大型發(fā)動機(jī)的“心臟”原來是這么制造的！

 　　曲軸是發(fā)動機(jī)中最典型、最重要的零件之一，其功用是將活塞連桿傳遞來的氣體壓力轉(zhuǎn)變?yōu)檗D(zhuǎn)矩，作為動力而輸出做功，驅(qū)動器他工作機(jī)構(gòu)，并帶動內(nèi)燃機(jī)輔助裝備工作。這就意味著劇烈的加速和減速，并伴隨高彎曲變形、高扭矩和振動沖擊，導(dǎo)致非常高且多變的應(yīng)力。如此極端化的應(yīng)力需要精心的設(shè)計和計算、選擇合適的材料以及批量加工工藝。這些應(yīng)力集中于支承軸頸和平衡塊輻板之間的圓角半徑處以及油孔上，因此需要特別關(guān)注這些位置的加工。

 

　　曲軸的工作原理

 

　　（先來看一段視頻，此視頻介紹了寶馬曲軸生產(chǎn)線，自動化程度很高。）

 

　　曲軸的結(jié)構(gòu)及材料

　　曲軸屬細(xì)長桿件，主要由主軸頸、連桿頸、油封軸頸、齒輪軸頸組成，在主軸頸、連桿頸上有油孔，兩端有螺紋孔。

 

　　根據(jù)發(fā)動機(jī)的結(jié)構(gòu)，曲軸主要有直列和V型曲軸，上圖為直列曲軸，主軸頸用于支撐整個曲軸，連桿頸與連桿相連，帶動連桿活塞做上下往復(fù)運(yùn)動根據(jù)發(fā)動機(jī)的工作狀況。

 

　　曲軸常用材料有：球墨鑄鐵、合金鋼。對于汽油機(jī)曲軸和小型柴油機(jī)曲軸，由于功率較小，曲軸毛坯一般采用球墨鑄鐵和優(yōu)質(zhì)碳素鋼，常用材料有：QT700-2、45鋼等；中、重型柴油機(jī)曲軸毛坯一般采用合金鋼，常用材料有：48MnV、35CrMo等。

 

　　曲軸是發(fā)動機(jī)中的重要零件，由于曲軸具有結(jié)構(gòu)復(fù)雜、剛性差、技術(shù)要求高的特性，因此加工工藝難度大，而其加工質(zhì)量又直接影響到發(fā)動機(jī)的技術(shù)性能和壽命，且曲軸屬細(xì)長桿件零件，在加工中極易產(chǎn)生變形，這就需要在進(jìn)行加工工藝設(shè)計時，根據(jù)曲軸的材料、技術(shù)要求、生產(chǎn)能力等要求，綜合、考慮加工方案。

 

　　曲軸加工工藝

 

　　曲軸加工工藝過程雖然曲軸的品種較多，結(jié)構(gòu)上一些細(xì)節(jié)有所不同，但加工工藝過程大致相同。

　　主要工藝介紹

 

　　1）曲軸主軸頸及連桿頸外銑加工

 

　　現(xiàn)在的數(shù)控外銑機(jī)床，采用了模塊化設(shè)計，使外銑數(shù)控機(jī)床具備可變形的多種不同的結(jié)構(gòu)，從而適應(yīng)曲軸品種規(guī)格變化的需要。在進(jìn)行曲軸零件加工時，由于圓盤銑刀本身結(jié)構(gòu)的影響，刀刃與工件始終是斷續(xù)接觸，有沖擊。因此，機(jī)床整個切削系統(tǒng)中控制了間隙環(huán)節(jié)，降低了加工過程中因運(yùn)動間隙產(chǎn)生的振動，從而提高了加工精度和刀具的的使用壽命。

 

　　外銑機(jī)床可由兩個外銑刀盤組成，刀盤在做主運(yùn)動切削的同時還可以上下擺動，從而適應(yīng)于加工連桿頸的需要。此時，曲軸轉(zhuǎn)動，連桿頸繞主軸頸中心轉(zhuǎn)動，銑刀盤隨連桿頸旋轉(zhuǎn)而上下擺動，實(shí)現(xiàn)隨動切削。由于兩銑削頭可沿著主軸軸心線移動，從而完成對曲軸每個主軸頸和連桿頸的銑削。

 

　　2）曲軸主軸頸及連桿頸磨削

 

　　目前隨著機(jī)床制造技術(shù)的發(fā)展，連桿頸的磨削則采用跟蹤磨削法。跟蹤磨削法是以主軸頸中心線為回轉(zhuǎn)中心，一次裝夾依次完成曲軸連桿頸的磨削加工（也可用于主軸頸磨削），磨削連桿軸頸的實(shí)現(xiàn)方式是通過CNC控制砂輪的進(jìn)給和工件回轉(zhuǎn)運(yùn)動兩軸聯(lián)動，來完成曲軸加工進(jìn)給。跟蹤磨削法采用一次裝夾、在一臺數(shù)控磨床上依次完成曲軸主軸頸和連桿頸的磨削加工，能有效地減少設(shè)備費(fèi)用，降低加工成本，提高加工精度和生產(chǎn)效率。

