[摘要]曲轴是发动机中关键零件之一, 它的制造质量直接影响着汽车发动机的性能和安全。随着发动机趋于轻量化、结构简单化、性能优质化, 发动机曲轴制造工艺发生了很大的变化。高速、高效、柔性、复合化是曲轴制造技术发展的主要方向。

[关键词]曲轴加工;工艺方法;先进技术

[作者简介]黄应勇,柳州职业技术学院高级工程师,研究方向:数控机床应用技术,广西柳州,545006

[中图分类号] TK406[文献标识码] A[文章编号] 1007-7723(2010)09-0025-0003

一、前言

进入21世纪以后,世界汽车工业发达国家对发动机曲轴的加工十分重视,并不断改进曲轴加工工艺。因曲轴是汽车发动机的重要零件,工作时曲轴承受气体压力、惯性力及惯性力矩的作用,受力大而且复杂,并且承受交变负荷的冲击作用,因此发动机曲轴在制造工艺、刀具等方面都发生了巨大的变化。领导了近半个多世纪的多刀车削工艺和手工磨削工艺,由于加工精度低和柔性差等原因,正在逐步退出历史舞台。高速、高效的复合加工技术及装备迅速进入汽车及零部件制造业,高速高效复合加工技术在曲轴加工生产中已有相当程度的应用,并将是其必然发展的趋势。

先进的曲轴加工生产线一般都比较短, 但效率高、产量大, 加工出的曲轴质量好且很稳定。先进技术主要有两个方面: 一是大量采用了CNC 控制技术, 形成柔性生产线。二是应用了许多先进的曲轴高速、高效、柔性加工技术, 简化了工艺过程, 提高和稳定了加工质量, 同时也缩短了单件的加工时间。本文主要讨论一些中小企业目前正在采用的曲轴工艺方法,近期如何改进,今后应如何发展的问题。

二、曲轴加工技术现状

目前,某企业的微型汽车发动机曲轴生产线由普通机床、少数数控机床和一些专用机床组成,生产效率和自动化程度相对较低。以下是该企业的曲轴工艺方案。

(一)曲轴材料

目前曲轴材质有球墨铸铁和钢两类。由于球墨铸铁的力学性能接近调质钢,切削性能良好,且其成本只有调质钢材质成本的1/3左右,所以球墨铸铁曲轴在国内外得到了广泛应用。据统计资料表明,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%[1]。该企业根据主机厂的要求采用球墨铸铁材料,因此制定加工工艺要充分考虑到球墨铸铁的加工特点。

(二)关键部位加工简述

主轴颈:普车分别打两端中心孔及粗车→数车半精车→普通曲轴磨→抛光。

连杆轴颈:普车粗及半精车→普通曲轴磨→抛光。

油孔:摇钻钻孔→人工去毛刺→清洗。

(三)加工工艺流程

普车打两端中心孔→普车粗车主轴颈及大小头→数车半精车主轴颈及大小头→普车粗车连杆轴颈→普车车大小头→摇钻钻油孔→摇钻钻法兰孔及攻螺纹→铣扁位→粗磨主轴颈→磨连杆轴颈→精磨主轴颈及大小头→铣键槽→动平衡去重→抛光主轴颈及连杆轴颈→探伤→总检→清洗。

三、曲轴加工工艺分析

(一)主要部位技术要求

1.主轴颈与连杆轴颈 的圆柱度公差为0.005 mm。

2.中间三个主轴颈对两端主轴颈 的圆跳动公差为0.015mm。

3.曲轴的连杆轴颈与主轴颈偏心距为33±0.03mm,在加工时应注意回转平衡。

4.连杆轴颈 的轴线对两端主轴颈 的平行度公差为0.05 mm。

(二)主轴颈加工工艺分析

因主轴颈的尺寸精度、圆柱度、圆跳动要求较高,该企业采用的加工方案是:普车分别打两端中心孔及粗车→数车半精车→普通曲轴磨粗、精磨→抛光。该方案的特点是设备简单、见效快,但是因用普车分别打中心孔校正时间长、能耗大,该方案生产效率低、劳动强度大、工序质量稳定性差,容易产生较大的加工应力,难以达到合理的加工余量。

近期内可采取的投资小、见效快的改进工艺方案:专机打两端中心孔→数车粗车、精车→普通曲轴磨粗、精磨→抛光。此方案与原方案的主要区别在于粗加工。原方案主要采用加工效率低、劳动强度大的设备。改进方案主要采用加工效率高、劳动强度小的粗加工设备,如打中心孔采用专机、车主轴颈及外圆采用数车。这样的方案工序质量稳定性强,避免了采用普通机床完全依赖操作人员的技术水平来控制加工质量。打中心孔专机可以直接购买数控打中心孔专机,但价格较昂贵;也可以自行设计制造,且成本低,但周期较长。

随着汽车工业对产品质量日益提高及产量增大的要求,远期内可采取的改进工艺方案:专机打两端中心孔→数车粗车、精车→数控曲轴磨粗、精磨→抛光。此方案与近期方案的主要区别在于精加工,即把普通曲轴磨改为数控曲轴磨。此方案虽然增加了设备投资,但是提高了加工效率,降低了劳动强度,在产量相同的条件下还可以减少在线操作人员,且工序质量相当,稳定性强。这样的方案才符合当前汽车工业发展的要求。

