■湖北三江航天紅陽機(jī)電有限公司 （孝感 432100） 王華僑 王建國 趙華軍

■湖北省孝感高級(jí)中學(xué) （432000） 王宇飛

■孝感航創(chuàng)機(jī)電科技有限公司 （湖北 432000） 朱京

掃碼了解更多

1.雙轉(zhuǎn)子發(fā)動(dòng)機(jī)總體結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

一般往復(fù)運(yùn)動(dòng)式發(fā)動(dòng)機(jī)，工作時(shí)活塞在氣缸里做往復(fù)直線運(yùn)動(dòng)，為了把活塞的直線運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)化為旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，必須使用曲柄連桿機(jī)構(gòu)。轉(zhuǎn)子發(fā)動(dòng)機(jī)是直接用燃燒產(chǎn)生的高壓氣體推動(dòng)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)的；它也有四個(gè)沖程，跟活塞往復(fù)式發(fā)動(dòng)機(jī)一樣，也分進(jìn)氣、壓縮、做功和排氣，但它并不是靠氣門的開閉來控制換氣，而是通過轉(zhuǎn)子自身對(duì)進(jìn)、排氣口的掃氣進(jìn)行換氣。與往復(fù)式發(fā)動(dòng)機(jī)相比，轉(zhuǎn)子發(fā)動(dòng)機(jī)取消了無用的直線運(yùn)動(dòng)，因而同樣功率的轉(zhuǎn)子發(fā)動(dòng)機(jī)尺寸較小、質(zhì)量較輕，而且振動(dòng)和噪聲較低，具有較大優(yōu)勢(shì)。

轉(zhuǎn)子發(fā)動(dòng)機(jī)引擎每旋轉(zhuǎn)1周做功3次與一般的四沖程發(fā)動(dòng)機(jī)旋轉(zhuǎn)兩周才做功1次相比，具有高馬力容積比的優(yōu)點(diǎn)。轉(zhuǎn)子發(fā)動(dòng)機(jī)不需要精密的曲軸平衡就能達(dá)到較高的運(yùn)轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速，整個(gè)發(fā)動(dòng)機(jī)只有兩個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)部件，與一般的四沖程發(fā)動(dòng)機(jī)具有進(jìn)、排氣活門等20多個(gè)活動(dòng)部件相比結(jié)構(gòu)大大簡化。轉(zhuǎn)子發(fā)動(dòng)機(jī)比普通活塞式發(fā)動(dòng)機(jī)要輕很多，因而其具有運(yùn)動(dòng)慣性小、轉(zhuǎn)速提高快和油門響應(yīng)快等特點(diǎn)。

如圖1所示的某低排量雙轉(zhuǎn)子發(fā)動(dòng)機(jī)可實(shí)現(xiàn)8 000r/min的高轉(zhuǎn)速，產(chǎn)生180Ps（1Ps＝0.735kW）以上的強(qiáng)大動(dòng)力，主要原因是發(fā)動(dòng)機(jī)在一個(gè)沖程的時(shí)間內(nèi)輸出軸每轉(zhuǎn)動(dòng)一周，發(fā)動(dòng)機(jī)要做3次功。而四沖程發(fā)動(dòng)機(jī)的曲軸每轉(zhuǎn)兩周發(fā)動(dòng)機(jī)才做1次功，所以在排量不變的情況下，動(dòng)力輸出自然就成倍的提高。所謂雙轉(zhuǎn)子，就是把兩個(gè)轉(zhuǎn)子發(fā)動(dòng)機(jī)串聯(lián)在一起，相當(dāng)于多缸發(fā)動(dòng)機(jī)把幾個(gè)汽缸串聯(lián)在一起，既能提高輸出功率，又能平衡旋轉(zhuǎn)時(shí)產(chǎn)生的震動(dòng)。轉(zhuǎn)子發(fā)動(dòng)機(jī)并不是提高了把熱能轉(zhuǎn)換成機(jī)械能的工作效率，而是相當(dāng)于把V6發(fā)動(dòng)機(jī)簡化。

