易麗群

摘 要：為確保發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行的安全性，提出加強(qiáng)曲軸加工工藝設(shè)計(jì)的建議。文章以某輕型發(fā)動(dòng)機(jī)的曲軸為實(shí)例進(jìn)行分析，從粗加工、精加工等負(fù)面解析了曲軸加工的先進(jìn)工藝技術(shù)、裝置與器具等，并探討了相關(guān)強(qiáng)化工藝方法。以期不斷提升曲軸的強(qiáng)度、剛度與精確度，進(jìn)而延長(zhǎng)發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)備的使用年限并提升其運(yùn)作的可靠性。

關(guān)鍵詞：發(fā)動(dòng)機(jī);曲軸;加工工藝;強(qiáng)化工藝

中圖分類(lèi)號(hào)：TH162 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1671-2064（2019）02-0068-02

曲軸為活塞式發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)最關(guān)鍵的一類(lèi)零件，其在發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)備運(yùn)行期間承受最大負(fù)荷。曲軸在正常運(yùn)作狀態(tài)下，會(huì)同步承受交變扭矩與彎矩載荷的作用，這對(duì)其質(zhì)量提出相對(duì)較高要求。曲軸加工工藝一方面影響整個(gè)機(jī)械設(shè)備規(guī)格大小與自重，另一方面也與發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)備運(yùn)行安穩(wěn)性與壽命存在相關(guān)性[1]。故此，積極優(yōu)化曲軸加工方法，提升其精確度具有很大現(xiàn)實(shí)意義。

1 曲軸加工工藝的特征分析

此型發(fā)動(dòng)機(jī)應(yīng)用的曲軸屬于小型曲軸，曲軸的加工故此通常應(yīng)用中心孔定位方式，其具有裝夾過(guò)程簡(jiǎn)便、降低找正時(shí)間、維護(hù)匹處連桿軸頸方位精確度等諸多優(yōu)勢(shì)。曲軸的加工方法比較復(fù)雜，其對(duì)軸頸中的配合尺寸和形位公差要求很高，一般采用六級(jí)精度以上，作為一種柔性細(xì)長(zhǎng)軸件，其加工工藝的重點(diǎn)和難點(diǎn)之處在于曲軸的主軸頸及連桿頸等部位的加工上，加工過(guò)程中主要有四大部分，分別是粗加工、熱處理強(qiáng)化、磨削及超精加工。

（1）基本加工工藝。制作毛坯（鍛件）→打中心孔（孔位多在幾何中心或質(zhì)量中心）→車(chē)兩端夾位→內(nèi)銑全部連桿頸及主軸頸→鉆油孔→中頻淬火→回火→重修中心孔→精磨主軸及連桿（Landis）→鉆兩端孔（螺紋及銷(xiāo)孔）→精磨前端→精磨后端→動(dòng)平衡→探傷→軸頸拋光→清洗→上油包裝。

（2）確定工藝基準(zhǔn)。在加工過(guò)程設(shè)計(jì)基準(zhǔn)與加工基準(zhǔn)兩者之間的統(tǒng)一，根據(jù)曲軸的設(shè)計(jì)要求，我們確定了曲軸的軸頸外圓以中心孔為基準(zhǔn)，軸向長(zhǎng)度以5主為基準(zhǔn)，連桿頸平面角的角向以第1連桿頸為基準(zhǔn)，對(duì)基準(zhǔn)進(jìn)行選擇確認(rèn)后，后續(xù)所有工序的加工，均需要做到基準(zhǔn)的統(tǒng)一，尤其是對(duì)精加工工序的基準(zhǔn)統(tǒng)一要求更為嚴(yán)格。而且在加工工序中，粗加工及半精加工的基準(zhǔn)選擇的是兩端的中心孔，而精加工選擇兩端中心孔外還要使用第一連桿頸進(jìn)行角度確認(rèn)。

