中大型曲轴修理加工方法研究

□ 朱达新

1.江苏省江阴中等专业学校 江苏江阴 214400

2.北京理工大学 机械与车辆学院 北京 100081

1 研究背景

曲轴作为源动力，被广泛应用在空压机、水压机、汽车、火车及船舶主辅柴油机等方面。同时，曲轴也是易损件。通常情况下，使用年限过长会导致轴颈表面磨损，需要进行修复。此外，由于使用不当或运行故障，如断油或油质过滤出现问题时，会发生烧瓦或其它意外情况，致使曲轴弯曲变形、轴颈表面严重磨损或出现轴颈表面局部凹陷等情况，需要修理。相对于制造全新的中大型曲轴，通过维修曲轴来恢复其功能，成本相对较低，因此大多采用修理。通常情况下，曲轴的修理工艺要根据曲轴的弯曲程度、磨损情况、设备条件、环境、修理能力和协作能力等诸多因素来确定。

2 检测

检测是对需要修理的曲轴作比较全面的检查与测量，一般采取对曲轴进行无损探伤及平台检测的方式。

2.1 无损探伤

探测曲轴各轴颈表面有无网状疲劳裂纹、横截面裂纹和纵向裂纹，一般采用磁粉、着色、超声波探测等手段。

有条件的，可采用专用磁粉探伤机进行探测。无条件的，可在平地上或架子上使用磁粉探伤设备进行探测。

着色探伤在机床上或平地上均可进行，经清洗、着色和干燥后即可检查。

若在磁粉探伤、着色探伤后发现轴颈表面有横截面裂纹或纵向裂纹，则还需要应用超声波探测裂纹深度[1]。

2.2 平台检测

采用一块1.5 m×5 m一级平台、三个支架。对于超长曲轴，则平台加长。如果档数较多，则支架数相应增加。两边两个支架为可调式固定支架，只可调高低。中间采用可调式滑动支架，既可调高低，又可作水平滑动，便于准确测出曲轴弯曲量。可调式滑块支架如图1所示。

图1 可调式滑动支架

可调式固定支架结构一般有两种。一种是四只小轴承支承主轴颈表面，需要转动曲轴时用手扳动即可，很方便。但这种支承结构仅适宜直径小、质量轻的曲轴。轴承可调式支架如图2所示。另一种是用V形铁支承主轴颈表面，为减小损伤轴颈表面，一般在V形铁两个V形表面上加装两块黄铜板。V形铁可调式支架如图3所示。

图2 轴承可调式支架

图3 V形铁可调式支架

平台检测要求基准支承档的主轴颈尺寸精度与粗糙度均符合要求。平台检测时，将两个可调式固定支架支承曲轴主轴颈，两头靠边档。一个可调式滑动支架支承中间档主轴颈，校平三档主轴颈在同一高度。用外径千分尺对各档曲轴主轴颈、曲柄销在前后两个位置上作上下左右测量，并记录。再用百分表触头测量各档主轴颈侧面，曲轴每转一圈，各档主轴颈弯曲量就能反映出来。注意百分表一定要打在侧面才准确，如打在各档主轴颈上，取得的数据准确度不高。用高度游标尺装上杠杆百分表，或在专用测量架装上百分表，在各个曲拐上、下、左、右四个方向，即0°、90°、180°、270°轴颈宽度上测量平行度。这时所测出的平行度数值仍不准确，还要根据所测轴颈的形状尺寸误差与相邻主轴颈间尺寸大小及高低等情况，综合计算出实际的平行度误差[2]。曲拐的偏心距及角度一般无需测量，加工时只要按曲拐的原有偏心距、角度校圆即可，不需要对曲拐实际偏心距和角度与理论偏心距、角度的误差进行修正。如果对误差大的曲拐按标准修正误差，那么可能因轴颈尺寸加工太小而导致报废。将所测数据提供给工程技术人员，便于确定修理工艺方案。

3 校正

曲轴在使用过程中，常会发生弯曲、扭曲等变形，变形量的大小取决于曲轴所承载负荷、受力，以及曲轴直径大小、刚性、烧瓦档数等因素[3]。

校正用于找出曲轴弯曲变形的量与方向，用加压或局部火焰加温的方法使曲轴产生塑性变形，恢复原有精度。如曲轴呈单一方向弯曲，在轴颈表面粗糙度较好的情况下，经校正后数值在修理标准范围，则将曲轴抛光一下即可使用。如曲轴变形呈扭曲状，通过校正后缩小其扭曲变形量，则在磨削加工时可减小磨削量，保证曲轴的强度，减小不加工部位的精度缺失。

