引言:
曲軸是內(nèi)燃發(fā)動機中的關(guān)鍵零件之一,也是內(nèi)燃機中最難加工的工件之一。曲軸在發(fā)動機中是將活塞連桿的住復(fù)運動變?yōu)樾D(zhuǎn)運動, 其在工作過程中會不斷承受很大的彎曲應(yīng)力和扭轉(zhuǎn)應(yīng)力, 且受力情況異常復(fù)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(chǎn)制造環(huán)節(jié)強化工藝技術(shù)和機械加工技術(shù)同樣都有著更高的要求。
1 國內(nèi)外曲軸加工技術(shù)的現(xiàn)狀
目前車用發(fā)動機曲軸材質(zhì)主要有球墨鑄鐵和鋼兩類。由于球墨鑄鐵曲軸成本只有調(diào)質(zhì)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(jié)構(gòu)形狀, 并且和鋼質(zhì)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(nèi)外得到了廣泛應(yīng)用。據(jù)統(tǒng)計資料顯示, 車用發(fā)動機曲軸采用球墨鑄鐵材質(zhì)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(jīng)大批量采用。國內(nèi)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(fā)動機曲軸多采用鍛鋼曲軸。
1.1 曲軸的強化工藝技術(shù)。目前國內(nèi)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(jīng)噴丸處理后能提高疲勞強度20%~40%。
圓角與軸頸同時感應(yīng)淬火處理。該強化方式應(yīng)用于球鐵曲軸時, 能提高疲勞強度20%, 而應(yīng)用于鋼軸時, 則能提高l00%以上。
圓角滾壓處理。球鐵曲軸經(jīng)圓角該壓后壽命可提高120%~300%, 鋼軸經(jīng)圓角液壓后壽命可提高70%~150%。曲軸圓角滾壓強化工藝主要包括曲軸圓角滾壓和曲軸滾壓校正兩部分。在滾壓過程中, 由伺服傳動系統(tǒng)控制曲軸旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)速和旋轉(zhuǎn)角度, 同時由液壓伺服控制系統(tǒng)控制液壓過程的壓力負載, 使每個主軸頸和連桿頸依次完成整個滾壓過程。對彎曲曲軸的校直處理首先要檢測曲軸的彎曲變形數(shù)據(jù)即彎曲度的大小和相位方向, 然后用擺差傳感器檢測各主軸頸處的擺差, 繼而由專家系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫對擺差數(shù)據(jù)進行分析處理并給出校直方案, 即給出在某幾個主軸頸或連桿頸上的再施壓方案, 從而利用此施壓方案重新按壓產(chǎn)生新的變形來消除曲軸的彎曲。國外應(yīng)用的圓角滾壓技術(shù)已相當(dāng)先進, 可一次完成對所有圓角的滾壓, 且可做到主軸頸與連桿軸頸圓角的壓力不同, 同一連桿軸頸圓角在不同方向上的壓力也可不同。這樣可經(jīng)濟地達到最佳的滾壓效果, 最大限度地提高曲軸的抗疲勞強度。經(jīng)德國赫根塞特( HEGENSCHEID) 公司定, 球鐵曲軸經(jīng)滾壓后壽命可增至100%～280%。
復(fù)合強化處理。它是指應(yīng)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(jié)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(shù)。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(tǒng)的曲軸主軸頸及連桿軸頸的多刀車削工藝。生產(chǎn)效率和自動化程度相對較低。粗加工設(shè)備多采用多刀車床車削曲軸主軸頸及連桿軸頸, 工序的質(zhì)量穩(wěn)定性差, 容易產(chǎn)生較大的內(nèi)應(yīng)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(zhì)量不穩(wěn)定, 尺寸的一致性差。老式生產(chǎn)線的主要特點是普通設(shè)備多, 導(dǎo)致產(chǎn)品生產(chǎn)周期長、場地占用面積大, 且完全是靠多臺設(shè)備分解工序和余量來提高生產(chǎn)效率。
數(shù)控車削工藝。數(shù)控車削設(shè)備價格相對便宜,不需要復(fù)雜的刀具, 但只適合小批量生產(chǎn)。
數(shù)控內(nèi)銑銑削工藝。內(nèi)銑設(shè)備價格較高, 刀具費用也很高, 但適合大批量生產(chǎn)。
