某國(guó)六柴油發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸加工工藝解析

楊軍 李小新

摘要： 本文針對(duì)某國(guó)六柴油發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸的結(jié)構(gòu)要求，識(shí)別加工工藝難點(diǎn)，對(duì)比、分析不同工藝方案的優(yōu)缺點(diǎn)，選擇最優(yōu)的曲軸加工工藝方案。重點(diǎn)對(duì)所選工藝方案實(shí)施涉及的工藝流程、裝備進(jìn)行論述，解析工藝方案實(shí)施過(guò)程中的具體問(wèn)題，確保加工過(guò)程設(shè)計(jì)完全滿足該曲軸特性要求。

Abstract： In this paper， according to the structure requirements of a diesel engine crankshaft， identify the difficulties in processing technology， compare and analyze the advantages and disadvantages of different process schemes， select the best crankshaft processing scheme. The process flow and equipment involved in the implementation of the selected process plan are discussed， and the specific problems in the implementation of the process plan are analyzed to ensure that the processing process design fully meets the characteristics of the crankshaft.

關(guān)鍵詞： 國(guó)六;發(fā)動(dòng)機(jī);曲軸;加工工藝

Key words： China VI;engine;crankshaft;processing technology

中圖分類(lèi)號(hào)：TK421 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號(hào)：1674-957X（2022）01-0097-03

0 ?引言

隨著汽車(chē)行業(yè)進(jìn)入高速發(fā)展階段，隨之而來(lái)的環(huán)境和能源問(wèn)題日趨加重，輕量化技術(shù)變成了各個(gè)汽車(chē)企業(yè)提升市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力的關(guān)鍵[1]。曲軸作為汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)核心零件，它的設(shè)計(jì)參數(shù)不僅影響著發(fā)動(dòng)機(jī)的可靠性及壽命，在很大程度上影響發(fā)動(dòng)機(jī)整體的尺寸和重量[2]。國(guó)六排放標(biāo)準(zhǔn)的實(shí)施乃大勢(shì)所趨，各柴油發(fā)動(dòng)機(jī)企業(yè)紛紛布局國(guó)六發(fā)動(dòng)機(jī)，為了在市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)中占據(jù)主動(dòng)，對(duì)國(guó)六發(fā)動(dòng)機(jī)零部件的設(shè)計(jì)進(jìn)行優(yōu)化，比如新材料、新結(jié)構(gòu)等，而這些優(yōu)化設(shè)計(jì)必然會(huì)對(duì)零部件的生產(chǎn)制造產(chǎn)生影響，這些影響勢(shì)必引起過(guò)程工藝的變化。本文針對(duì)某國(guó)六柴油發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，對(duì)曲軸加工過(guò)程進(jìn)行解析，制定最優(yōu)的機(jī)加工藝方案。

1 ?曲軸加工工藝解析

1.1 曲軸基本要求

某六缸發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸采用鍛鋼毛坯，排量13.5L，滿足國(guó)六B排放要求[3]，曲軸結(jié)構(gòu)如圖1所示，曲軸后端中心采用螺紋孔結(jié)構(gòu)，用來(lái)安裝齒輪，如圖2。該曲軸結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)把正時(shí)齒輪和法蘭集成到一個(gè)零件（圖2中齒輪），可以有效節(jié)約曲軸總成在發(fā)動(dòng)機(jī)中所占空間。另外其他尺寸方面的要求：

①曲軸前后端銷(xiāo)孔、螺紋孔相對(duì)第一連桿頸P1、第一/七主軸頸位置要求Φ0.15，該位置度會(huì)影響發(fā)動(dòng)機(jī)正時(shí);

②曲軸各主軸頸以M1、M7為基準(zhǔn)跳動(dòng)要求0.1;

③各主、連、前后端軸頸圓度要求0.006。

這些尺寸要求在常規(guī)曲軸加工中并不難保證，但在該國(guó)六曲軸加工工藝選擇時(shí)，必須考慮如何確保這些尺寸要求。

1.2 曲軸加工工藝解析

根據(jù)該曲軸結(jié)構(gòu)及基本尺寸要求，粗加工工藝流程與常規(guī)曲軸加工基本一致：車(chē)削前后端及止推軸頸→內(nèi)銑主連軸頸→加工油孔→淬火→回火。常規(guī)曲軸精加工工藝一般采用精磨主連軸頸→加工兩端螺紋孔及銷(xiāo)孔→精磨前后端軸頸，但該國(guó)六曲軸過(guò)程工藝設(shè)計(jì)中需要考慮以下幾個(gè)方面：

首先，曲軸后端中心孔尺寸的保證必須采用精加工方式加工，而精磨主連軸頸、精磨前后端軸頸必須以中心孔定位，為保證磨削后各軸頸的跳動(dòng)要求，兩個(gè)磨削工序的定位基準(zhǔn)必須保證一致，即中心孔加工必須在兩個(gè)精磨工序之前或者之后。

