曲轴是发动机的心脏，是动力输出的中枢，曲轴是活塞式发动机中重要承受负荷最大的零件之一，曲轴在工作状态下承受着交变的扭矩和弯矩载荷，这就要求曲轴不仅具有很高的制造精度，还需具有足够的强度和刚度，曲轴加工工艺水平不仅影响着曲轴自身的尺寸和质量，而且很大程度上影响着发动机的可靠性与寿命。
1发动机曲轴构造渊见图一冤
①曲轴结构总体分为前端，曲拐（主轴颈，连杆颈，曲柄臂），后端。②主轴颈与连杆颈需与轴瓦装配，在使用中形成油膜，因此对形状和粗糙度要求较高，在工艺设计中作为重点和难点考虑。③曲轴前后端主要与发动机其他关联件装配，作为输出动力到相关零部件。工艺考虑主要为外圆尺寸和长度尺寸的保证。
2曲轴的工艺设计
曲轴的加工工艺是一个逐步发展的过程，随着科学技术的发展，曲轴的机加工工艺发生着巨大的变化，大量的新技术，新工艺应用到毛坯锻造（铸造），机加设备，以及曲轴的强化设计中，曲轴的工艺设计考虑的相关因数主要有：
2.1曲轴的设计袁精度要求
曲轴设计包括材质，外形结构，技术或精度要求，这些设计均对加工设备的选型，工艺流程的安排，工艺参数的制定均产生直接影响。2.1.1材质方面：根据发动机的工作状况，曲轴常用材料有：球墨铸铁、调质钢、非调质钢。由于球墨铸铁的力学性能接近调质钢，切削性能良好，且成本只有调质钢材质成本的l／3左右，所以球墨铸铁曲轴在国内外得到了广泛应用。据统计资料表明，车用发动机曲轴采用球墨铸铁材料的比例：美国为90％，英国为85％，日本为60％。国内的汽油机曲轴，一般采用球墨铸铁制造，常用的牌号有：QT700、QT800，另外QT900也在逐步的推广中。柴油机曲轴一般采用调质钢或非调质钢制造，调质钢常用材料有：40Cr和42CrMo等；非调质钢常用材料有：49MnVS、38MnVS6等。工艺的设定上，调制钢需粗车后调制（毛坯余量小的精锻（铸）件，则可直接调制）。加工工艺性，调质钢加工难度较大，刀具消耗大，加工中铁屑缠绕（不断屑）易对内螺纹产生烂牙，非调制钢硬度略低于调质钢，消耗和加工难度次之，铸件工艺性最好，加工中铁屑脆性断裂，铁屑不会对工件和刀具产生影响，有利品质和加工效率提升。[1]2.1.2曲轴的外形及精度要求：发动机技术的发展带动了曲轴的结构设计，从信号盘设计到热套零件，从普通的轴颈外R结构到沉槽滚压和圆角淬火等，从圆度0.005以及单一的粗糙度Ra标注到圆度0.003，粗糙度采用Rz和支撑面标注等等，这些要求均需要对工艺设计进行大量的变革吗，精度的提升对设备的选型非常重要，部分精度的提升（如圆度从0.005提升为0.003）必许选用高端的数控设备才能满足品质要求。
2.2曲轴的毛坯设计
锻造和铸造技术的发展，毛坯质量提升较大，从最初的连杆颈有连皮到取消连皮，从大余量（需设计粗车工序）到余量小的精锻（铸造）件，工艺设计也相应做了调整，如目前工艺流程已减少了粗车工序。另外，曲轴毛坯质量对加工工艺影响非常大，毛坯外形质量差，从设备选型上要考虑质量中心机或采用单独的工艺，即通过实验确定中心孔方案，再对毛坯分类并分别加工。
2.3加工设备
加工设备的状况对曲轴的加工工艺影响最大，设备具有的功能直接决定加工内容的多少，工艺的组合等。曲轴设计的精度要求对加工设备提出了更高要求，普通的车床，钻床以及8260磨床已不能满足曲轴加工品质要求，随之而来的是大量的数控设备，加工中心，变压力滚压，随动磨床，数控端面磨床的使用。设备变革在保证品质的同时也推动了曲轴加工工艺的发展。
2.4曲轴强化方式
曲轴的强化方式设计主要由发动机设计方设计，但由于强化设计专业性较强，曲轴的强化设计有向曲轴专业公司主导的发展趋势，不同的强化方式，工艺设计也不同，目前主要的曲轴强化方式主要有软氮化、滚压、圆角淬火等：
