温航曲轴加工工艺分析.docx
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温航曲轴加工工艺分析
河南科技学院
2009届本科毕业论文（设计）
论文题目:
曲轴加工工艺分析
学生姓名:
温航
所在院系:
机电学院
所学专业:
机电技术教育
导师姓名:
李达敏
完成时间:
2009年5月20日
摘要
介绍了国内现阶段曲轴机械加工及其强化工艺的现状，并对曲轴加工的未
来进行了展望。
在工作中，曲轴承受着弯曲、扭转、剪切和拉压等交变应力的
作用，受力状态十分恶劣。
曲轴本身结构复杂，其横截面沿轴线变化剧烈，应力
分布极不均匀，加之受发动机体积所限，曲轴刚性较差。
为保证曲轴的工作性能
，对曲轴设计和加工均提出严格的要求。
因此对曲轴加工技术的少许改进，都将能够极大的提高曲轴的使用寿命。
本文在曲轴加工精度提高方面重点介绍了国内外先进的圆角滚压技术、钻质量中心孔技术、车拉技术曲轴磨削技术和CNC高速内外铣技术等。
对这些先进工艺及技术进行论述，希望改进我国在曲轴生产方面落后设备还被大量应用，设备效率低下，精度不足，更不具备柔性化生产加工能力的现状，也希望对相关企业及技术人员能够起到重要的借鉴作用，以缩短我国与世界先进内燃机生产国的差距。
关键词：
曲轴，强化工艺，机械加工
TheCrankshaftProcessAnalysis
Abstract
Thearticlethecurrentsituationofthemachineconsolidationofslidershaftincontemporaryphaseathomeandabroad,andenvisionthefutureofshaftproceessing.Duringtheoperationitwithstandsthereversalstressandjoinforcesfrombending,reversing,shearing,andcompressinginadverseenvironment.Slidershaftiscomplicatedlystructuredanditscrosssectiontaodeplacesodrasticchangesalongthe
Stemlinethattheallowablestrssisunequllydistrbuted.what’smost.enginevolumeis
Verylimitet,allofwhichleadtopoorhardnessandrigidity.Toguaranteeitsworkingp
Performance,strictrequirmentsareplacedonthedesigningandmanufacturingSoali
ttleimprovementofmachiningtechniqueswilldramaticallyraiseitsdurability.Astoimprovingitsprocessingaccuracy,thisthesisemphasizesontheadvancdforeignand
domestictechnologysuchascircularanglerolling,quality-centeredholepunching,machingandstrtching,shaftgrindingandmilling,andCNC-motivatedhigh-speedmillingets.Thoughtheabovstatementanddemonstration,it’sexpectedthatourstatusquocanbechangethatbackwarddeviceisstillwidlyusedwithlowwokingeffciencyandinaccuracy,andlackofproducingandprocessingflexibility.Besidesthis,importantexperrienceandlesonscanbedrawnbycorrespondententerprsesandprofessionalstoshortenthedistansbetweenadvanedengineproducersandourcountry.
