圖1  只用4臺設備便可實現(xiàn)年產(chǎn)能15萬臺曲軸的粗、半精加工

曲軸作為發(fā)動機上最重要的零部件之一，由于其工作環(huán)境的惡劣性，對其強度、剛性、韌性、精度、耐沖擊和耐磨損等性能的要求越來越高，其材料一般是碳素結構鋼或球墨鑄鐵，因而粗加工工藝的合理選擇直接影響著生產(chǎn)的成本、效率及后續(xù)精加工的質(zhì)量和工廢率。

曲軸粗加工工藝技術

曲軸的粗加工工藝流程通常為：銑端面、定總長、鉆質(zhì)量或幾何中心孔及車大小端外圓→銑主軸頸及軸肩→銑連桿頸及軸肩→車拉主軸頸及沉槽→車拉或銑削連桿頸及沉槽→槍鉆油孔。

其中：

（1）銑端面、定總長及鉆中心孔一般有兩種方法，用專機或加工中心鉆中心孔。

（2）曲軸主軸頸和連桿軸頸的粗加工和半精加工工藝，大體有以下幾種：多刀車削工藝、數(shù)控車削工藝、數(shù)控內(nèi)銑銑削工藝、數(shù)控車-拉/數(shù)控車-車拉工藝以及數(shù)控高速外銑工藝。

（3）鉆曲軸深油孔是在專機或加工中心上用槍鉆或麻花鉆進行鉆削。

曲軸粗加工工藝的發(fā)展

曲軸粗加工工藝的演變主要經(jīng)歷了以下幾個階段：

1. 鉆中心孔

國內(nèi)生產(chǎn)線中多采用幾何中心孔作為定位中心，但是利用幾何中心孔作定位中心進行車削加工或磨削加工時，工件旋轉(zhuǎn)時產(chǎn)生的離心力不但影響工件的加工質(zhì)量，降低兩端定心元件的使用壽命，而且磨削完成后剩余的動平衡量大，平衡效率低。鑒于此，國外廠商開發(fā)出了質(zhì)量中心孔加工設備，利用專門設計的測試設備來測試質(zhì)量中心，然后加工出中心孔，采用CNC技術控制，且將銑兩端長度和加工質(zhì)量中心孔合并為一道工序，加工效率比較高。但是，若毛坯質(zhì)量較差，彎曲變形嚴重或質(zhì)量嚴重分布不均勻，采用鉆質(zhì)量中心孔也不能解決上述問題。因此，曲軸的質(zhì)量中心孔和幾何中心孔應按毛坯質(zhì)量的好壞合理選用。一般來說，如果毛坯質(zhì)量好，加工余量小且分布均勻，這時曲軸的質(zhì)量中心孔和幾何中心孔會基本重合，不必花較高的費用購置質(zhì)量定心設備；如果毛坯質(zhì)量較差，加工余量大且分布不均勻，則應優(yōu)先選用質(zhì)量中心孔。

2. 加工曲軸的主軸頸及連桿軸頸

在20世紀60年代之前，曲軸主軸頸及連桿軸頸的加工多采用車削工藝，由于加工精度低和柔性極差等原因，被在60年代末開發(fā)出的CNC車削、CNC外銑和CNC內(nèi)銑逐步淘汰。

CNC外銑面世的時間并不長，由于其后出現(xiàn)的CNC內(nèi)銑技術經(jīng)濟指標明顯優(yōu)于外銑，因而在80年代中期又很快被CNC內(nèi)銑所淘汰。1983年又產(chǎn)生了車拉工藝，在此后5年多時間里，車拉工藝從直線式發(fā)展成回轉(zhuǎn)式，到1988年發(fā)展到車-車拉工藝。至此，曲軸的主軸頸和連桿軸頸的粗加工主要采用CNC車削、CNC內(nèi)銑和CNC車拉(含車-車拉)三種工藝。到90年代中期又出現(xiàn)了CNC高速外銑，它對平衡塊側面需加工的曲軸，比上述三種工藝的生產(chǎn)效率還要高。到90年代的CBN高速磨削，粗磨曲軸主軸頸(含沉割槽)和連桿軸頸(含沉割槽)，出現(xiàn)以磨代替其他粗加工工藝的新局面，甚至直接磨削到成品。

3. 鉆曲軸深油孔

曲軸深油孔的直徑一般在5～8mm之間，從主軸頸到連桿頸傾斜貫通，屬典型細長孔，而且在曲面上加工，工藝性極差。加工深油孔目前用得較多的方式是在專用設備上采用槍鉆工藝，隨著刀具材料和涂層技術的發(fā)展，現(xiàn)在也有很多廠家采用麻花鉆代替槍鉆，無論從效率還是刀具壽命方面都有了很大的提高。此外，近年來還出現(xiàn)了深油孔加工的MQL技術，無論從成本、效率和環(huán)保方面都有了很大的提高。

