淺談國內(nèi)內(nèi)燃機曲軸的生產(chǎn)現(xiàn)狀

淺談國內(nèi)內(nèi)燃機曲軸的生產(chǎn)現(xiàn)狀

1發(fā)動機部分產(chǎn)品屬于球墨鑄鐵生產(chǎn)技術(shù)。據(jù)第一軸承是油耗的重要部件之一。它是承受影響負荷傳輸動態(tài)能量的重要部件。它是五大發(fā)動機（身體、套筒、電機、桿和彈簧）中最難保證加工質(zhì)量。由于曲軸工況條件惡劣,因此對曲軸的材質(zhì)、毛坯加工技術(shù)、精度、表面粗糙度、熱處理和表面強化、動平衡等要求都十分嚴格。若其中任何一個環(huán)節(jié)沒有保證,即可嚴重影響曲軸的壽命和整機的可靠性,因此包括中國在內(nèi)的世界各國對曲軸的加工都十分重視,都在不斷的改進曲軸加工工藝,最大可能的提高曲軸壽命。曲軸質(zhì)量(指輕重)約占內(nèi)燃機質(zhì)量的10%,成本約占整機的10%~12%,其材質(zhì)大體分兩類:一類是鍛鋼,一類是球墨鑄鐵。由于采用鑄造方法可獲得較為理想的結(jié)構(gòu)形狀,從而減輕質(zhì)量,且機加工余量隨鑄造工藝水平的提高而減小,目前國外球鐵鑄造曲軸的單邊加工余量可達2~3mm。另外球墨鑄鐵的切削性能良好,并且和鋼質(zhì)曲軸一樣可以進行各種熱處理和表面強化處理來提高曲軸的抗疲勞強度、硬度和耐磨性。而且球鐵中的內(nèi)摩擦所耗功比鋼大,減小了工作時扭轉(zhuǎn)振動的振幅和應(yīng)力,應(yīng)力集中也沒有剛質(zhì)曲軸敏感。所以球墨鑄鐵曲軸在國內(nèi)外得到了廣泛的應(yīng)用。統(tǒng)計資料表明,車用發(fā)動機曲軸采用球鐵材質(zhì)的比例為:美國85%,日本40%,俄羅斯、比利時、荷蘭和德國也已大批量生產(chǎn)。國內(nèi)采用球鐵曲軸的趨勢則更加明顯,中小型功率柴油機曲軸85%以上用球鐵。我國內(nèi)燃機曲軸專業(yè)生產(chǎn)主要企業(yè)共63家(據(jù)2000年《中國內(nèi)燃機工業(yè)年鑒》數(shù)據(jù)),近年來隨著行業(yè)的不斷發(fā)展,通過引進技術(shù)消化吸收,自行開發(fā)總體水平有了較大的提高。但是我們也應(yīng)該看到,我國內(nèi)燃機曲軸生產(chǎn)技術(shù)距世界先進水平仍相差很遠,甚至于還滿足不了我國內(nèi)燃機工業(yè)技術(shù)發(fā)展的要求。國內(nèi)曲軸專業(yè)生產(chǎn)廠家雖然不是很多,但存在整體規(guī)模小、專業(yè)化程度低、企業(yè)設(shè)備陳舊、產(chǎn)品設(shè)計和工藝落后、性能壽命和可靠性差、品種雜亂及“三化”程度低等差距,它是影響整機適應(yīng)國內(nèi)及國際市場能力的重要因素。隨著我國加入WTO,內(nèi)燃機零部件行業(yè)將面臨更加激烈的市場競爭,也將迎來新的發(fā)展與機遇。我們只有充分了解國內(nèi)外內(nèi)燃機曲軸制造技術(shù)現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢,及時的改進和提高曲軸制造技術(shù)水平,生產(chǎn)出具有世界一流水平的內(nèi)燃機曲軸,才能以實力參與市場競爭。