曲軸返回目錄↑1、發展
返回目錄↑2、概述 曲軸進入21世紀以后，發動機曲軸在制造工藝、刀具等方面都發生了巨大的變化。領導了近半個多世紀的多刀車削工藝和手工磨削工藝，由于加工精度低和柔性差等原因，正在逐步退出歷史舞臺。高速、高效的復合加工技術及裝備迅速進入汽車及零部件制造業，高速高效復合加工技術在曲軸加工生產中已有相當程度的應用，并將 是其必然發展趨勢。 曲軸加工技術設備現狀 目前，國內較陳舊的曲軸生產線多數由普通機床和專用機床組成，生產效率和自動化程度相對較低。粗加工設備一般采用多刀車床車削曲軸主軸頸及連桿軸頸，工序質量穩定性差，容易產生較大的加工應力，難以達到合理的加工余量。精加工普遍采用MQ8260等普通曲軸磨床進行粗磨、半精磨、精磨、拋光，通常靠人工操 作，加工質量不穩，尺寸一致性差。 老式生產線一個主要的特點就是普通設備太多，按加工球墨鑄鐵曲軸來計算，一條生產線有35～40臺設備。粗加工采用 普通外銑加工主軸頸和連桿頸，然后數控精車主軸頸和連桿頸，再經過多道工序的磨削方轉入精加工工序。所以這條生產線設備達60多臺，導致產品周轉線長、場 地占用面積大，其生產效率完全是靠多臺設備分解工序和余量來提高的。 返回目錄↑3、工藝進展 曲軸1、球墨鑄鐵曲軸毛坯鑄造技術（1） 熔煉 高溫低硫純凈鐵水的獲得是生產高質量球墨鑄鐵的關鍵。中國國內主要是以沖天爐為主的生產設備，鐵水未進行預脫硫處理；其次是高純生鐵少、焦炭質量差。目前已采用雙聯外加預脫硫的熔煉方法，采用沖天爐熔化鐵水，經爐外脫硫，然后在感應電爐中升溫并調整成分。目前，在國內鐵水成分的檢測已普遍采用真空直讀光譜儀來進行。 （2） 造型 氣流沖擊造型工藝明顯優于粘土砂型工藝，可獲得高精度的曲軸鑄件，該工藝制作的砂型具有無反彈變形量等特點，這對于多拐曲軸尤為重要。目前，國內已有一些曲軸生產廠家從德國、意大利、西班牙等國引進氣流沖擊造型工藝，不過，引進整條生產線的只有極少數廠家，如文登天潤曲軸有限公司引進了德國KW鑄造生產線。 2、鋼曲軸毛坯的鍛造技術 近幾年來，國內已引進了一批先進的鍛造設備，但由于數量少，加之模具制造技術和其他一些設施跟不上，使一部分先進設備未發揮應有的作用。從總體上來講，需改造和更新的陳舊的普通鍛造設備多，同時，落后的工藝和設備仍占據主導地位，先進技術有所應用但還不普遍。 3、機械加工技術 目前國內曲軸生產線多數由普通機床和專用機床組成，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拐頸，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MQ8260等曲軸磨床粗磨- 半精磨-精磨-拋光，通常靠手工操作，加工質量不穩定。 隨著貿易全球化的到來，各廠家已意識到了形勢的嚴峻性，紛紛進行技術改造，全力提升企業的競爭力，近年來引進了許多先進設備和技術，進展速度很快。就目前狀況來講，這些設備和技術基本依賴進口。下面就哈爾濱東安動力、一汽大柴、文登天潤曲軸、濱州海得曲軸等公司的情況作以介紹。 哈爾濱東安集團曲軸生產線為全自動柔性流水生產線，粗加工生產線由德國的專機自動線（LINDENMAIER）、數控車-車拉、數控高速隨動外銑（BOEHRINGER）、圓角滾壓機（HEGENSCHEIDT-MFD）和止推面車滾專機、淬火機（EMA）等組成；精加工生產線由日本的數控高速CBN磨床（TOYODA）、動平衡機、拋光機（IMPCO-NACHI）、檢測機、清洗機等組成。連桿軸頸加工則采用了數控高速隨動加工技術，全線采用高速CBN砂輪磨削技術，磨削線速度達到120m/s。 