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曲軸加工技術走向高效複合化

2013-1-7 來源（yuán）：作者：山東濱州海得曲軸有限責任公司李海國（guó）

進入21 世紀以後，發動機曲軸在製造（zào）工藝、刀具等方麵都發生了（le）巨大的變化，與以前加工工藝有很多不同。領導了近半個世紀的多刀車削工藝和手動磨削工藝，由於加工精度低和柔性差等原因（yīn），將逐（zhú）步退出曆（lì）史（shǐ）舞台（tái）。高效複合加工技術及裝備迅速進入汽車及零部件製造（zào）業，曲軸的高（gāo）效複合加工技術在行業內已有相（xiàng）當程度的應用，這都將代表這一行業的未來發展趨勢。

曲軸（zhóu）加工技術現狀

國內舊（jiù）式曲軸生產線多由普通機床和專用機床組成，生產效率和自動化程度相對較低。粗加工設備一般采（cǎi）用多刀車床車（chē）削曲軸主軸頸及連杆軸頸，工序質量穩定性差，容易產生較大的加工應力，難以（yǐ）達到合理的加（jiā）工餘量。精加（jiā）工多采（cǎi）用普通曲軸磨床粗磨－半精磨－精磨－拋光，通常靠手動操作，加工質量不穩定，尺（chǐ）寸一致性差。老式生產線一個主要的（de）特（tè）點就是普通設備太（tài）多，按加工球墨鑄鐵曲軸來算，一條生產線35～ 40 台設備。筆者曾考察過南方一條鍛鋼（gāng）曲（qǔ）軸生產線，粗加工采（cǎi）用普通外銑加工主軸頸（jǐng）和連杆頸，然後數控精車主軸頸和連杆軸頸（jǐng），再經（jīng）過（guò）多道工序（xù）的磨削方（fāng）式轉入精加工工序。生產線設備更（gèng）是多達60 多台，產品周轉線長，場（chǎng）地占用麵積大，生產效率完全是靠多台設（shè）備分解工序和餘量來提高的。然而當今的發動機曲軸製造業麵臨著以下問題：

（ 1）多品種、小批（pī）量（liàng）生產。

（ 2）交貨期大大縮短。

（ 3）降低生產成本。

（ 4）難切削材料的（de）出現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）為保護環境，要求少用或不用切削液，即實（shí）現幹式切削（xuē）或準幹式（shì）切削。

正是基於以上出現的新情況，在（zài）進入21 世紀以來，高效複合加工技術及裝備（bèi）汽車製造業得到了迅（xùn）速的應用，生產效率得到了很大的（de）提高，發動機曲軸生產線生產設（shè）備數量才得以減少，筆者曾在一條轎車（chē）發動機曲（qǔ）軸生產線看到，全線僅有13 台設備左右，產品周轉線短，加工效率高，易於（yú）質量管理。

曲軸高效加工技術的進展

2 0 世（shì）紀8 0 年（nián）代後期，德國B O E H R I N G E R 公司和H E L L E R 公司相繼開發出了完善的曲軸車- 車（chē）拉機床，該加工（gōng）工藝是將曲軸車削工藝與曲（qǔ）軸車拉（lā）工（gōng）藝完（wán）美結合，生產效率高，加工精度好，柔性強，自動化程度高（gāo），換（huàn）刀時間短，特別適合有沉割槽曲軸的加工，加工後曲軸可直接進行精磨，省去粗磨工序。因此，曲（qǔ）軸車－車拉加工工藝是目前（qián）國（guó）際上曲（qǔ）軸粗加工中流行的加工工藝之一。

20世紀90年代中期國外又研發出來新型的C N C 高速曲軸外銑機床，使曲軸粗加（jiā）工工藝又（yòu）上了一個新台（tái）階， CNC 曲軸內（nèi）銑與CNC 高速曲軸外銑（xǐ）對比，內銑存在以下缺點：

不容易（yì）對刀、切削速度較低（通常不大於160m/min）、非切削時間較長、機床（chuáng）投資較多、工序（xù）循環時間較長。而CNC 高速曲軸外銑有以下優點：切削速度高（gāo）（可高達350m/min）、切削（xuē）時（shí）間較短、工序循（xún）環時間較（jiào）短、切削力較小、工件溫升較（jiào）低、刀具壽（shòu）命高、換刀次數少、加（jiā）工精（jīng）度更高、柔性更好。因（yīn）此，CNC 高速曲軸（zhóu）外銑將是曲軸粗加工的發展方向（xiàng）。

