曲軸復合加工

1、曲軸復合加工進入21世紀以后，發(fā)動機曲軸在制造工藝、刀具等方面都發(fā)生了巨大的變化。領導了近半個多世紀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。高速、高效的復合加工技術及裝備迅速進入汽車及零部件制造業(yè)，高速高效復合加工技術在曲軸加工生產(chǎn)中已有相當程度的應用，并將是其必然發(fā)展趨勢。曲軸加工技術設備現(xiàn)狀 目前，國內曲軸陳舊生產(chǎn)線多數(shù)由普通機床和專用機床組成，生產(chǎn)效率和自動化程度相 對較低。粗加工設備一般采用多刀車床車削曲軸主軸頸及連桿軸頸，工序質量穩(wěn)定性差，容易產(chǎn)生較大的加工應力，難以達到合理的加工余量。精加工普遍采用MQ8260等普通曲軸磨床進行粗磨、半精磨

2、、精磨、拋光，通?？咳斯げ僮?，加工質量不穩(wěn)定、尺寸一致性差。 老式生產(chǎn)線一個主要的特點就是普通設備太多，按加工球墨鑄鐵曲軸來計算，一條生產(chǎn)線有3540臺設備。粗加工采用普通外銑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入精加工工序。 而當今的發(fā)動機曲軸制造業(yè)面臨的卻是以下幾個問題： 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，加工中提出了許多需要解決的課題，如硬切削； 5. 為保護環(huán)境，要求少用或不用切削液，即實現(xiàn)干式切削或準干式切削；正是基于以上情況，在進入21世紀以來，高速、高精、高效的復

3、合加工技術及裝備在汽車曲軸制造業(yè)中得到了迅速的應用，生產(chǎn)效率得到了很大提高，因此發(fā)動機曲軸生產(chǎn)線中生產(chǎn)設備數(shù)量得以減少。 曲軸復合加工技術的發(fā)展： 20世紀80年代后期，德國BOEHRINGER公司和HELLER公司開發(fā)出了完善的曲軸車車拉機床，該加工工藝是將曲軸車削工藝與曲軸車拉工藝完美結合，生產(chǎn)效率高、加工精度好、柔性強、自動化程度高、換刀時間短，特別適合有沉割槽曲軸的加工，加工后曲軸可直接進行精磨，省去粗磨工序。因此，曲軸車車拉加工工藝是目前國際上曲軸粗加工中流行的加工工藝之一。 20世紀90年代中期出現(xiàn)的新型CNC高速曲軸外銑機床使曲軸粗加工工藝又上了一個新臺階。CNC曲軸內銑與CNC

4、高速曲軸外銑對比，內銑存在以下缺點：不容易對刀、切削速度較低（通常不大于160m/min）、非切削時間較長、機床投資較多、工序循環(huán)時間較長。而CNC高速曲軸外銑具有以下優(yōu)點：切削速度高（可高達350m/min）、切削時間較短、工序循環(huán)時間較短、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。 江蘇南亞自動車有限公司菲亞特轎車曲軸生產(chǎn)線見到德國BOEHRINGER公司兩臺設備，其中1臺為數(shù)孔曲軸車車拉機床，另外1臺為CNC高速曲軸外銑，據(jù)專家介紹，曲軸車車拉機床特別適合于軸頸有沉割槽、平衡塊側面不用加工的曲軸；而高速外銑

5、則不能加工軸向有沉割槽的曲軸。該銑床為德國BOEHRINGER公司的VDF 315 OM-4高速隨動外銑床，它是德國BOEHRINGER公司專為汽車發(fā)動機曲軸設計制造的柔性數(shù)控銑床，該設備應用工件回轉和銑刀進給伺服連動控制技術，可以一次裝夾不改變曲軸回轉中心，并隨動跟蹤銑削曲軸的連桿軸頸。VDF 315 OM-4高速隨動外銑采用復合材料一體化結構床身，工件兩端電子同步旋轉驅動，具有干式切削、加工精度高、切削效率高等特點；該銑床使用SIEMENS 840D CNC控制系統(tǒng)，通過輸入零件的基本參數(shù)即可自動生成加工程序，可以加工長度在450700mm、回轉直徑在380mm以內的各種曲軸，連桿軸頸直徑