2國內(nèi)外國內(nèi)軸承制造技術(shù)的現(xiàn)狀2.1pp.sst400-2氫鐵軸球鐵曲軸的生產(chǎn)繼QT600-2、QT700-2之后,現(xiàn)已能穩(wěn)定的生產(chǎn)QT800-2、QT900-2等幾種牌號,目前已能大批量生產(chǎn)QT800-6球鐵曲軸。但從整體水平來看,存在生產(chǎn)效率低,工藝裝備落后,毛坯機械性能不穩(wěn)定、精度低、廢品率高等問題。(1)石墨圓整均勻高溫低硫純凈鐵水的獲得是生產(chǎn)高質(zhì)量球鐵的關(guān)鍵所在。經(jīng)大量分析研究表明,國外球鐵中硫、磷、鎂及稀土元素含量明顯低于國產(chǎn)件,且金相組織中的石墨圓整均勻。究其原因,主要是國內(nèi)以沖天爐為主的生產(chǎn)設(shè)備,鐵水未進行預(yù)脫硫處理;其次是高純生鐵少、焦炭質(zhì)量差。為獲得高溫低硫磷的鐵水,可采用雙聯(lián)外加預(yù)脫硫的熔煉方法,既可以用沖天爐熔化鐵水,經(jīng)爐外脫硫(把硫降到0.01%以下),然后在感應(yīng)電爐中升溫并調(diào)整成分。爐前鐵水成分的檢測國內(nèi)已普遍采用真空直讀光譜儀來進行,真空直讀光譜儀主要從日本、美國、英國等國引進。(2)多拐軸系鑄型整合技術(shù)氣流沖擊造型工藝明顯優(yōu)于粘土砂造型工藝,可獲得高精度的曲軸鑄件,該工藝制作的砂型具有無反彈變形量的特點,這對于多拐曲軸尤為重要。目前國內(nèi)一些廠家已從瑞士、德國、意大利、西班牙等國引進。在國外,曲軸造型多采用殼形工藝,其中酚醛樹脂砂熱固化殼形工藝是比較成熟的一種。利用該工藝及其配套設(shè)備可制取高強度的鑄型殼,從而確保鑄件的高精度、較低的表面粗糙度和致密的金相組織。目前國內(nèi)極少數(shù)廠家已引進整條生產(chǎn)線。(3)砂體及鑄件清理型砂質(zhì)量是確保鑄件質(zhì)量的重要條件,而高效混砂和舊砂冷卻方面是我國的薄弱環(huán)節(jié)。因此國內(nèi)部分廠家從德國、日本、瑞士、美國引進了混砂機和舊砂冷卻裝置,以及大容量的滾筒篩、斗式提升機、砂形水分檢測控制儀等。鑄件的清理使用吊鏈?zhǔn)綊佂枋液丸T件水平旋轉(zhuǎn)鼠籠式拋丸機。國外砂處理系統(tǒng)和單元多為自動化微機管理,型砂中水分和有效粘土含量及煤粉含量實行自動檢測和控制,型砂運輸系統(tǒng)多為自動化控制。鑄件清理全部在專機自動線上進行,多數(shù)勞動由機械手和機器人操作。2.2部分先進設(shè)備未充分利用目前,國內(nèi)雖已有一批先進的鍛造設(shè)備,但由于數(shù)量少,加之模具制造技術(shù)和其他一些設(shè)施跟不上,使一部分先進設(shè)備未充分發(fā)揮應(yīng)有的作用。但從總體上來講,需改造和更新的陳舊普通鍛造設(shè)備多,落后的工藝和設(shè)備占主導(dǎo)地位,先進的技術(shù)有所應(yīng)用但還不普遍,檢測手段以手工測量為主,鍛件質(zhì)量不穩(wěn)定,加工余量偏大,材料利用率偏低,能耗高,噪聲、振動和煙塵治理差,勞動強度大,生產(chǎn)效率低。