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發動機曲軸復合加工技術成為發展趨勢

時間:2009/5/5閱讀:2373
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進入21世紀以后,發動機曲軸在制造工藝、刀具等方面都發生了巨大的變化。領導了近半個多世紀的多刀車削工藝和手工磨削工藝,由于加工精度低和柔性差等原因,正在逐步退出歷史舞臺。高速、的復合加工技術及裝備迅速進入汽車及零部件制造業,高速復合加工技術在曲軸加工生產中已有相當程度的應用,并將是其必然發展趨勢。

    曲軸加工技術設備現狀

     目前,國內較陳舊的曲軸生產線多數由普通機床和機床組成,生產效率和自動化程度相對較低。粗加工設備一般采用多刀車床車削曲軸主軸頸及連桿軸頸,工序質量穩定性差,容易產生較大的加工應力,難以達到合理的加工余量。精加工普遍采用MQ8260等普通曲軸磨床進行粗磨、半精磨、精磨、拋光,通常靠人工操作,加工質量不穩,尺寸一致性差。

     老式生產線一個主要的特點就是普通設備太多,按加工球墨鑄鐵曲軸來計算,一條生產線有35~40臺設備。筆者曾考查過國內某一鍛鋼曲軸生產線,粗加工采用普通外銑加工主軸頸和連桿頸,然后數控精車主軸頸和連桿頸,再經過多道工序的磨削方轉入精加工工序。所以這條生產線設備達60多臺,導致產品周轉線長、場地占用面積大,其生產效率*是靠多臺設備分解工序和余量來提高的。

     而當今的汽車發動機曲軸制造業面臨的卻是以下幾個問題:

     1.多品種、小批量生產;

     2.交貨期大大縮短;

     3.降低生產成本;

     4.難切削材料的出現使加工難度明顯增加,加工中提出了許多需要解決的課題,如硬切削;

     5.為保護環境,要求少用或不用切削液,即實現干式切削或準干式切削;

     正是基于以上情況,進入21世紀以來,高速、高精、的復合加工技術及裝備在汽車曲軸制造業中得到了迅速的應用,生產效率得到了很大提高,因此發動機曲軸生產線中生產設備數量得以減少。筆者曾在某一轎車發動機曲軸生產線看到,全線設備(包括熱處理、表面強化)只有13臺設備左右,產品周轉線短、加工效率高、易于質量控制管理。

     曲軸復合加工技術的發展

     20世紀80年代后期,德國BOEHRINGER公司和HELLER公司開發出了完善的曲軸車-車拉機床,該加工工藝是將曲軸車削工藝與曲軸車拉工藝結合,生產效率高、加工精度好、柔性強、自動化程度高、換刀時間短,特別適合有沉割槽曲軸的加工,加工后曲軸可直接進行精磨,省去粗磨工序。因此,曲軸車-車拉加工工藝是目前上曲軸粗加工中流行的加工工藝之一。

     20世紀90年代中期出現的新型CNC高速曲軸外銑機床使曲軸粗加工工藝又上了一個新臺階。CNC曲軸內銑與CNC高速曲軸外銑對比,內銑存在以下缺點:不容易對刀、切削速度較低(通常不大于160m/min)、非切削時間較長、機床投資較多、工序循環時間較長。而CNC高速曲軸外銑具有以下優點:切削速度高(可高達350m/min)、切削時間較短、工序循環時間較短、切削力較小、工件溫升較低、刀具壽命高、換刀次數少,加工精度更高、柔性更好。因此,CNC高速曲軸外銑將是曲軸粗加工的發展方向。

     筆者在江蘇南亞自動車有限公司菲亞特轎車曲軸生產線見到德國BOEHRINGER公司兩臺設備,其中1臺為數孔曲軸車-車拉機床,另外1臺為CNC高速曲軸外銑,親身體驗了一次“削鐵如泥”的感覺。據專家介紹,曲軸車-車拉機床特別適合于軸頸有沉割槽、平衡塊側面不用加工的曲軸;而高速外銑則不能加工軸向有沉割槽的曲軸。該銑床為德國BOEHRINGER公司的VDF 315 OM-4高速隨動外銑床,它是德國BOEHRINGER公司專為汽車發動機曲軸設計制造的柔性數控銑床,該設備應用工件回轉和銑刀進給伺服連動控制技術,可以一次裝夾不改變曲軸回轉中心,并隨動跟蹤銑削曲軸的連桿軸頸。VDF 315 OM-4高速隨動外銑采用復合材料一體化結構床身,工件兩端電子同步旋轉驅動,具有干式切削、加工精度高、切削效率高等特點;該銑床使用SIEMENS 840D CNC控制系統,通過輸入零件的基本參數即可自動生成加工程序,可以加工長度在450~700mm、回轉直徑在380mm以內的各種曲軸,連桿軸頸直徑誤差為±0.02mm。

     由上可以看出,曲軸粗加工比較流行的工藝是:主軸頸采用車拉工藝和高速外銑,連桿頸采用高速外銑,而且傾向于高速隨動外銑,全部采用干式切削。由于國外此類設備價格昂貴,產品加工成本很高,國內一些機床生產廠家(如青海第二機床制造有限責任公司)相繼開發出了數控曲軸車床、數控高速曲軸銑床,數控曲軸車拉機床等機床。

     曲軸精加工采用國內數控磨床磨削情況已相當普遍,產品加工精度已有相當程度的提高。為滿足曲軸日益提高的加工要求,對曲軸磨床提出了很高的要求。現代曲軸磨床除了要有很高的靜態、動態剛度和很高的加工精度外,還要求有很高的磨削效率和更多的柔性。近年來,更要求曲軸磨床具有穩定的加工精度,為此,對曲軸磨床的工序能力系數規定了Cp≥1.67,這意味著要求曲軸磨床的實際加工公差要比曲軸給定的公差小一半。隨著現代驅動和控制技術、測量控制、CBN(立方氮化硼)砂輪和先進的機床部件的應用,為曲軸磨床的高精度、磨削加工創造了條件。一種稱之為連桿頸隨動磨削的工藝。正是體現了這些新技術綜合應用的具體成果。這種隨動磨削工藝可顯著地提高曲軸連桿頸的磨削效率、加工精度和加工柔性。在對連桿頸進行隨動磨削時,曲軸以主軸頸為軸線進行旋轉,并在一次裝夾下磨削所有連桿頸。在磨削過程中,磨頭實現往復擺動進給,跟蹤著偏心回轉的連桿頸進行磨削加工。要實現隨動磨削,X軸除了必須具有高的動態性能外,還必須具有足夠的跟蹤精度,以確保連桿頸所要求的形狀公差。CBN砂輪的應用是實現連桿頸隨動磨削的重要條件。由于CBN砂輪耐磨性高,在磨削過程中砂輪的直徑幾乎是不變的,一次修整可磨削600~800條曲軸。CBN砂輪還可以采用很高的磨削速度,在曲軸磨床上一般可采用高達120~140m/s的磨削速度,磨削效率很高。

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