圖1 雙轉(zhuǎn)子發(fā)動(dòng)機(jī)總體布置

本三角形轉(zhuǎn)子發(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)軸采用了雙偏心機(jī)構(gòu)，使得該發(fā)動(dòng)機(jī)在和傳統(tǒng)的轉(zhuǎn)子發(fā)動(dòng)機(jī)相同轉(zhuǎn)子形狀的情況下，工作室容積增加了近一倍，同時(shí)驅(qū)動(dòng)軸的等效偏心量約為原來的2.17倍。這種轉(zhuǎn)子發(fā)動(dòng)機(jī)在作為汽油機(jī)時(shí)燃燒室容積得到大幅提升，燃料燃燒更充分；作為柴油機(jī)時(shí)燃燒室又不至于太狹小，因此它能采用壓燃式。同時(shí)由于該發(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)軸的等效偏心量的成倍增加和燃?xì)鈮毫Φ纳仙沟迷摪l(fā)動(dòng)機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩?cái)?shù)倍增加，以滿足民用車輛的需要。轉(zhuǎn)子發(fā)動(dòng)機(jī)可以用于輔助動(dòng)力系統(tǒng)APU，起到發(fā)電的作用，這對(duì)于混合動(dòng)力或者增程式電動(dòng)車來說，有用武之地。如圖2所示為某雙轉(zhuǎn)子發(fā)動(dòng)機(jī)核心部件及運(yùn)動(dòng)示意圖。

2.雙偏心主軸的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)分析

從圖3中可以看出，該雙偏心主軸有兩端面的外圓作為基準(zhǔn)特征，偏心孔軸線需保證兩個(gè)偏心圓各自的同軸度。因此兩端面外圓和頂尖孔的精度是關(guān)鍵基準(zhǔn)，需首先保證兩個(gè)端面的外圓同軸度，然后利用該外圓加工兩端面的各三處頂尖孔，各自頂尖孔的同軸度保證了必需的精度后，該偏心主軸的核心關(guān)鍵就保證了。其次是各工序余量的設(shè)計(jì)、各工序加工工藝基準(zhǔn)及切削方案、切削參數(shù)的制定、熱處理制度的設(shè)計(jì)等。

雙偏心主軸的加工幾何精度要求很高，兩端面φ（66±0.01）mm的基準(zhǔn)外圓的圓度控制在0.003mm，圓跳動(dòng)要求為0.005mm，軸向圓跳動(dòng)在0.005mm，端面的平行度要求為0.003mm，外圓的直線度0.003mm；工作部分兩處φ106±0.02mm偏心外圓的圓度為0.003mm，兩處偏心距為（20±0.02）mm；所有工作外圓的表面粗糙度要求0.4um，因此需要進(jìn)行磨削，目前普通數(shù)控車削中心設(shè)備精度很難達(dá)到表面表面粗糙度要求。

材料熱處理要求大于32HRC以上，因此需要進(jìn)行調(diào)質(zhì)或者淬火熱處理工序?？紤]到熱處理導(dǎo)致的變形及表面粗糙度要求，熱處理工序需安排在大余量加工之后，精密車削或者精密磨削之前進(jìn)行；考慮各端面的跳動(dòng)及精度要求，熱處理安排在精密車削之前，從而確保熱處理后采用精密車削和最終磨削能保證該雙偏心主軸的系統(tǒng)整體精度要求。

