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1、 先进曲轴加工工艺及设备 青海第二机床制造有限责任公司 摘要：本文从国内外曲轴加工发展方向的角度介绍本公司设计制造的曲轴加工机床与曲轴强化校正机床。关键词：汽车、内燃机、曲轴、加工设备、强化设备 一、概述 本公司经过近四十年的发展，拥有先进的机床设计制造经验，生产各类专用机床上百种，并通过 ISO9000 质量体系认证。公司的主要产品有花键轴铣床系列、长短螺纹铣床系列、螺旋转子铣床及其成套设备、丝锥加工成套设备、数控曲轴车床及数控曲轴圆角滚压机床、数控涡旋盘铣床、花键滚轧机床、滚刀铲磨床、蜗杆磨床、数控车床、数控螺杆铣床等。目前已形成以数控为主，多品种、多层次、多领域的产品格局，在国内市场占有
2、较大份额，部分产品销往国外。为了向汽车、内燃机等行业提供先进的加工设备，我公司从八十年代开始相继研制成功了 QH2-027A 数控双头花键轴铣床、QH2-028 全自动气门车床、QH2-038 数控平面凸轮铣床、QH2-005A 球面蜗杆轴铣床、QH2-062 数控曲轴高速铣床。同时我公司还设计制造了多种应用于其他行业的专用加工机床。由于曲轴是内燃机中的关键零件之一，也是内燃机中最难加工的工件之一，因此对加工设备的要求也十分高。近年来，国外曲轴加工有了飞速的发展，其中有两个特点引起了我们特别地关注：(1)轴颈的粗加工一般采用数控铣削或车拉工艺。尤其是 1996 年出现的 1高速外铣加工，其加工
3、质量可达到国内粗磨后的水平，且切削变形小、效率高。因此，数控铣削和车拉的加工方式是曲轴粗加工及半精加工的发展方向。(2)广泛采用了轴颈过渡圆角滚压技术。采用自动控制的专用圆角滚压机床，自动调节滚压力和滚压角度对轴颈圆角进行滚压，提高曲轴的疲劳强度。基于上述原因，结合我公司产品开发的优势，我们近几年来又相继开发了QH2-039 数控曲轴车床、QH2-040 数控曲轴圆角滚压智能柔性加工机床以及QH2-062 数控曲轴高速铣床。下面结合先进的曲轴制造工艺，着重介绍我公司应用于汽车、内燃机等行业的主要产品。二、曲轴加工机床 曲轴主轴颈和连杆轴颈的粗加工和半精加工工艺，大体分为以下几种：1、传统的曲轴
4、主轴颈及连杆轴颈的多刀车削工艺；2、数控车削工艺；3、数控内铣铣削工艺；4、数控车拉、5、数控车车拉工艺；6、数控高速外铣工艺。认真分析可知：数控车削设备价格相对便宜，不需要复杂的刀具，适合小批量生产；内铣设备价格较高，刀具费用很高，适合大批量生产；车拉、车车拉其突出优点是可对宽轴径进行分层加工，切削效率高 加工质量好，2车拉刀具结构复杂，技术含量高，并且长期依靠进口，而且及车车拉工艺加工连杆轴颈要两道工序。数控高速外铣的适用范围广，特别双刀盘数控高速外铣以其加工效率高、加工质量稳定、自动化水平高，已成为当前是曲轴主轴颈和连杆轴颈粗加工的发展方向。目前，国内大部分专业厂家普遍采用普通机床和专用
5、组合机床组成的流水线生产，生产效率和自动化程度都较低。曲轴主轴颈和连杆轴颈多采用车削方式设备进行粗加工，工序质量的稳定性较差，难以达到合理的加工余量。QH2-039A 数控曲轴车床是我公司在九十年代开发的一种专门用于曲轴加工的机床。近年来，为适应国内曲轴制造中数控高速外铣工艺的要求，我公司又开发了 QH2-062 数控曲轴铣床。并准备在此基础上开发双刀盘数控高速曲轴铣床以及数控曲轴点磨床等其他的半精加工和精加工机床。（一）QH2-039A 数控曲轴车床 QH2-039A 数控曲轴车床是车削曲轴的高效率、高精度的关键设备。机床可以在曲轴坯料一次装夹定位后，完成对曲轴的主轴颈、连杆颈、腹板、沉割槽
