某型号柴油机曲轴关键加工工艺研究

李峥 王连宏 张雪冬 周建荣 李晓霞 王铁刚

（1 山西柴油机工业有限责任公司，山西 大同，037036）

0 引言

随着装备柴油机的功率和性能进一步提升，对曲轴提出了更高的要求。特别是曲轴在工作状态下承受较大的交变扭矩和弯矩载荷，从设计上曲轴不仅具有高的尺寸精度、位置精度，而且具有更好的抗疲劳性能。曲轴的加工工艺水平不仅影响柴油机整机的尺寸和重量，而且在很大程度上影响着柴油机的可靠性与寿命。为此，对大功率柴油机高强钢曲轴进行工艺研究具有重要意义。

1 材料的选用

根据柴油机的工作状况，柴油机曲轴一般采用调质钢和非调质钢制造，调质钢常用材料有：40Cr和42CrMo 等；非调质钢常用材料有：48MnV 和38MnV6 等。随着柴油机转速、功率等性能的提升，德国柴油机曲轴采用DIN 牌号的34CrNiMo6合金结构钢，相当于国内材料40CrNiMoA 合金钢。34CrNiMo6 材料经调质处理后，硬度可达40HRC，抗拉强度σb1100 MPa，伸长率δ12%，冲击韧度值ακ为8kg/cm2。该材料属于低碳低合金高强钢，具有优良的综合力学性能，广泛用于柴油机的高载荷和高扭矩的曲轴，但加工性较差，是典型的难加工材料。因此在曲轴加工中应充分考虑刀具材质和切削参数的选择。

图1 某型号柴油机曲轴图

2 设计要求

某型号柴油机曲轴见图1。

柴油机技术的发展带动了曲轴的结构设计，从普通性能结构钢到高强高硬材料应用，从渗碳淬火到表面氮化热处理，从轴颈圆柱度0.008 到0.006 的提升，从单一的轴颈表面粗糙度Ra 标注到采用Rz 标注优化，均需要对曲轴加工工艺进行较大的更新和突破。特别是轴颈圆柱度、平行度、跳动及表面粗糙度的提高，必须采用高精度数控设备和先进的热处理技术才能满足产品质量要求。

图2 曲轴内铣刀具

3 主要加工流程

遵循“先面后孔，先主要面后次要面，先粗加工后精加工”的加工原则进行加工。为此先通过划线确定曲轴两端中心孔位置，然后采用普通车铣床和曲轴内铣进行大余量去除的外形加工。考虑曲轴轴颈的高精度要求，采用数控设备进行磨削，并采取多次时效处理工艺以减少加工和热处理变形，最后采用数控砂带抛光实现曲轴轴颈的表面完整性。主要加工流程如下：

毛坯—划线—钻中心孔—粗车铣外形—时效—精铣轴颈—时效—粗磨轴颈—精铣曲臂外形—时效—精磨轴颈—氮化—抛光—动平衡—检验。

4 关键工序和技术分析

4.1 毛坯选择

采用镦挤复合成形技术制造曲轴毛坯，可有效解决锻件折叠、啃伤、充型不饱满、外形余量不均匀等缺陷，同时可以解决锻件成形精度低和多拐曲轴累计误差大的问题，有效提高曲轴纤维连续性、各拐性能均匀性和抗疲劳性能。

4.2 两端中心孔加工

曲轴两端的中心孔不仅是曲轴后续工序加工的基准，也直接影响到曲轴的不平衡量。两端中心孔质量好坏，对加工精度影响很大，为此根据轴颈外形的加工余量通过划线确定曲轴中心，划线后采用数控铣床、中心架支撑，通过找正中心划线点利用专用中心钻完成两端中心孔加工。加工中心孔时必须做到两端中心孔轴线相互重合，中心孔的锥角要准确，它与顶尖的接触面积要大，表面粗糙度要小，否则装夹于两顶尖间的曲轴在加工过程中将因接触刚度的变化而出现圆度误差。

