温航-曲轴加工工艺分析

河南科技学院2009 届本科毕业论文（设计）论文题目: 曲轴加工工艺分析学生姓名: 温 航所在院系: 机电学院所学专业: 机电技术教育 导师姓名: 李达敏完成时间: 2009 年 5 月 20 日1摘 要介绍了国内现阶段曲轴机械加工及其强化工艺的现状，并对曲轴加工的未来进行了展望。在工作中，曲轴承受着弯曲、扭 转、剪切和拉压等交变应力的作用，受力状态十分恶劣。曲轴本身结构复杂，其横截面沿轴线变化剧烈，应力分布极不均匀，加之受发动机体积所限，曲 轴刚性较差。 为保证曲轴的工作性能，对曲轴设计和加工均提出严格的要求。因此 对曲轴加工技术的少许改进，都将能够极大的提高曲轴的使用寿命。本文在曲轴加工精度提高方面重点介绍了国内外先进的圆角滚压技术、钻质量中心孔技术、 车拉技术曲轴磨削技术和 CNC高速内外铣技术等。对这些先进工艺及技术进行论述，希望改进我国在曲轴生产方面落后设备还被大量应用，设备效率低下，精度不足，更不具 备柔性化生产加工能力的现状，也希望对相关企业及技术人员能够起到重要的借鉴作用，以缩短我国与世界先进内燃机生产国的差距。关键词：曲轴，强化工艺，机械加工2The Crankshaft Process AnalysisAbstractThe article the current situation of the machine consolidation of slider shaft in contemporary phase at home and abroad, and envision the future of shaft proceessing.During the operation it withstands the reversal stress and join forces from bending, reversing,shearing, andcompressing in adverse environment. Slider shaft is complicatedly structured and its cross section taode place so drastic changes along the Stem line that the allowable strss is uneqully distrbuted .whats most.engine volume isVery limitet,all of which lead to poor hardness and rigidity. To guarantee its working pPerformance, strict requirments are placed on the designing and manufacturing So a little improvement of machining techniques will dramatically raise its durability. As to improving its processing accuracy, this thesis emphasizes on the advancd foreign anddomestic technology such as circular angle rolling ,quality-centered hole punching ,maching and strtching, shaft grinding and milling, and CNC-motivated high-speed milling ets. Though the abov statement and demonstration, its expected that our status quo can be change that backward device is still widly used with low woking effciency and