Keywords:
Crankshaft;StrengtheningProcesses;Mechanicalprocessing
目录
1绪论1
2曲轴加工工艺过程简述2
3国内外曲轴加工技术现状5
3.1曲轴的强化工艺技术5
3.1.1曲轴圆角的应力集中及解决途径5
（1）改进圆角结构5
（2）采用圆角强化工艺6
3.1.2氮化处理9
3.1.3喷丸处理9
3.2曲轴的机械加工技术10
3.2.1加工质量中心孔技术10
3.2.2曲轴车削技术11
3.2.3数控内铣铣削工艺11
3.2.4CNC高速外铣工艺12
3.2.5曲轴车-拉工艺13
3.2.6数控车-拉工艺13
3.2.7曲轴油道孔加工枪钻工艺14
3.2.8曲轴磨削工艺14
4国内外曲轴加工技术展望15
5结束语15
谢辞15
参考文献16
1绪论
不管在发达国家还是自发展中国家，机械制造业水平都是一国生产力的体现。
而作为机械制造业发展水平的一个重要体现，汽车制造业发展状况具有很强的代表性。
目前，我国汽车发动机制造行业整体装备水平与发达国家相比还有一定差距，卧式车床、摇臂钻床、凸轮仿形机床、曲轴多刀车床等落后设备还大量应用，设备效率低下，精度不足，更不具有柔性化生产加工能力，尤其曲轴加工更为如此。
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。
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。
[1]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。
下面以直列六缸曲轴（图1）为例介绍一种典型的工艺过程。
图1
产品品种：
直列6缸内燃机曲轴
生产纲领：
15万根/a
材料：
球铁或锻钢曲轴
产品品种：
直列六缸曲轴
冲程变换：
50～70mm
2曲轴加工工艺过程简述
我们以热模锻钢曲轴为例探讨曲轴的机加工工艺，工艺过程简述如下：
10铣两端面、钻质量中心孔、数控粗车小端、外圆、数控粗车法兰端、铣定位面
10—1上料（法兰端朝右）
10—2铣两端面
10—3平衡检查、钻质量中心孔
10—4数控车小端
10—5数控粗车法兰端
10—6数控车中间主轴颈（采用内铣曲轴主轴颈工艺时有此序）
10—7铣定位面
10—8空工位
10—9下线
20粗铣全部主轴颈、连杆颈、扇板外圆、轴肩及颊板面
30车/车拉主轴颈
30J线外检测
40车/车拉1、6连杆轴颈及轴肩
50车/车拉2、5连杆轴颈及轴肩
60车/车拉3、4连杆轴颈及轴肩
60J线外检测
70平衡抽检（线外）
80枪钻油孔及孔口倒角（自动线）
80—1上料
80—2机械手将曲轴转90°（法兰端朝前）
80—3左：
枪钻3、5主轴颈直油孔
右：
枪钻2、6主轴颈直油孔
80—4左：
枪钻2连杆轴颈斜油孔
右：
枪钻1、7主轴颈直油孔
80—5空工位
80—6左：
空工位
右：
枪钻4连杆轴颈斜油孔
80—7左：
枪钻6连杆轴颈斜油孔
右：
枪钻3连杆轴颈斜油孔
80—8左：
枪钻5连杆轴颈斜油孔
右：
枪钻1连杆轴颈斜油孔
80—9油孔孔口修缘。
机器人
80—10油孔孔口修缘。
机器人
80—11机械手将曲轴转90°（小端朝左）
80—12下线
80J线外检测
90清洗
100中频感应淬火
110回火
120圆角滚压及矫直
130重修中心孔，钻、铰法兰孔，钻、铰小端孔，精车小端，精车法兰端，小端及法兰孔攻丝（自动线）
