引言: 曲軸是內燃發動機中的關鍵零件之一,也是內燃機中最難加工的工件之一。曲軸在發動機中是將活塞連桿的住復運動變為旋轉運動, 其在工作過程中會不斷承受很大的彎曲應力和扭轉應力, 且受力情況異常復雜。所以對曲軸的抗拉強度、剛度、耐磨性、耐疲勞性以及沖擊韌性等都提出了更高的要求。曲軸的主要失效形式是軸頸磨損和疲勞斷裂, 因此對曲軸在生產制造環節強化工藝技術和機械加工技術同樣都有著更高的要求。
1 國內外曲軸加工技術的現狀
目前車用發動機曲軸材質主要有球墨鑄鐵和鋼兩類。由于球墨鑄鐵曲軸成本只有調質鋼曲軸成本的1/3 左右, 且球墨鑄鐵的切削性能良好, 可獲得較理想的結構形狀, 并且和鋼質曲軸一樣可以進行各種熱處理和表面強化處理來提高曲軸的抗疲勞強度、硬度和耐磨性。所以球墨鑄鐵曲軸在國內外得到了廣泛應用。據統計資料顯示, 車用發動機曲軸采用球墨鑄鐵材質的比例在美國為90%, 英國為85%, 日本為60%, 此外, 德國、比利時等國家也已經大批量采用。國內采用球墨鑄鐵曲軸的趨勢則更加明顯, 中小型功率柴油機曲軸85%以上采用球墨鑄鐵, 而功率在160kW以上的發動機曲軸多采用鍛鋼曲軸。
1.1 曲軸的強化工藝技術。目前國內外曲軸常見的強化工藝大致有如下幾種:
氮化處理。氮化能提高曲軸疲勞強度的20%~60%。
噴丸處理。曲軸經噴丸處理后能提高疲勞強度20%~40%。圓角與軸頸同時感應淬火處理。該強化方式應用于球鐵曲軸時, 能提高疲勞強度20%, 而應用于鋼軸時, 則能提高l00%以上。
復合強化處理。它是指應用多種強化工藝對曲軸進行強化處理, 球墨鑄鐵曲軸采用圓角該滾壓工藝與離子氮化工藝結合使用, 可使整個曲軸的抗疲勞強度提高130%以上。
1.2 曲軸的機械加工技術。曲軸主軸頸和連桿軸頸的粗加工、半精加工工藝和精加工工藝, 大體分為以下幾種:
傳統的曲軸主軸頸及連桿軸頸的多刀車削工藝。生產效率和自動化程度相對較低。粗加工設備多采用多刀車床車削曲軸主軸頸及連桿軸頸, 工序的質量穩定性差, 容易產生較大的內應力, 難以達到合理的加工余量。一般精加工采用曲軸磨床,通常靠手工操作, 加工質量不穩定, 尺寸的一致性差。老式生產線的主要特點是普通設備多, 導致產品生產周期長、場地占用面積大, 且完全是靠多臺設備分解工序和余量來提高生產效率。
數控車削工藝。數控車削設備價格相對便宜,不需要復雜的刀具, 但只適合小批量生產。數控內銑銑削工藝。內銑設備價格較高, 刀具費用也很高, 但適合大批量生產。
數控車—拉、數控車—車拉工藝。其突出優點是可對寬軸徑進行分層加工, 切削效率高, 加工質量好, 但車拉刀具結構復雜, 技術含量高, 并且長期依靠進口, 好處是可集車—車拉工藝加工連桿軸頸要兩道工序于一起。
CNC 高速外銑工藝。數控高速外銑是20 世紀90 年代新興起來的一種新型加工工藝, 其適用范圍廣, 特別雙刀盤數控高速外銑以其加工效率高、加工質量穩定、自動化水平高, 已成為當前是曲軸主軸頸和連桿軸頸粗加工的發展方向。就比較而言, CNC 車—車拉工藝加工連桿軸頸要二道工序, CNC高速外銑只要一道工序就能完成, 切削速度高( 目前最高可達350m/min) 、切削時間較短、工序循環時間較短、切削力較小、工件溫升較低、刀具壽命高、換刀次數少、加工精度更高、柔性更好。如德國BOEHRINGER 公司專為汽車發動機曲軸設計制造的柔性的高速隨動數控外銑床VDF315 OM- 4 型, 該設備應用工件回轉和銑刀進給伺服連動控制技術, 可以一次裝夾不改變曲軸回轉中心隨動跟蹤銑削曲軸的連桿軸頸。其采用一體化復合材料結構床身, 工件兩端電子同步旋轉驅動, 具有干式切削、加工精度高、切削效率高等特點; 使用SIEMENS 840D CNC 控制系統, 設備操作說明書在人機界面上, 通過輸入零件的基本參數即可自動生成加工程序, 可以加工長度450～700mm、回轉直徑在380mm以內的各種曲軸, 連桿軸頸直徑誤差僅為±0.02mm。
