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曲轴加工技术走向高效复合化

2013-1-7 来源：作者：山东滨州海得曲轴有限责任公司李海国

进入21 世纪以后，发动机曲轴在制造工艺、刀具等方面都发生了巨大的变化，与以前加工工艺有很多不同。领导了近半个世纪的多刀车削工艺和手动磨削工艺，由于加工精度低和柔性差等原因，将逐步退出历史舞台。高效复合加工技术及装备迅速进入汽车及零部件制造业，曲轴的高效复合加工技术在行业内已有相当程度的应用，这都将代表这一行业的未来发展趋势。

曲轴加工技术现状

国内旧式曲轴生产线多由普通机床和专用机床组成，生产效率和自动化程度相对较低。粗加工设备一般采用多刀车床车削曲轴主轴颈及连杆轴颈，工序质量稳定性差，容易产生较大的加工应力，难以达到合理的加工余量。精加工多采用普通曲轴磨床粗磨－半精磨－精磨－抛光，通常靠手动操作，加工质量不稳定，尺寸一致性差。老式生产线一个主要的特点就是普通设备太多，按加工球墨铸铁曲轴来算，一条生产线35～ 40 台设备。笔者曾考察过南方一条锻钢曲轴生产线，粗加工采用普通外铣加工主轴颈和连杆颈，然后数控精车主轴颈和连杆轴颈，再经过多道工序的磨削方式转入精加工工序。生产线设备更是多达60 多台，产品周转线长，场地占用面积大，生产效率完全是靠多台设备分解工序和余量来提高的。然而当今的发动机曲轴制造业面临着以下问题：

（ 1）多品种、小批量生产。

（ 2）交货期大大缩短。

（ 3）降低生产成本。

（ 4）难切削材料的出现使加工难度明显增加，加工中提出了许多需要解决的课题，如硬切削。

（ 5）为保护环境，要求少用或不用切削液，即实现干式切削或准干式切削。

正是基于以上出现的新情况，在进入21 世纪以来，高效复合加工技术及装备汽车制造业得到了迅速的应用，生产效率得到了很大的提高，发动机曲轴生产线生产设备数量才得以减少，笔者曾在一条轿车发动机曲轴生产线看到，全线仅有13 台设备左右，产品周转线短，加工效率高，易于质量管理。

曲轴高效加工技术的进展

2 0 世纪8 0 年代后期，德国B O E H R I N G E R 公司和H E L L E R 公司相继开发出了完善的曲轴车- 车拉机床，该加工工艺是将曲轴车削工艺与曲轴车拉工艺完美结合，生产效率高，加工精度好，柔性强，自动化程度高，换刀时间短，特别适合有沉割槽曲轴的加工，加工后曲轴可直接进行精磨，省去粗磨工序。因此，曲轴车－车拉加工工艺是目前国际上曲轴粗加工中流行的加工工艺之一。

20世纪90年代中期国外又研发出来新型的C N C 高速曲轴外铣机床，使曲轴粗加工工艺又上了一个新台阶， CNC 曲轴内铣与CNC 高速曲轴外铣对比，内铣存在以下缺点：

不容易对刀、切削速度较低（通常不大于160m/min）、非切削时间较长、机床投资较多、工序循环时间较长。而CNC 高速曲轴外铣有以下优点：切削速度高（可高达350m/min）、切削时间较短、工序循环时间较短、切削力较小、工件温升较低、刀具寿命高、换刀次数少、加工精度更高、柔性更好。因此，CNC 高速曲轴外铣将是曲轴粗加工的发展方向。

笔者在江苏南亚自动车有限公司菲亚特轿车曲轴生产线见到德国B O E H R I N G E R 公司两台设备加工状况，一台为数控曲轴车－车拉机床，另外一台为C N C 高速曲轴外铣，切身体验了一次“ 削铁如泥”的感觉。据专家介绍，曲轴车－车拉机床特别适合于轴颈有沉割槽、平衡块侧面不用加工曲轴，而高速外铣则不能加工轴向有沉割槽的曲轴。下面简要介绍一下VDF 315 OM － 4高速随动外铣床的加工性能：该机床是德国B O E H R I N G E R 公司专为汽车发动机曲轴设计制造的柔性数控铣床，该设备应用工件回转和铣刀进给伺服连动控制技术，可以一次装夹不改变曲轴回转中心随动跟踪铣削曲轴的连杆轴颈。VDF 315O M － 4 高速随动外铣采用复合材料一体化结构床身，工件两端电子同步旋转驱动，具有干式切削、加工精度高、切削效率高等特点；使用SIEMENS 840D CNC 控制系统，设备操作说明书在人机界面上，通过输入零件的基本参数即可自动生成加工程序，可以加工长度450 ～700mm、回转直径在380mm 以内的各种曲轴，连杆轴颈直径误差为± 0.02mm。

