曲軸加工技術(shù)分析及優(yōu)化

引言

曲軸是柴油發(fā)動(dòng)機(jī)中傳輸動(dòng)力的核心部件。在柴油發(fā)動(dòng)機(jī)的工作循環(huán)中,曲軸承受的載荷不斷變化,因此對(duì)曲軸的剛度韌性耐磨性抗疲勞強(qiáng)度等要求很高。

本文討論的某型號(hào)曲軸總長(zhǎng)2m,有8個(gè)連桿軸頸9個(gè)主軸頸,主軸頸連桿軸頸及其圓角采用中頻淬火強(qiáng)化。中頻淬火產(chǎn)生熱應(yīng)力會(huì)引起曲軸變形,且其會(huì)一直影響到后續(xù)的磨削。

控制曲軸跳動(dòng)是該曲軸的加工難點(diǎn),本文根據(jù)該型號(hào)曲軸小批量加工全過(guò)程各工序的詳細(xì)數(shù)據(jù),重點(diǎn)圍繞跳動(dòng)控制進(jìn)行詳細(xì)分析,找到影響跳動(dòng)的主要因素,提出合理有效的措施,優(yōu)化加工工藝。

該曲軸的主要加工工藝流程為:鍛造毛坯一調(diào)質(zhì)一粗銑一一第一次高溫時(shí)效一粗銑二一第二次高溫時(shí)效一精銑一第三次高溫時(shí)效一粗磨一中頻淬火一修中心孔一精磨一拋光一探傷一清洗一最終檢驗(yàn)。

1影響曲軸精度的主要工序分析

1.1鍛造毛坯

大功率柴油發(fā)動(dòng)機(jī)的曲軸毛坯常用鍛件,根據(jù)各種鍛造工藝的特點(diǎn),主要有墩鍛工藝、整體模鍛工藝。墩鍛工藝使用特制的工裝,在液壓機(jī)上通過(guò)逐拐變形實(shí)現(xiàn)曲軸鍛件逐拐的整體成型,最終獲得毛坯鍛件。而整體模鍛是采用整體鍛造模具,在液壓機(jī)上一次鍛造成型。

在加工工藝研究過(guò)程中,上述兩種狀態(tài)的毛坯都采用過(guò)。對(duì)比兩種狀態(tài)的毛坯,在后續(xù)機(jī)械加工及調(diào)質(zhì)過(guò)程中發(fā)現(xiàn),單拐墩鍛毛坯變形不規(guī)律,后續(xù)加工中很難消除其變形,粗銑后曲軸跳動(dòng)依然很大,導(dǎo)致后續(xù)加工余量不足,無(wú)法繼續(xù)加工:而且該種鍛造工藝應(yīng)力分布雜亂,在后續(xù)中頻淬火后,曲軸彎曲變形不規(guī)律,高點(diǎn)位置隨意,很難控制。因此該種狀態(tài)的毛坯不建議繼續(xù)使用。

整體模鍛件毛坯,整體余量均勻,應(yīng)力分布較好。體現(xiàn)在后續(xù)加工中,每次粗銑后,零件跳動(dòng)較小,在0.4～1mm之間,而且經(jīng)過(guò)高溫時(shí)效后還會(huì)減小,通過(guò)跟蹤小批次曲軸的加工情況可知,變形比較穩(wěn)定。因此后續(xù)加工中建議使用整體模鍛件毛坯。

1.2調(diào)質(zhì)

零件整體調(diào)質(zhì),硬度302HB～363HB,抗拉強(qiáng)度980～1180MPa。曲軸調(diào)質(zhì)有兩種方式:第一種是井式爐加熱,零件豎直吊裝入液淬火:第二種是箱式爐水平放置加熱,零件水平放置入液淬火。

比較兩種熱處理方式,在后續(xù)機(jī)械加工中發(fā)現(xiàn),采用第二種調(diào)質(zhì)方式的零件彎曲變形較大,而且經(jīng)過(guò)粗銑一消除變形后,經(jīng)過(guò)第一次高溫時(shí)效,零件跳動(dòng)依然會(huì)很大:經(jīng)過(guò)粗加工消除跳動(dòng)后,在中頻淬火時(shí)其跳動(dòng)依然會(huì)很大且不容易控制。而采用第一種調(diào)質(zhì)方式的零件在后續(xù)加工中其變形非常規(guī)律且容易控制,能夠滿足后續(xù)粗精銑中頻淬火粗精磨工序要求。

