發(fā)動機曲軸高效加工技術的應用與進展

1、1、發(fā)動機曲軸加工技術現狀發(fā)動機曲軸生產線存在較多的是陳舊生產線。陳舊生產線主要由普通機床和專用機床組成，生產效率和自動化程度較低，粗加工是沿用20世紀70年代以前就盛行的車削方法，采用多刀車床車削曲軸主軸頸及連桿軸頸，工序質量穩(wěn)定性差，容易產生較大的加工應力，難以達到合理的加工余量。采用的刀具材料是高速鋼和普通硬質合金。一般精加工采用MQ8260等普通曲軸磨床粗磨-半精磨-精磨-拋光，通常靠手工操作，加工質量不穩(wěn)定，尺寸一致性差。老生產線一個主要的特點就是普通設備太多，按加工球墨鑄鐵曲軸來算，一條生產線35-40臺設備，生產效率完全是靠多臺設備分解工序和余量來提高的。2、高效加工技術應用狀況

2、當今的汽車發(fā)動機制造技術正朝著高速、智能、復合、環(huán)保方面發(fā)展，其發(fā)展特點是競爭加劇，如何能不斷提高生產效率、降低制造成本，以具有競爭力的價格向客戶提供高質量的產品，及時滿足用戶日益增長的需求，成為各企業(yè)共同關注的焦點。發(fā)動機生產的柔性化要求提高，要求能夠根據市場的需求及時推出新的產品或轉換新的型號生產，當市場對某種產品有需求時必須抓住機遇生產出足夠滿足市場需要的產品。發(fā)動機制造中有大量零部件需要進行切削加工，具有技術密集程度高、生產批量大、制造節(jié)拍快的特征，發(fā)動機制造中使用的刀具不僅要求其切削性能好、工作壽命長，還要求其具有高度的穩(wěn)定性，同時還要具有很高的性能價格比，金屬切削和刀具技術作為機械

3、加工工藝環(huán)節(jié)中最活躍的因素，成為提高生產效率和加工質量、降低制造成本的關鍵技術之一。正是基于以上情況，在進入二十一世紀以來，高效加工技術及裝備汽車制造業(yè)得到了迅速的應用，生產效率得到了很大的提高，發(fā)動機曲軸生產線生產設備數量正急劇減少，筆者曾在一轎車發(fā)動機曲軸生產線看到，全線設備（包括熱處理、表面強化）僅有13臺設備左右，產品周轉線短，加工效率高，易于質量管理。二十世紀八十年代后期，德國BOEHRINGER公司和HELLER公司開發(fā)出了完善的曲軸車-車拉機床，該加工工藝是將曲軸車削工藝與曲軸車拉工藝完美結合，生產效率高，加工精度好，柔性強，自動化程度高，換刀時間短，特別適合有沉割槽曲軸的加工，

4、加工后曲軸可直接進行精磨，省去粗磨工序。如上圖1所示的是曲軸車拉刀結構。二十世紀九十年代中期國外又研發(fā)出來新型的數控高速曲軸外銑機床，使曲軸粗加工工藝又上了一個新臺階，數控曲軸內銑與數控高速曲軸外銑對比，內銑存在以下缺點：不容易對刀、切削速度較低（通常不大于160m/min）、非切削時間較長、機床投資較多、工序循環(huán)時間較長，但內銑用來加工鍛鋼曲軸容易斷屑，加工容易。而數控高速曲軸外銑有以下優(yōu)點：切削速度高（可高達350m/min）、切削時間較短、工序循環(huán)時間較短、切削力較小、工件溫升較低、刀具壽命高、換刀次數少、加工精度更高、柔性更好。數控高速外銑的缺點是不能加工軸向有沉割槽的曲軸，曲軸高速外

5、銑刀的結構及應用。由以上可以看出，曲軸粗加工比較流行的工藝是：主軸頸采用車拉工藝和高速外銑，連桿頸采用高速外銑，全部采用干式切削。由于國外此類設備價格昂貴，產品加工成本很高，國內一些機床生產廠家相繼開發(fā)出了數控曲軸車床、數控高速曲軸銑床，數控曲軸車拉機床等專用機床。我公司購進6臺此類機床，不同質量的刀片加工效果差異很大，以數控高速曲軸銑床為例，刀盤安裝國產某硬質合金涂層刀具，切削線速度80-120m/min，而且刀片消耗嚴重；而換上山特維克可樂滿等優(yōu)秀刀具制造上的專用涂層刀具，其切削速度可達200m/min左右，而且刀片消耗總體較低，之所以達不到德國高速外銑的350m/min的線速度，我想國產

6、機床的性能影響了刀具的效率的發(fā)揮。曲軸精加工采用國內數控磨床磨削情況已相當普遍，產品加工精度已有相當程度的提高。為滿足曲軸日益提高的加工要求，對曲軸磨床提出了很高的要求。隨著現代驅動和控制技術，測量控制，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(chuàng)造了條件。一種稱之為連桿頸隨動磨削工藝正是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桿頸的磨削效率、加工精度和加工柔性。在對連桿頸進行隨動磨削時，曲軸以主軸頸為軸線進行旋轉，并在一次裝夾下磨削所有連桿頸。在磨削過程中，磨頭實現往復擺動進給，跟蹤著偏心回轉的連桿頸進行磨削加工。實現隨動