其次，曲軸前后端螺紋孔與軸頸外圓的壁厚較小，螺紋孔加工后，在螺紋孔對(duì)應(yīng)的軸頸部位會(huì)出現(xiàn)塌陷情況，影響軸頸圓度。如圖3所示，后端10個(gè)螺紋孔加工后，圓度儀檢測(cè)M7軸頸三個(gè)截面的圓度，發(fā)現(xiàn)兩個(gè)截面圓度出現(xiàn)異常，造成圓度異常的原因就是M7軸頸在螺紋孔部位出現(xiàn)塌陷現(xiàn)象，而第三個(gè)截面因螺紋孔深度未到該截面，圓度未受影響，因此加工前后端螺紋孔工序必須在精磨前后端軸頸之前。

最后，曲軸前后端螺紋孔、銷(xiāo)孔相對(duì)曲軸主連軸頸的位置度要求較高，因此該工序加工的定位基準(zhǔn)應(yīng)是精加工后的部位，另外后續(xù)工序的加工不能影響前后端孔的尺寸精度。

2 ?工藝方案選擇

2.1 不同工藝方案對(duì)比

通過(guò)上述工藝難點(diǎn)解析，如何選擇合理的工藝方案來(lái)保證曲軸的各特性要求，需要進(jìn)行充分的分析和論證，如表1中對(duì)各工藝流程方案進(jìn)行優(yōu)缺點(diǎn)分析。

2.2 工藝方案確定

從表1中可以看出，方案7的工藝方案可以滿足該國(guó)六發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸的特性要求，但是工藝冗長(zhǎng)，僅適合小批量加工。另外在該曲軸生產(chǎn)線規(guī)劃時(shí)，考慮到采用自動(dòng)化桁架來(lái)對(duì)精加工工序進(jìn)行串聯(lián)，因此工藝流程選擇盡可能簡(jiǎn)短才能發(fā)揮自動(dòng)線高效率的優(yōu)勢(shì)。方案1、2、3的工藝流程最短，但是方案1、2卻存在無(wú)法解決的質(zhì)量問(wèn)題，方案3雖然存在前后端孔尺寸無(wú)法保證的缺點(diǎn)，我們可以通過(guò)對(duì)工藝裝備的優(yōu)化改進(jìn)，避免前后端孔位置度無(wú)法保證的問(wèn)題，因此最終工藝方案選擇：回火→加工螺紋孔+銷(xiāo)孔+中心孔→精磨主連→精磨前后端。

2.3 工藝裝備選擇

2.3.1 曲軸前后端螺紋孔、銷(xiāo)孔、中心孔加工

該方案前后端孔的加工選用雙轉(zhuǎn)塔動(dòng)力自動(dòng)化設(shè)備，可以滿足同時(shí)加工兩端孔的加工，每個(gè)轉(zhuǎn)塔有8個(gè)工位動(dòng)力頭，滿足多類(lèi)型刀具的自動(dòng)切換，加工效率高。本方案加工時(shí)，各定位基準(zhǔn)未進(jìn)行精加工，可以通過(guò)夾具設(shè)計(jì)、測(cè)量系統(tǒng)來(lái)保證孔位置度尺寸。如圖4為設(shè)備夾持方案，V型支撐部位M1、M7，角向、軸向定位采用液壓油缸壓緊，確保曲軸在加工過(guò)程中定位穩(wěn)定。

前文提到本工藝方案的最大缺點(diǎn)是孔位置度的保證，夾持、定位部位是粗加工完成，且此時(shí)曲軸經(jīng)過(guò)中頻淬火，熱處理變形不可避免。但該設(shè)備配備工件測(cè)量系統(tǒng)，可以對(duì)曲軸軸線進(jìn)行檢測(cè)后再進(jìn)行加工，可以保證曲軸前后端孔相對(duì)曲軸軸線的位置度;另外該設(shè)備多工裝動(dòng)力頭，可以有多余動(dòng)力頭配備修中心孔刀具，不僅可以修正熱處理產(chǎn)生的變形，還能去除前序使用中心孔造成的中心孔頂傷等缺陷，保證后續(xù)精磨定位基準(zhǔn)的完好。

2.3.2 精磨曲軸主軸頸、連桿頸及止推面

曲軸主軸頸、連桿頸及止推面磨削采用行業(yè)內(nèi)先進(jìn)的雙CBN砂輪隨動(dòng)磨削技術(shù)，具備雙砂輪同時(shí)磨削，另外設(shè)備具備中心架保持、磨前工裝測(cè)量、智能偏磨、砂輪修整噪音檢測(cè)等功能，該設(shè)備的質(zhì)量保證能力、磨削效率屬于領(lǐng)先水平。