6、等部位的车削加工，由于无需专用刀具，所以特别适合多品种、小批量曲轴的生产。机床配有径向双 X 轴伺服电机及溜板、两个六工位的电动刀架、轴向的双Z轴伺服电机及溜板、左右双车头同步驱动（防止加工中零件的扭曲变形）、油压自动夹紧的工件夹头体、手动分度机构、手动准停装置、自动排屑器等部件。机床参数如下：31 最大工件长度：1200 mm 2 溜板上最大回转直径：360 mm 3 工件主轴转速（六级）42-172 r/min 4 刀架纵向行程：220 mm 5 刀架横向行程：190 mm 6 主轴孔径 80 mm 7 右车头最大调整行程 300 mm 8 刀架工位数 6 工位 9 主电机 Y200L-8
7、 15KW 750r/min 10 伺服电机 X 轴 FANUC C12/2000 Z 轴 FANUC C22/1200 11 机床总重量 约 12000 Kg 12 液压电机 Y90L-4 B5 13 机床自动化水平 人工上料液压卡盘自动夹紧工件主轴旋转Z 轴、X 轴快速趋近工件X 轴、Z 轴工进，按程序加工曲轴主轴颈等相关部位机床各数控轴快速退回工件主轴准停人工手动分度工件主轴旋转Z 轴、X 轴快速趋近工件X 轴、Z 轴工进，按程序加工曲轴连杆颈等相关部机床各数控轴快速退回人工下料重复以上循环。14 加工型式（1）切削过程采用干式加工，单机自动排屑，机床设整体防护罩；4（2）操作按钮站置于
8、机床右侧；（3）单机设照明装置。（二）QH2-062 数控曲轴高速铣床 QH2-062 数控曲轴铣床是采用国际先进的高速外铣工艺方式加工曲轴的专用机床，工件由左右两个车头同步驱动，专用液压卡盘自动夹紧。目前应用户的要求，使用单铣头进行加工，可以加工完成曲轴的主轴颈和连杆轴颈以及沉割槽等多个加工工序（今后我们的目标是使用双铣头同时加工）。机床采用日本 FANUC 公司生产的数控系统，三轴两联动。进给系统采用 FANUC公司的交流伺服电机驱动。铣刀主轴采用交流电机拖动，通过齿轮箱变速后传至铣刀盘，可以实现高速、高效铣削。机床规格及技术参数如下：1 最大回转直径 350mm 2 最大工件长度 750
9、（1200）mm 3 中心高 400mm 4 工件主轴转速范围(无级)0.130r/min 5 铣刀盘直径 580mm 6 铣刀盘转速范围 60130r/min 7 右车头移动行程 400mm 8 溜板纵、横向进给范围 02000mm/min 9 溜板纵、横向快速移动速度 8000mm/min 10 主电机 Y180L-6 15KW 1000r/min 511 液压电机 Y112M-4 B5 4KW 1500r/min 12 Z 轴伺服电机 30/2000 M=30N.m 2000r/min 13 X 轴伺服电机 40/2000 M=38N.m 2000r/min 14 C 轴伺服电机 40/
10、2000 M=38N.m 2000r/min 15 控制轴数 Z 轴、X 轴、C 轴 16 编程最小单位 0.001mm,0.001 17 定位精度 C 轴：0.02 Z 轴：0.04 mm X 轴：0.035 mm 18 重复定位精度 C 轴：0.01 Z 轴：0.01 mm X 轴：0.0075 mm 19 机床自动化水平 人工（或自动）上料液压卡盘自动夹紧铣刀主轴旋转Z 轴、X 轴快速趋近工件X 轴、Z 轴工进，按程序加工曲轴机床各数控轴快速退回液压卡盘松开人工（或自动）下料重复以上循环。20 机床结构特点（1）机床采用三轴两联动数控系统，分别控制工件主轴的旋转，铣刀的横向进给和纵向进给
