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车用发动机曲轴的高效加工
2011-11-18  来源:数控机床市场  作者:山特维克可乐满

挑战:汽车产能增长迅速,如何满足车用发动机曲轴的高品质、高效率要求?

解决方案:山特维克可乐满优化的曲轴加工工艺

   

      汽车制造业,作为实体经济中的重要一环,近年在中国获得了高速发展。如今,随着全球每年汽车产量超过6000万辆,且需要改进发动机技术,以改善废气排放、减轻重量、改善燃料的燃烧性和摩擦系数以及改善发动机功效等,作为内燃发动机核心零件的曲轴加工受到越来越多的关注。

      由于发动机用途不一,曲轴也千差万别。有用于园艺设备和摩托车的二冲程发动机小曲轴,也有用于万吨轮船上柴油机的巨型曲轴,种类繁多,大小不一。

      即使是汽车发动机的曲轴也各不相同。不同的汽缸直径和工作形程,不同的汽缸数,不同的汽缸布置形式以及发动机不同的设计功用以及满足不同排放要求的设计等等,决定了每个品牌的不同类型发动机也各不相同。无论从衡量汽车的整体性能方面,还是零部件制造难度水平以及制造成本的高低方面分析,发动机都是汽车最为重要的总成。而作为发动机核心零部件的5C件中,曲轴无疑是其中加工难度最大、加工工艺形式最为多样化的工件。

 

      作为大批量生产的零件,汽车曲轴受到成本效益的很大制约,从早期的设计、加工材料和热处理工艺的选择以及加工工艺的选择上,都经过了很多改变。

 

      曲轴的材料,经过了球墨铸铁、高抗拉强度的锻钢、等温淬火球铁(ADI) 等多种选择。就加工难度而言,调质状态的锻钢,与ADI较难加工。而ADI凭借其高强度、高韧性、成型性能好、成本低、综合机械性能优良以及轻量化优势等诸多优点,有望今后在更大范围内取代锻钢。

 

      从曲轴的加工内容看,有铣端面打中心孔,车法兰端和小端,轴颈加工,加工油孔和动平衡,轴颈根部滚压和磨削、抛光等。其中,曲轴加工的难点在曲轴轴颈的加工,有数控车、外铣、内铣、车拉、车车拉、高速铣、大切深磨削、车铣复合加工等多种加工方式。各种加工方式无不是由曲轴的工艺要求、生产批量、投资成本等多种因素下的综合结果。对于大批量车用曲轴,轴颈的加工方式最为典型的几种方式就是外铣、内铣、数控车削和车车拉加工等。山特维克可乐满为此在德国设立了集研发、设计、制造为一体的曲轴和凸轮轴加工应用中心,强力支持山特维克可乐满位于世界各地的销售组织更好地为全球的汽车用户服务。

 

      作为以技术为主导的全球最大的硬质合金制造商,山特维克可乐满尤为重视新产品开发和复杂刀具的应用与研发。山特维克可乐满相继在以下国家和地区为特定的加工应用组建了相关的专业中心:德国Sandvik Dusseldorf 的曲轴和凸轮轴加工应用中心,位于英国Sandvik Halesowen的复杂的成形铣刀应用中心、以及深孔加工应用中心,以及德国Sandvik Schmalkalden的复杂的镗削系统应用中心等。

 

      山特维克可乐满组建这些专业的应用中心是为了更专注于特定的加工应用领域、为特定的加工应用提供最佳解决方案、支持全球的特定需求,达到全球经验共享,更专业地为用户提供从设计、制造、应用的全套解决方案。

 

      山特维克可乐满曲轴和凸轮轴加工应用中心位于德国Dusseldorf市,也是山特维克可乐满德国总部。数十年来,为山特维克可乐满全球范围提供有关曲轴和凸轮轴加工的解决方案和相关支持,得到来自瑞典总部和法国,巴西,日本等其它国家的设计研发部门的大力支持,与集团内部相应的刀体及刀片生产单位密切合作,涉及的曲轴加工包括:曲轴法兰端和小端的加工、曲轴推力面加工、曲轴车拉、曲轴车/车-车拉、曲轴内铣和外铣、曲轴车铣加工等曲轴加工内容,同时包括凸轮轴铣削等。

 

      社会的发展要求曲轴加工更加精密,同时要保证曲轴加工的制造成本不发生较大变化。绿色和环保的压力使曲轴制造面临更多困难:发动机的小型化、发动机减少废气排放的需求、发动机的高功效比要求等等。我们可以用一些数据来反映此情况:如加工汽车曲轴的铣刀,其跳动量一般不超过0.02毫米;刀具寿命必须很长,而且可以预测,以保障生产线的连续可靠的运行;根据加工情况和热处理方式的不同,加工循环时间可以优化到十秒以内,并使两次换刀之间加工8000件曲轴成为可能,以确保较高的班产量。

