發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸：復(fù)合加工取代老工藝

1、2006-5-24發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸：復(fù)合加工取代老工藝進(jìn)入21世紀(jì)以后，發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸在制造工藝、刀具等方面都發(fā)生了巨大的變化。領(lǐng)導(dǎo)了近半個(gè)多世紀(jì)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(tái)。高速、高效的復(fù)合加工技術(shù)及 裝備迅速進(jìn)入汽車及零部件制造業(yè)，高速高效復(fù)合加工技術(shù)在曲軸加工生產(chǎn)中已有相當(dāng)程度的應(yīng)用，并將是其必然發(fā)展趨勢(shì)。曲軸加工技術(shù)設(shè)備現(xiàn)狀目前，國(guó)內(nèi)較陳舊的曲軸生產(chǎn)線多數(shù)由普通機(jī)床和專用機(jī)床組成，生產(chǎn)效率和自動(dòng)化程度相對(duì)較低。粗加工設(shè)備一般采用多刀車床車削曲軸主軸頸及連桿軸頸，工序質(zhì)量穩(wěn)定性差， 容易產(chǎn)生較大的加工應(yīng)力，難以達(dá)到合理的加工余量。精加工普遍采用

2、MQ8260等普通曲軸磨床進(jìn)行粗磨、半精磨、精磨、拋光，通?？咳斯げ僮?，加工質(zhì)量不穩(wěn)，尺寸一致性差。老式生產(chǎn)線一個(gè)主要的特點(diǎn)就是普通設(shè)備太多，按加工球墨鑄鐵曲軸來(lái)計(jì)算，一條生產(chǎn)線有3540臺(tái)設(shè)備。筆者曾考查過國(guó)內(nèi)某一鍛鋼曲軸生產(chǎn)線，粗加工采用普通外銃加工主軸頸和連桿頸，然后數(shù)控精車主軸頸和連桿頸，再經(jīng)過多道工序的磨削方轉(zhuǎn)入精加工工序。所以這條生產(chǎn)線設(shè)備達(dá)60多臺(tái)，導(dǎo)致產(chǎn)品周轉(zhuǎn)線長(zhǎng)、場(chǎng)地占用面積大，其生產(chǎn)效率完全是靠多臺(tái)設(shè)備分解工序和余量來(lái)提高的。而當(dāng)今的汽車發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸制造業(yè)面臨的卻是以下幾個(gè)問題：1多品種、小批量生產(chǎn)；2交貨期大大縮短；3降低生產(chǎn)成本;4.難切削材料的出現(xiàn)使加工難度明顯增加，加

3、工中提出了許多需要解決的課題，如硬切削； 5.為保護(hù)環(huán)境，要求少用或不用切削液，即實(shí)現(xiàn)干式切削或準(zhǔn)干式切削；正是基于以上情況，進(jìn)入 21 世紀(jì)以來(lái)，高速、高精、高效的復(fù)合加工技術(shù)及裝備在汽車曲軸制造業(yè)中得到了迅 速的應(yīng)用， 生產(chǎn)效率得到了很大提高， 因此發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸生產(chǎn)線中生產(chǎn)設(shè)備數(shù)量得以減少。 筆者曾在某一轎車發(fā)動(dòng) 機(jī)曲軸生產(chǎn)線看到，全線設(shè)備（包括熱處理、表面強(qiáng)化）只有 13 臺(tái)設(shè)備左右，產(chǎn)品周轉(zhuǎn)線短、加工效率高、易 于質(zhì)量控制管理。曲軸復(fù)合加工技術(shù)的發(fā)展20 世紀(jì) 80 年代后期， 德國(guó) BOEHRINGER 公司和 HELLER 公司開發(fā)出了完善的曲軸車車?yán)瓩C(jī)床， 該加工工藝 是將曲軸車削