圖2  對鉆套和鉆頭之間的間隙要求一般在0.015～0.03mm之間

國內(nèi)曲軸粗加工技術現(xiàn)狀

目前國內(nèi)曲軸生產(chǎn)線多數(shù)由普通機床和專用機床組成，設備臺數(shù)多、生產(chǎn)效率和自動化程度相對較低。粗加工設備多采用多刀車床車削曲軸主軸頸及拐頸，加工質(zhì)量穩(wěn)定性差，容易產(chǎn)生較大的加工應力，難以達到合理的加工余量，所以導致產(chǎn)品周轉(zhuǎn)線長、場地占用面積大，其生產(chǎn)效率完全是靠多臺設備分解工序和余量來提高的。 然而，當今的汽車發(fā)動機曲軸制造業(yè)面臨的卻是以下幾個問題：多品種、小批量生產(chǎn)；交貨期大大縮短；降低生產(chǎn)成本的要求；難切削材料的出現(xiàn)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；為保護環(huán)境，要求少用或不用切削液，即實現(xiàn)干式切削或準干式切削。

在進入21世紀以來，高速、高精、高效和高柔性的加工技術及裝備在汽車曲軸制造業(yè)中得到了迅速的應用，生產(chǎn)效率大大提高，發(fā)動機曲軸生產(chǎn)線中設備數(shù)量得以減少，效率得到更大的提高。某轎車發(fā)動機曲軸生產(chǎn)線只用了4臺設備便完成了年產(chǎn)能15萬臺曲軸的粗、半精加工（見圖1），而全線設備也就只有14臺左右，產(chǎn)品周轉(zhuǎn)線大大縮短，加工效率得到極大提高，質(zhì)量控制更易于管理。

合理選擇曲軸粗加工工藝

1.曲軸粗加工機床的合理選用

先進的金屬加工設備在曲軸制造中的重要性毋庸置疑，它能夠可靠地保證尺寸精度和一致性，適應生產(chǎn)節(jié)拍的要求，提高整體工藝水平。但不能采取盲目的“拿來主義”，也并不是設備越先進越好，應符合以下幾個方面的要求：

（1）符合工藝性 結合產(chǎn)品結構，能滿足尺寸精度和一致性的要求；

（2）符合經(jīng)濟性 采用合適而不是最優(yōu)的設備原則；

（3）符合設備管理和維修性 了解設備供應商售后服務質(zhì)量，備件采購是否能夠滿足生產(chǎn)需要及其統(tǒng)一性；

（4）合理組合 本著實用、高效的原則，國內(nèi)有許多曲軸制造企業(yè)對引進設備存在一些誤區(qū)，認為設備越先進、昂貴越好。但如果使用不當，先進設備起不到應有的作用，會造成很大的浪費。

2. 曲軸質(zhì)量中心孔和幾何中心孔加工設備的選用

毛坯質(zhì)量好，加工余量小且加工余量分布均勻，曲軸的質(zhì)量中心孔與幾何中心孔基本重合，可直接鉆幾何中心孔；毛坯質(zhì)量較差，加工余量大且加工余量分布不均勻，要優(yōu)先選用質(zhì)量中心孔作定位中心。因為初始不平衡量較大，如果鉆幾何中心孔，質(zhì)量分布不均勻，轉(zhuǎn)動慣量較大，損壞后續(xù)加工設備的精度。但是，若采用幾何中心孔作定位中心，在進行動平衡時，初始不平衡量如果超出平衡機要求而無法平衡，在這種情況下應優(yōu)先選用質(zhì)量定心機作定位中心。

3. 曲軸軸頸粗加工工藝的合理選用

下面分別就CNC高速外銑、CNC內(nèi)銑、CNC車-車拉及CNC車削來進行介紹。

（1）各種加工工藝的特點 數(shù)控高速外銑的適用范圍廣，特別是雙刀盤數(shù)控高速外銑，切削速度高(可高達350m/min)、加工效率高、質(zhì)量穩(wěn)定且自動化水平高。加工四缸發(fā)動機曲軸，車-車拉工藝加工連桿軸頸需要二次裝夾才能完成，而數(shù)控高速外銑只要一道工序就能完成，現(xiàn)在已成為曲軸主軸頸和連桿軸頸粗加工的主要發(fā)展方向。

