發(fā)動機(jī)曲軸粗加工20世紀(jì)70年代以前采用的加工方式是多刀車床車削曲軸主軸頸和連桿軸頸。采用這種方式加工精度較低、柔性很差、工序質(zhì)量穩(wěn)定性低，且容易產(chǎn)生較大的內(nèi)部應(yīng)力，難以達(dá)到合理的加工余量。在粗加工后一般需要進(jìn)行去應(yīng)力回火處理，釋放應(yīng)力。因此粗加工需要給后續(xù)精加工工序留較大的加工余量，以去除彎曲變形量。曲軸精加工采用的是普通磨削工藝，一般采用MQ8260曲軸磨床粗磨-半精磨-精磨-拋光。通常靠手工操作，加工質(zhì)量不穩(wěn)定，廢品率較高。

20世紀(jì)70年代到80年代左右，曲軸粗加工采用CNC車削、CNC外銑加工，加工狀況有所改善。精加工仍以普通磨床磨削工藝為主。

20世紀(jì)80年中期又出現(xiàn)了CNC內(nèi)銑工藝，CNC內(nèi)銑加工性能指標(biāo)要高于CNC外銑加工，尤其是對于鍛鋼曲軸，內(nèi)銑更有利于斷屑。精加工工藝多采用半自動曲軸磨床，頭架和尾座同步傳動，加工精度有一定的提高。

1985年到1990年左右開發(fā)出了曲軸車?yán)?、車－車?yán)に?，該工藝具有精度高、效率高等?yōu)點(diǎn)，特別適合于平衡塊側(cè)面不需要加工且軸頸有沉割槽(包括軸向沉割槽)的曲軸，加工后曲軸可直接進(jìn)行精磨，省去粗磨工序。曲軸精加工已少量采用數(shù)控磨床磨削工藝，尺寸的一致性得到改善。

20世紀(jì)90年代中期又開發(fā)出CNC高速外銑，它對平衡塊側(cè)面需要加工的曲軸，比CNC車削、CNC內(nèi)銑、車－車?yán)纳a(chǎn)效率還要高。另外，CNC車－車?yán)に嚰庸みB桿軸頸要二道工序，CNC高速外銑只要一道工序就能完成，具有以下優(yōu)點(diǎn)：切削速度高(可高達(dá)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。所以CNC高速外銑將是曲軸主軸頸和連桿軸頸粗加工的發(fā)展方向。精加工使用數(shù)控磨床，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)控制等控制裝置，使各尺寸公差及形位公差得到可靠的保證，精加工還廣泛使用數(shù)控砂帶拋光機(jī)進(jìn)行超精加工，經(jīng)超精加工后的曲軸軸頸表面粗糙度至少提高一級精度。

20世紀(jì)90年代開發(fā)的CBN高速磨削。英國LANDIS公司生產(chǎn)的曲軸磨床，磨削速度高達(dá)120m/s，用扒皮法一次裝夾從毛坯到精磨完畢，耗時僅幾分鐘的時間。這將會出現(xiàn)以磨代替其它粗加工工藝的新局面。

進(jìn)入21世紀(jì)以后，復(fù)合加工工藝已進(jìn)入曲軸制造業(yè)中。復(fù)合機(jī)床應(yīng)具有工序集成功能，多種加工集成功能。奧地利WFL公司生產(chǎn)的臥式車銑復(fù)合加工中心(圖3為M40G型)能在曲軸硬化前“一次裝夾，全部加工”，加工后的曲軸可直接轉(zhuǎn)入精加工工序；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(擺動跟蹤磨削)。

由以上演變可以看出，曲軸的加工工藝正向著高速、高效、復(fù)合化方向發(fā)展。目前較為流行的粗加工工藝是主軸頸采用車－車?yán)に嚭透咚偻忏?，連桿頸采用高速隨動外銑，全部采用干式切削；精加工采用數(shù)控磨床加工，具有自動進(jìn)給、自動修正砂輪、尺寸和圓度自動補(bǔ)償、自動分度和兩端電子同步驅(qū)動等功能。主軸頸和連桿頸可一次裝夾全部磨削完畢；超精加工采用數(shù)控砂帶拋光機(jī)，帶尺寸控制裝置。

