某型號(hào)柴油機(jī)曲軸關(guān)鍵加工工藝研究

李崢 王連宏 張雪冬 周建榮 李曉霞 王鐵剛

（1 山西柴油機(jī)工業(yè)有限責(zé)任公司，山西 大同，037036）

0 引言

隨著裝備柴油機(jī)的功率和性能進(jìn)一步提升，對(duì)曲軸提出了更高的要求。特別是曲軸在工作狀態(tài)下承受較大的交變扭矩和彎矩載荷，從設(shè)計(jì)上曲軸不僅具有高的尺寸精度、位置精度，而且具有更好的抗疲勞性能。曲軸的加工工藝水平不僅影響柴油機(jī)整機(jī)的尺寸和重量，而且在很大程度上影響著柴油機(jī)的可靠性與壽命。為此，對(duì)大功率柴油機(jī)高強(qiáng)鋼曲軸進(jìn)行工藝研究具有重要意義。

1 材料的選用

根據(jù)柴油機(jī)的工作狀況，柴油機(jī)曲軸一般采用調(diào)質(zhì)鋼和非調(diào)質(zhì)鋼制造，調(diào)質(zhì)鋼常用材料有：40Cr和42CrMo 等；非調(diào)質(zhì)鋼常用材料有：48MnV 和38MnV6 等。隨著柴油機(jī)轉(zhuǎn)速、功率等性能的提升，德國(guó)柴油機(jī)曲軸采用DIN 牌號(hào)的34CrNiMo6合金結(jié)構(gòu)鋼，相當(dāng)于國(guó)內(nèi)材料40CrNiMoA 合金鋼。34CrNiMo6 材料經(jīng)調(diào)質(zhì)處理后，硬度可達(dá)40HRC，抗拉強(qiáng)度σb1100 MPa，伸長(zhǎng)率δ12%，沖擊韌度值ακ為8kg/cm2。該材料屬于低碳低合金高強(qiáng)鋼，具有優(yōu)良的綜合力學(xué)性能，廣泛用于柴油機(jī)的高載荷和高扭矩的曲軸，但加工性較差，是典型的難加工材料。因此在曲軸加工中應(yīng)充分考慮刀具材質(zhì)和切削參數(shù)的選擇。

圖1 某型號(hào)柴油機(jī)曲軸圖

2 設(shè)計(jì)要求

某型號(hào)柴油機(jī)曲軸見(jiàn)圖1。

柴油機(jī)技術(shù)的發(fā)展帶動(dòng)了曲軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，從普通性能結(jié)構(gòu)鋼到高強(qiáng)高硬材料應(yīng)用，從滲碳淬火到表面氮化熱處理，從軸頸圓柱度0.008 到0.006 的提升，從單一的軸頸表面粗糙度Ra 標(biāo)注到采用Rz 標(biāo)注優(yōu)化，均需要對(duì)曲軸加工工藝進(jìn)行較大的更新和突破。特別是軸頸圓柱度、平行度、跳動(dòng)及表面粗糙度的提高，必須采用高精度數(shù)控設(shè)備和先進(jìn)的熱處理技術(shù)才能滿足產(chǎn)品質(zhì)量要求。

圖2 曲軸內(nèi)銑刀具

3 主要加工流程

遵循“先面后孔，先主要面后次要面，先粗加工后精加工”的加工原則進(jìn)行加工。為此先通過(guò)劃線確定曲軸兩端中心孔位置，然后采用普通車銑床和曲軸內(nèi)銑進(jìn)行大余量去除的外形加工。考慮曲軸軸頸的高精度要求，采用數(shù)控設(shè)備進(jìn)行磨削，并采取多次時(shí)效處理工藝以減少加工和熱處理變形，最后采用數(shù)控砂帶拋光實(shí)現(xiàn)曲軸軸頸的表面完整性。主要加工流程如下：

毛坯—?jiǎng)澗€—鉆中心孔—粗車銑外形—時(shí)效—精銑軸頸—時(shí)效—粗磨軸頸—精銑曲臂外形—時(shí)效—精磨軸頸—氮化—拋光—?jiǎng)悠胶狻獧z驗(yàn)。

4 關(guān)鍵工序和技術(shù)分析

4.1 毛坯選擇

采用鐓擠復(fù)合成形技術(shù)制造曲軸毛坯，可有效解決鍛件折疊、啃傷、充型不飽滿、外形余量不均勻等缺陷，同時(shí)可以解決鍛件成形精度低和多拐曲軸累計(jì)誤差大的問(wèn)題，有效提高曲軸纖維連續(xù)性、各拐性能均勻性和抗疲勞性能。

4.2 兩端中心孔加工

曲軸兩端的中心孔不僅是曲軸后續(xù)工序加工的基準(zhǔn)，也直接影響到曲軸的不平衡量。兩端中心孔質(zhì)量好壞，對(duì)加工精度影響很大，為此根據(jù)軸頸外形的加工余量通過(guò)劃線確定曲軸中心，劃線后采用數(shù)控銑床、中心架支撐，通過(guò)找正中心劃線點(diǎn)利用專用中心鉆完成兩端中心孔加工。加工中心孔時(shí)必須做到兩端中心孔軸線相互重合，中心孔的錐角要準(zhǔn)確，它與頂尖的接觸面積要大，表面粗糙度要小，否則裝夾于兩頂尖間的曲軸在加工過(guò)程中將因接觸剛度的變化而出現(xiàn)圓度誤差。

