工艺技术_曲轴加工工艺技术简介

曲轴加工工艺简介 主要内容 一 前言 如何进行工艺策划 二 曲轴的功能部分 控制失效风险1 曲轴的功用2 曲轴工作特点3 曲轴的材料三 曲轴实物加工部分 满足产品图纸1 加工工艺方法的确定2 曲轴加工基准选择的基本原则四 曲轴加工工艺路线的编制原则五 主要工艺介绍 图片 一 如何进行工艺策划 生产准备项目 主要输入 毛坯图纸 加工余量 毛坯缺陷 产品图纸 加工的内容 加工方法 产品设计基准等产品要求 生产纲领 生产节拍时间 生产方式 质量目标 自工程不良 后工程不良 工艺方案的评价原则质量 Quality 成本 Cost 交付 Day QCD的含义 QCD是日本汽车行业的俗语 类似中国汽车业质量 成本 交货期的说法 但含义范围上差异很大 日本的汽车公司都是跨国公司为了便于统一管理 很多管理制度 方法都是多种文字 使用了大量通用的英文单词缩写如 KPI ANPQP NPW GK TPM TQM等等 以后大家会看到很多 要逐步适应 Q是广义的质量 产品质量 工作质量 服务质量 开发质量 维修质量 管理质量 C是广义的成本 采购成本 内制成本 销售成本 物流成本 例采购成本不是简单的招标最低价而是供应商的六个方面23个视点来查成本改善活動的構面 再加上可发展的利润 D是时间也是广义的 同期生产 QCD部门 改善规划部 执行部 改善室 是个代名词 这是日产针对东风公司的问题点而特别定的机构名称 由于中日文化的差异 中方人员的理解存在很大的误解 QCD改善工作与我们现在理解的日常管理没有冲突但有交叉 最怕的是中国人的误解和扯皮 APQP与ANPQP的比较 先期产品质量策划 产品质量策划循环示意图 PDCA循环模式 计划 实施 检查 措施 持续改进 技术和概念开发 产品 过程开发和样件验证 产品和过程确认 计划和定义 过程设计和开发 产品设计和开发 产品和过程确认 反馈评定和纠正措施 多方论证同步工程预防缺陷持续改进 传统串行过程 并行 同步 过程 详细设计 编制工艺路线 编制加工工艺卡 NC编程 模具加工 生产制造 编制装配工艺卡 方案设计 方案设计 详细设计 编制工艺路线 编制装配工艺卡 编制加工工艺卡 NC编程 模具加工 生产制造 缩短总体开发时间 减少设计改进成本 增强产品优化效果 提高设计自动化程度 二 曲轴的功能部分 曲轴是发动机的五大件之一 曲轴是发动机最重要的机件之一 位于发动机的曲轴箱内 通过瓦盖紧固在气缸体曲轴承孔上 瓦盖用螺栓紧固在气缸体瓦盖结合面上 1 功能 曲轴与连杆配合将作用在活塞上的气体压力变为旋转的动力 传给底盘的传动机构 同时 驱动配气机构和其它辅助装置 如风扇 水泵 发电机 机油泵等 二 曲轴功能部分 2 曲轴工作特点 工作时 曲轴承受气体压力 惯性力及惯性力矩的作用 受力大而且受力复杂 并承受交变负荷的冲击作用 其次 由于连杆传来的力是周期性变化的 在某些瞬时还是冲击性的 上述这些周期作用着的力 还将引起曲轴的扭转振动而产生附加应力 曲轴的转速很高 它与轴承之间的相对滑动速度很大 为了保证工作可靠 要求曲轴具有足够的刚度和强度 良好的承受冲击载荷的能力以及耐磨损 