典型曲軸加工先進(jìn)裝備性能簡介

CNC高速隨動外銑：現(xiàn)介紹一款型號為VDF315OM-4的高速隨動外銑床的性能。該機(jī)床是德國BOEHRINGER公司專為汽車發(fā)動機(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)給伺服連動控制技術(shù)，可以一次裝夾不改變曲軸回轉(zhuǎn)中心隨動跟蹤銑削曲軸的連桿軸頸。采用一體化復(fù)合材料結(jié)構(gòu)床身，工件兩端電子同步旋轉(zhuǎn)驅(qū)動，具有干式切削、加工精度高、切削效率高等特點(diǎn)；使用SIEMENS840DCNC控制系統(tǒng)，設(shè)備操作說明書在人機(jī)界面上，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450～700mm、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。

CNC車-車?yán)瓩C(jī)床：該設(shè)備一次設(shè)定能完成所有同心圓的車削，并在同一臺機(jī)床上完成車—車?yán)?/SPAN>(車側(cè)端面)加工，加工效率高，通過使用特殊卡盤和刀具系統(tǒng)還能實(shí)現(xiàn)柔性加工，且機(jī)床保養(yǎng)簡便維護(hù)成本也較低，特別適用于平衡塊側(cè)面不需加工、軸頸有沉割槽的曲軸。其中拉削工藝可用高效的梳刀(圖5)車削工藝代替，梳刀加工通常放到該工序的最后工步，通過微量的徑向進(jìn)給和縱向車削實(shí)現(xiàn)高速精加工。

曲軸止推面車滾專機(jī)：該設(shè)備用于對曲軸止推面精車滾壓加工，并具有以下技術(shù)特點(diǎn)：滾壓拋光止推面并在線測量、滾壓拋光代替磨削加工、可同時進(jìn)行車削加工、在刀盤上裝有滾壓拋光裝置、可獲得更高精度。目前性能較好的設(shè)備有德國赫根塞特(HEGENSCHEID)公司的曲軸止推面車滾專機(jī)等。

CNC曲軸磨床：以德國埃爾溫勇克機(jī)器制造有限公司(JUNKER)的擺動跟蹤系列磨床為例，該設(shè)備采用了用于高速加工的CBN砂輪和使用油冷卻曲軸的組合，適用于加工汽車發(fā)動機(jī)曲軸，質(zhì)量可靠。主要性能有：在加工過程中檢測并修正軸頸圓度和尺寸；帶有“學(xué)習(xí)功能”的控制系統(tǒng)，附加對圓度偏差和干擾量的自動補(bǔ)償，可進(jìn)行補(bǔ)償?shù)母蓴_量是：溫度，機(jī)械及動力影響，磨削余量的變化，材料以及金相結(jié)構(gòu)的變化，砂輪的可切削性，機(jī)床的磨損狀況；磨削主軸頸和連桿軸頸一次裝夾，理論上的偏差為零；切入式磨削及擺動式磨削；對“敏感工件”的支撐，在主軸上采用自動對中心的三點(diǎn)式中心架；CNC控制的冷卻劑供給保障了磨削區(qū)域的持久用量；采用靜壓圓型導(dǎo)軌，無爬行現(xiàn)象，確保持久的高精確度(X軸導(dǎo)軌，進(jìn)給絲杠，止推軸承)；減震抗扭轉(zhuǎn)床身，使用礦物的合成材料澆注而成，具有良好的吸震抗彎功能；砂輪軸適用于高達(dá)140m/s的磨削。

從以上所介紹的幾種先進(jìn)設(shè)備可以看出一個共同點(diǎn)，就是高速高效柔性化，適合于當(dāng)今產(chǎn)品多品種、小批量的發(fā)展趨勢。由于曲軸加工不同于普通機(jī)械加工，許多工序必須使用專用刀具，如上面介紹的內(nèi)銑、車－車?yán)透咚偻忏?，所使用的都是專用刀具，這些刀具的刀體制造復(fù)雜，價格也比較昂貴。如果產(chǎn)品變型要牽涉曲軸結(jié)構(gòu)的變化，就導(dǎo)致必須使用新的刀體來加工曲軸，這就會影響產(chǎn)品開發(fā)周期和制造成本，最終導(dǎo)致產(chǎn)品缺乏競爭力。現(xiàn)在瓦爾特等刀具制造商已開發(fā)出柔性化的曲軸制造專用刀具—模塊化刀具。大大縮短了產(chǎn)品開發(fā)周期，降低了制造成本。

