解析汽车曲轴加工工艺

姚坤

摘 要：笔者结合实际工作经验，主要探讨当前主流曲轴生产加工的工艺路线，采用的主要加工设备及优缺点，同时各种曲轴加工过程中容易出现的问题。

关键词：发动机曲轴 工艺分析 工艺设计 应力 加工设备

1、概述

随着经济发展，制造水平的进步，乘用车逐步在家庭生活中的地位也越来越明显。汽车心脏部分是发动机，而发动机的组成部件之一曲轴，是运用燃烧气体产生的动力，推动活塞进行直线运动转变成回转运动的桥梁。曲轴的旋转运动是整车或发动机的动力源，曲轴在工作中承受交变载荷，主轴颈和连杆颈圆角过渡处属于曲轴强度的薄弱环节，长期的高速旋转运转和较大的交变负荷应力将造成曲轴圆角处产生裂纹或断裂。因此曲轴的寿命是发动机考核的关键指标之一，所以保证曲轴加工基准各轴颈加工精度及刚性，是备受关注的。

2、曲轴材料、工程规范

曲轴工作状态，主轴颈作用于支撑整个曲轴，而连杆颈则与连杆相连，带动连杆活塞做上下往复运动。

曲轴常用材料有：球墨铸铁、合金钢。对于汽油机曲轴和小型柴油机曲轴，由于功率较小，曲轴毛坯一般采用球墨铸铁和优质碳素钢；中、重型柴油机曲轴毛坯一般采用合金钢。曲轴的材质首先得满足结构设计和加工工艺正确合理，主要是材料强度决定曲轴的体积、重量和寿命。

曲轴的工程规范主要包括曲轴轴颈的材质性能、滚压条件、疲劳强度、尺寸精度、表面粗糙度以及清洁度要求等。材质性能主要通过曲轴的材料以及机械加工过程中的强化处理来保证，曲轴表面粗糙度决定曲轴磨损情况的好坏，当前曲轴的主流表面的粗糙度要求在Ra0.2或Ra0.15同时在曲轴止推面粗糙度要求Ra0.4的基础上增加了Tp值要求，Tp值的要求相当于模拟汽车在磨合期过后止推面实际承受面积占总面积的百分比。

3、主要工艺介绍

曲轴属细长杆件零件，在加工中极易产生变形，这就需要在进行加工工艺设计时，根据曲轴的材料、技术及质量、生产能力等要求，综合考虑加工方案。

3.1心孔的加工

曲轴的中心孔是曲轴加工过程的重要定位基准，曲轴常见的中心孔加工方式为几何中心孔和质量中心孔。

以曲轴毛坯轴颈的外圆定心加工出的中心孔称为几何中心孔，由于几何中心孔的加工工艺简单、设备价格低，因此国内目前大多采用几何中心孔，但对毛坯质量差的曲轴的动平衡影响较大。

以曲轴毛坯的旋轉质量中心加工的中心孔称为质量中心孔，质量中心孔的加工是寻找出曲轴的质量中心线后，在曲轴两端加工出中心孔，使其两端加工出中心孔的轴线与曲轴的质量中心线重合。采用质量中心孔定位加工曲轴的主要优点为：减少曲轴动平衡时的去重量，提高动平衡的合格率，降低去重工序的加工节拍，改善曲轴内部质量补偿；缺点为：设备造价高，中心孔坐标需根据毛坯质量而进行不定期调整。

3.2 轴颈的粗加工

传统的加工工艺设计为主轴颈及连杆轴颈的粗加工均采用车削工艺，即同时使用多把刀具一次完成轴颈的粗加工。曲轴车削机床径向切削轴颈的方式，效率较高，但存在变形大、加工精度低、柔性差等缺点，已逐步被后开发出的 CNC车削、CNC外铣和CNC内铣等先进工艺所淘汰。

