盧占盈,王華輝,李佩琪,明玥,游國(guó)強(qiáng)

(1.南充隆固機(jī)械工業(yè)有限公司，四川南充 637800；2.重慶大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院, 重慶 400044)

0 引言

作為發(fā)動(dòng)機(jī)中最重要的零部件之一，曲軸的質(zhì)量性能對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的工作效果有直接的影響。它將發(fā)動(dòng)機(jī)缸體中活塞連桿傳來(lái)的力轉(zhuǎn)變?yōu)檗D(zhuǎn)矩并通過(guò)曲軸輸出，從而驅(qū)動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)上其他附件工作。曲軸在工作過(guò)程受到旋轉(zhuǎn)離心力、周期變化的慣性力和往復(fù)慣性力的共同作用，承受較大的彎曲應(yīng)力和扭轉(zhuǎn)應(yīng)力，工作條件復(fù)雜，其性能直接影響發(fā)動(dòng)機(jī)的工作效果[1]。

曲軸加工工藝過(guò)程具有形狀復(fù)雜、技術(shù)要求高的特點(diǎn)，工藝路線(xiàn)一般較長(zhǎng)，需要涉及較多的精加工步驟。受惡劣工作條件的影響，曲軸材質(zhì)以及毛坯加工技術(shù)、精度、表面粗糙度、熱處理和表面強(qiáng)化、動(dòng)平衡等都需要具備嚴(yán)格的加工要求[2]。隨著“中國(guó)制造2025”發(fā)展戰(zhàn)略的實(shí)施，我國(guó)的曲軸制造水平整體發(fā)展迅速，但與歐美等發(fā)達(dá)國(guó)家相比仍有一定差距，研究曲軸先進(jìn)制造加工技術(shù)，提高我國(guó)曲軸加工制造的自主創(chuàng)新能力，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)曲軸產(chǎn)品生產(chǎn)高效率、高質(zhì)量、高精度的要求，對(duì)實(shí)現(xiàn)我國(guó)制造強(qiáng)國(guó)的戰(zhàn)略目標(biāo)有重要意義。

1 曲軸毛坯的成形技術(shù)

曲軸毛坯的成形技術(shù)分為鍛造加工和鑄造加工兩種[3]。

1.1 鍛造加工

曲軸鍛造加工常用材料為中碳鋼和中碳合金鋼，如35、40、45、35Mn2、40Cr、35CrMo等[4]。中碳鋼的各種型材是最廣泛的大眾化材料，作為曲軸零件成形材質(zhì)，其塑性、強(qiáng)度適中，易于切削加工，并且可以通過(guò)熱處理方法來(lái)滿(mǎn)足零件不同的性能要求[5]：對(duì)中碳鋼進(jìn)行調(diào)質(zhì)處理，淬火后可以得到隱針狀馬氏體組織，提高零件表面硬度，扭轉(zhuǎn)疲勞壽命也得以提高；而對(duì)于承受載荷較輕的曲軸零件，表面通過(guò)滲氮、氮碳共滲處理可以進(jìn)一步提高曲軸的耐磨性、耐蝕性。曲軸的形狀復(fù)雜，主軸頸與連桿頸不在同一軸線(xiàn)上，對(duì)偏心距有一定的尺寸要求，材料分配不均勻，在曲軸鍛造過(guò)程必須合理預(yù)分配材料，制定合理的工藝步驟，保證曲軸的成形質(zhì)量和精度[6]。根據(jù)曲軸結(jié)構(gòu)以及成形工藝的不同，曲軸在鍛壓生產(chǎn)的設(shè)備上大致可分為熱模鍛壓力機(jī)生產(chǎn)線(xiàn)、模鍛錘生產(chǎn)線(xiàn)以及螺旋壓力機(jī)生產(chǎn)線(xiàn)[7]。

從20世紀(jì)80年代發(fā)展至今，國(guó)內(nèi)外曲軸鍛造生產(chǎn)的合理化、自動(dòng)化程度大大提高。普遍采用計(jì)算機(jī)模擬來(lái)優(yōu)化工藝設(shè)計(jì)，通過(guò)有限元模擬等技術(shù)可以較為準(zhǔn)確地獲得鍛造過(guò)程中的應(yīng)力、應(yīng)變場(chǎng)以及溫度場(chǎng)，這對(duì)鍛造工藝設(shè)計(jì)及模具設(shè)計(jì)都有一定的指導(dǎo)作用。借助數(shù)值模擬的方法模擬鍛件成形的充模過(guò)程，檢驗(yàn)?zāi)＞吆凸に囋O(shè)計(jì)，對(duì)有效規(guī)避曲軸在鍛壓成形過(guò)程中的質(zhì)量問(wèn)題、促進(jìn)先進(jìn)曲軸加工技術(shù)的發(fā)展具有重要意義[8]。

