技術(shù)篇 | 我們一起拆解曲軸加工工藝
本期內(nèi)容
曲軸知識小百科
曲軸是發(fā)動機中最重要的部件。它承受連桿傳來的力，并將其轉(zhuǎn)變?yōu)檗D(zhuǎn)矩通過曲軸輸出并驅(qū)動發(fā)動機上其他附件工作。曲軸受到旋轉(zhuǎn)質(zhì)量的離心力、周期變化的氣體慣性力和往復(fù)慣性力的共同作用，使曲軸承受彎曲扭轉(zhuǎn)載荷的作用。因此要求曲軸有足夠的強度和剛度，軸頸表面需耐磨、工作均勻、平衡性好。
發(fā)動機中最重要的部件。它承受連桿傳來的力，并將其轉(zhuǎn)變?yōu)檗D(zhuǎn)矩通過曲軸輸出并驅(qū)動發(fā)動機上其他附件工作。曲軸受到旋轉(zhuǎn)質(zhì)量的離心力、周期變化的氣體慣性力和往復(fù)慣性力的共同作用，使曲軸承受彎曲扭轉(zhuǎn)載荷的作用。因此要求曲軸有足夠的強度和剛度，軸頸表面需耐磨、工作均勻、平衡性好。
為減小曲軸質(zhì)量及運動時所產(chǎn)生的離心力，曲軸軸頸往往作成中空的。在每個軸頸表面上都開有油孔，以便將機油引入或引出，用以潤滑軸頸表面。為減少應(yīng)力集中，主軸頸、曲柄銷與曲柄臂的連接處都采用過渡圓弧連接。
曲軸平衡重（也稱配重）的作用是為了平衡旋轉(zhuǎn)離心力及其力矩，有時也可平衡往復(fù)慣性力及其力矩。當(dāng)這些力和力矩自身達(dá)到平衡時，平衡重還可用來減輕主軸承的負(fù)荷。平衡重的數(shù)目、尺寸和安置位置要根據(jù)發(fā)動機的氣缸數(shù)、氣缸排列形式及曲軸形狀等因素來考慮。平衡重一般與曲軸鑄造或鍛造成一體，大功率柴油機平衡重與曲軸分開制造，然后用螺栓連接在一起。
關(guān)于曲軸毛坯的材料
曲軸主要有兩種材料類型，一種是鋼制曲軸，一種是球墨鑄鐵曲軸。鋼制曲軸主要是鋼的材料決定了曲軸的主要質(zhì)量，另外就是加工工藝和加工精度，鋼制曲軸一般都使用圓角滾壓工藝。曲軸行業(yè)精度是肉眼看不出來的。球墨鑄鐵曲軸除使用圓角滾壓工藝外，還要進(jìn)行氮化處理，氮化處理過的曲軸顏色發(fā)烏。一般人員買曲軸建議買發(fā)動機廠家原裝的，基本可以保證質(zhì)量。挑選時只要注意在曲徑部分不要有沙眼、拉痕等就可以了，一般都不會出問題。
備注：鍛鋼材料一般為中碳鋼和中碳低合金鋼,如45鋼、53鋼、35CrMo、40Cr等。球鐵曲軸牌號有QT600 - 3、QT700 - 2、QT800 - 2、QT900-2、QT900-5。
毛坯鑄造技術(shù)：
熔煉
對于高牌號鑄鐵的熔化，將采用大容量中頻爐進(jìn)行熔煉或變頻中頻爐熔煉，并采用直讀光譜儀檢測鐵水成分。球墨鑄鐵處理采用轉(zhuǎn)包，研制新品種球化劑，采用隨流孕育、型內(nèi)孕育及復(fù)合孕育等先進(jìn)孕育方法。熔化過程的各參數(shù)實現(xiàn)微機控制和屏幕顯示。
造型
消失模鑄造將得到發(fā)展和推廣。在砂型鑄造中，無箱射壓造型和擠壓造型將受到重視并繼續(xù)在新建廠或改建廠中推廣應(yīng)用。原有的高壓造型線將繼續(xù)使用，其中部分關(guān)鍵元件將得到改進(jìn)，實現(xiàn)自動組芯和下芯。
曲軸工藝及刀具選定要素
加工精度：
CNC車?yán)?含車－車?yán)?及CNC車削比CNC高速外銑及CNC內(nèi)銑加工精度高，這四種加工工藝一般來說均能滿足曲軸粗加工的工藝要求。
曲軸結(jié)構(gòu)：
CNC內(nèi)銑不能加工軸頸有沉割槽；CNC高速外銑不能加工軸向沉割槽，車?yán)?含車－車?yán)?能加工。
當(dāng)曲軸的軸頸無沉割槽時，幾種工藝都能加工。
當(dāng)曲軸的平衡塊側(cè)面不用加工時，CNC車?yán)?含車－車?yán)?加工循環(huán)時間與CNC內(nèi)銑相差無幾。
當(dāng)曲軸的平衡塊側(cè)面要加工時，CNC內(nèi)銑的加工循環(huán)時間大大優(yōu)于CNC車?yán)?含車－車?yán)?。
