圖1 只用4臺設(shè)備便可實現(xiàn)年產(chǎn)能15萬臺曲軸的粗、半精加工
曲軸作為發(fā)動機(jī)上最重要的零部件之一，由于其工作環(huán)境的惡劣性，對其強(qiáng)度、剛性、韌性、精度、耐沖擊和耐磨損等性能的要求越來越高，其材料一般是碳素結(jié)構(gòu)鋼或球墨鑄鐵，因而粗加工工藝的合理選擇直接影響著生產(chǎn)的成本、效率及后續(xù)精加工的質(zhì)量和工廢率。
曲軸粗加工工藝技術(shù)
曲軸的粗加工工藝流程通常為：銑端面、定總長、鉆質(zhì)量或幾何中心孔及車大小端外圓→銑主軸頸及軸肩→銑連桿頸及軸肩→車?yán)鬏S頸及沉槽→車?yán)蜚娤鬟B桿頸及沉槽→槍鉆油孔。
其中：
（1）銑端面、定總長及鉆中心孔一般有兩種方法，用專機(jī)或加工中心鉆中心孔。
（2）曲軸主軸頸和連桿軸頸的粗加工和半精加工工藝，大體有以下幾種：多刀車削工藝、數(shù)控車削工藝、數(shù)控內(nèi)銑銑削工藝、數(shù)控車-拉/數(shù)控車-車?yán)に囈约皵?shù)控高速外銑工藝。
（3）鉆曲軸深油孔是在專機(jī)或加工中心上用槍鉆或麻花鉆進(jìn)行鉆削。
曲軸粗加工工藝的發(fā)展
曲軸粗加工工藝的演變主要經(jīng)歷了以下幾個階段：
1. 鉆中心孔
國內(nèi)生產(chǎn)線中多采用幾何中心孔作為定位中心，但是利用幾何中心孔作定位中心進(jìn)行車削加工或磨削加工時，工件旋轉(zhuǎn)時產(chǎn)生的離心力不但影響工件的加工質(zhì)量，降低兩端定心元件的使用壽命，而且磨削完成后剩余的動平衡量大，平衡效率低。鑒于此，國外廠商開發(fā)出了質(zhì)量中心孔加工設(shè)備，利用專門設(shè)計的測試設(shè)備來測試質(zhì)量中心，然后加工出中心孔，采用CNC技術(shù)控制，且將銑兩端長度和加工質(zhì)量中心孔合并為一道工序，加工效率比較高。但是，若毛坯質(zhì)量較差，彎曲變形嚴(yán)重或質(zhì)量嚴(yán)重分布不均勻，采用鉆質(zhì)量中心孔也不能解決上述問題。因此，曲軸的質(zhì)量中心孔和幾何中心孔應(yīng)按毛坯質(zhì)量的好壞合理選用。一般來說，如果毛坯質(zhì)量好，加工余量小且分布均勻，這時曲軸的質(zhì)量中心孔和幾何中心孔會基本重合，不必花較高的費(fèi)用購置質(zhì)量定心設(shè)備；如果毛坯質(zhì)量較差，加工余量大且分布不均勻，則應(yīng)優(yōu)先選用質(zhì)量中心孔。
2. 加工曲軸的主軸頸及連桿軸頸
在20世紀(jì)60年代之前，曲軸主軸頸及連桿軸頸的加工多采用車削工藝，由于加工精度低和柔性極差等原因，被在60年代末開發(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80年代中期又很快被CNC內(nèi)銑所淘汰。1983年又產(chǎn)生了車?yán)に?，在此?年多時間里，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)に嚒Ｖ链?，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。到90年代中期又出現(xiàn)了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。到90年代的CBN高速磨削，粗磨曲軸主軸頸(含沉割槽)和連桿軸頸(含沉割槽)，出現(xiàn)以磨代替其他粗加工工藝的新局面，甚至直接磨削到成品。
3. 鉆曲軸深油孔
曲軸深油孔的直徑一般在5～8mm之間，從主軸頸到連桿頸傾斜貫通，屬典型細(xì)長孔，而且在曲面上加工，工藝性極差。加工深油孔目前用得較多的方式是在專用設(shè)備上采用槍鉆工藝，隨著刀具材料和涂層技術(shù)的發(fā)展，現(xiàn)在也有很多廠家采用麻花鉆代替槍鉆，無論從效率還是刀具壽命方面都有了很大的提高。此外，近年來還出現(xiàn)了深油孔加工的MQL技術(shù)，無論從成本、效率和環(huán)保方面都有了很大的提高。
國內(nèi)曲軸粗加工技術(shù)現(xiàn)狀
