曲轴制造
-
2005-03-01 13:56:57
美国、德国、日本等汽车工业发达国家致力于开发绿色、高性能的发动机，发动机正朝着增压、增压和中冷、高功率、高可靠性、低排放的方向发展。曲轴作为发动机的心脏，正面临着安全性和可靠性的严峻挑战，传统的材料和制造工艺已不能满足其功能要求。因此，各专业曲轴制造商都在争先恐后地引进新技术和新工艺来提高制造技术。从曲轴毛坯的铸造技术、锻造技术、机械加工技术、热处理和表面强化技术等方面介绍了曲轴制造技术的进展和未来发展趋势。
*李山东滨州曲轴有限公司技术中心
曲轴是发动机承受冲击载荷和传递动力的重要零件，是发动机五大零件中最难保证加工质量的。由于曲轴工作条件恶劣，对曲轴材料、毛坯加工工艺、精度、表面粗糙度、热处理、表面强化、动平衡等要求非常严格。任何一个环节的质量得不到保证，都会严重影响曲轴的使用寿命和整机的可靠性。世界汽车工业发达国家非常重视曲轴的加工，不断提高曲轴的加工技术。随着我国加入WTO，国内曲轴生产企业已经意识到形势的紧迫性，引进了大量的先进设备和技术，以期提高产品的整体竞争力，特别是近五年来，曲轴的制造技术水平有了很大的提高。
目前汽车发动机的曲轴材料有两种:球墨铸铁和钢。由于球墨铸铁良好的机械加工性，可以获得理想的结构形状，并且和钢制曲轴一样，可以进行各种热处理和表面强化处理，提高曲轴的疲劳强度、硬度和耐磨性。球墨铸铁曲轴的成本仅为调质钢曲轴的1/3左右，因此球墨铸铁曲轴在国内外得到了广泛的应用。据统计，汽车发动机曲轴由球墨铸铁制成的比例，美国为90%，英国为85%，日本为60%。此外，德国、比利时等国也大量采用。我国使用球墨铸铁曲轴的趋势更加明显。中小型动力柴油机85%以上的曲轴采用球墨铸铁，160kW以上功率的发动机曲轴多采用锻钢曲轴。
曲轴制造技术/工艺的发展
1球墨铸铁曲轴毛坯的铸造工艺
继QT800-2、QT900-2等品牌球墨铸铁曲轴生产后，广西玉柴等经过攻关，已能稳定生产QT800-6品牌曲轴，为以铁代钢奠定了基础。
(1)冶炼
获得纯净的高温低硫铁水是生产高质量球墨铸铁的关键。在中国，冲天炉是主要的生产设备，铁水没有经过预脱硫；其次是高纯度生铁少，焦炭质量差。目前已采用双炉外预脱硫的熔融法。铁水用冲天炉熔化，在炉外脱硫，然后在感应炉中加热并调整其成分。目前，真空直读光谱仪已广泛应用于我国铁水成分检测。
(2)建模
空气冲击造型工艺明显优于粘土砂型工艺，可获得高精度曲轴铸件。用此工艺制作的砂型具有不回弹变形的特点，这对于多拐曲轴尤为重要。目前，我国一些曲轴生产企业从德国、意大利、西班牙等国引进了空气冲击成型技术。但只有少数厂家引进了整条生产线，如文登天润曲轴有限公司引进了德国KW铸造生产线。
2.钢质曲轴毛坯锻造工艺。
近年来，我国引进了一批先进的锻造设备，但由于数量少，模具制造技术等设施跟不上，一些先进设备没有发挥应有的作用。总的来说，有许多旧的普通锻造设备需要改造和更新。与此同时，落后的技术和设备仍然占主导地位，先进技术得到应用但不普遍。
3、机械加工技术
目前国内曲轴生产线大多由普通机床和专用机床组成，生产效率和自动化程度都比较低。粗加工设备多采用多刀车床车削曲轴主轴颈和曲柄轴颈，质量稳定性差，容易产生较大内应力，难以达到合理的加工余量。精加工一般采用MQ8260曲轴磨床进行粗磨-半精磨-精磨-抛光，通常采用手工操作，加工质量不稳定。
