发动机曲轴制造技术的应用现状与发展趋势

作者：戚野堰机车车辆工艺研究所 席洪波

欢迎访问e展厅 展厅 1 发动机展厅 汽油发动机, 柴油机, 船用柴油机, 天然气发动机, 气缸及部件, ... 目前，世界汽车工业发达国家对发动机曲轴的加工十分重视，通过各种手段不断改进曲轴加工工艺。随着中国加入WTO，国内曲轴生产厂家也意识到形势的严峻性，为了提高产品的整体竞争力，引进了不少先进加工设备和制造技术，在很大程度上提高了曲轴的制造技术水平。 发动机曲轴的材质分析 目前，车用发动机曲轴材质有球墨铸铁和钢两类。由于球墨铸铁的切削性能良好，可获得较理想的结构形状，并且和钢质曲轴一样可以进行各种热处理和表面强化处理来提高曲轴的抗疲劳强度、硬度和耐磨性。而球墨铸铁曲轴成本只有调质钢曲轴成本的1/3左右，所以球墨铸铁曲轴在国内外得到了广泛应用。据统计资料显示，车用发动机曲轴采用球墨铸铁材料的比例：美国为90%、英国为85%、日本为60%，此外德国、比利时等国家也已经大批量采用球墨铸铁材料。国内采用球墨铸铁曲轴的趋势则更加明显，85%以上的中、小型功率发动机曲轴均采用球墨铸铁材料。 就大功率车用柴油机曲轴而言，锻钢曲轴具有较高的综合机械性能。许多高强化的中高速大功率四冲程柴油机都无一例外地采用锻钢曲轴。排量在1.6 L以上的发动机也都采用钢质模锻曲轴。 发动机曲轴的工艺分析 目前，国内较陈旧的曲轴生产线多数由普通机床和专用机床组成，生产效率和自动化程度相对较低。粗加工设备多采用多刀车床车削曲轴主轴颈及连杆轴颈，工序的质量稳定性差，容易产生较大的内应力，难以获得合理的加工余量。一般精加工采用曲轴磨床，通常靠手工操作，加工质量不稳定，尺寸的一致性差。老式生产线的主要特点是普通设备多，一条生产线有35~60台设备，导致产品生产周期长、占用场地大，且完全是靠多台设备分解工序和分担余量来提高生产效率。为全力提升企业的竞争力，近年来引进了许多先进的曲轴加工设备和技术，按曲轴机械加工工艺大体上可分为欧美型工艺方案和丰田型工艺方案。 欧美型工艺方案 （1）采用国产专用机床铣前后两端面、钻中心孔。采用国产数控车床粗精车前后端外圆、主轴颈上的止推面、主轴颈及连杆轴颈上的圆弧槽。采用国产斜切式端面外圆磨床磨削前后外圆及端面。 （2）主轴颈和连杆轴颈的粗加工采用进口的新型外切铣床；精加工则采用进口的新型双砂轮磨床（既可磨主轴颈又可磨连杆轴颈）。采用进口的滚压机床滚压主轴颈和连杆轴颈的圆弧槽，并采用进口的抛光机抛光主轴颈和连杆轴颈。 （3）采用进口的数控机床加工前后两端面上的孔系。采用进口的数控钻床加工轴颈上的直、斜油孔。采用进口的动平衡试验机对曲轴进行动平衡试验。 下面是发动机曲轴的欧美型工艺方案。 ①关键部位加工工艺简述： 主轴颈：车削—→磨削—→抛光； 连杆轴颈：外铣—→磨削—→抛光； 止推面：精车； 油孔：枪钻—→人工去毛刺—→高压清洗； 前、后端面：车削—→磨削； 清洗：穿插清洗2次，钻油孔后清洗1次，最终清洗1次； 最后对曲轴进行综合检测。 ②发动机曲轴加工工艺流程： 铣两端面、钻中心孔—→车后端、2~5号主轴颈—→车前端、1号主轴颈及1~5号主轴颈沉割槽—→外铣1~4号连杆轴颈及沉割槽—→钻油孔—→清洗—→主轴颈、连杆轴颈外圆淬火—→磁粉探伤滚压主轴颈、连杆轴颈圆角—→前后端孔系加工—→精车止推面—→磨主轴颈、连杆轴颈—→磨法兰外圆及端面—→磨前端外圆及端面—→动平衡去重—→抛光主轴颈、连杆轴颈及油封外圆—→磁粉探伤—→清洗—→曲轴综合检测。 丰田型工艺方案 该方案将曲轴加工全过程分为44道工序，采用各种设备57台（套），机械手7台。其中，切削加工工序24道，高频淬火工序1道，清洗工序3道，动平衡及修正工序各1道，压键工序1道，加热压入齿轮工序1道，质量中心孔测定工序1道，油孔贯通检查工序1道，齿轮检查工序1道；连杆轴颈检测工序1道，主轴颈和连杆轴颈检测刻印工序1道，工件搬送工序7道。 （1）铣前后两端面，钻中心孔。