130—1上料（法兰端朝右）
130—2跳动检测
130—3重修两端中心孔
130—4跳动检测
130—5钻3个法兰孔，转位。
钻3个法兰孔
130—6左：
铰小端孔
右：
探测法兰端6孔
130—7左：
空工位
右：
钻法兰端1定位销孔和小螺栓孔，转位。
粗铰法兰端1定位销孔和小螺栓孔，转位。
精铰法兰端1定位销孔和小螺栓孔，转位。
130—8左：
空工位
右：
铰3个法兰孔，转位。
铰3个法兰孔
130—9右：
精车法兰外径、沟槽和轴肩
130—10精车小端
130—11空工位
130—12下线
140半精磨主轴颈1—7（7砂轮磨床）
150精磨1、6连杆轴颈
160精磨2、5连杆轴颈
170精磨3、4连杆轴颈
170J在线检测
180精磨或滚压止推面及第四主轴颈
190精磨主轴颈1～3，5～7
190J在线检测
200精磨小端
210精磨法兰端
210J在线检测
220精镗轴承孔，攻法兰端、小端螺孔，粗、精铣键槽（自动线）
220—1上料（法兰端朝右）
220—2左：
粗铣键槽（转换刀头），精铣键槽，刷去键槽上部毛刺
右：
攻3个法兰螺孔，转位。
攻1个法兰螺孔，转位。
攻3个法兰螺孔
220—3空工位
220—4探测7个孔
220—5空工位
220—6左：
攻小端螺孔
右：
半精镗轴承孔，转位。
车空刀槽，转位。
精镗轴承孔
220—7空工位
220—8下料
220J检测
230最终动平衡
240荧光磁粉探伤
250抛光
260定点定位专用清洗
270J在线终检
280喷油包装
3国内外曲轴加工技术现状
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。
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，一条轿车发动机曲轴生产线，全线仅有十几台设备左右便可完成曲轴的整个加工过程，产品周转线短，加工效率高，易于质量管理。
下面介绍一些国内外先进的曲轴加工技术，希望各企业工程技术人员根据实际情况对这些先进设备进行选用。
3.1曲轴的强化工艺技术
机械加工过程中经过各种方法强化的曲轴，其使用寿命可以提高40%——280%。
[3]其中球铁材质的曲轴经强化后效果更为明显。
3.1.1曲轴圆角的应力集中及解决途径
曲轴的轴颈与曲柄连接处的过渡圆角是应力集中部位，在曲轴工作中受交变载荷作用易出现裂纹。
这个问题在连杆轴颈的过渡圆角处更为突出，因为连杆轴颈受到的冲击力更大。
现行的曲轴加工工艺，普遍是采用磨床通过切入磨方式磨出圆角，然后通过砂布带对圆角进一步抛光，从而改善了曲轴圆角处的应力分布情况，减小了应力集中。
但从生产和应用实践来看，圆角处应力集中仍是一个值得重视的问题。
为进一步减小圆角处的应力集中，改善其分布状况，提高曲轴的疲劳强度，可以从圆角结构设计改进和采取相应的工艺措施来解决。
（1）改进圆角结构
目前，国内生产的各类曲轴圆角大多为等曲率圆弧过渡，这种结构工艺简单，加工方便，但应力集中较大。
为了减小圆角部位的应力集中，可对圆角结构作两种改进，如图2所示（下图）。
图2（a）所示为变曲率过渡曲线，这种曲线要求对磨圆角是砂轮进行特殊的修整，工艺复杂修整砂轮困难，如果修整不准确，可能适得其反。
图2（b）所示是将过渡圆角改成沉割圆角，将过渡圆弧移到曲柄里，形成组合内凹圆角。
这种工艺结构简单，加工方便，较为实际。
图2曲轴圆角的改进
（a）变曲率过渡曲线（b）沉割内圆槽
（2）采用圆角强化工艺