目前校正一般只是对钢件曲轴而言，对球墨铸铁曲轴则不宜采用此项技术，主要是因为球墨铸铁的延伸率太小[4]。

3.1 加压法

将曲轴弯曲变形的量与方向标注在曲臂上，然后用两块V形铁支承在曲轴两头主轴颈上，凸起部位向上，用油压机或压板压在轴颈最高处，强迫曲轴向反方向经弹性变形直至塑性变形。加压前用百分表触头测量高处，观察加压量。加压量不宜过大，如一次不行，可进行多次加压。曲轴加压法校正如图4所示。这种方法比较简单，但校准精度难于控制，效果不稳定，会有反弹现象出现。

图4 加压法校正

3.2 局部加温法

将曲轴两头主轴颈搁在V形铁上或用两顶尖将轴顶在机床上，找出各档高点及方向。高点向上，找出导致变形的部位。用氧气、乙炔局部加温的方式，使曲轴向反方向变形。由于加热区受热膨胀，自然冷却时造成的收缩量大于膨胀量。控制好变形量，就可以使曲轴得到校正。一次不行可进行多次。经过局部加温法校正的曲轴保持性好。加温部位一般选在曲轴轴颈圆角及曲臂等较易变形处，温度控制在450～550℃之间。这种方法对质量较大且较长的曲轴效果比较好，对于质量小而短的曲轴则效果不明显。

某6缸柴油发电机曲轴用局部加温法进行了校正，曲轴全长4 m左右，主轴颈直径为240 mm，曲柄销直径为210 mm，活塞行程为330 mm。由于曲轴第4档拐颈烧瓦导致主轴颈第4、第5档弯曲量分别达3.5 mm、3.3 mm，其余各档均有不同程度的弯曲。局部加温法校正时，将曲轴放在地上，两头支撑好，找出最高点。在曲轴主轴颈圆角处两个位置进行局部加温，经一次校正就可以使最大弯曲量变为0.48 mm、0.45 mm。因轴颈表面粗糙度不理想和时间原因，没有再校正，直接按减级法磨削至所需尺寸[5]。

3.3 两种方法结合

将加压法和局部加温法综合运用，也可得到较好的效果。关键是控制好压紧量、局部加温点、温度等几个因素，待热量自然消失后检查，如不够则再加量，通过反复几次就可得到较好的校正效果。

某6L20/27型曲轴采用两种方法结合进行校正，曲轴主轴颈最大弯曲量为1.38 mm，其余档为1.12 mm、1.10 mm、0.55 mm、0.50 mm等。经采用加压法与局部加温法，将该轴校正为最大弯曲量0.08 mm，其余档在0.06 mm、0.03 mm以内。对该曲轴进行抛光后直接装车使用，通过验证，确认效果良好。

4 磨削加工

曲轴的磨削加工指通过用砂轮磨削的方法，按一定的技术要求去除曲轴加工表面多余金属的行为。从曲轴主轴颈的磨削装夹方法来分，有卡盘装夹磨削、顶尖装夹磨削、浮动磨削。从磨削加工主轴颈所需尺寸来分，有减级法和恢复尺寸法[6]。

4.1 卡盘装夹磨削

用卡盘卡爪夹住曲轴两头法兰外圆或轴颈外圆，调整两头主轴颈档的圆周跳动，然后按一定要求磨削各档主轴颈至所需尺寸精度、位置精度和粗糙度。这种方法只适宜直径稍小、质量小的中小型主轴颈加工，对直径大、质量大的曲轴不适用。

对曲柄销的磨削，应根据曲轴偏心距调整偏心量，校圆曲柄销颈。利用两块等高过桥板测量与找正，确保靠近头尾架两头主轴颈档在 0°、90°、180°、270°四个方向上高度相同，这样加工出的曲柄销颈与主轴颈间的平行度就能够得到保证。

4.2 顶尖装夹磨削

轴心线既是设计基准，又是制造基准，体现轴心线的是定位基准中心孔。对大部分曲轴而言，两头均留有中心孔。用两顶尖顶住磨削，调整好顶紧的力量，顶得松与紧都会影响工件的形位精度。如果磨床无顶紧压力表，只能靠经验来调节。

