6108曲轴机械加工工艺浅析

6108曲轴机械加工工艺浅析文章来源：文章作者：罗仁芝发布时间：2006-09-24摘要：曲轴是活塞式发动机的主要零部件之一，加工工艺复杂、要求高。结合YC6105QC柴油发动机，深入分析了6108曲轴的机械加工工艺，并对曲轴机加工发展方向进行了初步探讨。关键词：6108曲轴工艺工序分析中图分类号：TH162+.1文献标识码：B文章编号：1008-8415[2006]-01-0039-04、引言曲轴是活塞式发动机的主要零部件之一，用来将活塞的往复运动转变为旋转运动。根据发动机气缸的数目，曲轴一般分单缸、双缸、三缸、四缸和六缸曲轴。如六缸发动机曲轴6108（见图1）有7个主颈和6个连颈，连颈分别位于三个互成120°角的平面内。曲轴的加工工艺复杂，特别是轴颈有很高的尺寸和形位公差要求，一般按6级精度制造，粗糙度不高于Ra0.8μm。轴颈表面需要热处理以提高其耐磨性，常用的热处理形式为氮化和高频淬火。本曲轴的材料为QT850-3。近年来，球墨铸铁和稀土球墨铸铁得到了广泛的运用，其特点为：可铸性好，有较高的强度和较小的缺口敏感性，有较好的减振性及耐磨性。本文结合YC6105QC柴油发动机，主要对6108曲轴的机械加工工艺进行分析。二、6108曲轴工艺分析(一)6108曲轴特点及工艺措施6108曲轴（见图1）是带有曲拐的轴，它仍具有轴的一般加工规律，如铣两端面、钻中心孔、车、磨及抛光等，但也有它的特点，包括形状复杂、刚度差及技术要求高，应采取相应的工艺措施，分析如下：1、刚度差6108曲轴的长径比较大（L/d=11），又具有6个连颈，因此刚度较差。为防止变形，在加工过程中应当采取下列措施：选用有较高刚度的机床、刀具及夹具等，并用中心架来增强刚性，从而减少变形和振动；采用具有两边传动或中间传动的刚度高的机床来进行加工，可以减少扭转变形、弯曲变形和振动；在加工中尽量使切削力的作用互相抵消；合理安排工位顺序以减少加工变形；增设校直工序。2、形状复杂连颈和主颈不在同一根轴线上，在连颈加工中易产生不平衡的现象，应配备能迅速找正连颈的偏心夹具，且应加平衡块。3、技术要求高6108曲轴的技术要求是很高的，其机械加工工艺过程随生产纲领的不同和曲轴的复杂程度而有很大的区别，但一般均包括以下几个主要阶段：定位基准的加工；粗、精车和粗磨各主颈及其它外圆；车连颈；钻油孔；精磨各主颈及其他外圆；精磨连颈；大、小头及键槽加工；轴颈表面处理；动平衡；超精加工各轴颈。可以看出，主颈或连颈的车削工序都与磨削工序分开，往往中间安排一些不同的加工面或不同性质的工序。粗加工后会发生变形，因此常把粗、精加工分开，并在切削力较大的工序后面安排校直工序，以保证加工精度。为了减小切削力所引起的变形，保证精加工的精度要求，精磨各轴颈时，一般采用单砂轮依次磨削。轴颈的加工要求高，主颈和连颈采用多次加工，使加工余量越来越小，切削力逐渐降低；同时由于粗、精加工工序分开进行，后工序就有可能消除前工序的误差，最终获得很高的精度和很低的粗糙度。（二）定位基准选择1、粗基准的选择为了保证中心孔钻在主颈毛坯外圆面的轴线位置上，选用主颈的外圆面为粗基准。同时为了保证所加工的基准面的轴向尺寸，选用第四主颈两侧扇板面为轴向粗基准。2、辅助粗基准的选择在扇板上铣出两个工艺平面即是加工连颈时所用的辅助粗基准。3、精基准的选择加工主颈及与其同轴心的轴颈外表面时，以中心孔为精基准。加工连颈时，用加工的法兰和小头的外圆及连颈1外圆作为精基准基面，这样便于保证技术要求。此外，轴向定位基准采用第四主颈的两个台阶面，与设计基准一致。（三）6108曲轴工艺过程若某公司年产6108曲轴20000支，材料为QT850-3，毛坯为铸件。