浅论汽车曲轴的加工工艺论文.doc

浅论汽车曲轴的加工工艺王福利【摘要】 本文根据发动机曲轴的工作特点、技术要求与结构，确定曲轴的制造工艺流程方案，在分析曲轴铸造、机械加工、滚压、热处理等主要工艺的主要工艺参数的基础上，制定了一种典型曲轴制造的工艺规程（工艺流程卡）。【Abstract】 This article based on the characteristics of engine crankshaft, technical requirements and structure, determining the programme of technological process of manufacture of the crankshaft, in the analysis of crankshaft casting, machining, rolling, heat treatment of the major process of main technological parameters on the basis of developed a specification for a type of crankshaft manufacturing technology (technology)【关键词】 曲轴 铸造 机加工 滚压 工艺【Keywords】crank casting machining rolling technology 1引言曲轴是内燃发动机中的关键零件之一，也是内燃机中最难加工的工件之一。曲轴在发动机中是将活塞连杆的住复运动变为旋转运动，其在工作过程中会不断承受很大的弯曲应力和扭转应力，且受力情况异常复杂。目前，高速转动发动机正向着增压、增压中冷、大功率、高可靠性低排放方向发展。曲轴作为发动机的心脏，正面临着安全性和可靠性的严峻挑战，传统材料和制造工艺已无法满足其功能要求，市场对曲轴材质以及毛坯加工技术、精度、表面粗糙度、热处理和表面强化、动平衡等要求都十分严格。所以对曲轴的抗拉强度、刚度、耐磨性、耐疲劳性、冲击韧性等都提出了更高的要求。曲轴的主要失效形式是轴颈磨损和疲劳断裂，因此对曲轴在生产制造环节强化工艺技术和机械加工技术同样都有着更高的要求。大批量生产前提下，曲轴加工生产如达不到设计要求，只要其中任何个环节质量没有得到保证，将会严重影响曲轴的使用寿命和整机的可靠性，在长时间、高速度运转下，曲轴很容易过早出现失效或断裂现象，产生难以想象的后果。因此，应不断探索改进曲轴加工工艺。2.曲轴结构特点与主要技术要求2.1.曲轴的结构曲轴是将直线运动转变成旋转运动，或将旋转运动变成直线运动的零件。它是汽车发动机最重要的零件之一承受很大的疲劳载荷和巨大的磨擦，一旦发生故障，对发动机有知命的破坏作用，曲轴的结构一般由主轴颈，连杆轴颈、曲柄、平衡块、前端和后端等组成其结构细长多曲拐。刚性差，要求精度高，因而安排曲轴加工过程应考虑到这些特点。主要技术要求主轴颈，连杆轴颈本身的精度，即直径尺寸公差等级通常为IT6-IT7,主轴颈的宽度极限偏差为+0.05-0.15mm，曲拐半径极限偏差为0.05 mm；曲轴的轴向尺寸极限偏差为0.050.15mm。轴颈长度公差等级为IT9-IT10.轴颈的形态公差，如圆度，圆柱度控制在尺寸公差一半之内。位置精度，包括主轴颈与连杆轴颈的平行度，一般为100mm之内不大于0.02 mm曲轴各主曲轴颈的同轴度；小型高速发动机曲轴为0.025mm.大型低速发动机曲轴为0.030.08mm.各连杆轴颈的位置度不大于30。曲轴的连杆曲颈和主曲颈的表面粗糙程度为Ra0.20.4um;曲轴的连杆曲颈，主轴颈，曲柄连接处圆周角的表面粗糙度为Ra0.4um。除以上技术要求外，还有热处理，动平衡，表面强化，油道孔的清洁度，曲轴裂纹，曲轴旋转方向等规定。3.曲轴加工的一般工艺流程铸造毛坯粗加工预备热处理加工定位基准粗加工半精加工最终热处理精加工。例如目前大多数F系列微车曲轴，材料为40Cr，毛坯为调质锻钢件。工艺流程如下：(01)打中心孔一(02)车夹位一(03)精车主轴颈一(04)铣定位一(05)车连杆轴颈一(06)粗磨大小头一(07)车大头平端面及其它一(08)车小头平端面及其它一09)粗磨主轴颈一3.51594-10090-14085-951(2) 曲轴壳型制作采用四工位射砂转动式制壳机和翻板式制壳机制壳 （3）水平制壳、垂直分型、立浇底注工艺制壳在水平旋转的四工位壳型机上进行其中一个是起模工位带型板加热装置)一个射砂工位两个加热固化工位。每台壳型机配三台胶合定型机，两个壳加上粘结剂并放入孕育块后热态在胶合机上定型合成一个整型。