润滑条件良好 为了提高疲劳强度 还经过特殊的处理 例如 淬火 滚压强化等独特的工艺措施 三 曲轴结构特点和主要技术要求 1 结构特点 曲轴由主轴颈 连杆轴颈 曲柄 平衡块 前端和后端等组成 曲轴前端装有正时齿轮 驱动风扇和水泵的皮带轮以及起动爪等 我厂生产的EQ6100 6102曲轴均为整体式结构 6102曲轴为附带整体后油封结构 3 曲轴的材料 曲轴的主要失效形式是疲劳断裂和轴颈严重磨损 其中弯曲疲劳断裂约占80 对曲轴的材料要求优良的综合机械性能高的抗疲劳能力 防止疲劳断裂良好的耐磨性常用的曲轴材料锻钢和球墨铸铁 曲轴常用材料根据发动机的工作状况 曲轴常用材料有 球墨铸铁 调质钢 非调质钢 对于汽油机曲轴 由于功率较小 曲轴毛坯一般采用球墨铸铁铸造而成 常用材料有 QT600 2 QT700 2 QT800 2 QT900 6 QT800 6 等温淬火球铁 ADI球铁 等 柴油机曲轴毛坯一般采用调质钢或非调质钢 调质钢常用材料有 45 40Cr或42CrMo 非调质钢常用材料有48MnV C38N2 38MnS6 近年来 随着汽车排放要求的升级和超载的限制 以及降低制造成本的需要 对车用柴油机而言 一方面非增压柴油机逐步减少 增压 增压中冷柴油机逐步增多 且多数在原机型上改进提高功率 但曲轴结构并无大的改进 另一方面又要求降低制造成本 为适应这种要求 我厂在曲轴材料选用和强化技术措施运用上与毛坯厂作了一些探索 试图制造出高可靠性和低成本的曲轴以适应整机和市场的要求 在材料的选用上力求以高强度高韧性的球墨铸铁或控温冷却的非调质钢 代替调质钢 但是目前我厂在球墨铸铁曲轴的使用上效果不是太理想 特别在中重型发动机曲轴上 目前我厂在中重型发动机上常用的曲轴材料为非调质钢 3 曲轴的材料 球铁曲轴的冷加工性比钢好 且成本只有钢曲轴的1 3采用球铁曲轴圆角滚压强化替代锻钢曲轴可以降低曲轴制造成本 控制失效的风险 采取的工艺手段 1 曲轴轴颈早期磨损轴颈淬火 回火 校直 探伤评价指标 淬硬表面硬度淬硬层深淬硬层内部的金相组织2 曲轴疲劳断裂铸件 车沉割槽 圆角滚压锻件 圆角淬火喷丸 提高曲轴整体疲劳强度的工艺方法 还有美化外观的作用 评价指标 圆角的大小圆角的成型性圆角表面的粗糙度3 曲轴震动 异响 噪音 控制曲轴动不平衡量 动平衡工艺 几何中心与质量中心孔 硬化层深与疲劳强度要求 三 曲轴实物加工部分 1 识图 读图 画图加工表面与不加工表面对加工表面进行分类 如 外圆 孔 平面等 2 各种加工表面的加工方法以及经济精度和表面粗糙度 确定最终加工方法 3 加工余量的合理分配 曲轴加工的难点 1 连杆颈与主轴颈不在同一回转中心线上2 连杆颈16 25 34有120 相位角要求 曲轴一般由主轴颈 连杆轴颈 曲柄 平衡块 前端和后端等组成 一个主轴颈 一个连杆轴颈和一个曲柄组成了一个曲拐 曲轴的曲拐数目等于气缸数 直列式发动机 V型发动机曲轴的曲拐数等于气缸数的一半 下图为dCi11曲轴图片 7个主轴颈 曲轴后端油封轴颈 曲轴前端正时齿轮 6个连杆颈 8个平衡块 硅油扭震减振器具有更好的减振特性 与曲轴通过四个螺栓相连 扭震减振器总成 