某型號柴油機曲軸關鍵加工工藝研究

李崢 王連宏 張雪冬 周建榮 李曉霞 王鐵剛

（1 山西柴油機工業有限責任公司，山西 大同，037036）

0 引言

隨著裝備柴油機的功率和性能進一步提升，對曲軸提出了更高的要求。特別是曲軸在工作狀態下承受較大的交變扭矩和彎矩載荷，從設計上曲軸不僅具有高的尺寸精度、位置精度，而且具有更好的抗疲勞性能。曲軸的加工工藝水平不僅影響柴油機整機的尺寸和重量，而且在很大程度上影響著柴油機的可靠性與壽命。為此，對大功率柴油機高強鋼曲軸進行工藝研究具有重要意義。

1 材料的選用

根據柴油機的工作狀況，柴油機曲軸一般采用調質鋼和非調質鋼制造，調質鋼常用材料有：40Cr和42CrMo 等；非調質鋼常用材料有：48MnV 和38MnV6 等。隨著柴油機轉速、功率等性能的提升，德國柴油機曲軸采用DIN 牌號的34CrNiMo6合金結構鋼，相當于國內材料40CrNiMoA 合金鋼。34CrNiMo6 材料經調質處理后，硬度可達40HRC，抗拉強度σb1100 MPa，伸長率δ12%，沖擊韌度值ακ為8kg/cm2。該材料屬于低碳低合金高強鋼，具有優良的綜合力學性能，廣泛用于柴油機的高載荷和高扭矩的曲軸，但加工性較差，是典型的難加工材料。因此在曲軸加工中應充分考慮刀具材質和切削參數的選擇。

圖1 某型號柴油機曲軸圖

2 設計要求

某型號柴油機曲軸見圖1。

柴油機技術的發展帶動了曲軸的結構設計，從普通性能結構鋼到高強高硬材料應用，從滲碳淬火到表面氮化熱處理，從軸頸圓柱度0.008 到0.006 的提升，從單一的軸頸表面粗糙度Ra 標注到采用Rz 標注優化，均需要對曲軸加工工藝進行較大的更新和突破。特別是軸頸圓柱度、平行度、跳動及表面粗糙度的提高，必須采用高精度數控設備和先進的熱處理技術才能滿足產品質量要求。

圖2 曲軸內銑刀具

3 主要加工流程

遵循“先面后孔，先主要面后次要面，先粗加工后精加工”的加工原則進行加工。為此先通過劃線確定曲軸兩端中心孔位置，然后采用普通車銑床和曲軸內銑進行大余量去除的外形加工?？紤]曲軸軸頸的高精度要求，采用數控設備進行磨削，并采取多次時效處理工藝以減少加工和熱處理變形，最后采用數控砂帶拋光實現曲軸軸頸的表面完整性。主要加工流程如下：

毛坯—劃線—鉆中心孔—粗車銑外形—時效—精銑軸頸—時效—粗磨軸頸—精銑曲臂外形—時效—精磨軸頸—氮化—拋光—動平衡—檢驗。

4 關鍵工序和技術分析

4.1 毛坯選擇

采用鐓擠復合成形技術制造曲軸毛坯，可有效解決鍛件折疊、啃傷、充型不飽滿、外形余量不均勻等缺陷，同時可以解決鍛件成形精度低和多拐曲軸累計誤差大的問題，有效提高曲軸纖維連續性、各拐性能均勻性和抗疲勞性能。

4.2 兩端中心孔加工

曲軸兩端的中心孔不僅是曲軸后續工序加工的基準，也直接影響到曲軸的不平衡量。兩端中心孔質量好壞，對加工精度影響很大，為此根據軸頸外形的加工余量通過劃線確定曲軸中心，劃線后采用數控銑床、中心架支撐，通過找正中心劃線點利用專用中心鉆完成兩端中心孔加工。加工中心孔時必須做到兩端中心孔軸線相互重合，中心孔的錐角要準確，它與頂尖的接觸面積要大，表面粗糙度要小，否則裝夾于兩頂尖間的曲軸在加工過程中將因接觸剛度的變化而出現圓度誤差。

