引言:
曲軸是內(nèi)燃發(fā)動(dòng)機(jī)中的關(guān)鍵零件之一,也是內(nèi)燃機(jī)中最難加工的工件之一。曲軸在發(fā)動(dòng)機(jī)中是將活塞連桿的住復(fù)運(yùn)動(dòng)變?yōu)樾D(zhuǎn)運(yùn)動(dòng), 其在工作過程中會(huì)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(duì)曲軸的抗拉強(qiáng)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(duì)曲軸在生產(chǎn)制造環(huán)節(jié)強(qiáng)化工藝技術(shù)和機(jī)械加工技術(shù)同樣都有著更高的要求。
1 國(guó)內(nèi)外曲軸加工技術(shù)的現(xiàn)狀
目前車用發(fā)動(dòng)機(jī)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(jìn)行各種熱處理和表面強(qiáng)化處理來(lái)提高曲軸的抗疲勞強(qiáng)度、硬度和耐磨性。所以球墨鑄鐵曲軸在國(guó)內(nèi)外得到了廣泛應(yīng)用。據(jù)統(tǒng)計(jì)資料顯示, 車用發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸采用球墨鑄鐵材質(zhì)的比例在美國(guó)為90%, 英國(guó)為85%, 日本為60%, 此外, 德國(guó)、比利時(shí)等國(guó)家也已經(jīng)大批量采用。國(guó)內(nèi)采用球墨鑄鐵曲軸的趨勢(shì)則更加明顯, 中小型功率柴油機(jī)曲軸85%以上采用球墨鑄鐵, 而功率在160kW以上的發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸多采用鍛鋼曲軸。
1.1 曲軸的強(qiáng)化工藝技術(shù)。目前國(guó)內(nèi)外曲軸常見的強(qiáng)化工藝大致有如下幾種:
氮化處理。氮化能提高曲軸疲勞強(qiáng)度的20%~60%。
噴丸處理。曲軸經(jīng)噴丸處理后能提高疲勞強(qiáng)度20%~40%。
圓角與軸頸同時(shí)感應(yīng)淬火處理。該強(qiáng)化方式應(yīng)用于球鐵曲軸時(shí), 能提高疲勞強(qiáng)度20%, 而應(yīng)用于鋼軸時(shí), 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(qiáng)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(dòng)系統(tǒng)控制曲軸旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)速和旋轉(zhuǎn)角度, 同時(shí)由液壓伺服控制系統(tǒng)控制液壓過程的壓力負(fù)載, 使每個(gè)主軸頸和連桿頸依次完成整個(gè)滾壓過程。對(duì)彎曲曲軸的校直處理首先要檢測(cè)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(cè)各主軸頸處的擺差, 繼而由專家系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫(kù)對(duì)擺差數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理并給出校直方案, 即給出在某幾個(gè)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(lái)消除曲軸的彎曲。國(guó)外應(yīng)用的圓角滾壓技術(shù)已相當(dāng)先進(jìn), 可一次完成對(duì)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(jì)地達(dá)到最佳的滾壓效果, 最大限度地提高曲軸的抗疲勞強(qiáng)度。經(jīng)德國(guó)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(qiáng)化處理。它是指應(yīng)用多種強(qiáng)化工藝對(duì)曲軸進(jìn)行強(qiáng)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(gè)曲軸的抗疲勞強(qiáng)度提高130%以上。
1.2 曲軸的機(jī)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(dòng)化程度相對(duì)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(dá)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(diǎn)是普通設(shè)備多, 導(dǎo)致產(chǎn)品生產(chǎn)周期長(zhǎng)、場(chǎng)地占用面積大, 且完全是靠多臺(tái)設(shè)備分解工序和余量來(lái)提高生產(chǎn)效率。
數(shù)控車削工藝。數(shù)控車削設(shè)備價(jià)格相對(duì)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(jià)格較高, 刀具費(fèi)用也很高, 但適合大批量生產(chǎn)。
數(shù)控車—拉、數(shù)控車—車?yán)に嚒Ｆ渫怀鰞?yōu)點(diǎn)是可對(duì)寬軸徑進(jìn)行分層加工, 切削效率高, 加工質(zhì)量好, 但車?yán)毒呓Y(jié)構(gòu)復(fù)雜, 技術(shù)含量高, 并且長(zhǎng)期依靠進(jìn)口, 好處是可集車—車?yán)に嚰庸みB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(lái)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(dòng)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?yán)に嚰庸みB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(dá)350m/min) 、切削時(shí)間較短、工序循環(huán)時(shí)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(guó)BOEHRINGER 