述數(shù)控機床加工的弊端，確保加工效率、精度以及密度等，確保曲軸機械加工的常規(guī)模式得到構(gòu)建，提升生產(chǎn)加工效率。

3.4 銑曲軸兩端面、中心孔加工

在曲軸兩端面進(jìn)行鉆銑的過程中，鉆銑機床需對曲軸兩端鍛煉實施鉆銑，控制曲軸的長度及中心孔，保證兩端斷面平整滿足受力均勻的需求（詳見圖2）。所以，在對曲軸鉆銑時，先對斷面進(jìn)行鉆銑，然后再打孔。中心孔加工直接影響曲軸加工的質(zhì)量，甚至?xí)绊懬S加工的精準(zhǔn)度，在中心孔打孔前，相關(guān)工作人員需要對設(shè)備功能提高重視;同時，在打孔前，對曲軸毛坯外表面質(zhì)量加以重視，避免對打孔位置造成影響。

3.5 主軸頸車削

主軸頸車削過程中，需將曲軸安裝到頂尖前后部位，隨后利用硬質(zhì)合金車工序，完成對主軸頸的車削作業(yè)。在這個過程中，車削之前，加工工人需要考慮主軸頸加工時的均勻，同時考慮旋轉(zhuǎn)不平衡等問題，甚至加工時，可能產(chǎn)生加工沖擊，此時在加工前，必須保證曲軸安裝牢固，保證車床、夾具及道具設(shè)備滿足車削剛度的工藝需求。整個車削流程應(yīng)該流暢，先處理主軸與軸肩，隨后定位主軸頸，對頂尖與中心孔進(jìn)行定位，汽車一段的主軸頸及軸肩等軸徑，都需要按照流程進(jìn)行車削，控制好車削精度。

3.6 連桿軸頸車削

主軸頸與其余軸徑在車削完成后，需要將主軸頸作為加工基礎(chǔ)，通過利用專用汽車夾具以及車削連桿軸頸，從而利用車床，實施車削流程，在連桿軸頸車削過程中，加工 技術(shù)人員需要控制好角度問題，需要將角度調(diào)控在150°- 210°之間，同時解決曲軸旋轉(zhuǎn)問題，確保夾具性能，由于夾 具屬于V形結(jié)構(gòu)，可以在接盤中進(jìn)行安裝。接盤、車床過 渡接盤需要在車床中間定位鏈接，在菱形定位削的作用下，可以將接盤旋轉(zhuǎn)180°，從而能夠?qū)B桿軸頸進(jìn)行車削。隨后控制夾具與車床主抽線間距，一般達(dá)到曲軸半徑。隨后在車削的過程中，需要對曲軸主軸頸一段進(jìn)行夾緊。曲軸另一端則需要依靠中心座，從而夾緊，此時中心孔偏 心距與曲軸長度一般相同，中心孔也會被頂尖頂緊，確保 連桿軸頸的抽線達(dá)到平衡，并與車床主軸保持一致。在曲軸機械加工的過程中，很容易受到李引力的影響，導(dǎo)致曲軸出現(xiàn)變形或者彎曲等問題，為了確保連桿軸頸車削力度 達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)后，需要在車削的過程中，將車削余量控制在1.2mm左右，車床在旋轉(zhuǎn)的過程中不宜過高，盡可能使用高速鋼刀具進(jìn)行車削。

4 ?曲軸加工案例

汽車發(fā)動機在曲軸制造時，設(shè)計是最為重要的環(huán)節(jié)。CAXA是實體設(shè)計軟件曲軸中應(yīng)用最多的三維模型，通過CAXA加工能提升曲軸加工工藝整體的精準(zhǔn)度，同時，使用CAXA還能記錄整個加工建模的過程，在設(shè)計時傳遞建構(gòu)設(shè)計的理念。CAXA在設(shè)計時建立三維模型，在曲軸加工中的應(yīng)用，根據(jù)曲軸自身的特點，利用元素庫里面的元素配合三維球工具一起構(gòu)建實體模型。如圖3所示，利用CAXA實體設(shè)計的三維模型，結(jié)合曲軸的相關(guān)特點和元素庫中“圓柱體”素材，利用三維球構(gòu)建曲軸的實體模型。

圖3曲軸兩個連桿軸頸，其直徑為35mm，還有三個主軸頸，其直徑分別為35mm、35mm和30mm。根據(jù)圖3實體模型，采用有限元構(gòu)建三維模型（詳見圖4）。

有限元網(wǎng)絡(luò)模型中，將小圓角和西油孔對曲軸整體結(jié)構(gòu)動力學(xué)的影響減小到極限，半徑<5mm的圓角和直徑<12mm的油道忽略。

建立模型之后，對其進(jìn)行模擬數(shù)控加工。按照“加工”、“多軸加工”，根據(jù)指令填寫參數(shù)，系統(tǒng)計算生成刀具軌跡，然后點擊工具“加工”、“后置處理”、“生成”、“生成G代碼”命令，生成加工代碼，然后CAXA編譯助手打開文件夾，檢查刀具軌跡。第二步進(jìn)行曲軸車床夾具車削，選擇自定心式定位元件，曲軸通過兩端軸承頸定位，將零件過渡盤和夾具體后裝入，打開夾具體的三維球，對三維球進(jìn)行定位，找到中心點，最后點擊過渡盤上的圓，夾具移動至過渡盤上面，打開三維球再次將中心移動至過渡底座上，點擊到“中心點”，然后裝配完成過渡底座和過渡盤。最后對夾緊、夾具體進(jìn)行建模，得出曲軸實體。

5 ?總結(jié)

汽車發(fā)動機中，曲軸零部件對于發(fā)動機的使用性能和質(zhì)量都會產(chǎn)生很大影響。曲軸裝置本身有一定的特殊性，結(jié)構(gòu)剛性不足，所以在進(jìn)行曲軸零部件加工中更需要做好相應(yīng)的質(zhì)量控制工作。目前，可以應(yīng)用到曲軸零部件加工中的機械加工技術(shù)還比較多，不同加工技術(shù)有不同優(yōu)勢，適用的曲軸零部件也不一樣，具體的機械加工技術(shù)選擇需要結(jié)合具體情況來選擇，確保合理性和適用性。

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