1.2 鑄造加工

鑄造加工中多用鑄鋼、球墨鑄鐵、珠光體可鍛鑄鐵以及合金鑄鐵， 如ZG230-450、QT600-3、QT700-2、KTZ450-5、KTZ500-4等材料[9]。采用鑄造工藝可以滿(mǎn)足曲軸結(jié)構(gòu)形狀的要求，進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)曲軸的輕量化要求。隨著鑄造水平的逐漸提高，機(jī)加工余量隨之減小，據(jù)統(tǒng)計(jì)現(xiàn)國(guó)外球鐵鑄造曲軸的單邊余量平均可達(dá)2～3 mm[10]。球墨鑄鐵曲軸由于鑄造工藝過(guò)程簡(jiǎn)便，成本低廉，并且可以通過(guò)熱處理和表面強(qiáng)化處理等手段提高曲軸的抗疲勞強(qiáng)度和耐磨性，此外，還具備對(duì)表面裂紋不敏感等優(yōu)良特性，在國(guó)內(nèi)外得到廣泛應(yīng)用。

鑄造曲軸由于其優(yōu)良的性能和高效的加工工藝，在曲軸生產(chǎn)制造領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。隨著熔煉技術(shù)與合金化技術(shù)的不斷發(fā)展，保證鑄造曲軸的性能不斷滿(mǎn)足曲軸的使用性能是今后鑄造曲軸的發(fā)展方向；采用球鐵等材料取代鍛鋼生產(chǎn)發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸從而節(jié)約成本，是曲軸發(fā)展生產(chǎn)制造的必然趨勢(shì)。

2 曲軸的機(jī)械加工技術(shù)進(jìn)展

2.1 曲軸粗加工

傳統(tǒng)的老式曲軸生產(chǎn)線(xiàn)粗加工設(shè)備多采用多刀車(chē)床車(chē)削曲軸主軸頸及連桿軸頸，機(jī)加工余量不足使得加工過(guò)程會(huì)產(chǎn)生較大的內(nèi)應(yīng)力，產(chǎn)品精度低，柔性差，質(zhì)量穩(wěn)定性得不到保證[11]。20世紀(jì)80年代，隨著CNC車(chē)削、CNC外銑加工以及CNC內(nèi)銑加工技術(shù)的出現(xiàn)，曲軸粗加工的生產(chǎn)效率、加工精度大幅度提升，適用范圍廣，柔性好，加工性能指標(biāo)逐步增強(qiáng)。

其后，車(chē)-車(chē)?yán)夹g(shù)開(kāi)始應(yīng)用于曲軸加工制造過(guò)程，一汽大眾汽車(chē)有限公司生產(chǎn)的EA113發(fā)動(dòng)機(jī)將數(shù)控車(chē)-車(chē)?yán)夹g(shù)應(yīng)用于曲軸主軸頸和連桿頸的粗加工、半精加工工藝中[12]。車(chē)-車(chē)?yán)夹g(shù)由于其生產(chǎn)效率、加工精度均高于車(chē)削和銑削技術(shù)，逐步開(kāi)始與車(chē)削和銑削技術(shù)展開(kāi)競(jìng)爭(zhēng)[13]。圖1所示為具有雙主軸、雙刀架的車(chē)-車(chē)?yán)瓩C(jī)床結(jié)構(gòu)示意圖[14]，機(jī)床采用CNC控制技術(shù)，加工過(guò)程中刀架可隨曲軸旋轉(zhuǎn)實(shí)行自動(dòng)進(jìn)給，從而提高曲軸加工效率和精度。

圖1 車(chē)-車(chē)?yán)瓩C(jī)床的結(jié)構(gòu)

20世紀(jì)90年代中期，軸頸的粗加工又開(kāi)發(fā)出CNC高速外銑技術(shù)對(duì)高硬度材料加工，其表面質(zhì)量高，還可以實(shí)現(xiàn)脆性材料和薄壁材料的加工的獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)[15]。由于其生產(chǎn)效率高、加工精度高、產(chǎn)品柔性好，歐美發(fā)達(dá)國(guó)家已較為廣泛的采用此種加工方法。圖2所示為某公司生產(chǎn)的EFM系列曲軸加工隨動(dòng)高速銑床主機(jī)結(jié)構(gòu)圖，通過(guò)C軸和X軸插補(bǔ)實(shí)現(xiàn)銑削切點(diǎn)隨動(dòng)，完成曲軸主軸頸、連桿頸和平衡臂側(cè)面半精加工，建立高速度、高精度、高效率的曲軸加工生產(chǎn)線(xiàn)[16]。

圖2 EFM曲軸外銑床主機(jī)結(jié)構(gòu)

圖2中各坐標(biāo)軸定義：W1軸、W2軸表示主軸箱移動(dòng)；W3軸表示中心移動(dòng)架；X軸表示刀盤(pán)徑向進(jìn)給；Z軸表示刀盤(pán)側(cè)向移動(dòng)；C軸表示主軸旋轉(zhuǎn)；S軸表示刀盤(pán)旋轉(zhuǎn)。

