曲轴制造技术的进展及敏捷柔性生产线方案文档格式.doc

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精加工仍以普通磨床磨削工艺为主。

3）20世纪80年中期又出现了CNC内铣工艺，CNC内铣加工性能指标要高于CNC外铣加工，尤其是对于锻钢曲轴，内铣更有利于断屑。

精加工工艺多采用半自动曲轴磨床，头架和尾座同步传动，加工精度有一定的提高。

4）1985年到1990年左右开发出了曲轴车拉、车－车拉工艺（图1为双刀盘车－车拉），该工艺具有精度高、效率高等优点，特别适合于平衡块侧面不需要加工且轴颈有沉割槽（包括轴向沉割槽）的曲轴，加工后曲轴可直接进行精磨，省去粗磨工序。

曲轴精加工已少量采用数控磨床磨削工艺，尺寸的一致性得到改善。

图1双刀盘车－车拉

5）20世纪90年代中期又开发出CNC高速外铣（图2为双刀盘高速外铣），它对平衡块侧面需要加工的曲轴，比CNC车削、CNC内铣、车－车拉的生产效率还要高。

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，具有以下优点：

切削速度高（可高达350m/min）、切削时间较短、工序循环时间较短、切削力较小、工件温升较低、刀具寿命高、换刀次数少、加工精度更高、柔性更好。

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。

精加工使用数控磨床，采用静压主轴、静压导轨、静压进给丝杠（砂轮头架）和线性光栅闭环控制等控制装置，使各尺寸公差及形位公差得到可靠的保证，精加工还广泛使用数控砂带抛光机进行超精加工，经超精加工后的曲轴轴颈表面粗糙度至少提高一级精度。

图2双刀盘高速外铣

20世纪90年代开发的CBN高速磨削。

英国LANDIS公司生产的曲轴磨床，磨削速度高达120m/s，用扒皮法一次装夹从毛坯到精磨完毕，耗时仅几分钟的时间。

这将会出现以磨代替其它粗加工工艺的新局面。

6）进入21世纪以后，复合加工工艺已进入曲轴制造业中。

复合机床应具有工序集成功能，多种加工集成功能。

奥地利WFL公司生产的卧式车铣复合加工中心（图3为M40G型）能在曲轴硬化前“一次装夹，全部加工”，加工后的曲轴可直接转入精加工工序；

曲轴精加工方面，也出现了工序集成的CBN数控磨床，即一次装夹磨削全部曲轴主轴颈和连杆轴颈（摆动跟踪磨削）。

图3M40G车铣复合加工中心

由以上演变可以看出，曲轴的加工工艺正向着高速、高效、复合化方向发展。

目前较为流行的粗加工工艺是主轴颈采用车－车拉工艺和高速外铣，连杆颈采用高速随动外铣，全部采用干式切削；

精加工采用数控磨床加工，具有自动进给、自动修正砂轮、尺寸和圆度自动补偿、自动分度和两端电子同步驱动等功能。

主轴颈和连杆颈可一次装夹全部磨削完毕；

超精加工采用数控砂带抛光机，带尺寸控制装置。

典型曲轴加工先进装备性能简介

1）CNC高速随动外铣（图4）：

现介绍一款型号为VDF315OM-4的高速随动外铣床的性能。

该机床是德国BOEHRINGER公司专为汽车发动机曲轴设计制造的柔性数控铣床，该设备应用工件回转和铣刀进给伺服连动控制技术，可以一次装夹不改变曲轴回转中心随动跟踪铣削曲轴的连杆轴颈。

采用一体化复合材料结构床身，工件两端电子同步旋转驱动，具有干式切削、加工精度高、切削效率高等特点；

使用SIEMENS840DCNC控制系统，设备操作说明书在人机界面上，通过输入零件的基本参数即可自动生成加工程序，可以加工长度450～700mm、回转直径在380mm以内的各种曲轴，连杆轴颈直径误差为±

0.02mm。

图4CNC高速随动外铣机

CNC车-车拉机床：

该设备一次设定能完成所有同心圆的车削，并在同一台机床上完成车—车拉（车侧端面）加工，加工效率高，通过使用特殊卡盘和刀具系统还能实现柔性加工，且机床保养简便维护成本也较低，特别适用于平衡块侧面不需加工、轴颈有沉割槽的曲轴。