數控曲軸磨削工藝。精加工使用數控磨床, 采用靜壓主軸、靜壓導軌、靜壓進給絲杠( 砂輪頭架)和線性光柵閉環控制等控制裝置, 使各尺寸公差及形位公差得到可靠的保證, 精加工還廣泛使用數控砂帶拋光機進行超精加工, 經超精加工后的曲軸軸頸表面粗糙度至少提高一級精度。如GF70M- T 曲軸磨床是日本TOYADA工機開發生產的專用曲軸磨床, 是為了滿足多品種、低成本、高精度、大批量生產需要而設計的數控曲軸磨床。該磨床應用工件回轉和砂輪進給伺服聯動控制技術, 可以一次裝夾而不改變曲軸回轉中心即可完成所有軸頸的磨削, 包括隨動跟蹤磨削連桿軸頸;采用靜壓主軸、靜壓導軌、靜壓進給絲杠( 砂輪頭架) 和線性光柵閉環控制, 使用TOYADA 工機生產的GC50 CNC控制系統, 磨削軸頸圓度精度可達到0.002mm; 采用CBN 砂輪, 磨削線速度高達120m/s, 配雙砂輪頭架, 磨削效率極高。
2 國內外曲軸加工技術展望
美國、德國、日本等汽車工業發達國家都致力于開發綠色環保、高性能發動機, 目前各個廠家采用發動機增壓、擴缸及提高轉速來提高功率的方法, 使得曲軸各軸頸要在很高的比壓下高速轉動,發動機正向著增壓、增壓中冷、大功率、高可靠性、低排放方向發展。曲軸作為發動機的心臟, 正面臨著安全性和可靠性的嚴峻挑戰, 傳統材料和制造工藝已無法滿足其功能要求, 市場對曲軸材質以及毛坯加工技術、精度、表面粗糙度、熱處理和表面強化、動平衡等要求都十分嚴格。如果其中任何一個環節質量沒有得到保證, 則可嚴重影響曲軸的使用壽命和整機的可靠性。世界汽車工業發達國家對曲軸的加工十分重視, 并不斷改進曲軸加工工藝。隨著WTO的加入, 國內曲軸生產廠家已經意識到形勢的緊迫性, 引進了為數不少的先進設備和技術, 以期提高產品的整體競爭力, 使得曲軸的制造技術水平有了大幅提高, 特別是近5 年來發展更為迅猛。
目前國內轎車曲軸生產線多為高速柔性生產線FTL( Flexible Transfer Line) , 這種生產線的特點是不僅可以加工同系列曲軸, 而且還可加工變型產品、換代產品和新產品, 真正具備柔性意義。為進一步提高高速柔性生產線的生產效率, 更快的適應市場, FTL 未來發展是敏捷柔性生產線AFTL( Agile Flexible Transfer Line) 。
其主要目的是: 滿足市場變化的需求。不但滿足當前產品的要求, 還應考慮未來市場需求。滿足生產方式的需求。能滿足現代發動機“多品種、大中批量、高效率、低成本”的生產需求。符合“精益生產”的原則。杜絕浪費, 用最少投資、最大回報謀取利潤。由于發動機曲軸自身結構的特殊性, 曲軸AFTL 應具備以下特點: 由高速加工中心和高效專用機床( 含少量組合機床) 組成。按工藝流程排列機床并由自動輸送裝置連接, 采用柔性夾具和高效專用刀具生產。為防止關鍵工序設備故障造成全線停產, 可增設平行設備增補, 亦能滿足大批量生產的需要。
結語
發動機曲軸做為發動機的核心部件, 其制造水平直接反映著一個國家的裝備制造業水平的發展狀況, 做為裝備制造業大國, 我們要大力發展裝備制造業,逐步縮短國內外技術差距,加大技術投入力度,消化吸收國外先進制造技術, 不斷創新攻關尖端制造技術, 這對發展民族工業和對國民經濟建設都具有非常重要的意義。
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