从工艺角度上看，要改变圆角处的应力分布状况，使之从残余拉应力变为残余压应力，从而提高曲轴疲劳强度，可以通过滚压等工艺来实现。
对于锻钢曲轴，适宜采用滚压工艺。
其原理是利用滚压工具（滚轮）对工件施加压力，使之产生塑性变形，从而压光表面应力分布状况（呈残余压应力），提高工件的疲劳强度。
滚压工艺和设备简单，又能提高工件表面质量。
因此，采
用此工艺对曲轴圆角进行滚压很有价值。
曲轴圆角滚压可采用以下几种形式，如图3所示。
图3（a）
1）等圆弧成型滚压，如图3（a）所示。
这种形式要求滚压前，圆弧尺寸十分精确，所需压力大，但工艺简单，加工方便，大量生产中不多采用。
图3（b）
2）滚轮展成滚压，如图3（b）所示。
用三种不同圆弧半径的滚轮轮流滚压。
此种方式所需压力较小，生产率高。
图3（c）
3）等圆弧顺序展成的切线滚压，如图3（c）所示。
此方法具有良好的滚压强化效果和滚压表面质量，而且圆角两侧不会有棱状凸起带，滚轮制造工艺性好，生产率高，适合大量生产采用。
曲轴圆角滚压可在普通车床上进行，但在大量生产时则采用圆角滚压专用设备。
圆角滚压也可替代部分成形磨削技术。
曲轴轴颈与侧面的连接过渡圆角处为应力集中区，也是曲轴疲劳破坏的敏感区域，是薄弱环节。
因此，国外发展了圆角深滚压技术。
图4是圆角滚压的示意图。
两滚轮在滚轮架的支持下，以滚压角α（25°～35°），滚压力Fw（10N～12000N）与圆角处接触对滚。
经滚压的圆角其材料表层金属结构发生变化，晶粒变细，并向变形最大的方向延伸。
并留下有利的压应力，图5所示，为滚压后的压应力分布状态示意图。
显然这些变化均可提高圆角处的疲劳强度。
[4]
国外现应用的圆角滚压技术已相当先进。
可一次对所有圆角进行滚压完成，且可做到主支撑轴颈与连杆轴颈圆角的压力不同，同一连杆轴颈圆角在不同方向上压力也可不同。
这样可经济地达到最佳的滚压效果。
最大限度地提高曲轴的抗疲劳强度。
经德国赫健斯撤特公司测定，球铁曲轴经滚压后寿命可增至280%，钢制热处理曲轴经滚压后寿命可提高至237%。
滚压加工时间只需24s～30s。
另外，若是半成品因加工或热处理原因而存在不合理应力时，滚压后必须安排校直工序或滚前安排去应力工序，方可保证稳定的价格质量。
图4
曲轴圆角滚压强化工艺主要包括曲轴圆角滚压和曲轴滚压校正两部分。
在滚压过程中,由伺服传动系统控制曲轴旋转的转速和旋转角度,同时由液压伺服控制系统控制液压过程的压力负载,使每个主轴颈和连杆颈依次完成整个滚压过程。
对弯曲曲轴的校直处理首先要检测曲轴的弯曲变形数据即弯曲度的大小和相位方向,然后用摆差传感器检测各主轴颈处的摆差,继而由专家系统数据库对摆差数据进行分析处理并给出校直方案,即给出在某几个主轴颈或连杆颈上的再施压方案,从而利用此施压方案重新按压产生新的变形来消除曲轴的弯曲。
国外应用的圆角滚压技术已相当先进,可一次完成对所有圆角的滚压,且可做到主轴颈与连杆轴颈圆角的压力不同,同一连杆轴颈圆角在不同方向上的压力也可不同。
这样可经济地达到最佳的滚压效果,最大限度地提高曲轴的抗疲劳强度。
滚压后圆角应力分布如图5所示。
图5
3.1.2氮化处理
氮化处理又称为扩散渗氮。
由于经本法处理的制品具有优异的耐磨性、耐疲劳性、耐蚀性及耐高温，其应用范围逐渐扩大。
进行氮化处理的曲轴，需经过一下几道工序：
渗氮前的零件表面清洗；渗氮炉的排除空气；氨的分解率，虽然在各种分解率的氨气下，皆可渗氮，但一般皆采用15～30％的分解率，并按渗氮所需厚度至少保持4～10小时，处理温度即保持在520℃左右；冷却等几道工序。