該設(shè)備可以有效保障主連軸頸的磨削質(zhì)量，那么如何來(lái)保證已加工的曲軸前后端孔位置度呢？前序重新修中心孔，而中心孔又是精磨的定位基準(zhǔn)，所以兩端孔相對(duì)曲軸軸線的位置度不會(huì)受精磨工序的影響或者影響有限，但是兩端孔角向位置度（即相對(duì)P1軸頸的位置度）如何來(lái)保證？常規(guī)曲軸磨削并未在角向進(jìn)行定位，上料位置大概正確就可以了，角向位置以機(jī)床測(cè)頭的檢測(cè)來(lái)確認(rèn)，但是不適用此曲軸磨削方案。前工序加工的前后端銷(xiāo)孔是以P1為定位加工，P1軸頸屬粗加工，P1磨削后可能造成銷(xiāo)孔角向位置度超差。該國(guó)六曲軸磨削工序機(jī)床通過(guò)對(duì)頭架工裝進(jìn)行改進(jìn)，采用前端銷(xiāo)孔定位，定位方式如圖5，工裝保證銷(xiāo)孔與P1中心的角度關(guān)系，磨床以此時(shí)的P1中心作為角向位置進(jìn)行智能磨削，此定位方案可以保證曲軸前后端銷(xiāo)孔的角向位置度要求。

2.3.3 精磨曲軸前后端軸頸

該曲軸前后端磨削可以采用常規(guī)曲軸的磨削方案，也可以采用雙砂輪機(jī)床，實(shí)現(xiàn)一次裝夾完成前后端軸頸的同時(shí)磨削，效率高。

2.4 工藝方案實(shí)施中其他問(wèn)題解析

在該國(guó)六曲軸工藝方案實(shí)施過(guò)程中，也遇到了一些工藝方面的問(wèn)題。

第一，后端螺紋孔加工時(shí)，絲錐壽命不高、易折斷。通過(guò)對(duì)M7部位進(jìn)行切樣分析，發(fā)現(xiàn)淬硬層已延伸到螺紋孔位置（圖6），影響刀具壽命。批量生產(chǎn)過(guò)程中，對(duì)M7淬硬層最大深度進(jìn)行管控（圖7），該問(wèn)題得到改善。

第二，該曲軸前后端銷(xiāo)孔位置度屬于關(guān)鍵特性，該工藝流程需要在兩端孔加工工序和精磨工序都設(shè)置抽檢要求，確保該關(guān)鍵特性的質(zhì)量。因兩個(gè)工序銷(xiāo)孔位置度基準(zhǔn)有存在被加工情況，如角向基準(zhǔn)P1軸頸被精磨，正常情況下應(yīng)該制作兩個(gè)檢具來(lái)檢測(cè)兩個(gè)工序的銷(xiāo)孔位置度，我們通過(guò)對(duì)檢具進(jìn)行改進(jìn)，實(shí)現(xiàn)在一個(gè)檢具上檢測(cè)兩個(gè)工序的銷(xiāo)孔位置度。檢具設(shè)計(jì)方案如下：

①檢具采用頂中心孔方式進(jìn)行定位（兩個(gè)工序中心孔位置不變），彈性滾輪支撐除了可以分擔(dān)兩頂尖的壓力、適應(yīng)不同軸頸直徑的支撐，也可以確保曲軸正常轉(zhuǎn)動(dòng)。曲軸前后端孔位置度檢具（多孔位置度盤(pán)）與頂尖滑動(dòng)配合，檢測(cè)前后端螺紋孔、銷(xiāo)孔相對(duì)曲軸軸線的位置度。（圖8）

②銷(xiāo)孔角向位置度檢測(cè)采用常規(guī)的V型塊固定角向基準(zhǔn)，確保銷(xiāo)孔中心處于理論上水平狀態(tài)，此時(shí)測(cè)定、對(duì)比銷(xiāo)孔實(shí)際中心高度與理論中心高度的偏差來(lái)檢測(cè)角向位置度。因該曲軸前后端銷(xiāo)孔與P1之間的夾角不同，因此檢測(cè)前后端銷(xiāo)孔高度時(shí)，P1軸頸需要固定在不同位置（圖9），本檢具的特點(diǎn)是V型塊可以翻轉(zhuǎn)，且V型塊中心相對(duì)翻轉(zhuǎn)中心不對(duì)稱(chēng)，即檢測(cè)前端銷(xiāo)孔時(shí)，如圖9左所示V型塊保證P1在理論位置，而檢測(cè)后端銷(xiāo)孔時(shí)，把V型塊如圖9右所示翻轉(zhuǎn)180°定位P1，就可以保證后端銷(xiāo)孔中心處于水平位置，檢具便捷。

3 ?結(jié)束語(yǔ)

隨著發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)的發(fā)展，對(duì)零部件的性能、結(jié)構(gòu)、質(zhì)量等有了一些新的要求，這些新要求勢(shì)必會(huì)影響零部件的制造工藝，推動(dòng)零部件加工工藝裝備、工藝方法、質(zhì)量管理等制造方面的不斷更新和完善。

參考文獻(xiàn)：

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