（3）曲軸剛性相對(duì)較低，遵照“先粗后精”規(guī)則布設(shè)加工工序，以確保零件精確度不斷提升。針對(duì)主軸頸和連桿軸頸的加工次序，可做出如下概述：加工4個(gè)連桿軸頸→加工主軸頸與其他部位的外圓。”遵照以上加工次序，有助于在初始階段提升工件剛度，規(guī)避在應(yīng)力作用下零件形態(tài)發(fā)生的改變，促進(jìn)曲軸加工精度的提升進(jìn)程。

2 發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸的加工工藝

該輕型發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸選用非調(diào)質(zhì)鋼48MnV，曲軸平面示意圖見(jiàn)圖1。

2.1 軸頸粗加工

（1）軸頸粗加工時(shí)，主軸頸加工以車(chē)削方式為主，并且需要在精車(chē)數(shù)控車(chē)床上進(jìn)行。在對(duì)主軸頸進(jìn)行車(chē)削的過(guò)程中，針對(duì)精車(chē)主軸頸1、5與兩側(cè)軸頸結(jié)構(gòu)的加工，需要先對(duì)5主軸頸軸頸進(jìn)行加工，然后才能對(duì)其他部位定位。在安裝曲軸時(shí)，一端用卡盤(pán)夾緊另一端用頂尖頂住，主軸頸車(chē)削時(shí)需要采用硬質(zhì)涂層合金刀具。但由于是從毛坯開(kāi)始加工，軸頸的切削量較大，且每一部分的余量不相同，加之旋轉(zhuǎn)過(guò)程中的不平衡會(huì)產(chǎn)生較強(qiáng)的沖擊力，要求設(shè)備具有較高的剛性?？稍诩庸r(shí)將中心孔和5主止推端面設(shè)為粗基準(zhǔn)，先對(duì)主軸頸5進(jìn)而加工，其繼而將主軸頸5前端面設(shè)為基準(zhǔn)，對(duì)大/小頭端軸頸與1主軸頸進(jìn)行加工。

（2）內(nèi)銑主軸頸2、3、4與所有連桿軸頸的加工，選用國(guó)產(chǎn)銑床設(shè)備，銑床應(yīng)用特制的搖臂式銑頭，銑頭一側(cè)用大口徑軸承做支撐，另一側(cè)應(yīng)用絲杠螺母驅(qū)動(dòng)而運(yùn)轉(zhuǎn)的搖臂方法。機(jī)床內(nèi)銑原理可做出如下概述：加工期間曲軸保持靜止，在一個(gè)豎直方向螺母的驅(qū)動(dòng)下動(dòng)力頭得以運(yùn)作，環(huán)繞回轉(zhuǎn)中心做反復(fù)擺動(dòng)與移動(dòng)，應(yīng)用CNC對(duì)以上兩種運(yùn)動(dòng)模式做出管控，最終促使刀盤(pán)中心緊扣主軸頸中心進(jìn)行公轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)切削。

2.2 油孔加工

本次研究中，決定選用麻花鉆機(jī)床進(jìn)行加工作業(yè)，其油孔內(nèi)壁粗糙度與槍鉆機(jī)床想比較高，其會(huì)在油孔銜接處存有規(guī)模相對(duì)較大的翻邊毛刺，剔除難度相對(duì)較大，故此決定增設(shè)毛刺工序與處理以上問(wèn)題，刀具壽命較長(zhǎng)，柔韌性能優(yōu)良。

油孔加工工藝流程：先對(duì)直油孔實(shí)施鉆削加工處理，繼而加工直油孔設(shè)施，并實(shí)現(xiàn)小平面的有效銑削，在此基礎(chǔ)上落實(shí)斜油孔加工作業(yè)，最后對(duì)油孔口予以倒角處理。本次研究中，針對(duì)油孔加工作業(yè)選擇MQL微潤(rùn)滑聯(lián)合內(nèi)冷鉆頭鉆的工藝技術(shù)，以方法能降低潤(rùn)滑液用量（通常為0.03～0.2L/h），其極限壓力約為10MPa，對(duì)孔深過(guò)程造成一定限制。內(nèi)冷鉆頭由柄部至切削刃均有通孔覆蓋，具備壓縮空氣、油或切削液經(jīng)由通孔等多種功能，多被應(yīng)用在深孔或油孔加工領(lǐng)域[3]。在對(duì)直油孔加工過(guò)程中應(yīng)用MQL技術(shù)內(nèi)冷麻花鉆床，該類(lèi)工藝技術(shù)具有潤(rùn)滑性?xún)?yōu)良、轉(zhuǎn)速精確等特征。