1.3粗銑一

曲軸調(diào)質(zhì)后進(jìn)行第一次粗銑,粗銑主軸頸連桿軸頸曲臂,此工序使用曲軸內(nèi)銑機(jī)床。此工序?yàn)槊麇懺旌蟮谝淮未旨庸?切削余量大且不均勻(主軸頸及連桿軸頸單邊銑削余量4mm）,切削過(guò)程中振動(dòng)較大:毛坯經(jīng)過(guò)畫(huà)線工序,導(dǎo)致余量不均勻,甚至局部有毛坯面加工不出來(lái),加工完成后,零件跳動(dòng)在1～2mm。粗銑完零件會(huì)產(chǎn)生較大的殘余切削應(yīng)力,因此對(duì)其進(jìn)行高溫時(shí)效處理,以消除殘余切削應(yīng)力。

1.4第一次高溫時(shí)效

粗銑加工后,曲軸的組織內(nèi)部會(huì)產(chǎn)生切削殘余應(yīng)力,因此曲軸在粗加工后,需進(jìn)行去應(yīng)力處理。此工序采用箱式爐高溫回火,溫度550℃,保溫5h,曲軸放在專用回火夾具中,水平放置,高點(diǎn)向上,隨爐冷卻至室溫。高溫回火后,曲軸跳動(dòng)將減小0.1～0.5mm?？梢钥闯?高溫時(shí)效處理能有效減小加工過(guò)程中產(chǎn)生的切削應(yīng)力。

1.5粗銑二

曲軸第二次粗銑,此工序去除了主軸頸及連桿軸頸單邊加工余量4mm,由于已進(jìn)行了一次銑削加工,此工序加工余量相對(duì)均勻,切削狀態(tài)良好。此工序仍然采用曲軸內(nèi)銑設(shè)備。零件加工完成后,其跳動(dòng)值在0.4～1.94mm,比一次粗銑后明顯降低,具體如表1所示。

1.6第二次高溫時(shí)效

由于粗銑二去除了較大的余量,因此對(duì)曲軸進(jìn)行二次高溫時(shí)效。參數(shù)及方式與第一次高溫時(shí)效相同。高溫時(shí)效后曲軸跳動(dòng)將減小(表1）,減小量最大為1.24mm,可以看出,高溫回火能有效減小加工過(guò)程中產(chǎn)生的切削應(yīng)力。1.7精銑

精銑曲軸,主軸頸單邊余量3mm,連桿軸頸單邊余量2.5mm。此工序仍然采用曲軸內(nèi)銑設(shè)備。該工序零件加工完成后,曲軸各開(kāi)檔直線尺寸已到成品尺寸,軸肩留余量進(jìn)行后續(xù)磨削加工。加工完成后其跳動(dòng)均小于1mm,比粗銑有所減小(表1）。

1.8第三次高溫時(shí)效

曲軸精銑后為減小切削殘余應(yīng)力,進(jìn)行第三次高溫時(shí)效,參數(shù)與方式同前兩次,高溫時(shí)效后跳動(dòng)減小(表1）,最大減小量達(dá)到0.35mm,說(shuō)明本次高溫時(shí)效可以減小應(yīng)力,但減小幅度沒(méi)有前兩次大。

1.9粗磨

粗磨主軸頸及連桿軸頸,磨削余量單邊0.85mm,所用設(shè)備為曲軸磨床,主軸頸與連桿軸頸一次裝夾磨削,能夠很好地保證尺寸的一致性,磨削完成后曲軸最大跳動(dòng)如表1所示。

1.10中頻淬火

淬火在中頻感應(yīng)淬火機(jī)床上進(jìn)行,三爪卡盤(pán)夾緊自由端,三爪卡盤(pán)與傳動(dòng)軸浮動(dòng)連接,只起到傳遞扭矩的作用,曲軸在自由狀態(tài)下進(jìn)行中頻感應(yīng)淬火。由于圓角部位的淬火,曲軸變形較大,達(dá)到1mm以上,這個(gè)變形量不能滿足工藝要求。之后設(shè)計(jì)專用夾具,調(diào)整電壓、功率、加熱時(shí)間等參數(shù),同時(shí)確定先對(duì)連桿軸頸淬火,再對(duì)主軸頸淬火,通過(guò)一系列的多次試驗(yàn),最終有效減小了曲軸在淬火過(guò)程中的變形。中頻淬火后,檢測(cè)曲軸直線尺寸,發(fā)現(xiàn)曲軸長(zhǎng)度縮短了0.6～1.3mm。