目前國內(nèi)曲軸生產(chǎn)線多數(shù)由普通機(jī)床和專用機(jī)床組成，設(shè)備臺數(shù)多、生產(chǎn)效率和自動化程度相對較低。粗加工設(shè)備多采用多刀車床車削曲軸主軸頸及拐頸，加工質(zhì)量穩(wěn)定性差，容易產(chǎn)生較大的加工應(yīng)力，難以達(dá)到合理的加工余量，所以導(dǎo)致產(chǎn)品周轉(zhuǎn)線長、場地占用面積大，其生產(chǎn)效率完全是靠多臺設(shè)備分解工序和余量來提高的。 然而，當(dāng)今的汽車發(fā)動機(jī)曲軸制造業(yè)面臨的卻是以下幾個問題：多品種、小批量生產(chǎn)；交貨期大大縮短；降低生產(chǎn)成本的要求；難切削材料的出現(xiàn)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；為保護(hù)環(huán)境，要求少用或不用切削液，即實現(xiàn)干式切削或準(zhǔn)干式切削。
在進(jìn)入21世紀(jì)以來，高速、高精、高效和高柔性的加工技術(shù)及裝備在汽車曲軸制造業(yè)中得到了迅速的應(yīng)用，生產(chǎn)效率大大提高，發(fā)動機(jī)曲軸生產(chǎn)線中設(shè)備數(shù)量得以減少，效率得到更大的提高。某轎車發(fā)動機(jī)曲軸生產(chǎn)線只用了4臺設(shè)備便完成了年產(chǎn)能15萬臺曲軸的粗、半精加工（見圖1），而全線設(shè)備也就只有14臺左右，產(chǎn)品周轉(zhuǎn)線大大縮短，加工效率得到極大提高，質(zhì)量控制更易于管理。
合理選擇曲軸粗加工工藝
1.曲軸粗加工機(jī)床的合理選用
先進(jìn)的金屬加工設(shè)備在曲軸制造中的重要性毋庸置疑，它能夠可靠地保證尺寸精度和一致性，適應(yīng)生產(chǎn)節(jié)拍的要求，提高整體工藝水平。但不能采取盲目的“拿來主義”，也并不是設(shè)備越先進(jìn)越好，應(yīng)符合以下幾個方面的要求：
（1）符合工藝性 結(jié)合產(chǎn)品結(jié)構(gòu)，能滿足尺寸精度和一致性的要求；
（2）符合經(jīng)濟(jì)性 采用合適而不是最優(yōu)的設(shè)備原則；
（3）符合設(shè)備管理和維修性 了解設(shè)備供應(yīng)商售后服務(wù)質(zhì)量，備件采購是否能夠滿足生產(chǎn)需要及其統(tǒng)一性；
（4）合理組合 本著實用、高效的原則，國內(nèi)有許多曲軸制造企業(yè)對引進(jìn)設(shè)備存在一些誤區(qū)，認(rèn)為設(shè)備越先進(jìn)、昂貴越好。但如果使用不當(dāng)，先進(jìn)設(shè)備起不到應(yīng)有的作用，會造成很大的浪費(fèi)。
2. 曲軸質(zhì)量中心孔和幾何中心孔加工設(shè)備的選用
毛坯質(zhì)量好，加工余量小且加工余量分布均勻，曲軸的質(zhì)量中心孔與幾何中心孔基本重合，可直接鉆幾何中心孔；毛坯質(zhì)量較差，加工余量大且加工余量分布不均勻，要優(yōu)先選用質(zhì)量中心孔作定位中心。因為初始不平衡量較大，如果鉆幾何中心孔，質(zhì)量分布不均勻，轉(zhuǎn)動慣量較大，損壞后續(xù)加工設(shè)備的精度。但是，若采用幾何中心孔作定位中心，在進(jìn)行動平衡時，初始不平衡量如果超出平衡機(jī)要求而無法平衡，在這種情況下應(yīng)優(yōu)先選用質(zhì)量定心機(jī)作定位中心。
3. 曲軸軸頸粗加工工藝的合理選用
下面分別就CNC高速外銑、CNC內(nèi)銑、CNC車-車?yán)癈NC車削來進(jìn)行介紹。
（1）各種加工工藝的特點(diǎn) 數(shù)控高速外銑的適用范圍廣，特別是雙刀盤數(shù)控高速外銑，切削速度高(可高達(dá)350m/min)、加工效率高、質(zhì)量穩(wěn)定且自動化水平高。加工四缸發(fā)動機(jī)曲軸，車-車?yán)に嚰庸みB桿軸頸需要二次裝夾才能完成，而數(shù)控高速外銑只要一道工序就能完成，現(xiàn)在已成為曲軸主軸頸和連桿軸頸粗加工的主要發(fā)展方向。
CNC內(nèi)銑適合于大型及不定量的批量生產(chǎn)，尤其是對于無沉割槽且平衡塊側(cè)面需要加工的曲軸提供了較高的穩(wěn)定性，但其手動上下料較困難、非切削時間較長、設(shè)備價格亦較高。加工后表面粗糙度較差，可能對后續(xù)滾壓強(qiáng)化和磨削砂輪會有影響。
