發(fā)動機曲軸制造技術(shù)進展與未來
2013-5-16 來源： 作者：
曲軸是發(fā)動機中承受沖擊載荷、傳遞動力的重要零件，在發(fā)動機五大件中最難以保證加工質(zhì)量。由于曲軸工作條件惡劣，因此對曲軸材質(zhì)以及毛坯加工技術(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。如果其中任何一個環(huán)節(jié)質(zhì)量沒有得到保證，則可嚴重影響曲軸的使用壽命和整機的可靠性。世界汽車工業(yè)發(fā)達國家對曲軸的加工十分重視，并不斷改進曲軸加工工藝。隨著WTO的加入，國內(nèi)曲軸生產(chǎn)廠家已經(jīng)意識到形勢的緊迫性，引進了為數(shù)不少的先進設(shè)備和技術(shù)，以期提高產(chǎn)品的整體競爭力，使得曲軸的制造技術(shù)水平有了大幅提高，特別是近5年來發(fā)展更為迅猛。
目前車用發(fā)動機曲軸材質(zhì)有球墨鑄鐵和鋼兩類。由于球墨鑄鐵的切削性能良好，可獲得較理想的結(jié)構(gòu)形狀，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。球墨鑄鐵曲軸成本只有調(diào)質(zhì)鋼曲軸成本的1/3左右，所以球墨鑄鐵曲軸在國內(nèi)外得到了廣泛應(yīng)用。統(tǒng)計資料表明，車用發(fā)動機曲軸采用球墨鑄鐵材質(zhì)的比例在美國為90%，英國為85%，日本為60%，此外，德國、比利時等國家也已經(jīng)大批量采用。國內(nèi)采用球墨鑄鐵曲軸的趨勢則更加明顯，中小型功率柴油機曲軸85%以上采用球墨鑄鐵，功率在160kW以上的發(fā)動機曲軸多采用鍛鋼曲軸。
曲軸制造技術(shù)/工藝的進展
1.球墨鑄鐵曲軸毛坯鑄造技術(shù)
球墨鑄鐵曲軸的生產(chǎn)繼QT800-2、QT900-2等幾種牌號后，廣西玉柴等經(jīng)過攻關(guān)已能穩(wěn)定生產(chǎn)QT800-6牌號的曲軸，為曲軸“以鐵代鋼”奠定了基礎(chǔ)。
熔煉高溫低硫純凈鐵水的獲得是生產(chǎn)高質(zhì)量球墨鑄鐵的關(guān)鍵。國內(nèi)主要是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。目前已采用雙聯(lián)外加預(yù)脫硫的熔煉方法，采用沖天爐熔化鐵水，經(jīng)爐外脫硫，然后在感應(yīng)電爐中升溫并調(diào)整成分。目前，在國內(nèi)鐵水成分的檢測已普遍采用真空直讀光譜儀來進行。
造型氣流沖擊造型工藝明顯優(yōu)于粘土砂型工藝，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等特點，這對于多拐曲軸尤為重要。目前，國內(nèi)已有一些曲軸生產(chǎn)廠家從德國、意大利、西班牙等國引進氣流沖擊造型工藝，不過，引進整條生產(chǎn)線的只有極少數(shù)廠家，如文登天潤曲軸有限公司引進了德國KW鑄造生產(chǎn)線。
2.鋼曲軸毛坯的鍛造技術(shù)
近幾年來，國內(nèi)已引進了一批先進的鍛造設(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)備未發(fā)揮應(yīng)有的作用。從總體上來講，需改造和更新的陳舊的普通鍛造設(shè)備多，同時，落后的工藝和設(shè)備仍占據(jù)主導(dǎo)地位，先進技術(shù)有所應(yīng)用但還不普遍。
3.機械加工技術(shù)
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，生產(chǎn)效率和自動化程度相對較低。粗加工設(shè)備多采用多刀車床車削曲軸主軸頸及拐頸，工序的質(zhì)量穩(wěn)定性差，容易產(chǎn)生較大的內(nèi)應(yīng)力，難以達到合理的加工余量。一般精加工采用MQ8260等曲軸磨床粗磨-半精磨-精磨-拋光，通常靠手工操作，加工質(zhì)量不穩(wěn)定。