其中拉削工艺可用高效的梳刀（图5）车削工艺代替，梳刀加工通常放到该工序的最后工步，通过微量的径向进给和纵向车削实现高速精加工。

图5梳刀刀片

2）曲轴止推面车滚专机（图6）：

该设备用于对曲轴止推面精车滚压加工，并具有以下技术特点：

滚压抛光止推面并在线测量、滚压抛光代替磨削加工、可同时进行车削加工、在刀盘上装有滚压抛光装置、可获得更高精度。

目前性能较好的设备有德国赫根塞特（HEGENSCHEID）公司的曲轴止推面车滚专机等。

图6止推面精车滚压机

3）CNC曲轴磨床：

以德国埃尔温勇克机器制造有限公司（JUNKER）的摆动跟踪系列磨床为例，该设备采用了用于高速加工的CBN砂轮和使用油冷却曲轴的组合，适用于加工汽车发动机曲轴，质量可靠。

主要性能有：

在加工过程中检测并修正轴颈圆度和尺寸；

带有“学习功能”的控制系统，附加对圆度偏差和干扰量的自动补偿，可进行补偿的干扰量是：

温度，机械及动力影响，磨削余量的变化，材料以及金相结构的变化，砂轮的可切削性，机床的磨损状况；

磨削主轴颈和连杆轴颈一次装夹，理论上的偏差为零；

切入式磨削及摆动式磨削；

对“敏感工件”的支撑，在主轴上采用自动对中心的三点式中心架；

CNC控制的冷却剂供给保障了磨削区域的持久用量；

采用静压圆型导轨，无爬行现象，确保持久的高精确度（X轴导轨，进给丝杠，止推轴承）；

减震抗扭转床身，使用矿物的合成材料浇注而成，具有良好的吸震抗弯功能；

砂轮轴适用于高达140m/s的磨削。

图7是型号为“JUCRANK6000/50-50”的数控曲轴磨床。

该磨床具有四片CBN砂轮，每片均可独立磨削，一次装夹可磨削全部主轴颈和连杆颈。

图7JUCRANK6000/50-50型CBN磨床的前端和后端形状

从以上所介绍的几种先进设备可以看出一个共同点，就是高速高效柔性化，适合于当今产品多品种、小批量的发展趋势。

由于曲轴加工不同于普通机械加工，许多工序必须使用专用刀具，如上面介绍的内铣、车－车拉和高速外铣，所使用的都是专用刀具，这些刀具的刀体制造复杂，价格也比较昂贵。

如果产品变型要牵涉曲轴结构的变化，就导致必须使用新的刀体来加工曲轴，这就会影响产品开发周期和制造成本，最终导致产品缺乏竞争力。

现在瓦尔特等刀具制造商已开发出柔性化的曲轴制造专用刀具—模块化刀具（图8）。

大大缩短了产品开发周期，降低了制造成本。

图8模块化曲轴刀具系统

曲轴敏捷柔性生产线（AFTL）方案探讨

目前国内轿车曲轴生产线多为高速柔性生产线FTL（FlexibleTransferLine），这种生产线的特点是不仅可以加工同系列曲轴，而且还可加工变型产品、换代产品和新产品，真正具备柔性意义。

为进一步提高高速柔性生产线的生产效率，更快的适应巿场，FTL下一步发展是敏捷柔性生产线AFTL（AgileFlexibleTransferLine）。

其主要目的是：

1）满足巿场变化的需求。

不但满足当前产品的要求，还应考虙未来巿场需求。

2）满足生产方式的需求。

能满足现代发动机“多品种、大中批量、高效率、低成本”的生产需求。

3）符合“精益生产”的原则。

杜绝浪费，用最少投资、最大回报谋取利润。

由于发动机曲轴自身结构的特殊性，笔者认为曲轴AFTL应具备以下特点：

由高速加工中心和高效专用机床（含少量组合机床）组成。

按工艺流程排列机床并由自动输送装置连接，采用柔性夹具和高效专用刀具生产。

为防止关键工序设备故障造成全线停产，可增设平行设备增补，亦能满足大批量生产的需要。

以下是其工艺流程（仅金属加工部分）：

铣端面、定总长、钻质量中心孔、车大小端外圆→铣主轴颈及轴肩→铣连杆颈及轴肩→车拉主轴颈及沉槽→车拉连杆颈及沉槽→枪钻油孔→清洗→圆角滚压→法兰钻孔攻丝→精磨主轴颈（CBN）→精磨连杆颈（CBN）→斜切磨小端→斜切磨法兰端→车滚止推面、铣键槽→动平衡→砂带抛光主轴、连杆及法兰外径→清洗、冷却→检测分类。

