发动机曲轴加工工艺分析与设计

赵晓克 李坤航

（蜂巢动力系统江苏有限公司，江苏 扬中 212200）

通过大量采用CNC 控制技术及机械手，形成了自动生产线，减少了操作人员，缩短了单件产品加工时间，提高了生产效率。

一、曲轴加工工艺流程

乘用车涡轮增压发动机曲轴加工的典型工艺流程：动平衡、打质量中心孔→车第5 主轴颈→车法兰→粗加工主轴颈、连杆颈及轴肩→钻油道孔及倒角→粗磨主轴颈、连杆颈轴颈、侧壁及沉割槽→清洗、吹干→圆角滚压→精车、滚光止推面+精车小端→精车法兰端面及凹槽→精磨主轴颈、连杆颈、小端→加工两端螺纹孔、销孔及铰法兰端中心孔→精磨曲轴法兰端→曲轴动平衡去重→砂带抛光主轴颈、连杆颈及法兰外颈→自动检查、作标记→曲轴最终清洗。

二、先进技术的应用

（一）动平衡、打质量中心孔。

曲轴加工过程中的定位基准为中心孔，按其加工位置可分为几何中心孔和质量中心孔，利用V 形块或其他方式找出曲轴主支承轴颈的几何中心，在此中心上加工出的中心孔称为几何中心孔。利用专用的测试设备测量出曲轴的质量中心，在此中心上加工出的中心孔称为质量中心孔。当采用几何中心孔进行后续的车、磨加工时，工件旋转产生离心力，会影响加工质量，而且加工后剩余的动不平衡量较大，在动平衡工序中需多次反复测量和去重才能达到技术要求，效率低，影响生产节拍，造成半成品废品率的增加和定位元件的损耗。采用质量中心孔就能解决这类问题，提高循环节拍。所示为COMAU SYMES10 型曲轴质量中心测量机，曲轴放置在设备的鼠笼中，与鼠笼一起旋转，测量出鼠笼与零件一起的不平衡量为M，鼠笼的不平衡量（M1）是已知的，零件的不平衡量M2 ＝MM1。通过专用的计算公式，设备可通过M2 自动算出曲轴的平衡轴的坐标位置，将测量结果传输至COMAUSDC700L 型全自动曲轴两端加工中心，其测量不确定度≤40μm，可以测量多个品种的曲轴，零件品种可自动识别，循环时间为1.2min，设备简单可靠。

（二）高速外铣粗加工曲轴。

高速外铣粗加工曲轴主轴颈、连杆颈及轴肩，比CNC 车削、CNC 内铣、车－ 车拉的生产效率高且质量稳定。如CNC 车－车拉工艺加工连杆轴颈要二道工序，而CNC 高速外铣只要一道工序就能完成，高速外铣粗加工曲轴的显著特点为：切削速度可达350m/min、切削时间短、工序循环时间短、切削力较小、工件温升低、刀具寿命高、换刀次数少、加工精度更高、柔性更好，是曲轴主轴颈和连杆轴颈粗加工的发展方向。

NILES-SIMMONS N20 曲轴外铣机床可同时加工曲轴主轴颈、连杆颈，机床采用双刀主轴，各个主轴的运动独立，每个主轴带一个刀盘，每个刀盘的加工程序及其参数均独立。将零件放置到辅助上料装置上，辅助上料装置将零件放置到加工区域；卡盘夹紧零件法兰，顶尖从后部顶紧；零件旋转，左右两个刀盘在刀具主轴上按照一定速度旋转同时沿径向前后运动，实现加工主轴颈和连杆颈。床身（W/Z 轴）直线型滚动导轨、横向拖板（U/X 轴）直线型滚动导轨。数控控制系统采用SINUMERIK840D sl 的技术数据, 铣削操作模块化微处理器数控连续轨迹控制，集成PLC与数字完整的解决方案SINAMICS S120。

（三）数控曲轴磨床的应用。

粗磨主轴颈、连杆颈轴颈、侧壁及沉割槽。数控曲轴磨床可一次装夹磨削全部曲轴主轴颈和连杆轴颈，此类磨床一般配双砂轮头架，可满足多品种、低成本、高精度、大批量生产，应用工件回转和砂轮进给伺服联动控制技术， 可以一次装夹而不改变曲轴回转中心即可完成所有轴颈的磨削，包括随动跟踪磨削连杆轴颈；采用静压主轴、静压导轨、静压进给丝杠（砂轮头架）和线性光栅闭环控制系统，磨削轴颈圆度精度高，且磨削效率极高。JUCRANK 6S 10-10 数控外圆曲轴磨床用于粗磨曲轴的主轴颈和连杆颈及沉割槽。设备自带的机械手从上料滚道上将零件抓起，然后放置到设备内部的预支撑块上；夹具自动夹紧零件；零件旋转，两个砂轮前进，按照程序进行径向移动，同时磨削主轴颈和连杆颈，加工完毕后，砂轮后退，零件停止旋转后，夹具松开，机械手抓取零件，放置到下料滚道上。X/Z轴定位精度为0.004mm；重复定位精度为0.002mm；采用了MARPOSS 自动直径量仪和轴向量仪，确保直径和轴向尺寸的精度监控。精磨主轴颈、连杆颈和小头端。使用JUCENTER 6L CRANK 数控外圆曲轴磨床精磨曲轴的主轴颈和连杆颈，带有两个工位， 第一个工位精磨曲轴的连杆轴颈和第二个工位精磨曲轴的主轴颈，设备自带的机械手从上料滚道上将零件抓起，然后放置到设备内部第一个工位的预支撑块上，第一工位的夹具自动夹紧零件，零件旋转，第一个工位对应的砂轮前进，按照程序进行径向移动，磨削连杆颈；加工完毕后，砂轮后退，零件停止旋转后，夹具松开。机械手抓取零件，放置到第二个工位的预支撑块上；二工位的夹具自动夹紧零件，零件旋转，第二个工位对应的砂轮前进，按照程序进行径向移动，磨削主轴颈；加工完毕后，砂轮后退，零件停止旋转后， 夹具松开。机械手抓取零件， 放置到下料滚道上， 开始下一个加工循环。X/Z 轴定位精度为0.004mm；重复定位精度为0.002mm。

随着乘用车发动机趋于轻量化、结构简单化以及性能高效化，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。