11、来完成曲轴的加工。一次装夹可全部自动完成主轴径或连杆径的加工。输入不同的程序即可加工不同形状的曲轴，传动链简单可靠，使用调整方便，可实现除装卸工件外加工过程的全自动控制，加工曲轴 6精度高，生产效率高，最适合于大批量生产。（2）机床整体布局合理，造型美观。采用整体全防护，将切削区全封闭，操作按钮站固定在防护罩右侧，操作调整方便。床身左右端分别放置左右车头箱，溜板位于两车头箱中间，铣头位于溜板上，床身前导轨间放置磁性排屑器，便于铁屑排出。（3）因曲轴属于细长轴类，同时又有严格的相位要求，因此工件主轴采用双驱动同步旋转，防止工件的扭曲变形。（4）工件采用插销或工艺台定位，专用液压卡盘自动夹紧。（5
12、）在机床前导轨上放置工件托架，防止切削时工件的弯曲变形。（6）机床铣刀盘采用山特维克或日本三菱公司产品。21 加工型式（1）切削过程采用干式加工，单机自动排屑，机床设整体防护罩；（2）操作按钮站置于机床右侧；二、曲轴强化机床 曲轴在工作过程中将活塞连杆的住复运动变为旋转运动。气缸的气体爆发压力作用在活塞上，使曲轴承受冲击和扭转，因此曲轴承受很大的弯曲应力和扭转应力，受力情况非常复杂。此外，目前各个厂家采用发动机增压、扩缸及提高转速来提高功率的方法，使得曲轴各轴颈要在很高的比压下高速转动，所以对曲轴的抗拉强度、刚度、耐磨性、耐疲劳性以及冲击韧性提出了更高的要求。基于上述要求，而且我们已经认识到曲
13、轴的主要失效形式是轴颈磨损和 7疲劳断裂，因此必须对曲轴进行强化处理。目前国内外曲轴常见的强化工艺大致有以下 5 种：(1)氮化：氮化能提高曲轴疲劳强度的 20%60%，适用于各类曲轴。(2)喷丸：曲轴经喷丸处理后能提高疲劳强度 20%40%，但采用较少。(3)圆角与轴颈同时感应淬火：该强化方式应用于球铁曲轴时，能提高疲劳强度 20%；而应用于钢轴时则能提高 l00%以上，故在钢轴中应用比较普遗。(4)圆角滚压：国内只有少数厂家实现了曲轴圆角液压强化工艺，强化机床大多数国外引进的。根据统计资料，球铁曲轴经圆角该压后寿命可提高120%300%，钢轴经圆角液压后寿命可提高 70%150%。(5)复
14、合强化：就是应用多种强化工艺对曲轴进行强化处理，例如曲轴圆角按压加轴颈淬火等。据国外的资料介绍，球墨铸铁曲轴采用圆角该滚压工艺与离子氮化工艺结合使用，可使整个曲轴的抗疲劳强度提高 130%以上。曲轴圆角滚压强化工艺包括两部分：(1)曲轴圆角滚压 这一工艺过程是利用液压钳上的滚轮分别对曲轴主轴颈和连杆颈处的圆角进行滚压。在滚压过程中，由伺服传动系统控制曲轴旋转的转速和旋转角度，同时由液压伺服控制系统控制液压过程的压力负载，使每个主轴颈和连杆颈依次完成整个滚压过程。(2)曲轴滚压校正 这一过程用于对滚压后产生变形的曲轴进行校正，曲轴圆角滚压后的塑性变形会造成曲轴本身的弯曲变形。对弯曲曲轴的校直处理
15、分两步进行：首先检测曲轴的弯曲变形数据即弯曲度的大小和相位方 8向，方法是用摆差传感器检测各主轴颈处的摆差，然后由专家系统数据库对摆差数据进行分析处理并给出校直方案，即给出在某几个主轴颈或连杆颈上的再施压方案，利用此施压方案重新按压产生新的变形来消除曲轴的弯曲。由于曲轴圆角强化技术的复杂性，国内只有少数科研单位在做试验和研究。根据曲轴圆角滚压强化工艺的要求，东风汽车研究所、武汉理工大学与我公司合作，率先研制成功了QH2-040数控曲轴圆角滚压智能柔性加工机床。QH2-040 数控曲轴圆角滚压智能柔性加工机床，采用东风汽车研究所研制的曲轴滚压校直专家系统，该系统能够根据曲轴的液压变形规律，自动知
16、道对该曲轴的轴颈圆角的某些部位施加适当的压力进行滚压，使其产生与原变形相反的变形，达到校直的目的。按预先设定的滚压力和滚压次数对发动机曲轴所有主轴颈、连杆颈的底切圆角进行滚压，通过对底切圆角滚压，在曲轴疲劳强度敏感圆角区域内，形成局部压应力场，从而提高曲轴的疲劳强度，同时，机床具有校直功能，改善曲轴的弯曲变形。机床主轴由交流伺服电机实现无级变速和准确定位，左、右横向移动溜板分别由伺服电机驱动，滚压力大小由电液伺服系统控制，机床配有自动送料及自动检测装置，工件由液压缸实现自动顶紧和自动夹紧，机床其它动作均通过液压缸自动完成。本产品配有计算机校直专家系统，具有循环启动、自诊断、程序存储等功能。适用