2.3高效的機加工技術(shù)國內(nèi)大部分專業(yè)廠家普遍采用普通機床和專用組合機床組成的流水線生產(chǎn),生產(chǎn)效率、自動化程度較低。粗加工設(shè)備多采用S1-206A、S1-217或S1-130曲軸車床加工主軸頸及連桿頸,工序質(zhì)量穩(wěn)定性較差,且容易產(chǎn)生較大的內(nèi)部應(yīng)力,難以達到合理的加工余量。外圓的磨削余量一般單邊留0.5-0.8mm;止推面單邊余量一般留0.3-0.4mm。為保證成品尺寸,采用多次磨削方式。一般精加工采用MQ8260曲軸磨床粗磨-半精磨-精磨-拋光。通?？渴止げ僮?加工質(zhì)量不穩(wěn)定,廢品率較高?！鞍宋濉逼陂g,部分企業(yè)曾先后引進數(shù)控內(nèi)銑床、數(shù)控磨床、數(shù)控砂帶拋光機等先進設(shè)備,使曲軸機加工水平提高,但整體工藝水平仍很低。曲軸的關(guān)鍵技術(shù)項目與國外相差1-2個數(shù)量級。國外的機加工技術(shù)大致可歸納為以下幾個特點:(1)廣泛采用數(shù)控技術(shù)及自動線。生產(chǎn)線一般由幾段獨立的自動化生產(chǎn)單元組成,具有很高的靈活性和適應(yīng)性。采用龍門式自動上下料,集放式機動滾道傳輸,切削液分粗加工和精加工兩段集中供應(yīng)和回收處理。(2)曲軸中心孔一般采用質(zhì)量定心加工方式。這樣可保證后續(xù)工序加工時工件運轉(zhuǎn)穩(wěn)定,有利于提高產(chǎn)品質(zhì)量。另外,在曲軸動平衡工序中,不平衡量很小,有利于改善曲軸的內(nèi)部質(zhì)量補償。(3)軸頸的粗加工一般采用數(shù)控銑削或車拉工藝。工序質(zhì)量可達到國內(nèi)粗磨后的水平,且切削變形小、效率高。銑削和車拉是曲軸粗加工的發(fā)展方向。(4)國外的數(shù)控磨床多采用CNC控制技術(shù)。該技術(shù)具有自動進給、自動修正砂輪、自動補償和自動分度等功能,使曲軸的磨削精度和效率顯著提高。主軸頸一般采用多砂輪磨削,連桿軸頸一般采用雙砂輪磨削。(5)油孔的加工采用鼓輪鉆床和自動線。近幾年來,隨著槍鉆技術(shù)的應(yīng)用,油孔的加工多已采用槍鉆自動線鉆孔-修緣-拋光。(6)曲軸的拋光采用CNC控制的砂帶拋光機。所有軸頸一次拋光只需20多秒,粗糙度可達Ra0.4以下,大大減小了發(fā)動機的磨合期。(7)動平衡一般采用CNC控制的綜合平衡機,測量、修正一次完成。(8)檢測一般在生產(chǎn)線上配備MARPOSS或HOMWORK綜合檢測機實現(xiàn)在線檢測,對曲軸的幾乎所有機加工項目均可一次完成檢測、顯示、打印。(9)曲軸的清洗采用專用清洗機定點定位清洗,能有效保證曲軸的清潔度要求。(10)廣泛采用了軸頸過渡圓角滾壓技術(shù)。專用圓角滾壓機自動控制,對所有軸頸圓角進行一次滾壓,而且滾壓力和滾壓角度自動調(diào)節(jié),使圓角處產(chǎn)生最佳的殘余壓應(yīng)力,提高了曲軸的疲勞強度。2.4國內(nèi)表面強化處理設(shè)備的發(fā)展曲軸的熱處理關(guān)鍵技術(shù)是表面強化處理。曲軸一般均采用正火處理,為表面處理做好組織準(zhǔn)備。國內(nèi)在正火工藝方面也進行了大量的探索和創(chuàng)新。