由此可以看出，曲轴粗加工比较流行的工艺是：主轴颈采用车拉工艺和高速外铣，连杆轴颈采用高速外铣，而且趋于高速随动外铣，全部采用干式切削。由于国外此类设备价格昂贵，产品加工成本很高，国内一些机床生产厂家相继开发出了数控曲轴车床、数控高速曲轴铣床，数控曲轴车拉机床等专用机床。曲轴精加工采用国内数控磨床磨削已相当普遍，产品加工精度已有相当程度的提高。为满足曲轴日益提高的加工要求，对曲轴磨床也提出了很高的要求。现代曲轴磨床除了要有很高的静态、动态刚度和很高的加工精度外，还要求有很高的磨削效率和更高的柔性。近年来，更要求曲轴磨床具有稳定的加工精度，为此，对曲轴磨床的工序能力系数规定了Cp ≥ 1.67，这意味着要求曲轴磨床的实际加工公差要比曲轴给定的公差小一半。随着现代驱动和控制技术、测量控制、CBN（立方氮化硼）砂轮和先进的机床部件的应用，为曲轴磨床的高精度、高效磨削加工创造了条件。一种称之为连杆轴颈随动磨削工艺（如图1所示）正是体现了这些新技术综合应用的具体成果。而这种随动磨削工艺可显著地提高曲轴连杆轴颈的磨削效率、加工精度和加工柔性。在对连杆轴颈进行随动磨削时，曲轴以主轴颈为轴线进行旋转，并在一次装夹下磨削所有连杆轴颈。在磨削过程中，磨头实现往复摆动进给，跟踪着偏心回转的连杆轴颈进行磨削加工。实现随动磨削，X 轴除了必须具有高的动态性能外，还必须具有足够的跟踪精度，以确保连杆轴颈所要求的形状公差。CBN 砂轮的应用是实现连杆轴颈随动磨削的重要条件。由于C B N 砂轮耐磨性高，在磨削过程中砂轮的直径几乎是不变的，一次修整可磨削600～ 800 条曲轴。CBN 砂轮可以采用很高的磨削速度，在曲轴磨床上一般可采用高达120～ 140m/s的磨削速度，有的甚至可更高些，磨削效率很高。

曲轴复合加工技术应用状况

提到复合加工技术，就不得不提到复合加工机床，复合加工机床的定义也是随时代变化的。过去将加工中心称为复合加工机床，但因工具交换加工的品种受到限制，而且也走不出切削加工的领域，现在已经不再将一般的加工中心称为复合加工机床了。复合机床应具有工序集成功能，多种加工集成功能。从制造业所处的环境看，复合加工机床将一直是重点开发的机床产品之一，功能不断扩大，会向着“ 一台机床成为一个小工厂”的方向迈进。

曲轴制造业复合加工技术也有了一定程度的应用，奥地利WFL 公司生产的卧式车铣复合加工中心具有一定的代表性。WFL 公司提出了“ 一次装夹，完全加工” 的概念。如图2 所示的M40G 是该系列的一种。该车铣中心集成了双主轴车削中心、五轴加工中心、深孔镗、铣、钻和三坐标功能于一身，在一台具有双主轴的车铣复合加工中心上可以对曲轴进行完全加工，加工后的曲轴可直接转入精加工工序。目前国内也推出了类似的复合机床，在 CIMT2005 上，沈阳数控机床有限责任公司展出的CKZ80 － 5 车铣加工中心就是一台复合机床。该机床代表了我国同类机床的最高水平。该机床五轴中X、Y、Z、B 轴采用直线光栅尺或圆度光栅尺检测，可实现闭环控制。该加工中心备有48～ 96工位刀库可实现自动换刀，一次装夹可进行车、铣、钻、镗、攻螺纹等的加工。

在曲轴精加工方面，也出现了工序集成的CBN 数控磨床，即一次装夹磨削全部曲轴主轴颈和连杆轴颈，此类磨床一般配双砂轮头架。日本TOYADA工机、德国勇克（ J U N K E R）、德国N A X O S 等生产的此类数控磨床是比较成熟的设备。这里简要介绍一下日本T O Y A D A 工机开发生产的G F 7 0 M － T 曲轴磨床的性能：该机床是为了满足多品种、低成本、高精度、大批量生产需要而设计的数控曲轴磨床。应用工件回转和砂轮进给伺服联动控制技术，可以一次装夹而不改变曲轴回转中心即可完成所有轴颈的磨削，包括随动跟踪磨削连杆轴颈；采用静压主轴、静压导轨、静压进给丝杠（砂轮头架）和线性光栅闭环控制，使用T O Y A D A 工机生产的G C 5 0 C N C 控制系统，磨削轴颈圆度精度可达到0.002mm；采用CBN 砂轮，砂轮线速度高达120m/s，配双砂轮头架，磨削效率极高。

高效刀具材料多样化

切削刀具性能的提高为高效高速加工发展提供了可能性，除了高速钢、硬质合金以外，超硬材料的发展起到了重要的作用。P C D、PCBN 为难加工材料的切削、干切削、硬切削等的加工创造了条件。

为适应曲轴加工高速化、高效率、干式切削的需求，目前大量采用涂层刀具，涂层的材料从TiN 发展为A12O3、TiC、ZrO2、等，根据加工的要求，为提高耐高温的性能，又发展了TiCN、TiAlN、TiSiN、CrSiN 等。现在PVD (物理气相沉积)、CVD(化学气相沉积)技术不断推陈出新，由单层发展成多层、千层、复合涂层，现在又发展成纳米涂层，如图3 所示的曲轴高速外铣刀使用的就是涂层刀具；深油孔的加工采用枪钻加工代替普通加长高速钢钻头，钻孔和攻螺纹用硬质合金材料来代替过去的高速钢材料。