(三)连杆轴颈加工工艺分析

因连杆轴颈的尺寸精度、圆柱度、其轴线对主轴颈的平行度要求较高,该企业采用的加工方案是:普车粗车→普通曲轴磨粗、精磨→抛光。该方案的特点是设备简单、见效快,但都因用普通机床,生产效率低,劳动强度大,工序质量稳定性差。

近期内可采取的投资小见效快的改进工艺方案:数车粗车→普通曲轴磨粗、精磨→抛光。此方案与原方案的主要区别在于粗加工。原方案主要采用加工效率低、劳动强度大的普通车床进行粗加工。改进方案主要采用加工效率高、劳动强度小的数控车床进行加工,且车夹具也可以进行改进。原方案的结构简图如图1所示,改进的方案如图2所示。后方案的优点在于改变了旋转中心位置,减小了离心力,减少了配重,有利于减小切削振动带来的不利影响。

远期内可采取的改进工艺方案:专用外铣→数控曲轴磨粗、精磨→抛光。此方案与近期方案的主要区别在于加工设备不同。此方案增加了设备投资,但是提高了加工效率、降低了劳动强度,在产量相同的条件下还可以减少在线操作人员,且工序质量相当,稳定性强。

(四)油孔加工工艺分析

油孔的加工特点是小而深,钻头容易折断。该企业采用的加工方案是:摇钻钻孔→人工去毛刺→清洗。该方案的特点是设备简单、见效快,但都因用普通机床生产效率低,劳动强度大,工序质量稳定性差。

可采取的改进工艺方案:数车专用钻钻孔→人工去毛刺→清洗。此方案与原方案的主要区别在于采用加工效率高、劳动强度小的数控机床进行加工。

四、曲轴先进加工技术的应用

(一)曲轴制造业面临的问题

目前,随着汽车制造更新换代步伐的加快,发动机曲轴制造业面临以下几个问题:

1.批量小、品种多;

2.交货期大大缩短;

3.市场竞争要求降低生产成本;

4.难切削材料的出现提出了如硬切削等许多需要解决的课题;

5.为保护环境,要求采用干式切削或准干式切削。

(二)曲轴先进加工方法

正是基于以上情况,进入21世纪以来,高速、高精、高效、高柔性的先进加工技术及装备在汽车曲轴制造业中得到了迅速应用,生产效率得到了很大提高,因此发动机曲轴生产线中的生产设备数量得以减少。其主要先进的应用技术有以下几方面:

1.曲轴车-车拉技术

该加工工艺是将曲轴车削工艺与曲轴车拉工艺完美结合, 其主要特点有:(1)一次设定能完成所有同心圆的车削,具有在同一台机床上完成车-车拉加工,高效率、高精度,通过使用特殊卡盘和刀具系统实现柔性加工以及机床保养简便、维护成本低等优点;(2)适用于平衡块侧面不需加工、轴颈有沉割槽的曲轴;(3)拉削工艺可用高效的梳刀技术代替,梳刀加工放到该工序的最后工步,通过微量的径向进给和纵向车削实现高速精加工,具有切屑易清理和轴向进刀量小等优点。

2.数控高速曲轴外铣技术

应用工件回转和铣刀进给伺服连动控制技术,可以一次装夹不改变曲轴回转中心随动跟踪一次完成铣削曲轴的全部连杆轴颈。其主要特点有:(1)对平衡块侧面需要加工的曲轴,比CNC车削、CNC内铣和车-车拉的生产效率高;(2)切削速度高、切削时间较短、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。

3.数控内铣技术

数控内铣加工性能指标要高于普通外铣加工[2],主要特点是:(1)生产效率高、加工精度好、干式切削、适用范围广和柔性好;(2)对于锻钢曲轴,内铣更有利于断屑,刚性特别好。但内铣存在以下缺点: 不容易对刀、切削速度较低、非切削时间较长、机床投资较多、工序循环时间较长。

4.高速数控内曲轴磨技术

采用高速CBN砂轮,磨削主轴颈和连杆轴颈一次装夹,效率高、质量可靠。主要性能:在加工过程中检测;对圆度偏差自动补偿;切入式磨削及摆动磨削;采用静压导轨,无爬行效应,确保持久的高精确度;采用矿物铸铁浇注床身,起到吸振抗扭作用。

五、结语

汽车发动机曲轴的工艺方法千变万化,每个企业加工曲轴采用的工艺方法应该根据各自所具备的条件来确定,即考虑所具备的设备状况,还要考虑资金状况;但是一定要向数控化、高速化、柔性化发展。

[参考文献]

[1]汤晓宇.汽车发动机曲轴机械加工技术[J].汽车工艺与材料,2007,(6).

[2]李海国,张小菊,徐庆杰.曲轴加工工艺的发展演变及柔性生产线[J].汽车工艺与材料,2007,(6).