例如國內(nèi)有的廠家試驗成功了用鑄造余熱進行正火熱處理的工藝,具有明顯的節(jié)能降耗效果,值得推廣應(yīng)用。表面強化處理一般采用感應(yīng)淬火或氮化工藝,少數(shù)廠家還引進了圓角淬火技術(shù)和設(shè)備?！鞍宋濉逼陂g我國引進了德國、美國、意大利等國家的曲軸淬火和氣體氮化設(shè)備多套,近年來還引進了德國的曲軸軟液軟氮化和氣體二段式氮化技術(shù)以及離子氮化工藝,使我國的曲軸表面強化處理水平達到或接近國際先進水平。據(jù)國外資料介紹,球墨鑄鐵曲軸采用圓角滾壓工藝與離子氮化結(jié)合進行復(fù)合強化,可使整條曲軸的抗疲勞強度提高130%以上。東風(fēng)汽車公司工藝研究所的“曲軸圓角滾壓強化與液壓校直技術(shù)研究開發(fā)及應(yīng)用”解決了國內(nèi)企業(yè)花巨資引進國外技術(shù)的問題,該課題獲得了國家機械工業(yè)局科技進步二等獎。3中國軸承制造技術(shù)的發(fā)展趨勢3.1鑄造技術(shù)(1)性能穩(wěn)定的鐵水材料和球鐵處理對于高牌號鑄鐵的熔化,將采用大容量中頻爐進行熔煉或變頻中頻爐熔煉,對各類金屬原材料的使用進行更為嚴格的管理,并采用直讀光譜儀檢測鐵水成分。對于普通鑄鐵的熔化,采用雙聯(lián)熔煉工藝,但沖天爐向大型化和外水冷無爐襯熱風(fēng)或富氧送風(fēng)方向發(fā)展,對沖天爐使用的非金屬原材料和金屬原材料要求更加嚴格,對鐵水中S、P及雜質(zhì)含量嚴加限制。球鐵處理采用轉(zhuǎn)包,研制新品種球化劑,采用隨流孕育、型內(nèi)孕育及復(fù)合孕育等先進孕育方法。熔化過程的各參數(shù)實現(xiàn)微機控制和屏幕顯示,采用自動和半自動澆注機進行澆注,減少操作人員。實現(xiàn)沖天爐煙塵凈化無污染排放。(2)高壓造型線將得到推廣或見成效消失模鑄造將進一步發(fā)展和推廣。在砂型鑄造中,無箱射砂造型和擠壓造型將受到重視并繼續(xù)在新建廠或改建廠中推廣應(yīng)用。原有的高壓造型線將繼續(xù)使用并且其中部分關(guān)鍵元件將得到改進。實現(xiàn)自動組芯和下芯。自動快換型板及模具可適應(yīng)不同產(chǎn)品的交替更換。在制芯工藝上新型冷芯盒或新型溫芯盒制芯設(shè)備將出現(xiàn),組合射芯將在新型設(shè)備上進一步推廣和應(yīng)用。Pepset砂的造型和制芯工藝將進一步推廣。(3)土、煤粉砂檢測及自動化程序控制砂處理系統(tǒng)和單元將實現(xiàn)微機化管理,型砂中水分和有效粘土含量及煤粉含量將實現(xiàn)自動檢測和控制,型砂運輸系統(tǒng)將實現(xiàn)自動化程序控制。鑄件清理將全部在專機自動線上進行,主要是機器人操作,在清理自動線上實現(xiàn)荒加工和質(zhì)量檢測。3.2雕塑藝術(shù)(1)設(shè)備制造出設(shè)計和制造工藝計算機將廣泛應(yīng)用于生產(chǎn)過程的自動化控制,能實現(xiàn)鍛造溫度控制,過熱和欠熱棒料的自動化分選、潤滑油點溫監(jiān)控、設(shè)備公稱力顯示、自動噴霧冷卻模具、設(shè)備操縱系統(tǒng)控制、故障自動診斷、報警、工藝編程、模具設(shè)計與制造。