隨著貿(mào)易全球化的到來，各廠家已意識到了形勢的嚴峻性，紛紛進行技術(shù)改造，全力提升企業(yè)的競爭力，近年來引進了許多先進設(shè)備和技術(shù)，進展速度很快。就目前狀況來講，這些設(shè)備和技術(shù)基本依賴進口。下面就哈爾濱東安動力、一汽大柴、文登天潤曲軸、濱州海得曲軸等公司的情況作以介紹。
哈爾濱東安集團曲軸生產(chǎn)線為全自動柔性流水生產(chǎn)線，粗加工生產(chǎn)線由德國的專機自動線(LINDENMAIER)、數(shù)控車-車拉、數(shù)控高速隨動外銑(BOEHRINGER)、圓角滾壓機(HEGENSCHEIDT-MFD)和止推面車滾專機、淬火機(EMA)等組成；精加工生產(chǎn)線由日本的數(shù)控高速CBN磨床(TOYODA)、動平衡機、拋光機(IMPCO-NACHI)、檢測機、清洗機等組成。
連桿軸頸加工則采用了數(shù)控高速隨動加工技術(shù)，全線采用高速CBN砂輪磨削技術(shù)，磨削線速度達到120m/s。
文登天潤曲軸通過引進德、美、意等發(fā)達國家的先進設(shè)備，組建了具有當今國際先進水平的大型曲軸生產(chǎn)基地，由CBN磨床、HAAS立式和臥式加工中心、意大利SAIMP磨床、德國HELLER曲軸內(nèi)銑床和SA-FINA拋光機等設(shè)備組成的機加工生產(chǎn)線已經(jīng)開始大批量生產(chǎn)。
一汽大柴曲軸生產(chǎn)線粗、精加工工序位于不同的車間，從而保證了精加工車間的清潔。粗加工有曲軸質(zhì)量定心機、數(shù)控內(nèi)銑床等設(shè)備，精加工設(shè)備由英國LANDIS、日本TOYADA數(shù)控曲軸磨床等進口先進設(shè)備組成。
濱州海得曲軸經(jīng)過技術(shù)改造，組建了數(shù)控曲軸機加工生產(chǎn)線，粗加工設(shè)備由數(shù)控車床、數(shù)控曲軸銑床等設(shè)備組成，精加工設(shè)備由數(shù)控磨床、數(shù)控砂帶拋光機、滾磨光整機等設(shè)備組成，近期準備購進日本TOYADA工機數(shù)控磨床等關(guān)鍵設(shè)備，檢驗設(shè)備有美國ADCOLE曲軸三坐標測量機、粗糙度儀等組成。值得一提的是，海得曲軸公司在全國專業(yè)曲軸生產(chǎn)廠家中率先應(yīng)用了球墨鑄鐵曲軸圓角滾壓和滾磨光整新技術(shù)，取得了良好的經(jīng)濟效益和社會效益。
可以看出，發(fā)動機曲軸制造技術(shù)進展最為迅速的是機械加工裝備，比較典型的加工工藝是銑削和磨削。下面簡要介紹GF70M-T曲軸磨床和VDF 315 OM-4高速隨動外銑床，其先進程度可見一斑：
GF70M-T曲軸磨床是日本TOYADA工機開發(fā)生產(chǎn)的專用曲軸磨床，是為了滿足多品種、低成本、高精度、大批量生產(chǎn)需要而設(shè)計的數(shù)控曲軸磨床。該磨床應(yīng)用工件回轉(zhuǎn)和砂輪進給伺服聯(lián)動控制技術(shù)，可以一次裝夾而不改變曲軸回轉(zhuǎn)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(dǎo)軌、靜壓進給絲杠(砂輪頭架)和線性光柵閉環(huán)控制，使用TOYADA工機生產(chǎn)的GC50 CNC控制系統(tǒng)，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。
VDF 315 OM-4高速隨動外銑床是德國BOEHRINGER公司專為汽車發(fā)動機曲軸設(shè)計制造的柔性數(shù)控銑床，該設(shè)備應(yīng)用工件回轉(zhuǎn)和銑刀進給伺服連動控制技術(shù)，可以一次裝夾不改變曲軸回轉(zhuǎn)中心隨動跟蹤銑削曲軸的連桿軸頸。VDF 315 OM-4高速隨動外銑采用一體化復(fù)合材料結(jié)構(gòu)床身，工件兩端電子同步旋轉(zhuǎn)驅(qū)動，具有干式切削、加工精度高、切削效率高等特點；使用SIEMENS 840D CNC控制系統(tǒng)，設(shè)備操作說明書在人機界面上，通過輸入零件的基本參數(shù)即可自動生成加工程序，可以加工長度450～700mm、回轉(zhuǎn)直徑在380mm以內(nèi)的各種曲軸，連桿軸頸直徑誤差為±0.02mm。