要选择合适的支架数量，数量少会达不到磨削精度要求，多会增大支架档调整量控制的难度。对开档比较窄的曲轴而言，支架多还会造成测量不方便。

两顶尖磨削主轴颈时，轴颈一定要用拐档表，通过拐档差调整主轴颈轴心线的直线度。对于弯曲量小、档数少、刚性好的曲轴，用两顶尖装夹磨削还是比较方便的。但对于弯曲量大、档数多、刚性差的曲轴，则花的时间要多一些，要对各支承档轴颈反复磨削，直至磨圆后方可磨其余各档。采用两顶尖磨削法，对操作要求比较高，否则磨后主轴颈的同轴度容易超差[7]。

4.3 浮动磨削

用浮动磨削法来磨削主轴颈，需要改装原有支承架下托块，加长下托块的伸出量，然后根据曲轴主轴颈档数确定支承架数量。

支承架放好后，将曲轴吊放在支承架上。曲轴的一头与头架上万向联轴节头上的法兰连接好，曲轴在头架的带动下在支承架上自然转动。用尾架顶尖顶住曲轴中心孔，如没有中心孔，则用带中心孔的盲孔调节套调节好，托好支架，磨出该档主轴颈。将支架托好，留精磨量，尾架顶尖退出调头，同理装夹、顶住、支承好磨出，留精磨量，将支架托好，尾架顶尖退出。用百分表以支架上平面为基准，测量已磨主轴颈的高度。再到头架处测已磨主轴颈的高度，如有高低，则需调整支架托量，直至在同一高度为止。再磨中间支承档主轴颈，边磨边调支架，留精磨量。调至同一高度，然后磨其余档，留精磨量。将各支架档磨至尺寸要求，调至同一高度，接着将其余各档磨至要求，这样就完成了整个主轴颈的磨削过程。这种方法掌握得好，主轴颈的同轴度一般不会超差。

4.4 减级法

为了将经磨削后的曲轴统一在某一尺寸，就需要用减级法。我国采用的标准是以直径0.25 mm为一个级量。在一定范围内，每减小一个级量即减小0.25 mm，依次类推。极限一般不超过直径尺寸的百分之一，各档轴颈可统一尺寸，也可分几种尺寸，可根据实际情况而定。

目前，修理曲轴大部分采用减级法。国外产品采用的级差有不同要求，如要购买现有标准轴瓦，在确定加工尺寸时应注意这个问题。有的产品用0.20 mm作为一级，有的各级间还有不同尺寸要求。另外，还要注意国外有的公司产品采用基孔制，轴瓦与轴间的间隙放在轴上。如不购买现有标准轴瓦，则按自己需要的尺寸定做轴瓦。

4.5 恢复尺寸法

恢复尺寸法通过磨削减小轴颈尺寸后，再用常温镀铁、镀铬、热涂喷、堆焊等方法来恢复轴颈原有的尺寸，其中堆焊适用于特殊情况。

4.5.1 镀铁

镀铁指在常温的氯化亚铁溶液中，以工业纯铁或低碳钢板作为阳极，以镀件作为阴极，依次通过不对称交流电起镀、不对称交流电过渡镀和直流镀，使镀件表面牢固地沉积一层硬度高的铁镀层，以恢复磨损件的尺寸。

镀铁的特点是镀层结合强度高、晶粒细、硬度高、耐磨性好、沉积速度快，直径方向每小时可达0.4～0.7 mm，镀层厚度在直径方向可达2～4 mm。在磨削镀铁曲轴时，主轴颈采用卡盘装夹或两顶尖装夹加工。磨曲柄销时，则要配备数显式测厚仪，以保证磨削后的轴颈镀层均匀。

4.5.2 镀铬

镀铬基于电化学基本原理，在含有铬酸溶液的盐类溶液中，以被镀基体金属作为阳极，通过电解作用，使铬酸溶液中的阳离子在基体金属表面沉积，形成牢固覆盖层。

镀铬的特点是沉积速度相对慢一些、性脆、不宜承受不均匀载荷、不抗冲击。用镀铬方法镀曲轴，一般镀层厚度为单边0.2～0.3 mm，配瓦时装配间隙适当增加0.02～0.03 mm。另外，磨时要配好测厚仪。

4.5.3 热喷涂

一般采用火焰喷涂，具体可分为粉末喷涂和线材喷涂。喷涂时曲轴要转动，喷枪在曲轴宽度方向均匀移动。热喷涂的特点是成本低，但孔隙率高、结合性能差。

为增强喷涂后的结合，可进行切削加工，如车毛螺纹、滚花、压花等。喷涂前工件表面一般要先预热，喷涂距离一般在150 mm左右。喷涂时要注意曲轴的温度不能太高，否则会影响不加工轴颈的精度。喷涂后即可用石棉布包扎保温，待自然冷却后拆除包装，再磨削至要求。加工曲拐时应配好测厚仪。这种方法只适宜加工档数较少的曲轴。