3.雙偏心主軸的材料性能選型

如表1和表2所示，為常用合金鋼的常溫和高溫力學(xué)性能對(duì)比，表3為常用合金鋼的價(jià)格對(duì)比表。高溫合金在航空發(fā)動(dòng)機(jī)和燃?xì)廨啓C(jī)的渦輪葉片、葉盤、葉輪和機(jī)匣應(yīng)用較廣泛，涉及到的高溫疲勞性能，GH4169常用于＞850～950℃的場合，GH1131常用于650～800℃的場合。高溫合金用于型號(hào)空氣舵舵軸成本高、周期長且切削性能差等；常溫抗拉強(qiáng)度性能與GH4169相比的材料有4Cr5MoSiv1（H13）、30CrMnSiA、40Cr、20CrMo、20Cr13和45CrMo等；用這些高強(qiáng)度合金鋼材料替代高溫合金，成本至少可以降低50%，且可大幅度節(jié)省制造周期。常用合金鋼與高溫合金在常溫和高溫性能的對(duì)比如下表1所示。

圖2 某雙轉(zhuǎn)子發(fā)動(dòng)機(jī)核心部件及運(yùn)動(dòng)示意1.主軸 2.轉(zhuǎn)子 3.主軸齒輪 4.偏心連接柄齒輪 5.偏心連接柄

圖3 雙偏心主軸產(chǎn)品結(jié)構(gòu)示意

其中4Cr5MoSiv1（美國牌號(hào)H13）為熱作模具鋼，在模具行業(yè)沖壓、高溫鍛造及高壓鑄造等場合應(yīng)用非常多，性能非常好，價(jià)格便宜，比它略低的熱塑模具鋼是P20，在注塑模具場合應(yīng)用極其廣泛；40Cr常用于汽車發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸、凸輪軸、連桿等，經(jīng)調(diào)質(zhì)后抗拉強(qiáng)度可達(dá)到980MPa，接近30CrMnSi，疲勞性能比30CrMnSi好；15CrMo/20CrMo常用于數(shù)控機(jī)床的主軸刀柄，經(jīng)熱處理后強(qiáng)度可以達(dá)到1 800MPa，國內(nèi)外應(yīng)用非常廣泛，30CrMnSi這種材料歐美、日本基本不用，都是用20CrMo，價(jià)格非常便宜，常用合金鋼材料價(jià)格對(duì)比如表2所示。

42CrMo牌號(hào)合金材料具有強(qiáng)度高，淬透性高、韌性好和淬火變形小的特點(diǎn)，在高溫時(shí)有高的蠕變強(qiáng)度與持久強(qiáng)度等特點(diǎn)。常用于機(jī)車牽引大齒輪、增壓器傳遞齒輪、后軸、彈簧、發(fā)動(dòng)機(jī)氣缸、受載荷較大的連桿及彈簧等零部件；也可用于1 200～2 000m石油鉆井桿接頭及打撈工具等。常規(guī)力學(xué)性能抗拉強(qiáng)度為1 158MPa，屈服強(qiáng)度為993MPa，延伸率16%，彈性模量212GPa，比熱容498J/kg·K，熱膨脹系數(shù)為13X10-6/K。價(jià)格較低：20～25元/kg（定制鍛件另議）；市場采購方便也較穩(wěn)定；其淬透性好可實(shí)現(xiàn)φ80mm可靠性淬透；合金含量不高，切削加工性適中。

40CrA鋼是機(jī)械制造業(yè)使用最廣泛的鋼種之一。調(diào)制處理后，具有高的強(qiáng)度、良好的塑性和韌性、好的低溫沖擊韌性、低的缺口敏感性及高的疲勞強(qiáng)度。該鋼適合碳?xì)涔矟B和高頻淬火處理，表面淬火后可作負(fù)荷及耐磨性要求較高且無很大沖擊的零件；切削加工性能和淬透性尚好，但冷變形塑性和焊接性能較差。40CrA在航空工業(yè)中已長期用于制造在高速及小沖擊負(fù)荷下工作的零件，如齒輪、軸套、脹圈、凸輪及螺栓、銷等。40CrA鋼的冷變形塑性低，但熱壓力加工性能良好、焊接性能較差及切削加工性能良好。