文登天潤曲軸通過引進德、美、意等發達國家的先進設備，組建了具有當今國際先進水平的大型曲軸生產基地，由CBN磨床、HAAS立式和臥式加工中心、意大利SAIMP磨床、德國HELLER曲軸內銑床和SA－FINA拋光機等設備組成的機加工生產線已經開始大批量生產。 一汽大柴曲軸生產線粗、精加工工序位于不同的車間，從而保證了精加工車間的清潔。粗加工有曲軸質量定心機、數控內銑床等設備，精加工設備由英國LANDIS、日本TOYADA數控曲軸磨床等進口先進設備組成。 濱州海得曲軸經過技術改造，組建了數控曲軸機加工生產線，粗加工設備由數控車床、數控曲軸銑床等設備組成，精加工設備由數控磨床、數控砂帶拋光機、滾磨光整機等設備組成，近期準備購進日本TOYADA工機數控磨床等關鍵設備，檢驗設備有美國 ADCOLE曲軸三坐標測量機、粗糙度儀等組成。值得一提的是，海得曲軸公司在全國專業曲軸生產廠家中率先應用了球墨鑄鐵曲軸圓角滾壓和滾磨光整新技術，取得了良好的經濟效益和社會效益。 遼寧鴻發曲軸生產線經過技術改造后，主要由三臺數控車床（進口VT36、CAK6163、 CAK6150）、兩臺數控內銑（S1-305B）為主的粗加工設備；七臺數控曲軸磨床（1臺進口CBN砂輪3L1、2臺H197B、4臺H229B）和熒光磁粉探傷機等精加工設備；去應力采用8臺井爐，氮化處理采用7臺離子氮化爐，淬火熱處理采用法國進口EFD公司生產的CIHM12全自動淬火機床和推桿式回火爐。同時由美國進口的曲軸綜合測量儀可以對曲軸進行全尺寸檢驗，產品質量得到了可靠的保障，同時具備了三條生產線同時加工的生產能力。  曲軸可以看出，發動機曲軸制造技術進展最為迅速的是機械加工裝備，比較典型的加工工藝是銑削和磨削。下面簡要介紹GF70M-T曲軸磨床和VDF 315 OM-4高速隨動外銑床，其先進程度可見一斑：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。 VDF 315 OM-4高速隨動外銑床是德國BOEHRINGER公司專為汽車發動機曲軸設計制造的柔性數控銑床，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。VDF 315 OM-4高速隨動外銑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，連桿軸頸直徑誤差為±0.02mm。 4、熱處理和表面強化處理技術 曲軸的熱處理關鍵技術是表面強化處理。球墨鑄鐵曲軸一般均采用正火處理，為表面處理做好組織準備，表面強化處理一般采用感應淬火或氮化工藝。鍛鋼曲軸則采用軸頸與圓角淬火工藝。引進的設備有AEG全自動曲軸淬火機床、EMA淬火機床等。 據國外資料介紹，球墨鑄鐵曲軸采用圓角滾壓工藝與離子氮化結合使用進行復合強化，可使整條曲軸的抗疲勞強度提高130%以上。國內部分廠家近幾年也進行了這方面的實踐，取得了良好的效果。 曲軸圓角滾壓加工方面，德國赫根塞特（HEGENSCHEIDT-MFD AUTOMATIC）生產的機床應用了變壓力滾壓和矯正專利技術，是比較好的圓角滾壓設備，但價格昂貴。目前國內在這方面的研究也有了一定的成果，東風汽車有限公司工藝研究所的“曲軸圓角滾壓強化與滾壓校直技術研究開發及應用”解決了國內企業化巨資引進國外技術的問題，該課題獲得了原國家機械工業局科技進步二等獎。 返回目錄↑4、面臨問題