inaccuracy, and lack of producing and processing flexibility .Besides this, important experrience and lesons can be drawn by correspondent enterprses and professionals to shorten the distans between advaned engine producers and our country. Key words: Crankshaft ; Strengthening Processes ; Mechanical processing 3目 录1 绪论 12 曲轴加工工艺过程简述 23 国内外曲轴加工技术现状 53.1 曲轴的强化工艺技术 .53.1.1 曲轴圆角的应力集中及解决途径 .5（1）改进圆角结构 .5（2）采用圆角强化工艺 .63.1.2 氮化处理 .93.1.3 喷丸处理 .93.2 曲轴的机械加工技术 .103.2.1 加工质量中心孔技术 .103.2.2 曲轴车削技术 .113.2.3 数控内铣铣削工艺 .113.2.4 CNC 高速外 铣工艺 123.2.5 曲轴车-拉工艺 .133.2.6 数控车-拉工艺 .133.2.7 曲轴油道孔加工枪钻工艺 .143.2.8 曲轴磨削工艺 .144 国内外曲轴加工技术展望 155 结束语 15谢辞 15参考文献 1641 绪论不管在发达国家还是自发展中国家，机械制造业水平都是一国生产力的体现。而作 为机械制造业发展水平的一个重要体现，汽车制造业发展状况具有很强的代表性。目前，我国汽车发动机制造行业整体装备 水平与发达国家相比还有一定差距，卧式车床、摇臂钻床、凸轮仿形机床、曲轴多刀车床等落后设备还大量应用，设备 效率低下，精度不足，更不具有柔性化生产加工能力，尤其曲轴加工更为如此。国内旧式曲轴生产线多由普通机床和专用机床组成，生产效率和自动化程度相对较低。粗加工设备一般采用多刀车床车削曲轴主轴颈及连杆轴颈，工序质量稳定性差，容易产生较大的加工应力， 难以达到合理的加工余量。精加工多采用普通曲轴磨床粗磨半精磨精磨抛光，通常靠手动操作，加工质量不稳定，尺寸一致性差。粗加工采用普通外铣加工主轴颈和连杆颈，然后数控精车主轴颈和连杆轴颈，再经过多道工序的磨削方式转入精加工工序。生产线设备更是多达 60 多台， 产品周转线长，场地占用面积大，生产效率完全是靠多台 设备分解工序和余量来提高的。 1然而当今的发动机曲轴制造业面临着以下问题：（1）多品种、小批量生产。（2）交货期大大缩短。（3）降低生产成本。5（4）难切削材料的出现使加工难度明显增加，加工中提出了许多需要解决的课题，如硬切削。（5） 为保护环境，要求少用或不用切削液，即实现干式切削或准干式切削。下面以直列六缸曲轴（图 1）为例介绍一种典型的工艺过程。图 1产品品种：直列6缸内燃机曲轴生产纲领：15万根/a材料：球铁或锻钢曲轴产品品种：直列六缸曲轴冲程变换：5070mm2 曲轴加工工艺过程简述我们以热模锻钢曲轴为例探讨曲轴的机加工工艺，工艺过程简述如下：10 铣两端面、钻质量中心孔、数控粗车小端、外 圆 、数控粗车法兰端、铣定位面101 上料（法兰端朝右）102 铣两端面103 平衡检查、钻质量中心孔104 数控车小端105 数控粗车法兰端106 数控车中间主轴颈（采用内铣曲轴主轴颈工艺时有此序）107 铣定位面108 空工位6109 下线20 粗铣全部主轴颈、连杆颈、扇板外 圆、轴肩及颊 板面30 车/车拉主轴颈30J 线外检测40 车/车拉1、6连杆轴颈及 轴肩50 车/车拉2、5连杆轴颈及 轴肩60 车/车拉3、4连杆轴颈及 轴肩60J 线外检测70 平衡抽检（线外）80 枪钻油孔及孔口倒角（自动线）801 上料802 机械手将曲轴转90°（法兰端朝前）803 左：枪钻3、5主轴颈直油孔右：枪钻2、6主轴颈直油孔804 左：枪钻2连杆轴颈斜油孔右：枪钻1、7主轴颈直油孔805 空工位806 左：空工位右：枪钻4连杆轴颈斜油孔807 左：枪钻6连杆轴颈斜油孔右：枪钻3连杆轴颈斜油孔808 左：枪钻5连杆轴颈斜油孔右：枪钻1连杆轴颈斜油孔809 油孔孔口修缘。