对于大批量生产的曲轴来说，为了提高产品质量，今后将采用微机控制的氮基气氛气体软氮化生产线。
氮基气氛气体软氮化生产线由前清洗机（清洗干燥）、预热炉、软氮化炉、冷却油槽、后清洗机（清洗干燥）、控制系统及制气配气等系统组成。
3.1.3喷丸处理
为使曲轴具有一定的疲劳强度和耐磨性，在工艺措施上课采用喷丸技术。
如对球铁曲轴进行喷丸处理后，可使曲轴的疲劳寿命提高4～14倍。
而且工艺简单、易于操作，喷丸后可直接进行超精加工，但强化用丸粒的选择及喷丸参数的确定，会不同程度地影响曲轴圆角表面强化的效果。
目前喷丸用丸粒主要有铸铁丸、钢丝切割丸、玻璃丸、铸钢丸。
铸铁丸韧性差，在高速气流作用下，破碎的弹丸粉尘会使曲轴圆角的表面产生电化学腐蚀，使曲轴疲劳寿命降低；用钢丝切割丸不易消除弹丸的棱角，受喷表面容易产生切口效应；玻璃丸是化学合成的，最大直径为0.25～0.35mm，抗压强度为1127MPa，弹性模量为7742MPa。
其丸粒在高速撞击受喷表面时，化学成分稳定、耐冲击且不污染受喷表面。
但在强化深度、压应力大小和成本方面不如铸钢丸的综合效益好。
实验表明，柴油机曲轴最好选用规格为0.3～0.4号风选铸钢丸粒，强化层达0.4～0.5mm，其强化效果和经济性均优于玻璃丸。
另外必须指出，喷丸只施加于圆角，旨在提高曲轴疲劳强度，而对所有的轴颈则需保护，以防止粗糙度变差。
若不加保护，需在喷丸后对轴颈进行一次磨削。
在丸粒参数的选择方面，包括弹丸的直径、喷丸的速度、喷丸的距离、强化的时间、覆盖率等。
如果参数确定不好，则会影响圆角表面强化的效果。
在弹丸的材质、规格确定以后，喷丸的速度可通过调整喷枪的压缩空气束流压力进行调整。
在其他喷丸参数不变的情况下。
丸粒运动速度愈高则表面所获得残余压应力也愈高。
覆盖率是确定喷丸质量的一个重要参数。
用铸钢丸覆盖率要求大于100%，理应大大延长强化时间。
但从实验中看出，单位面积的强化时间超过10秒以后，覆盖率的增加就减缓了。
当覆盖率接近100%时。
随着时间的延长覆盖率的增长将缓慢。
如继续延长时间则表面粗糙度会恶化。
因此，控制好强化时间，无论对强化表面质量或经济效益上都非常重要。
3.2曲轴的机械加工技术
先进的曲轴机加工生产线一般都比较短，但效率高、产量大，加工出的曲轴质量好且很稳定。
其原因一是大量的采用了CNC控制技术，形成自动半自动生产线。
二是应用了许多先进的曲轴加工技术，简化了工艺过程，提高和稳定了加工质量，同时也缩短了单件的加工时间。
下面就简单介绍一些曲轴机加工技术。
3.2.1加工质量中心孔技术
曲轴加工过程中主要定位基准中心孔，按其加工位置可分为两种：
一种是利用双V型块或其它加工方式找出曲轴主支撑轴颈的集合中心，在此中心上加工出的中心孔称为几何中心孔。
另一种是利用专门的测试设备测出整轴的质量中心孔，在此中心上加工出的中心孔为质量中心孔。
由于毛坯的几何形状误差和质量分布不均匀等原因，一般两者不会重合，国内生产线中多采用几何中心孔。
但是利用几何中心孔做定位中心进行车加工或磨加工时，工件旋转会产生离心力；不但影响加工质量，降低定心原件的使用寿命。
而且在加工后剩余的动补平衡量较大。
在后面的动平衡工序中需要多次反复测量和去重才能达到要求，影响生产节拍，效率低，且会造成个别半成品报废。
