曲轴制造技术的进展及敏捷柔性生产线方案初探(doc 10)

1、曲轴制造技术的进展及敏捷柔性生产线方案初探曲轴是发动机的心脏；曲轴制造技术是发动机制造技术的集中体现。国内汽车发动机关键部件主要制造技术装备目前依赖进口，而发动机曲轴加工的敏捷柔性生产线还处在 初期阶段，需要一个长期的技术积和发展过程。曲轴加工工艺的发展演变1) 20 世纪 70 代以前，发动机曲轴粗加工采用的加工方式是多刀车床车削曲轴主轴颈和连杆轴颈。采用这种方式加工精较低、柔性很差、工序质稳定性低，且容产生较大的内部应，难以达到合的加工余。在粗加工后一般需要进去应回火处， 释放应。因此粗加工需要给后续精加工工序较大的加工余，以去除弯曲变形。曲轴精加工采用的是普通磨削工艺，一般采用 MQ82

2、60 曲轴磨床粗磨-半精磨-精磨-抛光。通常靠手工操作，加工质稳定，废品较高。2) 20 世纪 70 代到 80 代左右，曲轴粗加工采用 CNC 车削、CNC 外铣加工，加工状况有所改善。精加工仍以普通磨床磨削工艺为主。3) 20 世纪 80 中期又出现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，内铣有于断屑。精加工工艺多采用半自动曲轴磨床， 头架和尾座同步传动，加工精有一定的提高。4) 1985 到1990 左右开发出曲轴车、车车工艺（图1 为双刀盘车车） ，该工艺具有精高、效高等优点，特别适合于平衡块侧面需要加工且轴颈有沉割槽（包括轴向沉割槽）的

3、曲轴，加工后曲轴可直接进精磨，去粗磨工序。曲轴精加工已少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 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、车车的生产效还要高。另外， CNC 车车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：削速高（可高达350m/min）、削时间较短、工序循环时间较短、 削较小、工件温升较低、刀具寿命高、换刀次数少、加工精高、柔性好。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

4、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超精加工，经超精加工后的曲轴轴颈表面粗糙至少提高一级精。图 2 双刀盘高速外铣20 世纪 90 代开发的 CBN 高速磨削。英国 LANDIS 公司生产的曲轴磨床，磨削速高 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 WFL 公司生产的卧式车铣复合加工中心（图 3

5、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 3 M40G 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。目前较为的粗加工工艺是主轴颈采用车车工艺和高速外铣，连杆颈采用高速随动外铣，全部采用干式削；精加工采用数控磨床加工，具有自动进给、自动修正砂轮、尺寸和圆自动补偿、自动分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

6、介1) CNC 高速随动外铣（图 4）：现介绍一款型号为 VDF 315 OM-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。采用一体化复合材结构床身，工件两端电子同步 旋转驱动，具有干式削、加工精高、削效高等特点；使用SIEMENS 840D CNC控制系统，设备操作说明书在人机界面上，通过输入件的基本参数即可自动生成加工 程序，可以加工长 450700mm、回转直径在 380mm 以内的各种曲轴，连杆轴颈直径误差为0.02

7、mm。图 4 CNC 高速随动外铣机CNC 车-车机床：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（车侧端面）加工，加工效高，通过使用特殊卡盘和刀具系统还能实现柔性加工，且机床保养简维护成本也较低，特别适用于平衡块侧面需加工、轴颈有沉割槽的曲轴。其中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、滚压抛光代替磨削加工、可同时进车削加工、在刀盘上装有滚压抛光装置、可获得高精。

8、目前性能较好的设备有德国赫根特（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）的摆动跟踪系磨床为，该设备采用用于高速加工的CBN 砂轮和使用油却曲轴的组合，适用于加工汽车发动机曲轴，质可靠。主要性能有：在加工过程中检测并修正轴颈圆和尺寸； 带有“学习功能的控制系统，附加对圆偏差和干扰的自动补偿，可进补偿的干扰是：温，机械及动影响，磨削余的变化，材以及相结构的变化，砂轮的可削性，机床的磨损状况；磨削主轴颈和连杆轴颈一次装夹，论上的偏差为； 入式磨削及摆动式磨削；对 “敏感工件的支撑，在主轴上采用

9、自动对中心的三点式中心架；CNC 控制的却剂供给保障磨削区域的持久用；采用静压圆型导轨，无爬现象，确保持久的高精确（X 轴导轨，进给丝杠，止推轴承）；减震抗扭转床身，使用矿物的合成材浇注而成，具有好的吸震抗弯功能；砂轮轴适用于高达140m/s 的磨削。图 7 是型号为“JUCRANK 6000/50-50的数控曲轴磨床。该磨床具有四片 CBN 砂轮，每片均可独磨削，一次装夹可磨削全部主轴颈和连杆颈。图 7 JUCRANK 6000/50-50 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、小批的发展趋势。由于曲轴加工同于

10、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。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）。大大缩短产品开发周期，低制造成本。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(Flexible Transfer Line)，这种生产线的特点是仅可以加工同系曲轴，而且还可加工变型产品、换代产

11、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，快的适应巿场，FTL 下一步发展是敏捷柔性生产线 AFTL（Agile Flexible Transfer Line）。其主要目的是：1）满足巿场变化的需求。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、高效、低成本的生产需求。3）符合“精益生产的原则。杜绝费，用最少投资、最大回报谋取润。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（含少组合机床）组成。按工艺程排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

12、。为防止关键工序设备故障造成全线停产，可增设平设备增补，亦能满足大批生产的需要。以下是其工艺程（仅属加工部分） ：铣端面、定总长、钻质中心孔、车大小端外圆铣主轴颈及轴肩铣连杆颈及轴肩车主轴颈及沉槽车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）斜磨小端斜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、却检测分类。对上述工艺程有几个问题探讨如下：1、曲轴质中心孔和几何中心孔的选用。1）毛坯质好，加工余小且加工余分布均匀。这时曲轴的质中心孔与几何中心孔基本重合，则必花费较高的经费购置质定心设备而直接钻几何中心孔。2）毛坯质较差，加工余大且加工

13、余分布均匀，要优先选用质中心孔。因初始平衡较大，如果钻几何中心孔，质分布均匀，转动惯较大，损坏后续加工设 备精。再者，采用几何中心孔，在进动平衡时，初始平衡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定心机。2、曲轴粗加工机床的合选用1）选用原则先进的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和一致性，适应生产节拍的要求，提高整体工艺水平。但能采取“拿来主义，也并是设备越先进越好，应符合以下三个原则：1）符合工艺性原则，结合产品结构，能满足尺寸精和一致性的要求。 2）符合经济性原则，采用招标的形式低成本。 3）符合设备管和维修性原则，考察设备生产商售后服务质，设备

14、损件是否能够随时采购等。2）合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。其实如果使用当，先进设备起到应有的作用 ，造成费。下面以 CNC 高速外铣、CNC 内铣、CNC 车-车的合组合为来介绍。（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 内铣有于断屑。宜采用 CNC 车-车，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）曲轴平衡块侧面需加工，主轴颈加工选用CNC 车-车比较合，加工精高。由于连杆颈轴线在一条中心线上，如拐曲

15、轴，用车 -车加工就有一些麻烦， CNC 高速外铣就比较合。（3）轴颈有沉割槽的曲轴，此时 CNC 车-车体现出其优越性，轴向有沉割槽，CNC高速外铣和 CNC 内铣能加工，而车 -车能加工。以上设备应采用独双刀盘、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，主要是为提高曲轴的疲劳强。据统计资表明，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