制好的壳型放入壳模输送机待用。壳型铸造工艺见图2其特点是采用定量浇口杯，浇口杯孕育块孕育，垂直分型、立浇底注。图2曲轴壳型铸造工艺简图4.2.3浇注系统构成立浇底注浇冒口采用圆台状发热保温冒口和发热块，制作简单、成本低、生产效率高、补缩效果也较好 ，发热块作为冒口补缩。圆台形浇冒口有一定的容量，不会使浇铁水溢出，壳外浇口杯始终处于充满状态，在浇注完成后浇口杯内的铁水留有一定的高度，确保有足够的补缩压头，以防止浇注过程中卷入空气。采用立浇底注式浇注系统 为封闭式浇注，直孔陶瓷过滤网挡渣。过滤网置于在横浇道，以避免放置在直浇道偏上方时铁水压力小，通过率不够，过滤网下部铁液无法充满，铁水夹带空气进入型腔，造成曲轴气孔缺陷。如放在直浇道的最低位置，铁水压力过大，过滤网易被冲坏，反而造成砂眼，同时由于铁水压力和冲力过大 铁渣就可能被冲过去，起不到挡渣的效果。最合适的网孔尺寸为方孔1.5 mm1.5 mm厚度为1015 mm。 4.2.4壳型装箱壳型外侧充填铁丸直径2-4 mm，经过15-30 s时间震实，装箱。4.2.5 熔炼分析表明，高温低硫纯净铁水的获得是生产高质量球铁的关键所在，国外球铁中琉、磷、镁及稀土元素含量明显低于国产件，且金相组织中的石墨圆整均匀。其原因主要是国内以冲天炉为主的生产设备，铁水未进行预脱硫处理；其次是高纯生铁少，焦碳质量差。为获得高温低硫磷的纯净铁水，可采用双联外加预脱硫的熔炼方法，即可用冲天炉熔化铁水，经炉外脱硫(把硫降到001 以下)，然后在感应电炉中升温并调整成分。材质：牌号QT6503、QT7003，高强度球铁。材料配方：材料名称 技术条件 配比 打包废钢 0.150.2 C 2040 20号废钢 0.20,3 C 515 生铁 Q10 1025 增碳剂 9799 C 1.53.5 回炉料 QT600-3 3045 电解铜 Cu-1、Cu-2 0.30.85 锡 Sn-1 0.020.06 0.020.06采用2 t中频感应电炉，功率为1300-1500 kW，熔炼时间为60-80 min。中频感应熔炼的优点为，熔化速度快、铁水杂质少、铁水纯净、化学成分稳定，铁水温度容易控制，能较好满足球化孕育处理的要求。4.2.6球化处理根据国内现状，推荐采用前苏联的 “M nC”球化处理工艺及稀土镁粉末状球化剂可使镁的吸收率高达90 以上脱硫率达70 90 且石墨圆整。选用低镁球化剂, 铁屑覆盖，球化反应平缓，铁水一次出完，球化效果比较好，成本低。球化剂 (57Mg) 铁屑覆盖 (1.52 kg) 加铁水 (400 kg) 球化反应 (5070 s)。 4.2.7孕育处理推荐冲天炉熔化球铁原铁水对铜钼台金球铁采用三次孕育。这对于防止孕育衰退，改善石墨形态，细化石墨及保证高强度球铁机械性能具有重要作用。采用三次孕育的工艺：球化处理加硅铁 (一次孕育 )浇包加硅铁粉 (二次孕育 )浇注随铁水流孕育 (三次孕育)。 4.2.8合金化配合好铜和钼的比例对形成珠光体组织十分有利，可提高球铁的强度而且铜和钼还可大大降低球铁件对壁厚的敏感性。如6110柴油机曲轴，选用铜0.45 O.60 ；钼0.15 0.25 能稳定达到QT8OO一3的水平。4.2.9浇注 曲轴壳型在浇注前用机械手将壳型放人铁箱并在壳型上灌满铁丸，振动紧实后待浇，浇注采用球化包和吊车人工浇注方法，采用250 kg浇包，每包浇注45个型壳，810根曲轴；每个型壳浇注时间8-1 0 s；浇注温度1400，铁水温度过低，曲轴渣气孔增多，易产生浇不足、冷隔、大头缩孔和曲轴内部缩松缺陷，浇注温度过高 (高于1460)曲轴易产生粘砂、漏壳和毛边过大，还影响球化效果使球化反应过快，导致产生球化不合格。浇注工艺特点是壳型形成的定量浇口杯和石墨塞杆拔塞定量浇注，在定量浇口杯下方有两个小腔，内置孕育块，铁液充满浇杯后稍等一会拔塞冲型，这样既定量又撇r渣还完成了瞬时孕育。4.2.10清砂处理 曲轴浇注后经50-60 min即可以翻箱倒铁丸取件，铸件冷却到50以下，曲轴铸件的清整主要是切割浇冒口和抛丸清理，壳型生产线采用专用砂轮切割机，后续用悬挂式抛丸机进行曲轴表面抛丸处理，每次20件，大约抛丸15 min 左右，使曲轴表面达到无粘砂、光亮。再采用电动角磨机和风动工具清理飞边毛刺。4.2.11检验 （1）铁水检验 采用直读 光谱仪对铁水成分进行检验。铁水出炉前进行温度测试，采用先进的数显、语音提示并能与微机联 网的测温仪，每炉测温次数 为2-3次，出炉温度一般控制在1500-1560。浇注时先进行测温，每个浇注包测1次铁水温度，并做记录。 （2）曲轴铸件的检验 1）金相组织及硬度的检验 检验要求指标石墨有机组织硬度球化级别/级石墨大小/级球光体含量%磷共晶+游离渗碳体1-35-8751215-2702）力学性能的检验每班检验1次每次2-3个试棒抗拉强度/Nmm2屈服强度/Nmm2伸长率%6503803（1次/1班）（1次/1周）（1次/1班）3）化学成分的检验每炉检验2块样，用直读光谱检验 ，其化学成分要求见下表CSiMnSPCuSnCr3.7-40.9-1.30.3-0.50.020,050.3-0.80,02-0.050.11-2/次1-2/次1-2/次1/次炉1-2/次1/次炉1-2/次1/次炉4.3 铁型覆砂法铸造曲轴工艺铁型的壁厚应根据铸件的壁厚选择既考虑强度和刚度又要考虑热平衡的需要， 一般选2O30mm，我们用20ram壁厚球铁材料，在设计铁型时要设计好排气，包括铁型排气及分型面排气。覆砂层厚度按照砂型铸造23倍的冷却速度考虑，一般取58ram。铁型覆砂铸造是在金属型(铁型)内腔覆上一层型砂(覆膜砂)形成铸型，在合适的铁型壁厚确定以后，当覆砂层厚度在一定范围内变化时，铸件的冷却速度随着覆砂层厚度的减少而增加，选择不同的覆砂层厚度，使同一铸件不同壁厚部分比较方便地得到相同的冷却速度，实现均衡凝固。此外，不同的铁型壁厚与覆砂层厚度的配合，使型中球铁曲轴的冷却曲线接近正火处理的冷却曲线，从而实现球铁曲轴的铸态较快的冷却速度，保证了曲轴具有较高的力学性能。由刚性良好的铁型与很薄的覆砂层组成的铁型覆砂铸型有效地利用了球铁曲轴在凝固过程中的石墨化膨胀，提高铸件的致密度，实现了无冒口铸造：由于覆砂层薄，型腔不易变形，铸件尺寸精度比砂型大为提高；铁型虽无溃散性，但很薄的覆砂层却能适当地减少铸件的收缩阻力。4.3.1. 铁型覆砂铸造工艺流程图铁型模样铸型清理合模覆砂造型铸件开型冷却浇注合型固化起模图3 铁型覆砂铸造工艺流程图铁型覆砂工艺见图4，浇注系统的设计原则是有利于同时凝固和平稳冲型较快的浇注速度并有利于排气，用陶瓷过滤阿，F ：F ：F =179：185：1，起模斜度适当放大，收缩率减少。图4 曲轴铁型覆砂工艺图4.3.2. 主要工艺参数收缩率，铁型壁厚，覆层厚度，以及及射砂孔位置、形状、大小和数量，铸型温度。 （1）收缩率 收缩率一般为 0.81.0。 （2）铁型壁厚 铁型壁厚对铸件的冷却能力、蓄热能力及铁型本体的刚度及防止变形、开裂有很大的影响。铁型覆砂由于在金属型内覆上厚度为58mm的砂层，并利用模具的加热热量使其固化，生产中又将铁型的温度控制在 180300内，所以铁型的寿命较金属型长，且具有可形成流水线生产。 铁型温度的高低与开型时间、覆砂层厚度及属型的壁厚、工件长度有关。壁厚大的铁型蓄热多，温上升缓慢，铸件冷却快，开型时间短，从浇注到开型1215min。经验公式：铁型壁厚 A铁 =(0608)A 铸件，其中A为壁厚。也可根据铸型分型面尺寸平均值来选取A铁，见下表。8003545铸型分型面尺寸平均值S =(H+L)2,其中H为分型面长度尺寸 (mm)，L为分型面宽度尺寸。（3） 覆砂层厚度及温度控制 覆砂层厚度直接影响铸件冷却速度和铁型升温。从理论上讲，覆砂层厚度薄对铸件冷却有利，但太薄的覆砂层会导致铁型升温快，温度高，不利于连续覆砂，同时造成射砂成型困难；过高的铁型温度，还易烧枯覆砂层，使铁型失去强度。 曲轴一般取覆砂层平均厚度为 8mm，主轴径、连杆轴颈及轴长度方向取 l0mm，其余取 8mm。温度控制，由于曲轴铸件较长，覆砂的范围广，铁型温度大于 280，热固性酚醛树脂砂就会在射砂过程中固化，造成射砂通道不畅，形成射不足缺陷。经过试验，铁型最适宜 温度为 240，一般不大于 300。（4）射砂孔参数 射砂孔的参数设计，主要是确定射砂孔的位置、尺寸和形状数量，一般射砂孔都设计成对称布置。对于曲轴，一般取射砂孔直径为 12 16mm，斜度 1：20，向铸型内倾斜，在射砂孔内镶有衬套，便于磨损后更换。（5）浇注系统 根据铁型铸造要求，铁型浇注速度大，在液体金属充型时，型腔里的气体要能顺利排除，其流向尽可能与液流方向一致。此外应注意使液体金属在充型时流动平稳，不产生涡流，不冲击型壁或型芯，更不可产生飞溅。浇注系统分为顶注式、底注式、侧注式。顶注式铸件温度分布合理，有利于顺序凝固，可减少金属液的消耗，但金属液流动不平稳，易进渣，铸件高时，易冲击型壁和型芯；底注式金属液流动较平稳，有利于排气，但温度分布不合理，不利于铸件顺序凝固；侧注式兼有上述两者优点，金属液流动平稳，便于集渣、排气等，但金属液消耗大，浇口清理工作量大。 曲轴铸件由于该尺寸较长，采用侧注式，三个直浇道进行浇注，浇口形式例如，内浇道尺寸大于60mm，横浇道尺寸大于60 mm，浇注系统的覆砂层厚度一般间本体覆砂层一致。 （6）铁型在射砂浇注过程中的排气系统的设计由于铁型覆砂是用低压压缩空气(0.44MPa)将流态砂吹进型腔 ，砂子进入型腔的同时，气体也同时进入，如果铁型排气不畅，势必造成隔层及射不足、气鼓等缺陷。一般解决办法有：通过造型机本身的排气f瞬进行排气，但对于型腔角落余气很难排除；通过安装排气塞来进行排气；对于分型面上的余气，可在模具分型面上加工出四个0.110.2mm的小凸台，形成空隙，使余气排出。对于在曲轴浇注过程中的气体排放，一般采用浇口处进行排气；在射砂孔里安放排气针；过分型面排气。 4.3.3主要工装设备 除了制芯设备、冲天炉等常规设备外，还配备如下主要工装设备： 造型设备 这是流水线的心脏，主要完成铁型覆砂作业，采用专用覆砂铸型机造上、下型。 射型设备是覆砂铸造的关键设备。主要功能是完成型腔的射砂，使之形成金属型覆砂铸造的坚硬壳型。 其中最主要的工装是射砂头，铁型和型板。射砂头的主要结构见下图5，其中射砂孔采用覆膜砂堆积角闭砂；为防止射头中覆膜砂受热硬化采用通水冷却。图5 水冷射砂头 合型设备在地面上浇注，主要用起吊设备(吊车或电动葫芦)在地面上把上型台到下型上面。流水生产由专门合模机，只需操纵开关，进行机械化合型，定位准确，效率高 。 浇注设备浇注直接在线上进行，由于浇注温度较高，采用机动辊道或机械化推箱，把浇注好的铁型推出浇注段，自动进入冷却段。 开型设备 没有布线以前，由起吊设备将上、下型分开，然后卸下铸件。现在由专门的开型机和翻模卸件机进行。打开上下型箱，使上下型箱分开摆放，为翻箱机职出铸件作准备。 落砂及清理设备 由于铁型在循环利用，就必须把射孔及型腔里的残砂清除掉，为循环射型作准备。由气动微振造型机改装而成。射孔及浇1：3残砂由落砂机的顶出机构顶出，震除上下箱型内的覆砂，震动落砂时间15s左右。 运输辊道由组焊的边滚架，边滚组装而成。主要功能是转运型箱，减轻工人的劳动强度。 翻箱机是在压缩空气的作用下，操纵换向阀、推动气缸，上升或下降，完成各个环节上不同的功能。在射上下结束后，将射型的型箱翻转180。，重新放在运输辊遭上，便于检查型箱清除残余射渣。在浇注开箱后，将下型箱翻转一定的角度，提高铸堑位置高度，落砂取出铸件及将塑箱型腔翻转朝下，为震落砂作好准备。在震落砂之后，将型箱翻转，检查清除残砂及重 新放在辊道上，为循环射型作好准备。以上几部分有机地联系起来，形成一条完整的曲轴铁型覆砂铸造生产流水线。4.3.4 清砂处理工艺 曲轴浇注后，经50-60 min即可以翻箱倒铁丸取件，铸件冷却到50以下，可以去除冒口和浇注系统。后续用悬挂式抛丸机进行曲轴表面抛丸处理，每次20件，大约抛丸15 min 左右，使曲轴表面达到无粘砂、光亮。再采用电动角磨机和风动工具清理飞边毛刺。(1）检验 检验要求指1本体力学性能GB1348-882本体球化级别GB9441-8813级3本体石墨大小GB9441-8868级4本体珠光体量GB9441-8885955本体硬度GB1348-88260290HB6热处理铸态生产 免除 热处理止同人7铁砂比6：18工艺出品率909尺寸公差GB6414-80CT6810表面粗糙度GB60601-85a 12 511缩孔缩松从未出现12供货缺陷率1:94.4铁型湿砂法铸造曲轴 4.4.1湿砂型铸造工艺流程静压造型线每小时需80t型砂与此配套的砂处理系统由三部分组成，即旧砂处理及输送系统、型砂混碾系统、新砂烘干及新砂、陶土、煤粉输送系统。在旧砂处理及输送系统中采用了DISA公司的 3.415.24m落砂冷却滚筒，集落砂、冷却、去灰于一体，尤其在滚筒内自动喷水，冷却1日砂效果很好同时在其后的皮带机上使用DISA公司的连续测温测湿、补加水冷却自动控制系统及在六角筛下加一节冷却去灰机，可有效地保证旧砂水份控制在1.5 2.0 ，温度不超过室温l5由于采用了滚筒和冷却去灰机加上斗提机，皮带机接头处和六角筛的吸尘使旧砂含泥量控制在9 1O ，使型砂水分控制在2.8 3 2成为可能在旧砂处理系统中设置了三个大砂库，总容量240吨，不仅使旧砂流程有缓冲而且三库同时给料可使旧砂进一步均匀化。为了解决旧砂中树脂砂芯的小团块和陶土块的去除，特地增加一条精筛支路可利用休息天将旧砂精筛一遍。型砂混碾系统中采用德国Eifich公司R23倾斜转于式混砂机，该机单转子倾斜式底盘转动带自动测湿装置及放砂圆盘给料机，n 迅速排砂，均匀输送。同时引进了全套原辅材料定量系统和自动加水系统在线型砂性能自动检测及计算机型砂专家系统与混砂机一起组成计算机控制的型砂混制质量控制系统能根据旧砂湿度测定值，前车型砂紧实率和剪切强度自动测定值通过砂专家系统处理反馈控制陶土 水的加入量及新砂量，使型砂紧实率和剪切强度拄制在稳定的范围新砂烘干及新砂，陶土、煤粉输送系统中新砂集中在新砂库，经烘砂滚筒烘干后用气力输送到立式砂库及混砂机砂斗陶土和煤粉则用低压压送输送。