随着贸易全球化的到来，制造商已经意识到形势的严峻性，纷纷进行技术改造以增强企业的竞争力。近几年引进了很多先进的设备和技术，进步很快。就目前情况来看，这些设备和技术基本依赖进口。下面介绍哈尔滨东安动力、一汽大柴、文登天润曲轴、滨州海德曲轴。
哈尔滨东安集团曲轴生产线为全自动柔性流水线，粗加工生产线由德国专机自动线(林登迈尔)、数控车床-车床、数控高速外铣(勃林格)、圆角滚压机(黑根施泰特-MFD)、推力面车床-车床、淬火机床(EMA)组成。精加工生产线由日本数控高速CBN磨床(TOYODA)、动平衡机、抛光机(IMPCO-NACHI)、检测仪、清洗机等组成。连杆轴颈加工采用数控高速随动加工技术，全线采用高速CBN砂轮磨削技术，磨削线速度达到120 m/s..
文登天润曲轴通过引进德国、美国、意大利等发达国家的先进设备，建立了具有国际先进水平的大型曲轴生产基地。由CBN磨床、哈斯立式卧式加工中心、意大利SAIMP磨床、德国海勒曲轴内铣床、萨-FINA抛光机组成的机加工生产线已开始批量生产。
一汽大柴曲轴生产线的粗加工和精加工工序位于不同的车间，保证了精加工车间的洁净度。粗加工包括曲轴质量定心机、数控内铣床等设备，精加工设备由英国LANDIS、日本TOYADA数控曲轴磨床等进口先进设备组成。
滨州海德曲轴经过技术改造，建立了数控曲轴加工生产线。粗加工设备由数控车床、数控曲轴铣床等设备组成。精整设备包括数控磨床、数控砂带抛光机、滚轮抛光机和其他设备。近期拟采购日本TOYADA machine数控磨床等关键设备，检测设备由美国ADCOLE曲轴三坐标测量机(见图3)和粗糙度仪组成。值得一提的是，海德曲轴公司在全国专业曲轴生产厂家中率先应用了球墨铸铁曲轴圆角滚压和滚压抛光新技术，取得了良好的经济效益和社会效益。
可以看出，发动机曲轴制造技术进步最快的是机加工设备，典型的机加工工艺是铣和磨。下面简单介绍GF70M-T曲轴磨床和VDF 315 OM-4高速随动外铣床，其先进程度可见一斑:
GF70M-T曲轴磨床是日本TOYADA机床公司开发生产的专用曲轴磨床。它是为满足多品种、低成本、高精度和大批量生产的需要而设计的数控曲轴磨床。磨床应用工件旋转和砂轮进给的伺服联动控制技术，在不改变曲轴旋转中心的情况下，一次装夹即可完成所有轴颈的磨削，包括连杆轴颈的随动跟踪磨削；采用静压主轴、静压导轨、静压进给丝杠(砂轮主轴箱)和直线光栅闭环控制，采用日本东洋机床生产的GC50数控系统，磨削轴颈圆度精度可达0.002mm；使用CBN砂轮，磨削线速度高达120m/s，双砂轮主轴箱磨削效率极高。
VDF 315 OM-4高速外随动铣床是德国勃林格公司专门为汽车发动机曲轴设计制造的柔性数控铣床。该设备应用工件旋转和铣刀进给的伺服联动控制技术，可以在不改变曲轴旋转中心的情况下一次跟踪铣削曲轴连杆轴颈。VDF 315 OM-4高速随动外铣采用一体化复合结构床身，工件两端由电子同步旋转驱动，具有干切削、加工精度高、切削效率高的特点。采用西门子840D数控系统，在人机界面上输入零件的基本参数即可自动生成设备操作指令，可加工长度为450 ~ 700 mm、回转直径小于380mm的各种曲轴，连杆轴颈直径误差为0.02 mm..