17、于各种曲轴的圆角滚压强化及校直，是汽车行业、内燃机行业包括主机厂和曲轴专业生产厂代替传统曲轴强化设备的一种集精密机械加工、电液伺服系统、计算机控制、在线检测技术和智能专家系统于一体的高技术 9产品。机床有以下部件组成：床身、车头箱、溜板、滚压钳、滚压头、尾座、上料及检测机构、液压箱、润滑箱、数控箱、强电箱等。1 机床的基本参数如下：最大工件长度 1300mm 相邻轴颈轴向距离（轴颈中心）4070mm 曲柄臂半径 3580mm 轴颈宽度 2045mm 轴颈直径 4080mm 主轴转速 10110r/min 滚压时间 3min 主电机功率 5Kw 最高转速 2000r/min 左、右溜板驱动交流伺
18、服电机扭矩 22N.m 最高转速 1500/min 最大滚压力 25KN 液压(分高压、低压)电机功率 5.5Kw 滚压轮润滑电机功率 0.75Kw 机床外形尺寸(长宽高)3800mm2270mm1970mm 2 传动系统（1）主传动 主传动是由交流伺服电机输出功率，通过 2：36 双导程蜗 10杆蜗轮副实现主轴的任意回转,对曲轴的旋转实现无级变速和旋转角度控制。（2）纵向进给运动 由两个交流伺服电机，通过联轴节直接带动滚珠丝杠副，分别驱动左、右溜板纵向移动。（3）、号滚压机构的横向进给运动分别由液压油缸驱动。（4）相邻主轴、连杆颈滚压头中心轴向距离的手动调整 转动手柄带动丝杆，从而驱动连杆颈
19、滚压钳轴向移动，实现与主轴颈滚压头轴向距离的调整。（5）主轴、连杆颈滚压头径向距离的手动调整 转动方头带动齿轮轴，通过齿轮、齿条传动使连杆颈滚压钳沿燕尾导轨径向移动，实现与主轴颈滚压头径向距离的调整。（6）滚压钳钳口中心的高度调整 用专用工具转动调整螺母使固定有主轴、连杆颈滚压钳的滑座相对立柱沿导向键上下移动，使滚压钳钳口中心与工件轴线一致。3、总布局及主要部件结构概述 车头箱固定在卧式床身左端，左、右纵向移动溜板分别落在床身的矩形导轨上，尾座落在 V-平导轨上，尾座被放置在机床右端，主轴颈、连杆颈滚压钳分别落在溜板的横向导轨上，主轴颈、连杆颈滚压头通过各自的定位键固定在各自上下钳体之间；液压
20、箱置于机床左部，强电箱置于机床后部，数控箱（操纵箱）置于机床右前部。（1）床身 床身为卧式结构，呈长方形箱体，床身左、右部分别有两交 11流伺服电机带动左、右移动溜板在床身的矩形导轨上纵向移动。（2）车头箱 车头箱内装有一对蜗轮副，通过交流伺服电机驱动实现其主轴的旋转运动，箱后有床头顶尖油缸、回转油缸、用来实现工件的自动顶紧和自动夹紧。油缸夹紧方式为浮动夹紧方式。（3）溜板 溜板是带动滚压机构纵向移动的重要部件。分左、右溜板两部分，分别带动、号滚压机构。左、右溜板的设计保证具有足够刚度。（4）滚压钳 滚压钳是固定滚压头、实现曲轴滚压的关键部件。分主轴颈、连杆颈滚压钳（静钳、动钳），两套机构分别
21、装在左、右溜板上的滑座、滑台上。用于悬挂主轴颈、连杆颈滚压钳的支撑立柱保证足够刚度。（5）滚压头 分为主轴颈、连杆颈滚压头，滚压不同型号的曲轴圆角需要更换滚压头及支承座。滚压头为浮动式结构。（6）尾架 尾架是实现工件准确定位的重要部件。尾架上部的侧支架作用是当滚压曲轴的最外一个主轴颈时，辅助油缸活塞杆伸出顶住主轴颈滚压头起到辅助支承作用。（7）上料及检测机构 上料及检测机构是实现工件自动上料及对工件自动检测的重要部件。装在机床的前面，分别由一个上料油缸、一个检测油缸通过杠杆机构沿两副滚动导轨副移动。（8）机床的液压系统 本机床的液压箱与主机分离，液压箱分高压、低压两部分。除滚压钳加压油缸为高压