圖3 曲軸主軸頸和連桿頸隨動(dòng)磨削示意圖

4.3 軸頸粗加工

曲軸軸頸粗加工的主要目的是采用大余量切除法解決曲軸外形的大部分余量。由于粗加工部位較多，耗時(shí)時(shí)間較長(zhǎng)，加工量大，容易造成曲軸變形。為此在加工時(shí)采用兩端中心孔定位，中心架支承，嚴(yán)格控制加工進(jìn)給量和切削速度，有效減少曲軸加工的切削變形。對(duì)于曲軸主軸頸和連桿軸頸的粗加工和半精加工，采用曲軸內(nèi)銑設(shè)備和分度盤進(jìn)行加工，考慮曲軸材料屬于難加工材質(zhì)，選用可轉(zhuǎn)位涂層刀片，獲得了較高的軸向尺寸和軸頸尺寸精度。曲軸內(nèi)銑用刀具見(jiàn)圖2。

圖4 曲軸氮化爐

4.4 軸頸精加工

磨削是一種重要的精加工方法，同其它的加工方法相比，磨削具有加工精度高、獲得的表面質(zhì)量好、被加工材料硬度高等優(yōu)點(diǎn)，所以磨削通常作為加工質(zhì)量要求高的零件的最終精加工手段。磨削加工在曲軸加工工藝環(huán)節(jié)中占有重要地位，對(duì)曲軸加工質(zhì)量和生產(chǎn)效率有舉足輕重的影響。但普通的磨削方法存在效率低、消耗大、成本高等不足之處，長(zhǎng)期以來(lái)，磨削都被人們普遍視作是一種和低效率聯(lián)系在一起的精加工手段。 傳統(tǒng)的曲軸磨削加工方法由兩道工序完成，在曲軸主軸頸磨床上，以中心孔定位，以主軸頸中心連線為回轉(zhuǎn)中心加工主軸頸；在曲軸連桿頸磨床上以主軸頸定位，通過(guò)采用偏心裝置，以被加工連桿頸的軸心線為回轉(zhuǎn)中心加工連桿頸。這種加工方法存在二次裝夾定位誤差大、輔助時(shí)間長(zhǎng)、離線測(cè)量精度不穩(wěn)定、柔性低、經(jīng)濟(jì)性差等缺點(diǎn)。因此，采用隨動(dòng)磨削技術(shù)加工曲軸主軸頸和連桿軸頸是目前最先進(jìn)的一種工藝技術(shù)，該技術(shù)以曲軸的主軸頸定位，以主軸頸中心連線為回轉(zhuǎn)中心，一次裝夾依次磨出主軸頸和連桿頸。其中主軸頸的磨削方式與現(xiàn)有的主軸頸磨床上磨削主軸頸的方式相同，而磨削連桿軸頸的實(shí)現(xiàn)方式為：通過(guò)采用計(jì)算機(jī)數(shù)控（CNC）技術(shù)，根據(jù)建立的連桿軸頸磨削運(yùn)動(dòng)的數(shù)學(xué)模型，控制砂輪的橫向進(jìn)給（X軸）和工件回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)（C 軸）聯(lián)動(dòng)插補(bǔ)，獲得連桿頸的0.012mm 磨削精度和Ra0.1 的表面質(zhì)量。隨動(dòng)磨削具有高精度、高柔性、高效率的特點(diǎn)，是當(dāng)今曲軸磨削加工方法的發(fā)展方向。曲軸主軸頸和連桿頸隨動(dòng)磨削見(jiàn)圖3.

圖中：φ—連桿頸上磨削點(diǎn)轉(zhuǎn)過(guò)的弧段所對(duì)應(yīng)的角度

4.5 表面強(qiáng)化

由于曲軸在交變應(yīng)力作用下工作，其軸頸要求具有高的硬度和耐磨性，特別是軸頸根部圓角處發(fā)生應(yīng)力疲勞和應(yīng)變破壞的危險(xiǎn)性極大，需要根據(jù)設(shè)計(jì)要求針對(duì)精磨后的曲軸在拋光前進(jìn)行氮化處理，采用垂直放置的工藝方法，氮化處理后生成極細(xì)顆粒具有高硬度的ε 相，同時(shí)還能生成Fe3N 和FeN，使軸頸和圓角均得到強(qiáng)化處理，改善表面耐磨性，增加表面硬度。特別是能夠提升曲軸的抗疲勞強(qiáng)度20%-60%，并大幅增加材料的抗腐蝕性能，滿足曲軸在大功率柴油機(jī)中的高速高承載使用要求。曲軸氮化爐見(jiàn)圖4.

5 結(jié)語(yǔ)

曲軸是柴油機(jī)的關(guān)鍵零件之一，裝備技術(shù)的發(fā)展對(duì)柴油機(jī)曲軸的性能、技術(shù)水平、加工質(zhì)量及生產(chǎn)效率提出了更高的要求。通過(guò)針對(duì)某型號(hào)大功率柴油機(jī)高強(qiáng)鋼曲軸加工工藝研究，采用了先進(jìn)的加工工藝技術(shù)，解決了曲軸生產(chǎn)過(guò)程中的關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題，減少了曲軸加工過(guò)程中可能產(chǎn)生的誤差， 提高了曲軸加工質(zhì)量和生產(chǎn)效率。