曲轴加工工艺讲解.ppt

曲轴加工工艺分析 一拖 洛阳 柴油机公司2013年07月08日 1 大家好 欢迎到千年帝都 牡丹花城 洛阳来作客 洛阳是国务院首批公布的历史文化名城之一洛阳是 丝绸之路 起始点之一洛阳是中国历史上唯一被命名为 神都 的城市洛阳是中国历史上建都时间最早 建都时间最长的城市洛阳是中国优秀旅游城市和 感动世界的中国品牌城市 洛阳是中国重工业城市之一 13 二 曲轴的功能 三 曲轴加工工艺浅析 四 典型的曲轴失效形式及分析 一 一 发动机概述 一 发动机概述 1 发动机概述 内燃机是将燃料在其燃烧室中燃烧产生的热量直接转化为机械能的一种动力机械 2 发动机分类 从所用燃料分 汽油机 柴油机 天然气发动机 双燃料发动机从着火方式分 压燃式 点燃式从冲程数分 四冲程 二冲程从汽缸冷却方式分 水冷 风冷从增压程度分 自然吸气 增压 增压中冷 水空中冷及空空中冷 从汽缸排列方式分 直列式 V型从混合气准备方式分 化油器式 直喷式从用途分 拖拉机用 汽车用 工程机械用 船用 发电机组用 3 柴油机基本构成 1 机体和气缸盖2 曲柄连杆机构 3 配气机构4 供给系统 包括燃料供给系统和进 排气系统 润滑系统 冷却系统 启动装置5 增压系统 对于增压机 3 1机体和气缸盖 缸体 内燃机的骨架 内燃机所有零件几乎都要装在它上面 缸盖 密封汽缸上平面 并与汽缸和活塞组成燃烧室 3 2曲柄连杆机构简图 往复活塞式内燃机的的主要工作机构 它承受燃料燃烧时产生的气体力 并将此传递给曲轴对外输出做功 同时将活塞的往复运动转变为曲轴的旋转运动 是实现热功转换的主要机构 21 3 3配气机构简图 按照内燃机工作循环要求 保证新鲜空气或可燃混合气体适时充入汽缸 并将燃烧后的废气及时排出 3 4 1燃料供给系统 3 4 2进 排气系统 3 4 3润滑系统 减磨 冷却 清洗 密封 防锈 3 4 4冷却系统 3 4 5启动系统 启动系统包括 电瓶 导线 启动电机 3 4 6增压系统介绍 增压是在没有增加柴油机的排量和转速的情况下 提高动力性 经济性和降低排放的有效手段 也是柴油机的发展趋势 在高原地区 由于空气稀薄 非增压机的功率就会明显下降 增压器在高原运行时随着海拔高度的升高 其转速也会升高 增压压力就会升高 而增压机由于这些自身的调节 功率不会明显下降 二 曲轴的功能 1 曲轴概述及组成 1 1曲轴是活塞式发动机中的一个重要零件 用来将活塞的往复运动转变为旋转运动 承受冲击载荷 并且对外输出功率 曲轴和连杆 活塞等一起组成曲柄连杆机构 发动机工作时 活塞向下的推力 经连杆传到曲轴 由曲轴将活塞的往复运到变为曲轴绕其本身轴线的旋转运动 并向外输出功率 经传动系驱动汽车或拖拉机 曲轴在使用中的磨损是决定发动机是否需要大修的一个主要因素 如果曲轴质量没有保证 将严重影响整机的寿命 因此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 其中曲轴机械加工不仅影响曲轴质量 而且还与生产率和成本等有密切关系 1 2 曲轴的组成 1 曲轴前端 小头 2 由连杆轴颈 曲柄臂及主轴颈组成的曲拐3 曲轴后端 法兰 三 曲轴加工工艺浅析 一 定位基准的选择1 粗基准的选择曲轴的毛坯一般呈弯曲状态 为了保证两端中心孔都能钻在两端面的几何中心上 粗基准选择靠近两端的轴颈 1 5主轴颈 轴向定位基准一般选择中间主轴颈两边的曲柄 因为中间主轴颈两边的曲柄处于曲轴的中间部位 