4、工藝與曲軸車?yán)に囃昝澜Y(jié)合，生產(chǎn)效率高、加工精度好、柔性強(qiáng)、自動(dòng)化程度高、換刀時(shí)間短， 特別適合有沉割槽曲軸的加工，加工后曲軸可直接進(jìn)行精磨，省去粗磨工序。因此，曲軸車車?yán)庸すに囀悄?前國(guó)際上曲軸粗加工中流行的加工工藝之一。20 世紀(jì) 90 年代中期出現(xiàn)的新型 CNC 高速曲軸外銑機(jī)床使曲軸粗加工工藝又上了一個(gè)新臺(tái)階。 CNC 曲軸內(nèi)銑與 CNC 高速曲軸外銑對(duì)比，內(nèi)銑存在以下缺點(diǎn)：不容易對(duì)刀、切削速度較低（通常不大于160m/min ）、非切削時(shí)間較長(zhǎng)、機(jī)床投資較多、 工序循環(huán)時(shí)間較長(zhǎng)。 而 CNC 高速曲軸外銑具有以下優(yōu)點(diǎn)： 切削速度高（可高達(dá) 350m/min ）、 切削時(shí)間較短、工序

5、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。因此， CNC 高速曲軸外銑將是曲軸粗加工的發(fā)展方向。筆者在江蘇南亞自動(dòng)車有限公司菲亞特轎車曲軸生產(chǎn)線見到德國(guó) BOEHRINGER 公司兩臺(tái)設(shè)備， 其中 1 臺(tái)為數(shù)孔 曲軸車車?yán)瓩C(jī)床，另外 1 臺(tái)為 CNC 高速曲軸外銑，親身體驗(yàn)了一次 “削鐵如泥 ”的感覺。據(jù)專家介紹，曲軸車 車?yán)瓩C(jī)床特別適合于軸頸有沉割槽、 平衡塊側(cè)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(guó) BOEHRINGER 公司的 VDF315OM-4 高速隨動(dòng)外銑床，它是德國(guó) BOEHRINGER 公司專為汽

6、車發(fā) 動(dòng)機(jī)曲軸設(shè)計(jì)制造的柔性數(shù)控銑床， 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，并隨動(dòng)跟蹤銑削曲軸的連桿軸頸。 VDF315OM-4 高速隨動(dòng)外銑采用復(fù)合材料一體化結(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)；該銑床使用 SIEMENS840DCNC 控制系統(tǒng)，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)度在 450700mm、回轉(zhuǎn)直徑在380mm 以內(nèi)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?yán)に嚭透咚偻忏?，連桿頸采用高速外銑，而且傾 向于高速

7、隨動(dòng)外銑，全部采用干式切削。由于國(guó)外此類設(shè)備價(jià)格昂貴，產(chǎn)品加工成本很高，國(guó)內(nèi)一些機(jī)床生產(chǎn)廠 家（如青海第二機(jī)床制造有限責(zé)任公司）相繼開發(fā)出了數(shù)控曲軸車床、數(shù)控高速曲軸銑床，數(shù)控曲軸車?yán)瓩C(jī)床等 專用機(jī)床。曲軸精加工采用國(guó)內(nèi)數(shù)控磨床磨削情況已相當(dāng)普遍， 產(chǎn)品加工精度已有相當(dāng)程度的提高。 為滿足曲軸日益提高的 加工要求，對(duì)曲軸磨床提出了很高的要求?，F(xiàn)代曲軸磨床除了要有很高的靜態(tài)、動(dòng)態(tài)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(lái)，更要求曲軸磨床具有穩(wěn)定的加工精度，為此，對(duì)曲軸磨床的工 序能力系數(shù)規(guī)定了 Cp 1.67,這意味著要求曲軸磨床的實(shí)際加工公差要比曲軸給定的公差小一半。

8、隨著現(xiàn)代驅(qū)動(dòng) 和控制技術(shù)、測(cè)量控制、 CBN （立方氮化硼）砂輪和先進(jìn)的機(jī)床部件的應(yīng)用，為曲軸磨床的高精度、高效磨削加 工創(chuàng)造了條件。 一種稱之為連桿頸隨動(dòng)磨削的工藝。 正是體現(xiàn)了這些新技術(shù)綜合應(yīng)用的具體成果。 這種隨動(dòng)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(duì)連桿頸進(jìn)行隨動(dòng)磨削時(shí)， 曲軸以主軸頸為 軸線進(jìn)行旋轉(zhuǎn)，并在一次裝夾下磨削所有連桿頸。在磨削過程中，磨頭實(shí)現(xiàn)往復(fù)擺動(dòng)進(jìn)給，跟蹤著偏心回轉(zhuǎn)的連 桿頸進(jìn)行磨削加工。要實(shí)現(xiàn)隨動(dòng)磨削， X 軸除了必須具有高的動(dòng)態(tài)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(yīng)用是實(shí)現(xiàn)連桿頸隨動(dòng)磨削