4.4.2 湿砂型铸造工艺及参数 （1）湿砂型铸造是生产曲轴的主要工艺方法，美国通用铸造厂及国内很多汽车曲轴铸造厂均采用此工艺。与壳型铸造相比，虽然湿砂型铸造在铸件实物质量及总废品率上要差一些,但其生产适应性强，生产率高，成本较低要搞好曲轴质量，好的型砂质量和高的砂刚度是基本条件，应配备性能优良的造型设备和砂处理设备。此外正确的工艺设计亦分重要，铸件的收缩率搞准确，浇冒口系统设计合理是获得无缺陷曲轴的保证。(2)浇注系统的类型 按金属液导入型腔的位置，浇注系统可分为底注式、顶注式、中注式、阶梯式等,见下图。（3）铸件的尺寸公差 CT，其精度等级从高到低有1、2、3.16共16个等级；加工余量等级MA，从精到粗可分为A、B、C、D、E、F、G、H、J共9个级别。下表为砂型铸造常用铸造合金单件和小批生产时公差等级及与之配套的加工余量（/1350-89）。造型材料/铸钢灰铸铁球墨铸铁可段铸铁铜合金干湿砂型13-/13-/13-/13-/13-/自硬砂2-/1-/1-/11-/10-/4.5 三种曲轴铸造工艺的比较三种曲轴工艺的生产实践大大加深了我们对之特点和适应性的认识，并能将之作一一对比，由下表可见从曲轴铸件的实物质量，废品率，供货缺陷率和质量的稳定性比较，壳型铸造工艺最好，铁型覆砂次之，湿砂型铸造较差。三种工艺比较表比较项目名称壳型铸造工艺湿砂型铸造工艺铁型覆砂型工艺供货缺陷率（%）.总废品率（%）.工艺出品率（%）尺寸精度-R（）.-.-.()（%）加工余量（）.-.-.-石墨球化率（%）-石墨大小级别-生产量率高很高较低多品种生产适应性好很好较差成套机械化程度高很高较低生产运输成本较低较低较低5.曲轴切削加工工艺5.1 曲轴形体结构特点与主要技术要求 (1)曲轴形体由主轴径、连杆轴颈、曲柄组成，结构细长多曲拐，刚性差。在高温高速高交变负荷的工况长期工作，几何精度要求极高。曲轴的技术要求是很高的，其机械加工工艺过程随生产纲领的不同和曲轴的复杂程度而有很大的区别，但一般均包括以下几个主要阶段：定位基准的加工：粗、精车和粗磨各主颈及其它外圆：车连颈：钻油孔；精磨各主颈及其他外圆；精磨连颈；大、小头及键槽加工；轴颈表面处理：动平衡：超精加工各轴颈可以看出，主颈或连颈的车削工序都与磨削工序分开往往中间安排一些不同的加工面或不同性质的工序。粗加工后会发生变形，因此常把粗、精加工分开，并在切削力较大的工序后面安排校直工序，以保证加工精度。为了减小切削力所引起的变形，保证精加工的精度要求，精磨各轴颈时，一般采用单砂轮依次磨。 图6 直列四缸发动机曲轴(2)主要技术要求主轴颈，连杆轴颈本身的精度，即直径尺寸公差等级通常为IT6-IT7,主轴颈的宽度极限偏差为+0.05-0.15mm，曲拐半径极限偏差为0.05 mm；曲轴的轴向尺寸极限偏差为0.050.15mm。轴颈长度公差等级为IT9-IT10.轴颈的形态公差，如圆度，圆柱度控制在尺寸公差一半之内。位置精度，包括主轴颈与连杆轴颈的平行度，一般为100mm之内不大于0.02 mm曲轴各主曲轴颈的同轴度；小型高速发动机曲轴为0.025mm.大型低速发动机曲轴为0.030.08mm.各连杆轴颈的位置度不大于30。曲轴的连杆曲颈和主曲颈的表面粗糙程度为Ra0.20.4um;曲轴的连杆曲颈，主轴颈，曲柄连接处圆周角的表面粗糙度为Ra0.4um。除以上技术要求外，还有热处理，动平衡，表面强化，油道孔的清洁度，曲轴裂纹，曲轴旋转方向等规定。5.2曲轴切削加工工艺5.2.1加工工艺方案 （1）关键部位加工工艺主轴颈：车磨抛光；连杆轴颈：外铣磨抛光；止推面：精车；油孔：枪钻人工去毛刺高压清洗；前、后端：车磨；清洗：清洗2次，钻油孔后清洗1次，最终清洗1次；最后对曲轴进行综合检测。（2）主要工艺流程铣削两端面钻质量中心孔铣削扇板定位面车削法兰端车削轴端与第 l主轴颈车拉第2-5主轴颈车/车拉第 l、4连杆颈车/车拉第 2、3连杆颈钻斜油孔预清洗中频淬火低温回火一沉割槽滚压止推档车削滚压精磨 5档主轴颈精磨第 l、4连杆颈精磨第 2、3 连杆颈两端头钻孔、攻丝、铣键槽、镗孔精磨轴头、法兰动平衡抛光终清洗终检。5.2.2工艺分析（1）钻中心孔 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 ，分为两种：一种是几何中心孔，可利用双V型块找出；另一种是质量中心孔，利用质量定心机测得。由于毛坯的几何形状误差和质量分布不匀等原因，两者一般不重合。