机器人8010 油孔孔口修缘。机器人8011 机械手将曲轴转90°（小端朝左）8012 下线80J 线外检测90 清洗100 中频感应淬火110 回火120 圆角滚压及矫直130 重修中心孔，钻、铰法兰孔，钻、 铰小端孔，精车小端，精车法兰端，小端及法兰孔攻丝（自动线）71301 上料（法兰端朝右）1302 跳动检测1303 重修两端中心孔1304 跳动检测1305 钻3个法兰孔，转位。钻3个法兰孔1306 左：铰小端孔右：探测法兰端6孔1307 左：空工位右：钻法兰端1定位销孔和小螺栓孔，转位。粗铰法兰端1定位销孔和小螺栓孔，转位。精铰法兰端1定位销孔和小螺栓孔，转位。1308 左：空工位右：铰3个法兰孔，转位。铰3个法兰孔1309 右：精车法兰外径、沟槽和轴肩13010 精车小端13011 空工位13012 下线140 半精磨主轴颈17（7砂轮磨床）150 精磨1、6连杆轴颈160 精磨2、5连杆轴颈170 精磨3、4连杆轴颈170J 在线检测180 精磨或滚压止推面及第四主轴颈190 精磨主轴颈13，57190J 在线检测200 精磨小端210 精磨法兰端210J 在线检测220 精镗轴承孔，攻法兰端、小端螺孔，粗、精铣键槽（自动线）2201 上料（法兰端朝右）2202 左：粗铣键槽（转换刀头），精铣键槽，刷去 键槽上部毛刺右：攻3个法兰螺孔，转位。8攻1个法兰螺孔，转位。攻3个法兰螺孔2203 空工位2204 探测7个孔2205 空工位2206 左：攻小端螺孔右：半精镗轴承孔，转位。车空刀槽，转位。精镗轴承孔2207 空工位2208 下料220J 检测230 最终动平衡240 荧光磁粉探伤250 抛光260 定点定位专用清洗270J 在线终检280 喷油包装3 国内外曲轴加工技术现状进入 21 世纪以后，发动机曲轴在制造工艺、刀具等方面都发生了巨大的变化，与以前加工工艺有很多不同。领导了近半个世纪 的多刀车削工艺和手动磨削工艺，由于加工精度低和柔性差等原因，将逐步退出 历史舞台。高效复合加工技术及装备迅速进入汽车及零部件制造业，曲轴的高效复合加工技术在行业内已有相当程度的应用，这都将代表这一行业的未来发展趋势。正是基于以上出现的新情况，在进入 21 世纪以来，高效复合加工技术及装备汽车制造业得到了迅速的应用，生产效率得到了很大的提高，发动机曲轴生产线生产设备数量才得以减少，一条轿车发动机曲轴生产线，全线仅有十几台设备左右便可完成曲轴的整个加工过程，产品周转线短，加工效率高，易于 质量管理。下面介绍一些国内外先进的曲轴加工技术，希望各企业工程技术人员根据实际情况对这些先进设备进行选用。3.1 曲轴的强化工艺技术机械加工过程中经过各种方法强化的曲轴，其使用寿命可以提高 40%280%。3其中球铁材质的曲轴经强化后效果更为明显。93.1.1 曲轴圆角的应力集中及解决途径曲轴的轴颈与曲柄连接处的过渡圆角是应力集中部位，在曲轴工作中受交变载荷作用易出现裂纹。这 个问题在连杆轴颈的过渡圆角处更为突出，因为连杆轴颈受到的冲击力更大。现行的曲轴加工工艺，普遍是采用磨床通过切入磨方式磨出圆角，然后通过砂布带对圆角进一步抛光，从而改善了曲轴圆角处的应力分布情况，减小了应力集中。但从生产和应用实践来看，圆角处应力集中仍是一个值得重视的问题。 为进一步减小圆角处的应力集中，改善其分布状况，提高曲轴的疲劳强度，可以从圆角结构设计改进和采取相应的工艺措施来解决。（1）改进圆角结构目前，国内生产的各类曲轴圆角大多为等曲率圆弧过渡，这种结构工艺简单，加工方便，但应力集中 较大。 为了减小圆角部位的 应力集中，可 对圆角结构作两种改进，如图 2 所示（下图）。图 2（a）所示为变曲率过渡曲线，这种曲线要求对 磨 圆角是砂轮进行特殊的修整，工 艺复杂修整砂 轮困难，如果修整不准确，可能适得其反。图 2（b）所示是将 过渡圆角改成沉割圆 角，将过渡圆弧移到曲柄里，形成 组合内凹圆 角。 