筆（bǐ）者在江蘇南亞自動車有限公司菲亞特（tè）轎車曲軸生產線見（jiàn）到德國B O E H R I N G E R 公司兩（liǎng）台設備加工狀況，一台為數控曲軸車－車拉機床（chuáng），另（lìng）外一台為C N C 高（gāo）速曲軸外銑，切身體驗了一（yī）次“ 削鐵如泥”的感覺（jiào）。據專家介紹，曲軸車－車拉機床特別適合於（yú）軸頸有沉割槽、平衡（héng）塊側麵不用（yòng）加工曲軸，而高速外銑則不能加工軸向有沉割槽的曲（qǔ）軸。下（xià）麵簡要介紹一下（xià）VDF 315 OM － 4高速隨動外銑床的加工性能：該（gāi）機（jī）床是德國B O E H R I N G E R 公司專為汽車發動機曲軸設計製造的柔性數控（kòng）銑（xǐ）床，該設備應用工件回（huí）轉和銑刀進給伺服連動控製技術，可以一次裝夾不改變曲軸回轉中心隨動跟蹤銑削曲（qǔ）軸的連杆軸（zhóu）頸。VDF 315O M － 4 高速隨動外銑采用複合材料一體化結構床身，工件兩端電子同步旋轉驅動（dòng），具有幹式切削、加工精度高、切削效率高等特點；使用SIEMENS 840D CNC 控製係統，設（shè）備操作說明書（shū）在人機界麵上，通過輸入零（líng）件的基本參數即可自（zì）動生成加工程序，可以加工長度450 ～700mm、回（huí）轉直徑在380mm 以內的各（gè）種曲軸，連杆（gǎn）軸（zhóu）頸直徑誤差為± 0.02mm。

由此可以看（kàn）出，曲軸粗加（jiā）工比較流行（háng）的工藝是：主軸頸采用車拉工藝和高速外銑（xǐ），連（lián）杆軸頸采用高速外（wài）銑，而且趨於高速隨動外銑，全部采用幹式切削。由於國外此類設備價格昂（áng）貴，產（chǎn）品加工成本（běn）很高，國內一些機（jī）床生產廠家相繼開發出了數控曲軸車床、數控（kòng）高速曲軸銑床，數控曲軸車拉（lā）機床等專用機床。曲軸精加工（gōng）采用國內數控磨床磨削已相當普遍，產品加工精度已有相（xiàng）當程度的（de）提高。為滿足曲（qǔ）軸日益提高的加工要求，對曲軸磨床也提出了很（hěn）高的要求。現代曲軸磨床除（chú）了要有很高的靜態、動態剛度和很高的加工精度（dù）外，還要求有（yǒu）很高的磨削效率和更高的柔性。近年來，更要求曲軸磨床具（jù）有穩定（dìng）的加工（gōng）精度，為此，對曲軸磨床的工序能力係數（shù）規定了Cp ≥ 1.67，這意味著要求曲軸磨（mó）床的實際加工公差要比（bǐ）曲軸給定的公差小一半。隨著現代驅（qū）動和控製技術、測量控製（zhì）、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、高效磨削加工創造（zào）了條件。一種（zhǒng）稱之為連杆軸（zhóu）頸隨動磨削工藝（如圖1所示）正是（shì）體現了這些新技術綜合應用的具體成果。而這種隨動磨削工藝可顯著地提高曲軸連杆軸頸的磨削效率、加工精度和加工柔性。在對連杆軸頸進行隨動磨削時，曲軸以主（zhǔ）軸頸為軸線進行旋轉，並在一次裝夾下磨（mó）削所有連杆軸頸。在磨削過（guò）程中，磨頭（tóu）實現往複擺動進給，跟蹤著偏心（xīn）回轉的連杆軸頸（jǐng）進行（háng）磨削（xuē）加工。實現隨動磨削（xuē），X 軸除了必須具有高的動態性能外，還必（bì）須具有足夠（gòu）的跟蹤精度，以確（què）保連杆軸頸所要求的形狀公差。CBN 砂輪的應用（yòng）是實現連杆軸（zhóu）頸隨動磨削的重要條件。由於C B N 砂輪耐磨性高，在磨削過程中砂輪的（de）直徑幾乎是不變的，一次修整可磨削600～ 800 條曲軸（zhóu）。CBN 砂輪可以采用很高的磨削速（sù）度，在曲軸磨床上（shàng）一（yī）般可采用高達120～ 140m/s的磨削速度，有的甚（shèn）至可更高些，磨削效率（lǜ）很高。

曲軸複合加工（gōng）技術應用狀況

提到複合加工技術，就（jiù）不得不提到複合加工機床，複合（hé）加（jiā）工機床的定義也是隨時代變化的。過去將加工中心稱為複合加工機床（chuáng），但因（yīn）工具交換加工的品種受到限製，而（ér）且也走不出切削加工的領域，現在已經不再將一（yī）般的加工（gōng）中心稱為複合加（jiā）工機床了。複合機床應具有工序集成功能，多種加工集成功能。從製造業所處的環境看，複合加工機床將一直是重點開發的機床產品（pǐn）之一，功（gōng）能不斷擴大（dà），會向著“ 一台機床成為一個小工廠”的方向邁進。

