曲轴工艺发展及研究

曲轴工艺发展及研究2010-03-0914:34:11作者:撰文／奇瑞发动机事业部杨厚忠随着发动机轻量化、结构简单化、性能优质化的发展趋势，作为发动机中最关键零件之一的曲轴，它的加工工艺、材料选用及设计要求是相互促进的，需不断进行改进和发展。发动机曲轴作为重要运动部件，设计要求高，同时因曲轴工况及其恶劣，因而对曲轴材料、曲轴尺寸精度、表面粗糙度、热处理和表面强化、动平衡等要求十分严格。在大批量生产的条件下，传统工艺已不能满足当前设计和生产需求，在长时间、高速运转下，曲轴极容易过早出现失效或断裂，严重影响曲轴的寿命和整机可靠性。曲轴材料选择趋势根据曲轴工作在发动机过程中承受弯曲、扭转、剪切、拉压等交变应力，要求具有较高的抗拉强度、疲劳强度、表面强度及耐磨性，芯部具有一定的韧性。即要具有很高的疲劳强度、耐磨性及高淬透性，且进行强化处理时变形小，高温下具有高的蠕变强度。随着发动机性能的提升，对曲轴的原材料及加工工艺提出新的要求，现汽油机所用曲轴材料主要有钢和球墨铸铁两类，其中钢制曲轴毛坯采用锻造成型，一般有优质碳素钢、低合金钢、合金钢等。锻钢曲轴这类曲轴采用精锻中碳钢或中碳合金钢，采用调质(或正火)热处理来提高并改善加工性能。近年在大功率发动机较广泛应用一种新钢种，即微合金非调质钢。所谓微合金非调质钢，即通过添加V、Nb、Ti等合金元素细化晶粒，强化钢的基体，提高钢的强度。微合金非调质钢的优点：①取消调质(或正火)热处理工艺，简化工艺、节时节能；②改善切削加工性能，提高加工刀片寿命，显著降低加工成本，相对调质碳钢可降低成本7%~11%，相对调质合金钢可降低成本11%~19%。国外汽车发动机应用微合金非调质钢曲轴已十分广泛，目前已经国产化的典型非调质微合金钢主要有49MnVS3、48MnV、50MnV等。缺点：加工工艺性差，原材料及制造成本高。球墨铸铁曲轴球墨铸铁比钢轻约10%，无残留应力，加工时产生缺陷少，且球墨铸铁减震性、耐磨性及缺口敏感性等要优于锻钢。铸造曲轴与锻造曲轴相比，可使连杆轴径中空，减轻回转质量，且可减少轴拐处的应力集中。同时加工工艺性要比钢轴工艺性好，材料及制造成本较低。材料选择的发展趋势球墨铸铁要取代锻钢，最大的障碍就是强度和韧性有限，重点是提高韧性，尤其是动态韧性，可以采用：细化晶粒及显微组织；降低有害杂质含量；球化或钝化、分散弱相以减小应力集中系数；生成或引入韧性好的不连续组织来提高性能，如ADI中的残余奥氏体。随着高强度、高韧性球铁，尤其是奥氏体等温淬火球铁(ADI)技术的日趋成熟，凭借其高强度、高韧性、成型性能好、成本低、综合机械性能优良等诸多优点，必将在更大范围内取代锻钢。以ADI代替锻钢，可减重10%~30%，相对降低成本15%~30%。机加工性能比较曲轴材料的选择对曲轴加工工艺性能的因素主要有：毛坯硬度、加工硬化性、加工时刀片的磨损、热处理变形趋势、切削断屑性等。以下为球墨铸铁、锻钢及ADI的机加工性能分析。球墨铸铁的加工性：铸造性能好，适用于精密铸造，可获得理想的结构形状，并大大降低机加工余量；屈服强度、抗拉强度及延伸率均远小于锻钢，因而所需的切削力及切削断屑性能更好；因基体中含有游离石墨，切屑时具有良好的抗振性，可大大提高刀具寿命。非调质钢的加工性：不需要进行正火和调制处理，屈服强度、抗拉强度均小于调质钢，且硫含量较高，基体为珠光体组织，加工时切削力较小，切削温度低，刀具耐用度高，可以高效率进行机加工。但因非调质钢的韧性较高，因而进行机加工切削时断屑较困难，为有效解决断屑问题，要求刀具具有更大的切削深度、更复杂的刀尖形状及刀尖强度。调质钢的加工性：调质钢具有较高的硬度及强度，且具有较好的延伸性，因而切削时需较大的切削力，切削过程振动较大，同时断屑困难，机加工性能较差。ADI的加工性分析：当前常用的几种曲轴材料中，ADI的硬度最高，且易产生加工硬化，因而导致机加工切削力大，粗加工时对刀片要求较高，是影响ADI曲轴推广应用的关键因素，但ADI的延伸率又较小，切削断屑性较好，若能找到合适的高硬度切削刀具，更有利于ADI的推广。综合比较四种材料的机加工工艺性，采用球墨铸铁的机加工性能最优，其余依次为非调质钢、ADI、调质钢。曲轴强化处理工艺的发展趋势发动机曲轴的失效，主要为疲劳断裂和轴颈磨损严重，对断轴的统计分析表明，其中80%左右的断轴是由弯曲疲劳引起的。为了保证发动机正常可靠地工作，要求曲轴具有足够的强度、刚度、耐磨性和平衡进度，因而必须对曲轴进行强化处理。国内外曲轴制造厂家进行曲轴强化，主要有6大强化方式：①表面化学热处理；②喷丸；③轴颈淬火+圆角淬火；④圆角滚压；⑤轴颈淬火+圆角滚压；⑥离子氮化+圆角滚压。6大强化方式的强化效果比较见右表。曲轴强化发展历程早期的曲轴强化工艺有渗碳淬火、氮化、盐浴氮碳共渗、气体氮碳共渗、离子氮碳共渗、离子渗氮和表面化学复合热处理强化等。