常用合金鋼材料價(jià)格對(duì)比如表3所示。綜合考慮對(duì)比，決定優(yōu)先選用40Cr合金鋼作為偏心主軸的材料進(jìn)行制造攻關(guān)。

4.雙偏心主軸熱處理工藝制度

40Cr合金鋼雙偏心主軸經(jīng)調(diào)質(zhì)后具有良好的綜合力學(xué)性能，常用于中速、中載的零件，如機(jī)床齒輪、軸、蝸桿和花鍵軸等。其低溫沖擊性良好，缺口敏感性較低。40Cr合金調(diào)質(zhì)鋼材料的抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度及淬透性均比45#優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼高很多。該材料有較高的疲勞強(qiáng)度和良好的韌性，有很好的淬透性，正火調(diào)質(zhì)后切削加工性能良好。缺點(diǎn)是焊接性能不佳，容易產(chǎn)生裂紋，焊接之前要預(yù)熱到100～150℃；但是其焊接退火后可切削性也較好。

表1 常用合金鋼常溫力學(xué)性能對(duì)比表

表2 常用合金鋼高溫（500℃）力學(xué)性能對(duì)比表

表3 常用合金鋼材料價(jià)格對(duì)比表

表4 40Cr雙偏心主軸合金鋼熱處理規(guī)范

40Cr常用于汽車發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸、凸輪軸及連桿等，經(jīng)調(diào)質(zhì)后抗拉強(qiáng)度可達(dá)到980MPa，接近30CrMnSi，疲勞性能比30CrMnSi好。40Cr雙偏心主軸調(diào)質(zhì)處理時(shí)淬火采用850℃油淬后進(jìn)行500℃水冷回火。退火硬度小于207HBS，正火硬度小于250HBS。直徑25mm的試樣調(diào)質(zhì)處理后抗拉強(qiáng)度可達(dá)到980MPa，屈服強(qiáng)度可達(dá)到680MPa，延伸率大于9%，斷面收縮率達(dá)到45%，沖擊韌性588.3KJ/m2，沖擊吸收功為47A/J。40CrA退火一般采用825～845℃爐冷，正火采用850～880℃空冷，回火采用400～600℃油冷或者水冷。本文雙偏心主軸合金鋼的熱處理制度如表4所示。

5.雙偏心主軸合金鋼切削性能

該雙偏心主軸合金鋼切削性能具有如下幾個(gè)特點(diǎn)：①經(jīng)調(diào)質(zhì)后的40Cr合金鋼硬度高、強(qiáng)度高，屬于相對(duì)難切削金屬材料。②該材料切削力大、切削溫度高。要從高硬度和高強(qiáng)度的工件上切下切屑，其單位切削強(qiáng)度可達(dá)4 500MPa。為了改善切削條件，增大散熱面積，刀具選擇較小的主偏角和副偏角。這時(shí)會(huì)引起振動(dòng)，要求要有較好的工藝系統(tǒng)剛性。③不易產(chǎn)生積屑瘤。淬火鋼的硬度高、脆性大，切削時(shí)不易產(chǎn)生積屑瘤，被加工表面可以獲得較低的表面粗糙度。④刀刃易崩碎、磨損。由于淬火鋼的脆性大，切削時(shí)切屑與刀刃接觸短，切削力和切削熱集中在刀具刃口附近，易使刀刃崩碎和磨損。⑤導(dǎo)熱系數(shù)低。導(dǎo)熱系數(shù)為13.12W/（m2K），約為45號(hào)鋼的1/3；由于導(dǎo)熱系數(shù)低，切削熱很難通過切屑帶走，切削溫度很高，加快了刀具磨損。