曲軸敏捷柔性生產(chǎn)線(AFTL)方案探討

目前國內(nèi)轎車曲軸生產(chǎn)線多為高速柔性生產(chǎn)線FTL(FlexibleTransferLine)，這種生產(chǎn)線的特點(diǎn)是不僅可以加工同系列曲軸，而且還可加工變型產(chǎn)品、換代產(chǎn)品和新產(chǎn)品，真正具備柔性意義。為進(jìn)一步提高高速柔性生產(chǎn)線的生產(chǎn)效率，更快的適應(yīng)巿場，FTL下一步發(fā)展是敏捷柔性生產(chǎn)線AFTL(AgileFlexibleTransferLine)。其主要目的是：

滿足巿場變化的需求。不但滿足當(dāng)前產(chǎn)品的要求，還應(yīng)考虙未來巿場需求。

滿足生產(chǎn)方式的需求。能滿足現(xiàn)代發(fā)動機(jī)“多品種、大中批量、高效率、低成本”的生產(chǎn)需求。

符合“精益生產(chǎn)”的原則。杜絕浪費(fèi)，用最少投資、最大回報謀取利潤。

由于發(fā)動機(jī)曲軸自身結(jié)構(gòu)的特殊性，筆者認(rèn)為曲軸AFTL應(yīng)具備以下特點(diǎn)：由高速加工中心和高效專用機(jī)床(含少量組合機(jī)床)組成。按工藝流程排列機(jī)床并由自動輸送裝置連接，采用柔性夾具和高效專用刀具生產(chǎn)。為防止關(guān)鍵工序設(shè)備故障造成全線停產(chǎn)，可增設(shè)平行設(shè)備增補(bǔ)，亦能滿足大批量生產(chǎn)的需要。以下是其工藝流程(僅金屬加工部分)：

銑端面、定總長、鉆質(zhì)量中心孔、車大小端外圓→銑主軸頸及軸肩→銑連桿頸及軸肩→車?yán)鬏S頸及沉槽→車?yán)B桿頸及沉槽→槍鉆油孔→清洗→圓角滾壓→法蘭鉆孔攻絲→精磨主軸頸(CBN)→精磨連桿頸(CBN)→斜切磨小端→斜切磨法蘭端→車滾止推面、銑鍵槽→動平衡→砂帶拋光主軸、連桿及法蘭外徑→清洗、冷卻→檢測分類。

對上述工藝流程有幾個問題探討如下：

曲軸質(zhì)量中心孔和幾何中心孔的選用。

毛坯質(zhì)量好，加工余量小且加工余量分布均勻。這時曲軸的質(zhì)量中心孔與幾何中心孔基本重合，則不必花費(fèi)較高的經(jīng)費(fèi)購置質(zhì)量定心設(shè)備而直接鉆幾何中心孔。,li>毛坯質(zhì)量較差，加工余量大且加工余量分布不均勻，要優(yōu)先選用質(zhì)量中心孔。因初始不平衡量較大，如果鉆幾何中心孔，質(zhì)量分布不均勻，轉(zhuǎn)動慣量較大，損壞后續(xù)加工設(shè)備精度。再者，采用幾何中心孔，在進(jìn)行動平衡時，初始不平衡量可能超出平衡機(jī)要求而無法平衡。在這種情況下應(yīng)優(yōu)先選用質(zhì)量定心機(jī)。