dCi11曲轴前端 与曲轴相连为 扭震减震器总成 飞轮上除齿圈外 还加工有信号盘 60 2 为整机提供转速信号 为保证可靠联接 通过12个M16螺栓与曲轴相连 一轴轴承 dCi11曲轴后端 与曲轴相连为 飞轮总成 曲轴实物加工方法的确定 外圆 主轴颈 连杆颈 齿轮轴颈 皮带轮轴颈 法兰 油封等加工方法 车铣磨抛光孔 油孔 钻两端螺孔 钻 扩6个螺栓底孔攻6个螺栓孔螺纹轴承孔 钻 扩 铰工艺孔 钻 铰平衡块 车侧面键槽 铣削 三 曲轴实物加工部分 49厂现有曲轴产品技术参数 参考 2 曲轴加工基准选择的基本原则 直列式发动机曲轴加工基准选择的基本原则 根据设计基准选择加工基准 径向基准 直列式采用全支承结构加工的径向基准选择两端的主轴颈 No1 7主轴颈中心连线 两中心孔的连线 轴向基准 曲轴为了防止轴向力作用而发生轴向窜动 采用止推结构加工的轴向基准选择止推面 角向基准 发动机的发火次序1 5 3 6 2 4加工的角向基准选择NO1连杆轴颈粗加工连杆颈采用铣角向定位面或定位凸台 四 曲轴加工工艺路线编制原则 先粗后精先基准后其他先面后孔先主要表面后次要表面 外圆粗加工阶段 其他表面的加工 外圆精加工阶段 粗基准的加工 精基准的加工 先加工主轴颈 再加工连杆颈 工艺路线编制示例 6102曲轴 铣端面打中心孔 径向基准 粗磨第四主轴颈 轴向基准 粗精车所有主轴颈及同轴轴颈 铣角向定位面 角向基准 车平衡块侧面钻直斜油孔车沉割槽 铸 滚压 铸 淬火回火校直探伤喷丸 钻铰工艺孔 角向基准 半精磨No1 7主轴颈 径向基准 精磨第四主轴颈 轴向基准 精磨所有主轴颈及同轴轴颈 精磨所有连杆颈 两端孔加工铣键槽 动平衡 抛光 清洗防锈 包装发运 粗精车所有连杆颈 典型零件工艺流程介绍 EQ6100曲轴工艺流程零件号 10C 05020B材料 QT700 2毛坯重 50kg成品重 43kg DCI11曲轴加工工艺流程介绍 10 车削1 4 7主轴颈及两端轴颈 0J 毛坯检查 20 铣削2 3 5 6主轴颈 全部连杆轴颈及两侧夹板面 30 打标记 40 钻主轴颈上油孔 50 钻连杆轴颈上油孔 60 油孔倒角 70 去毛刺 80 清洗 90 主轴颈及圆角淬火 连杆颈及圆角淬火 100 回火 110 探伤 120 修整中心孔 两端螺纹孔加工 130 去毛刺 粗抛光油孔口 140 磨两端轴颈 5 DCI11曲轴加工工艺流程 2 140J 中间检查 150 磨全部主轴颈 150J 中间检查 160 磨全部连杆颈 160J 中间检查 170 清洗 180 曲轴油孔口抛光 190 铣键槽 200 探伤 210 曲轴动平衡 220 吹净螺孔内铁屑 去除去重孔边缘毛刺 230 抛光 230J 中间检查 240 返修 250 刷 吹油孔 260 清洗曲轴油孔 外表 270 吹风 280 防锈 280J 终检 290 齿轮加热 300 齿轮装配 五 曲轴主要加工工艺 曲轴的粗加工 一 传统车削缺点 1 由于曲轴毛坯的加工余量比较大 在车削曲柄端面时是一种断续切削 高速切削时冲击力特别大 且曲轴的刚性差 易引起振动2 曲轴车削时 常采用大宽度的成型车刀多刀切入的方法 