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发动机曲轴:复合加工取代老工艺

作者：天津金百联机电              发表时间：2011-08-27

发动机曲轴:复合加工取代老工艺进入21世纪以后，发动机曲轴在制造工艺、刀具等方面都发生了巨大的变化。领导了近半个多世纪的多刀车削工艺和手工磨削工艺，由于加工精度低和柔性差等原因，正在逐步退出历史舞台。高速、高效的复合加工技术及装备迅速进入汽车及零部件制造业，高速高效复合加工技术在曲轴加工生产中已有相当程度的应用，并将是其必然发展趋势。曲轴加工技术设备现状目前，国内较陈旧的曲轴生产线多数由普通机床和专用机床组成，生产效率和自动化程度相对较低。粗加工设备一般采用多刀车床车削曲轴主轴颈及连杆轴颈，工序质量稳定性差，容易产生较大的加工应力，难以达到合理的加工余量。精加工普遍采用MQ8260等普通曲轴磨床进行粗磨、半精磨、精磨、抛光，通常靠人工操作，加工质量不稳，尺寸一致性差。老式生产线一个主要的特点就是普通设备太多，按加工球墨铸铁曲轴来计算，一条生产线有35～40台设备。笔者曾考查过国内某一锻钢曲轴生产线，粗加工采用普通外铣加工主轴颈和连杆颈，然后数控精车主轴颈和连杆颈，再经过多道工序的磨削方转入精加工工序。所以这条生产线设备达60多台，导致产品周转线长、场地占用面积大，其生产效率完全是靠多台设备分解工序和余量来提高的。而当今的汽车发动机曲轴制造业面临的却是以下几个问题：1.多品种、小批量生产；2.交货期大大缩短；3.降低生产成本；4.难切削材料的出现使加工难度明显增加，加工中提出了许多需要解决的课题，如硬切削；5.为保护环境，要求少用或不用切削液，即实现干式切削或准干式切削；正是基于以上情况，进入21世纪以来，高速、高精、高效的复合加工技术及装备在汽车曲轴制造业中得到了迅速的应用，生产效率得到了很大提高，因此发动机曲轴生产线中生产设备数量得以减少。笔者曾在某一轿车发动机曲轴生产线看到，全线设备（包括热处理、表面强化）只有13台设备左右，产品周转线短、加工效率高、易于质量控制管理。曲轴复合加工技术的发展20世纪80年代后期，德国BOEHRINGER公司和HELLER公司开发出了完善的曲轴车－车拉机床，该加工工艺是将曲轴车削工艺与曲轴车拉工艺完美结合，生产效率高、加工精度好、柔性强、自动化程度高、换刀时间短，特别适合有沉割槽曲轴的加工，加工后曲轴可直接进行精磨，省去粗磨工序。因此，曲轴车－车拉加工工艺是目前国际上曲轴粗加工中流行的加工工艺之一。20世纪90年代中期出现的新型CNC高速曲轴外铣机床使曲轴粗加工工艺又上了一个新台阶。CNC曲轴内铣与CNC高速曲轴外铣对比，内铣存在以下缺点：不容易对刀、切削速度较低（通常不大于160m/min）、非切削时间较长、机床投资较多、工序循环时间较长。而CNC高速曲轴外铣具有以下优点：切削速度高（可高达350m/min）、切削时间较短、工序循环时间较短、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。因此，CNC高速曲轴外铣将是曲轴粗加工的发展方向。笔者在江苏南亚自动车有限公司菲亚特轿车曲轴生产线见到德国BOEHRINGER公司两台设备，其中1台为数孔曲轴车－车拉机床，另外1台为CNC高速曲轴外铣，亲身体验了一次“削铁如泥”的感觉。据专家介绍，曲轴车－车拉机床特别适合于轴颈有沉割槽、平衡块侧面不用加工的曲轴；而高速外铣则不能加工轴向有沉割槽的曲轴。该铣床为德国BOEHRINGER公司的VDF 315 OM-4高速随动外铣床，它是德国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，并随动跟踪铣削曲轴的连杆轴颈。VDF 315 OM-4高速随动外铣采用复合材料一体化结构床身，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；该铣床使用SIEMENS 840D CNC控制系统，通过输入零件的基本参数即可自动生成加工程序，可以加工长度在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。