4.5.4 堆焊

当少数曲轴轴颈磨损偏大，用镀铁等方法无法保证尺寸时，可考虑对此类轴颈采用堆焊的方法恢复尺寸。考虑到在焊接时产生的焊接热量导致不加工档变形，在焊接时自制一个水箱，将需要焊接的轴颈大部分浸入水中，边堆积边旋转角度，使轴颈始终处于低温状态。待堆焊好后，用木槌敲击堆焊部位，以消除堆积时产生的应力。然后直接进行磨削，恢复尺寸精度。

5 轴颈圆角处修正

为了避免曲臂与轴颈连接处产生应力集中，连接处必须制成圆角，这样不仅能减小应力集中，而且能增大轴颈的有效承压面积。在大型组合式曲轴上，常将圆角制成如图5所示样式[8]。

图5 轴颈圆角

圆角有与轴颈接平的内圆角和低于轴颈的内圆角之分。

与轴颈接平的内圆角，一般直接在砂轮角上修出，磨削时两边靠一下，轴颈上就可以直接反映出所修的圆角。

低于轴颈的内圆角加工，可根据圆角的深浅、大小、自身设备条件来决定所采用的修理方法。

可以利用机床带动曲轴旋转，将通压缩空气或通电的手动小磨头装在刀架上，与曲轴呈垂直状态进给。

也可以用车床加工出轴颈处内圆角，即用曲轴车床或圆盘车床加工出曲拐颈处的内圆角，然后用手工方法磨削，再抛光即可。

如果受设备条件的限制，那么就只能用手工方法解决。手工技术好的，修正抛光的内圆角一点不比在设备上做得差。

采用抛光用带压缩空气的手动磨头，磨具可购买现有的由片状氧化铝砂皮做成的圆形轮，磨头直径基本与内圆角直径相同或稍小。磨具有粗细两种规格，粗的可用于打磨，磨掉大部分多余金属，细的可用于抛光，手动小磨头在内圆角处转动即可。

如没有现成的磨具，可自制橡胶轮磨具。在橡胶轮的外圆有多处沟槽，将细铁棒浇注在橡胶轮中间，以作装夹用。橡胶轮如图6所示，这种橡胶轮加工好后，根据内圆角的尺寸车削。砂皮圈分粗细两种，以满足加工要求。

图6 橡胶轮

6 油孔口处修正

由于轴颈减级或恢复尺寸后，油孔口处出现锐角或镀后存有杂质，这时需要使油孔口处恢复原有的圆角，并消除杂质。可用锥形砂轮或油石进行打磨，再用砂皮抛光即可。

7 局部修正

当曲轴局部损坏需要修复，又无足够时间拆装或虽有时间拆装但无设备加工时，可按下述方法进行局部修正。

7.1 硬模磨圆法

浇注及加工一个专用的铸铁对开研磨套，如图7所示。两边用定位销定位，螺栓紧固，内孔尺寸按需加工轴颈尺寸确定，稍小于轴颈尺寸，基准以轴颈两边圆角或曲臂两平面定位。研磨套内孔涂蓝油，夹住轴颈拉动扳手转动，然后拆掉研磨套，查看轴颈表面高点，并进行研磨。边磨边测量尺寸，经多次反复，可磨至要求。最后用细砂皮轮拉动抛光，清洁干净即可。

图7 铸铁对开研磨套

7.2 专用磨削与切削装置

曲轴主轴颈用原位修复装置磨加工，即曲轴在机架里慢速转动，用碗形砂轮在主轴颈上方转动磨削，通过横向和纵向进给可达至磨削要求。曲柄销可采用摇臂式宽刀切削装置原位修复。

7.3 在车床上车削与磨削

对有些曲轴而言，如果轴颈档需加工而无相应磨床或专用磨切削设备，那么可以利用大车床进行车削，再做专用磨头在车床上磨削。

当主轴颈推力面磨损或跳动量较大时，可直接采用磨削或车削解决。如量特别大，则需定做轴瓦，加长开档尺寸。有的轴颈因弯曲导致加工后的输出端平面跳动超差，也可进行磨削或车削，磨推力面及端面时宜采用两顶尖装夹。如量大，则还需对输出端螺栓连接孔铰削，并重配螺栓才能解决问题。