这种方法解决了生产率低的问题 但在切削时使工件承受很大的切削力 容易产生变形而影响加工精度3 在车削6缸机曲轴时 常采用中间传动的方式 使得工件装卸不方便 加工各档轴颈刀架及刀具位置需要分别调整 因此更换品种时 重新调整工作量大 五 主要加工工艺 粗加工 二 曲轴的铣削为克服传统车削的缺点而开发出曲轴的铣削设备 分为外铣和内铣 主要特点 1 设备刚性好 能很好地适应断续切削 生产效率高2 能对加工部位进行精度补偿3 产生的铁屑较细小4 刀具费用较高 需要配套设备 投资大5 有一定的柔性 刀具调整较方便 迅速 一 轴颈粗加工 EQD6102曲轴轴颈粗加工加工工艺为 粗车第4主轴颈 粗磨第4主轴颈 粗车曲轴主轴颈及同轴轴颈 半精车曲轴主轴颈及同轴轴颈 精车第1 3 5 7主轴颈 铣连杆颈角向定位面 车连杆颈 具体采用的设备及定位方式如下 粗车第4主轴颈 粗磨第4主轴颈 粗车曲轴主轴颈及同轴轴颈半精车曲轴主轴颈及同轴轴颈 精车第1 3 5 7主轴颈 铣连杆颈角向定位面 车连杆轴颈 多刀车削 一次车削成形 采用与曲轴形状相同的靠模轴 对连杆颈进行跟踪车削 dCi11曲轴轴颈粗加工加工工艺为 车削第1 4 7主轴颈及两端轴颈 铣削2 3 5 6主轴颈及全部连杆颈 具体采用的设备及定位方式如下 车削第1 4 7主轴颈及两端轴颈数控车床 该数控车为双刀盘双主轴 本道工序采用CNC单刀车削工艺 代替了我们一直使用的多刀车削工艺 不但加工质量有了很大的提升 而且优化了工艺流程 以前的多刀车削工艺需要多台机床 目前只需一台数控车就能完成所有轴颈的加工 为了更好地控制半长和避免数控车因曲轴毛坯轴向不稳打刀 数控车采用了RENISHAW测头 测量后根据零件半长进行自动偏置 为了避免换刀后首件进行人工对刀 数控车采用RENISHAW自动对刀装置 换刀后进行自动对刀 避免人工对刀 节约了时间 铣削2 3 5 6主轴颈及全部连杆颈 内铣 铣削第2 3主轴颈及全部连杆颈 内铣 小松 五 主要加工工艺 曲轴深油孔的加工 曲轴上的深油孔是典型的斜长孔 加工难度大 传统的加工方法是采用高速钢深孔麻花钻加工 加工精度低 效率低 容易断钻头 二 油孔加工 EQD6102曲轴油孔加工工艺为 钻连杆颈上直油孔 摇臂钻 钻1 2 6 7主轴颈上斜油孔 组合机 钻3 5主轴颈上斜油孔 具体采用的设备及定位方式如下 钻直油孔摇臂钻 钻1 2 6 7主轴颈上斜油孔组合机 dCi11曲轴油孔加工工艺为 钻直油孔 枪钻 钻斜油孔 枪钻 油孔口倒角 台钻 具体采用的设备及定位方式如下 钻直油孔钻斜油孔枪钻 偏心枪钻钻头 采用内冷高压油冷却 内冷压力为60公斤 每转0 02 0 03mm 4H曲轴油孔加工工艺为 钻直油孔 斜油孔及全部油孔口倒角具体采用的设备及定位方式如下 钻直油孔 斜油孔及全部油孔口倒角MQL技术麻花钻 麻花钻 采用微量润滑冷却 每转0 2mm 油孔加工工艺总结 油孔加工最早采用摇臂钻加工 内壁质量较差 刀具寿命较低 设备柔性太差 无法满足大批量加工需求 后逐渐被组合机代替 虽说可以满足大批量生产需求 但是刀具寿命也相对较低 设备柔性较差 随着发动机排放要求的提高 