图3 曲轴主轴颈和连杆颈随动磨削示意图

4.3 轴颈粗加工

曲轴轴颈粗加工的主要目的是采用大余量切除法解决曲轴外形的大部分余量。由于粗加工部位较多，耗时时间较长，加工量大，容易造成曲轴变形。为此在加工时采用两端中心孔定位，中心架支承，严格控制加工进给量和切削速度，有效减少曲轴加工的切削变形。对于曲轴主轴颈和连杆轴颈的粗加工和半精加工，采用曲轴内铣设备和分度盘进行加工，考虑曲轴材料属于难加工材质，选用可转位涂层刀片，获得了较高的轴向尺寸和轴颈尺寸精度。曲轴内铣用刀具见图2。

图4 曲轴氮化炉

4.4 轴颈精加工

磨削是一种重要的精加工方法，同其它的加工方法相比，磨削具有加工精度高、获得的表面质量好、被加工材料硬度高等优点，所以磨削通常作为加工质量要求高的零件的最终精加工手段。磨削加工在曲轴加工工艺环节中占有重要地位，对曲轴加工质量和生产效率有举足轻重的影响。但普通的磨削方法存在效率低、消耗大、成本高等不足之处，长期以来，磨削都被人们普遍视作是一种和低效率联系在一起的精加工手段。 传统的曲轴磨削加工方法由两道工序完成，在曲轴主轴颈磨床上，以中心孔定位，以主轴颈中心连线为回转中心加工主轴颈；在曲轴连杆颈磨床上以主轴颈定位，通过采用偏心装置，以被加工连杆颈的轴心线为回转中心加工连杆颈。这种加工方法存在二次装夹定位误差大、辅助时间长、离线测量精度不稳定、柔性低、经济性差等缺点。因此，采用随动磨削技术加工曲轴主轴颈和连杆轴颈是目前最先进的一种工艺技术，该技术以曲轴的主轴颈定位，以主轴颈中心连线为回转中心，一次装夹依次磨出主轴颈和连杆颈。其中主轴颈的磨削方式与现有的主轴颈磨床上磨削主轴颈的方式相同，而磨削连杆轴颈的实现方式为：通过采用计算机数控（CNC）技术，根据建立的连杆轴颈磨削运动的数学模型，控制砂轮的横向进给（X轴）和工件回转运动（C 轴）联动插补，获得连杆颈的0.012mm 磨削精度和Ra0.1 的表面质量。随动磨削具有高精度、高柔性、高效率的特点，是当今曲轴磨削加工方法的发展方向。曲轴主轴颈和连杆颈随动磨削见图3.

图中：φ—连杆颈上磨削点转过的弧段所对应的角度

4.5 表面强化

由于曲轴在交变应力作用下工作，其轴颈要求具有高的硬度和耐磨性，特别是轴颈根部圆角处发生应力疲劳和应变破坏的危险性极大，需要根据设计要求针对精磨后的曲轴在抛光前进行氮化处理，采用垂直放置的工艺方法，氮化处理后生成极细颗粒具有高硬度的ε 相，同时还能生成Fe3N 和FeN，使轴颈和圆角均得到强化处理，改善表面耐磨性，增加表面硬度。特别是能够提升曲轴的抗疲劳强度20%-60%，并大幅增加材料的抗腐蚀性能，满足曲轴在大功率柴油机中的高速高承载使用要求。曲轴氮化炉见图4.

5 结语

曲轴是柴油机的关键零件之一，装备技术的发展对柴油机曲轴的性能、技术水平、加工质量及生产效率提出了更高的要求。通过针对某型号大功率柴油机高强钢曲轴加工工艺研究，采用了先进的加工工艺技术，解决了曲轴生产过程中的关键技术问题，减少了曲轴加工过程中可能产生的误差， 提高了曲轴加工质量和生产效率。