在刀具涂層方面，對(duì)于淬火及調(diào)質(zhì)的高硬度高強(qiáng)度合金鋼的銑削和車削，TiAlCN涂層綜合性能高于TiAlN涂層。切削小于20HRC低硬度合金鋼40Cr時(shí)，摩擦因數(shù)導(dǎo)致的磨損占主導(dǎo)因數(shù)；而在切削硬度大于30HRC的高硬度高強(qiáng)度40Cr切削時(shí)，涂層刀具表面的氧化膜對(duì)切削的影響占主導(dǎo)因數(shù)，TiAlN涂層刀具的切削力遠(yuǎn)小于未涂層的刀具，且當(dāng)切削速度越高時(shí)優(yōu)勢(shì)越明顯。在切削調(diào)質(zhì)38～42HRC之間的40Cr材料，切削速度小于50m/min時(shí)，摩擦力占主導(dǎo)因數(shù)，隨著切削速度的提高，涂層刀具的氧化膜占主導(dǎo)因數(shù)。

6.雙偏心主軸的加工工藝

雙偏心主軸要求兩端大偏心外圓與基準(zhǔn)外圓偏心方向一致，且偏心尺寸不同，偏心距為（20±0.02）mm，精度要求較高，因此找正要求較高。如大批量生產(chǎn)偏心主軸時(shí)可以通過雙卡罐和雙頂尖裝夾，四爪夾緊卡罐旋轉(zhuǎn)，對(duì)基準(zhǔn)兩端外圓打表測(cè)量，調(diào)整卡罐上的螺釘，調(diào)整至不同的偏心量，車削各偏心外圓至尺寸；采用雙卡罐雙頂尖配合四爪裝夾操作簡便、可靠，可有效避免鏜床或銑床打中心孔的繁瑣，可應(yīng)用于要求方向一致的多個(gè)偏心的偏心主軸加工。

為了滿足以上要求，首先需將基準(zhǔn)外圓進(jìn)行粗精加工并留工藝夾頭，同時(shí)設(shè)計(jì)合理的余量進(jìn)行粗加工；其次是需對(duì)偏心孔進(jìn)行反復(fù)數(shù)控銑削或鏜削加工時(shí)打中心孔及偏心圓的中心孔，確保偏心圓的中心孔同軸度要求；再次是需利用四爪進(jìn)行裝夾配合雞心夾頭頂尖找正，當(dāng)偏心主軸全部靜加工完后切去兩端多余的工藝夾頭；最后是基準(zhǔn)外圓和偏心孔需要反復(fù)多次進(jìn)行精調(diào)，從而提高偏心距的位置精度和同軸精度。具體詳細(xì)工藝方案流程如下：

（1）數(shù)控粗車（見圖4）：①夾左端找正兩端外圓（外圓余量較?。?；平右端面見光，打中心孔深度＜7mm。②頂右端面車外圓見光，外圓尺寸≥φ149mm。③車下陷保證各部分尺寸；平右端面保證尺寸（90＋7）mm，頂尖處加工不到的端面可保留。④精車外圓φ148.5mm，要求外圓圓柱度0.02mm。⑤上中心架支承右端外圓，平右端面未加工到部位，只允許中間部位凹。⑥拆下零件。⑦上四爪夾外圓，另一端外圓中心架支承，找正外圓φ0.02mm；平端面保證尺寸320mm，兩端平行度0.05mm。⑧車未加工部位外圓與已加工外圓接平。

（2）數(shù)控銑削（見圖4）：①零件平放，壓兩端外圓，找正兩端外圓母線等高，允差0.02mm；在中間外圓部位銑扁深3mm。②零件立裝，以端面定位，在中間銑扁部位安裝標(biāo)準(zhǔn)塊（采用弓形夾夾緊），兩端對(duì)稱，找正標(biāo)準(zhǔn)塊兩端在0.02mm以內(nèi)，壓緊零件，找正外圓在0.01mm以內(nèi)，加工端面3處B5中心孔，深度9mm。③在端面刻十字中心線。④掉面找正裝夾，加工另一端中心孔（掉面時(shí)注意勿碰撞標(biāo)準(zhǔn)塊）。