連桿軸頸淬火,淬火順序?yàn)橄戎虚g后兩邊,感應(yīng)器依次對(duì)各連桿軸頸進(jìn)行淬火。淬火時(shí)使用專用工裝,能夠?qū)Ω鬏S頸進(jìn)行壓緊,由于相位的不同,根據(jù)理論推算,具體淬火時(shí)壓緊相應(yīng)的軸頸,能夠有效減小曲軸變形,淬火后曲軸跳動(dòng)如表1所示。

主軸頸淬火,感應(yīng)器依次對(duì)各主軸頸進(jìn)行淬火。根據(jù)理論推算,淬火時(shí)壓緊相應(yīng)的軸頸,能夠有效降低曲軸變形,淬火后曲軸跳動(dòng)如表1所示。

主軸頸淬火后回火,回火采用專用工裝支撐,曲軸水平放置。

1.11修中心孔

淬火后曲軸變形,影響后續(xù)磨削加工,需要修正中心

孔。原先中心孔在普通車床加工,由于效果較差,經(jīng)過(guò)分析,針對(duì)每一根曲軸淬火后跳動(dòng)情況,進(jìn)行精確測(cè)量,找到相應(yīng)高點(diǎn)位置,通過(guò)計(jì)算,找到最佳位置,在加工中心上修正中心孔。修正后,曲軸跳動(dòng)值≤0.4mm,滿足后續(xù)磨削加工要求。

1.12精磨

磨削主軸頸和連桿軸頸,設(shè)備采用曲軸磨床,直徑磨削余量0.8mm。本次磨削后,曲軸跳動(dòng)0.05～0.10mm,工藝要求為0.05mm,因此不能夠完全滿足工藝要求。之后進(jìn)行多次調(diào)整,改變磨削順序、多次磨削、優(yōu)化磨削參數(shù),反復(fù)試驗(yàn),最后保證了曲軸跳動(dòng)能夠滿足圖樣要求。

2曲軸加工工藝優(yōu)化對(duì)策

根據(jù)上述對(duì)曲軸加工關(guān)鍵工序的工藝分析,對(duì)以下工序進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn):(1）毛坯選擇模鍛件:(2）調(diào)質(zhì)過(guò)程采用井式爐加熱,垂直入液:(3）粗銑切削余量大,變形嚴(yán)重,應(yīng)采取多次銑削方式減小切削應(yīng)力:(4）中頻淬火由于操作比較復(fù)雜,注意的事項(xiàng)較多,因此通過(guò)試驗(yàn)驗(yàn)證形成了作業(yè)指導(dǎo)書(shū):(5）中頻淬火雖然采取了各種措施,但變形依然較大,因此中頻淬火后重新修正中心孔以保證滿足后續(xù)加工要求:(6）中頻淬火后長(zhǎng)度縮短,在精銑工序進(jìn)行長(zhǎng)度補(bǔ)償。

曲軸加工工藝優(yōu)化對(duì)策具體如表2所示。

3結(jié)語(yǔ)

中高速柴油機(jī)的曲軸加工過(guò)程非常復(fù)雜,加工技術(shù)要求較高,必須同時(shí)考慮毛坯、熱處理、機(jī)械加工等每個(gè)加工單元的特定條件并使用先進(jìn)的加工技術(shù)。本文主要關(guān)注了某型號(hào)曲軸,采用中頻淬火強(qiáng)化,在加工過(guò)程中控制其變形:在對(duì)各個(gè)加工環(huán)節(jié)進(jìn)行詳細(xì)的工藝分析的基礎(chǔ)上,對(duì)其進(jìn)行了改進(jìn)優(yōu)化。今后需要進(jìn)一步針對(duì)不同技術(shù)要求的曲軸,研究其整體的工藝方案,以逐步提高曲軸的加工工藝水平。