2.3 中心孔和兩端孔加工

中心孔可以視為曲軸徑向定位的有效參照指標(biāo)。運(yùn)用質(zhì)量中心孔定位法進(jìn)行加工作業(yè)，有助于優(yōu)化動(dòng)平衡的質(zhì)量，提升設(shè)備結(jié)構(gòu)產(chǎn)品的合格率、而上述目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)絕非是一蹴而就的，需減縮去重工序的加工時(shí)間，實(shí)現(xiàn)對(duì)曲軸內(nèi)部質(zhì)量的有效代償。曲軸工藝分析期間要完善孔系加工，以往的孔系加工工序相對(duì)較長(zhǎng)，并需要有大量的設(shè)備設(shè)施去輔助，多布設(shè)在精磨軸頸以后進(jìn)行，數(shù)次拆卸與加工后可能導(dǎo)致軸頸表層結(jié)構(gòu)損傷，造成產(chǎn)品整體質(zhì)量降低。輕型車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸兩側(cè)孔加工以左側(cè)前端1個(gè)螺紋孔為主，建議應(yīng)用兩端孔專(zhuān)機(jī)，鉆、鉸、攻絲，構(gòu)建在相同臺(tái)專(zhuān)機(jī)上加工作業(yè)的模式，以免加工期間出現(xiàn)數(shù)次定位的現(xiàn)象;建議加工工序在磨削之前，以防對(duì)軸頸造成磕碰傷。

2.4 主軸頸、連桿軸頸精加工

從性質(zhì)上分析，曲軸屬于最具代表性的細(xì)長(zhǎng)柔性桿，在外力作用下形體會(huì)發(fā)生改變，出現(xiàn)彎曲，形成“讓刀”現(xiàn)象，車(chē)削環(huán)節(jié)會(huì)形成鼓形、振動(dòng)、波紋等問(wèn)題，其均會(huì)對(duì)成品整體質(zhì)量產(chǎn)生負(fù)面影響;熱處理變形產(chǎn)生的影響可能還會(huì)導(dǎo)致大批量磨削加工初期產(chǎn)生曲軸跳動(dòng)現(xiàn)象，并要將中間軸頸的偏差控制在0.35mm上下，為實(shí)現(xiàn)有效規(guī)避，建議運(yùn)用中心架，其還能促使磨削獲得更大的切深抗力。中心架發(fā)揮輔助性支撐作用，在具體加工作業(yè)期間中心架和工件了兩者不會(huì)產(chǎn)生軸向移動(dòng)。

選用Landis數(shù)控磨床（英國(guó)蘭迪斯）對(duì)成品實(shí)現(xiàn)有效加工，該設(shè)備是雙砂輪，一次裝備裝完全部主軸及連桿的加工，設(shè)備具有自動(dòng)調(diào)整其動(dòng)平衡、其中心架能自動(dòng)跟蹤、能自動(dòng)測(cè)量、自動(dòng)補(bǔ)償、砂輪自動(dòng)修整、自動(dòng)調(diào)整恒線速度等功能要求，來(lái)滿足曲軸的高精度要求。其有助于提高產(chǎn)品加工質(zhì)量，完善加工工藝程序。引進(jìn)進(jìn)口磨床對(duì)曲軸進(jìn)行磨削加工，包括粗磨、半精磨、精磨與光磨等流程。對(duì)連桿軸頸磨削應(yīng)用隨動(dòng)磨削法，在以上過(guò)程中將連桿軸頸中心線設(shè)為回轉(zhuǎn)中心，在很大程度上其能有效維護(hù)連桿軸頸加工質(zhì)量。用CBN砂輪對(duì)連桿實(shí)施高速追蹤式磨削，因?yàn)樵趩挝粫r(shí)間中作用的磨粒數(shù)目有所增長(zhǎng)，與普通磨削相比較有30.0～100.0%的增幅，生產(chǎn)效率明顯提升，運(yùn)行年限相應(yīng)延長(zhǎng)，磨削力與工件在應(yīng)力、重力等作用下形體不會(huì)產(chǎn)生明顯改變，加工精確度明顯提升[4]。

