可替代进口的先进曲轴加工设备

1、可替代进口的先进曲轴加工设备 一、概述汽车制造装备在汽车产业的自主创新中有举足轻重的作用，从汽车整车和关键零部件总成生产线装备中，瞄准汽车装备巿场中长期需求、锁定那些急需尽快缩小的重要差距，以及世界汽车制造技术与装备发展的前沿技术进行研究是目前装备制造行业的紧迫任务。在激烈的市场竞争环境中，缩短和保证交货期十分重要。一个产品的加工过程链越长，生产周期就越难以控制。随着数控机床性能的提高，机动时间越来越短，影响交货期的瓶颈往往在于机床辅助时间和工件在工序之间的滞留，减少工作地的数目也就意味着缩短生产周期。 近年来，我国的内燃（发动）机生产行业的不断发展，通过与国外著名厂家的合作，引进、消化、吸收

2、国外的先进技术，行业的整体水平有了长足的进步。曲轴是内燃机中的关键零件之一，重量约占内燃机的10%，成本占整机的10%12%，其材质大体分为钢锻曲轴和球墨铸铁曲轴两类。由于技术要求高、加工工序长，是内燃机中最难加工的工件之一，对加工设备的要求十分高。虽然国内汽车行业花费大量资金从国外引进了先进的制造设备，但部分技术被国外厂家封锁，致使很多设备只应用于少数型号的曲轴加工。多数企业无力支付高昂的进口设备和转让技术费用。目前汽车发动机曲轴制造业主要面临：1、敏捷制造的要求：曲轴品种多、批量小，要求生产交货期短；2.、绿色制造的要求：为保护环境，要求实现干式切削或准干式切削；3、生产成本的要求；为降低

3、生产成本，要求减少专用夹具、刀具，降低废品率；4、加工难度大的要求：难切削材料的出现使加工难度明显增加，要求能够适应如硬切削等要求；5、制造精度的要求：发动机整机排放要求的提高，直接要求关键零件的制造精度的提高。如何有效的采用先进的曲轴制造技术，提高生产系统的柔性化、高效化和精益化是装备制造企业与汽车制造企业的共同任务。在这种要求下，为适应这一形势的需要，我公司通过与国内高校、研究所进行“产学研”合作，在曲轴、凸轮轴等关键零件制造设备和制造技术方面取得了一定的突破，为今后曲轴、凸轮轴等精密制造设备的开发打下了良好的基础。 二、曲轴加工工艺曲轴是内燃（发动）机的重要零件之一，曲轴加工工艺方法在几

4、十年发生了根本性变化，近几年，数控机床的大量应用，使加工效率和加工质量迅速提高。对于轴颈的加工工艺的变化直接反映了曲轴加工技术的发展方向复合化加工。在粗加工的发展过程中，数控车-车拉机床，数控高速外铣为了进一步提高加工效率，相继出现了双刀盘的机床，两个刀盘可以同时采用不同的工艺参数加工曲轴的不同部位。目前精加工方面，工序集成的CBN数控摆动（随动）跟踪磨床，一次装夹磨削全部曲轴主轴颈和连杆轴颈。止推面加工则是通过“精车滚压”的方式替代传统的磨削加工方式。曲轴圆角滚压强化工艺，是目前提高曲轴疲劳强度的最有效的工艺方法，曲轴圆角滚压校直是20世纪70至80年代国外研究出的新技术，目前在曲轴制造行业

5、运用越来越广泛。 早期的曲轴圆角滚压和校直是分别在两台不同的机床上完成的。曲轴的滚压和校直一般是由一个主轴颈滚压钳和一个连杆颈滚压钳完成。现在通过采取工序集成的技术，发展出四钳（两个主轴颈钳，两个连杆颈钳），九钳（用于四缸曲轴，五个主轴颈钳，四个连杆颈钳），滚压校直则采用滚压后再进行一次校直加工，或直接在滚压过程中实现校直功能。 三、数控高速曲轴外铣曲轴高速外铣机床可以加工：带沉割槽和不带沉割槽的主轴颈，带沉割槽和不带沉割槽的不同冲程和分度的连杆颈，平衡块两侧面，平衡块外圆及部分非圆外轮廓。数控高速外铣将成为曲轴主轴颈和连杆轴颈粗加工及曲轴外轮廓加工的主要工艺。（一）数控高速曲轴外铣主要的技术