CNC內(nèi)銑適合于大型及不定量的批量生產(chǎn)，尤其是對于無沉割槽且平衡塊側面需要加工的曲軸提供了較高的穩(wěn)定性，但其手動上下料較困難、非切削時間較長、設備價格亦較高。加工后表面粗糙度較差，可能對后續(xù)滾壓強化和磨削砂輪會有影響。

數(shù)控車削設備價格相對便宜，不需要復雜的刀具，適合小批量多品種生產(chǎn)。車-拉、車-車拉的突出優(yōu)點是可對寬軸徑進行分層加工，切削效率高，加工質(zhì)量好，但是車拉設備價格高，刀具結構復雜且費用也較高。

（2）根據(jù)曲軸不同的結構來分析 當曲軸的軸頸無沉割槽時，幾種工藝都能加工。當曲軸的軸頸有軸向沉割槽時，CNC高速外銑不能加工，但CNC車削、CNC車拉或車-車拉能加工。當曲軸的平衡塊側面不用加工時，主軸頸加工選用CNC車-車拉或車削比較合理，加工精度高。由于連桿頸軸線不在一條中心線上，如六拐曲軸，用車-車拉加工就比較困難，而CNC高速外銑就比較容易。當曲軸的平衡塊側面要加工時，主軸頸加工應優(yōu)先選用CNC內(nèi)銑或CNC高速外銑，連桿頸的加工用CNC高速外銑；若毛坯是鍛鋼毛坯，CNC內(nèi)銑更有利于斷屑；若采用CNC車削或車拉，由于平衡塊側面是斷續(xù)車削，曲軸轉(zhuǎn)速較高(約800～1000r/min)，在這種切削工況條件下，刀具崩刃現(xiàn)象嚴重，加工工藝選擇就很不合理。

（3）根據(jù)加工精度和機床的復雜程度來分析 CNC車削、CNC車-車拉加工精度相對CNC內(nèi)銑和CNC高速外銑高些，但只適合于加工主軸頸，一般不用于連桿軸頸的加工。因為若用于連桿頸加工，比如對于四缸發(fā)動機要進行兩次裝夾且夾盤結構復雜；此外，CNC內(nèi)銑和CNC高速外銑機床較復雜。

（4）從加工的柔性方面來分析 CNC高速外銑(雙刀盤)及CNC內(nèi)銑(雙刀盤)比CNC車削、CNC車拉(含車-車拉，雙刀盤)的柔性好。

根據(jù)不同的年生產(chǎn)綱領，比較各種加工工藝的特點，分析曲軸的結構、機床結構及價格、工藝經(jīng)濟性，就可以制定合理的曲軸主軸頸及連桿軸頸粗加工工藝方案。

3.曲軸深油孔的加工工藝

由于曲軸材料和其結構的特殊性，曲軸深油孔加工是曲軸尤其是鍛鋼曲軸加工中的一個難題，目前很多國內(nèi)專業(yè)的曲軸生產(chǎn)廠家主要用專用機床進行加工，也有一些廠家采用搖臂鉆，但是效率太低。

目前采用專用的設備進行加工得到了很快的發(fā)展，甚至這些專用設備的柔性都比較高，但是由于油孔結構的復雜性和長徑比較大，對刀具提出了更高的要求，斷屑、排屑要好，鉆尖結構合理，切削環(huán)境惡劣，潤滑要好。目前主要采用帶涂層的整體硬質(zhì)合金外排屑內(nèi)冷槍鉆代替普通加長高速鋼鉆頭，但是隨著刀具技術的發(fā)展，在一些實際的應用中采用帶涂層的整體硬質(zhì)合金麻花鉆有著更高的效率和刀具耐用度。在沒有預鉆的前提下進行直接鉆削，相當于在空間曲面上進行鉆削加工，對刀具和刀輔具的要求也嚴格多了。比如對鉆套和鉆頭之間的間隙要求一般在0.015～0.03mm之間（見圖2），否則在鉆削過程中比較容易折斷。有些廠家為了響應綠色制造和環(huán)保的要求，發(fā)展了MQL技術來代替?zhèn)鹘y(tǒng)的大流量油冷沖洗。

目前國外知名專業(yè)設備廠商主要是以德國TBT、西班牙ETXE-TAR等為代表的機床廠商和以TBT、住友、Guhring等為代表的刀具廠商。

國內(nèi)也有一些廠家采用柔性較高的加工中心，不采用鉆套，而是先用一把銑刀在工件表面上锪一個平臺，接著進行預鉆，然后再進行鉆削，刀具數(shù)量較多，輔助時間較長，一次只能鉆削一件曲軸(單主軸)，所以效率比較低。