3曲轴加工工艺的关键工序研究
3.1曲轴中心孔加工院
曲轴两端的中心孔不仅是曲轴后续工序加工的基准，也直接影响到曲轴的不平衡量。中心孔工序采用的方法主要有几何定心和质量定心两种。在业界内，关于采用质量定心还是几何定心的问题，经过多年的实践与探索，现逐渐形成以下共识：1）如果曲轴毛坯质量好，可以用几何定心；如果毛坯质量不高，才可能采用质量定心方案。2）如果毛坯质量均衡性尚可，采用几何定心方案就能保证曲轴不平衡量在合适的范围内，则不必采用质量定心方案，以减少因质量定心设备带来的设备投资。对于毛坯质量差，又不采用质量中心方式，业界普遍的方法是：对毛坯按模具号分类，再通过小批工艺试验确定中心孔方案后大批生产。大量的生产实际表明，伴随我国曲轴毛坯制造水平的不断提升，采用几何定心已成为一种发展趋势。
3.2曲轴粗加工方式的选择与比较
在具体工艺的选择上，通常根据以下三个因素进行合理选择。A曲轴长度为l500mm以上时，多采用外铣或者内铣曲轴主轴颈和连杆轴颈工艺。B毛坯余量δ的大小。当δ>5mm时，常采用外铣或内铣工艺；当δ≤3mm时，宜选用车拉、车-车拉工艺。C曲轴粗加工的变形问题。为有效减少变形，可以先进行外铣或内铣主轴颈和连杆轴颈，去除大部分的余量，有效释放应力后再进行车-车拉主轴颈和连杆轴颈工艺，从而获得较高的轴向尺寸和轴颈尺寸精度。[2]目前，国内部分曲轴加工专业厂，主轴颈和连杆颈的粗加工还在大量采用普通的数控车床，由于机床夹持为人工压紧，无同步轴，加工中曲轴扭曲较大，品质现状堪忧。
3.3磨削工艺的合理选择
国内磨削工艺一般分为粗磨和精磨，而国外大多数厂家都是一次精磨到位。磨削工艺的选择要兼顾以下两个问题：一是如何保证曲轴质量；二要有利于消除或减少磨削裂纹。众所周知，磨削裂纹的产生是由磨削热引起的，降低磨削热是解决磨削裂纹的关键，在磨削工艺上可采取以下措施消除或减少磨削裂纹。A加大冷却喷射压力，加大冷却液流量等，以降低磨削热。B合理选用砂轮，粗磨选用粒度较粗、硬度较软的砂轮，精磨选用粒度较细、硬度较硬的砂轮，不同的曲轴材质，砂轮的选用也不同，现在高端的磨削加工方法为CBN砂轮磨削，CBN具有砂轮耐用度高，形状位置公差好的优点。C选择合适的进到量，也可以降低磨削热的产生。D选择合适磨削余量，粗磨按0.5mm-1mm余量设定，精磨按0.2mm-0.5mm设定，部分工艺设计半精磨，工艺余量为0.1mm-0.2mm。[3]
3.4曲轴强化工艺
由于曲轴在交变应力作用下工作，其轴颈面变化转接圆角处发生应力疲劳和应变破坏的危险性极大，根据我司多年的加工及实验经验，不同的强化方式其流程安排以及强化达成效果均不同。a.软氮化：能提升曲轴的疲劳强度20%-60%，主要试用于钢件曲轴，工艺设计在精磨后轴颈抛光前进行；b.滚压：滚压分为沉割槽滚压和外圆弧滚压，目前最广泛的是沉割槽滚压，根据我司大量的数据证明，滚压后疲劳强度提升铸件为80%-100%，钢件为50%-80%，工艺设计为半精加工工序完成沉割槽轮廓加工，精磨前完成滚压；在实际的加工中，注意滚压区域被精磨磨去，防范方法是砂轮需限定宽度，同时砂轮要修正圆角，避让滚压区。图二为一个断裂曲轴的沉槽轮廓。
4国内曲轴加工工艺现状
曲轴加工是技术含量非常高的行业，目前国内的加工工艺，产线设计水品参差不起，曲轴的加工质量总体水平不高，实力不能与合资品牌抗衡，从加工现状，国内的曲轴加工工艺大致可分为三类：先进工艺线，普通设备工艺线，普通设备改造线。
4.1先进的曲轴加工工艺院