对油孔内壁粗糙度要求越来越高 目前已逐渐被枪钻和MQL技术麻花钻代替 枪钻机床是一种深孔加工机床 在机床结构上与传统的钻镗类组合机床有很大的区别 具有自己的特点 如刀具切削时独特的受力形式 排屑方法 对机床和切削液的特殊要求等等 枪钻机床用来加工深孔加工深度一般可以做到枪钻直径的100倍 采取措施以后可以达到直径的200倍以上 另外枪钻加工可以达到的精度很高 视不同的被加工材料和选用不同的切削用量可以一次加工出精度很高的孔 孔径精度可以达到IT7以上 粗糙度可以达到Ra6 3 RaO 4 直线度最高可以达到0 1 1000 由于枪钻的这些特点 因此现代枪钻机床不但用来加工深孔 也经常用来加工有精度要求的精密浅孔 一次加工出精度很高的浅孔 取代传统的钻扩铰加工工艺 经常可以解决钻扩铰工艺不能解决的难题 要使枪钻这种加工工艺能得以实现 有三个必要条件 第一要有合格的枪钻刀具 第二要有符合枪钻特殊要求的机床 第三要有符合枪钻加工的特殊要求的切削液 这三个条件缺一不可 虽说枪钻有很多优点 但相应也有很多缺点 如效率低 对机床和刀具要求较高 刀具寿命较低 内冷油消耗大 目前油孔加工越来越多的采用MQL技术麻花钻机床 该机床内壁粗糙度没有枪钻高 但仍满足目前的技术要求 该机床效率为枪钻的10倍 刀具寿命高 设备柔性好 五 主要加工工艺 校直及强化工艺 在加工的最后阶段 为保证产品规定的跳动要求 增加了冷校直工序 特点 1 发动机工作时热和振动的作用 恢复大 对轴瓦工作不利2 主轴颈和连杆轴经过圆角强化后在进行冷校 对曲轴疲劳强度有害3 球铁曲轴在冷校中 容易产生断裂性内伤 会导致早期断裂 强化工艺 EQD6102曲轴强化工艺为 连杆颈中频淬火 发电机组淬火机 主轴颈中频淬火 连杆颈滚压 主轴颈滚压 轴颈变形检测 滚压校直 具体采用的设备及定位方式如下 主轴颈及连杆颈淬火发电机组淬火机 主轴颈及连杆颈圆角滚压圆角滚压机床 圆角滚压测量 dCi11曲轴强化工艺为 轴颈及圆角淬火 IGBT电源EFD淬火机 回火 不采用热校直 具体采用的设备及定位方式如下 主轴颈 连杆颈轴颈及圆角淬火EFD淬火机 IGBT电源 回火回火炉 不采用热校直 曲轴自由摆放 4H曲轴强化工艺为 轴颈及圆角淬火 可控硅电源淬火机 回火 采用热校直 具体采用的设备及定位方式如下 主轴颈 连杆颈轴颈及圆角淬火淬火机 可控硅电源 回火回火炉 采用热校直 曲轴自由摆放 五 主要加工工艺 磨加工 磨削顺序与加工质量 磨削顺序的选择是考虑先磨主轴颈还是先磨连杆轴颈 这没有绝对定论1 主轴颈磨削 连杆颈磨削存在问题 因为连杆颈磨削造成的应力释放 使主轴颈跳动超差 不好控制2 连杆颈磨削 主轴颈磨削存在问题 基准的转换造成曲柄半径的超差 不好控制 增加设备随着轴颈粗加工和淬火技术的发展 提高 磨削余量大为减小 一方面 磨削变形和磨削应力小 另一方面 轴颈精磨一次成形 取消半精磨 工艺简化 磨削裂纹烧伤 特别是宽止推面磨削 主轴跳动 连杆颈对主轴颈位置精度 外圆跳动曲柄半径平行度等 更是磨削工艺设计考虑的重点 五 主要加工工艺 磨加工 从制造工艺上讲 