利用几何中心孔作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，降低定心元件的使用寿命 ，因而在加工后剩余的动不平衡量较大。采用质量中心孔作定位中心，可将铣两端长度和加工质量中心孔合并为一道工序，加工效率很高。但若毛坯弯曲变形严重或质量严重分布不均匀，则不宜采用质量中心孔。（2）数控车/车拉技术 车拉技术加工形式有三种 ：直线车拉、内环刀具旋转车拉和外环刀具旋转车拉 。车拉工艺可一次设定能完成所有同心圆的车削，具有在同一台机床上完成车/车拉加工，效率高、通过使用特殊卡盘和刀具系统实现柔性加工、特别适用于平衡块侧面不需加工、轴颈有沉割槽的曲轴。拉削工艺可用高效的梳刀通过微量的径向进给和纵向车削实现高速精加工。完工后可直接精磨，省去粗磨工序。（3）数控高速外铣技术对平衡块侧面需要加工的曲轴，采用数控高速外铣比CNC车削、CNC内铣、车/车拉的生产效率还要高 。以四拐曲轴为例CNC车/车拉工艺加工连杆轴颈要二道工序，而 CNC高速外铣只要一道工序就能完成，切削速度高达350m/min，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。（4）数控内铣技术 数控内铣加工性能指标要高于普通外铣加工，用于曲轴连杆颈粗加工的加工。其特点是曲轴固定后不动，铣刀跟随连杆颈铣削，工件两端采用同步电动机旋转驱动，加工精度高、切削效率高。通过输入零件的基本参数，控制系统即可生成自动加工程序。（5）数控磨削技术 摆动跟踪数控磨削，在加工过程中能检测并修正轴颈圆度和尺寸，可对机床的磨损、温度、机械动力对磨削余量的变化影响进行自动补偿，由于磨削主轴颈和连杆轴颈一次装夹，主轴采用自动对中的三点式中心架；静压圆型导轨，无爬行效应，确保持久的高精确度；减震抗 扭转床身，具有良好 的吸震抗弯功能 ；砂轮轴适用于高达 140ms的磨削。（6）数控机床的技术参数 最大回转直径： 中250mm最大加工长度：1250mm左右卡盘最大间距：1150mm机床，快移速度：6mmin，X Z轴最大行程： 1 75 mm，铣刀盘刀刃直径： 280mm控制系统：FANUC铣刀盘刀刃直径： 280mm主电机输出功率：45kW总电源容量：1 35kVA机床总重量：30t。（7）数控机床的加工精度工件表面粗糙度：Ra3.26.3 ( m) 圆度：0.10mm圆柱度(只许凸)单边：0.1 5mm轴向尺寸公差：0.08mm偏心距公差：0.05mm轴径尺寸公差：0.10mm加工后主轴颈跳动：0.2mm开档尺寸公差：0.15mm各连杆轴颈对角向定位面的相位偏差(半径上)： 1.2。（8）深油孔枪钻技术 曲轴深油孔的直径一般在 58mm之间，从主轴颈到连杆颈倾斜贯通 ，属典型细长孔而且在曲面上加工，工艺性差 。加工深油孔最好的办法是采用枪钻工艺。枪钻由钻柄 (用于装夹刀具 )、钻杆(用于连接刀头)、钻头(采用硬质合金材料 )组成。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，冷却液从后刀而上的小孔处喷出，可直接对切削区冷却。使用高压冷却液，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。在加工细长孔时，钻孔、镗孔、铰孔一次完成，加工精度(IT68级)、直线度(0.160.33mm1 000 mm)、粗糙度(Ra 3.20.1)。为了提高曲轴的强度，曲轴要求油孔倒角处抛光，倒角与油孔的过渡处要消除尖角并圆滑过渡，过渡部分也需抛光处理。（9）热处理和表面强化技术曲轴热处理的关键技术是表面强化处理。一般均正火处理，为表面处理作好组织准备表面强化处理一般采用感应淬火或氮化工艺少数厂家还引进了圆角淬火技术和设备。 曲轴中频感应淬火 曲轴中频感应淬火将采用微机监控闭环中频感应加热装置，具有效率高，质量稳定、运行可控等特点。 曲轴软氮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。 曲轴表面强化技术 球墨铸铁曲轴圆角滚压强化将广泛应用于曲轴加工中，另外，圆角滚压强化加轴颈表面淬火等复合强化工艺也将大量应用于曲轴加工中，锻钢曲轴强化方式将会更多地采用轴颈加圆角淬火处理。 5.2.3 曲轴加工工艺基准(1)粗基准的选择为了保证中心孔钻在主颈毛坯外圆面的轴线位置上选用主颈的外圆面为粗基准。同时为了保证所加工的基准面的轴向尺寸，选用第四主颈两侧扇版面为轴向粗基准。 (2)辅助粗基准的选择在扇板上铣出两个工艺平面即是加工连颈时所用的辅助粗基准。