发动机曲轴磨削的工艺分析

王雷 刘兴

（长城汽车股份有限公司徐水分公司，河北 保定 071000）

曲轴是发动机中的重要零件之一，在发动机五大件中属于最难加工的零件。曲轴又是非常独特的零件，任何其它零件的加工都不需要这么多不同的工艺，它又细又长，所用材料加工性能差。其中止推面（包括止推轴颈和宽度）的精度要求也越来越高，而且止推面一个显著特点就是其接触面积比其他轴颈侧面大很多，各项精度要求也高很多。以某轿车曲轴止推轴颈为例：止推轴颈的圆跳动对由两端主轴颈组成的公共轴线的圆跳动公差为0.04，对相邻两轴颈的圆跳动公差为0.02；止推颈宽度为26（+0.05/0）；止推面左侧面要求对公共轴线的跳动公差0.02，垂直度公差0.01，平面度公差0.013；止推面右侧面要求平面度公差要求外凸不超过0.005，内凹不超过0.01；止推轴颈表面粗糙度Rz1.5μm，止推面表面粗糙度Rz3μm，止推轴颈的直径为Φ50，止推面外径为Φ85，其面积高达单侧3848mm2。在大批量生产的条件下，要想止推面（包括止推轴颈）达到如此高的精度，单靠普通的磨削工艺是很难实现的，应该使用高精度的数控磨床磨削，并且采用一系列的严格措施才能满足图纸要求。我公司现有数台高精度数控曲轴磨床，在曲轴加工过程中，碰到了止推面磨削烧伤这样的加工缺陷，虽然各方面尺寸和形状位置公差达到了图纸要求，但是曲轴止推面烧伤缺陷却始终难以解决。我们通过调查研究，从理论和实践两个方面进行攻关，最终解决了这个问题。

一、磨削烧伤

磨削表面质量包括磨削表面粗糙度和磨削表面层的物理机械性能两方面的内容。因为磨削加工时磨粒对工件的作用包括滑擦、刻划和切削, 并且大多数磨粒是负前角和小后角, 所以在整个磨削过程中,会产生大量的磨削热, 使磨削区的瞬时温度可达1000℃左右, 这样高的温度会使工件表面层的金组织发生变化, 造成磨削烧伤。磨削烧伤表面会出现黄褐、紫、青等颜色, 它是工件表面在瞬时高温下产生的氧化膜颜色，是由于磨削表面在磨削热的作用下产生氧化层, 并呈现出不同的光谱干涉色的缘故, 也就是相当于热处理时的回火色。磨削烧伤会破坏曲轴止推面表层金相组织,使表层金属强度和硬度降低，并伴有残余应力产生，甚至出现微观裂纹，而使工件表面质量恶化, 严重地影响曲轴止推面的耐磨性和使用寿命。这种磨削烧伤在砂带抛光时无法去除，因此必须避免磨削烧伤。

二、改善磨削烧伤的途径

磨削热是造成磨削烧伤的根源，故改善磨削烧伤由两个途径：一是尽可能地减少磨削热地产生；二是改善冷却条件，尽量使产生地热量少传入工件。曲轴止推轴颈有较深的沉割槽，而沉割槽已在以前工序加工好，在磨削时不用磨削沉割槽，只需磨削止推轴颈和两个止推面。在这种情况下，即使是使用成型砂轮磨削，只要使用强力冷却、合理的磨削余量和选择好砂轮参数，一般情况下可以避免磨削烧伤缺陷的出现。在使用窄砂轮磨削止推轴颈时，可采用的方案是：第一步，调整程序和砂轮的角度磨削，使砂轮从轴颈的右侧以斜切方式进入，磨削至要求尺寸，再快速沿原角度方向斜退出；第二步，使砂轮从轴颈的左侧以斜切方式进入，磨削至要求尺寸，再快速沿原角度方向斜退出；第三步，使砂轮从轴颈的中间快速切入磨削至要求尺寸，再快速推出。在上述磨削时，要应用强力冷却。至此，止推轴颈及两侧面磨削完毕。另外一种情况，曲轴止推轴颈无沉割槽，在磨削时需磨削止推轴颈和两个止推面，另外还有两个成型圆角。在这种情况下，即使是使用窄砂轮磨削，使用强力冷却，也很难避免磨削烧伤缺陷的出现。下面分两种磨削方式来分述解决方案：

（一）成型磨削

在成型磨削中，其产生烧伤的主要原因是磨削热的大量积累和冷却液无法进入而造成的退火烧伤，退火烧伤造成曲轴止推面硬度下降，表层产生退火组织，止推面的耐磨性变差，严重影响发动机的运行稳定性。根据其造成烧伤的主要因素，我们分别从三个方面入手：选择合适的砂轮、选择合理的磨削余量和改善冷却条件。

1.选择合适的砂轮：淬火钢曲轴止推面硬度高，面积大，砂粒易磨钝，为了避免砂粒磨钝而产生大量磨削热，砂轮硬度宜选软些，以便磨钝的砂粒及时脱落，保持砂轮的自锐性。宜选择组织较软的砂轮。

2.选择合理的磨削余量和磨削参数：在生产实践中, 常以提高工件速度, 减少径向进给量来减少工件表面烧伤和裂纹。有一种经验为0.1mm磨削法, 即在最后加工的0.1mm 余量中, 逐渐减少进给量, 进给量依次为:第一次走刀进给量为0.04mm；第二次走刀进给量为0.03mm；第三次走刀进给量为0.02mm；第四次走刀进给量为0.01mm, 采用这种磨削法可以去掉前两次磨削行程中产生的表面损伤层, 以减少磨削烧伤。

（二）窄砂轮磨削（砂轮宽度低于止推轴颈档宽尺寸）

在使用窄砂轮磨削中，成型磨削中采用防烧伤措施均可应用于此种方法的磨削中，只不过窄砂轮磨削在砂轮进给方式上可有更多的选择。一种是径向切入法磨削，此种磨削如调整不当可造成前文所述的喇叭口形状；一种是斜切方式磨削，也是前文所述的磨削方式，即第一步，使砂轮从轴颈的右侧以斜切方式进入，磨削至要求尺寸，再快速沿原角度方向斜退出；第二步，使砂轮从轴颈的左侧以斜切方式进入，磨削至要求尺寸，再快速沿原角度方向斜退出；第三步，使砂轮从轴颈的中间快速切入磨削至要求尺寸，再快速推出。其工序磨削余量和冷却方式与成型磨削采用一致的参数。

发动机曲轴止推面一个显著特点就是面积比其他轴颈大很多，其磨削烧伤是普遍存在的缺陷，尤其是成型磨削。解决磨削烧伤缺陷属行业难题。本文从生产实践和借鉴国内外相关资料提出的解决磨削烧伤的办法，对提高产品质量，优化工艺参数有一定的帮助，希望能给业界同仁提供有益的帮助，也希望对不足之处提出批评指正。