大型柴油机用曲轴加工过程变形原因分析

2020-10-26赵训茶丁明伟李继财

科学技术创新 2020年30期

赵训茶丁明伟韩强李继财王其

（1、山东劳动职业技术学院，山东济南250300 2、中国石油集团济柴动力总厂，山东济南250300）

1 试验材料与方法

很多国际、国内重点项目内燃机发电设备及中国非道路用中高速大功率内燃机应用越来越广泛，如应用于大型轮船上的柴油发电机、应用于石油开采的发电机等对其重要部件要求越来越严格，尤其是对中速大功率曲轴的加工质量提出更高的要求，如图1 是型号为26/32 的大型内燃机用曲轴。由于其质量大、形状复杂，加工精度要求高、制造技术难度高，目前能进行生产制造的国内企业并不多。

本项目对曲轴在加工过程中容易出现的变形原因进行分析和研究，以期探寻到能解决此类大型曲轴在加工过程中产生的变形问题，并对曲轴的加工工艺进行改进。发动机用曲轴在设备中主要起到传递动力和扭矩的作用，同时也起到支撑其他传动零件的作用。在很大程度上影响发动机工作的可靠性和寿命[1]。通过与企业合作，解决新产品中速大功率曲轴如26/32（缸径260mm，冲程320mm）在加工过程中的难点问题，如图1 所示，得出适合我国中速大功率发动机曲轴加工过程去除加工变形的适合的加工方案，并对关键加工工艺进行攻关，为企业加工大型柴油机曲轴提供有力的技术指导，实现中速大功率曲轴制造的自主化、智能化，减少对国外技术、设备的依赖，为此类曲轴积累加工经验。

图1 26/32 曲轴

曲轴在加工过程中因为自身铸锻件刚性差，加工后成品件形状复杂，加工过程难度高，所以很难达到精度要求，在整个切削过程中由于受到机床转矩和切削力的影响，导致曲轴在加工过程会产生一定的弯扭组合变形[2]。因此控制切削变形是提高曲轴加工质量的关键技术之一。为此本文从分析探讨曲轴变形的原因分析着手，进行相关的研究，并制定出合理的加工方案。从而达到减小变形量，甚至避免变形发生的目的。

从图1 中看到，大型柴油机用曲轴，形状复杂，不具有均衡的形体，因此在加工过程中产生的平衡差异会产生一定的离心力，造成工件加工过程中出现回转周线弯曲，使工件圆周上各处的切削深度不均匀，从而导致在工件外圆处产生一定的圆度误差，导致跳动出现严重的超差现象。

2 试验结果及讨论

2.1 曲轴加工产生变形原因

26/32 或27/38 曲轴在生产流程中因应力存在或工艺缺陷会导致曲轴在加工过程中产生变形。通过逐个工序排查分析曲轴加工过程中产生的应力或工艺缺陷，主要因素有：

（1）调质等热处理原因：调质分为淬火和回火，其中淬火过程产生的组织应力和热应力较大。而回火的目的是消除淬火时产生的残余内应力，提高材料的塑性和韧性；获得良好的综合力学性能；稳定工作尺寸，使钢的组织在工件使用过程中不发生大的变化。从理论上讲，回火温度越高，消除淬火应力越彻底，但受制于机械性能要求，回火温度高了，机械性能下降，因此在此工序会残留一定的应力。

（2）校直原因：在不同阶段可能会有对曲轴进行热校直或者冷校直的操作。校直的过程实际上是发生塑性变形的过程，如果仅发生弹性变形，则起不到校直的目的。但曲轴发生塑性变形，必然产生大量的应力。

