| 词条 | 曲轴 |
| 释义 | § 概述 曲轴进入21世纪以后，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 是其必然发展趋势。 曲轴加工技术设备现状 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。粗加工设备一般采用多刀车床车削曲轴主轴颈及连杆轴颈，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。精加工普遍采用MQ8260等普通曲轴磨床进行粗磨、半精磨、精磨、抛光，通常靠人工操 作，加工质量不稳，尺寸一致性差。 老式生产线一个主要的特点就是普通设备太多，按加工球墨铸铁曲轴来计算，一条生产线有35～40台设备。粗加工采用 普通外铣加工主轴颈和连杆颈，然后数控精车主轴颈和连杆颈，再经过多道工序的磨削方转入精加工工序。所以这条生产线设备达60多台，导致产品周转线长、场 地占用面积大，其生产效率完全是靠多台设备分解工序和余量来提高的。 § 工艺进展 曲轴1、球墨铸铁曲轴毛坯铸造技术 （1） 熔炼 高温低硫纯净铁水的获得是生产高质量球墨铸铁的关键。中国国内主要是以冲天炉为主的生产设备，铁水未进行预脱硫处理；其次是高纯生铁少、焦炭质量差。目前已采用双联外加预脱硫的熔炼方法，采用冲天炉熔化铁水，经炉外脱硫，然后在感应电炉中升温并调整成分。目前，在国内铁水成分的检测已普遍采用真空直读光谱仪来进行。 （2） 造型 气流冲击造型工艺明显优于粘土砂型工艺，可获得高精度的曲轴铸件，该工艺制作的砂型具有无反弹变形量等特点，这对于多拐曲轴尤为重要。目前，国内已有一些曲轴生产厂家从德国、意大利、西班牙等国引进气流冲击造型工艺，不过，引进整条生产线的只有极少数厂家，如文登天润曲轴有限公司引进了德国KW铸造生产线。 2、钢曲轴毛坯的锻造技术 近几年来，国内已引进了一批先进的锻造设备，但由于数量少，加之模具制造技术和其他一些设施跟不上，使一部分先进设备未发挥应有的作用。从总体上来讲，需改造和更新的陈旧的普通锻造设备多，同时，落后的工艺和设备仍占据主导地位，先进技术有所应用但还不普遍。 3、机械加工技术 目前国内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拐颈，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MQ8260等曲轴磨床粗磨- 半精磨-精磨-抛光，通常靠手工操作，加工质量不稳定。 随着贸易全球化的到来，各厂家已意识到了形势的严峻性，纷纷进行技术改造，全力提升企业的竞争力，近年来引进了许多先进设备和技术，进展速度很快。就目前状况来讲，这些设备和技术基本依赖进口。下面就哈尔滨东安动力、一汽大柴、文登天润曲轴、滨州海得曲轴等公司的情况作以介绍。 哈尔滨东安集团曲轴生产线为全自动柔性流水生产线，粗加工生产线由德国的专机自动线（LINDENMAIER）、数控车-车拉、数控高速随动外铣（BOEHRINGER）、圆角滚压机（HEGENSCHEIDT-MFD）和止推面车滚专机、淬火机（EMA）等组成；精加工生产线由日本的数控高速CBN磨床（TOYODA）、动平衡机、抛光机（IMPCO-NACHI）、检测机、清洗机等组成。连杆轴颈加工则采用了数控高速随动加工技术，全线采用高速CBN砂轮磨削技术，磨削线速度达到120m/s。 文登天润曲轴通过引进德、美、意等发达国家的先进设备，组建了具有当今国际先进水平的大型曲轴生产基地，由CBN磨床、HAAS立式和卧式加工中心、意大利SAIMP磨床、德国HELLER曲轴内铣床和SA－FINA抛光机等设备组成的机加工生产线已经开始大批量生产。 一汽大柴曲轴生产线粗、精加工工序位于不同的车间，从而保证了精加工车间的清洁。粗加工有曲轴质量定心机、数控内铣床等设备，精加工设备由英国LANDIS、日本TOYADA数控曲轴磨床等进口先进设备组成。 滨州海得曲轴经过技术改造，组建了数控曲轴机加工生产线，粗加工设备由数控车床、数控曲轴铣床等设备组成，精加工设备由数控磨床、数控砂带抛光机、滚磨光整机等设备组成，近期准备购进日本TOYADA工机数控磨床等关键设备，检验设备有美国 ADCOLE曲轴三坐标测量机、粗糙度仪等组成。