公司專為汽車發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸設(shè)計(jì)制造的柔性的高速隨動(dòng)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(jìn)給伺服連動(dòng)控制技術(shù), 可以一次裝夾不改變曲軸回轉(zhuǎn)中心隨動(dòng)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(dòng), 具有干式切削、加工精度高、切削效率高等特點(diǎn); 使用SIEMENS 840D CNC 控制系統(tǒng), 設(shè)備操作說(shuō)明書在人機(jī)界面上, 通過輸入零件的基本參數(shù)即可自動(dòng)生成加工程序, 可以加工長(zhǎng)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(jìn)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(jī)進(jìn)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(jí)精度。如GF70M- T 曲軸磨床是日本TOYADA工機(jī)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(jì)的數(shù)控曲軸磨床。該磨床應(yīng)用工件回轉(zhuǎn)和砂輪進(jìn)給伺服聯(lián)動(dòng)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(dòng)跟蹤磨削連桿軸頸;采用靜壓主軸、靜壓導(dǎo)軌、靜壓進(jìn)給絲杠( 砂輪頭架) 和線性光柵閉環(huán)控制, 使用TOYADA 工機(jī)生產(chǎn)的GC50 CNC控制系統(tǒng), 磨削軸頸圓度精度可達(dá)到0.002mm; 采用CBN 砂輪, 磨削線速度高達(dá)120m/s, 配雙砂輪頭架, 磨削效率極高。
2 國(guó)內(nèi)外曲軸加工技術(shù)展望
美國(guó)、德國(guó)、日本等汽車工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家都致力于開發(fā)綠色環(huán)保、高性能發(fā)動(dòng)機(jī), 目前各個(gè)廠家采用發(fā)動(dòng)機(jī)增壓、擴(kuò)缸及提高轉(zhuǎn)速來(lái)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(dòng),發(fā)動(dòng)機(jī)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(dòng)機(jī)的心臟, 正面臨著安全性和可靠性的嚴(yán)峻挑戰(zhàn), 傳統(tǒng)材料和制造工藝已無(wú)法滿足其功能要求, 市場(chǎng)對(duì)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)平衡等要求都十分嚴(yán)格。如果其中任何一個(gè)環(huán)節(jié)質(zhì)量沒有得到保證, 則可嚴(yán)重影響曲軸的使用壽命和整機(jī)的可靠性。世界汽車工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家對(duì)曲軸的加工十分重視, 并不斷改進(jìn)曲軸加工工藝。隨著WTO的加入, 國(guó)內(nèi)曲軸生產(chǎn)廠家已經(jīng)意識(shí)到形勢(shì)的緊迫性, 引進(jìn)了為數(shù)不少的先進(jìn)設(shè)備和技術(shù), 以期提高產(chǎn)品的整體競(jìng)爭(zhēng)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(lái)發(fā)展更為迅猛。
目前國(guó)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(diǎn)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(jìn)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(chǎng), FTL 未來(lái)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(chǎng)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(lái)市場(chǎng)需求。滿足生產(chǎn)方式的需求。能滿足現(xiàn)代發(fā)動(dòng)機(jī)“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(fèi), 用最少投資、最大回報(bào)謀取利潤(rùn)。由于發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸自身結(jié)構(gòu)的特殊性, 曲軸AFTL 應(yīng)具備以下特點(diǎn): 由高速加工中心和高效專用機(jī)床( 含少量組合機(jī)床) 組成。按工藝流程排列機(jī)床并由自動(dòng)輸送裝置連接, 采用柔性?shī)A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(bǔ), 亦能滿足大批量生產(chǎn)的需要。
發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸做為發(fā)動(dòng)機(jī)的核心部件, 其制造水平直接反映著一個(gè)國(guó)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(guó), 我們要大力發(fā)展裝備制造業(yè),逐步縮短國(guó)內(nèi)外技術(shù)差距,加大技術(shù)投入力度,消化吸收國(guó)外先進(jìn)制造技術(shù), 不斷創(chuàng)新攻關(guān)尖端制造技術(shù), 這對(duì)發(fā)展民族工業(yè)和對(duì)國(guó)民經(jīng)濟(jì)建設(shè)都具有非常重要的意義。
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