(3）精基准的选择加工主颈及与其同轴心的轴颈外表面时，以中心孔为精基准。加工连颈时，用加工的法兰和小头的外圆及连颈1外圆作为精基准基面，这样便于保证技术要求。此外，轴向定位基准采用第四主颈的两个台阶面，与设计基准一致。 5.2.4定位基准加工工艺定位基准是两端中心孔，加工工序为：（1）以曲轴小端外圆定位，用车床三爪卡盘夹紧曲轴小端外圆，曲轴大端外圆用中心架定位。车床主轴带动曲轴旋转，中心钻安装在车床尾架上的刀杆中，手动进刀，完成曲轴大端中心孔的加工。（2）以曲轴大端外圆定位，用车床三爪卡盘夹紧曲轴大端外圆，曲轴小端外圆用中心架定位，由车床主轴带动曲轴旋转，中心钻安装在车床尾架上的刀杆中，手动进刀，完成曲轴小端中心孔的加工。为了解决曲轴两端中心孔与主轴颈之间的同轴度问题，设计时将曲轴在专机夹具中的定位基准定在曲轴的第一、第七主轴颈(6缸曲轴)或第一、第五主轴颈(4缸曲轴)，以提高曲轴两端中心孔与主轴颈之间的同轴度。要修正好曲轴两端中心孔，首先要保证主轴的刚性。为此，设计时对以下3种形式的动力头进行了选用技术分析。一是通用的3号钻削头其主轴支承系统由一组0000系列的单列向心深沟球轴承和一组8000系列的平底单列推力球轴承组成主轴前端支承直径为85mm后端支承直径为70mm这种结构支承刚性较好可以承受较大的轴向力适用于钻孔、扩孔等：二是通用的3号镗削头其主轴支承系统由一组3182100系列的双列向心圆柱滚子轴承和一个2268100系列的双向推力向心球轴承组成，主轴前端支承直径为90mm，后端支承直径为80 mm这种结构可以得到很高的径向和轴向刚度，适用于精密加工：三是刚性主轴箱，其主轴支承系统由一组成对配置的并带预紧的36000或46000系列的单列向心角接触球轴承组成其主轴前后端支承直径均为90mm，这种结构适用于高速轻载。考虑到修正中心孔时切削余量分布不均匀，对主轴的径向和轴向刚性要求较高经分析比较，通用的3号高精度级镗削头(其主轴支承轴承精度等级为B级)的主轴支承结构最为合适并对其主轴进行修设计便于与刀具连接缩短主轴悬伸长度，提高主轴刚性。通过提高刀具的转速和降低刀具的每转进给量来实现降低曲轴两端中心孔的表面粗糙度值的目的。5.2.5 铣主轴颈、连杆颈（1）工装设备设备：曲轴数控铣床；夹具：液压三爪自定心左、右卡盘；，刀具：铣刀盘分主轴颈铣刀盘和连杆颈铣刀盘刀盘用4个键和主轴联接刀盘组成。铣刀盘在 280内径上装有1 4组刀每组刀由5个刀片组成三个加工轴颈两个加工侧板面及台肩圆角。刀片采用螺钉夹紧刀片材料用碳化钨合金不重磨刀片每个刀片可重复使用46次。注：E刀片214=28 S刀片314=42注：如果被加工件材料42C rMcA则切削速度选为110mmin。（2）切削参数 主轴颈铣削 ：(1)右刀盘铣夹板面及P1连杆颈，左刀盘铣夹板面及M3主轴颈，M2处用专用中心架支撑。(2)主轴转速：125 rmin (3)铣削速度：110 mmin (4)进给量：0.2 mmz (5)铣削深度：4mm (6)铣削长度：402 mm (7)加工时间：80s(其中，切削时间75s，快进快退时间5s) 以此类推经过六次铣削，总加工时间为480s。假设装工件及卸工件时间各为30s那么此曲轴的加工节拍为540s即9分钟。5.2.6 磨主轴颈、连杆颈（1）工装设备设备：数控曲轴磨床, 夹具：定位瓦定位分度夹具，刀具：CBN砂轮高速磨轮。（2）磨削参数磨削速度：200 ms，工件转速：1000rmin以上，纵向进给速度：0.012 mms，径向切深：0.0020.2mm。 加工精度IT6，表面粗糙度Ra0.8。5.2.7曲轴连杆颈平行度尺寸分析与工艺控制在曲轴零件尺寸中有一个连杆颈中心平行度的尺寸要求。它的评价基准是曲轴第l和第4档主轴的中心线。在大众Ell3系列发动机中曲轴连杆颈中心的平行度为0.01 mm。连杆颈中心的平行度尺寸与曲轴的连杆颈磨削工艺密切相关，不同的磨削工艺对分析产生连杆颈中心平行度偏差的原因有直接影响，下面以采用偏心夹具曲轴磨削连杆颈工艺为例，对连杆颈中心平行度的偏差原因和工艺控制进行分析研究曲轴连杆颈中心平行度测量时，用三座标仪先测量第l档和第5档主轴颈的外圆，计算出一根中心连线，作为评价连杆颈中心线平行度的基准。然后对被评价的连杆颈用三座标仪测出左右两个截面和计算出连杆颈的实际中心线位置，并将该中心线延长到被评价的长度(如将连杆颈中心线平行度评价长度取25 mm)，取被评价中心线两端的坐标与主轴颈中心线进行比较，计算出被评价中心线两端坐标在连杆颈行程方向(Y向)和连杆颈对称度方向(z向)的坐标差值y ,x，连杆颈中心线平行度p2=y2 +x2如图7所示采用偏心夹具磨削连杆颈产生的连杆颈中心线平行度偏差其实质是磨削时2个定位主轴颈轴颈中心相对位置发生了偏差嘲，反映到可测量的工件尺寸上一个是两档连杆颈行程的差值，另一个是两档连杆颈对称度方向的差值(俗称扭度)。