工艺过程编制如下：（见表1）表1工序号工序名称设备名称型号夹具、刀检具及辅具005铣端面双面铣床010划线可调V型架015打中心孔中心孔钻床可调中心架020粗车法兰外圆C630025粗车主四C630030粗磨主四MQ8260P900x38x305A46#P5V035车主颈及大小头S1-206卡瓦、成型车刀040粗磨主颈及小头MQ8260砂轮045精车大头CA6140050车小头平端面C3180锥柄钻花055钻大头孔C3180锥柄麻花钻φ46060铣定位面065车1、6连颈S1-217卡瓦、成型车刀070车2、5连颈S1-217卡瓦、成型车刀075车3、4连颈S1-217卡瓦、成型车刀080粗磨连颈MQ8260三等分夹具、砂轮085半精磨小头MQ8260090钻直油孔Z35A钻直油孔钻模095钻斜油孔油孔钻床钻斜油孔钻模100精磨主颈MQ8260砂轮、修整器、中心架、千分尺、卡板105精磨法兰MQ8260砂轮、修整器、中心架、千分尺、卡板110精磨连颈MQ8260砂轮、修整器、中心架、三等分夹具、中心高检具115探伤及退磁JDC-900120氮化前抛光砂纸150#125检验130校直Y41-63V型块135氮化工序号工序名称设备名称型号夹具、刀检具及辅具140修中心孔、倒角CA6140145精磨小头MQ8260表架、主一长度检具150精车轴承孔CA6140内径量缸表、校对规155钻法兰孔Z35A钻模、钻花、丝攻160铣键槽X62W铣键槽夹具165去毛刺电动工具170油孔口抛光橡胶锥及砂纸180#175动平衡及去重动平衡机、Z35A钻花180氮化后抛光砂纸180#185检验190清洗、上蜡、包装清洗机柴油、清洗液、蜡（四）工序分析完善的工艺技术条件是为了满足产品的技术要求，故工艺技术条件应切实可行，便于操作。分析如下：1、铣端面工序有两个作用：保证曲轴的总长；保证中心孔的质量。若端面不平，则中心钻上两个切削刃的受力不均，钻头引偏而折断。这也是“先面后孔”原则的具体应用。2、中心孔的重要性：中心孔除影响曲轴的质量分布外，它的重要性还在于它是曲轴加工的重要精基准，直接影响曲轴的加工精度，因此中心孔必须满足其质量要求。但工件经过粗加工后，中心孔的精度往往不可避免地受到影响，所以在精加工之前，必须对中心孔进行修研，确保符合其技术要求。可用油石或橡胶砂轮修研。3、打中心孔是采用找出曲轴的几何中心来代替质量中心，是以毛坯的外表作为基准。毛坯外表光洁圆整，则打出的中心孔位置误差就小。4、按照S1-206车床的工装结构，必须先粗车和粗磨主颈四。主颈四是加工长度尺寸的一个基准，其两侧扇板的厚度应分均匀，否则极易使整根曲轴的轴向尺寸发生偏移，即单边，致使曲轴各扇板厚度不一而致废。5、因曲轴刚度差，故车主轴颈的工序，采用前后刀架同时横向进给的S1-206一次加工成型的机床，必须注意刀排分布应合理，车刀应常换常磨，进刀量应适中。6、车小头孔、平端面工序不容忽视。因为小头是与起动爪相连的部位，在用人力起动发动机时,小头传递大力矩,所以首先要保证小头的有效深度，其次小头孔倒角应圆整光滑,角度正确,以保证精磨小头时外圆跳动合格,否则就应重新精修小头孔倒角。7、钻大头孔工序。孔太深会影响第七主轴颈及法兰的强度,太浅会影响内装黄油的空间和装轴承的轴向位置。8、铣定位面。为了使车连颈时角度分布均匀，按照铸造毛坯六缸曲轴的角度均布原理去掉铸造余量,故必须铣好定位面。不论定位面向那边有所偏移,都会严重改变铸件曲轴工序余量的均匀分布,严重偏移的致使连颈加工不足而致废。9、车连颈时按照S1-217的结构分成车连颈1、6,车连颈2、5,车连颈3、4三道工序。S1-217是成型车床，刀排分布合理、车刀的成型正确、进刀量适中、定位面紧靠都直接影响到产品能否达到工艺技术要求。故中心距、长度、宽度尺寸和圆弧、外圆尺寸等的调整必须在车床进入稳定加工状态后才可进行，避免工艺系统热变形影响太大。10、粗磨连颈是一道重要工序。粗磨连颈要进行曲轴120°的三等分,保证中心高尺寸。磨床首尾两端偏心夹具的移动会引起主连轴颈中心高的变化，应仔细调整至合适之处反锁固定。此外若中心架调整不恰当会引起曲轴变形而致中心高超差，而砂轮进刀太快则会引起角度偏移,甚至曲轴断裂。