發(fā)動機曲軸的加工工藝分析
2012-12-31 00:00:00朱惠正
【摘要】曲軸是發(fā)動機中關(guān)鍵零件之一，隨著發(fā)動機趨于輕量化、結(jié)構(gòu)簡單化、性能優(yōu)質(zhì)化，發(fā)動機曲軸制造工藝發(fā)生了很大的變化。高速、高效、柔性、復(fù)合化是曲軸制造技術(shù)發(fā)展的主要方向 文章首先闡述了曲軸材料的選用方法和技術(shù)要求，在此基礎(chǔ)上，重點對曲軸加工的關(guān)鍵技術(shù)問題進行了相關(guān)分析與說明。
【關(guān)鍵詞】曲軸加工；曲軸材料；工藝方法；強化工藝
曲軸是活塞式發(fā)動機中最重要、承受負荷最大的零件之一。曲軸在工作狀態(tài)下受著交變的扭矩和彎矩載荷，這就要求曲軸具有足夠的強度和剛度以及高精度。曲軸加工工藝水平不僅影響著整機的尺寸和重量，而且在很大程度上影響著發(fā)動機的可靠性與壽命。因此，改進
曲軸加工方法、提高加工精度顯得非常重要。
１．曲軸材料的選用和技術(shù)要求
1.1曲軸常用材料
根據(jù)發(fā)動機的工作狀況，曲軸常用材料有：球墨鑄鐵、調(diào)質(zhì)鋼、非調(diào)質(zhì)鋼。由于球墨鑄鐵的力學性能接近調(diào)質(zhì)鋼，切削性能良好，且成本只有調(diào)質(zhì)鋼材質(zhì)成本的l／3左右，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)計資料表明，車用發(fā)動機曲軸采用球墨鑄鐵材料的比例：美國為90％，英國為85％，日本為60％。國內(nèi)的汽油機曲軸，一般采用球墨鑄鐵制造，常用的牌號有：QT700-2、QT800-6、QT900-6、等溫淬火球墨鑄鐵等。而柴油機曲軸一般采用調(diào)質(zhì)鋼或非調(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、38MnV6等。
1.2 曲軸的主要部位技術(shù)要求
其主要技術(shù)要求有以下一些。
（1）主軸頸與連桿軸頸有較高的圓柱度公差要求，一般為5級。
（2）中間三個主軸頸對兩端主軸頸有較高的圓跳動公差要求。
（3）曲軸的連桿軸頸與主軸頸有偏心距要求，在加工時應(yīng)注意回轉(zhuǎn)平衡。
（4）連桿軸頸的軸線對兩端主軸頸軸線有較高的的平行度公差要求，一般為0.05mm。
2.曲軸加工的關(guān)鍵技術(shù)問題探討
2.1曲軸定心模式的合理選用
曲軸定心工序采用的方法主要有幾何定心和質(zhì)量定心兩種。在業(yè)界內(nèi)，關(guān)于采用質(zhì)量定心還是幾何定心的問題，經(jīng)過多年的爭論，現(xiàn)逐漸形成以下共識：①如果曲軸毛坯質(zhì)量好，可以用幾何定心；如果毛坯質(zhì)量不高，才可能采用質(zhì)量定心方案。②如果毛坯質(zhì)量均衡性尚可，采用幾何定心方案就能保證曲軸不平衡量在合適的范圍內(nèi)，則不必采用質(zhì)量定心方案，以減少因質(zhì)量定心設(shè)備帶來的設(shè)備投資。大量的生產(chǎn)實際表明，伴隨我國曲軸毛坯制造水平的不斷提升，采用幾何定心將成為一種發(fā)展趨勢。
2.2 曲軸粗加工方式的選擇與比較
