曲轴圆角滚压机床的设计与研究*

张树礼 黄耀明

（①大连连城数控机器股份有限公司，辽宁大连116036;②大连机床集团有限责任公司，辽宁大连 116620）

用滚压的方法加工曲轴圆角是上个世纪70～80年代兴起的一种新技术。到目前，几乎所有的轿车发动机的曲轴均采用这种方法加工圆角。这种无屑加工的方法，不仅符合绿色环保的需要，而且最关键的是通过滚压，大大地提高了曲轴的抗疲劳强度，增强了曲轴的使用寿命。众所周知，汽车发动机零件中，曲轴是关键零件之一，在传递动力的过程中，它承受着交变载荷的冲击。这种交变载荷使曲轴会产生弯曲和扭曲变形，更易使曲轴连杆颈和主轴颈处造成疲劳断裂。而采用滚压的方法加工曲轴圆角，就是利用滚轮的压力作用，在曲轴的主轴颈和连杆颈过渡圆角处形成一条滚压塑性变形带，这条塑性变形带具有以下特点:

（1）产生了残余压应力，可与曲轴在工作时的拉应力抵消或部分抵消，从而提高疲劳强度。

（2）硬度提高，滚压使圆角处形成高硬度的致密层，使曲轴的机械强度和疲劳强度得到提高。

（3）表面粗糙度值减小，圆角滚压可使圆角表面粗糙度达到Ra0.1 μm以下，从而大大减小了圆角处的应力集中，提高了疲劳强度。

曲轴圆角滚压工艺能大幅度提高曲轴疲劳寿命的原因在于金属表层在滚压力作用下，当应力超过材料的屈服极限时，产生塑性变形，发生冷作硬化，使硬度得以提高，可使曲轴寿命增加23%以上。正因为采用滚压的方法有上述诸多优点，这一工艺成了曲轴圆角加工的主流工艺，滚压机床也随之诞生，并越来越多地取代了传统机床用刀具车削曲轴主轴颈和连杆颈圆角的方法。曲轴圆角滚压智能柔性加工机床是集机械、电子、检测技术、人工智能为一体化的高技术数控设备，在国外，曲轴圆角滚压机床技术已经成熟，滚压机床已广泛应用。然而，就目前来讲，我国生产滚压机床的技术和水平与国外有着很大的差距，许多核心技术还未真正掌握，以至于国内曲轴生产厂，大都从国外引进该类机床。大连机床集团与其在美国的全资子公司——英格索尔曲轴公司联合开发的曲轴圆角滚压机床，打破了国内市场长期受国外机床厂商垄断的现象，走出了一条属于自己的路。

1 机床总体方案的设计

滚压机床由于加工方法不同于金属切削机床，它的设计理念和方法与金属切削机床有着很大的差异。滚压是无屑加工，压头替代了传统的车削刀具，而支持滚压头的是滚压臂。由于曲轴的主轴颈和连杆颈在轴向上尺寸较窄，滚压臂很薄，设计结构较为复杂。再者，由于汽车发动机有四缸、六缸等不同规格，即曲轴的尺寸规格不同，因此，滚压臂的数量及规格也随之有所变化，从而使滚压机床的规格也有所不同，这些都是在滚压机床的总体设计时考虑的。

1.1 总体方案的设计要求

根据上述提及的影响滚压机床方案的因素，实际上每一台机床必须根据用户的图纸要求来设计机床的总体方案。如用户的曲轴产量、材料、硬度、沉割槽的尺寸及精度、主轴颈和连杆颈的尺寸等等，这都是设计机床总体方案中的重要依据，所设计的机床必须要达到用户这些要求。本机床以四缸发动机曲轴为例，曲轴结构如图1所示。

1.2 机床参数及性能指标的确定

采用滚压加工曲轴沉割槽，其加工示意图如图2所示。

该加工示意图表达了采用本机床所加工的部位及加工形式，在实际设计中，滚压轮尺寸和压力计算均根据曲轴各沉割槽加工部位的尺寸和精度、材料的硬度所确定的。因此，本机床要达到用户图纸的要求，必须满足以下主要技术参数及性能指标:曲轴中心孔为加工定位基准;主轴最大加工直径80 mm;连杆颈最大加工直径70 mm;杆颈最大加工宽度50 mm，最小加工宽度19 mm;曲轴最大加工长度1 200 mm;加工主轴颈5处;加工连杆颈4处;最大曲柄回转半径150 mm;机床主轴转速3～100 r/min，无级可调;滚压力0～22 kN，无级可调;滚压臂数量为9;主轴直线度测量分辨率0.002 mm，测量精度0.01 mm;节拍时间:3 min/根。

1.3 机床结构形式的确定

有了机床的参数和性能技术指标，就要全盘考虑采用什么样的机床结构和布局，才能达到上述指标的要求。根据这一要求，本机床设计成如图3所示的结构形式，即由床身、立柱、横梁、吊架、滚压臂、压头、主轴箱、卡盘、尾座、测量装置及数控系统和液压、过滤、冷却系统等部件组成。

2 机床关键部件的结构特点与工作原理

本机床底座、立柱、横梁均采用焊接结构，减少了铸造所带来的污染。主轴由伺服电动机驱动旋转。主轴端装有三爪卡盘，夹持曲轴工件的一端，夹紧力来源于主轴内部的夹紧油缸系统。而曲轴工件的另一端，由尾座的顶尖顶紧，顶紧力来源于顶尖后的油缸，且顶尖内装有轴承，使之与曲轴同步转动。而9个滚压臂在曲轴工件的带动下，做随动摆动。滚压臂主体钢板采用预先淬火具有一定硬度的锰铬合金优质结构钢，提高了滚压臂的机械性能，减小变形。在其上面，安装了滚压头，并由6个一组的压力油缸施加滚压力。这一滚压技术，是多项技术综合的体现。在这滚压的原理中，包含了压力驱动技术，压力检测技术，压力控制技术和滚压轮的破损检测技术。