这种工艺结构简单，加工方便，较为实际。图 2 曲轴圆角的改进（a）变曲率过渡曲 线 （b）沉割内圆槽10（2）采用圆角强化工艺从工艺角度上看，要改变圆角处的应力分布状况，使之从残余拉应力变为残余压应力，从而提高曲轴疲 劳强度，可以通 过滚压等工 艺来实现。对于锻钢曲轴，适宜采用滚压工艺。其原理是利用 滚压工具（滚轮）对工件施加压力，使之产生塑性变形，从而压光表面应力分布状况（呈残余压应力），提高工件的疲劳强度。滚压工艺 和设备简单，又能提高工件表面质量。因此，采用此工艺对曲轴圆角进行滚压很有价值。曲轴圆角滚压可采用以下几种形式，如图 3 所示。图 3（a） 1） 等圆弧成型滚压，如图 3（a）所示。这种形式要求滚压前，圆弧尺寸十分精确，所需压力大，但工艺简单，加工方便，大量生产中不多采用。图 3（b）2） 滚轮 展成 滚压，如图 3（b）所示。用三种不同圆弧半径的滚轮轮流滚压。此种方式所需压力较小，生 产率高。11图 3（c）3） 等圆弧顺 序展成的切线滚压 ，如 图 3（c）所示。此方法具有良好的滚压强化效果和滚压表面质量，而且 圆角两侧不会有棱状凸起带，滚轮制造工艺性好，生产率高，适合大量生产采用。曲轴圆角滚压可在普通车床上进行，但在大量生产时则采用圆角滚压专用设备。圆 角滚压也可替代部分成形磨削技术。曲 轴轴颈 与侧面的连接过渡圆角处为应力集中区，也是曲轴疲 劳破坏的敏感区域，是薄弱环节。因此，国外 发展了圆角深滚压技术。图 4 是圆 角滚压的示意图。两 滚轮 在滚轮架的支持下，以 滚压角 （25°35° ），滚压力 Fw（10N12000N）与圆角处接触对滚。经滚压的圆角其材料表层金属结构发生变化，晶粒变细，并向 变形最大的方向延伸。并留下有利的压应力， 图 5 所示，为滚压后的压应力分布状态示意 图。 显然这些变化均可提高圆角处的疲劳强度。 4 国外现应用的圆角滚压技术已相当先进。可一次对所有圆角进行滚压完成，且可做到主支撑轴颈与连杆轴颈圆角的压力不同，同一连杆轴颈圆角在不同方向上压力也可不同。这样可 经济地达到最佳的滚压效果。最大限度地提高曲轴的抗疲劳强度。经德国赫健斯撤特公司测定，球 铁曲轴经滚压后寿命可增至 280%，钢制热处理曲轴经滚压后寿命可提高至 237%。滚压加工时间只需 24s30s 。另外，若是半成品因加工或热处 理原因而存在不合理应力时，滚压后必须安排校直工序或滚前安排去应力工序，方可保证稳定的价格质量。12图 4 曲轴圆角滚压强化工艺主要包括曲轴圆角滚压和曲轴滚压校正两部分。在滚压过程中,由伺服传动系统控制曲轴旋转的转速和旋转角度,同时由液压伺服控制系统控制液压过程的压力负载,使每个主轴颈和连杆颈依次完成整个滚压过程。对弯曲曲轴的校直处理首先要检测曲轴的弯曲变形数据即弯曲度的大小和相位方向,然后用摆差传感器检测各主轴颈处的摆差,继而由专家系统数据库对摆差数据进行分析处理并给出校直方案,即给出在某几个主轴颈或连杆颈上的再施压方案,从而利用此施压方案重新按压产生新的变形来消除曲轴的弯曲。国外应用的圆角滚压技术已相当先进,可一次完成对所有圆角的滚压,且可做到主轴颈与连杆轴颈圆角的压力不同,同一连杆轴颈圆角在不同方向上的压力也可不同。这样可经济地达到最佳的滚压效果,最大限度地提高曲轴的抗疲劳强度。滚压后圆角应力分布如图 5 所示。13图 53.1.2 氮化处理氮化处理又称为扩散渗氮。由于经本法处理的制品具有优异的耐磨性、耐疲劳性、耐 蚀性及耐高温，其应用范围逐渐扩大。进行氮化 处理的曲轴，需经过一下几道工序：渗氮前的零件表面清洗；渗氮炉的排除空气；氨的分解率，虽然在各种分解率的氨气下，皆可渗氮，但一般皆采用 15 30的分解率，并按渗氮所需厚度至少保持 410 小时， 处理温度即保持在 520左右；冷却等几道工序。对于大批量生产的曲轴来说，为 了提高产品质量，今后将采用微机控制的氮基气氛气体软氮化生产线。氮基气氛气体软氮化生产线由前清洗机（清洗干燥）、预热炉、软氮化炉、冷却油槽、后清洗机（清洗干燥）、控制系统及制气配气等系统组成。