6、特点 1、工序的复合化：为缩短加工时间，减少零件装夹和工序间运输的时间，曲轴的复合加工技术日趋成熟。所谓复合加工，是指当工件在机床上一次装夹后，能进行同一类工艺方法的多工序加工或者不同类工艺方法的多工序加工，从而能在一台机床上顺序地完成工件的全部或大部分加工工序。把许多加工工序集中到一台机床上完成，不仅消除了分散加工时工件在各工序流通过程中的运输和等待时间等加工辅助时间。又符合在统一基准的多工序加工，从而提高了工件的加工精度。2、高速数控系统控制：速度和精度是数控机床的两个重要指标，它直接关系到加工效率和产品质量。高速、高精度数控机床是多品种、变批量加工环境下保持高效与柔性统一的必要工具。为了

7、能够优化金属切削的加工过程，现代化的加工将越来越多地采用高性能切削。高性能切削技术不仅要求提高切削速度(即提高主轴转速)，而且要求提高刀具的进给速度。提高刀具的切削硬度，提高机床主轴的旋转速度，尤其是提高机床主轴在高速下的切削功率和旋转扭矩，可以使金属切削加工更快、更好、更经济。3、高速切削：高速切削可以提高机床生产率，缩短产品的制造周期。在精加工工序中，通过采用轻切削以及稳定的加减速控制，确保机床高速平稳运转，从而提高工件的表面质量。同时高速切削可以延长刀具寿命。在粗加工工序中，采用大、大切深切削，提高机床的切削效率 。虽然主轴转速非常高，但刀具每齿分担的进给量反而小，这样切削力就小，磨损也

8、少。另外切屑快速飞出不粘刀，因而刀具表面温度低，硬度也就基本不变，加之主轴具有良好的刚性和运转稳定性，从而有利于延长刀具寿命4、数控编程自动技术在曲轴多刀盘的高速切削中，将工件旋转（C轴）作为数控编程的基准，通过旋转量推算出刀具回转中心的位置，通过相对量的方式控制刀盘的移动。在曲轴连杆颈跟踪切削时，刀具的切削点是在变化的，瞬时切削速度、切削力以及排屑状态也是在变化的，因此，针对跟踪切削，数控NC加工程序则需考虑这些因素。通过手工是根本不可能完成的。在切削中，由于切削力不断变化，会引起轴颈的椭圆度增大，根据不同轴颈的受力特点，确定出椭圆度系数，自动补偿到加工程序中。5、跟踪切削技术：跟踪切削工艺

9、是与常规切削工艺不同的，曲轴始终是以主轴颈的轴心线进行定心装夹。当切削曲轴连杆颈时，刀具跟踪连杆颈的表面作往复摆动。跟踪切削就是采用刀具运动轮廓于与加工工件轮廓重合的技术。对于凸轮轴或其它非同心圆的光滑表面，均可采用跟踪切削技术。跟踪切削的关键是将工件的轮廓点影射为刀具中心的位置点。一般是以工件回转角度在数控加工中的C轴-作为计算基准，通过数学跟踪模型和工件的轮廓模型推算相应刀具中心的数学模型。跟踪切削目前常见的是两轴（C轴-X轴）联动、三轴（C轴-X轴-Y轴）联动方式。我公司到目前为止已经设计制造了多个型号的曲轴数控高速铣床，最典型的是：QH2-062A（单刀盘）QH2-060A（双刀盘）Q

10、H2-059（单刀盘）QH2-063（双刀盘）（二）我公司生产的数控曲轴（凸轮轴）铣床1 、 QH2-060A与QH2-062A高速数控曲轴铣床机床规格： 3001600（最大回转直径最大工件长度）机床特点：机床是采用硬质合金成形铣刀盘高速外铣加工曲轴主轴颈、连杆颈及沉割槽的专用机床，工件由左右两个车头同步驱动，专用液压卡盘自动夹紧，液压中心架支撑，可加工曲轴的主轴颈、连杆颈、轴肩、平衡块侧面、平衡块外圆、轴颈圆角、轴肩圆角等。专用液压卡盘夹持曲轴的主轴颈，工件以主轴颈轴线为回转中心，铣刀盘沿曲轴连杆颈偏心回转轨迹随动，工件回转360即可完成一个连杆轴颈、轴肩及其平衡块侧面的加工，不需调整偏心