采用的设备和国产的差不多，但有所不同的是所钻中心孔为质量中心孔而不是几何中心孔，且在此工序完成后采用一台质量中心孔基准平衡测定机进行曲轴动平衡初步检测。采用双转塔数控车床粗、精车前后端外圆。主轴颈上的止推面、主轴颈和连杆轴颈上的圆弧槽的粗加工采用单轴数控车床。采用斜切式端面外圆磨床精加工前后端外圆及端面。采用止推面磨床精加工止推面。热处理后采用专用机床修正质量中心孔。 （2）采用内切铣床粗加工主轴颈、连杆轴颈。采用车拉机床半精加工主轴颈。采用多砂轮磨床半精磨和精磨主轴颈。采用单砂轮磨床精磨连杆轴颈。采用砂带抛光机超精加工主轴颈和连杆轴颈。采用特化（滚压）专用机床精加工主轴颈和连杆轴颈上的圆弧槽。 （3）采用单轴数控机床加工前、后两端面上的孔系和轴颈上的直、斜油孔。采用动平衡试验机进行曲轴的动平衡试验。 （4）在生产线上配有部分机械手。 （5）曲轴加工完毕并经最终清洗后，配有特化专用机对主轴颈和连杆轴颈的尺寸进行在线检测和刻印。 （6）采用品质跟踪记录系统记录整个加工过程中的品质履历。 发动机曲轴制造技术的应用状况 当今的汽车发动机制造技术正朝着高速、智能、复合、环保方面发展，其发展特点是竞争加剧，如何能不断提高生产效率、降低制造成本，以具有竞争力的价格向客户提供高质量的产品，及时满足用户日益增长的需求，成为各企业共同关注的焦点。发动机生产的柔性化要求提高，要求能够根据市场的需求及时推出新的产品或转换新的型号生产，当市场对某种产品有需求时必须抓住机遇生产出足够满足市场需要的产品。发动机制造中有大量零部件需要进行切削加工，具有技术密集程度高、生产批量大、制造节拍快的特征，发动机制造中使用的刀具不仅要求其切削性能好、工作寿命长，还要求其具有高度的稳定性，同时还要具有很高的性能价格比，金属切削和刀具技术作为机械加工工艺环节中最活跃的因素，成为提高生产效率和加工质量、降低制造成本的关键技术之一。 正是基于以上情况，在进入二十一世纪以来，高效加工技术及装备汽车制造业得到了迅速的应用，生产效率得到了很大的提高，发动机曲轴生产线生产设备数量正急剧减少，一轿车发动机曲轴生产线的全线设备（包括热处理、表面强化）仅有13台左右，产品周转线短，加工效率高，易于质量管理。 二十世纪九十年代中期国外又研发出来新型的数控高速曲轴外铣机床，使曲轴粗加工工艺又上了一个新台阶。数控曲轴内铣与数控高速曲轴外铣对比，内铣存在以下缺点：不容易对刀、切削速度较低（通常不大于160m/min）、非切削时间较长、机床投资较多、工序循环时间较长，但内铣用来加工锻钢曲轴容易断屑，加工容易。而数控高速曲轴外铣有以下优点：切削速度高（可高达350m/min）、切削时间较短、工序循环时间较短、切削力较小、工件温升较低、刀具寿命高、换刀次数少、加工精度更高、柔性更好。数控高速外铣的缺点是不能加工轴向有沉割槽的曲轴，曲轴高速外铣刀的结构及应用。 曲轴精加工采用国内数控磨床磨削情况已相当普遍，产品加工精度已有相当程度的提高。为满足曲轴日益提高的加工要求，对曲轴磨床提出了很高的要求。随着现代驱动和控制技术，测量控制，CBN（立方氮化硼）砂轮和先进的机床部件的应用，为曲轴磨床的高精度、高效磨削加工创造了条件。一种称之为连杆颈随动磨削工艺正是体现了这些新技术综合应用的具体成果。而这种随动磨削工艺可显著地提高曲轴连杆颈的磨削效率、加工精度和加工柔性。在对连杆颈进行随动磨削时，曲轴以主轴颈为轴线进行旋转，并在一次装夹下磨削所有连杆颈。在磨削过程中，磨头实现往复摆动进给，跟踪着偏心回转的连杆颈进行磨削加工。实现随动磨削，X轴除了必须具有高的动态性能外，还必须具有足够的跟踪精度，以确保连杆颈所要求的形状公差。CBN砂轮的应用是实现连杆颈随动磨削的重要条件。由于CBN砂轮耐磨性高，在磨削过程中砂轮的直径几乎是不变的，一次修整可磨削600~800条曲轴。CBN砂轮可以采用很高的磨削速度，在曲轴磨床上一般可采用高达120~140m/s的磨削速度，有的甚至可更高些，磨削效率很高。 