用作粗基准可以减小其它曲柄的位置误差 2 精基准的选择曲轴与一般的轴类零件相同 最重要的精基准是中心孔 曲轴轴向的精基准一般选取止推面 曲轴径向定位一般选取平衡块的定位平台或法兰上的定位孔 二 曲轴工艺性分析2 1质量中心孔及几何中心孔的选用 如果毛坯质量好 留有的加工余量小 且加工余量分布均匀 曲轴的质量中心基本上与几何中心重合 则不必花费较高的经费购置定心设备 而选用几何中心孔 节省昂贵的质量定心设备投资 目前西欧各国对于质量良好的毛坯 经多年实践验证 推荐采用几何中心孔 如果毛坯质量较差 毛坯加工的余量大 而且余量分布不均匀 则优先选用钻质量中心孔 因初始不平衡量较大 如果钻几何中心孔 质量分布的不均匀 使转动惯量较大 易损害加工设备精度 再则 在进行精平衡时 动平衡机对上机允许平衡的初始不平衡量有一定要求 超过规定要求的不能进行平衡 为了达到平衡精度要求 因此 也必须选用质量定心 进行第一次动平衡 控制初始不平衡量 在精平衡时才能经动平衡去重检测合格 2 2曲轴粗加工曲轴粗加工工艺从设备出现的先后历经了单刀车 多刀成型车 外铣 内铣 车拉 车车拉 高速随动外铣 复合加工工艺 由于外铣 内铣 车拉 车车拉 高速随动外铣是多个刀片交替进行加工 并且为小片状切屑 可产生较小的径向切削力 有效的减小了曲轴粗加工的切削变形 变形量大的多刀成型车逐渐淘汰 通常曲轴长度在在700mm以下时采用车车拉 外铣工艺居多 曲轴长度在700mm以上时多采用外铣或内铣曲轴主轴颈和连杆轴颈工艺 毛坯余量的大小也是选择铣削或车拉 车车拉工艺的依据之一 毛坯余量大 通常 5mm 单边余量 常采用外铣或内铣工艺 毛坯质量好 余量 3mm 单边余量 常采用车拉 车车拉工艺 曲轴粗加工也可以先进行内铣 或外铣 主轴颈和连杆轴颈 去除大部分余量 释放应力再进行车车拉主轴颈和连杆轴颈 这样对减小曲轴的粗加工变形更为有利 经过车车拉后 曲轴相当于进行了粗磨 获得了较高的轴向尺寸和轴颈尺寸精度 以下就曲轴粗加工各类工艺优缺点及适用范围列表 在曲轴粗加工工艺确定时以作参考 表2 1曲轴粗加工工艺比较表 续表2 1曲轴粗加工工艺比较表 2 3磨削工艺曲轴粗磨主轴颈是为了消除车削主轴颈产生的应力弯曲 提高轴颈尺寸精度以给加工连杆颈提供好的定位和支承 半精磨主轴颈主要是为了消除热处理产生的应力弯曲 给曲轴其它部分及连杆颈加工提供好的定位和支承 精磨主轴颈是保证曲轴主轴颈尺寸精度 形位公差的关键 同时为连杆颈精磨提供良好定位 连杆颈的磨削分为粗磨和精磨 连杆颈的尺寸精度 形位公差是靠连杆颈精磨工序来保证的 连杆颈的精磨工序是曲轴生产中保证曲轴质量的最重要工序 曲轴是否粗磨或半精磨与曲轴粗加工工艺选择和曲轴自身精度要求有较大关系 国内磨削工艺一般分为粗磨 精磨 国外曲轴加工 大多数厂家都是一次精磨到位 而在我国曲轴的技术条件中 中间主轴颈对1 7主轴颈的跳动要求十分严格 以6缸机为例 通常为0 02 0 03mm 感应淬火曲轴 或0 05mm 软氮化曲轴 这就对曲轴主轴颈加工的要求更加严格 以钢质曲轴为例 经中频感应淬火后进行圆角滚压并校直 通常使跳动量控制在0 15 0 20mm之间 经重新修整中心孔后 使其跳动量控制在0 075 0 10mm之间 通常跳动量超过0 08mm 一次磨削就难以达到0 025 0 03mm跳动量要求 如果增加一次半精磨 粗磨 使其跳动量控制在0 05 0 08mm范围内 