在曲軸的平衡塊側(cè)面要加工的情況下，采用車?yán)?含車－車?yán)?工藝，由于加工平衡塊側(cè)面是斷續(xù)切削，且曲軸轉(zhuǎn)速又很高(約1000r/min)，打刀現(xiàn)象比較嚴(yán)重，采用車?yán)に嚰庸でS平衡塊側(cè)面很不合理。
機床的特性：
CNC車削主要用于加工主軸頸，連桿軸頸加工一般采用CNC內(nèi)銑或外銑。
CNC內(nèi)銑及CNC高速外銑加工時，以主軸頸中心為回轉(zhuǎn)中心，可加工主軸頸，還可以加工連桿軸頸。
CNC內(nèi)銑(正體多刀盤)最昂貴，CNC車削最便宜。
其他要素：
主軸頸加工：只有在年產(chǎn)綱領(lǐng)為150,000件以下，以及平衡塊側(cè)面不加工的情況下采用CNC車削才是合理的方案；但這里尚需說明一點，平衡塊側(cè)面要加工及軸頸無沉割槽的情況下，年生產(chǎn)綱領(lǐng)為150,000件，采用CNC車削的設(shè)備價格與CNC內(nèi)銑(雙刀盤)的設(shè)備價格很接近，所以這種情況下采用CNC車削工藝亦可。
連桿軸頸加工：只有在平衡塊側(cè)面要加工及軸頸無沉割槽的情況下采用CNC內(nèi)銑，才是合理的方案。
當(dāng)曲軸平衡塊側(cè)面要加工且軸頸無沉割槽的情況下，CNC內(nèi)銑加工工藝方案比CNC車?yán)?含車－車?yán)?更加經(jīng)濟(jì)。曲軸平衡塊側(cè)面不用加工且軸頸有沉割槽的情況下，CNC車?yán)?含車－車?yán)?加工工藝方案比CNC內(nèi)銑更為經(jīng)濟(jì)。
當(dāng)年產(chǎn)綱領(lǐng)為300,000臺以及曲軸衡塊側(cè)面要加工時，曲軸的主軸頸和連桿軸頸粗加工采用CNC高速外銑方案最為經(jīng)濟(jì)。
延伸閱讀：什么是曲軸車-車-拉？
車－車?yán)菴NC高速外銑及CNC內(nèi)銑加工精度高。
在曲軸的平衡塊側(cè)面要加工的情況下，采用車?yán)?含車－車?yán)?工藝，由於加工平衡塊側(cè)面是斷續(xù)切削，且曲軸轉(zhuǎn)速又很高(約1000r/min)，在這種切削工況條件下，打刀現(xiàn)象比較嚴(yán)重，采用車?yán)に嚰庸でS平衡塊側(cè)面很不合理。
當(dāng)曲軸平衡塊側(cè)面不用加工，且軸頸有沉割槽的情況下，CNC車?yán)?含車－車?yán)?加工工藝方案最適合；當(dāng)曲軸的平衡塊側(cè)面不用加工時，車－車?yán)庸ぱh(huán)時間與CNC內(nèi)銑相差無幾。
簡述工藝路線：
?該工藝僅作為學(xué)習(xí)交流?
關(guān)于曲軸刀具分析
曲軸內(nèi)外銑
內(nèi)銑/外銑發(fā)展史：
由于加工精度低和柔性極差等原因，被在20世紀(jì)60年代末和70年代初開發(fā)出的CNC車削、CNC外銑和CNC內(nèi)銑逐步淘汰。CNC外銑面世的時間并不長，由于其后出現(xiàn)的CNC內(nèi)銑技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)明顯優(yōu)于外銑。因而在20世紀(jì)80年中期又很快被CNC內(nèi)銑所淘汰。1983年又開發(fā)出車?yán)に?，?983年到1988年短短的五年中，車?yán)に噺闹本€式發(fā)展成回轉(zhuǎn)式，到1988年發(fā)展到車，車?yán)に?。至此，曲軸的主軸頸和連桿軸頸的粗加工主要采用CNC車削、CNC內(nèi)銑和CNC車?yán)?含車車?yán)?三種工藝。20世紀(jì)90年代中期又開發(fā)出CNC高速外銑，它對平衡塊側(cè)面需加工的曲軸，比上述三種工藝的生產(chǎn)效率還要高。
內(nèi)銑刀盤特點：
曲軸的內(nèi)銑與外銑相比,內(nèi)銑方式具有占地面積小，系統(tǒng)剛性好,效率更高等優(yōu)點，CNC內(nèi)銑的柔性比較差、價格最昂貴。
CNC內(nèi)銑，以主軸頸中心為回轉(zhuǎn)中心，可加工主軸頸，還可以加工連桿軸頸。
當(dāng)曲軸的平衡塊側(cè)面要加工且軸頸無沉割槽時，CNC內(nèi)銑的加工循環(huán)時間大大優(yōu)于CNC車?yán)?、車－車?yán)?；?dāng)曲軸的軸頸有徑向或軸向沉割槽時，CNC內(nèi)銑不能加工。