它们的缺点：①为达到强化效果，控制热处理的变形，需进行多种或多次热处理工艺，工艺路线长；②热处理时间长，占地面积大，甚至需要设置专门的热处理车间；③能耗高，加工成本高，污染大，强化效果不甚理想等。如今，曲轴强化工艺已经发展到圆角滚压+轴颈淬火，轴颈+圆角淬火工艺，它们的优点有①多品种，小批量生产；②工件加工时间短，生产成本低；③占地面积小，污染小，工作环境好；④强化效果显著，工件轻；⑤可与生产线连线进行自动化生产。唯一的缺点是圆角滚压投资大。圆角滚压是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的一种工艺方法。它的特点：适应范围广，可以滚压所有材料的曲轴；能显著提高曲轴的疲劳强度；能提高光洁度和硬度；采用沉割圆角滚压可减少磨削时间，提高砂轮的寿命；可以消除表面显微裂纹和针孔、气孔等铸造缺陷。传统的曲轴加工工艺和现代曲轴加工工艺比对中心孔加工发展历程传统工艺：采用几何中心孔原因是由传统工艺所用的通用机床所决定。缺点：毛坯铸造质量差，不容易平衡，工废率高，对机床及刀具损害大。近代工艺：质量中心孔应用如480曲轴。原因：毛坯铸造质量差，初始不平衡量大，工废率高。优点：容易平衡，加工余量相对均匀，对机床及刀具损害小。缺点：机床投资大，调整难度大。现代工艺：几何中心孔应用如ACTECO曲轴。原因：毛坯铸造质量提高，表面加工面积大，几何中心与质量中心差异小。优点：机床投资小、工艺简单。曲轴粗加工——轴颈加工传统工艺：通用车床车削/粗磨。原因：传统工艺所用的通用机床所决定。缺点：效率低下，工废高。近代工艺：CNC车削/外铣/内铣。CNC技术应用，质量提高，其中内铣的应用更有利于钢件的切削加工。专机加工两端面孔提高了生产效率、保证了质量。现代工艺：车拉/车—车拉/内铣/高速外铣。生产效率高、加工精度好、生产线柔性强、自动化程度高、换刀时间短，可直接精磨。车削：加工件旋转，车刀不动。车拉：工件旋转的同时车刀也旋转一定的角度，20世纪80年代后期，德国BOEHRINGER公司开发出了完善的曲轴车－车拉机床，该加工工艺是将曲轴车削工艺与曲轴车拉工艺完美结合，生产效率高、加工精度好、柔性强、自动化程度高、换刀时间短，特别适合有沉割槽曲轴的加工，加工后曲轴可直接进行精磨，省去粗磨工序。因此，曲轴车－车拉加工工艺是目前国际上曲轴粗加工中流行的加工工艺之一。拉削：主要以刀具的直线运动做切削的主运动，工件基本上不动(拉削时工件也会有转动)，多用于内孔及内孔槽加工。刀具多为多切削刃，各刃分配切削余量。机理上类似刨削，只不过不是推而是拉。车床上的拉削很简单，多用于加工单件或小批量内孔键槽。高速外铣：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。曲轴油道孔的加工趋势曲轴油道孔的加工属深孔加工，工艺性差，是曲轴加工的技术难点，传统加工常采用多工位专机生产线进行加工，应用麻花钻对钻方式实现深孔加工，机床占地面积大，刀具排屑性差，刀片寿命低。在进入21世纪随着MQL技术的广泛应用，对深孔加工又诞生了新的加工方式，并通过MQL技术与加工中心的结合，大大降低了加工成本，提高了加工效率。曲轴加工新工艺——滚磨光整工艺滚磨光整原理：曲轴置于图中的滚磨设备中，曲轴经过传动装置和夹紧装置可做正反方向的回转运动，由电机减速器带动偏心圆盘作主回转运动，通过连杆带动装有加工介质(磨料和加工液)的料箱做往复直线运动。在加工过程中磨料与曲轴表面产生一定的相对运动。考虑到磨料具有一定的质量，在加工过程中的某一瞬间，磨料对工件表面产生一定的作用力，在力和相对运动作用下，游离磨料对工件表面产生一定的撞击、滚压、滑擦和刻划的微量磨削作用，实现曲轴表面的光整加工，提高表面质量，改善表面物理力学性能。曲轴滚磨光整因对曲轴表面的微量磨削、滚压作用，曲轴经滚磨光整后，粗糙度可达Ra0.05μm，清洁度可达8mg以内，工件表面显微硬度可提高12%~25%，且因光整加工的加工余量小，光整前后零件的尺寸变化均在微米级范围内，一般在0.001~0.005mm之间，可以确保尺寸精度只能改善表面质量(减小粗糙度值，消除划痕、裂纹和毛刺等)，不影响加工精度。奇瑞ACTECO系列曲轴的现有工艺水平奇瑞发动机事业部共三条曲轴生产线，其中发动机二厂的曲轴生产线是一条适合于多品种曲轴加工的柔性生产线，整线由粗/精加工两条线组成,粗加工线由德国HELLER公司总承包，精加工线全线设备由JUNKER公司总承包。全线包括加工/检测设备23台；用于工件自动装卸及传送的龙门机械手14台和机动辊道3台；用于工序间工件储存的料仓8个和11个检测点。该线设备先进，可靠性高，采用了国际上最先进的制造工艺和检测装备。如车-车拉、高速外铣、中频淬火、滚压,下线主动测量分级打号等技术。