 

　　３）曲軸主軸頸、連桿頸圓角滾壓機(jī)床

 

　　近年來，滾壓機(jī)床應(yīng)用越來越多，主要是為了提高曲軸的疲勞強(qiáng)度。據(jù)統(tǒng)計資料表明，球墨鑄鐵曲軸經(jīng)圓角滾壓后的曲軸壽命可提高120％～230％；鍛鋼曲軸經(jīng)圓角滾壓后壽命可提高70％～130％。滾壓的旋轉(zhuǎn)動力來源于曲軸的旋轉(zhuǎn)，帶動滾壓頭中的滾輪轉(zhuǎn)動，而滾輪的壓力是由油缸實(shí)施的。滾壓力的大小直接影響到滾壓的效果。力大則在短時間內(nèi)就會滾壓出規(guī)定的深度，但由于壓力過大，除了易使?jié)L壓輪破損外，更易使曲軸整體產(chǎn)生彎曲變形。為此，油缸的壓力是可變的、可調(diào)的，在曲軸旋轉(zhuǎn)過程中的任一角度都可隨時變化，靠液壓伺服閥控制，實(shí)現(xiàn)脈沖滾壓。

 

　　在滾壓過程中，因滾壓輪薄、硬度高，在壓力作用下超過一定的時間會破損，因此，滾壓頭具有滾壓輪破損檢測報警功能。由于在滾壓過程中曲軸的高速旋轉(zhuǎn)，受滾壓力的作用及滾壓臂的隨動負(fù)載的影響，盡管脈沖滾壓能保證曲軸在滾壓過程中的變形很小，但曲軸還是有變形存在。因此，滾壓機(jī)床采用了在線檢測技術(shù)，測頭可在任意位置對曲軸進(jìn)行彎曲變形檢測，若變形超差，確定變形方向，通過專家系統(tǒng)控制，使?jié)L壓油缸的力根據(jù)變形方向而變化，從而達(dá)到校直的目的，一般需19~21KN的校直力。在滾壓加工過程中，為了控制滾壓力的大小，在滾壓臂最易產(chǎn)生變形的位置安裝了一個應(yīng)變儀，通過滾壓臂受張力產(chǎn)生變形的大小，來監(jiān)控滾壓力，從而對壓力進(jìn)行控制。

 

　　４）曲軸油道孔數(shù)控鉆削機(jī)床

 

　　曲軸油道孔的加工經(jīng)歷了普通鉆床、組合機(jī)床、槍鉆等不同時代的不同的加工方法，而今已開始采用數(shù)控柔性鉆床。其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)如下：

 

　?。?）采用帶中孔的涂鈦硬質(zhì)合金鉆頭；

 

　?。?）采用油氣通過鉆頭中孔對切削部位進(jìn)行潤滑，其用油為菜子油，不含硫、硅、氯等成分，也不含石油成分，潤滑效果好；

 

　　（3）可同時加工兩根曲軸；

 

　?。?）可自動換刀；

 

　?。?）油道孔加工角度在一定范圍內(nèi)可調(diào)；

 

　　（6）實(shí)現(xiàn)6軸運(yùn)動。即主軸運(yùn)動，主軸頭擺動；

 

　　主軸頭前后移動；主軸頭左右移動（換刀和油道孔加工位置用）；主軸頭上下進(jìn)給運(yùn)動；被加工曲軸的轉(zhuǎn)動。這種鉆床，大大減少了切削液的使用量，而且提高了加工的柔性。切削液的使用，在曲軸加工中也是需要關(guān)注的問題，如何減少加工現(xiàn)場的油霧，一些專業(yè)的切削液廠家也提供了相應(yīng)的解決方案。

 

　　５）曲軸法蘭孔加工

 

　　針對曲軸法蘭孔的加工。在鉆孔工序常采用整體硬質(zhì)合金階梯鉆，適合高精度鉆孔加工。攻絲常采用新型整體硬質(zhì)合金切削絲錐及擠壓絲錐，一般會采用針對不同材質(zhì)的加工特點(diǎn)而特別設(shè)計的絲錐在攻絲過程中經(jīng)常遇到絲錐的纏屑問題，OSG提供了相應(yīng)的解決方案。

 

　　當(dāng)然，大型曲軸作為國之重器，在加工過程中會存在很多問題和困難，需要工藝人員不斷的積累經(jīng)驗(yàn)，為大型發(fā)動機(jī)做出好的“心臟”。