选用合适的曲轴粗加工工艺
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不断进行技术革新是汽车工业的重要特点,作为内燃(发动)机重要零件的曲轴,其粗加工工艺方法近几十年来发生了革新演变。

曲轴内铣刀

曲轴车拉刀

曲轴高速外铣刀

曲轴粗加工工艺的发展

对曲轴粗加工工艺演变,特说明以下几个要点:
  • 在多刀车削工艺中领导了将近半个多世纪的曲轴主轴颈及连杆轴颈,由于加工精度低和柔性极差等原因,被在20世纪60年代末和70年代初开发出的CNC车削、CNC外铣和CNC内铣逐步淘汰。
  • CNC外铣面世的时间并不长,由于其后出现的CNC内铣技术经济指标明显优于外铣,因而在20世纪80年中期又很快被CNC内铣所淘汰。
  • 1983年又开发出车拉工艺,从1983年到1988年短短的五年中,车拉工艺从直线式发展成回转式,到1988年发展到车-车拉工艺。至此,曲轴的主轴颈和连杆轴颈的粗加工主要采用CNC车削、CNC内铣和CNC车拉(含车-车拉)三种工艺。
  • 20世纪90年代中期又开发出CNC高速外铣,它对平衡块侧面需加工的曲轴,比上述三种工艺的生产效率还要高。另外,CNC车-车拉工艺加工连杆轴颈要二道工序,CNC高速外铣只要一道工序就能完成。所以CNC高速外铣将是曲轴主轴颈和连杆轴颈粗加工的发展方向。
  • 20世纪90年代开发的CBN高速磨削,例如:粗磨四个主轴颈(含沉割槽),其1.27分和粗磨四个连杆轴颈(含沉割槽)共0.73分。这将会出现以磨代替其他粗加工工艺的新局面。

内铣加工

双刀盘车-车拉

高速外铣

双刀盘高速外铣

合理选用适当工艺

  • 研究内容
    本研究是在综合比较曲轴主轴颈和连杆轴颈各粗加工工艺的加工精度与柔性、加工效率、加工设备的价格与特性的基础上,从技术经济角度提出在不同年生产纲领和曲轴不同轴颈结构条件下的合理加工工艺方法及装备。
  • 研究结论
    1. 从加工精度分析,CNC车拉(含车-车拉)及CNC车削比CNC高速外铣及CNC内铣加工後的精度高,但这四种加工工艺一般来说均能满足曲轴粗加工的工艺要求。
    2. 从加工的柔性分析,CNC高速外铣(双刀盘)及CNC内铣(双刀盘)比CNC车削、CNC车拉(含车-车拉)(双刀盘)的柔性好,但这几种加工工艺的柔性一般来说相差无几,CNC内铣(正体多刀盘)及CNC车拉(正体多刀盘)的柔性比较差。
    3. 从经济分析:
      • 3-1 从曲轴结构分析
        • 当曲轴的轴颈有沉割槽时,CNC内铣不能加工;如有轴向沉割槽时,CNC高速外铣不能加工,但CNC车拉(含车-车拉)能加工。
        • 当曲轴的轴颈无沉割槽时,几种工艺都能加工。
        • 当曲轴的平衡块侧面不用加工时,CNC车拉(含车-车拉)加工循环时间与CNC内铣相差无几。
        • 当曲轴的平衡块侧面要加工时,CNC内铣的加工循环时间大大优于CNC车拉(含车-车拉)。
        这里尚须说明,在曲轴的平衡块侧面要加工的情况下,采用车拉(含车-车拉)工艺,由於加工平衡块侧面是断续切削,且曲轴转速又很高(约1000r/min),在这种切削工况条件下,打刀现象比较严重,采用车拉工艺加工曲轴平衡块侧面很不合理。
      • 3-2 机床特性
        • CNC车削只用于加工主轴颈,一般不用于连杆轴颈加工。
        • CNC内铣及CNC高速外铣加工时,以主轴颈中心为回转中心,可加工主轴颈,还可以加工连杆轴颈。
        • CNC车拉(含车-车拉)加工时,有三种机床结构:(1) CNC车拉,以主轴颈为回转中心,只能加工主轴颈;(2) CNC车拉(1-4) (2-3),以某连杆轴颈中心为回转中心,只能加工某连杆轴颈。当确定某轴颈为回转中心後,不能切换到其他轴颈为回转中心,故只能加工某一组同心轴颈。(3) CNC车拉(1-2-3-4),先以某一组连杆轴颈中心为回转中心来加工这一组连杆轴颈,加工完成後,再切换到另一组连杆轴颈中心为回转中心来加工另一组连杆轴颈。即可连续加工(1, 2, 3, 4)连杆轴颈。
      • 3-3 设备价格
        CNC内铣(正体多刀盘)最昂贵,CNC车削最便宜。
      • 3-4 从技术经济分析决定合理粗加工工艺方案
        综合3-1、3-2和3-3,在不同年生产纲领下,根据曲轴的结构、设备的特性和设备的价格,决定合理的曲轴主轴颈及连杆轴颈粗加工工艺方案。
    4. 由于以上几种工艺的加工精度和柔性相差不远,所以经济是采用何种合理加工工艺方案的主要因素。
  • 对结论的补充说明
    1. 日本汽车发动机厂对曲轴的粗加工,一般都推荐采用:主轴颈加工采用CNC车削和连杆轴颈加工采用CNC内铣。
      • 主轴颈加工:只有在年产纲领为150,000件以下,以及平衡块侧面不加工的情况下采用CNC车削,才是合理的方案,(但这里尚需说明一点,平衡块侧面要加工及轴颈无沉割槽的情况下,年生产纲领为150,000件,采用CNC车削的设备价格与CNC内铣(双刀盘)的设备价格很接近,所以这种情况下采用CNC车削工艺亦可)。
      • 连杆轴颈加工:只有在平衡块侧面要加工及轴颈无沉割槽的情况下采用CNC内铣,才是合理的方案。根据分析结果,日本汽车发动机厂对曲轴所推荐的粗加工工艺需要改进。
    2. 国内很多从事曲轴制造的技术人员,较喜欢采用车拉工艺对曲轴进行粗加工。这是一种新工艺,拥有精度高的优点。但是必须指出当曲轴平衡块侧面要加工,且轴颈无沉割槽的情况下,CNC内铣加工工艺方案比CNC车拉(含车-车拉)更加经济。
    3. 曲轴平衡块侧面不用加工,且轴颈有沉割槽的情况下,CNC车拉(含车-车拉)加工工艺方案比CNC内铣更为经济。
    4. 当年产纲领为300,000台以及曲轴平衡块侧面要加工时,曲轴的主轴颈和连杆轴颈粗加工采用CNC高速外铣方案最为经济。
本文图片由瓦尔特友情提供
本文作者:上海交通大学兼职教授、汽车制造专家 顾永生
原载:《机械与金属》2002年9月号
上载于:2004-8-27 21:40:16

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