7、磨削，X軸除了必須具有高的動態(tài)性能外，還必須具有足夠的跟蹤精度，以確保連桿頸所要求的形狀公差。CBN砂輪的應用是實現連桿頸隨動磨削的重要條件。由于CBN砂輪耐磨性高，在磨削過程中砂輪的直徑幾乎是不變的，一次修整可磨削600-800條曲軸。CBN砂輪可以采用很高的磨削速度，在曲軸磨床上一般可采用高達120-140m/s的磨削速度，有的甚至可更高些，磨削效率很高。3、復合加工技術應用狀況提到復合加工技術，就不得不提到復合加工機床，復合加工機床的定義也是隨時代變化的。過去將加工中心稱為復合加工機床，但因工具交換加工的品種受到限制，而且也走不出切削加工的領域，現在已經不再將一般的加工中心稱之為復合加工

8、機床了。復合機床應具有工序集成功能，多種加工集成功能。從制造業(yè)所處的環(huán)境看，復合加工機床將一直是重點開發(fā)的機床產品之一，功能不斷擴大，會向著“一臺機床成為一個小工廠”的方向邁進。曲軸制造業(yè)復合加工技術也有了一定程度的應用，奧地利WFL公司生產的臥式車銑復合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。如圖所示的是該系列的一種M40G。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、鉆和三坐標功能于一身，在一臺具有雙主軸的車銑復合加工中心上可以對曲軸進行完全加工，加工后的曲軸可直接轉入精加工工序。目前國內也推出了類似的復合機床，在 CIMT2005上，沈陽數控

9、機床有限責任公司展出的CKZ80-5車銑加工中心就是一臺復合機床。該機床代表了我國同類機床的最高水平。該機床五軸中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(huán)控制。該加工中心備有4896工位刀庫可實現自動換刀，一次裝卡可進行車、銑、鉆、鏜、攻絲等的加工。在曲軸精加工方面，也出現了工序集成的CBN數控磨床，即一次裝夾磨削全部曲軸主軸頸和連桿軸頸，此類磨床一般配雙砂輪頭架。日本TOYADA工機、德國勇克（JUNKER）、德國NAXOS等生產的此類數控磨床是比較成熟的設備。4、刀具材料多樣化切削刀具性能的提高為高效高速加工發(fā)展提供了可能性，除了高速鋼、硬質合金以外，超硬材料的發(fā)展起到了

10、重要的作用。PCD、PCBN為難加工材料的切削、干切削、硬切削等的加工創(chuàng)造了條件。為適應曲軸加工高速化、高效率、干式切削的需求，目前大量采用涂層刀具，涂層的材料，從TiN發(fā)展為A12O3、TiC、ZrO2、等，根據加工的要求，為提高耐高溫的性能，又發(fā)展了TiCN、TiAlN、TiSiN、CrSiN等?，F在PVD(物理氣相沉積)、CVD(化學氣相沉積)技術不斷推陳出新，由單層發(fā)展成多層、千層、復合涂層，現在又發(fā)展成納米涂層；深油孔的加工采用槍鉆加工代替普通加長高速鋼鉆頭，鉆孔和攻絲用硬質合金材料來代替過去的高速鋼材料。目前曲軸的精加工也漸漸開始使用CBN砂輪加工，CBN砂輪價格昂貴，但由于加工效

11、率和耐用度高，分攤到每個工件上的刀具費用反而比采用價格低廉的普通砂輪的要低，據德國NAXOS磨床廠的資料，采用CBN砂輪加工時間通?？煽s短50%，而加工費用可節(jié)約50%以上。為達到高效加工的目的，還出現了組合式刀具和復合刀具，以簡化工序、減少刀具數量、減少換刀時間和降低加工節(jié)拍時間，現在，還出現了鉆孔和螺紋加工在一起的組合式刀具，這種復合刀具的前部用于鉆孔，緊接著是刀具的螺紋加工部分，在螺紋底孔被鉆出來后，該刀具即進行螺紋的銑削加工，僅用一把刀具即完成該孔的全部加工。由于組合式刀具的應用大大提高了生產效率，但也增加了非標刀具的種類和數量，增加了對刀具管理的要求，特別是在刀具非正常消耗發(fā)生時，增

12、加了快速獲得替代刀具的困難和影響生產線正常生產的風險。因此怎樣做到既能保證為獲得高的生產率而大量采用復合刀具，又能盡可能地使刀具實現標準化，就成為刀具制造業(yè)和汽車制造業(yè)需要共同關注和研究解決的問題，需要制定一些相關的標準，開發(fā)定向于平臺的刀具，建立一些標準的復合刀具結構，根據生產任務合理的組合或者變換切削及功能模塊，并在這種復合刀具中盡可能地采用標準刀片，以快速價廉地制造各種專用刀具，這樣將會大大降低刀具制造、采購和庫存成本，縮短刀具供貨時間，并顯著提高出現刀具非正常消耗時的應急能力和快速響應能力。5、國內工具行業(yè)的發(fā)展和存在的問題首先應該看到，中國工具工業(yè)是落后于發(fā)動機制造業(yè)的，發(fā)動機制造先

13、進設備主要依賴進口，而國產刀具無法滿足進口設備的需要，主要表現在中國工具業(yè)生產標準化、通用化刀具，無法滿足汽車制造業(yè)對高效刀具的需求。當然工具業(yè)內部也有相當一部分企業(yè)努力追求技術進步，使自己的產品和服務盡快趕上現代制造高速發(fā)展的需求。如株洲鉆石切削刀具股份有限公司在硬質合金基體材料、涂層技術、刀具結構設計、刀片槽型開發(fā)等方面取得了重大突破；東風汽車公司刃量具廠繼前幾年在國內率先開發(fā)成功具有國際先進水平的曲軸車拉刀之后，今年又為文登天潤曲軸有限公司開發(fā)成功六拐曲軸高速銑刀，一次進刀(工件旋轉一周)中同時完成七個主軸頸的銑削加工，達到國際先進水平。中國工具行業(yè)也存在較多的問題，主要是設計開發(fā)能力低、技術落后。