再经一次精磨可以稳定控制其中间主轴颈对1 7主轴颈跳动量要求 相对而言 4缸机曲轴加工情况要好一些 可以省略半精磨主轴颈工序 直接精磨 曲轴主轴颈 连杆轴颈的精磨是曲轴精加工工序 是保证质量关键工序 由于CNC技术的推广应用 曲轴主轴颈和连杆轴颈磨床技术进步很快 广泛采用了带砂轮自动动平衡 自动修整砂轮 自动测量和自动补偿技术 中心架自动跟踪技术 随着磨削轴颈尺寸的减小 中心架跟踪支撑在相对应的磨削轴颈上 减少曲轴磨削变形 恒线速功能的CNC主轴颈和连杆轴颈磨床 可避免曲轴磨削烧伤 有效控制曲轴磨削变形 从而保证曲轴主轴颈和连杆轴颈的圆度 0 005mm 圆柱度 0 005mm 中间主轴颈对两端主轴颈跳动 0 03mm 六缸机 0 02mm 四缸机 关于主轴颈 连杆颈 大小头或连杆颈 主轴颈 大小头两种磨削顺序 应由加工精度要求来确定 前者利于保证曲轴偏心距的尺寸精度 后者利于轴颈跳动量的保证 2 4 1四缸机锻钢曲轴的典型工艺 2 4 2六缸机锻钢 热模锻 曲轴的典型工艺 续2 4 2六缸机锻钢 热模锻 曲轴的典型工艺 续2 4 2六缸机锻钢 热模锻 曲轴的典型工艺 2 5工序分析 1 铣端面工序有两个作用 保证曲轴的总长 保证中心孔的质量 若端面不平 则中心钻上两个切削刃的受力不均 钻头引偏而折断 这也是 先面后孔 原则的具体应用 2 中心孔的重要性 中心孔除影响曲轴的质量分布外 它的重要性还在于它是曲轴加工的重要精基准 直接影响曲轴的加工精度 因此中心孔必须满足其质量要求 但工件经过粗加工后 中心孔的精度往往不可避免地受到影响 所以在精加工之前 必须对中心孔进行修研 确保符合其技术要求 可用油石或橡胶砂轮修研 3 精车或滚压止推面 止推颈是加工长度尺寸的一个基准 其两侧扇板的厚度应分均匀 否则极易使整根曲轴的轴向尺寸发生偏移 即单边 致使曲轴各扇板厚度不一而致废 4 因曲轴刚度差 故车主轴颈的工序 采用前后刀架同时横向进给一次加工成型的机床 必须注意刀排分布应合理 车刀应常换常磨 进刀量应适中 5 加工法兰孔 小端孔 法兰孔太深会影响第七主轴颈及法兰的强度 太浅会影响内装黄油的空间和装轴承的轴向位置 小头是与起动爪相连 传递大力矩 所以首先要保证小头的有效深度 其次小头孔倒角应圆整光滑 角度正确 保证精磨小头时外圆跳动合格 否则就应重新精修小头孔倒角 6 铣定位面 为了使车连颈时角度分布均匀 按照铸造毛坯六缸曲轴的角度均布原理去掉铸造余量 故必须铣好定位面 不论定位面向那边有所偏移 都会严重改变铸件曲轴工序余量的均匀分布 严重偏移的致使连颈加工不足而致废 7 磁粉探伤 国家颁布的 曲轴技术条件 明确规定 每根曲轴必须经磁力探伤并且执行严格的磁力探伤标准 它是曲轴加工过程中唯一可较直观地检查曲轴浅表层质量的工序 注意探伤后曲轴必须退磁 8 钻直油孔和斜油孔 此工序主要保证钻斜油孔的角度和它的进出口位置 斜油道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直油道与斜油道交接口足够大 其次要保证直油道在轴颈方向不偏移 9 精磨主轴颈 把两顶尖孔倒角处抹干净 去掉砂粒 油泥 确保加工基准 中心孔的精度 必要时修研 精磨开始前 要提前启动机床 使砂轮运转一定时间后 利用修整器把砂轮的厚度和圆弧修整 砂轮的圆周表面要修细致 否则不能保证磨削后轴颈的粗糙度而形成螺旋纹印 因为曲轴较长 必须用中心架作为一个辅助支撑 进入精磨后 