轴颈上如有纵向裂纹或与轴纵向成小于30°角的裂纹，以及离油孔5 mm以上的裂纹，可在裂纹两头打小孔截断裂纹，不使裂纹延伸。用树脂结合剂薄片砂轮将裂纹磨至根处磨净，用着色探伤法检查，确认无误后打磨好坡口并清洁，用堆焊修补。堆焊时控制好热量，如温度高则停下来，以减小热变形。堆焊好后待自然冷却，用木槌击打被焊表面，以消除残余应力。然后采用减级法或恢复尺寸法，即可完成修理[9]。

8 抛光

抛光指用微细磨粒和软质工具对工件表面进行加工，是一种简便、迅速、廉价的零件表面最终光饰加工方法。

有条件的可以直接使用专用抛光机床对各轴颈档进行抛光。一般厂家均无此条件，于是采用较常用的手工抛光或自制抛光工具在车床上抛光。具体为对#320目以上的砂皮布条涂上金属抛光膏、煤油，然后进行抛光。

根据轴颈尺寸，加工稍大些的半块轴瓦，瓦背上固定一块配重，配重下面打一孔并攻好螺纹，用一根管子连接作为抓柄，瓦上侧面打三个螺纹小孔，用一压条压住砂皮布条，然后涂上金属抛光膏、煤油，就可以在车床上对各档轴颈进行抛光了[10]。配重抛光瓦如图8所示。

9 检验

将曲轴吊上平台检验，用两只可调式固定支架支承曲轴主轴颈两头靠边档，用一只可调式滑动支架支承中间档主轴颈，校平三档主轴颈在同一高度。

图8 配重抛光瓦

用圆角规检查圆角的尺寸。根据经验，目测观察轴颈粗糙度或用粗糙度样板作比较检查。用外径千分尺对各档主轴颈和曲柄销在前、中、后三个位置上作上下左右测量。用百分表测各档主轴颈侧面，曲轴转动，各档主轴颈的同轴度就会检查出来。用高度游标尺或在专用测量架上装百分表，在各个曲拐颈的四个方向上测量平行度。

高度游标尺装上百分表再配量块，检测各曲柄销的曲拐偏心距。先测曲柄销相邻主轴颈高度，并与测量块进行比较。再测曲柄销上死点或下死点高度，曲轴稍有转动即可找出最高或最低点，并与测量块进行比较。对测出的两个尺寸通过加减并减去主轴颈半径和曲柄销半径，即可得到需要的偏心距尺寸。对于曲轴曲柄销间夹角的误差，一般用分度头测量或量块测量。

用分度头测量时，将曲轴的一端夹持在分度头的三爪自定心卡盘中，另一端用可调式固定支架支承，用百分表找正主轴颈的中心线，再将第一档曲柄销旋转至水平位置。用分度头测量角度误差的方法如图9所示，计算尺寸如图10所示。

图9 用分度头测量角度误差方法

图10 分度头测量角度误差计算尺寸

百分表检测偏心距e时，将百分表测量触头与工件基准外圆接触，百分表最大值与最小值之差的一半即为偏心距e。用百分表测出H1值，将分度头旋转后，曲柄销之间的夹角θ存在角度误差，再用百分表测出H2，计算式为：

式中：d1为曲轴曲柄销A的实际直径，mm；d2为曲轴曲柄销B的实际直径，mm；L1为曲轴曲柄销A的中心高，mm；L2为转过θ角度曲轴曲柄销B的中心高，mm；H1为曲轴曲柄销A的顶点高，mm；H2为曲轴曲柄销B的顶点高，mm；ΔL为曲轴曲柄销A与B的中心高度差，mm；Δθ为曲轴曲柄销A与B之间的角度误差，（°）。

10 其它注意事项

笔者介绍了曲轴修理加工的各个方面，由于曲轴还存在轴线不连续、长径比大、刚性差的因素，磨削时，在曲轴较大自重和磨床夹具夹紧力的作用下，极易产生复杂的弹性变形。磨削作为一道精加工工序，还要注意磨削加工中产生的裂纹和装夹中存在的跳动问题，曲轴主轴颈跳动会直接影响到曲轴工作时的稳定性。

砂轮磨削量过大会导致表面层的局部位置瞬间温度过高，造成表面层显微组织的局部转变，进而形成裂纹。通过磁探伤可发现微裂纹，若要防止轴颈在磨削过程中产生裂纹，就需控制好磨削量。

主轴颈跳动大的问题受工艺、工装设备等方面影响，如设备夹爪对中度、中心支架推出度和抬起度、主轴跳动等。在主轴颈半精磨及精磨工序中，改进主轴支承装置，能解决曲轴跳动大的问题。