3.1.3 喷丸处理为使曲轴具有一定的疲劳强度和耐磨性，在工艺措施上课采用喷丸技术。如对球铁曲轴进行喷丸处理后，可使曲轴的疲劳寿命提高 414 倍。而且工艺简单、易于操作，喷丸后可直接进 行超精加工，但 强化用丸粒的选择及喷丸参数的确定，会不同程度地影响曲轴圆角表面强化的效果。目前喷丸用丸粒主要有铸铁丸、钢丝切割丸、玻璃丸、 铸钢丸。铸铁丸韧性差，在高速气流作用下，破碎的弹丸粉尘会使曲轴圆 角的表面产生电化学腐蚀，使曲轴疲劳寿命降低；用钢丝切割丸不易消除弹丸的棱角，受喷表面容易产生切口效应；玻璃丸是化学合成的，最大直径为 0.250.35mm，抗压强度为141127MPa，弹性模量为 7742MPa。其丸粒在高速撞击受喷表面时，化学成分稳定、耐冲击且不污染受喷表面。但在强化深度、 压应力大小和成本方面不如铸钢丸的综合效益好。实验表明，柴油机曲轴最好选用规格为 0.30.4 号风选铸钢丸粒，强化层达 0.40.5mm，其强化效果和经济性均优于玻璃丸。另外必须指出，喷丸只施加于圆角，旨在提高曲 轴疲劳强度，而 对所有的轴颈则需保护，以防止粗糙度 变差。若不加保 护，需在 喷丸后对轴颈进行一次磨削。在丸粒参数的选择方面，包括弹丸的直径、 喷丸的速度、喷丸的距离、强化的时间、覆盖率等。如果参数确定不好，则会影响圆角表面强化的效果。在弹丸的材质、 规格确定以后，喷丸的速度可通过调整喷枪 的压缩空气束流压力进行调整。在其他喷丸参数不变的情况下。丸粒运动速度愈高 则表面所获得残余压应力也愈高。覆盖率是确定喷丸质量的一个重要参数。用铸钢丸覆盖率要求大于 100%，理应大大延长强化时间。但从 实验中看出， 单位面积 的强化时间超过 10 秒以后，覆盖率的增加就减缓了。当覆盖率接近 100%时。随着时间的延长覆盖率的增长将缓慢。如 继续延长时间则 表面粗糙度会恶化。因此，控制好 强化时间，无论对强化表面质量或经济效益上都非常重要。3.2 曲轴的机械加工技术先进的曲轴机加工生产线一般都比较短，但效率高、产量大，加工出的曲 轴质量好且很稳定。其原因一是大量的采用了 CNC 控制技术，形成自动半自动生产线。二是 应用了许多先进 的曲轴加工技术， 简化了工 艺过程，提高和 稳定了加工质量，同 时也缩短了单件的加工时间。下面就 简单 介绍一些曲轴机加工技术。3.2.1 加工质量中心孔技术曲轴加工过程中主要定位基准中心孔，按其加工位置可分为两种：一种是利用双 V 型块或其它加工方式找出曲轴主支撑轴颈的集合中心，在此中心上加工出的中心孔称为几何中心孔。另一种是利用专门的测试设备测出整轴的质量中心孔，在此中心上加工出的中心孔为质量中心孔。由于毛坯的几何形状误差和质量分布不均匀等原因，一般两者不会重合，国内生产线中多采用几何中心孔。但是利用几何中心孔做定位中心进行车加工或磨加工时，工件旋转会产生离心力；不但影响加工质量，降低定心原件的使用寿命。而且在加工后剩余的动补 平衡量较大。在后面的动平衡工序中需要多次反复测量和去重才能达到要求，影响生产节拍，效率低，且会造成个 别半成品报废。针对此原因，现国外大都采用了质量中心孔，利用 专门设计的测试设备来试测质15量中心， 然后加工出中心孔，并且可将 铣长度和加工质量中心孔合并为一道工序，采用 CNC 技术控制，加工效率很高。这样就基本解决了由于采用几何中心而造成的问题。但值得一提的是若毛坯弯曲变形严重或质量严重分布不均，采用质量中心孔仍不能彻底解决上述问题。曲轴属于细长类零件，加工过程中主要定位基准是两端中心孔。在打曲轴中心孔的选择时，应按一下原 则选用：（1）毛坯质量好，加工余量小且加工余量分布均匀。这时曲轴的质量中心孔与几何中心孔基本重合，则 不必花费较高的经费购置定心设备而应直接钻几何中心孔。（2）毛坯质量差，加工余量大且加工余量分布不均匀，则优先选用质量中心孔。因初始不平衡量较大，如果钻几何中心孔， 质量分布不均匀，转动惯量较大，损坏后续加工设备精度。再者，采用几何中心孔，在进行平衡时，初始不平衡量可能超出平衡机要求而无法平衡。在这种情况下应优先选用质量定心机。 63.2.2 曲轴车削技术曲轴主轴颈和连杆轴颈加工的传统工艺方法是车削加工。