先磨一个轴颈至合适尺寸 留至比成型尺寸大0 1 0 2mm 使支中心架有一个合适的基准面 为了使整根曲轴在加工运转时的刚性和紧固性增强 可采用V型夹具来装夹曲轴主颈一 主颈七位置 测量时 应千分尺和表架上的千分表结合起来使用 10 小头精磨一般单独安排一道工序 此工序主要是小头跳动和小头长度尺寸易超差 加工前应先用百分表检查主颈一跳动 若超差 则应重新修正小头中心孔倒角 直到跳动合格 11 键槽的对称度是从两个方面要求 一是对连1轴颈中心线的对称度 二是对主轴颈的对称度 对称度是通过调动V型夹具和定位销来保证的 12 油孔口抛光 因为如果油孔口有毛刺 则会刮伤轴瓦 造成早期拉毛现象 如果油孔口有尖角 则曲轴运转时应力集中形成裂纹影响其使用寿命 特别是如果主油道口与斜油道口交接处过渡不圆整 粗糙度低 更容易形成应力集中 13 随着技术的发展 曲轴动不平衡的要求越来越严格 动不平衡量越小 曲轴工作时运转越平稳 噪音越小 磨损越少 寿命越长 三 曲轴部分加工设备简介3 1车车拉机床车车拉设备一次设定能完成所有同心圆的车削 并在同一台机床上完成车及车拉加工 加工效率高 通过使用特殊卡盘和刀具系统还能实现柔性加工 且机床保养简便维护成本也较低 特别适用于平衡块侧面不需加工 轴颈有沉割槽的曲轴 其中拉削工艺可用高效的梳刀车削工艺代替 梳刀加工通常放到该工序的最后工步 通过微量的径向进给和纵向车削实现高速精加工 3 2高速随动外铣90年代中期又开发出CNC高速外铣 对平衡块侧面需加工的曲轴 生产效率是最高 另外 CNC车车拉工艺加工连杆轴颈要二道工序 CNC高速随动外铣只要一道工序就能完成 连杆轴颈偏心尺寸精度也很高 所以CNC高速外铣将是曲轴主轴颈和连杆轴颈粗加工的发展方向 现介绍一款型号为VDF315OM 4的高速随动外铣床 该机床是德国BOEHRINGER公司专为汽车发动机曲轴设计制造的柔性数控铣床 该设备应用工件回转和铣刀进给伺服连动控制技术 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 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450 700mm 回转直径在380mm以内的各种曲轴 连杆轴颈直径误差为 0 02mm 3 3曲轴复合加工设备进入21世纪以后 复合加工工艺已进入曲轴制造业中 奥地利WFL公司生产的卧式车铣复合加工中心具有一定的代表性 WFL公司提出了 一次装夹 完全加工 的概念 如M40G车铣中心集成了双主轴车削中心 五轴加工中心 深孔镗 铣 钻和三坐标功能于一身 在一台具有双主轴的车铣复合加工中心上可以对曲轴主轴颈和连杆轴颈 油孔 大 小头进行完全加工 加工后的曲轴可直接转入精加工工序 该机床尤其适合大型曲轴的生产 3 4CNC曲轴磨床以德国JUNKER公司的摆动跟踪系列磨床为例 该设备采用了用于高速加工的CBN砂轮和使用油冷却曲轴的组合 适用于加工汽车发动机曲轴 质量可靠 主要性能有 在加工过程中检测并修正轴颈圆度和尺寸 带有 学习功能 的控制系统 附加对圆度偏差和干扰量的自动补偿 可进行补偿的干扰量是温度 机械及动力影响 磨削余量的变化 材料以及金相结构的变化 砂轮的可切削性 机床的磨损状况 磨削主轴颈和连杆轴颈一次装夹 理论上的偏差为零 切入式磨削及摆动式磨削 对 敏感工件 的支撑 在主轴上采用自动对中心的三点式中心架 