针对此原因，现国外大都采用了质量中心孔，利用专门设计的测试设备来试测质量中心，然后加工出中心孔，并且可将铣长度和加工质量中心孔合并为一道工序，采用CNC技术控制，加工效率很高。
这样就基本解决了由于采用几何中心而造成的问题。
但值得一提的是若毛坯弯曲变形严重或质量严重分布不均，采用质量中心孔仍不能彻底解决上述问题。
曲轴属于细长类零件，加工过程中主要定位基准是两端中心孔。
在打曲轴中心孔的选择时，应按一下原则选用：
（1）毛坯质量好，加工余量小且加工余量分布均匀。
这时曲轴的质量中心孔与几何中心孔基本重合，则不必花费较高的经费购置定心设备而应直接钻几何中心孔。
（2）毛坯质量差，加工余量大且加工余量分布不均匀，则优先选用质量中心孔。
因初始不平衡量较大，如果钻几何中心孔，质量分布不均匀，转动惯量较大，损坏后续加工设备精度。
再者，采用几何中心孔，在进行平衡时，初始不平衡量可能超出平衡机要求而无法平衡。
在这种情况下应优先选用质量定心机。
[6]
3.2.2曲轴车削技术
曲轴主轴颈和连杆轴颈加工的传统工艺方法是车削加工。
主轴颈和连杆轴颈的车削，分别是在不同结构的曲轴车床上进行加工，这种曲轴加工技术目前在世界发达国家和地区已经淘汰，但在我国仍然在曲轴加工行业中重要地位，选用的设备大多是多刀半自动曲轴车床。
曲轴轴颈的车削技术，可有效地进行曲轴轴颈的粗加工，并在世界被广泛采用，目前仍为一种可靠的曲轴加工技术。
但这种工艺存在明显不足:
（1）这种工艺是采用低速、宽刃、大走刀量方法对轴颈进行加工，因而在加工过程中，曲轴承受较大的切削力，使工件弯曲，这就直接影响了曲轴加工精度，甚至影响曲轴的可靠性，降低其使用寿命。
（2）曲轴车床通用性低，加工主轴颈和连杆轴颈设备不可互换，因而曲轴加工线技术经济性不好。
（3）曲轴车削的柔性较差，特别是靠模式曲轴车床只适用于加工单一品种的曲轴。
（4）由于所采用成形车刀的材料为高速钢，刀具寿命低，从而换刀频繁，机床的利用率较低，加工自动化程度低，受人为影响大，曲轴加工精度波动大。
3.2.3数控内铣铣削工艺
60年代德国在外刃式曲轴铣床的基础上研制出内刃式曲轴铣床，使得曲轴加工效率和质量都有较大提高，目前我国曲轴铣削加工也较为普及。
曲轴铣削技术比车削有了明显的提高。
主要有以下几方面的特点：
（1）铣削加工克服了车削中工件承受较大的切削力，易产生弯曲和扭曲变形的不足，它采用的是窄刀，小走刀量方式，实现了小切削截面，小切削力的高效切削。
（2）由于铣削工件一般是低速转动，离心作用影响小，加上切削力小，加工精度高于车削。
（3）铣削用机夹不重磨式合金刀头，刀具寿命长。
内铣除了以上优点外，还具有比外铣更多的优点：
稳定性比外铣高，啮合性比外铣好，刀具的使用寿命长；通用性强，内铣只要稍加调整就可以加工不同品种的曲轴主轴颈和连杆轴颈，具有良好的加工柔性，从而节省设备投资。
CNC内铣是20世纪80年代中期出现的工艺，CNC内铣加工性能指标要高于普通外铣加工，尤其是对于锻钢曲轴，内铣更有利于断削、刚性特别好。
CNC曲轴内铣床分为单刀盘、双刀盘、多刀盘（最多达5个刀盘）。
数控内铣书目前国际上曲轴连杆颈粗加工先进的加工方法之一，尤其是大功率锻钢曲轴的加工内铣工艺更是首选。
内铣机床有多种加工形式，使用最多的是曲轴固定型CNC曲轴内铣加工工艺。
其主要特点是：
生产效率高、加工精度好、使用范围广、柔性好。
据有关资料介绍，曲轴内铣轴颈后可达精度如下：
主轴颈直径
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