主轴颈和连杆轴颈的车削，分别是在不同结 构的曲轴车床上进行加工，这种曲轴加工技术目前在世界发达国家和地区已经淘汰，但在我国仍然在曲轴加工行业中重要地位，选用的设备大多是多刀半自动曲轴车床。曲轴轴颈的车削技术，可有效地进行曲轴轴颈的粗加工，并在世界被广泛采用，目前仍为一种可靠的曲轴加工技术。但 这种工艺存在明显不足:(1)这种工艺是采用低速、宽刃、大走刀量方法对轴颈进行加工，因而在加工过程中，曲轴承受较大的切削力，使工件弯曲， 这就直接影响了曲 轴加工精度，甚至影响曲轴的可靠性，降低其使用寿命。(2)曲轴车床通用性低，加工主轴颈和连杆轴颈设备不可互换，因而曲轴加工线技术经济性不好。(3)曲轴车削的柔性 较差，特别是靠模式曲轴车床只适用于加工单一品种的曲轴。(4)由于所采用成形车刀的材料为高速钢，刀具寿命低，从而换刀频繁，机床的利用率较低，加工自动化程度低，受人为影响大，曲轴加工精度波动大。3.2.3 数控内铣铣削工艺60 年代德国在外刃式曲轴铣床的基础上研制出内刃式曲轴铣床，使得曲轴加工效率和质量都有较大提高，目前我国曲轴铣削加工也较为普及。曲轴铣削技术比车削有了明显的提高。主要有以下几方面的特点：16(1)铣削加工克服了 车削中工件承受较大的切削力，易产生弯曲和扭曲变形的不足，它采用的是窄刀，小走刀量方式，实现了小切削截面，小切削力的高效切削。(2)由于铣削工件一般是低速转动，离心作用影响小，加上切削力小，加工精度高于车削。(3)铣削用机夹 不重磨式合金刀头，刀具寿命长。内铣除了以上优点外，还具有比外铣更多的优点：稳定性比外铣高，啮合性比外铣好，刀具的使用寿命 长；通用性强，内 铣只要稍加调整就可以加工不同品种的曲轴主轴颈和连杆轴颈，具有良好的加工柔性，从而节省设备投资。CNC 内铣是 20 世纪 80 年代中期出 现的工艺， CNC 内铣加工性能指标要高于普通外铣加工，尤其是对 于锻钢曲轴，内 铣更有利于断削、刚性特别好。CNC曲轴内铣床分为单刀盘、双刀 盘、多刀 盘（最多达 5 个刀盘）。数控内 铣书目前国际上曲轴连杆颈粗加工先进的加工方法之一，尤其是大功率锻钢曲轴的加工内铣工艺更是首选。内铣机床有多种加工形式，使用最多的是曲轴固定型 CNC 曲轴内铣加工工艺。其主要特点是：生产效率高、加工精度好、使用范 围广、柔性好。据有关资料介绍，曲轴内铣轴颈后可达精度如下：主轴颈直径尺寸公差±0.07 ±0.1mm，圆度和圆 柱度公差 0.050.10mm ，轴肩距公差±0.05 ±0.10mm，径向跳 动公差 0.15mm，表面粗糙度 Ra=510m。由于曲轴内铣具有上述的良好工艺特点，所以非常适合于曲轴毛坯精华程度较差的曲轴主轴颈和连杆轴颈的加工。尽管曲轴铣削有以上优点，但也存在不足之处：(1)由于铣刀在 铣削中，每个刀刃一开始就全部参与切削过程，工件精度和粗糙度的进一步提高就受到一定限制；(2)铣刀盘的更 换和调整技术要求高，操作者要有较高的技术素质。3.2.4 CNC 高速外铣工艺数控高速外铣是 20 世纪 90 年代新兴起来的一种新型加工工艺，其适用范围广，特 别双刀盘数控高速外 铣以其加工效率高、加工质量稳定、自 动化水平高,已成为当前是曲轴主轴颈和连杆轴颈粗加工的发展方向。就比较而言，CNC 车车拉工艺加工连杆轴颈要二道工序，CNC 高速外铣只要一道工序就能完成，切削速度高(目前最高可达 350m/min)、切削时间较短、工序循环时间较短、切削力较小、工件温升较低、刀具寿命高、 换刀次数少、加工精度更高、柔性更好。如德国 BOEHRINGER 公司专为汽车发动机曲轴设计制造的柔性的高速随动数控外铣床 VDF315OM-4 型， 该设备应用工件回转和铣刀进给伺服连动控制技术，17可以一次装夹不改变曲轴回转中心随动跟踪铣削曲轴的连杆轴颈。其采用一体化复合材料结构床身，工件两端电子同步旋转驱动，具有干式切削、加工精度高、切削效率高等特点；使用 SIEMENS840DCNC 控制系统，设备操作说明书在人机界面上，通过输入零件的基本参数即可自动生成加工程序，可以加工长度 450700mm、回转直径在 380mm 以内的各种曲轴，连杆轴颈直径误差仅为±0.02mm。