計算機的廣泛應(yīng)用對工藝過程的規(guī)范化管理、促進曲軸乃至內(nèi)燃機鍛造行業(yè)的生產(chǎn)技術(shù)進步,發(fā)揮著重要的作用。(2)fms自動更換工件以熱模鍛壓力機、電液錘為主機的自動線是今后生產(chǎn)曲軸的發(fā)展方向,這些生產(chǎn)線將普遍采用精密剪切下料、輥鍛(楔橫軋)制坯、中頻感應(yīng)加熱、精整液壓機精壓等先進工藝,同時配有機械手、輸送帶、帶回轉(zhuǎn)臺的換模裝置等輔機,形成柔性制造系統(tǒng)。通過FMS可自動更換工件和模具以及自動進行參數(shù)調(diào)節(jié),在工作過程中不斷測量。顯示和記錄鍛件厚度和最大壓力等數(shù)據(jù)并與定值比較,選擇最佳變形量以獲得優(yōu)質(zhì)產(chǎn)品。由中央控制室監(jiān)控整個系統(tǒng),實現(xiàn)無人化操作。(3)電液錘出口生產(chǎn)線隨著市場競爭的激烈,質(zhì)量價格在市場競爭中的作用日顯重要,電液對擊錘也就應(yīng)運而生了。出現(xiàn)了以行程、打擊能量、速度可控與預(yù)選的電液錘為主機的曲軸現(xiàn)代化水平生產(chǎn)線。由于電液錘鍛造生產(chǎn)線投資小,技術(shù)水平高,適應(yīng)性強,所以21世紀電液錘與熱模鍛壓力機將同時得到發(fā)展,都將為各種新型或改進型內(nèi)燃機提供合格的精密鍛造毛坯。3.3軸系構(gòu)件加工曲軸粗加工將廣泛采用數(shù)控車床、CNC數(shù)控內(nèi)銑床、CNC車削、拉削機床等先進設(shè)備對主軸頸、連桿軸頸進行數(shù)控車削、內(nèi)銑削、車削、拉削加工,以有效的減少曲軸加工的變形量。曲軸精加工將廣泛采用CNC控制的曲軸磨床對其軸頸進行精磨加工,此種磨床將配備砂輪自動動平衡裝置、中心架自動跟蹤裝置、自動測量、自動補償裝置,實現(xiàn)砂輪自動修整、恒線速度等功能要求,以保證磨削質(zhì)量的穩(wěn)定。工件的輸送,將廣泛采用帶自動編碼識碼的機動滾道輸送,龍門式機械手上下工件,減少輸送中的人為碰撞,實現(xiàn)曲軸的自動加工。曲軸超精加工將廣泛采用砂帶拋光機拋光加工,以改善曲軸表面粗糙度和提高曲軸抗疲勞強度。3.4表面活性劑和技術(shù)創(chuàng)新(1)打印裝置監(jiān)控畫面功能曲軸中頻感應(yīng)淬火,將采用微機監(jiān)控閉環(huán)中頻感應(yīng)加熱裝置,該裝置的特點是:a)能動態(tài)的顯示系統(tǒng)工況,具有多任務(wù)、多窗口及動態(tài)數(shù)據(jù)交換等功能,操作方便。b)多幅畫面,各畫面之間以動態(tài)圖像實時顯示中頻設(shè)備運行過程中各重要參數(shù)狀態(tài)、各點溫監(jiān)控畫面,具有顯示曲軸多點溫度、時間等情況及根據(jù)不同直徑、材質(zhì)選用加熱溫度的功能。c)記錄實時及歷史趨勢曲線,記錄打印裝置運行過程中某一范圍內(nèi)的各項參數(shù),主要用于檔案管理及過程分析。d)報警功能,當(dāng)某項關(guān)鍵參數(shù)達到相應(yīng)極限值時自動報警。該裝置具有高效率,質(zhì)量穩(wěn)定,運行可靠等特點,今后將得到廣泛應(yīng)用。