一般主軸頸加工采用CNC車削，連桿軸頸加工采用CNC內(nèi)銑。
外銑刀盤特點：
CNC高速外銑(雙刀盤)及CNC內(nèi)銑(雙刀盤)比CNC車削、CNC車?yán)?含車－車?yán)?(雙刀盤)的柔性好。如有軸向沉割槽時，CNC高速外銑不能加工，但能車削加工。當(dāng)曲軸的平衡塊側(cè)面要加工時，CNC內(nèi)銑的加工循環(huán)時間大大優(yōu)于CNC車?yán)?含車－車?yán)?。
CNC內(nèi)銑及CNC高速外銑加工時，以主軸頸中心為回轉(zhuǎn)中心，可加工主軸頸，還可以加工連桿軸頸。當(dāng)年產(chǎn)綱領(lǐng)為300,000臺以及曲軸衡塊側(cè)面要加工時，曲軸的主軸頸和連桿軸頸粗加工采用CNC高速外銑方案最為經(jīng)濟(jì)。
曲軸油孔加工
刀具加工方式：
圖片說明：1P（1連桿）2P(2連桿)
3P (3連桿) 4P(4連桿)
含義來源德語：pleuel（連桿）
如何加工：
注：在連桿頸和主軸頸表面銑平面工序結(jié)束以后開始下面的引導(dǎo)孔加工。
注：在連桿頸和主軸頸表面銑平面工序結(jié)束以后開始下面的引導(dǎo)孔加工。
Ａ部：進(jìn)入引導(dǎo)孔
Ｎ＝５００～６００ｍｉｎ－１。
Ｆ＝３００～７００ｍｍ／ｍｉｎ。
Ｂ部：深穴加工
變成正常轉(zhuǎn)速，稍微停頓1秒．???變成正常進(jìn)給。
正常進(jìn)給到C點．???斜面貫通的場合，進(jìn)給量降到０．０５ｍｍ／ｒｅｖ。
Ｃ部：降低轉(zhuǎn)速
Ｎ＝５００～６００ｍｉｎ－１。
Ｄ部：返回加工原點
快速進(jìn)給Ｆ１０００～２０００ｍｍ／ｍｉｎ。
關(guān)于MQL建議
流量推薦: 大于20ml/hr。
空氣壓力: 推薦0.5~0.8MPa 。
關(guān)于曲軸熱處理工藝
熱處理示意圖
連桿軸徑表面淬火和回火。
法蘭軸徑表面淬火和回火。
主軸軸徑表面淬火和回火。
曲軸的淬火與回火
淬火工藝和目的
將工件加熱到奧氏體化溫度并保持一定時間，然后以大于臨界冷卻速度冷卻，以獲得馬氏體組織的熱處理工藝。
目的提高工件硬度高，耐磨性
低溫回火工藝和目的
將淬火后的鋼，再加熱250℃保溫后冷卻下來的熱處理工藝。
目的是保持淬火工件高的硬度和耐磨性，降低淬火殘留應(yīng)力和脆性。
感應(yīng)加熱表面淬火是利用電磁感應(yīng)的原理，使工件表層產(chǎn)生渦流而被迅速加熱，進(jìn)行淬火的方法。感應(yīng)加熱的原理是把鋼制工件放在用紫銅管制成的感應(yīng)器內(nèi)通入交變電流，產(chǎn)生交變磁場。由于電磁感應(yīng)，在工件內(nèi)將產(chǎn)生和感應(yīng)器內(nèi)的電流頻率相同，方向相反的感應(yīng)電流~~~~渦流。
由于肌膚效應(yīng)，渦流在工件截面上的分布是不均勻的，表面的電流密度越大，中心的電流密度越小。交變電流的頻率越高，趨膚效應(yīng)越顯著，感應(yīng)加熱的深度越淺，由于工件本身有電阻，根據(jù)焦耳~~~楞次定律，集中于工件表層的渦流產(chǎn)生的電阻熱，使工件表層迅速被加熱到淬火溫度，而芯部溫度基本不變。在隨即進(jìn)行噴水（合金鋼浸油）冷卻后，工件表層被淬硬，實現(xiàn)了感應(yīng)加熱表面淬火。
問：如何區(qū)分已淬火產(chǎn)品和未淬火產(chǎn)品？
答：
鐵在高溫中與空氣中的氧氣發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，生成黑色的四氧化三鐵。這與我們俗稱的生銹是有區(qū)別的。我們平時說的生銹，是鐵在常溫下與空氣中的氧氣、水等物質(zhì)發(fā)生反應(yīng)，生成（銹的主要成分）三氧化二鐵，紅色。
鐵在氧氣中加熱：
3Fe+2O2 ===加熱====Fe3O4
鐵在空氣中生銹：
4Fe+ 3O2 =========2Fe2O3
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