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曲（qǔ）軸加工技術走向高效複合化

2013-1-7 來源：作（zuò）者：山東濱州海得曲（qǔ）軸有限責任公司李海（hǎi）國

進入（rù）21 世紀以（yǐ）後，發動機曲軸在製造（zào）工藝、刀具等方麵都發生了巨大的變化，與以（yǐ）前加工工藝有很多不同。領導了近半個世紀的多刀車削工藝（yì）和手動磨削工藝，由於加工精度低和柔性差等原因，將逐步退出曆史舞台。高效複合加工技術及裝備迅速進入汽車及零部件製造（zào）業，曲軸的（de）高效複合加工技術在行業內已有相當程度的應用，這都將代表這一行（háng）業（yè）的未來發展趨勢。

曲軸加工技術（shù）現狀

國內舊式（shì）曲軸生產線多由普通機床和專用機床（chuáng）組成，生產效率和自動化程度相對較低。粗加工設備一般采用多刀車床車削曲軸主軸頸及連杆軸頸，工序質量穩定性差，容易產生較大的加工（gōng）應力，難以達到合理的加（jiā）工（gōng）餘量。精加工多采用普通曲軸磨床粗磨－半精磨－精磨（mó）－拋光，通常靠手動操作，加工（gōng）質量不穩（wěn）定，尺寸一致性差。老式生產線（xiàn）一個主（zhǔ）要的特點就是普通設備太多，按加工（gōng）球墨鑄鐵曲軸來算，一條（tiáo）生產線35～ 40 台設備。筆者曾考察過南方一條鍛鋼曲軸生產線，粗加工采用普通外銑加工主軸頸（jǐng）和連杆（gǎn）頸，然後數控（kòng）精車主軸頸和連杆軸頸，再經過多道工序的磨削方（fāng）式（shì）轉入精加工工（gōng）序。生產線設備更是多達60 多台（tái），產品周轉線長，場地占用麵積大，生產效率完全是靠多台設備分解工序和（hé）餘（yú）量來提高的。然而當今的發動機曲軸製造業麵臨著以下問題：

（ 1）多品種、小批（pī）量生產。

（ 2）交貨期大大縮（suō）短。

（ 3）降低生（shēng）產成（chéng）本。

（ 4）難切削材料的出現（xiàn）使加工難度明顯增加，加（jiā）工（gōng）中提出了許多（duō）需要解決的課題，如硬切削。

（ 5）為保護環境，要求少用或（huò）不用切削液，即實現幹式切削或準（zhǔn）幹式切削。

正是基於以上（shàng）出現的（de）新情況，在進入21 世紀以（yǐ）來，高效（xiào）複合加工（gōng）技術及裝備（bèi）汽車製造業得（dé）到了迅速的應用，生產效率得到了很大的提高，發（fā）動（dòng）機曲軸生產線（xiàn）生產設備數量才得（dé）以減少，筆者（zhě）曾在（zài）一條轎車發動機曲軸生產（chǎn）線看到，全線僅有13 台設備左（zuǒ）右，產品周轉線短，加工效率高，易於質量管理。

曲軸高效加工技術的進展

2 0 世紀8 0 年（nián）代後期，德國B O E H R I N G E R 公司和H E L L E R 公司相繼開發（fā）出了完善的曲軸車- 車（chē）拉機床，該加工工藝是將曲軸車削工藝與曲軸車拉（lā）工（gōng）藝（yì）完美（měi）結合，生產效（xiào）率高，加工精度好，柔（róu）性強，自動化程度高，換（huàn）刀時間短，特別適合有沉割槽曲軸的加工，加工後曲軸（zhóu）可直接進行（háng）精磨，省去粗磨工序。因此，曲軸車－車拉（lā）加工工藝是目前國際上曲軸粗加工中流行的加工（gōng）工藝之一。

20世紀（jì）90年代中期國外又研發出來新（xīn）型的C N C 高速曲軸外銑（xǐ）機床，使曲軸粗加工工藝又上了一個新台階（jiē）， CNC 曲軸內銑與CNC 高速曲軸外銑對比，內銑存在以下缺點：

不容易對刀、切削速度較低（dī）（通（tōng）常不大於160m/min）、非切削時間較長、機床投資較多、工序循環時間較長（zhǎng）。而CNC 高（gāo）速曲軸外銑有以下（xià）優點（diǎn）：切削速度高（可高達（dá）350m/min）、切（qiē）削時間較短、工序循環時間較短、切削（xuē）力較小、工件溫升（shēng）較低、刀具壽命高、換刀次數少、加工精度更高、柔（róu）性更好。因此，CNC 高速曲軸外銑將（jiāng）是曲（qǔ）軸粗加工的發展方（fāng）向。