2.1 滚压臂

滚压臂是曲轴圆角滚压机床最关键的部件之一，如图4所示。滚压臂由油缸、滚压头、直线导轨、滚压臂体等多个小部件组成。在滚压中，压力的大小直接影响到曲轴圆角的滚压效果，压力大，则在短时间内完成加工要求。但如滚压力过大，除了滚压轮易破损外，更易使曲轴整体或局部发生不规则的弯曲变形，这种变形误差如超过了图纸的要求，曲轴就得报废。为了减小曲轴的变形，滚压臂装置在设计时，在滚压臂张口的下方安装了应变仪，当压力变化时，应变仪通过滚压臂张口的变形，来检测压力的大小，并把信号反馈给中央控制系统，控制伺服阀对压力大小进行控制。然而，无论压力大小怎样控制，曲轴依然会发生变形。这其一是受滚压力而发生了变形，其次是曲轴带着9个滚压臂而自身旋转，在只有两端支承的情况下，曲轴在滚压臂重量的作用下也会产生变形。为了解决变形问题，本机床采用了曲轴弯曲变形检测技术及自动校直补偿技术。

2.2 检测装置

主要用来检测曲轴在滚压后的弯曲变形，并进行校直。它是将测头（图3）安装在滑板上，滑板安装在四连杆机构的架上，在油缸的作用下，使测头始终垂直曲轴的状态下作上下移动。而测架上装有滚动导轨和滑板，安装在滑板上的测头又可实现沿曲轴轴线方向的任一位置移动，以便检测每个主轴颈和连杆颈的变形情况，并通过反馈，通过专家校直软件系统，根据曲轴变形的部位和方向，通过伺服控制阀，对在曲轴旋转的360°方向上的任意角度上滚压力的大小进行控制及补偿，从而实现校直功能，保证曲轴滚压后的合格率。

2.3 压头

压头（见图4）是滚压机床的重要部件，其内部结构复杂，两个压力滚轮是由曲轴旋转带着而作从动转动的。由于滚轮受到来自油缸的压力，这个力最终作用在滚轮与曲轴的主轴颈和连杆颈上，产生了滚动摩擦力，因此，在曲轴旋转时，滚轮便随之滚动，达到了滚压的目的。在压头中，由于滚轮是硬度极高的薄件，在滚压时，受交变载荷的作用下极易发生破损现象。为了监控这一缺陷，在压头中增加了压轮破损检测装置。由于滚压轮硬度高，且很薄，是无轴的小圆盘，在压力的作用下滚动一段时间后最易破损，破损时整个轮将掉出。因此，检测滚压轮的破损是保证滚压加工的重要手段。在压头内，装有检测开关，一旦滚压轮破损掉出，即发出报警指令，更换滚压轮，从而保证滚压精度，不会使曲轴圆角产生缺陷，使机床正常工作。

3 结语

本机床在用户使用后，其效果显著。其主要性能指标为:可加工曲轴长度为400～1 200 mm;曲轴冲程为150 mm;最大滚压力为25 kN;生产节拍为3 min。滚压后的效果:

（1）滚压后曲轴的伸长量:在滚压过程中，曲轴受到了轴向的作用力，且产生了塑性变形，这使曲轴的总长度会伸长，各个轴颈的开档会变大。由于曲轴材料不同，伸长量也不相同。球墨铸铁的曲轴，每个轴颈轴向的延伸量约为0.06 mm，锻钢材料的曲轴每个轴颈延伸量约为0.03 mm。

（2）滚轮的压入量:沉割槽的压入量是由曲轴的材料、施加压力的大小、滚压时间等因素决定。本机床压入量约为0.1～0.15 mm。

（3）曲轴跳动:滚压后曲轴跳动量为0.06～0.1 mm。

（4）滚压后的表面粗糙度:滚压前Ra6.3 μm，滚压后可达到Ra0.1 μm。

（5）加工效率:通过滚压，不仅提高了曲轴的疲劳强度，也使曲轴加工效率提高到了3 min/根，且机床的精度稳定、可靠。

（6）滚压臂性能:滚压臂是滚压机床的重要部件之一，本机床的滚压臂体采用了优质合金结构钢42CrMo，且在加工前进行了热处理，硬度达T285，不仅机械性能好而且刚度也高，从而使滚压精度稳定。

可见，与国外同类机床相比，本机床达到国外先进的技术水平，不仅替代进口，而且还销往美国。正因为有了设计与生产滚压机床的这一基础，2011年承担了国家汽车发动机关键零件高效高精加工柔性自动线技术创新平台建设项目（项目号:2011ZX04016－101），这个项目中就包含了滚压曲轴沉割槽这一技术。可见，采用滚压加工曲轴沉割槽的方法，不仅实现无屑加工，达到绿色加工的目的，而且提高了曲轴的使用寿命，保证了汽车发动机的性能，提升了国产滚压机床的水平。

［1］盛小兵.曲轴圆角滚压强化工艺中曲轴变形的研究［D］.武汉:武汉理工大学，2008.

［2］韩少军，理光原，杨晓峰.汽车曲轴圆角滚压机钳口滚压力及波动分析［J］.湖北工业大学报，2005，20（3）.

［3］李辉.汽车曲轴圆角冷滚压钳口压力波动分析及研究［D］.武汉:武汉理工大学，2006.