(2)其他工業(yè)控制系統(tǒng)為了提高產(chǎn)品質(zhì)量,對于大批量生產(chǎn)的曲軸將采用微機控制的氮基氣氛氣體軟氮化生產(chǎn)線是今后的發(fā)展方向。氮基氣氛氣體軟氮化生產(chǎn)線由前清洗機(清洗干燥)、預(yù)熱爐、軟氮化爐、冷卻油槽、后清洗機(清洗干燥)、控制系統(tǒng)及制氣配氣等系統(tǒng)組成。該工藝具有安全、節(jié)能、工藝控制可靠、氣源成本低、產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定、性能重現(xiàn)性好、易實現(xiàn)自動化、計算機管理、生產(chǎn)率高等顯著特點,具有較高的應(yīng)用推廣前景。3)曲軸表面強化技術(shù)為了提大幅度提高曲軸的抗疲勞強度,圓角滾壓強化將大量應(yīng)用于曲軸加工中。另外,曲軸圓角滾壓強化加軸頸表面淬火等復(fù)合強化工藝也將大量應(yīng)用于曲軸加工中。4國外國內(nèi)軸承制造技術(shù)的發(fā)展趨勢4.1計算機鑄造設(shè)備的應(yīng)用采用先進工藝、提高機械化自動化水平、大力擴展計算機的應(yīng)用范圍,優(yōu)質(zhì)、高效地生產(chǎn)出輕量化、精密化的鑄造毛坯,是國外鑄造行業(yè)發(fā)展的總趨勢。(1)軸類鑄造羊毛采用高強度、高韌性材質(zhì)以減小壁厚和斷面尺寸;殼形鑄造、復(fù)砂造型生產(chǎn)曲軸毛坯;進一步生產(chǎn)出少、無切削余量的鑄造毛坯;計算機將在各個工藝環(huán)節(jié)的檢測、診斷、控制和自動化生產(chǎn)等方面廣泛應(yīng)用。(2)pla和球鐵冷卻工藝將得到進一步計算機化沖天爐仍然朝著大容量、連續(xù)化、高溫?zé)犸L(fēng)方向發(fā)展,同時,在精確配料、爐況檢測、故障診斷、自動控制等方面進一步計算機化。球鐵熔煉工藝將得到進一步發(fā)展。變頻電爐同時用于熔化、保溫的雙爐體交替生產(chǎn)的范圍將得到發(fā)展。(3)完善制芯工藝冷殼型將可能逐步替代覆膜砂殼型鑄造。在制芯方面,發(fā)展冷芯工藝,使比較成熟的制芯工藝進一步得到完善。在制芯設(shè)備方面,多功能、多用途、制芯中心化將得到進一步發(fā)展。(4)計算機控制砂系統(tǒng)型砂質(zhì)量也是確保鑄件質(zhì)量的重要條件,重點發(fā)展采用計算機控制砂處理系統(tǒng)乃至全過程,即運用計算機進行預(yù)測、診斷、控制型砂性能。清理將重點發(fā)展機械手或機器人對鑄件進行拋丸、打磨和切割。4.2生產(chǎn)設(shè)備及部件隨著鍛壓技術(shù)的進步,在變形理論上采用有限元法借助電子計算機應(yīng)力和變形狀態(tài)。70年代發(fā)達國家對新建或改建的大的專業(yè)鍛造廠點,大都是以微機數(shù)控和群控的模鍛壓力機或電動液壓錘及螺旋壓力機為主機的生產(chǎn)線大批量生產(chǎn)曲軸等鍛件。近年來,隨著CAD/CAM的廣泛采用,管理信息系統(tǒng)和集成生產(chǎn)系統(tǒng)的引入,鍛造生產(chǎn)軟件、硬件和數(shù)據(jù)庫的研究,以實現(xiàn)鍛造生產(chǎn)從原材料、工藝和工藝裝備最佳方案的選擇和