曲轴制造技术及特种工艺

曲轴制造技术及特种工艺
＜随着发动机日益向轻量化、结构简单化、性能优质化方向发展，发动机曲轴制造技术和工艺发生了很大的变化。

在当今市场产品严重同质化的情况下，为提高产品竞争力，近年来发动机曲轴加工采用了不少特种工艺，以增强企业的竞争优势。

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。

如美国底特律Ford发动机厂曲轴生产线只有17道工序，占地面积6967m2，但年产V8发动机球铁曲轴53.5万件。

其先进技术主要体现在两个方面：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高速、高效、柔性加工技术，简化了工艺过程，提高了加工质量，同时也缩短了单件加工时间。

另外，为适应降低成本等需要，近年来发动机曲轴加工采用了很多特种工艺，相比之下，国内大多数生产线还存在较大差距。

先进加工技术及装备
1、钻质量中心孔技术
曲轴属于细长类零件，加工过程中主要定位基准是两端中心孔，按其加工位置可分为两种:一种是利用双V型块或其它方式找出曲轴支承轴颈的几何中心，在此中心上加工出的中心孔称为几何中心孔；另一种是利用专门的质量定心机测出曲轴的质量中心，在此中心上加工出的中心孔称为质量中心孔。

由于毛坯的几何形状误差和质量分布不匀等原因，一般两者并不重合。

国内生产线中多采用几何中心孔，但是利用几何中心孔作定位中心进行车加工或磨加工时，工件旋转会产生离心力，不仅影响加工质量，降低定心元件的使用寿命，而且在加工后剩余的动不平衡量较大。

基于这种原因，国外大都采用质量中心孔，利用专门设计的测试设备来测试质量中心，然后加工出中心孔，并且可将铣两端长度和加工质量中心孔合并为一道工序，采用CNC技术控制，加工效率很高。

但需要注意的是，若毛坯弯曲变形严重或质量严重分布不均匀，采用质量中心孔仍不能彻底解决上述问题。

因此，笔者认为曲轴的质量中心孔和几何中心孔应按毛坯质量的好坏合理选用：如果毛坯质量好，加工余量小且加工余量分布均匀，这时曲轴的质量中心孔与几何中心孔会基本重合，不必花费较高的经费购置质量定心设备；如果毛坯质量较差，加工余量大且加工余量分布不均匀，则优先选用质量中心孔。

2、数控车-车拉技术
车拉技术在国外大量用于半精加工曲轴的主轴颈和连杆轴颈。

其加工形式可分为3种：直线车拉、内环刀具旋转车拉和外环刀具旋转车拉。

图1 双刀盘车-车拉机床
3、数控高速外铣技术
对于平衡块侧面需要加工的曲轴，CNC高速外铣技术比CNC车削、CNC内铣、车-车拉的生产效率更高。

以四拐曲轴为例，CNC车-车拉工艺加工连杆轴颈要二道工序，而CNC高速外铣只要一道工序即可完成（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铣削曲轴的连杆轴颈）。

CNC高速外铣的优点包括：切削速度高（可高达350m/min）、切削和工序循环时间较短、切削力较小、工件温升较低、刀具寿命高、换刀次数少、加工精度更高且柔性更好，因此CNC高速外铣将是曲轴主轴颈和连杆轴颈粗加工的发展方向。

4、CNC内铣技术
CNC内铣加工性能指标高于普通外铣加工，尤其对于锻钢曲轴，内铣更有利于断屑，刚性特别好。

数控内铣铣削工艺是目前国际上曲轴连杆颈粗加工先进的加工方法之一，尤其是大功率锻钢曲轴的加工，内铣工艺更是首选。

5、数控磨削技术
曲轴传统的磨削工艺均采用磨削线速度为35m/s的普通曲轴磨床，砂轮进给和修整为手动进给，轴径和台肩的磨削余量大，砂轮耐用度低，需技术工人精工细作才能磨出精品。

目前，曲轴磨削采用多种磨削方式
来加工，图２为曲轴CBN磨削。

图2 曲轴CBN磨削
曲轴磨削可采用的技术有单序加工和复合加工等工艺。

采用单序加工方式加工磨削效率很高，磨削后轴颈的跳动量容易控制，砂轮一次修整完毕后能保证各轴颈尺寸的一致性。

缺点是柔性差，只能加工一个系列产品。

加工曲轴前端和后端的有宽砂轮组合磨削等。

例如，磨削四拐曲轴主轴颈采用的工艺有五砂轮磨削（如图３），磨削四拐曲轴连杆颈采用的工艺有双砂轮磨削（如图４）。

图3 五砂轮磨削主轴
图4 双砂轮磨削连杆颈
复合加工是指一次装夹磨削所有主轴颈和连杆轴颈，磨削连杆轴颈采用先进的摆动跟踪磨削技术，这种磨削方式最大的优点是柔性化好。

复合加工有两种可以采用的工艺：顺序磨削主轴轴颈及连杆轴颈（如图５）和同步磨削主轴轴颈及/或连杆轴颈（如图６）。

图5 顺序磨削主轴颈和连杆颈
图6 同步磨削主轴颈及/或连杆颈
6、曲轴深油孔加工采用枪钻技术
曲轴深油孔加工是曲轴尤其是锻钢曲轴加工中的一个难题。

曲轴深油孔的直径一般在5～8mm之间，从主轴颈到连杆颈倾斜贯通，属典型细长孔，而且在曲面上加工，工艺性差。

加工深油孔最好的办法是采用枪钻工艺。

枪钻不但可用来加工深孔（径长比1:250），而且也可用来加工浅孔（径长比1:1）。

枪钻由钻柄（用于装夹刀具）、钻杆（用于连接刀头，按加工孔的长度确定，采用韧性较好的材料）、钻头（切削部分，刀尖是偏心的，采用硬质合金材料）三部分焊接在一起，中间有一通孔，外侧面有一直V型槽。