筆者在江蘇南亞自動車有（yǒu）限公司菲亞特轎車曲軸生產線見到德國B O E H R I N G E R 公司兩台設備加工狀（zhuàng）況，一台為數控曲軸車－車拉機床，另外一台為C N C 高速曲軸外（wài）銑，切（qiē）身體驗了一（yī）次“ 削鐵如泥”的感覺（jiào）。據專家介紹，曲軸車－車拉機床（chuáng）特別適合於軸頸有沉割槽、平（píng）衡塊側麵不用加工曲（qǔ）軸，而高速外銑則不（bú）能加工軸向有沉割槽的曲軸。下麵簡要介紹一下VDF 315 OM － 4高速（sù）隨（suí）動外銑床的加工性能：該機床（chuáng）是德國B O E H R I N G E R 公（gōng）司專為汽車發動機曲軸設計（jì）製造（zào）的柔性數控銑床，該（gāi）設備應用工件回轉和銑刀進給伺服連動控製技術，可以一次裝夾不改變曲軸回轉中心隨動跟蹤銑削曲軸的連杆軸頸。VDF 315O M － 4 高速隨動外銑采用複合材料一體化結構床（chuáng）身（shēn），工件兩端電子同步旋（xuán）轉驅動（dòng），具有幹式切削、加工精度高、切削效率高等（děng）特點；使（shǐ）用SIEMENS 840D CNC 控（kòng）製係統，設備操（cāo）作說明書在人（rén）機界麵上，通過輸入零件的（de）基本參數（shù）即可自動生成加工程序，可以加工長度450 ～700mm、回轉直徑在380mm 以內的（de）各種曲（qǔ）軸（zhóu），連杆軸頸（jǐng）直徑誤差為（wéi）± 0.02mm。

由此可以看出，曲軸粗加工比較流行的工藝是：主軸（zhóu）頸采用車（chē）拉工藝和高速外銑，連杆（gǎn）軸（zhóu）頸采用高速外銑，而且趨於高速隨動外（wài）銑（xǐ），全部采用幹式切削（xuē）。由於國（guó）外此類設備價格昂貴，產品加工（gōng）成本很高，國內一些機床生產廠家相繼開發出了數控曲（qǔ）軸車床、數控高速曲軸銑床，數控曲軸車拉機床等專用機床。曲軸精加工采用國內數控磨床磨削已相（xiàng）當普遍，產品加工（gōng）精度已有（yǒu）相當程度的（de）提高。為滿足曲軸日益提高的加工要求，對曲軸磨床也（yě）提出了很高的要求。現代曲軸磨（mó）床（chuáng）除了要有很高的靜態、動態剛度和很高的加工精度外，還要求有很（hěn）高的（de）磨削效（xiào）率和更高的柔性。近年來，更要求曲（qǔ）軸磨床具有穩定的加工精度，為此，對曲軸磨床的（de）工序（xù）能力係數規定了Cp ≥ 1.67，這意味（wèi）著要求曲軸磨（mó）床的實際加工（gōng）公差要比曲軸給定的公（gōng）差小一半。隨著現代驅動和控製技術、測量控製、CBN（立方（fāng）氮化硼）砂輪和（hé）先進的機床部件的（de）應用（yòng），為曲軸磨床的高精（jīng）度、高效磨削加工創造了條件。一種稱之為連杆軸頸隨動磨削工藝（如（rú）圖1所示）正是體現了這些（xiē）新技術綜合應（yīng）用的具體（tǐ）成果。而這種隨動磨削工藝可顯著地提高（gāo）曲軸連杆軸頸的磨削效率、加工（gōng）精度（dù）和加工柔性。在對連杆軸頸進行隨動磨削時，曲軸以主軸頸為軸線進行旋轉，並在一次裝夾下磨削所有連（lián）杆軸頸。在（zài）磨削過程中，磨頭實現（xiàn）往複擺（bǎi）動進給，跟蹤著偏心回轉的連杆軸頸進行磨削加工（gōng）。實現隨動磨削，X 軸除了必須具有高的動態性能外（wài），還必須具有足夠的跟蹤精度，以確保（bǎo）連杆軸頸所要（yào）求的形狀公差。CBN 砂輪的（de）應用是實現連杆軸頸隨動磨削的重要條（tiáo）件。由於C B N 砂（shā）輪耐磨性高，在（zài）磨削過程中（zhōng）砂輪的直徑幾乎是不（bú）變的，一（yī）次修整可磨削600～ 800 條曲軸。CBN 砂輪可以采用很高（gāo）的磨削速度，在曲軸磨床上（shàng）一般可采用高達120～ 140m/s的磨削（xuē）速度，有的甚至可更高些，磨削效率很高。

曲軸複合加工技術應（yīng）用狀況

提到複（fù）合加工技術，就（jiù）不得不提到複合加工機床，複合加工機床的定義也（yě）是隨時代變化的。過去將加工中心稱為複合加工機床，但因工具交換加工的品種受到限製，而且（qiě）也走不出切削加工的領域（yù），現在已經不再將一般的加工中心稱為複合加工機床了。複合機（jī）床應具有工序集成功能，多種加工集成功能。從製造業所處的環境看，複合加工機床將（jiāng）一直是重點開發的機床產品之一，功能（néng）不斷（duàn）擴大，會向著“ 一台機床成為一個小工廠”的方向（xiàng）邁進。

