引言: 

      曲轴是内燃发动机中的关键零件之一,也是内燃机中最难加工的工件之一。曲轴在发动机中是将活塞连杆的住复运动变为旋转运动, 其在工作过程中会不断承受很大的弯曲应力和扭转应力, 且受力情况异常复杂。所以对曲轴的抗拉强度、刚度、耐磨性、耐疲劳性以及冲击韧性等都提出了更高的要求。曲轴的主要失效形式是轴颈磨损和疲劳断裂, 因此对曲轴在生产制造环节强化工艺技术和机械加工技术同样都有着更高的要求。

1 国内外曲轴加工技术的现状

      目前车用发动机曲轴材质主要有球墨铸铁和钢两类。由于球墨铸铁曲轴成本只有调质钢曲轴成本的1/3 左右, 且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。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质的比例在美国为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。国内采用球墨铸铁曲轴的趋势则更加明显, 中小型功率柴油机曲轴85%以上采用球墨铸铁, 而功率在160kW以上的发动机曲轴多采用锻钢曲轴。

1.1 曲轴的强化工艺技术。目前国内外曲轴常见的强化工艺大致有如下几种:

      氮化处理。氮化能提高曲轴疲劳强度的20%~60%。

      喷丸处理。曲轴经喷丸处理后能提高疲劳强度20%~40%。

      圆角与轴颈同时感应淬火处理。该强化方式应用于球铁曲轴时, 能提高疲劳强度20%, 而应用于钢轴时, 则能提高l00%以上。

      圆角滚压处理。球铁曲轴经圆角该压后寿命可提高120%~300%, 钢轴经圆角液压后寿命可提高70%~150%。曲轴圆角滚压强化工艺主要包括曲轴圆角滚压和曲轴滚压校正两部分。在滚压过程中, 由伺服传动系统控制曲轴旋转的转速和旋转角度, 同时由液压伺服控制系统控制液压过程的压力负载, 使每个主轴颈和连杆颈依次完成整个滚压过程。对弯曲曲轴的校直处理首先要检测曲轴的弯曲变形数据即弯曲度的大小和相位方向, 然后用摆差传感器检测各主轴颈处的摆差, 继而由专家系统数据库对摆差数据进行分析处理并给出校直方案, 即给出在某几个主轴颈或连杆颈上的再施压方案, 从而利用此施压方案重新按压产生新的变形来消除曲轴的弯曲。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) 公司定, 球铁曲轴经滚压后寿命可增至100%～280%。

      复合强化处理。它是指应用多种强化工艺对曲轴进行强化处理, 球墨铸铁曲轴采用圆角该滚压工艺与离子氮化工艺结合使用, 可使整个曲轴的抗疲劳强度提高130%以上。

1.2 曲轴的机械加工技术。曲轴主轴颈和连杆轴颈的粗加工、半精加工工艺和精加工工艺, 大体分为以下几种:

      传统的曲轴主轴颈及连杆轴颈的多刀车削工艺。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, 难以达到合理的加工余量。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, 导致产品生产周期长、场地占用面积大, 且完全是靠多台设备分解工序和余量来提高生产效率。

      数控车削工艺。数控车削设备价格相对便宜,不需要复杂的刀具, 但只适合小批量生产。 

      数控内铣铣削工艺。内铣设备价格较高, 刀具费用也很高, 但适合大批量生产。 

      数控车—拉、数控车—车拉工艺。其突出优点是可对宽轴径进行分层加工, 切削效率高, 加工质量好, 但车拉刀具结构复杂, 技术含量高, 并且长期依靠进口, 好处是可集车—车拉工艺加工连杆轴颈要两道工序于一起。 

      CNC 高速外铣工艺。数控高速外铣是20 世纪90 年代新兴起来的一种新型加工工艺, 其适用范围广, 特别双刀盘数控高速外铣以其加工效率高、加工质量稳定、自动化水平高, 已成为当前是曲轴主轴颈和连杆轴颈粗加工的发展方向。就比较而言, CNC 车—车拉工艺加工连杆轴颈要二道工序, CNC高速外铣只要一道工序就能完成, 切削速度高( 目前最高可达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。如德国BOEHRINGER 公司专为汽车发动机曲轴设计制造的柔性的高速随动数控外铣床VDF315 OM- 4 型, 该设备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。其采用一体化复合材料结构床身, 工件两端电子同步旋转驱动, 具有干式切削、加工精度高、切削效率高等特点; 使用SIEMENS 840D CNC 控制系统, 设备操作说明书在人机界面上, 通过输入零件的基本参数即可自动生成加工程序, 可以加工长度450～700mm、回转直径在380mm以内的各种曲轴, 连杆轴颈直径误差仅为±0.02mm。