依靠中间通孔实现内冷却，冷却液从后刀而上的小孔处喷出，可直接对切削区冷却。

当使用高压冷却液时，其切屑能从被加工孔中通过直V型槽有效排出，无需在钻削过程中定期退刀来排出切屑。

在加工细长孔时，枪钻可以将钻孔、镗孔、铰孔一次完成，一次走刀便可加工出高精度（IT6～8级）、直线度（0.16～0.33mm/1000m m）、粗糙度值（Ra3.2～0.1）孔。

据一汽大众资料介绍，当用枪钻加工发动机曲轴的深油孔时，必须使用尺寸适合的专用钻套。

他们采用的钻套是用硬质合金或合金工具钢制造的精密枪钻钻套，其硬度为HRC 63～65，内孔表面粗糙度为Ra1.6～3.2，内外径最大允许同轴度误差为2um，前端面最大允许跳动误差为5um，钻套底面和工件表面的距离不超过0.5mm，钻套和主轴的同轴度误差不超过5um，钻套与枪钻头部的间隙保持在3～8um之内。

使用枪钻的机床主轴必须有较高的轴向和径向刚度，使用时应正确选取切削用量。

一般情况下，切削速度Vc为60～100m/ min，进给量f为0.015～0.03mm/r，油压P为2.5～6.0MPa，流量Q为0.2～0.65L/s。

此外，加工发动机曲轴的深油孔时还需选择专用的枪钻油。

一般枪钻用切削液应有极压添加剂，以保证
在高压下形成油膜，防止产生干摩擦。

切削液的粘度与钻孔直径有关，直径越小，粘度越低。

送往枪钻切削区的切削油和一般机械加工相比具有压力高、流量大、过滤精度高的特点。

流量应随孔深的增大而增大，以保证切削油有更大的流速，达到通畅排屑的目的。

图7 光整前后曲轴的对比
曲轴特种加工工艺
1、圆角滚压工艺
曲轴的圆角滚压是利用滚轮的压力作用，在曲轴的主轴颈和连杆颈过渡圆角处形成一条滚压塑性变形带。

这条塑性变形带的特点包括：
（1）产生的残余压应力可与曲轴在工作时的拉应力抵消或部分抵消，从而提高疲劳强度。

（2）硬度提高。

滚压使圆角处形成高硬度的致密层，从而使曲轴的机械强度和疲劳强度提高。

（3）表面粗糙度降低。

圆角滚压可使圆角表面粗糙度达到Ra0.1以下，从而大大减小圆角处的应力集中，提高疲劳强度。

国外应用的圆角滚压技术已相当先进，可一次完成对所有圆角的滚压，且可做到主轴颈与连杆轴颈圆角的压力不同，同一连杆轴颈圆角在不同方向上的压力也可不同。

这样可经济地达到最佳的滚压效果，最大限度地提高曲轴的抗疲劳强度。

经德国赫根塞特（HEGENSCHEID）公司测定，球铁曲轴经滚压后寿命可增至10 0%～280%。

2、滚磨光整工艺
光整加工技术应用于发动机曲轴，可以使其表面质量大幅度提高。

其主要工作原理是：由颗粒状磨料和多功能磨液以及水组成磨具，磨具在料箱中做复杂的自由运动，将工件沉没于磨具之中旋转运动，工件与磨具以一定的相对速度和作用力发生摩擦、挤压、刻划和微量切削，以达到表面质量的提高。

尤其对曲轴而言，由于结构复杂人工去除毛刺困难，光整技术就显得尤为重要。

光整加工技术的具体效果和主要特点包括：
（1）能较全面地去除毛刺、圆化尖角锐边；
（2）能去除手工无法去除的锈蚀、氧化层和改善缺陷，使表面光亮夺目柔和；
（3）细化表面组织，提高轴颈表面残余压应力的数值；
（4）改善装配性，提高可靠性和使用寿命，降低磨合期；
（5）可大幅度地提高表面轮廓支撑长度率Tp值，提高表面耐磨性。

3、砂带抛光工艺
曲轴的主轴颈、连杆轴颈及止推面都要求进行超精加工和抛光。

传统工艺是采用靠模油石超精加工机床，加工后严重地破坏了轴颈的几何形状，形成马鞍形（凹形），而且对轴颈尺寸影响较大。

国外曲轴的超精加工早已采用数控砂带抛光工艺，而且这种砂带是防潮静电植砂的（保证砂粒尖锋朝外）。

为了能对圆角和轴肩抛光，砂带两侧开槽以便与加工面贴合。

国外的曲轴砂带抛光机可同时抛光主轴颈、连杆轴颈、圆角、轴肩及止推面。

其结构均采用对夹式，每个轴颈上用4片垫块（中凹型）压紧砂带；垫块和砂带宜根据工件材质和硬度选择；机床上的卷带机能保证每个轴颈都有一段新砂带（长度可调）参加工作；抛光的方式以超精加工的原理进行。

其效率和效果都远远优于油石。

对于球铁曲轴的抛光与磨削，由于球铁内的铁素体磨削后会形成突起毛刺，所以应使轴的磨削转向与工作转向相反，抛光转向与工作转向相同。

这样才能在抛光中有效地去除毛刺，避免工作时刮伤轴瓦。