目前，国内较高端的曲轴生产线采用，此类产线工艺基本采用国外设备，具体特点：a.设备自动化程度高，品质保证能力强，比如钻两端孔，一个工序加工了大小头中心孔，飞轮孔，销孔，信号孔，键槽，扁方等，浓缩了普通机床产线近10个工序的作业内容，另外，曲轴是一次装夹完成，杜绝了多次装夹带来的误差，品质受控。b.关键工序的机床具备自动在线监测，识别，自动补偿的功能，品质的保证不再仅仅依赖机床精度和工装精度，典型的机床是滚压机床和精磨主轴颈连杆颈机床。滚压机床通过程序控制，在完成一次滚压后，自动检查轴颈跳动，通过反馈跳动信息自动调整滚压校直的滚压臂以及压力，通过二次滚压达成工艺要求。精磨主轴颈连杆颈采用随动磨床，曲轴在中心孔两顶加工的前提下，砂轮跟随连杆颈摆动，通过在线量仪，机床自动补偿外圆直径以及圆度的误差值。自动补偿功能在保证跳动、圆度等关键特性上非常重要，这也是普通机床和国内的一般数控磨床所不能达到的。c.加工流程短，工序集中，操作员工少，主要工艺及流程：铣打中心孔→车拉主轴颈→车拉连杆颈→钻油孔→轴颈淬火→滚压→钻两端孔→磨止推面→精磨主轴和连杆颈→精磨前端→精磨后端→动平衡→抛光→检验分组→清洗。
4.2普通设备线的加工工艺
普通设备主要指非自动化设备或者自动化程度低的车床，台钻或摇臂钻，铣床，8260和1332磨床等，此类工艺产线特点是：a.自动化程度低，一机台一操作者，劳动力数量多；b.通用机床加专用工装，员工的技能和熟练程度对加工品质要求影响较大，总体的品质一致性差，废品率高，品质水平波动较大。c.加工工艺长，效率低，主要工艺及流程：钻中心孔→车夹位→粗车主轴颈→调制→精车主轴颈→精车连杆颈→钻直油孔→钻斜油孔→钻大头孔→钻小头孔→油孔倒角→淬火→滚压连杆颈→滚压主轴颈→校直→半精磨→钻销孔→钻飞轮孔→攻丝→精磨连杆颈→铣键槽→铣扁方→动平衡→精磨主轴颈→精磨大头→精磨小头→抛光→分组→清洗。
4.3改造线工艺
所谓的改造线，是指在普通设备线的基础上对部分关键工序增加数控设备，以达到提升品质为目的，其实质就是以上两类工艺产线的结合，即关重设备采用高端的数控机床，非重要工序采用一般数控或普通机床，此种工艺的出发点是较好的平衡了曲轴加工品质与建线成本，此类建线方式为目前国内曲轴专业公司在向先进生产工艺转变的过度。目前，国内汽车发动机曲轴主要制造技术装备依赖进口，曲轴加工的柔性生产线还处在初期阶段，国内曲轴生产线由于各种原因，设备的配置差别大，总的来讲，高、中、低档次的曲轴生产产线均同时存在，并在未来相当一段时间共存。随着曲轴的设计要求越来越高，不仅需要高度自动化的加工设备外，与设备匹配，直接加工相关的刀具在曲轴的加工中扮演了越来越重要的地位，影响着曲轴加工工艺的变更进程。焊接刀具，高速钢钻头等传统刀具已不能满足现代设备以及先进设备的加工要求，更耐磨，刚性更好，设计更优的刀具已逐步在推广使用。新刀具呈现的特点：a.刀片与刀体为组合式（特殊的或小直径钻花铣刀为一体式刀具），更换更方便；b.组合刀具更多，结合机床的功能可实现一个刀具多部位加工；c.刀具材质为硬质合金+表面涂层，刀具赖磨性更好，刀具寿命更高；d.刀具复磨为标准化磨削，有专业的刀具检测和磨削设备，复磨已产业化；e.轴颈磨削砂轮为CBN砂轮，硬度高，修模频次低，加工效率高，粗糙度和形状公差保证好。f.刀具的管理更科学，通过机床程序设计，达成强制换刀的效果，刀具更换（修模）达到标准化，程序化。随着科学技术的发展，曲轴加工工艺发生着较大的变更，高端的加工设备和刀具主要被国外专业厂垄断，如随动磨床主要是德国的勇克，英国的兰蒂斯，滚压设备主要采用德国的赫根塞特滚压专机，刀具主要有山特，OSG，京瓷等公司的产品。近几年，国内的曲轴设备生产厂也逐步在开发相关的随动磨，变压力滚压等机床，其中沈阳机床，北京机床等一批国内先进专业厂的部分加工设备已达到较高的技术水平，国内机床替代进口机床是发展的趋势。
作者：邓昭东 单位：金鸿曲轴有限公司
