在當(dāng)今市場(chǎng)產(chǎn)品嚴(yán)重同質(zhì)化的情況下，為提高產(chǎn)品競(jìng)爭(zhēng)力，近年來發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸加工采用了不少特種工藝，以增強(qiáng)企業(yè)的競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)。隨著發(fā)動(dòng)機(jī)日益向輕量化、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單化、性能優(yōu)質(zhì)化方向發(fā)展，發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸制造技術(shù)和工藝發(fā)生了很大的變化。
先進(jìn)的曲軸加工生產(chǎn)線一般都比較短，但效率高、產(chǎn)量大，加工出的曲軸質(zhì)量好且很穩(wěn)定。如美國(guó)底特律Ford發(fā)動(dòng)機(jī)廠曲軸生產(chǎn)線只有17道工序，占地面積6967m2，但年產(chǎn)V8發(fā)動(dòng)機(jī)球鐵曲軸53.5萬件。其先進(jìn)技術(shù)主要體現(xiàn)在兩個(gè)方面：一是大量采用了CNC控制技術(shù)，形成柔性生產(chǎn)線；二是應(yīng)用了許多先進(jìn)的高速、高效、柔性加工技術(shù)，簡(jiǎn)化了工藝過程，提高了加工質(zhì)量，同時(shí)也縮短了單件加工時(shí)間。另外，為適應(yīng)降低成本等需要，近年來發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸加工采用了很多特種工藝，相比之下，國(guó)內(nèi)大多數(shù)生產(chǎn)線還存在較大差距。
先進(jìn)加工技術(shù)及裝備
1、鉆質(zhì)量中心孔技術(shù)
曲軸屬于細(xì)長(zhǎng)類零件，加工過程中主要定位基準(zhǔn)是兩端中心孔，按其加工位置可分為兩種:一種是利用雙V型塊或其它方式找出曲軸支承軸頸的幾何中心，在此中心上加工出的中心孔稱為幾何中心孔；另一種是利用專門的質(zhì)量定心機(jī)測(cè)出曲軸的質(zhì)量中心，在此中心上加工出的中心孔稱為質(zhì)量中心孔。由于毛坯的幾何形狀誤差和質(zhì)量分布不勻等原因，一般兩者并不重合。
國(guó)內(nèi)生產(chǎn)線中多采用幾何中心孔，但是利用幾何中心孔作定位中心進(jìn)行車加工或磨加工時(shí)，工件旋轉(zhuǎn)會(huì)產(chǎn)生離心力，不僅影響加工質(zhì)量，降低定心元件的使用壽命，而且在加工后剩余的動(dòng)不平衡量較大?；谶@種原因，國(guó)外大都采用質(zhì)量中心孔，利用專門設(shè)計(jì)的測(cè)試設(shè)備來測(cè)試質(zhì)量中心，然后加工出中心孔，并且可將銑兩端長(zhǎng)度和加工質(zhì)量中心孔合并為一道工序，采用CNC技術(shù)控制，加工效率很高。但需要注意的是，若毛坯彎曲變形嚴(yán)重或質(zhì)量嚴(yán)重分布不均勻，采用質(zhì)量中心孔仍不能徹底解決上述問題。因此，筆者認(rèn)為曲軸的質(zhì)量中心孔和幾何中心孔應(yīng)按毛坯質(zhì)量的好壞合理選用：如果毛坯質(zhì)量好，加工余量小且加工余量分布均勻，這時(shí)曲軸的質(zhì)量中心孔與幾何中心孔會(huì)基本重合，不必花費(fèi)較高的經(jīng)費(fèi)購(gòu)置質(zhì)量定心設(shè)備；如果毛坯質(zhì)量較差，加工余量大且加工余量分布不均勻，則優(yōu)先選用質(zhì)量中心孔。
2、數(shù)控車-車?yán)夹g(shù)
車?yán)夹g(shù)在國(guó)外大量用于半精加工曲軸的主軸頸和連桿軸頸。其加工形式可分為3種：直線車?yán)?、?nèi)環(huán)刀具旋轉(zhuǎn)車?yán)屯猸h(huán)刀具旋轉(zhuǎn)車?yán)?/SPAN>
3、數(shù)控高速外銑技術(shù)