对上述工艺流程有几个问题探讨如下：

1、曲轴质量中心孔和几何中心孔的选用。

1）毛坯质量好，加工余量小且加工余量分布均匀。

这时曲轴的质量中心孔与几何中心孔基本重合，则不必花费较高的经费购置质量定心设备而直接钻几何中心孔。

2）毛坯质量较差，加工余量大且加工余量分布不均匀，要优先选用质量中心孔。

因初始不平衡量较大，如果钻几何中心孔，质量分布不均匀，转动惯量较大，损坏后续加工设备精度。

再者，采用几何中心孔，在进行动平衡时，初始不平衡量可能超出平衡机要求而无法平衡。

在这种情况下应优先选用质量定心机。

2、曲轴粗加工机床的合理选用

1）选用原则

先进的金属加工设备在曲轴制造中的重要性毋庸置疑，它能够可靠地保证尺寸精度和一致性，适应生产节拍的要求，提高整体工艺水平。

但不能采取“拿来主义”，也并不是设备越先进越好，应符合以下三个原则：

1）符合工艺性原则，结合产品结构，能满足尺寸精度和一致性的要求。

2）符合经济性原则，采用招标的形式降低成本。

3）符合设备管理和维修性原则，考察设备生产商售后服务质量，设备易损件是否能够随时采购等。

2）合理组合

国内曲轴制造企业对引进设备存在一些误区，比如认为设备越先进、昂贵越好。

其实如果使用不当，先进设备起不到应有的作用，造成浪费。

下面以CNC高速外铣、CNC内铣、CNC车-车拉的合理组合为例来介绍。

（1）曲轴平衡块侧面需加工，主轴颈加工应优先选用CNC内铣或CNC高速外铣，连杆颈的加工用CNC高速外铣。

如果毛坯是锻钢毛坯，CNC内铣更有利于断屑。

不宜采用CNC车-车拉，由于平衡块侧面是断续车削，曲轴转速又很高（约1000r/m），崩刀现象很严重。

（2）曲轴平衡块侧面不需加工，主轴颈加工选用CNC车-车拉比较合理，加工精度高。

由于连杆颈轴线不在一条中心线上，如六拐曲轴，用车-车拉加工就有一些麻烦，CNC高速外铣就比较合理。

（3）轴颈有沉割槽的曲轴，此时CNC车-车拉体现出其优越性，若轴向有沉割槽，CNC高速外铣和CNC内铣不能加工，而车-车拉能加工。

以上设备应采用独立双刀盘、模块化刀具系统等实现柔性化加工。

3、曲轴圆角滚压强化

曲轴的圆角滚压强化，主要是为了提高曲轴的疲劳强度。

据统计资料表明，球铁曲轴经圆角滚压后寿命可提高120-230%；

锻钢曲轴经圆角滚压后寿命可提高70-130%。

因此这种强化手段受到各曲轴生产厂家的高度重视。

目前国外轿车曲轴几乎全部采用滚压强化工艺。

采用这种设备应注意柔性化，以适应不同产品的加工。

4、曲轴砂带抛光

采用砂带抛光可同时抛光主轴颈、连杆颈、法兰、圆角及至推面，由曲轴轴向窜动实现圆角及止推面的抛光。

抛光后的表面粗糙度至少提高一级精度以上。

为实现曲轴多品种、变型产品的加工，可采用独立抛光头、分多工步加工实现柔性化。

5、曲轴的清洗

曲轴通常采用二次清洗，第一次清洗安排在枪钻油孔之后，去除油孔内的铁屑和曲轴表面的润滑油，为下道工序提供清洁的半成品。

第二次清洗安排在砂带抛光之后，选用定点定位专用清洗机对油孔、法兰螺孔等用专用喷嘴清洗。

6、曲轴的精加工

曲轴精磨主轴颈和精磨连杆颈工序应选用单砂轮、独立双砂轮CBN数控磨床，不易选用多砂轮一体化磨床，虽效率高，但不能适应多品种柔性化需要。