2.5 軸頸超精加工

曲軸表面的粗糙度質(zhì)量對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)性能影響非常大，該曲軸粗糙要求極高，為提高表面粗糙度，拋光軸瓦采用硬支撐結(jié)構(gòu)，砂帶采用聚脂基砂帶對(duì)曲軸軸頸表面、圓角以及止推面進(jìn)行拋光，表面粗糙度可到達(dá)Ra0.1;此種曲軸拋光方式后不僅能達(dá)表面粗糙度要求，并且可改善軸頸圓度，從而改善曲軸在發(fā)動(dòng)機(jī)中的運(yùn)轉(zhuǎn)性能和縮短發(fā)動(dòng)機(jī)的磨合期。

3 發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸的強(qiáng)化工藝

在交變應(yīng)力作用下，曲軸軸頸面變化轉(zhuǎn)接圓角位置出現(xiàn)應(yīng)力疲勞與應(yīng)變破壞的風(fēng)險(xiǎn)率相對(duì)較高。當(dāng)下，多應(yīng)用噴丸強(qiáng)化和圓角滾壓強(qiáng)化，去調(diào)整曲軸抗疲勞能力。

（1）噴丸強(qiáng)化：該工藝是采用導(dǎo)入一個(gè)預(yù)壓應(yīng)力去抵除零件在后續(xù)作業(yè)中所承受的拉力、應(yīng)力，進(jìn)而增強(qiáng)工件抗疲勞性能，拓展使用年限。在應(yīng)用噴丸強(qiáng)化工藝期間，有兩個(gè)參數(shù)應(yīng)得到重視：應(yīng)力強(qiáng)度與覆蓋率。

（2）圓角+軸頸淬火強(qiáng)化：圓角與軸頸同時(shí)感應(yīng)淬火，曲軸的圓角及軸頸放在感應(yīng)器中，當(dāng)感應(yīng)器中通過(guò)交變電流時(shí)，在感應(yīng)器周?chē)a(chǎn)生與電流頻率相同的交變磁場(chǎng)，在工件表面形成渦流。這種渦流在工件的電阻的作用下，電能轉(zhuǎn)化為熱能，使工件表面溫度達(dá)到淬火加熱溫度，實(shí)現(xiàn)表面淬火。通過(guò)軸頸及圓角組織轉(zhuǎn)變硬化，而使曲軸強(qiáng)度提高。其特點(diǎn)是：不僅表面硬度提升、曲軸耐磨性提高，也能提高曲軸疲勞強(qiáng)度。

4 結(jié)語(yǔ)

文章對(duì)輕型車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸的加工工藝特征、定位基準(zhǔn)選擇形式與工藝流程，軸頸粗加工、油孔加工、中心孔和兩端孔加工等主要工藝設(shè)計(jì)、裝置與器械選擇等做出探究，希望能對(duì)有關(guān)曲軸加工工藝方案的設(shè)置提供一定參照。

參考文獻(xiàn)

[1] 焉堯宇.基于DataMan302X讀碼器的發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸全面跟蹤[J].智慧工廠，2018（07）：27-28.

[2] 胡明茂，趙锎，章弘毅，劉雷.輕型發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸加工工藝分析[J].湖北汽車(chē)工業(yè)學(xué)院學(xué)報(bào)，2018，32（02）：68-71.

[3] 隋全武，郝秀清，田愛(ài)軍，崔煒.雙缸小型發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸的多體動(dòng)力學(xué)分析[J].內(nèi)燃機(jī)與配件，2018（11）：55-58.

[4] 武書(shū).發(fā)動(dòng)機(jī)缸體曲軸孔鉸珩加工設(shè)備及加工工藝分析[J].裝備制造技術(shù)，2017（10）：69-71+83.