4、热处理和表面强化处理技术
曲轴热处理的关键技术是表面强化处理。一般对球墨铸铁曲轴进行正火处理，为表面处理做准备，表面强化处理一般采用感应淬火或渗氮工艺。锻钢曲轴采用轴颈和圆角淬火工艺。进口设备有AEG自动曲轴淬火机床和EMA淬火机床。
根据国外资料，圆角滚压技术与离子渗氮相结合，球墨铸铁曲轴的疲劳强度可提高130%以上。国内一些厂商近年来也进行了这种做法，取得了不错的效果。
在曲轴圆角滚压方面，德国HEGENSCHEIDT-MFD自动化生产的机床应用了变压滚压校直专利技术，是很好的圆角滚压设备，但价格昂贵。目前，国内在这方面的研究也取得了一定的成果。东风汽车有限公司技术研究所的“曲轴圆角滚压强化及滚压校直技术的研究、开发与应用”解决了国内企业斥巨资引进国外技术的难题，该课题获得原国家机械工业局科技进步二等奖。
曲轴制造技术的发展趋势
1，铸造技术
(1)冶炼
对于高等级铸铁的熔炼，采用大容量中频炉或变频中频炉熔炼，用直读光谱仪检测铁水成分。球墨铸铁处理分包，开发球化剂新品种，采用随流孕育、型内孕育、复合孕育等先进孕育方法。熔化过程的参数由微机控制并显示在屏幕上。
(2)建模
消失模铸造将得到发展和推广。在砂型铸造中，无箱注射成型和挤压成型将受到重视，并将在新建或改建的工厂中继续推广应用。将继续使用原有的高压造型线，并对部分关键部件进行改进，实现自动装芯和下芯。
2.锻造技术
以热模锻压机和电液锤为主机的自动化生产线是锻造曲轴生产的发展方向。这些生产线一般会采用精密剪切下料、辊锻(楔横轧)制坯、中频感应加热、精整液压机精压等先进技术，同时配备机械手、传送带、带回转盘的换模装置等辅助机器，形成柔性制造系统(FMS)。通过FMS，可以自动更换工件和模具，自动调整参数，并在工作过程中连续进行测量。显示和记录锻造厚度和最大压力的数据，并与定值进行比较，选择最佳变形量，获得优质产品。整个系统由中央控制室监控，实现无人操作。
3、机械加工技术
数控车床、数控内铣床、数控车拉床等先进设备将广泛用于主轴颈和连杆轴颈的数控车削、内铣和车拉加工，以有效减少曲轴加工变形。数控曲轴磨床将广泛应用于曲轴轴颈的精加工。本磨床将配备自动砂轮动平衡装置、中心架自动跟踪装置、自动测量和补偿装置、自动修整砂轮、恒定线速度等功能要求，以保证磨削质量的稳定性。高精设备依赖进口的现状估计短期内不会改变。
4、热处理技术和表面强化技术
(1)曲轴中频感应淬火
曲轴中频感应淬火将采用微机监控的闭环中频感应加热装置，具有效率高、质量稳定、操作可控的特点。
(2)曲轴的软氮化
对于批量生产的曲轴，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预清洗机(清洗和干燥)、预热炉、软氮化炉、冷却油箱、后清洗机(清洗和干燥)、控制系统和造气及配气系统组成。
(3)曲轴表面强化技术
球墨铸铁曲轴圆角滚压强化将在曲轴加工中得到广泛应用。此外，圆角滚压强化和轴颈表面淬火等复合强化工艺也将广泛应用于曲轴加工，锻钢曲轴将采用轴颈和圆角淬火强化。