4.熱處理和表面強化處理技術(shù)
曲軸的熱處理關(guān)鍵技術(shù)是表面強化處理。球墨鑄鐵曲軸一般均采用正火處理，為表面處理做好組織準備，表面強化處理一般采用感應(yīng)淬火或氮化工藝。鍛鋼曲軸則采用軸頸與圓角淬火工藝。引進的設(shè)備有AEG全自動曲軸淬火機床、EMA淬火機床等。
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)合使用進行復(fù)合強化，可使整條曲軸的抗疲勞強度提高130%以上。國內(nèi)部分廠家近幾年也進行了這方面的實踐，取得了良好的效果。
曲軸圓角滾壓加工方面，德國赫根塞特(HEGENSCHEIDT-MFD AUTOMATIC)生產(chǎn)的機床應(yīng)用了變壓力滾壓和矯正專利技術(shù)，是比較好的圓角滾壓設(shè)備，但價格昂貴。目前國內(nèi)在這方面的研究也有了一定的成果，東風(fēng)汽車有限公司工藝研究所的“曲軸圓角滾壓強化與滾壓校直技術(shù)研究開發(fā)及應(yīng)用”解決了國內(nèi)企業(yè)化巨資引進國外技術(shù)的問題，該課題獲得了原國家機械工業(yè)局科技進步二等獎。
曲軸制造技術(shù)的發(fā)展趨勢
1.鑄造技術(shù)
熔煉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，并采用直讀光譜儀檢測鐵水成分。球墨鑄鐵處理采用轉(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。
造型消失模鑄造將得到發(fā)展和推廣。在砂型鑄造中，無箱射壓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，其中部分關(guān)鍵元件將得到改進，實現(xiàn)自動組芯和下芯。
2.鍛造技術(shù)
以熱模鍛壓力機、電液錘為主機的自動線是鍛造曲軸生產(chǎn)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)(FMS)。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.機械加工技術(shù)
曲軸粗加工將廣泛采用數(shù)控車床、數(shù)控內(nèi)銑床、數(shù)控車拉床等先進設(shè)備對主軸頸、連桿軸頸進行數(shù)控車削、內(nèi)銑削、車-拉削加工，以有效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、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。高精設(shè)備依賴進口的現(xiàn)狀，估計短期內(nèi)不會改變。
4.熱處理技術(shù)和表面強化技術(shù)
曲軸中頻感應(yīng)淬火曲軸中頻感應(yīng)淬火將采用微機監(jiān)控閉環(huán)中頻感應(yīng)加熱裝置，具有效率高、質(zhì)量穩(wěn)定、運行可控等特點。
曲軸軟氮化對于大批量生產(chǎn)的曲軸來說，為了提高產(chǎn)品質(zhì)量，今后將采用微機控制的氮基氣氛氣體軟氮化生產(chǎn)線。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。
曲軸表面強化技術(shù)球墨鑄鐵曲軸圓角滾壓強化將廣泛應(yīng)用于曲軸加工中，另外，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，鍛鋼曲軸強化方式將會更多地采用軸頸加圓角淬火處理。
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