CNC曲轴内铣的加工方式是：当装有硬质合金刀片的内铣刀盘高速旋转径向切入至轴颈尺寸后，刀盘环绕轴一周完成曲轴扇形面、轴颈、圆角铣削。可在一次安装下及中心架支撑的条件下，依次铣削出所有主轴颈、连杆颈，因机床具有极大的柔性，适用于多品种生产，铣削过程中多个刀片参与切削，铣削力小，因而曲轴弯曲变形小，加工精度高。

3.3 曲轴油孔加工

曲轴油孔孔径较小且深，属深孔加工，因此加工难度较大，曲轴油孔加工早期采用摇臂钻加工，孔壁质量较差，刀具寿命较低，劳动强度大，无法满足大批量加工需求，后逐渐被组合机代替，虽说可以满足大批量生产需求，但是设备柔性较差，刀具寿命也相对较低，加工后工件质量保证度差，目前已逐渐采用枪钻加工，枪钻加工精度高，视不同的被加工材料和选用不同的切削用量可以一次加工出精度很高的孔。

3.4 曲轴强化工艺

为提高曲轴的强度、增加表面耐磨性，曲轴一般需要对轴颈表面、圆角等处进行强化处理，常用的强化工艺有淬火、滚压、氮化等。

3.5 轴颈的精加工

普通外圆磨削方式适用于曲轴主轴颈的磨削加工，而无法实现连杆颈的加工，传统的连杆颈的加工常采用偏心夹具定位夹紧加工连杆颈，但这样设备的柔性较差，加工精度较差，目前随着机床制造技术的发展，连杆颈的磨削则采用跟磨削法。跟磨削法是以主轴颈中心线为回转中心，一次装夹可完成曲轴连杆颈的磨削加工（也可用于主轴颈磨削），磨削连杆轴颈的实现方式是通过CNC控制砂轮的进给和工件回转运动两轴联动，来完成加工进给，从而减少设备费用，降低加工成本，提高加工精度和生产效率。

3.6 曲轴平衡去重

测量与校正曲轴动平衡机由测量工位、回转传输装置、钻孔校正工位组成；平衡测量，测量和显示不平衡量，自动分解计算钻孔数据，钻孔校正、不平衡量复检等动作全部为自动。

3.7 曲轴砂带抛光

磨削完成后需对轴颈和圆角进行抛光，以降低轴颈的表面粗糙度，提高表面质量，曲轴抛光根据磨削表面质量以及产品要求，采用不同粒度的砂带进行抛光。

3.8 曲轴清洗

曲轴清洗去除加工后表面残留，保证曲轴整体表面清洁，避免在装配过程因此引起的不必要的表面划上，并可一定成效上防止工件表面生锈。

4、曲轴加工过程中常见问题

曲轴在机加工过程中常见的问题主要有连杆颈宽度超差、轴颈圆度超差、连杆颈相位超差等。其中连杆颈宽度影响连杆的侧隙大小，离合器工作状态会使曲轴向动为输入端移动，如果侧隙过大会造成连杆颈侧面与曲轴连杆颈侧面碰擦，因此在加工过程中需要考虑对该尺寸的重点控制，同时还需要考虑强化处理对该宽度尺寸的影响等。轴颈的圆度直接影响轴瓦的局部磨损，该尺寸为曲轴中的一个重要特性。而圆度超差的根本原因分为磨床砂轮动平衡值偏大、磨削工序的定位基准尺寸（前后中心孔）不合格、工件夹紧装置问题。连杆颈相位指连杆颈的角向尺寸，该特性直接影响发动机的做功阶段和输入输出的衔接，因此也是曲轴的一个重要特性。相位超差的根本原因可分为粗精加工定位基准不统一、精加工定位基准质量不稳定，等等。

5、结束语

中国汽车产业的飞速发展，相应的新工艺、新设备、新材料也不断涌现，市场竟争也越来越激烈，作为发动机核心零件的曲轴，其制造工艺也将发生较大的变化，高速、高效、柔性、复合化的技术是曲轴制造发展的主要方向，先进的曲轴生产线一定是生产线短、效率高、人员少、生产过程稳定、产品质量可靠的自动化生产线。

参考文献：

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