（3）机加工过程原因：曲轴精加工阶段普遍分为车铣过程与磨削过程，在这两个过程中，为防止曲轴变形，设计采用较小的切削进给量与合适的冷却方式。此过程工艺参数、工艺安排是影响曲轴质量、反应曲轴变形的主要过程。加工过程中产生的应力变形也最为关键[3]。高温去应力原因：目的是去除塑性变形加工、切削加工造成的内应力及锻件内存在的残留内应力。去应力的效果与温度和保温时间有关，理论上退火温度越高，内应力消除越彻底。但同样受回火温度影响，不能高于回火温度，高于回火温度必然导致机械性能下降。

2.2 制定解决方案

根据曲轴加工流程分析，造成曲轴变形主要有三方面，一是曲轴锻造、校直残余应力的释放，造成曲轴的变形；二是机加工的残余应力造成工件在加工过程中产生变形；三是曲轴加工工艺缺陷导致曲轴变形超差。根据变形原因分析，制定改进方案如下：

（1）调质等热处理改进方案：

a.采用合理的淬火工艺、设备、较缓和的冷却介质，减少调质工序的组织应力和热应力。

b.合理安排高温去应力时机与加热温度，最大量去除曲轴应力。加热过程应采用缓慢升温过程、控制保温时间、降温过程在高温阶段控制降温幅度等来降低热应力产生并最大幅度去除曲轴其它应力。建议将企业现使用高温去应力时加热温度由530℃提升到560℃，并在其它工艺不变的情况下加工2 根26/32 曲轴（3#、4#）至完工与工厂原工艺加工曲轴（1#、2#）完工跳动数据进行对比，数据见表1。

表1 不同去应力温度下曲轴磨削跳动对比

由表1 可以看出3-4#曲轴与1-2#曲轴对比，曲轴磨削后主轴颈跳动有减少趋势，证明提高去应力温度，确实直接有利于减少应力对曲轴磨削跳动的影响。

（2）校直改进方案

通过锻造、调质工艺优化尽量避免热校直或冷校直，考虑到机加工原因即使采用了热校直或冷校直，要合理增加或者安排回火处理，去除应力。工厂中曲轴毛坯为外购，工厂只负责毛坯采购后的热处理与机加工，但工厂在曲轴调质后因冷却变形会存在部分曲轴跳动过大，通常采用冷校直来满足加工要求，针对此要求我们通过分析建议工厂在精加工前增加高温去应力工序，可同时基本去除校直与机加工带来的应力。

（3）机加工改进方案

柴油机曲轴属于细长轴类，是典型的柔性件，由于曲轴曲拐的偏心角度分布导致结构工艺性较差，轴向尺寸产生变化或磨削过程中砂轮对曲轴的推力及曲轴自身的重力，使曲轴的径向尺寸发生变化、跳动超差。解决方案如下：

a.曲轴用顶尖顶起后要准确判断顶尖的夹紧力，既要保证曲轴中心孔与顶尖接触良好，又要能保证在人工转动下曲轴能绕顶尖回转运动、防止顶紧多度。

b.车削曲轴主轴颈或曲拐时为防止曲轴振颤变形，要在主轴颈档间或曲拐档间安装支撑螺栓或支撑夹板，间接增加曲轴刚性，减少车削时曲轴振颤与变形。

c.具备条件下车削主轴颈时支撑中心架，采用主轴颈倒头车削。车削曲拐时在适当曲拐支撑环形随动中心架。但此建议因涉及中心架使用暂不具备条件未执行。

d.车削轴颈时确定不同车削次数、吃刀量与轴颈车削顺序，减少曲轴主轴颈跳动。

e.在半精车阶段，为减少车削曲拐对主轴颈变形带来的影响，建议工厂在半精车曲拐后再对主轴颈去除小余量车削一次，消除车削曲拐带来的变形。

按照上述建议优化工艺后加工2 根26/32 曲轴（5#、6#）至完工与工厂原工艺加工曲轴（1#、2#）完工跳动数据进行对比，数据见表2。

1#、2#曲轴车削完毕后，主轴颈跳动值与下一工序余量基本相同，为保证加工余量必须重新调整主轴颈轴线基准。