值得一提的是，海得曲轴公司在全国专业曲轴生产厂家中率先应用了球墨铸铁曲轴圆角滚压和滚磨光整新技术，取得了良好的经济效益和社会效益。 辽宁鸿发曲轴生产线经过技术改造后，主要由三台数控车床（进口VT36、CAK6163、 CAK6150）、两台数控内铣（S1-305B）为主的粗加工设备；七台数控曲轴磨床（1台进口CBN砂轮3L1、2台H197B、4台H229B）和荧光磁粉探伤机等精加工设备；去应力采用8台井炉，氮化处理采用7台离子氮化炉，淬火热处理采用法国进口EFD公司生产的CIHM12全自动淬火机床和推杆式回火炉。同时由美国进口的曲轴综合测量仪可以对曲轴进行全尺寸检验，产品质量得到了可靠的保障，同时具备了三条生产线同时加工的生产能力。 曲轴可以看出，发动机曲轴制造技术进展最为迅速的是机械加工装备，比较典型的加工工艺是铣削和磨削。下面简要介绍GF70M-T曲轴磨床和VDF 315 OM-4高速随动外铣床，其先进程度可见一斑： 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。 VDF 315 OM-4高速随动外铣床是德国BOEHRINGER公司专为汽车发动机曲轴设计制造的柔性数控铣床，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。VDF 315 OM-4高速随动外铣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，连杆轴颈直径误差为±0.02mm。 4、热处理和表面强化处理技术 曲轴的热处理关键技术是表面强化处理。球墨铸铁曲轴一般均采用正火处理，为表面处理做好组织准备，表面强化处理一般采用感应淬火或氮化工艺。锻钢曲轴则采用轴颈与圆角淬火工艺。引进的设备有AEG全自动曲轴淬火机床、EMA淬火机床等。 据国外资料介绍，球墨铸铁曲轴采用圆角滚压工艺与离子氮化结合使用进行复合强化，可使整条曲轴的抗疲劳强度提高130%以上。国内部分厂家近几年也进行了这方面的实践，取得了良好的效果。 曲轴圆角滚压加工方面，德国赫根塞特（HEGENSCHEIDT-MFD AUTOMATIC）生产的机床应用了变压力滚压和矫正专利技术，是比较好的圆角滚压设备，但价格昂贵。目前国内在这方面的研究也有了一定的成果，东风汽车有限公司工艺研究所的“曲轴圆角滚压强化与滚压校直技术研究开发及应用”解决了国内企业化巨资引进国外技术的问题，该课题获得了原国家机械工业局科技进步二等奖。 § 面临问题 而当今的汽车发动机曲轴制造业面临的却是以下几个问题： 1.多品种、小批量生产； 2.交货期大大缩短； 3.降低生产成本； 4.难切削材料的出现使加工难度明显增加，加工中提出了许多需要解决的课题，如硬切削； 5.为保护环境，要求少用或不用切削液，即实现干式切削或准干式切削；正是基于以上情况，进入21世纪以来，高速、高精、高效的复合加工技术及装备在汽车曲轴制造业中得到了迅速的应用，生产效率得到了很大提高，因此发动机曲轴生产线中生产设备数量得以减少。 曲轴全线设备（包括热处理、表面强化）只有13台设备左右，产品周转线短、加工效率高、易于质量控制管理。 曲轴复合加工技术的发展 20世纪80年代后期，德国BOEHRINGER公司和HELLER公司开发出了完善的曲轴车－车拉机床，该加工工艺是将曲轴车削工艺与曲轴车拉工艺完美结合，生产效率高、加工精度好、柔性强、自动化程度高、换刀时间短，特别适合有沉割槽曲轴的加工，加工后曲轴可直接进行精磨，省去粗磨工序。因此，曲轴车－车拉加工工艺是目前国际上曲轴粗加工中流行的加工工艺之一。 20世纪90年代中期出现的新型CNC高速曲轴外铣机床使曲轴粗加工工艺又上了一个新台阶。CNC曲轴内铣与CNC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。而CNC高速曲轴外铣具有以下优点：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。因此，CNC高速曲轴外铣将是曲轴粗加工的发展方向。笔者在江苏南亚自动车有限公司菲亚特轿车曲轴生产线见到德国BOEHRINGER公司两台设备，其中1台为数孔曲轴车－车拉机床，另外1台为CNC高速曲轴外铣，亲身体验了一次“削铁如泥”的感觉。据专家介绍，曲轴车－车拉机床特别适合于轴颈有沉割槽、平衡块侧面不用加工的曲轴；而高速外铣则不能加工轴向有沉割槽的曲轴。