只要连杆颈磨削力对曲轴变形的影响控制在主轴跳动承受范围内 先磨主轴颈后磨连杆颈 是工艺简洁 投资少的优化工艺 对制造流程来说 纯粹用于加工工艺定位用的工序是非增值行为 应该减少或杜绝 五 主要加工工艺 止推面的磨削 止推面为两个圆环面 技术要求较高 开档公差为0 04 0 15mm的范围 止推面高度一般在7 30mm的范围 且要求与主轴颈轴线垂直 传统磨削方法是切入磨 砂轮消耗非常大 容易烧伤 圆角不成型 垂直度不易保证 质量不稳定 加工成本高 6B 6C曲轴采用减小和稳定止推面磨削余量的办法 来提高稳定性DCI11曲轴采用CBN砂轮磨削 保证止推面加工的质量 精加工 EQD6102曲轴精加工工艺为 精磨第4主轴颈 精磨第1 7主轴颈 精磨皮带轮 齿轮轴颈 精磨油封轴颈 精磨第2 3 5 6主轴颈 精磨连杆颈 具体采用的设备及定位方式如下 精磨第4主轴颈双砂轮架磨床 H088P 精磨第1 7主轴颈双砂轮架磨床 H088P 精磨皮带轮 齿轮轴颈曲轴主轴颈磨床 M8260A 精磨油封轴颈外圆磨床 MQ1350A 精磨第2 3 5 6主轴颈曲轴主轴颈跳档磨床 4R 精磨连杆颈曲轴连杆颈磨床 5R dCi11曲轴精加工工艺为 磨削全部主轴颈 磨削全部连杆颈 磨削两端轴颈 具体采用的设备及定位方式如下 磨削全部主轴颈数控主轴颈磨床 磨削全部连杆颈数控连杆颈磨床 4H曲轴精加工工艺为 磨削全部主轴颈 磨削全部连杆颈 磨削后油封轴颈 磨削齿轮及前油封轴颈 具体采用的设备及定位方式如下 磨削全部主轴颈数控主轴颈磨床 磨削全部主轴颈数控连杆颈磨床 五 主要加工工艺 曲轴两端孔系的加工 一 曲轴中心孔的修理随着发动机朝着柴油化 大马力的方向发展 作为发动机的心脏 曲轴的品种越来越大型化 重型化 而且精度要求也越来越高 曲轴是以两端孔定位的轴类零件 工件两端中心孔的几何形状误差在加工过程中都会反映到轴颈表面上去 因此 毛坯表面粗糙度和形状误差大 粗加工中造成的中心孔损伤变形等等这些因素都要求在磨削前对中心孔进行修理 中心孔的修正还能够控制磨削前的跳动误差在合理的范围内 大型六缸机曲轴采用中心孔修正工艺 能稳定和提高磨削质量 优化曲轴工艺 6B曲轴首先使用 其次在6C DCi11曲轴工艺中得以应用和推广 五 主要加工工艺 曲轴两端孔系的加工 二 曲轴螺纹孔系的加工曲轴工艺要考虑优化孔系的加工 传统孔系加工工序长 需要设备数量多 由于孔系加工多安排在精磨轴颈后 多次装卸和加工易造成轴颈表面划伤 影响成品质量 现6C和DCI曲轴已经将该工序进行改进 两端孔孔加工 EQD6102曲轴两端孔加工工艺为 钻铰定位销孔 钻铰组合机 钻两端孔 组合机 扩小端孔和钻6个螺纹底孔 组合机 攻M27螺纹和扩6个螺纹底孔 组合机 攻6个螺纹孔 摇臂钻 具体采用的设备及定位方式如下 钻铰定位销孔钻铰组合机 扩小端孔和钻6个螺纹底孔组合机 攻M27螺纹和扩6个螺纹底孔组合机 攻6个螺纹孔摇臂钻 dCi11曲轴两端孔加工采用加工中心 两端孔的钻 铰 攻丝在同一台加工中心上加工 避免加工时的重复定位误差 位置度保证质量高 在磨削前进行加工 避免了轴颈的磕碰伤 具体采用的设备及定位方式如下 4H曲轴两端孔