21世紀(jì)以來(lái)，復(fù)合機(jī)床由于其多種加工集成功能廣泛使用于曲軸制造業(yè)中，雙主軸車(chē)銑復(fù)合機(jī)床是利用車(chē)銑合成運(yùn)動(dòng)來(lái)加工復(fù)雜工件表面的先進(jìn)切削技術(shù)和工藝方法[17]，在曲軸硬化前實(shí)現(xiàn)“一次裝夾，全部加工”，加工后可直接轉(zhuǎn)入精加工工序。圖3所示為瑞士BUMOTEC生產(chǎn)的高精高速銑車(chē)復(fù)合中心，以銑削功能為主，兼?zhèn)滠?chē)削功能，其基本形式是在加工中心上加上車(chē)削主軸來(lái)完成銑車(chē)加工[19]。在保證加工精度的同時(shí)，可以大幅提高生產(chǎn)效率。

圖3 S-191 FTLR高精高速銑車(chē)復(fù)合機(jī)床

2.2 曲軸精加工

曲軸精加工也從傳統(tǒng)的手工磨削逐步轉(zhuǎn)成采用數(shù)控磨床磨削工藝發(fā)展過(guò)程，老式生產(chǎn)線(xiàn)精加工多采用普通的手工曲軸磨床，其產(chǎn)品精度低，尺寸波動(dòng)范圍大。相對(duì)于傳統(tǒng)的手工磨削生產(chǎn)方式，采用現(xiàn)代化的數(shù)控技術(shù)，曲軸的加工精度以及尺寸的一致性也得到改善，生產(chǎn)效率大幅提高。此外，由于大多采用普通設(shè)備，產(chǎn)品主要通過(guò)多設(shè)備的分解工序來(lái)提高生產(chǎn)效率，生產(chǎn)效率低，場(chǎng)地占用面積大[20]。為了進(jìn)一步提高曲軸軸頸表面的粗糙度，使用數(shù)控砂帶拋光機(jī)進(jìn)行超精加工的工藝也得到廣泛使用。目前，市面常見(jiàn)的工序集成的CBN數(shù)控磨床可以實(shí)現(xiàn)一次裝夾完成磨削全部的曲軸主軸頸和連桿軸頸[21]，還可實(shí)現(xiàn)對(duì)磨削過(guò)程中出現(xiàn)的各種尺寸誤差的自動(dòng)補(bǔ)償，保證磨削過(guò)程中的尺寸一致性，高精度、高效率數(shù)控機(jī)床成為曲軸精加工發(fā)展的必然趨勢(shì)。圖4所示為全數(shù)控凸輪軸磨床工作原理，它是按照砂輪與凸輪輪廓磨削點(diǎn)始終跟隨的原理進(jìn)行磨削加工的，工件1由伺服電機(jī)C驅(qū)動(dòng)，按恒線(xiàn)速要求進(jìn)行旋轉(zhuǎn); 砂輪架2由伺服電機(jī)X驅(qū)動(dòng)，可以實(shí)現(xiàn)很高的凸輪輪廓精度[22]。

圖4 全數(shù)控凸輪軸磨床磨削工作原理

總之，隨著國(guó)外技術(shù)的引入，我國(guó)曲軸加工技術(shù)的自動(dòng)化程度不斷提高。目前曲軸加工工藝已廣泛采用自動(dòng)化生產(chǎn)線(xiàn)和數(shù)控技術(shù)，具有很高的靈活性和適應(yīng)性，曲軸的加工工藝正逐步邁向高效率、高質(zhì)量、高精度的良性發(fā)展軌道。采用Pro/E、UG、CATIA等計(jì)算機(jī)輔助技術(shù)應(yīng)用于曲軸產(chǎn)品的工藝開(kāi)發(fā)過(guò)程中，可以對(duì)曲軸進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，優(yōu)化曲軸加工工藝流程，減少曲軸的加工工序[23]。但是我國(guó)的曲軸加工工藝大多依賴(lài)外國(guó)的技術(shù)設(shè)備，自主創(chuàng)新程度不高，整體工藝水平仍然很低，在關(guān)鍵技術(shù)的掌握方面遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能達(dá)到制造大國(guó)的要求，先進(jìn)曲軸加工技術(shù)仍然需要進(jìn)一步的研究。

3 結(jié)束語(yǔ)

隨著現(xiàn)代科技的不斷進(jìn)步，我國(guó)的交通產(chǎn)業(yè)發(fā)展迅速，曲軸作為發(fā)動(dòng)機(jī)中最重要零部件之一，在車(chē)輛的發(fā)動(dòng)機(jī)中發(fā)揮著相當(dāng)重要的作用。在引進(jìn)國(guó)外技術(shù)的基礎(chǔ)上，要不斷地吸收創(chuàng)新，優(yōu)化成本、降低能耗，不斷提高國(guó)家曲軸制造水平，提高曲軸加工工藝，改進(jìn)曲軸加工設(shè)備的性能，從而提高我國(guó)曲軸制造工藝加工的整體工藝水平，對(duì)推動(dòng)我國(guó)制造業(yè)的大力發(fā)展具有重要的意義。