3.2.5 曲轴车-拉工艺车拉工艺是 1936 年美国 EDWARDCBULAND 工程师的一项专利 ,在 1964 年原苏联的机械工程手册中被概括为三种方式：a.直线式刀具车拉； b.内环式刀具旋转车拉； c.外环式刀具旋转车拉。80 年代初，在美国用直线刀具车拉加工曲轴轴颈获得成功。这使得曲轴加工和精加工合二为一，大大提高了曲轴的加工精度和加工效率。曲轴的车 拉加工具有更多优点，主要表现为：(1)加工精度高。因为它在曲轴轴颈加工中，在任何时间内只有一片刀具和工件接触，结果使得工件所受的切削力比车削和铣削都要小，而较小的弯曲使加工精度大大提高，而且车拉的刀具本身就分为粗、 细 刀齿，每一刀 齿仅参与较短的切削时间所以，车拉后的工件精度高，表面粗糙度好，弯曲和扭曲变形小。(2)刀具寿命长 。因为在切削中每一刀齿与工件只有短暂的一次接触，因而这种刀具寿命是铣刀的 45 倍。(3)柔性好。只要对夹具、刀具等作简略调整就能很快适应多品种的不同批量生产。(4)加工效率高。因为车拉加工切削速度要高于车削和铣削。(5)技术经济好。由于车拉加工是集粗、精加工于一身，可以省去粗磨等工序。3.2.6 数控车-拉工艺80 年代末，德国在曲轴铣削技术，数控车削技术和车拉技术的基础上，又开发了当今最新的数控车车拉曲轴加工技术。车拉切削过程是从最大的工件直径即曲柄臂外径开始，靠已确定的齿升值和相应的刀片把曲柄臂平面上的余量切除，此时仅在左右两边进行切削。当达到轴颈毛坯表面时，刀齿从一端开始切入，从另一端切出每个刀齿在开始切入时，切入厚度均为零。随着刀齿进 入，切削厚度逐 渐增加直至最大值，然后切削厚度又减小，直至切出工件表面时降为零。因此，切入切出柔和，加工平稳性好。此外在一次切削中每个刀齿仅切削一段时间，刀齿的散热条件较好，有利于延长刀具18使用寿命，而且不需要冷却液。在一次加工中能进行粗切和精切。粗、精切刀具分别布置，有利于采用各自最佳的刀刃几何形状、容屑空间、刀具材料和切削用量在工步安排上，曲轴精切台肩、沉割和轴颈外圆的形状和尺寸是靠最后的刀齿来车拉得到的。因此，在精车拉以后可以得到较高的尺寸精度、形状精度和 较小的表面粗糙度值，取消了粗磨轴颈工序。数控车拉时将刀片倾斜装在刀盘上，刀盘回转轴线与机床主轴轴线平行。在数控装置控制下刀片随刀盘沿径向进给，径向进给终了时刀具停止进给，同时带动刀片旋转，车出整个轴颈 表面。旋 转式数控车拉加工采用矩形（宽刃）刀片倾斜安装，可以保留宽刃车刀车 削外圆时理论上不会形成残留高度的优点，同时又通过刀盘带动刀片旋转使刀刃与工件外圆瞬间接触始终为一点（切削力小、塑性变形小）并沿工件轴向（与工件轴线平行）连续移动，真正做到一条与工件轴线平行的直线绕工件轴线旋转形成外圆柱面。这样就在轴径表面均匀的车拉出一个表面精度高、粗糙度值小的外 圆表面。3.2.7 曲轴油道孔加工枪钻工艺发动机曲轴的油道孔加工是曲轴加工中又一个技术难点。曲轴的油道孔从主轴颈到连杆颈倾斜贯通，属典型细长孔且在曲面上加工，工艺性差。枪钻也叫深孔钻，代表着先进、高效的孔加工技 术。它不但可用来加工深孔（径长比 1：250 ），而且也可用来加工浅孔（径长比 1：1）。枪钻结构由钻柄（用于装夹刀具）、钻杆（用于连接刀 头，按加工孔的 长度确定，采用韧性较好的材料）、钻头（切削部分，刀尖是偏心的，采用硬质合金材料）三部分焊接在一起，中 间有一通孔，外侧面有一直 V 型槽。依靠中间通孔实现内冷却，冷却液从后刀面上的小孔处喷出，可直接对切削区冷却。当使用高压冷却液 时，其切屑能从被加工孔中通过直 V 型槽有效排出，无需在 钻削过程中定期退刀来排出切屑。使用枪钻的机床主轴必须有较高的轴向和径向刚度，使用时应正确选取切削用量和切削用冷却液，以及冷却液的参数。3.2.8 曲轴磨削工艺数控曲轴磨削工艺。精加工使用数控磨床,采用静压主轴、静压导轨、静 压进给丝杠( 砂轮头 架) 和线性光 栅闭环控制等控制装置,使各尺寸公差及形位公差得到可靠的保证,精加工还广泛使用数控砂带抛光机进行超精加工,经超精加工后的曲轴轴颈表面粗糙度至少提高一级精度。