由上可以看出，曲轴粗加工比较流行的工艺是：主轴颈采用车拉工艺和高速外铣，连杆颈采用高速外铣，而且倾向于高速随动外铣，全部采用干式切削。由于国外此类设备价格昂贵，产品加工成本很高，国内一些机床生产厂家（如青海第二机床制造有限责任公司）相继开发出了数控曲轴车床、数控高速曲轴铣床，数控曲轴车拉机床等专用机床。曲轴精加工采用国内数控磨床磨削情况已相当普遍，产品加工精度已有相当程度的提高。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。用于曲轴复合加工的机床提到复合加工技术，就不得不提到复合加工机床，复合加工机床的定义也是随时代变化的。过去将加工中心称为复合加工机床，但因工具交换加工的品种受到限制，而且也走不出切削加工的领域，现在已经不再将一般的加工中心称之为复合加工机床了。复合机床应具有工序集成功能，多种加工集成功能。从制造业所处的环境看，复合加工机床将一直是重点开发的机床产品之一，功能不断扩大，会向着“一台机床成为一个小工厂”的方向迈进。在曲轴复合加工机床中，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“一次装卡，全部完工”的概念。M40G该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进行完全加工，加工后的曲轴可直接转入精加工工序。目前国内也推出了类似的复合机床，在CIMT2005期间，沈阳数控机床有限责任公司展出的CKZ80-5车铣加工中心就是一台复合机床，代表了我国同类机床的最高水平。该机床五轴中X、Y、Z、B轴采用直线光栅尺或圆度光栅尺检测，可实现闭环控制。该加工中心备有48～96工位刀库可实现自动换刀，一次装卡可进行车、铣、钻、镗、攻丝等的加工。在曲轴精加工方面，也出现了工序集成的CBN数控磨床，即一次装夹磨削全部曲轴主轴颈和连杆轴颈，此类磨床一般配双砂轮头架。日本TOYADA工机、德国勇克（JUNKER）、德国NAXOS等生产的此类数控磨床都是比较成熟的设备。这里简要介绍一下日本TOYADA工机开发生产的GF70M-T曲轴磨床的性能：该机床是为了满足多品种、低成本、高精度、大批量生产需要而设计的数控曲轴磨床，应用工件回转和砂轮进给伺服联动控制技术，可以一次装夹而不改变曲轴回转中心即可完成所有轴颈的磨削，包括随动跟踪磨削连杆轴颈；采用静压主轴、静压导轨、静压进给丝杠（砂轮头架）和线性光栅闭环控制，使用TOYADA工机生产的GC50 CNC控制系统，磨削轴颈圆度精度可达到0.002mm；采用CBN砂轮，磨削线速度高达120m/s，配双砂轮头架，磨削效率极高。曲轴加工中刀具材料多样化切削刀具性能的提高为高效、高速加工发展提供了可能性，除了高速钢、硬质合金以外，超硬材料的发展起到了重要的作用。PCD、PCBN为难加工材料的切削、干切削、硬切削等的加工创造了条件。为适应曲轴加工高速化、高效率、干式切削的需求，目前大量采用涂层刀具。涂层的材料从TiN发展为A12O3、TiC、ZrO2等，根据加工的要求，为提高耐高温的性能，又发展了TiCN、TiAlN、TiSiN、CrSiN等。现在PVD（物理气相沉积）、CVD（化学气相沉积）技术不断推陈出新，由单层发展成多层、千层、复合涂层，现在又发展成纳米涂层；深油孔的加工采用枪钻加工代替普通加长高速钢钻头，钻孔和攻丝用硬质合金材料来代替过去的高速钢材料。目前曲轴的精加工也渐渐开始使用CBN砂轮加工，CBN砂轮价格昂贵，但由于加工效率和耐用度高，分摊到每个工件上的刀具费用反而比采用价格低廉的普通砂轮要低。据德国NAXOS磨床厂的资料显示，采用CBN砂轮加工时间通常可缩短50%，而加工费用可节约50%以上。结语以上主要从曲轴机械加工方面论述了曲轴加工的进展，由此可得出以下结论：曲轴多刀车削工艺将逐步退出历史舞台，尽管这一时期较长；高速高效加工在曲轴制造业已有相当程度的应用；适合于多品种、小批量的复合加工技术是今后曲轴加工的一个发展方向；切削刀具性能的提高为高效、高速、复合加工发展提供了技术保障。
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