6、誤差為0.02mm。 由上可以看出，曲軸粗加工比較流行的工藝是：主軸頸采用車拉工藝和高速外銑，連桿頸采用高速外銑，而且傾向于高速隨動外銑，全部采用干式切削。由于國外此類設備價格昂貴，產(chǎn)品加工成本很高，國內一些機床生產(chǎn)廠家（如青海第二機床制造有限責任公司）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)控曲軸車拉機床等專用機床。 曲軸精加工采用國內數(shù)控磨床磨削情況已相當普遍，產(chǎn)品加工精度已有相當程度的提高。為滿足曲軸日益提高的加工要求，對曲軸磨床提出了很高的要求。現(xiàn)代曲軸磨床除了要有很高的靜態(tài)、動態(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，更要求曲軸磨床具有穩(wěn)定的加工精度

7、，為此，對曲軸磨床的工序能力系數(shù)規(guī)定了Cp1.67，這意味著要求曲軸磨床的實際加工公差要比曲軸給定的公差小一半。隨著現(xiàn)代驅動和控制技術、測量控制、CBN（立方氮化硼）砂輪和先進的機床部件的應用，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磨削的工藝。正是體現(xiàn)了這些新技術綜合應用的具體成果。這種隨動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。在對連桿頸進行隨動磨削時，曲軸以主軸頸為軸線進行旋轉，并在一次裝夾下磨削所有連桿頸。在磨削過程中，磨頭實現(xiàn)往復擺動進給，跟蹤著偏心回轉的連桿頸進行磨削加工。要實現(xiàn)隨動磨削，X軸除了必須具有高的動態(tài)性能外，還必須具有足夠的

8、跟蹤精度，以確保連桿頸所要求的形狀公差。CBN砂輪的應用是實現(xiàn)連桿頸隨動磨削的重要條件。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120140m/s的磨削速度，磨削效率很高。提到復合加工技術，就不得不提到復合加工機床，復合加工機床的定義也是隨時代變化的。過去將加工中心稱為復合加工機床，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域，現(xiàn)在已經(jīng)不再將一般的加工中心稱之為復合加工機床了。復合機床應具有工序集成功能，多種加工集成功能。從制造業(yè)所處的環(huán)境看，復合加工機床將一直是重

9、點開發(fā)的機床產(chǎn)品之一，功能不斷擴大，會向著“一臺機床成為一個小工廠”的方向邁進在曲軸復合加工機床中，奧地利WFL公司生產(chǎn)的臥式車銑復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、鉆和三坐標功能于一身，在一臺具有雙主軸的車銑復合加工中心上可以對曲軸進行完全加工，加工后的曲軸可直接轉入精加工工序。目前國內也推出了類似的復合機床，在CIMT2005期間，沈陽數(shù)控機床有限責任公司展出的CKZ80-5車銑加工中心就是一臺復合機床，代表了我國同類機床的最高水平。該機床五軸中X、Y、Z、B軸采用直線光柵尺或圓度光柵

10、尺檢測，可實現(xiàn)閉環(huán)控制。該加工中心備有4896工位刀庫可實現(xiàn)自動換刀，一次裝卡可進行車、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、德國勇克（JUNKER）、德國NAXOS等生產(chǎn)的此類數(shù)控磨床都是比較成熟的設備。這里簡要介紹一下日本TOYADA工機開發(fā)生產(chǎn)的GF70M-T曲軸磨床的性能：該機床是為了滿足多品種、低成本、高精度、大批量生產(chǎn)需要而設計的數(shù)控曲軸磨床，應用工件回轉和砂輪進給伺服聯(lián)動控制技術，可以一次裝夾而不改變曲軸回轉中心即可完成所有軸頸的磨削，包括隨動跟蹤磨削連

11、桿軸頸；采用靜壓主軸、靜壓導軌、靜壓進給絲杠（砂輪頭架）和線性光柵閉環(huán)控制，使用TOYADA工機生產(chǎn)的GC50 CNC控制系統(tǒng)，磨削軸頸圓度精度可達到0.002mm；采用CBN砂輪，磨削線速度高達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（化學氣相沉積）技術不斷推陳出新，由單層發(fā)展成多層、千層、復合涂層，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高速鋼鉆頭，鉆孔和攻絲用硬質合金材料來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砂輪價格昂貴，但由于加工效率和耐用度高，分攤到每個工件上的刀具費用反而比采用價格低廉的普通砂輪要低。據(jù)德國NAXOS磨床廠的資料顯示