曲軸粗加工機(jī)床的合理選用

選用原則

先進(jìn)的金屬加工設(shè)備在曲軸制造中的重要性毋庸置疑，它能夠可靠地保證尺寸精度和一致性，適應(yīng)生產(chǎn)節(jié)拍的要求，提高整體工藝水平。但不能采取“拿來主義”，也并不是設(shè)備越先進(jìn)越好，應(yīng)符合以下三個原則：1)符合工藝性原則，結(jié)合產(chǎn)品結(jié)構(gòu)，能滿足尺寸精度和一致性的要求。2)符合經(jīng)濟(jì)性原則，采用招標(biāo)的形式降低成本。3)符合設(shè)備管理和維修性原則，考察設(shè)備生產(chǎn)商售后服務(wù)質(zhì)量，設(shè)備易損件是否能夠隨時采購等。

合理組合

國內(nèi)曲軸制造企業(yè)對引進(jìn)設(shè)備存在一些誤區(qū)，比如認(rèn)為設(shè)備越先進(jìn)、昂貴越好。其實(shí)如果使用不當(dāng)，先進(jìn)設(shè)備起不到應(yīng)有的作用，造成浪費(fèi)。下面以CNC高速外銑、CNC內(nèi)銑、CNC車-車?yán)暮侠斫M合為例來介紹。

曲軸平衡塊側(cè)面需加工，主軸頸加工應(yīng)優(yōu)先選用CNC內(nèi)銑或CNC高速外銑，連桿頸的加工用CNC高速外銑。如果毛坯是鍛鋼毛坯，CNC內(nèi)銑更有利于斷屑。不宜采用CNC車-車?yán)?，由于平衡塊側(cè)面是斷續(xù)車削，曲軸轉(zhuǎn)速又很高(約1000r/m)，崩刀現(xiàn)象很嚴(yán)重。

曲軸平衡塊側(cè)面不需加工，主軸頸加工選用CNC車-車?yán)容^合理，加工精度高。由于連桿頸軸線不在一條中心線上，如六拐曲軸，用車-車?yán)庸ぞ陀幸恍┞闊?/SPAN>CNC高速外銑就比較合理。

軸頸有沉割槽的曲軸，此時CNC車-車?yán)w現(xiàn)出其優(yōu)越性，若軸向有沉割槽，CNC高速外銑和CNC內(nèi)銑不能加工，而車-車?yán)芗庸ぁ?/SPAN>

以上設(shè)備應(yīng)采用獨(dú)立雙刀盤、模塊化刀具系統(tǒng)等實(shí)現(xiàn)柔性化加工。

曲軸圓角滾壓強(qiáng)化

曲軸的圓角滾壓強(qiáng)化，主要是為了提高曲軸的疲勞強(qiáng)度。據(jù)統(tǒng)計(jì)資料表明，球鐵曲軸經(jīng)圓角滾壓后壽命可提高120-230%；鍛鋼曲軸經(jīng)圓角滾壓后壽命可提高70-130%。因此這種強(qiáng)化手段受到各曲軸生產(chǎn)廠家的高度重視。目前國外轎車曲軸幾乎全部采用滾壓強(qiáng)化工藝。采用這種設(shè)備應(yīng)注意柔性化，以適應(yīng)不同產(chǎn)品的加工。

曲軸砂帶拋光

采用砂帶拋光可同時拋光主軸頸、連桿頸、法蘭、圓角及至推面，由曲軸軸向竄動實(shí)現(xiàn)圓角及止推面的拋光。拋光后的表面粗糙度至少提高一級精度以上。為實(shí)現(xiàn)曲軸多品種、變型產(chǎn)品的加工，可采用獨(dú)立拋光頭、分多工步加工實(shí)現(xiàn)柔性化。

曲軸的清洗

曲軸通常采用二次清洗，第一次清洗安排在槍鉆油孔之后，去除油孔內(nèi)的鐵屑和曲軸表面的潤滑油，為下道工序提供清潔的半成品。第二次清洗安排在砂帶拋光之后，選用定點(diǎn)定位專用清洗機(jī)對油孔、法蘭螺孔等用專用噴嘴清洗。

曲軸的精加工

曲軸精磨主軸頸和精磨連桿頸工序應(yīng)選用單砂輪、獨(dú)立雙砂輪CBN數(shù)控磨床，不易選用多砂輪一體化磨床，雖效率高，但不能適應(yīng)多品種柔性化需要。

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