發動機曲軸:復合加工取代老工藝

     進入21世紀以后，發動機曲軸在制造工藝、刀具等方面都發生了巨大的變化。領導了近半個多世紀的多刀車削工藝和手工磨削工藝，由于加工精度低和柔性差等原因，正在逐步退出歷史舞臺。高速、高效的復合加工技術及裝備迅速進入汽車及零部件制造業，高速高效復合加工技術在曲軸加工生產中已有相當程度的應用，并將是其必然發展趨勢。

曲軸加工技術設備現狀

目前，國內較陳舊的曲軸生產線多數由普通機床和專用機床組成，生產效率和自動化程度相對較低。粗加工設備一般采用多刀車床車削曲軸主軸頸及連桿軸頸，工序質量穩定性差，容易產生較大的加工應力，難以達到合理的加工余量。精加工普遍采用MQ8260等普通曲軸磨床進行粗磨、半精磨、精磨、拋光，{TodayHot}通常靠人工操作，加工質量不穩，尺寸一致性差。

老式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計算，一條生產線有35～40臺設備。筆者曾考查過國內某一鍛鋼曲軸生產線，粗加工采用普通外銑加工主軸頸和連桿頸，然后數控精車主軸頸和連桿頸，再經過多道工序的磨削方轉入精加工工序。所以這條生產線設備達60多臺，導致產品周轉線長、場地占用面積大，其生產效率完全是靠多臺設備分解工序和余量來提高的。


而當今的汽車發動機曲軸制造業面臨的卻是以下幾個問題：


1.多品種、小批量生產；
2.交貨期大大縮短；
3.降低生產成本；
4.難切削材料的出現使加工難度明顯增加，加工中提出了許多需要解決的課題，如硬切削；
5.為保護環境，要求少用或不用切削液，即實現干式切削或準干式切削；

正是基于以上情況，進入21世紀以來，高速、高精、高效的復合加工技術及裝備在汽車曲軸制造業中得到了迅速的應用，生產效率得到了很大提高，因此發動機曲軸生產線中生產設備數量得以減少。筆者曾在某一轎車發動機曲軸生產線看到，全線設備（包括熱處理、表面強化）只有13臺設備左右，產品周轉線短、加工效率高、易于質量控制管理。


曲軸復合加工技術的發展

20世紀80年代后期，德國BOEHRINGER公司和HELLER公司開發出了完善的曲軸車－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{HotTag}割槽曲軸的加工，加工后曲軸可直接進行精磨，省去粗磨工序。因此，曲軸車－車拉加工工藝是目前國際上曲軸粗加工中流行的加工工藝之一。

20世紀90年代中期出現的新型CNC高速曲軸外銑機床使曲軸粗加工工藝又上了一個新臺階。CNC曲軸內銑與CNC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、工序循環時間較長。而CNC高速曲軸外銑具有以下優點：切削速度高（可高達350m/min）、切削時間較短、工序循環時間較短、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。因此，CNC高速曲軸外銑將是曲軸粗加工的發展方向。

筆者在江蘇南亞自動車有限公司菲亞特轎車曲軸生產線見到德國BOEHRINGER公司兩臺設備，其中1臺為數孔曲軸車－車拉機床，另外1臺為CNC高速曲軸外銑，親身體驗了一次“削鐵如泥”的感覺。據專家介紹，曲軸車－車拉機床特別適合于軸頸有沉割槽、平衡塊側面不用加工的曲軸；而高速外銑則不能加工軸向有沉割槽的曲軸。該銑床為德國BOEHRINGER公司的VDF 315 OM-4高速隨動外銑床，它是德國BOEHRINGER公司專為汽車發動機曲軸設計制造的柔性數控銑床，該設備應用工件回轉和銑刀進給伺服連動控制技術，可以一次裝夾不改變曲軸回轉中心，并隨動跟蹤銑削曲軸的連桿軸頸。VDF 315 OM-4高速隨動外銑采用復合材料一體化結構床身，工件兩端電子同步旋轉驅動，具有干式切削、加工精度高、切削效率高等特點；該銑床使用SIEMENS 840D CNC控制系統，通過輸入零件的基本參數即可自動生成加工程序，可以加工長度在450～700mm、回轉直徑在380mm以內的各種曲軸，連桿軸頸直徑誤差為±0.02mm。

由上可以看出，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，而且傾向于高速隨動外銑，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（如青海第二機床制造有限責任公司）相繼開發出了數控曲軸車床、數控高速曲軸銑床，數控曲軸車拉機床等專用機床。

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。現代曲軸磨床除了要有很高的靜態、動態剛度和很高的加工精度外，還要求有很高的磨削效率和更多的柔性。近年來，更要求曲軸磨床具有穩定的加工精度，為此，對曲軸磨床的工序能力系數規定了Cp≥1.67，這意味著要求曲軸磨床的實際加工公差要比曲軸給定的公差小一半。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、高效磨削加工創造了條件。一種稱之為連桿頸隨動磨削的工藝。正是體現了這些新技術綜合應用的具體成果。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。要實現隨動磨削，X軸除了必須具有高的動態性能外，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砂輪還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，磨削效率很高。


用于曲軸復合加工的機床

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。從制造業所處的環境看，復合加工機床將一直是重點開發的機床產品之一，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。

在曲軸復合加工機床中，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“一次裝卡，全部完工”的概念。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期間，沈陽數控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，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，可實現閉環控制。該加工中心備有48～96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都是比較成熟的設備。這里簡要介紹一下日本TOYADA工機開發生產的GF70M-T曲軸磨床的性能：該機床是為了滿足多品種、低成本、高精度、大批量生產需要而設計的數控曲軸磨床，應用工件回轉和砂輪進給伺服聯動控制技術，可以一次裝夾而不改變曲軸回轉中心即可完成所有軸頸的磨削，包括隨動跟蹤磨削連桿軸頸；采用靜壓主軸、靜壓導軌、靜壓進給絲杠（砂輪頭架）和線性光柵閉環控制，使用TOYADA工機生產的GC50 CNC控制系統，磨削軸頸圓度精度可達到0.002mm；采用CBN砂輪，磨削線速度高達120m/s，配雙砂輪頭架，磨削效率極高。


曲軸加工中刀具材料多樣化

切削刀具性能的提高為高效、高速加工發展提供了可能性，除了高速鋼、硬質合金以外，超硬材料的發展起到了重要的作用。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發展為A12O3、TiC、ZrO2等，根據加工的要求，為提高耐高溫的性能，又發展了TiCN、TiAlN、TiSiN、CrSiN等。現在PVD（物理氣相沉積）、CVD（化學氣相沉積）技術不斷推陳出新，由單層發展成多層、千層、復合涂層，現在又發展成納米涂層；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要低。據德國NAXOS磨床廠的資料顯示，采用CBN砂輪加工時間通常可縮短50%，而加工費用可節約50%以上。


結語

以上主要從曲軸機械加工方面論述了曲軸加工的進展，由此可得出以下結論：曲軸多刀車削工藝將逐步退出歷史舞臺，盡管這一時期較長；高速高效加工在曲軸制造業已有相當程度的應用；適合于多品種、小批量的復合加工技術是今后曲軸加工的一個發展方向；切削刀具性能的提高為高效、高速、復合加工發展提供了技術保障。