发动机曲轴制造技术的发展趋势 应用新型刀具材料 切削刀具性能的提高为高效高速加工发展提供了可能性，除了高速钢、硬质合金以外，超硬材料的发展起到了重要的作用。PCD、PCBN为难加工材料的切削、干切削、硬切削等的加工创造了条件。 为适应曲轴加工高速化、高效率、干式切削的需求，目前大量采用涂层刀具，涂层的材料，从TiN发展为Al2O3、TiC、ZrO2等，根据加工的要求，为提高耐高温的性能，又发展了TiCN、TiAlN、TiSiN、CrSiN等。现在PVD（物理气相沉积）、CVD（化学气相沉积）技术不断推陈出新，由单层发展成多层、千层、复合涂层，现在又发展成纳米涂层；深油孔的加工采用枪钻加工代替普通加长高速钢钻头，钻孔和攻丝用硬质合金材料来代替过去的高速钢材料。目前曲轴的精加工也渐渐开始使用CBN砂轮加工，CBN砂轮价格昂贵，但由于加工效率和耐用度高，分摊到每个工件上的刀具费用反而比采用价格低廉的普通砂轮的要低，据德国NAXOS磨床厂的资料，采用CBN砂轮加工时间通常可缩短50%，而加工费用可节约50%以上。 为达到高效加工的目的，还出现了组合式刀具和复合刀具，以简化工序、减少刀具数量、减少换刀时间和降低加工节拍时间，现在，还出现了钻孔和螺纹加工在一起的组合式刀具，这种复合刀具的前部用于钻孔，紧接着是刀具的螺纹加工部分，在螺纹底孔被钻出来后，该刀具即进行螺纹的铣削加工，仅用一把刀具即完成该孔的全部加工。 由于组合式刀具的应用大大提高了生产效率，但也增加了非标刀具的种类和数量，增加了对刀具管理的要求，特别是在刀具非正常消耗发生时，增加了快速获得替代刀具的困难和影响生产线正常生产的风险。因此怎样做到既能保证为获得高的生产率而大量采用复合刀具，又能尽可能地使刀具实现标准化，就成为刀具制造业和汽车制造业需要共同关注和研究解决的问题，需要制定一些相关的标准，开发定向于平台的刀具，建立一些标准的复合刀具结构，根据生产任务合理的组合或者变换切削及功能模块，并在这种复合刀具中尽可能地采用标准刀片，以快速价廉地制造各种专用刀具，这样将会大大降低刀具制造、采购和库存成本，缩短刀具供货时间，并显著提高出现刀具非正常消耗时的应急能力和快速响应能力。 采用复合加工技术 提到复合加工技术，就不得不提到复合加工机床，复合加工机床的定义也是随着时代变化的。过去将加工中心称为复合加工机床，但因工具交换加工的品种受到限制，而且也走不出切削加工的领域，现在已经不再将一般的加工中心称之为复合加工机床了。复合机床应具有工序集成功能，多种加工集成功能。从制造业所处的环境看，复合加工机床将一直是重点开发的机床产品之一，功能不断扩大，会向着“一台机床成为一个小工厂”的方向迈进。 曲轴制造业复合加工技术也有了一定程度的发展，奥地利WFL公司生产的卧式车铣复合加工中心具有一定的代表性。WFL公司提出了“一次装夹，完全加工”的概念。车铣中心集成了双主轴车削中心、五轴加工中心、深孔镗、铣、钻和三坐标功能于一身，在一台具有双主轴的车铣复合加工中心上可以对曲轴进行完全加工，加工后的曲轴可直接转入精加工工序。目前国内也推出了类似的复合机床，在CIMT2005上，沈阳数控机床有限责任公司的CKZ80-5车铣加工中心就是一台复合机床。该机床代表了我国同类机床的最高水平。该机床五轴中X、Y、Z、B轴采用直线光栅尺或圆度光栅尺检测，可实现闭环控制。该加工中心备有48~96工位刀库可实现自动换刀，一次装卡可进行车、铣、钻、镗、攻丝等加工。 在曲轴精加工方面，也出现了工序集成的CBN数控磨床，即一次装夹磨削全部曲轴主轴颈和连杆轴颈，此类磨床一般配双砂轮头架。日本TOYADA工机、德国勇克（JUNKER）、德国NAXOS等生产的此类数控磨床是比较成熟的设备。 结束语 随着中国汽车产业的飞速发展，相应的新工艺、新装备、新材料也将不断地涌现，市场竞争也越来越激烈。高速、高效加工在曲轴制造业已有相当程度的应用，并成为主要发展方向，相信曲轴制造技术在将来会有更新、更快的发展。(end)

文章内容仅供参考 (投稿) (如果您是本文作者，请点击此处) (4/20/2009)