理解了连杆颈中心平行度偏差的形成原因和关系，可以通过在线可测量的连杆颈行程差值和扭度来间接评价连杆颈中心平行度尺寸。它们之间的评价关系见表2。表2,以第l、第4档连杆颈的行程差值和扭度来评价第l、第4档连杆颈的中心线平行度。 根据连杆颈中心线平行度测量结果，实际平行度值比理论计算值偏大，可能的因是，夹紧时工件的弹性变形和工件主轴颈跳动本身径向偏差造成的。 图7 连杆颈中心线平行度计算示意图连杆颈中心线平行度的间接评价方法1 4档连杆颈行程1 4档连杆颈扭度中心线平1mm0.0066实际差值换算差值实际差值换算差值0.050.00470.050.0047(注：换算系数取密削时两档连杆颈之间的间距和被评价连杆颈长度之比。如1、4档间距为264 mm被评价长度为25 mnl，则换算系数为26425=1056) 5.2.8钻细长油孔钻细长油孔使用的是专用钻床。此工序主要保证钻斜油孔的角度和它的进出口位置。细长油孔的作用是在轴颈与轴瓦相对运动时提供润滑油，如果油孔口偏移，那么进入轴瓦油道的润滑油减少，造成发动机整体燃油经济性下降，甚至有可能造成早期磨损，轴瓦抱死等严重事故。所以，在加工时首先要保证斜油孔的进口和出口位置，其次要保证细长油孔在轴颈方向不偏移，因此对细长油孔钻模应常予检查。（1）工装设备设备：枪钻曲轴斜油孔机床，刀具：YT15深孔钻头、刃顶角130、对刀精度：跳动量0.02mm，夹具：液压夹紧装置，润滑油：MF20T润滑油。（2）钻削参数主轴转速： n=3200rmin，切削速度：55.29mrain，进给：S =0.015mmr，进给速度：Sm =48mmmin。图8 曲轴斜油孔加工结构简图 图9 专用机床总图 1床身 2精密机械滑台3精密镗削头4受油气 5集屑箱 6刀具 7小滑台 8夹具5.2.9曲轴油孔加工艺参数曲轴油孔分布位置不同，产品图纸所给出的设计参数不同，因而曲轴油孔加工工艺参数的计算方法也就不同，但需要计算的项目，如用来确定钻头长度和行程长度的油孔实际长度s、入钻角、钻孔时钻头轴心线高度 h、用以保证图纸规定的油孔中心线处于水平状态的工艺垫高H还是相同的。油孔实际长度s 和入钻角的计算：图l0是曲轴油孔位置示意图。D与d分别为主轴和连杆轴径L为曲轴升程，L1 为两孔中心距离在曲轴轴线方向的投影，L2为油孔钻入点与主轴颈中心线之间的距离， Y为油孔中心与由轴轴线垂直平面的夹角。在图示坐标系中，油孔中心线的直线方程为：Y十y1= K (x1+x) (1)式中 K=1g (90。一 y)Y1= L2X1= (D 2) 2 一L22 1/2根据连杆轴颈圃的方程与油孔中心线方程即可求出油孔出口坐标B(x2 y2） 因此油孔在图l0坐标中长变为Sxy =(x1+x2) 2 +(y2+y1)2 21/2可知 油孔实际长度及入钻角S = (sxy2 + L12 )1/2 =1g-1 (sxy/L1)图10油孔实际长度及入钻角5.2.10油孔口倒角加工工艺（1)成形 用成形磨头倒角油孔外形； (2)去尖角 用另一个倒圆锥形的磨头去除油孔倒角与油孔相交处的锐边尖角。采用风动砂轮机，以不同的角度使磨头绕油孔的中心线转动，注意在改变角大小时不要抬起气动砂轮机以使磨头连续的磨削，使磨出来的倒角与油孔问的过渡近似圆弧过渡，圆弧公差0.05。 (3)抛光 用橡胶磨头对倒角和过渡圆弧进行抛光。橡胶磨头前端修出一定的锥度，锥度大小以能把砂布片压人油孔内一定深度，抛光时砂布接触到倒角与油孔的过渡圆弧面，以适当的压力用橡胶磨头将砂布片压人倒角内，并确保橡胶磨头高速旋转时能够带动砂布片旋转，如图11所示。 图11抛光5.2.11巴厘线的轴颈锥度测量与控制主轴颈巴厘线能够在高扭矩状态下，避免曲轴轴颈与轴瓦出现边角接触；连杆颈巴厘线则有益于动压油膜的建立。由于轴颈表面的巴厘线形状，对轴颈锥度的测量和控制提出了特殊要求，实际生产中测量主轴颈锥度的方法如图12。生产过程中要根据测量报告调整轴颈锥度，必须同时考虑轴颈两端的直径差值和巴厘线的高度。图12考虑巴厘线形状的主轴颈轴颈锥度评价6.曲轴圆角滚压工艺6.1 曲轴圆角滚压强化机理圆角滚压是提高曲轴疲劳强度和综合机械性能的重要手段之一，滚压强化机理是指曲轴经过圆角滚压后在各方面提高其疲劳寿命的理论。本文将从微观组织、表面质量和残余压应力强化机理三个方面进行阐。（1）微观组织机理曲轴在滚压过程中表层金属在滚轮的作用下会发生强烈的塑性形变。金属塑性变形的最基本方式是滑移，即一