 

      在德国曲轴和凸轮轴加工应用中心,山特维克可乐满的曲轴加工研发团队拥有经过证实成功的业绩,并已在全球各地安装了数以千套计的刀具。山特维克可乐满曲轴加工的历史,可以追溯到20世纪70年代。90年代初,该曲轴和凸轮轴加工应用中心的生产能力和加工能力就可以非常专业地应对汽车工业的需求。 

 

      随着曲轴加工解决方案越来越受青睐, 曲轴本身的演变也是一个持续不断的过程。成功的解决方案取决于对许多要素细致且广泛的分析,比如加工余量、循环时间、设备要求、加工精度、质量水平以及换刀间隔时间等等,没有一个单一的标准方案,所有的方案都必须依据各自的应用领域量身设计。曲轴需要若干不同的工序才能完成,锻件或铸件作为坯料也各不相同,制造商对工业是否满意,所有这一切取决于其对曲轴单位生产成本、产量和投资成本的综合评估。

 

      曲轴所处的部位由发动机的轴承来支承,是一个要求高强度且稳定的机械元件,但作为加工工件来说,却较为复杂且困难。于是,研究加工曲轴就有了各种方法,尤其针对汽车发动机曲轴。不管是什么要求,山特维克可乐满能够根据多年来对刀具设计、刀片槽型和牌号进行广泛的开发,分别优化各种应用,满足用户曲轴工艺要求。

  

      当然,曲轴本身是机械-零件-刀具系统中最薄弱的环节,部件的不稳定性会影响到最小循环时间和质量稳定性。这对开发设计刀具和可转位刀片以及应用带来了很高的要求。这意味着结合切削刀片的分布,达到切削力的平衡,以及确立针对各种加工表面加以优化的高切削参数,避免加工振动达到切削顺滑流畅。

 

      要成为合格的曲轴切削刀具供应商,必须具备相应的背景、能力和资源。山特维克可乐满建立曲轴和凸轮轴能力中心,并把它设在处于欧洲中心位置的德国,就是以这一理念为基础。山特维克可乐满已经与这一区域的曲轴制造商和数量相对较少的机床制造商展开了密切且可信赖的国际合作。

 

      曲轴车削是一种主要用于加工曲轴主轴颈的灵活方法。在有些情况下,它还用于连杆颈的加工。如果用于加工连杆颈,不平衡、偏离中心的夹持位置需要特殊、有质量补偿的夹具。车削加工是在特殊的曲轴加工机或配备特制刀塔的通用车床上进行。由于容易出现长悬伸和振动,因此对刀具的要求很严格。

 

      曲轴的车拉这是一种拉削工艺,可以通过线性车拉方法,对旋转曲轴刀具切向进给常规直拉刀,随着拉削工艺的发展,也采用圆形或螺旋形刀具。该方法虽然有效,但不能灵活适用于各种曲轴结构,所以未能广泛推行。

 

      曲轴的车-车拉工艺是车削与车拉的组合,其中车削和车拉刀具径向固定在一个圆刀盘上,圆刀盘沿着平衡块侧面进入轴颈,随着曲轴旋转进行加工。车削主要是粗加工工序,采用安装在圆刀盘上的刀块,切削刃处于工件的中心线。车拉刀具进行精加工切削,通过缓慢旋转的刀块对着旋转曲轴轴颈切向移动。该方法的优点是在圆刀盘上安装使用最有效数量的替换刀具,相较曲轴外铣和内铣工艺,它是加工有轴向沉割的唯一方法。

 

      内铣也称行星铣,它可以在较长时间里进行重型铣削。铣刀形成一个圆环,曲轴在该圆环内旋转。可转位刀片密齿排列,通过刀块或直接安装在圆环内周上,加工平衡块外圆、侧面和轴颈。这是一种很稳定的设计,大多用于大型曲轴,或在必须去除大量坯料是使用,常见于重型卡车、工程机械和发电机组用发动机曲轴加工工艺。       

    

      外铣主要用于加工大量中小型汽车曲轴。简单讲,它是一种快速旋转的密齿侧铣刀和面铣刀的组合,当曲轴以组合运动旋转时,它对工件的轴颈或平衡块进行加工。外铣的特点是金属去除率高,切削定位迅速。一般而言,直径为700毫米的刀盘在圆周安装扇形块最多可安装350片刀片,可加工曲轴轴颈、平衡块侧面和顶面。该方法加工循环时间短,处理刀具迅速,刀具调整时间短,加工效率很高。 

 

      结论

      通过与曲轴制造商和机床制造商充分的交流和沟通,寻求最适合曲轴制造商需求的曲轴制造工艺方案,在山特维克可乐满曲轴和凸轮轴能力中心与山特维克当地的销售服务机构的共同参与下,给曲轴制造商提供完善的技术支持和服务。

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