對(duì)于平衡塊側(cè)面需要加工的曲軸，CNC高速外銑技術(shù)比CNC車削、CNC內(nèi)銑、車-車?yán)纳a(chǎn)效率更高。以四拐曲軸為例，CNC車-車?yán)に嚰庸みB桿軸頸要二道工序，而CNC高速外銑只要一道工序即可完成（應(yīng)用工件回轉(zhuǎn)和銑刀進(jìn)給伺服連動(dòng)控制技術(shù)，可以一次裝夾不改變曲軸回轉(zhuǎn)中心隨動(dòng)跟蹤銑削曲軸的連桿軸頸）。
CNC高速外銑的優(yōu)點(diǎn)包括：切削速度高（可高達(dá)350m/min）、切削和工序循環(huán)時(shí)間較短、切削力較小、工件溫升較低、刀具壽命高、換刀次數(shù)少、加工精度更高且柔性更好，因此CNC高速外銑將是曲軸主軸頸和連桿軸頸粗加工的發(fā)展方向。
4、CNC內(nèi)銑技術(shù)
CNC內(nèi)銑加工性能指標(biāo)高于普通外銑加工，尤其對(duì)于鍛鋼曲軸，內(nèi)銑更有利于斷屑，剛性特別好。數(shù)控內(nèi)銑銑削工藝是目前國(guó)際上曲軸連桿頸粗加工先進(jìn)的加工方法之一，尤其是大功率鍛鋼曲軸的加工，內(nèi)銑工藝更是首選。
5、數(shù)控磨削技術(shù)
曲軸傳統(tǒng)的磨削工藝均采用磨削線速度為35m/s的普通曲軸磨床，砂輪進(jìn)給和修整為手動(dòng)進(jìn)給，軸徑和臺(tái)肩的磨削余量大，砂輪耐用度低，需技術(shù)工人精工細(xì)作才能磨出精品。目前，曲軸磨削采用多種磨削方式來加工。
曲軸磨削可采用的技術(shù)有單序加工和復(fù)合加工等工藝。采用單序加工方式加工磨削效率很高，磨削后軸頸的跳動(dòng)量容易控制，砂輪一次修整完畢后能保證各軸頸尺寸的一致性。缺點(diǎn)是柔性差，只能加工一個(gè)系列產(chǎn)品。加工曲軸前端和后端的有寬砂輪組合磨削等。例如，磨削四拐曲軸主軸頸采用的工藝有五砂輪磨削，磨削四拐曲軸連桿頸采用的工藝有雙砂輪磨削。
復(fù)合加工是指一次裝夾磨削所有主軸頸和連桿軸頸，磨削連桿軸頸采用先進(jìn)的擺動(dòng)跟蹤磨削技術(shù)，這種磨削方式最大的優(yōu)點(diǎn)是柔性化好。復(fù)合加工有兩種可以采用的工藝：順序磨削主軸軸頸及連桿軸頸和同步磨削主軸軸頸及/或連桿軸頸。
6、曲軸深油孔加工采用槍鉆技術(shù)
曲軸深油孔加工是曲軸尤其是鍛鋼曲軸加工中的一個(gè)難題。曲軸深油孔的直徑一般在5～8mm之間，從主軸頸到連桿頸傾斜貫通，屬典型細(xì)長(zhǎng)孔，而且在曲面上加工，工藝性差。加工深油孔最好的辦法是采用槍鉆工藝。
槍鉆不但可用來加工深孔（徑長(zhǎng)比1:250），而且也可用來加工淺孔（徑長(zhǎng)比1:1）。槍鉆由鉆柄（用于裝夾刀具）、鉆桿（用于連接刀頭，按加工孔的長(zhǎng)度 確定，采用韌性較好的材料）、鉆頭（切削部分，刀尖是偏心的，采用硬質(zhì)合金材料）三部分焊接在一起，中間有一通孔，外側(cè)面有一直V型槽。依靠中間通孔實(shí)現(xiàn)內(nèi)冷卻，冷卻液從后刀而上的小孔處噴出，可直接對(duì)切削區(qū)冷卻。當(dāng)使用高壓冷卻液時(shí)，其切屑能從被加工孔中通過直V型槽有效排出，無需在鉆削過程中定期退刀來排出切屑。在加工細(xì)長(zhǎng)孔時(shí)，槍鉆可以將鉆孔、鏜孔、鉸孔一次完成，一次走刀便可加工出高精度（IT6～8級(jí)）、直線度（0.16～0.33mm/1000mm）、粗糙度值（Ra3.2～0.1）孔。
據(jù)一汽大眾資料介紹，當(dāng)用槍鉆加工發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸的深油孔時(shí)，必須使用尺寸適合的專用鉆套。他們采用的鉆套是用硬質(zhì)合金或合金工具鋼制造的精密槍鉆鉆套，其硬度為HRC 63～65，內(nèi)孔表面粗糙度為Ra1.6～3.2，內(nèi)外徑最大允許同軸度誤差為2um，前端面最大允許跳動(dòng)誤差為5um，鉆套底面和工件表面的距離不超過0.5mm，鉆套和主軸的同軸度誤差不超過5um，鉆套與槍鉆頭部的間隙保持在3～8um之內(nèi)。使用槍鉆的機(jī)床主軸必須有較高的軸向和徑向剛度，使用時(shí)應(yīng)正確選取切削用量。一般情況下，切削速度Vc為60～100m/min，進(jìn)給量f為0.015～0.03mm/r，油壓P為2.5～6.0MPa，流量Q為0.2～0.65L/s。