该铣床为德国BOEHRINGER公司的VDF 315 OM-4高速随动外铣床，它是德国BOEHRINGER公司专为汽车发动机曲轴设计制造的柔性数控铣床，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，并随动跟踪铣削曲轴的连杆轴颈。VDF 315 OM-4高速随动外铣采用复合材料一体化结构床身，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；该铣床使用SIEMENS 840D CNC控制系统，通过输入零件的基本参数即可自动生成加工程序，可以加工长度在450～700mm、回转直径在380mm以内的各种曲轴，连杆轴颈直径误差为±0.02mm。 由上可以看出，曲轴粗加工比较流行的工艺是：主轴颈采用车拉工艺和高速外铣，连杆颈采用高速外铣，而且倾向于高速随动外铣，全部采用干式切削。由于国外此类设备价格昂贵，产品加工成本很高，国内一些机床生产厂家（如青海第二机床制造有限责任公司）相继开发出了数控曲轴车床、数控高速曲轴铣床，数控曲轴车拉机床等专用机床。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。现代曲轴磨床除了要有很高的静态、动态刚度和很高的加工精度外，还要求有很高的磨削效率和更多的柔性。近年来，更要求曲轴磨床具有稳定的加工精度，为此，对曲轴磨床的工序能力系数规定了Cp≥1.67，这意味着要求曲轴磨床的实际加工公差要比曲轴给定的公差小一半。 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的工艺。正是体现了这些新技术综合应用的具体成果。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。要实现随动磨削，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砂轮还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，磨削效率很高。 用于曲轴复合加工的机床提到复合加工技术，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。在曲轴复合加工机床中，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。 曲轴WFL公司提出了“一次装卡，全部完工”的概念。M40G该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期间，沈阳数控机床有限责任公司展出的CKZ80-5车铣加工中心就是一台复合机床，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、攻丝等的加工。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都是比较成熟的设备。这里简要介绍一下日本TOYADA工机开发生产的GF70M-T曲轴磨床的性能：该机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，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。曲轴加工中刀具材料多样化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A12O3、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要低。据德国NAXOS磨床厂的资料显示，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。 结语以上主要从曲轴机械加工方面论述了曲轴加工的进展，由此可得出以下结论：曲轴多刀车削工艺将逐步退出历史舞台，尽管这一时期较长；高速高效加工在曲轴制造业已有相当程度的应用；适合于多品种、小批量的复合加工技术是今后曲轴加工的一个发展方向；切削刀具性能的提高为高效、高速、复合加工发展提供了技术保障。[1] |
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