      数控曲轴磨削工艺。精加工使用数控磨床, 采用静压主轴、静压导轨、静压进给丝杠( 砂轮头架)和线性光栅闭环控制等控制装置, 使各尺寸公差及形位公差得到可靠的保证, 精加工还广泛使用数控砂带抛光机进行超精加工, 经超精加工后的曲轴轴颈表面粗糙度至少提高一级精度。如GF70M- T 曲轴磨床是日本TOYADA工机开发生产的专用曲轴磨床, 是为了满足多品种、低成本、高精度、大批量生产需要而设计的数控曲轴磨床。该磨床应用工件回转和砂轮进给伺服联动控制技术, 可以一次装夹而不改变曲轴回转中心即可完成所有轴颈的磨削, 包括随动跟踪磨削连杆轴颈;采用静压主轴、静压导轨、静压进给丝杠( 砂轮头架) 和线性光栅闭环控制, 使用TOYADA 工机生产的GC50 CNC控制系统, 磨削轴颈圆度精度可达到0.002mm; 采用CBN 砂轮, 磨削线速度高达120m/s, 配双砂轮头架, 磨削效率极高。

2 国内外曲轴加工技术展望

      美国、德国、日本等汽车工业发达国家都致力于开发绿色环保、高性能发动机, 目前各个厂家采用发动机增压、扩缸及提高转速来提高功率的方法, 使得曲轴各轴颈要在很高的比压下高速转动,发动机正向着增压、增压中冷、大功率、高可靠性、低排放方向发展。曲轴作为发动机的心脏, 正面临着安全性和可靠性的严峻挑战, 传统材料和制造工艺已无法满足其功能要求, 市场对曲轴材质以及毛坯加工技术、精度、表面粗糙度、热处理和表面强化、动平衡等要求都十分严格。如果其中任何一个环节质量没有得到保证, 则可严重影响曲轴的使用寿命和整机的可靠性。世界汽车工业发达国家对曲轴的加工十分重视, 并不断改进曲轴加工工艺。随着WTO的加入, 国内曲轴生产厂家已经意识到形势的紧迫性, 引进了为数不少的先进设备和技术, 以期提高产品的整体竞争力, 使得曲轴的制造技术水平有了大幅提高, 特别是近5 年来发展更为迅猛。

      目前国内轿车曲轴生产线多为高速柔性生产线FTL( Flexible Transfer Line) , 这种生产线的特点是不仅可以加工同系列曲轴, 而且还可加工变型产品、换代产品和新产品, 真正具备柔性意义。为进一步提高高速柔性生产线的生产效率, 更快的适应市场, FTL 未来发展是敏捷柔性生产线AFTL( Agile Flexible Transfer Line) 。

      其主要目的是: 满足市场变化的需求。不但满足当前产品的要求, 还应考虑未来市场需求。满足生产方式的需求。能满足现代发动机“多品种、大中批量、高效率、低成本”的生产需求。符合“精益生产”的原则。杜绝浪费, 用最少投资、最大回报谋取利润。由于发动机曲轴自身结构的特殊性, 曲轴AFTL 应具备以下特点: 由高速加工中心和高效专用机床( 含少量组合机床) 组成。按工艺流程排列机床并由自动输送装置连接, 采用柔性夹具和高效专用刀具生产。为防止关键工序设备故障造成全线停产, 可增设平行设备增补, 亦能满足大批量生产的需要。

      发动机曲轴做为发动机的核心部件, 其制造水平直接反映着一个国家的装备制造业水平的发展状况, 做为装备制造业大国, 我们要大力发展装备制造业,逐步缩短国内外技术差距,加大技术投入力度,消化吸收国外先进制造技术, 不断创新攻关尖端制造技术, 这对发展民族工业和对国民经济建设都具有非常重要的意义。