而當今的汽車發動機曲軸制造業面臨的卻是以下幾個問題： 1.多品種、小批量生產； 2.交貨期大大縮短； 3.降低生產成本； 4.難切削材料的出現使加工難度明顯增加，加工中提出了許多需要解決的課題，如硬切削； 5.為保護環境，要求少用或不用切削液，即實現干式切削或準干式切削；正是基于以上情況，進入21世紀以來，高速、高精、高效的復合加工技術及裝備在汽車曲軸制造業中得到了迅速的應用，生產效率得到了很大提高，因此發動機曲軸生產線中生產設備數量得以減少。  曲軸全線設備（包括熱處理、表面強化）只有13臺設備左右，產品周轉線短、加工效率高、易于質量控制管理。 曲軸復合加工技術的發展 20世紀80年代后期，德國BOEHRINGER公司和HELLER公司開發出了完善的曲軸車－車拉機床，該加工工藝是將曲軸車削工藝與曲軸車拉工藝完美結合，生產效率高、加工精度好、柔性強、自動化程度高、換刀時間短，特別適合有沉割槽曲軸的加工，加工后曲軸可直接進行精磨，省去粗磨工序。因此，曲軸車－車拉加工工藝是目前國際上曲軸粗加工中流行的加工工藝之一。 20世紀90年代中期出現的新型CNC高速曲軸外銑機床使曲軸粗加工工藝又上了一個新臺階。CNC曲軸內銑與CNC高速曲軸外銑對比，內銑存在以下缺點：不容易對刀、切削速度較低（通常不大于160m/min）、非切削時間較長、機床投資較多、工序循環時間較長。而CNC高速曲軸外銑具有以下優點：切削速度高（可高達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。因此，CNC高速曲軸外銑將是曲軸粗加工的發展方向。筆者在江蘇南亞自動車有限公司菲亞特轎車曲軸生產線見到德國BOEHRINGER公司兩臺設備，其中1臺為數孔曲軸車－車拉機床，另外1臺為CNC高速曲軸外銑，親身體驗了一次“削鐵如泥”的感覺。據專家介紹，曲軸車－車拉機床特別適合于軸頸有沉割槽、平衡塊側面不用加工的曲軸；而高速外銑則不能加工軸向有沉割槽的曲軸。該銑床為德國BOEHRINGER公司的VDF 315 OM-4高速隨動外銑床，它是德國BOEHRINGER公司專為汽車發動機曲軸設計制造的柔性數控銑床，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，并隨動跟蹤銑削曲軸的連桿軸頸。VDF 315 OM-4高速隨動外銑采用復合材料一體化結構床身，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；該銑床使用SIEMENS 840D CNC控制系統，通過輸入零件的基本參數即可自動生成加工程序，可以加工長度在450～700mm、回轉直徑在380mm以內的各種曲軸，連桿軸頸直徑誤差為±0.02mm。 由上可以看出，曲軸粗加工比較流行的工藝是：主軸頸采用車拉工藝和高速外銑，連桿頸采用高速外銑，而且傾向于高速隨動外銑，全部采用干式切削。由于國外此類設備價格昂貴，產品加工成本很高，國內一些機床生產廠家（如青海第二機床制造有限責任公司）相繼開發出了數控曲軸車床、數控高速曲軸銑床，數控曲軸車拉機床等專用機床。曲軸精加工采用國內數控磨床磨削情況已相當普遍，產品加工精度已有相當程度的提高。為滿足曲軸日益提高的加工要求，對曲軸磨床提出了很高的要求。現代曲軸磨床除了要有很高的靜態、動態剛度和很高的加工精度外，還要求有很高的磨削效率和更多的柔性。近年來，更要求曲軸磨床具有穩定的加工精度，為此，對曲軸磨床的工序能力系數規定了Cp≥1.67，這意味著要求曲軸磨床的實際加工公差要比曲軸給定的公差小一半。 隨著現代驅動和控制技術、測量控制、CBN（立方氮化硼）砂輪和先進的機床部件的應用，為曲軸磨床的高精度、高效磨削加工創造了條件。一種稱之為連桿頸隨動磨削的工藝。正是體現了這些新技術綜合應用的具體成果。這種隨動磨削工藝可顯著地提高曲軸連桿頸的磨削效率、加工精度和加工柔性。 在對連桿頸進行隨動磨削時，曲軸以主軸頸為軸線進行旋轉，并在一次裝夾下磨削所有連桿頸。在磨削過程中，磨頭實現往復擺動進給，跟蹤著偏心回轉的連桿頸進行磨削加工。