22、驱动，其余为低压工作。（9）机床的电气系统 本机床采用 AC.50HZ.380V 三相四线制供电，强电箱（两个）放置在机床后部，数控箱（操纵箱）置于机床右前部，带 CRT 12中文显示。三、其他主要产品介绍 凸轮轴是保证发动机配气质量的重要零件，因此对凸轮轴凸轮型线的制造精度要求越来越高，为此我公司开发适合发动机凸轮轴加工的 QH2-061数控凸轮轴铣床。QH2-061 数控凸轮轴铣床是采用盘形铣刀加工凸轮轴的专用机床，工件由左右两个车头同步驱动，专用液压卡盘自动夹紧。机床采用日本 FANUC 公司生产的数控系统，三轴两联动。进给系统采用 FANUC 公司的交流伺服电机驱动。铣刀主轴采用交流电
23、机拖动，通过齿轮箱变速后传至铣刀盘，可以实现高效铣削。本机床主要适用于大批或大量生产的汽车、拖拉机以及国防工业等行业。机床规格及技术参数如下：1 最大回转直径 350mm 2 最大工件长度 750mm 3 中心高 400mm 4 工件主轴转速范围(无级)0.130r/min 5 铣刀盘直径 500mm 6 铣刀盘转速范围 60130r/min 7 右车头移动行程 400mm 8 溜板纵、横向进给范围 02000mm/min 9 溜板纵、横向快速移动速度 8000mm/min 1310 主电机 Y180L-6 15KW 1000r/min 11 液压电机 Y112M-4 B5 4KW 1500r
24、/min 12 Z 轴伺服电机 30/2000 M=30N.m 2000r/min 13 X 轴伺服电机 40/2000 M=38N.m 2000r/min 14 C 轴伺服电机 40/2000 M=38N.m 2000r/min 15 控制轴数 Z 轴、X 轴、C 轴 16 编程最小单位 0.001mm,0.001 17 定位精度 C 轴：0.02 Z 轴：0.04 X 轴：0.035 18 重复定位精度 C 轴：0.01 Z 轴：0.01 X 轴：0.0075 19 机床自动化水平 人工上料液压卡盘自动夹紧铣刀主轴旋转Z 轴、X 轴快速趋近工件X 轴、Z 轴工进，按程序加工凸轮轴机床各数控
25、轴快速退回液压卡盘松开人工下料重复以上循环。20 机床结构特点（1）机床采用三轴两联动数控系统，分别控制工件主轴的旋转，铣刀的横向进给和纵向进给来完成凸轮轴的加工。一次装夹可全部自动完成凸轮的加工。输入不同的程序即可加工不同形状的凸轮轴，传动链简单可靠，使 14用调整方便，可实现除装卸工件外加工过程的全自动控制，加工凸轮轴精度高，生产效率高，最适合于大批量生产。（2）机床整体布局合理，造型美观。采用整体全防护，将切削区全封闭，操作按钮站固定在防护罩右侧，操作调整方便。床身左右端分别放置左右车头箱，溜板位于两车头箱中间，其上放置铣头，床身前导轨间设置磁性排屑器，便于铁屑排出。（3）因凸轮轴属于细
26、长轴类，同时又有相位要求，因此工件主轴采用双驱动同步旋转，防止工件的扭曲变形。（4）工件采用插销或工艺台定位，专用液压卡盘自动夹紧。（5）在机床前导轨上放置工件托架，防止切削时工件的弯曲变形。（6）机床铣刀盘采用山特维克或日本三菱公司产品。21 加工型式（1）切削过程采用干式加工，单机自动排屑，机床设整体防护罩；（2）操作按钮站置于机床右侧；五、公司产品发展设想 我公司的产品总体上讲，目前还没有形成系列，可能还存在一些意想不到的问题，因此要不断向各专业制造厂家学习、合作，不断完善我们的产品。根据目前国内外曲轴加工的工艺特点和用户需求，今后在目前的基础上，将加快研制各类曲轴的加工机床，特别是双头高速数控铣床和数控曲轴磨床。同时也要在进一步提高数控车削、数控车拉、曲轴强化方面机床开发。形成系列化的产品格局，为我国汽车、内燃机工业的发展做出贡献。15