11、，不需分度，就能适应不同规格曲轴的加工。2、QH2-059高速数控曲轴铣床机床规格： 200600（最大回转直径最大工件长度）机床特点：机床采用三轴三联动数控系统，分别控制工件主轴的旋转，铣刀的横向进给和纵向进给来完成曲轴的加工。一次装夹可全部自动完成曲轴连杆颈、主轴颈的加工（如连杆颈与主轴颈档宽不同，则需要换刀）。输入不同的程序参数即可加工不同规格的曲轴，传动链简单可靠，使用调整方便，可实现除装卸工件外加工过程的全自动控制，适合于大批量曲轴生产。国外高速随动外铣床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。铣床采用一体化复合材料结构床身，

12、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。（三）与国外同类机床比较我公司生产的曲轴铣床与国外同类铣床具有同样的随动加工技术原理，均可实现高速、高效切削。并且更加适合国内毛坯和小批量生产的现状，机床价格仅是进口机床的1/5。由于我们机床的出现，近些年来，进口机床的价格大幅度下降。我们和国外曲轴铣床的差距主要是在机床的可靠性方面和机床的防护、外型美观以及机床的渗漏方面，四、曲轴的滚压校直机 圆角滚压工艺是一种在曲轴的曲柄和轴颈过渡圆角等应力集中部位，用机械的方法，对圆角表面进行滚压，使其表面产生冷加工硬化，从而形成残余压应力表面层，并消除亚微观裂纹，从而提高曲轴疲劳强度

13、的一种工艺方法。F1为工件的夹紧力，F2为工件的滚压力，F3为工件的校直力，F4为工件的最大校直力。所有的主轴颈和连杆颈在一个工作循环过程全部滚压完成。通过测量，找出最大弯曲位置和弯曲量，通过专家系统确定校直位置和滚压力完成校直工序。 滚压校直工作原理，1、圆角滚压强化技术曲轴圆角滚压强化工艺，是目前提高曲轴疲劳强度的最有效的工艺方法，曲轴圆角滚压校直是20世纪70至80年代国外研究出的新技术。表面滚压强化是一种无屑光整加工方法。它是在常温状态下，利用高硬度材料(如淬火钢，硬质合金以及红宝石等)制成的工具对被加工零件表面施加一定的压力，使表面层金属产生塑性变形，产生表面残余压应力的一种强化方法

14、。（一）、圆角滚压机床包含的技术 圆角滚压强化跟其它的曲轴强化方法比较起来具有以下的特点:能够降低曲轴表面粗糙度，强化被滚压的表面，经滚压后产生残余压应力，硬化层深度一般为0.51.5mm，硬度可提高5%50%。能减小切削加工时留下的刀痕迹等表面缺陷，从而降低了应力集中程度。 目前，广泛采用的是沉割滚压。该工艺要求预先在曲轴圆角处加工一沉割槽，滚压强化部位在槽内，轴颈磨削时不会破坏滚压层，又消除了滚压凸缘和滚压变形，生产效率高，滚压强化效果好。采用沉割圆角滚压可减少磨削时间，提高砂轮的寿命。曲轴采用冷弯校直要降低曲轴疲劳强度。滚压校直是在曲轴经过液压后，由机内测量系统测量后将结果反馈给计算机系

15、统，由计算机系统计算出每个方向上所需加载的压力，发出该压校直指令，连续在沉割槽圆周上每个方向上加不同的压力，使曲轴产生局部塑性变形，从而达到校直效果。滚压校直工艺最大优势在于它给曲轴校直时连续在沉剖槽圆周上施加了压力，消除了拉应力对原有应力场的破坏，因此这种工艺既达到了校直效果，又不降低原有疲劳强度。液压校直工艺可以在随意方向上多点进行校直，解决了冷弯单点校直的局限性，而且由于滚压校直使曲轴产生局部的塑性变形，基本上，没有了弹性变形存在。因此避免了校直后回弹现象。2、圆角滚压校直技术（二）、我公司生产的曲轴圆角滚压机床根据曲轴圆角滚压强化工艺的要求，我公司与东风汽车集团公司工艺研究所和武汉理工