要實現隨動磨削，X軸除了必須具有高的動態性能外，還必須具有足夠的跟蹤精度，以確保連桿頸所要求的形狀公差。CBN砂輪的應用是實現連桿頸隨動磨削的重要條件。由于CBN砂輪耐磨性高，在磨削過程中砂輪的直徑幾乎是不變的，一次修整可磨削600～800條曲軸。CBN砂輪還可以采用很高的磨削速度，在曲軸磨床上一般可采用高達120～140m/s的磨削速度，磨削效率很高。 用于曲軸復合加工的機床提到復合加工技術，就不得不提到復合加工機床，復合加工機床的定義也是隨時代變化的。過去將加工中心稱為復合加工機床，但因工具交換加工的品種受到限制，而且也走不出切削加工的領域，現在已經不再將一般的加工中心稱之為復合加工機床了。復合機床應具有工序集成功能，多種加工集成功能。從制造業所處的環境看，復合加工機床將一直是重點開發的機床產品之一，功能不斷擴大，會向著“一臺機床成為一個小工廠”的方向邁進。在曲軸復合加工機床中，奧地利WFL公司生產的臥式車銑復合加工中心具有一定的代表性。  曲軸WFL公司提出了“一次裝卡，全部完工”的概念。M40G該車銑中心集成了雙主軸車削中心，五軸加工中心，深孔鏜、銑、鉆和三坐標功能于一身，在一臺具有雙主軸的車銑復合加工中心上可以對曲軸進行完全加工，加工后的曲軸可直接轉入精加工工序。目前國內也推出了類似的復合機床，在CIMT2005期間，沈陽數控機床有限責任公司展出的CKZ80-5車銑加工中心就是一臺復合機床，代表了我國同類機床的最高水平。該機床五軸中X、Y、Z、B軸采用直線光柵尺或圓度光柵尺檢測，可實現閉環控制。該加工中心備有48～96工位刀庫可實現自動換刀，一次裝卡可進行車、銑、鉆、鏜、攻絲等的加工。在曲軸精加工方面，也出現了工序集成的CBN數控磨床，即一次裝夾磨削全部曲軸主軸頸和連桿軸頸，此類磨床一般配雙砂輪頭架。日本TOYADA工機、德國勇克（JUNKER）、德國NAXOS等生產的此類數控磨床都是比較成熟的設備。這里簡要介紹一下日本TOYADA工機開發生產的GF70M-T曲軸磨床的性能：該機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，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。曲軸加工中刀具材料多樣化切削刀具性能的提高為高效、高速加工發展提供了可能性，除了高速鋼、硬質合金以外，超硬材料的發展起到了重要的作用。PCD、PCBN為難加工材料的切削、干切削、硬切削等的加工創造了條件。為適應曲軸加工高速化、高效率、干式切削的需求，目前大量采用涂層刀具。涂層的材料從TiN發展為A12O3、TiC、ZrO2等，根據加工的要求，為提高耐高溫的性能，又發展了TiCN、TiAlN、TiSiN、CrSiN等。現在PVD（物理氣相沉積）、CVD（化學氣相沉積）技術不斷推陳出新，由單層發展成多層、千層、復合涂層，現在又發展成納米涂層；深油孔的加工采用槍鉆加工代替普通加長高速鋼鉆頭，鉆孔和攻絲用硬質合金材料來代替過去的高速鋼材料。目前曲軸的精加工也漸漸開始使用CBN砂輪加工，CBN砂輪價格昂貴，但由于加工效率和耐用度高，分攤到每個工件上的刀具費用反而比采用價格低廉的普通砂輪要低。據德國NAXOS磨床廠的資料顯示，采用CBN砂輪加工時間通常可縮短50%，而加工費用可節約50%以上。 結語以上主要從曲軸機械加工方面論述了曲軸加工的進展，由此可得出以下結論：曲軸多刀車削工藝將逐步退出歷史舞臺，盡管這一時期較長；高速高效加工在曲軸制造業已有相當程度的應用；適合于多品種、小批量的復合加工技術是今后曲軸加工的一個發展方向；切削刀具性能的提高為高效、高速、復合加工發展提供了技術保障。[1] |