此外，加工發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸的深油孔時(shí)還需選擇專用的槍鉆油。一般槍鉆用切削液應(yīng)有極壓添加劑，以保證在高壓下形成油膜，防止產(chǎn)生干摩擦。切削液的粘度與鉆孔直徑有關(guān)，直徑越小，粘度越低。送往槍鉆切削區(qū)的切削油和一般機(jī)械加工相比具有壓力高、流量大、過濾精度高的特點(diǎn)。流量應(yīng)隨孔深的增大而增大，以保證切削油有更大的流速，達(dá)到通暢排屑的目的。
圖7 光整前后曲軸的對(duì)比
曲軸特種加工工藝
1、圓角滾壓工藝
曲軸的圓角滾壓是利用滾輪的壓力作用，在曲軸的主軸頸和連桿頸過渡圓角處形成一條滾壓塑性變形帶。這條塑性變形帶的特點(diǎn)包括：
（1）產(chǎn)生的殘余壓應(yīng)力可與曲軸在工作時(shí)的拉應(yīng)力抵消或部分抵消，從而提高疲勞強(qiáng)度。
（2）硬度提高。滾壓使圓角處形成高硬度的致密層，從而使曲軸的機(jī)械強(qiáng)度和疲勞強(qiáng)度提高。
（3）表面粗糙度降低。圓角滾壓可使圓角表面粗糙度達(dá)到Ra0.1以下，從而大大減小圓角處的應(yīng)力集中，提高疲勞強(qiáng)度。
國(guó)外應(yīng)用的圓角滾壓技術(shù)已相當(dāng)先進(jìn)，可一次完成對(duì)所有圓角的滾壓，且可做到主軸頸與連桿軸頸圓角的壓力不同，同一連桿軸頸圓角在不同方向上的壓力也可不同。這樣可經(jīng)濟(jì)地達(dá)到最佳的滾壓效果，最大限度地提高曲軸的抗疲勞強(qiáng)度。經(jīng)德國(guó)赫根塞特（HEGENSCHEID）公司測(cè)定，球鐵曲軸經(jīng)滾壓后壽命可增至100%～280%。
2、滾磨光整工藝
光整加工技術(shù)應(yīng)用于發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸，可以使其表面質(zhì)量大幅度提高。其主要工作原理是：由顆粒狀磨料和多功能磨液以及水組成磨具，磨具在料箱中做復(fù)雜的自由運(yùn)動(dòng)，將工件沉沒于磨具之中旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，工件與磨具以一定的相對(duì)速度和作用力發(fā)生摩擦、擠壓、刻劃和微量切削，以達(dá)到表面質(zhì)量的提高。尤其對(duì)曲軸而言，由于結(jié)構(gòu)復(fù)雜人工去除毛刺困難，光整技術(shù)就顯得尤為重要。
光整加工技術(shù)的具體效果和主要特點(diǎn)包括：
（1）能較全面地去除毛刺、圓化尖角銳邊；
（2）能去除手工無法去除的銹蝕、氧化層和改善缺陷，使表面光亮奪目柔和；
（3）細(xì)化表面組織，提高軸頸表面殘余壓應(yīng)力的數(shù)值；
（4）改善裝配性，提高可靠性和使用壽命，降低磨合期；
（5）可大幅度地提高表面輪廓支撐長(zhǎng)度率Tp值，提高表面耐磨性。
3、砂帶拋光工藝
曲軸的主軸頸、連桿軸頸及止推面都要求進(jìn)行超精加工和拋光。傳統(tǒng)工藝是采用靠模油石超精加工機(jī)床，加工后嚴(yán)重地破壞了軸頸的幾何形狀，形成馬鞍形（凹形），而且對(duì)軸頸尺寸影響較大。國(guó)外曲軸的超精加工早已采用數(shù)控砂帶拋光工藝，而且這種砂帶是防潮靜電植砂的（保證砂粒尖鋒朝外）。為了能對(duì)圓角和軸肩拋光，砂帶兩側(cè)開槽以便與加工面貼合。
國(guó)外的曲軸砂帶拋光機(jī)可同時(shí)拋光主軸頸、連桿軸頸、圓角、軸肩及止推面。其結(jié)構(gòu)均采用對(duì)夾式，每個(gè)軸頸上用4片墊塊（中凹型）壓緊砂帶；墊塊和砂帶宜根據(jù)工件材質(zhì)和硬度選擇；機(jī)床上的卷帶機(jī)能保證每個(gè)軸頸都有一段新砂帶（長(zhǎng)度可調(diào)）參加工作；拋光的方式以超精加工的原理進(jìn)行。其效率和效果都遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于油石。
對(duì)于球鐵曲軸的拋光與磨削，由于球鐵內(nèi)的鐵素體磨削后會(huì)形成突起毛刺，所以應(yīng)使軸的磨削轉(zhuǎn)向與工作轉(zhuǎn)向相反，拋光轉(zhuǎn)向與工作轉(zhuǎn)向相同。這樣才能在拋光中有效地去除毛刺，避免工作時(shí)刮傷軸瓦。
（轉(zhuǎn)載）