曲（qǔ）軸製造業複合加工技術也有了一定程度的（de）應用，奧地（dì）利WFL 公司生產的（de）臥式車銑複合（hé）加工中心具有一定的代表性。WFL 公司提出了“ 一次裝夾，完全加工” 的概念。如圖2 所示的M40G 是該（gāi）係列的一種。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、鑽和三坐標功能於一身，在一台具有雙主軸的（de）車銑複合加工中心（xīn）上可以對曲軸進行完（wán）全加工，加工後的曲軸可直接轉入精加工工序（xù）。目前國內（nèi）也推出了類似的複合機床，在 CIMT2005 上，沈陽數控機（jī）床有限責任公（gōng）司展出的（de）CKZ80 － 5 車銑加工中心就是一（yī）台複合機床。該機床代表了我國同類機床的最高水平。該機（jī）床五軸（zhóu）中X、Y、Z、B 軸采用直線光柵尺或圓度光柵尺檢測，可實現閉環控製。該加工中（zhōng）心備有48～ 96工位刀庫可實現自動換刀，一次裝夾可進行（háng）車、銑、鑽（zuàn）、鏜、攻螺紋等的（de）加工。

在曲軸精加工方麵，也出（chū）現了工序集成的CBN 數控磨床，即一次裝夾磨削全部曲軸主軸（zhóu）頸和連（lián）杆軸頸，此（cǐ）類磨床一（yī）般配雙砂（shā）輪頭架。日本TOYADA工（gōng）機、德國勇克（ J U N K E R）、德國N A X O S 等生產的（de）此類數控磨（mó）床是比（bǐ）較（jiào）成熟的設備。這裏簡（jiǎn）要介紹一下日本T O Y A D A 工機開發生產的G F 7 0 M － T 曲（qǔ）軸磨床的性能：該機（jī）床是為了滿足多品種、低成本、高（gāo）精度、大批量生產需要（yào）而設計的數控曲軸磨床。應用工件回轉和砂輪進給伺服聯動控製技術，可以一次裝夾而不（bú）改變曲軸回轉中心即可完成所有軸頸的（de）磨削，包括（kuò）隨動跟蹤磨削連杆軸頸；采用靜壓（yā）主軸（zhóu）、靜壓導軌（guǐ）、靜壓（yā）進給絲杠（砂輪頭架）和線性光柵閉環（huán）控製（zhì），使用T O Y A D A 工（gōng）機生產的G C 5 0 C N C 控製係統，磨削軸（zhóu）頸圓度（dù）精度（dù）可達到0.002mm；采用CBN 砂輪，砂（shā）輪線（xiàn）速度高達120m/s，配雙砂輪頭架，磨削效率極高。

高效（xiào）刀具材料多樣化

切（qiē）削刀具性能的提高為高（gāo）效高速加工發展提供了可能性，除了（le）高速鋼（gāng）、硬質合金以外，超硬材料的發展起到了重要的作用。P C D、PCBN 為難加工材料的切削、幹切削、硬（yìng）切削等的加工創造了條件。

為適（shì）應曲軸（zhóu）加工高速化、高效率、幹式切（qiē）削的需求，目前大量采用（yòng）塗層刀具，塗層的材料從TiN 發展為A12O3、TiC、ZrO2、等，根據加工的要求，為提高耐高（gāo）溫的（de）性（xìng）能，又發展了TiCN、TiAlN、TiSiN、CrSiN 等（děng）。現（xiàn）在（zài）PVD (物（wù）理（lǐ）氣（qì）相沉積)、CVD(化學氣相沉積)技術不斷推陳出新，由單（dān）層發展（zhǎn）成多層、千層、複合（hé）塗層，現在又發展成納米塗層，如（rú）圖3 所（suǒ）示的曲（qǔ）軸高速外銑刀使用的就是塗層刀具；深（shēn）油孔的加工采用槍鑽加工代替普通加長高速鋼鑽頭，鑽孔和攻螺（luó）紋用硬質合金材料來代替過去（qù）的高速鋼材料（liào）。

目前曲軸（zhóu）的精加工也漸漸開始使用C B N 砂輪加（jiā）工，C B N 砂輪價（jià）格昂貴，但由（yóu）於加工效率和耐用度高，分攤（tān）到每（měi）個工件上（shàng）的刀具費用反而比采用價格低廉的普通砂輪的（de）要低，據德國NAXOS 磨床廠的資料，采用C B N 砂輪加工（gōng）時間通常可縮短50%，而加工費用可節約50% 以（yǐ）上。