曲軸（zhóu）製造業（yè）複合加工技術也有了一定程度的應用，奧地利WFL 公司生產的臥（wò）式車銑複合加工中心具有一（yī）定的代表性。WFL 公司提出了“ 一次裝夾，完（wán）全加工” 的概念（niàn）。如（rú）圖2 所示的M40G 是該係列（liè）的一（yī）種。該（gāi）車（chē）銑中心集成了雙主軸車削中心、五軸加工中心、深孔鏜、銑、鑽和三坐標（biāo）功能於（yú）一身，在一台具（jù）有雙主軸（zhóu）的車銑（xǐ）複合加工中心上可以對曲軸進行完全加工，加工後的曲（qǔ）軸（zhóu）可直接轉入精加工工序。目前國內也推出了（le）類似的（de）複合機床，在 CIMT2005 上，沈陽數控（kòng）機床有限責任公司展出的CKZ80 － 5 車銑加工中心就是（shì）一（yī）台複合機床。該機床代表了我（wǒ）國同類機床的最高水平。該機床五軸中X、Y、Z、B 軸采用直線光柵尺或圓度光柵（shān）尺檢測（cè），可實現閉環控製。該加工中心備有48～ 96工位刀庫可實現自動換刀，一次裝夾可進行車、銑、鑽、鏜、攻螺紋（wén）等的加工。

在曲軸精加工方麵，也出現了工（gōng）序集（jí）成的CBN 數（shù）控磨床，即一次裝夾磨削全部曲軸主軸頸和連杆軸頸，此類磨床一（yī）般配雙砂（shā）輪頭（tóu）架。日本TOYADA工（gōng）機、德國勇克（ J U N K E R）、德國N A X O S 等生（shēng）產的此類數控磨床是比較（jiào）成熟的設備。這裏簡要介紹一下日本T O Y A D A 工機開發生產的G F 7 0 M － T 曲軸磨床的性能：該機床是為了滿足多品種（zhǒng）、低成本、高精度、大批（pī）量生產需要而設計的數控曲軸（zhóu）磨床。應用工件回轉和砂輪進給伺（sì）服聯動控製技術，可以一（yī）次裝夾而不改變曲軸回轉中心（xīn）即可（kě）完成所有軸頸的（de）磨（mó）削，包括隨動（dòng）跟（gēn）蹤磨（mó）削連杆軸頸；采用靜壓主軸、靜（jìng）壓導軌、靜壓進給絲杠（砂輪頭架）和線（xiàn）性光柵閉（bì）環控製，使用T O Y A D A 工機生產的G C 5 0 C N C 控製（zhì）係統，磨削軸頸圓（yuán）度精度可達到0.002mm；采（cǎi）用CBN 砂輪，砂輪線速度高達120m/s，配雙砂輪頭架，磨削效率極高。

高效刀具材料多樣化

切削刀具性能的提高為高效高速加（jiā）工發展提供了可能性，除（chú）了高速鋼、硬質合金以外，超硬材料的發展起到了重要的作用。P C D、PCBN 為（wéi）難加工材料的切（qiē）削、幹切削、硬切削等的加工創造了條件。

為適（shì）應曲軸加（jiā）工高速化、高效率、幹式切削的需求，目前大量（liàng）采用塗層（céng）刀具，塗（tú）層的材（cái）料從TiN 發展為A12O3、TiC、ZrO2、等，根據加工的要（yào）求，為提高耐高（gāo）溫的性能，又發展了TiCN、TiAlN、TiSiN、CrSiN 等。現在PVD (物理氣相沉積)、CVD(化學（xué）氣相沉積)技術不斷（duàn）推陳出（chū）新，由單層發展（zhǎn）成多（duō）層、千層、複合塗層，現在又發展成（chéng）納米塗層，如圖3 所示的曲（qǔ）軸高速外銑刀使用的就是塗層刀具（jù）；深油孔的加工采用槍（qiāng）鑽加工代替（tì）普通（tōng）加長高速鋼鑽頭，鑽孔（kǒng）和攻螺紋用硬質合金材料來代替過（guò）去的高（gāo）速（sù）鋼材料。

目前曲軸的精加（jiā）工也漸漸開始使用C B N 砂輪加工，C B N 砂輪價格昂貴，但由於加工效率和耐用度高，分攤（tān）到每（měi）個（gè）工件（jiàn）上的刀（dāo）具費用反而比采用（yòng）價格低廉的普通砂輪（lún）的要低，據（jù）德國NAXOS 磨床廠的資料，采用C B N 砂輪加工時間通常可縮短50%，而加工費用可節約50% 以上。