9、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600800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(dá)120140m/s的磨削速度，磨削效率很高。用于曲軸復(fù)合加工的機(jī)床提到復(fù)合加工技術(shù)， 就不得不提到復(fù)合加工機(jī)床， 復(fù)合加工機(jī)床的定義也是隨時(shí)代變化的。 過去將加工中心稱為 復(fù)合加工機(jī)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(lǐng)域， 現(xiàn)在已經(jīng)不再將一般的加工 中心稱之為復(fù)合加工機(jī)床了。復(fù)合機(jī)床應(yīng)具有工序集成功能，多種加工集成功能。從制造業(yè)所處的環(huán)境看，復(fù)合 加工機(jī)床將一直是重點(diǎn)開發(fā)的機(jī)床產(chǎn)品之一，功能不斷

10、擴(kuò)大，會(huì)向著“一臺(tái)機(jī)床成為一個(gè)小工廠 ”的方向邁進(jìn)。在曲軸復(fù)合加工機(jī)床中， 奧地利 WFL 公司生產(chǎn)的臥式車銑復(fù)合加工中心具有一定的代表性。 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(biāo)功能于一身， 在一臺(tái)具有雙主軸的車銑復(fù)合加工中心上可以對(duì)曲軸進(jìn)行完全加工，加工后的曲軸可直接轉(zhuǎn)入精加工工序。 目前國(guó)內(nèi)也推出了類似的復(fù)合機(jī)床， 在 CIMT2005 期間， 沈陽(yáng)數(shù)控機(jī)床有限責(zé)任公司展出的 CKZ80-5車銑加工中心就是一臺(tái)復(fù)合機(jī)床，代表了我國(guó)同類機(jī)床的最高水平。該機(jī)床五軸中X、Y、 Z、B 軸采用直線光

11、柵尺或圓度光柵尺檢測(cè)，可實(shí)現(xiàn)閉環(huán)控制。該加工中心備有4896工位刀庫(kù)可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)換刀，一次裝卡可進(jìn)行車、銑、鉆、鏜、攻絲等的加工。在曲軸精加工方面，也出現(xiàn)了工序集成的 CBN 數(shù)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(jī)、德國(guó)勇克（ JUNKER ）、德國(guó) NAXOS 等生產(chǎn)的此類數(shù)控磨床都是 比較成熟的設(shè)備。這里簡(jiǎn)要介紹一下日本 TOYADA 工機(jī)開發(fā)生產(chǎn)的 GF70M-T 曲軸磨床的性能：該機(jī)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，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

12、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 GC50CNC 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。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(fā)展提供了可能性，除了高速鋼、硬質(zhì)合金以外，超硬材料的發(fā)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(chuàng)造了條件。為適應(yīng)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(fā)展為 A12O3、TiC 、ZrO2 等，根據(jù)加工的要求，為提高耐高溫的性能，又發(fā)展了TiCN 、TiAlN 、 TiSiN 、 CrSiN 等?，F(xiàn)在 PVD（物理氣相沉積）、 CVD （化學(xué)氣相沉積）技術(shù)不斷推陳出新，由單層發(fā)展成多層、千層、復(fù)合涂層，現(xiàn)在又 發(fā)展成納米涂層; 深油孔的加工采用槍鉆加工代替普通加長(zhǎng)高速鋼鉆頭，鉆孔和攻絲用硬質(zhì)合金材料來(lái)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(jià)格昂貴，但由于加工效率和耐用 度高，分?jǐn)偟矫總€(gè)工件上的刀具費(fèi)用反而比采用價(jià)格低廉的普通砂輪要低。據(jù)德