圖3 曲軸主軸頸和連桿頸隨動磨削示意圖

4.3 軸頸粗加工

曲軸軸頸粗加工的主要目的是采用大余量切除法解決曲軸外形的大部分余量。由于粗加工部位較多，耗時時間較長，加工量大，容易造成曲軸變形。為此在加工時采用兩端中心孔定位，中心架支承，嚴格控制加工進給量和切削速度，有效減少曲軸加工的切削變形。對于曲軸主軸頸和連桿軸頸的粗加工和半精加工，采用曲軸內銑設備和分度盤進行加工，考慮曲軸材料屬于難加工材質，選用可轉位涂層刀片，獲得了較高的軸向尺寸和軸頸尺寸精度。曲軸內銑用刀具見圖2。

圖4 曲軸氮化爐

4.4 軸頸精加工

磨削是一種重要的精加工方法，同其它的加工方法相比，磨削具有加工精度高、獲得的表面質量好、被加工材料硬度高等優點，所以磨削通常作為加工質量要求高的零件的最終精加工手段。磨削加工在曲軸加工工藝環節中占有重要地位，對曲軸加工質量和生產效率有舉足輕重的影響。但普通的磨削方法存在效率低、消耗大、成本高等不足之處，長期以來，磨削都被人們普遍視作是一種和低效率聯系在一起的精加工手段。 傳統的曲軸磨削加工方法由兩道工序完成，在曲軸主軸頸磨床上，以中心孔定位，以主軸頸中心連線為回轉中心加工主軸頸；在曲軸連桿頸磨床上以主軸頸定位，通過采用偏心裝置，以被加工連桿頸的軸心線為回轉中心加工連桿頸。這種加工方法存在二次裝夾定位誤差大、輔助時間長、離線測量精度不穩定、柔性低、經濟性差等缺點。因此，采用隨動磨削技術加工曲軸主軸頸和連桿軸頸是目前最先進的一種工藝技術，該技術以曲軸的主軸頸定位，以主軸頸中心連線為回轉中心，一次裝夾依次磨出主軸頸和連桿頸。其中主軸頸的磨削方式與現有的主軸頸磨床上磨削主軸頸的方式相同，而磨削連桿軸頸的實現方式為：通過采用計算機數控（CNC）技術，根據建立的連桿軸頸磨削運動的數學模型，控制砂輪的橫向進給（X軸）和工件回轉運動（C 軸）聯動插補，獲得連桿頸的0.012mm 磨削精度和Ra0.1 的表面質量。隨動磨削具有高精度、高柔性、高效率的特點，是當今曲軸磨削加工方法的發展方向。曲軸主軸頸和連桿頸隨動磨削見圖3.

圖中：φ—連桿頸上磨削點轉過的弧段所對應的角度

4.5 表面強化

由于曲軸在交變應力作用下工作，其軸頸要求具有高的硬度和耐磨性，特別是軸頸根部圓角處發生應力疲勞和應變破壞的危險性極大，需要根據設計要求針對精磨后的曲軸在拋光前進行氮化處理，采用垂直放置的工藝方法，氮化處理后生成極細顆粒具有高硬度的ε 相，同時還能生成Fe3N 和FeN，使軸頸和圓角均得到強化處理，改善表面耐磨性，增加表面硬度。特別是能夠提升曲軸的抗疲勞強度20%-60%，并大幅增加材料的抗腐蝕性能，滿足曲軸在大功率柴油機中的高速高承載使用要求。曲軸氮化爐見圖4.

5 結語

曲軸是柴油機的關鍵零件之一，裝備技術的發展對柴油機曲軸的性能、技術水平、加工質量及生產效率提出了更高的要求。通過針對某型號大功率柴油機高強鋼曲軸加工工藝研究，采用了先進的加工工藝技術，解決了曲軸生產過程中的關鍵技術問題，減少了曲軸加工過程中可能產生的誤差， 提高了曲軸加工質量和生產效率。