CNC控制的冷却剂供给保障了磨削区域的持久用量 采用静压圆型导轨 无爬行现象 确保持久的高精确度 X轴导轨 进给丝杠 止推轴承 减震抗扭转床身 使用矿物的合成材料浇注而成 具有良好的吸震抗弯功能 砂轮轴适用于高达140m s的磨削 型号为 JUCRANK6000 50 50 的数控曲轴磨床具有四片CBN砂轮 每片均可独立磨削 一次装夹可磨削全部主轴颈和连杆颈 以美国LANDIS曲轴主轴颈 连杆颈磨床为例 当磨削余量双边0 5 0 75mm时 精磨后可以达到 圆度0 004mm 圆柱度0 005mm 表面粗糙度Ra0 63 0 4 轴颈 Ra0 8 0 63 圆角 止推面 中间主轴颈对1 7主轴颈跳动 当上磨床前达到 0 08mm 精磨后可达到0 025 0 03mm 随着CBN高速磨削在曲轴加工中的应用 在2分钟内可以完成四缸机曲轴主轴颈 四个连杆轴颈的粗磨 在CBN刀具成本降低以后 将来会出现以磨代替其他粗加工工艺的新局面 在曲轴加工设备方面 目前国内一些机床生产厂家相继开发出了CNC控制的曲轴主轴颈和连杆轴颈磨床 高速曲轴外铣床 曲轴车车拉机床 专用曲轴加工机床等 并已投放市场 随着国产曲轴设备稳定性和可靠性的提高 将为我国生产出价廉物美的曲轴作出贡献 四 曲轴机加工发展方向随着我国数控机床的不断增加 曲轴粗加工将广泛采用数控车床 数控内铣床 数控车拉床等先进设备对主轴颈 连杆轴颈进行数控车削 内铣削 车 拉削加工 以有效减少曲轴加工的变形量 曲轴精加工将广泛采用CNC控制的曲轴磨床对其轴颈进行精磨加工 此种磨床将配备砂轮自动动平衡装置 中心架自动跟踪装置 自动测量 自动补偿装置 砂轮自动修整 恒线速度等功能要求 以保证磨削质量的稳定 为满足曲轴日益提高的加工要求 对曲轴磨床提出了很高的要求 现代曲轴磨床除了要有很高的静态 动态刚度和很高的加工精度外 还要求有很高的磨削效率和更多的柔性 近年来 更要求曲轴磨床具有稳定的加工精度 为此 对曲轴磨床的工序能力系数规定了Cp 1 67 这意味着要求曲轴磨床的实际加工公差要比曲轴给定的公差小一半 随着现代驱动和控制技术 测量控制 CBN 立方氮化硼 砂轮和先进的机床部件的应用 为曲轴磨床的高精度 高效磨削加工创造了条件 一种称之为连杆颈随动磨削的工艺 正是体现了这些新技术综合应用的具体成果 这种随动磨削工艺可显著地提高曲轴连杆颈的磨削效率 加工精度和加工柔性 在对连杆颈进行随动磨削时 曲轴以主轴颈为轴线进行旋转 并在一次装夹下磨削所有连杆颈 在磨削过程中 磨头实现往复摆动进给 跟踪着偏心回转的连杆颈进行磨削加工 要实现随动磨削 X轴除了必须具有高的动态性能外 还必须具有足够的跟踪精度 以确保连杆颈所要求的形状公差 CBN砂轮的应用是实现连杆颈随动磨削的重要条件 由于CBN砂轮耐磨性高 在磨削过程中砂轮的直径几乎是不变的 一次修整可磨削600 800条曲轴 CBN砂轮还可以采用很高的磨削速度 在曲轴磨床上一般可采用高达120 140m s的磨削速度 磨削效率很高 四 典型的曲轴失效形式及分析 典型的曲轴失效形式及分析 曲轴是汽车发动机的重要零件 在工作中主要承受弯曲和扭转复合载荷作用 使用过程中曲轴的断裂很少发生 发生断裂的原因主要有以下几方面 力学性能不合格 加工精度不够 承受异常应力等 而且一般为弯曲疲劳断裂较多 扭转疲劳断裂较少某中重型卡车发动机曲轴在用户使用时发生断裂 其中1 曲轴在第六连杆轴颈处发生断裂 见图1 2 曲轴在第四连杆轴颈处