11、国家颁布的《曲轴技术条件》明确规定，每根曲轴必须经磁力探伤并且执行严格的磁力探伤标准,它是曲轴加工过程中唯一可较直观地检查曲轴浅表层质量的工序；注意探伤后曲轴必须退磁。12、钻斜油孔使用的是专用钻床。此工序主要保证钻斜油孔的角度和它的进出口位置。斜油道的作用是在轴颈与轴瓦相对运动时提供润滑油，如果油孔口偏移,那么进入轴瓦油道的润滑油减少，造成发动机整体燃油经济性下降,甚至有可能造成早期磨损，轴瓦抱死等严重事故。所以,在加工时首先要保证直油道与斜油道交接口足够大,其次要保证直油道在轴颈方向不偏移，因此对斜油孔钻模应常予检查。钻头进入到与直油孔口交接处应减慢进刀速度,避免钻头折断。13、精磨主轴颈时应把两顶尖孔倒角处抹干净,去掉砂粒、油泥,确保加工基准——中心孔的精度，必要时修研。精磨开始前，要提前启动机床，使砂轮运转一定时间后,利用修整器把砂轮的厚度和圆弧修整。修好圆弧后应用圆弧规检查,看圆弧是否和两侧面相切，如不相切,要检查表面修整器是否有偏心或其它问题,问题找出并解决后再重新修圆弧至合格。砂轮的圆周表面要修细致,否则不能保证磨削后轴颈的粗糙度而形成螺旋纹印。因为曲轴较长，必须用中心架作为一个辅助支撑，进入精磨后，先磨一个轴颈至合适尺寸（留至比成型尺寸大0.1～0.2mm），使支中心架有一个合适的基准面。为了使整根曲轴在加工运转时的刚性和紧固性增强，可采用V型夹具来装夹曲轴主颈一、主颈七位置。测量时，应千分尺和表架上的千分表结合起来使用。14、小头精磨一般单独安排一道工序。此工序主要是小头跳动和小头长度尺寸易超差。加工前应先用百分表检查主颈一跳动，若超差，则应重新修正小头中心孔倒角，直到跳动合格。15、钻法兰孔采用多工步的加工方法。各丝孔相互之间的位置度由钻模和钻套保证，销孔的位置度由可调定位销保证。此工序易出现的质量问题是法兰各孔漏攻丝和攻丝深度不够。16、在万能铣床上铣键槽是用V型夹具支撑，连颈1的外径靠在可调定位销上定位。键槽的对称度是从两个方面要求，一是对连1轴颈中心线的对称度，二是对主轴颈的对称度。对称度是通过调动V型夹具和定位销来保证的。17、油孔口抛光工序相当重要，因为如果油孔口有毛刺，则会刮伤轴瓦，造成早期拉毛现象；如果油孔口有尖角，则曲轴运转时应力集中形成裂纹影响其使用寿命；特别是如果主油道口与斜油道口交接处过渡不圆整，粗糙度低，更容易形成应力集中。18、随着技术的发展，曲轴动不平衡的要求越来越严格，动不平衡量越小，曲轴工作时运转越平稳，噪音越小，磨损越少，寿命越长。三、曲轴机加工发展方向随着我国数控机床的不断增加，曲轴粗加工将广泛采用数控车床、数控内铣床、数控车拉床等先进设备对主轴颈、连杆轴颈进行数控车削、内铣削、车-拉削加工，以有效减少曲轴加工的变形量。曲轴精加工将广泛采用CNC控制的曲轴磨床对其轴颈进行精磨加工，此种磨床将配备砂轮自动动平衡装置、中心架自动跟踪装置、自动测量、自动补偿装置、砂轮自动修整、恒线速度等功能要求，以保证磨削质量的稳定。为满足曲轴日益提高的加工要求，对曲轴磨床提出了很高的要求。现代曲轴磨床除了要有很高的静态、动态刚度和很高的加工精度外，还要求有很高的磨削效率和更多的柔性。近年来，更要求曲轴磨床具有稳定的加工精度，为此，对曲轴磨床的工序能力系数规定了Cp≥1.67，这意味着要求曲轴磨床的实际加工公差要比曲轴给定的公差小一半。随着现代驱动和控制技术、测量控制、CBN（立方氮化硼）砂轮和先进的机床部件的应用，为曲轴磨床的高精度、高效磨削加工创造了条件。一种称之为连杆颈随动磨削的工艺。正是体现了这些新技术综合应用的具体成果。这种随动磨削工艺可显著地提高曲轴连杆颈的磨削效率、加工精度和加工柔性。在对连杆颈进行随动磨削时，曲轴以主轴颈为轴线进行旋转，并在一次装夹下磨削所有连杆颈。在磨削过程中，磨头实现往复摆动进给，跟踪着偏心回转的连杆颈进行磨削加工。要实现随动磨削，X轴除了必须具有高的动态性能外，还必须具有足够的跟踪精度，以确保连杆颈所要求的形状公差。C