16、大学合作，率先研制成功了QH2-040数控曲轴圆角滚压智能柔性加工机床、QH2-041数控全自动曲轴圆角滚压加工机床 。QH2-040数控曲轴圆角滚压智能柔性加工机床，配有计算机校直专家系统，具有循环启动、自诊断、程序存储等功能，适用于各种曲轴的圆角滚压强化及校直。该机床的主要关键部件为在线检测装置、连杆颈滚压钳、主轴颈滚压钳。机床采用工业控制计算机控制电机的运转和液压系统的压力变化，由校直专家系统自动确定校直参数。1、QH2-040数控曲轴圆角滚压智能柔性加工机床与国外同类加工系统相比： (1)设备的加工范围大于国外同类产品，适合于我国绝大多数大小曲轴的加工，以适应我国曲轴生产厂家产品品种多

17、且产品经常改型的国情。（2）专家系统具有学习功能，该系统能将今后生产实践中的成功校直实例不断地动态补充到专家系统数据库中去，不断修正专家系统数据库中的不理想数据，并将理想的范例进行优化与正交分析，以提高校直成功的概率。机床按预先设定的滚压力和滚压次数对发动机曲轴所有主轴颈、连杆颈的底切圆角进行滚压，通过对底切圆角滚压，在曲轴疲劳强度敏感圆角区域内，形成局部压应力场，从而提高曲轴的疲劳强度，同时，机床具有校直功能，改善曲轴的弯曲变形。机床主轴由交流伺服电机实现无级变速和准确定位，左、右横向移动溜板分别由伺服电机驱动，滚压力大小由电液伺服系统控制，机床配有自动送料及自动检测装置，工件由液压缸实现自

18、动顶紧和自动夹紧，机床其它动作均通过液压缸自动完成。机床特点：2、QH2-041数控全自动曲轴圆角滚压加工机床校直在“校直”模式下，机床首先对工件的弯曲变形进行测量，如果超差则施行滚压校直，直至变形合格或满足某一判据为止。测量机床在此模式下工作时，其功能相当于一台曲轴弯曲变形测量机，可自动测量工件的弯曲变形并显示测量结果。 滚压按预先设定的滚压力和滚压次数对发动机曲轴所有主轴颈、连杆颈的底切圆角进行同时滚压。 调整专为机床调试而设置的工作模式，在此模式下机床的所有动作均通过手动操作实现。机床具有以下4种工作模式： 机床由以下部件组成：床身、车头箱、支承架、九个滚压钳、九副滚压头、尾座、送料及检

19、测机构、液压箱、润滑箱、数控箱、强电箱等。车头箱固定在卧式床身左前端，支承架固定在床身后部，尾座在机床右前端V-平导轨上，主轴颈、连杆颈滚压头分别装在主轴颈支承架、连杆颈支承架上，主轴颈、连杆颈滚压头通过各自的定位键固定在各自上下钳体之间。机床配有计算机校直专家系统，具有循环启动、自诊断、程序存储等功能。是一种集精密机械加工、液压控制系统、计算机控制、在线检测技术和智能专家系统于一体的高技术产品。机床可按预先设定的滚压力和滚压次数对发动机曲轴所有主轴颈、连杆颈的底切圆角进行同时滚压，通过对底切圆角滚压，在曲轴疲劳强度敏感圆角区域内，形成局部压应力场，从而提高曲轴的疲劳强度，同时，机床具有校直功能以改善曲轴的弯曲变形。机床主轴由交流伺服电机实现无级变速和准确定位，滚压力大小由比例减压阀控制，机床配有自动送料装置，工件由液压缸实现自动顶紧和自动夹紧，机床其它动作均通过液压缸自动完成。机床特点：曲轴圆角滚压机床中，德国的机床具有自学习功能和智能专家系统。生产的通用型曲轴滚压机自动化程度高，有专门的液压装置和控制系统，时间、压力均能独立控制，能在滚压工序开始和结束阶段连续控制压力上升和下降，以获得最佳的滚压效