曲軸的粗加工工藝先后經(jīng)歷了單刀車、多刀成型車、外銑、內(nèi)銑、車一拉、車一車拉、高速隨動外銑、復(fù)合加工工藝。由于外銑、內(nèi)銑、車一拉、車一車拉、高速隨動外銑可產(chǎn)生較小的徑向切削力，有效地減少了曲軸粗加工的切削變形，因而得到了廣泛的應(yīng)用。在具體工藝的選擇上，通常根據(jù)以下三個因素進行合理選擇。①曲軸長度L。當L<700mm時，常選擇車一車拉、外銑工藝；當L>700mm時，多采用外銑或者內(nèi)銑曲軸主軸頸和連桿軸頸工藝。②毛坯余量δ的大小。當δ>5mm時，常采用外銑或內(nèi)銑工藝；當δ≤3mm時，宜選用車拉、車-車拉工藝。③曲軸粗加工的變形問題。為有效減少變形，可以先進行外銑或內(nèi)銑主軸頸和連桿軸頸，去除大部分的余量，有效釋放應(yīng)力后再進行車-車拉主軸頸和連桿軸頸工藝，從而獲得較高的軸向尺寸和軸頸尺寸精度。
2.3 磨削工藝的合理選擇
國內(nèi)磨削工藝一般分為粗磨和精磨，而國外大多數(shù)廠家都是一次精磨到位。磨削工藝的選擇要兼顧以下兩個問題：一是如何保證曲軸質(zhì)量；二要有利于消除或減少磨削裂紋。眾所周知，磨削裂紋的產(chǎn)生是由磨削熱引起的，降低磨削熱是解決磨削裂紋的關(guān)鍵，在磨削工藝上可采取以下措施消除或減少磨削裂紋。
（1）采用濕磨法，用切削液冷卻磨削區(qū)，降低磨削區(qū)溫度。
（2）選用粒度較粗、硬度較軟的砂輪，磨削時可以降低磨削熱。
（3）選擇合適的磨削量，也可以降低磨削熱的產(chǎn)生。
（4）選擇合適磨削余量，在磨削過程中減小磨削佘量，降低磨削熱的產(chǎn)生。
（5）改善冷卻條件，提高冷卻噴射壓力，加大冷卻液流量等，以降低磨削熱。
2.4 曲軸強化工藝
由于曲軸在交變應(yīng)力作用下工作，其軸頸面變化轉(zhuǎn)接圓角處發(fā)生應(yīng)力疲勞和應(yīng)變破壞的危險性極大。目前，主要通過噴丸強化和圓角滾壓強化來改變曲軸抗疲勞性能。
（1）噴丸強化。噴丸強化工藝是通過引入一個預(yù)壓應(yīng)力來抵消零件在以后工作周期會受到的拉應(yīng)力，從而提高工件抗疲勞性能和安全使用壽命。對于噴丸強化過程，有兩個最關(guān)鍵的參數(shù)。一個是應(yīng)力強度， 另一個是覆蓋率。就曲軸噴丸強化而言，需要監(jiān)控的參數(shù)包括：噴丸速度、噴丸強度、噴丸的距離等。
（2）圓角滾壓強化。圓角滾壓強化機理在于：金屬層在滾輪壓力作用下，使金屬表層產(chǎn)生殘余壓縮應(yīng)力，抵消了部分工作拉伸應(yīng)力，使零件疲勞強度大幅提高。因而進行圓角滾壓強化的關(guān)鍵在于合理選擇以下參數(shù)：滾壓加載模式、滾壓力大小、以及滾壓力的加載曲線等。
3.結(jié)語
要制定先進合理的曲軸加工工藝必須做到以下幾點。
（1）根據(jù)曲軸零件的特點，采用合理的曲軸定心模式。
（2）磨削工藝參數(shù)的選取要有利于減少或消除磨削裂紋。
（3）適合于多品種、小批量的復(fù)合加工技術(shù)是今后曲軸加工的一個發(fā)展方向。
（4）注意曲軸強化工藝的推廣和應(yīng)用。 [科]
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