（3）數(shù)控半精車（見圖5）：按虛線所標(biāo)尺寸加工，所有根部未注圓角R3mm。①夾左端頂右端中心部位中心孔，加工外圓及端面，各面留余量單面0.5mm。②掉面加工另一端，各面留余量單面0.5mm，頂偏心距20mm兩端中心孔，加工外圓φ110mm。③掉面頂偏心距18.79mm兩端中心孔，加工外圓至φ110mm。④頂兩端中心部位中心孔車各端面及外圓至尺寸，保證兩端φ76mm同軸度0.05mm。

（4）熱處理調(diào)質(zhì)：28～36HRC。

（5）數(shù)控銑削（見圖6）：將小端面刻線轉(zhuǎn)移至大端面上。

圖4

圖5

圖6

圖7

（6）數(shù)控精車（見圖6）：①頂兩端中心部位中心孔，見光兩端φ75mm外圓及兩端面，要求兩端φ75mm外圓保持一致允差0.02mm，同軸度0.02mm。②上四爪及中心架，找正外圓φ0.01mm，平去右端面10mm余量，除去中心孔。③掉面加工另一端保證尺寸300mm，兩端面平行度0.02mm。

（7）數(shù)控精銑（見圖7）：①工件立放按圖式裝夾定位，以φ75mm下端面為基準(zhǔn)，檢測(cè)上端面平行度在0.02mm以內(nèi)，找平端面刻線，壓緊零件；安裝基準(zhǔn)塊，找平基準(zhǔn)塊兩端在0.01mm以內(nèi)。②找正φ75mm外圓在φ0.01mm以內(nèi)，加工端面B5頂尖孔深13.9mm，孔口尺寸φ16mm（見圖7尺寸）。③掉面裝夾找正加工另一端B5頂尖孔深13.9mm，φ16mm（掉面裝夾過程中勿碰撞基準(zhǔn)塊）。

（8）數(shù)控精車（見圖8）：①上中心架，夾左端架右端，加工端面1mm下陷φ58mm，頂右端撤去中心架。②采用一夾一頂，所有端面加工到尺寸，外圓兩處φ64mm下陷加工到尺寸，其余外圓均留直徑方向余量1.5mm。③采用兩頂尖裝夾，安裝雞心夾，加工所有外圓φ（66±0.01）mm（兩處）、φ（106±0.01）mm（兩處）留直徑方向余量0.5±0.1mm，其余外圓加工到尺寸。

（9）精密磨削：產(chǎn)品加工后達(dá)到如圖所示的表面粗糙度，外圓單邊磨削余量大于0.1mm，小于0.2mm。該產(chǎn)品加工完后實(shí)物如圖9所示。

7.結(jié)語

本文簡略介紹了某雙轉(zhuǎn)子發(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)用高精度偏心主軸的加工工藝，偏心驅(qū)動(dòng)主軸的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)分析、材料選型、熱處理工藝制度及詳細(xì)加工工藝方案涉及的余量設(shè)計(jì)、工序設(shè)計(jì)、工步協(xié)調(diào)、裝夾找正等關(guān)鍵技術(shù)。通過傳統(tǒng)的數(shù)控車削和數(shù)控銑削及精美磨削工序間的配合協(xié)調(diào)，在保證產(chǎn)品的精度前提下降低了制造成本，同時(shí)規(guī)避了產(chǎn)品研制和小批量生產(chǎn)需求的情況下，對(duì)于高精密制造裝備如昂貴的車銑磨復(fù)合加工中心裝備的依賴。該偏心主軸的工藝應(yīng)用研究成果表明，在設(shè)備能力有限的前提下，通過提高工藝研究及應(yīng)用的整體水平，也是提高產(chǎn)品高精度加工的有效途徑之一。

本課題為國家科技重大專項(xiàng)“高檔數(shù)控機(jī)床與基礎(chǔ)制造裝備”（課題編號(hào)：2017ZX04009001）支持項(xiàng)目。

圖8

圖9 偏心主軸產(chǎn)品加工實(shí)物示意