數(shù)控車—拉、數(shù)控車—車拉工藝。其突出優(yōu)點是可對寬軸徑進行分層加工, 切削效率高, 加工質(zhì)量好, 但車拉刀具結(jié)構(gòu)復(fù)雜, 技術(shù)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(shù)控高速外銑是20 世紀(jì)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(shù)控高速外銑以其加工效率高、加工質(zhì)量穩(wěn)定、自動化水平高, 已成為當(dāng)前是曲軸主軸頸和連桿軸頸粗加工的發(fā)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(huán)時間較短、切削力較小、工件溫升較低、刀具壽命高、換刀次數(shù)少、加工精度更高、柔性更好。如德國BOEHRINGER 公司專為汽車發(fā)動機曲軸設(shè)計制造的柔性的高速隨動數(shù)控外銑床VDF315 OM- 4 型, 該設(shè)備應(yīng)用工件回轉(zhuǎn)和銑刀進給伺服連動控制技術(shù), 可以一次裝夾不改變曲軸回轉(zhuǎn)中心隨動跟蹤銑削曲軸的連桿軸頸。其采用一體化復(fù)合材料結(jié)構(gòu)床身, 工件兩端電子同步旋轉(zhuǎn)驅(qū)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(tǒng), 設(shè)備操作說明書在人機界面上, 通過輸入零件的基本參數(shù)即可自動生成加工程序, 可以加工長度450～700mm、回轉(zhuǎn)直徑在380mm以內(nèi)的各種曲軸, 連桿軸頸直徑誤差僅為±0.02mm。
數(shù)控曲軸磨削工藝。精加工使用數(shù)控磨床, 采用靜壓主軸、靜壓導(dǎo)軌、靜壓進給絲杠( 砂輪頭架)和線性光柵閉環(huán)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(shù)控砂帶拋光機進行超精加工, 經(jīng)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(fā)生產(chǎn)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(chǎn)需要而設(shè)計的數(shù)控曲軸磨床。該磨床應(yīng)用工件回轉(zhuǎn)和砂輪進給伺服聯(lián)動控制技術(shù), 可以一次裝夾而不改變曲軸回轉(zhuǎn)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(dǎo)軌、靜壓進給絲杠( 砂輪頭架) 和線性光柵閉環(huán)控制, 使用TOYADA 工機生產(chǎn)的GC50 CNC控制系統(tǒng), 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(nèi)外曲軸加工技術(shù)展望
美國、德國、日本等汽車工業(yè)發(fā)達國家都致力于開發(fā)綠色環(huán)保、高性能發(fā)動機, 目前各個廠家采用發(fā)動機增壓、擴缸及提高轉(zhuǎn)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(zhuǎn)動,發(fā)動機正向著增壓、增壓中冷、大功率、高可靠性、低排放方向發(fā)展。曲軸作為發(fā)動機的心臟, 正面臨著安全性和可靠性的嚴峻挑戰(zhàn), 傳統(tǒng)材料和制造工藝已無法滿足其功能要求, 市場對曲軸材質(zhì)以及毛坯加工技術(shù)、精度、表面粗糙度、熱處理和表面強化、動平衡等要求都十分嚴格。如果其中任何一個環(huán)節(jié)質(zhì)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(yè)發(fā)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(nèi)曲軸生產(chǎn)廠家已經(jīng)意識到形勢的緊迫性, 引進了為數(shù)不少的先進設(shè)備和技術(shù), 以期提高產(chǎn)品的整體競爭力, 使得曲軸的制造技術(shù)水平有了大幅提高, 特別是近5 年來發(fā)展更為迅猛。
目前國內(nèi)轎車曲軸生產(chǎn)線多為高速柔性生產(chǎn)線FTL( Flexible Transfer Line) , 這種生產(chǎn)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(chǎn)品、換代產(chǎn)品和新產(chǎn)品, 真正具備柔性意義。為進一步提高高速柔性生產(chǎn)線的生產(chǎn)效率, 更快的適應(yīng)市場, FTL 未來發(fā)展是敏捷柔性生產(chǎn)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(dāng)前產(chǎn)品的要求, 還應(yīng)考慮未來市場需求。滿足生產(chǎn)方式的需求。能滿足現(xiàn)代發(fā)動機“多品種、大中批量、高效率、低成本”的生產(chǎn)需求。符合“精益生產(chǎn)”的原則。杜絕浪費, 用最少投資、最大回報謀取利潤。由于發(fā)動機曲軸自身結(jié)構(gòu)的特殊性, 曲軸AFTL 應(yīng)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(chǎn)。為防止關(guān)鍵工序設(shè)備故障造成全線停產(chǎn), 可增設(shè)平行設(shè)備增補, 亦能滿足大批量生產(chǎn)的需要。
發(fā)動機曲軸做為發(fā)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(yè)水平的發(fā)展?fàn)顩r, 做為裝備制造業(yè)大國, 我們要大力發(fā)展裝備制造業(yè),逐步縮短國內(nèi)外技術(shù)差距,加大技術(shù)投入力度,消化吸收國外先進制造技術(shù), 不斷創(chuàng)新攻關(guān)尖端制造技術(shù), 這對發(fā)展民族工業(yè)和對國民經(jīng)濟建設(shè)都具有非常重要的意義。
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