如 GF70M-T 曲轴磨床是日本 TOYADA 工机开发生产的专用曲轴磨床,是为了满足多品种、低成本、高精度、大批量生产需要而设计的数控曲轴磨床。该磨床应用工件回转和砂轮进给伺服联动控制技术,可以一次装夹而不改变曲轴回转中心即可完成所有轴颈的磨削,包19括随动跟踪磨削连杆轴颈;采用静压主轴、静压导轨 、静压进给丝杠(砂轮头架)和线性光栅闭环控制,使用 TOYADA 工机生产的 GC50CNC 控制系统,磨削轴颈圆度精度可达到 0.002mm;采用 CBN 砂轮,磨削线速度高达 120m/s,配双砂轮头架,磨削效率极高。4 国内外曲轴加工技术展望以上主要从曲轴强化工艺和机加工方面论述了曲轴加工的进展，由此可得出对曲轴加工未来发展趋势的预测：（1） 曲轴多刀车削工艺将逐步退出历史舞台，尽管这一时期较长。（2） 高效加工技术在曲轴制造业已有相当程度的应用。（3） 适合于多品种、小批量的复合加工技术是曲轴加工的一个发展方向。（4） 切削刀具性能的提高为高效复合加工的发展提供了技术保障。 12未来，汽车动力系统将面临着一场能源革命，也就是说汽车发动机的制造要随时随刻地满足不断变化的市场需求，随着社会的不断进步，科学技术的不断发展，高效率、柔性化、大规 模、低成本的汽车发动机制造技术和工艺装备，越来越受到人们的重视，这也正是 发动机制造产业的发展趋势。5 结束语经过两个多月的学习和研究，我的毕业论文终于完成，看着自己的成果，有说不出的感触。这段时间的努力，是对我这五年来的学 习的系统总结，通 过这段时间的努力，我自己的知识 和能力也得到了提高。虽然很多内容只是整理一些科学资料。但从开始接到论文题目到系统的实现，再到 论文文章的完成，每走一步对我来说都是新的 尝试与挑战， 这也是我在大学期间独立完成的最大的项目。这次做论文的经历也会使我终身受益，我感受到做论文是要真真正正用心去做的一件事情，是真正的自己学习的过程和研究的过程，没有学习就不可能有研究的能力，没有自己的研究，就不会有所突破，那也就不叫论文了。希望这次的经历能让我在以后学习中激励我继续进步。谢辞本论文是在我的导师李教授的亲切关怀和悉心指导下完成的。他严谨的治学态度、忘我的工作精神、豁达的处事观、平易近人的待人作风，精益求精的的治学精神，深深地感染和激励着我。从课题的选择到 项目的最终完成,李老师都始终给予我细心的指导和不懈的支持。一直来，李教授不 仅在学业上给我以精心指20导，同时还在思想、学术上给我以无微不至的关怀，在此谨向李老师致以诚挚的谢意和崇高的敬意。在论文完成之际，我的心情无法平静，从开始进入课题到论文的顺利完成，有多少可敬的老师、同学、朋友给了我无言的帮助，在这里请再次接受我诚挚的谢意！最后，衷心地感谢在百忙之中评阅论文和参加答辩的各位老师。参考文献1 吉国光.柴油机曲轴加工中的几个问题J,摘自柴油机 ,1994,2：40-412 江学仁.美国车用柴油机曲轴加工工艺J,摘自拖拉机与 农用运输车,1995,5:2-83 陈世平.为进一步提高曲轴加工质量所需解决的两个问题 J,摘自四川兵工学报1996,17(3),20-244 王一治.介绍几种曲轴加工的先进技术J,摘自机械制造 .制造工艺 1996,11:25-27 5 赵长明.轿车发动机曲轴加工中的新工艺新技术J,制造技 术与机床.汽车制造技术. 2005,9:38-396 邓文英.郭晓鹏.金属工艺学M. 高等教育出版社， 20067 李须峰. 发动机曲轴加工的新工艺及装备J,MC 现代零部件制造篇.2006,9:87-898 李海国.张小菊曲轴加工新技术应用综述J,汽车与配件.商用车&发动机.制造工艺篇，2007,8.9:42-449 刘丽秋.曲轴加工技术及其特点J,机械设计与制造 1997,4：4610 姜洪宇.黄春元.国内外曲轴加工技术的现状及发展J,黑龙江科技信息1999,3：412111 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