數(shù)控車削設(shè)備價格相對便宜，不需要復(fù)雜的刀具，適合小批量多品種生產(chǎn)。車-拉、車-車?yán)耐怀鰞?yōu)點(diǎn)是可對寬軸徑進(jìn)行分層加工，切削效率高，加工質(zhì)量好，但是車?yán)O(shè)備價格高，刀具結(jié)構(gòu)復(fù)雜且費(fèi)用也較高。
（2）根據(jù)曲軸不同的結(jié)構(gòu)來分析 當(dāng)曲軸的軸頸無沉割槽時，幾種工藝都能加工。當(dāng)曲軸的軸頸有軸向沉割槽時，CNC高速外銑不能加工，但CNC車削、CNC車?yán)蜍?車?yán)芗庸?。?dāng)曲軸的平衡塊側(cè)面不用加工時，主軸頸加工選用CNC車-車?yán)蜍囅鞅容^合理，加工精度高。由于連桿頸軸線不在一條中心線上，如六拐曲軸，用車-車?yán)庸ぞ捅容^困難，而CNC高速外銑就比較容易。當(dāng)曲軸的平衡塊側(cè)面要加工時，主軸頸加工應(yīng)優(yōu)先選用CNC內(nèi)銑或CNC高速外銑，連桿頸的加工用CNC高速外銑；若毛坯是鍛鋼毛坯，CNC內(nèi)銑更有利于斷屑；若采用CNC車削或車?yán)?，由于平衡塊側(cè)面是斷續(xù)車削，曲軸轉(zhuǎn)速較高(約800～1000r/min)，在這種切削工況條件下，刀具崩刃現(xiàn)象嚴(yán)重，加工工藝選擇就很不合理。
（3）根據(jù)加工精度和機(jī)床的復(fù)雜程度來分析 CNC車削、CNC車-車?yán)庸ぞ认鄬NC內(nèi)銑和CNC高速外銑高些，但只適合于加工主軸頸，一般不用于連桿軸頸的加工。因為若用于連桿頸加工，比如對于四缸發(fā)動機(jī)要進(jìn)行兩次裝夾且夾盤結(jié)構(gòu)復(fù)雜；此外，CNC內(nèi)銑和CNC高速外銑機(jī)床較復(fù)雜。
（4）從加工的柔性方面來分析 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)p刀盤)的柔性好。
根據(jù)不同的年生產(chǎn)綱領(lǐng)，比較各種加工工藝的特點(diǎn)，分析曲軸的結(jié)構(gòu)、機(jī)床結(jié)構(gòu)及價格、工藝經(jīng)濟(jì)性，就可以制定合理的曲軸主軸頸及連桿軸頸粗加工工藝方案。
3.曲軸深油孔的加工工藝
由于曲軸材料和其結(jié)構(gòu)的特殊性，曲軸深油孔加工是曲軸尤其是鍛鋼曲軸加工中的一個難題，目前很多國內(nèi)專業(yè)的曲軸生產(chǎn)廠家主要用專用機(jī)床進(jìn)行加工，也有一些廠家采用搖臂鉆，但是效率太低。
目前采用專用的設(shè)備進(jìn)行加工得到了很快的發(fā)展，甚至這些專用設(shè)備的柔性都比較高，但是由于油孔結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性和長徑比較大，對刀具提出了更高的要求，斷屑、排屑要好，鉆尖結(jié)構(gòu)合理，切削環(huán)境惡劣，潤滑要好。目前主要采用帶涂層的整體硬質(zhì)合金外排屑內(nèi)冷槍鉆代替普通加長高速鋼鉆頭，但是隨著刀具技術(shù)的發(fā)展，在一些實際的應(yīng)用中采用帶涂層的整體硬質(zhì)合金麻花鉆有著更高的效率和刀具耐用度。在沒有預(yù)鉆的前提下進(jìn)行直接鉆削，相當(dāng)于在空間曲面上進(jìn)行鉆削加工，對刀具和刀輔具的要求也嚴(yán)格多了。比如對鉆套和鉆頭之間的間隙要求一般在0.015～0.03mm之間（見圖2），否則在鉆削過程中比較容易折斷。有些廠家為了響應(yīng)綠色制造和環(huán)保的要求，發(fā)展了MQL技術(shù)來代替?zhèn)鹘y(tǒng)的大流量油冷沖洗。
目前國外知名專業(yè)設(shè)備廠商主要是以德國TBT、西班牙ETXE-TAR等為代表的機(jī)床廠商和以TBT、住友、Guhring等為代表的刀具廠商。
國內(nèi)也有一些廠家采用柔性較高的加工中心，不采用鉆套，而是先用一把銑刀在工件表面上锪一個平臺，接著進(jìn)行預(yù)鉆，然后再進(jìn)行鉆削，刀具數(shù)量較多，輔助時間較長，一次只能鉆削一件曲軸(單主軸)，所以效率比較低。
