復(fù)合加工--發(fā)動機曲軸加工的必然趨勢

    進入21世紀以后，發(fā)動機曲軸在制造工藝、刀具等方面都發(fā)生了巨大的變化。領(lǐng)導(dǎo)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、高效的復(fù)合加工技術(shù)及裝備迅速進入汽車及零部件制造業(yè)，高速高效復(fù)合加工技術(shù)在曲軸加工生產(chǎn)中已有相當(dāng)程度的應(yīng)用，并將是其必然發(fā)展趨勢。
曲軸加工技術(shù)設(shè)備現(xiàn)狀
    目前，國內(nèi)曲軸陳舊生產(chǎn)線多數(shù)由普通機床和專用機床組成，生產(chǎn)效率和自動化程度相 對較低。粗加工設(shè)備一般采用多刀車床車削曲軸主軸頸及連桿軸頸，工序質(zhì)量穩(wěn)定性差，容易產(chǎn)生較大的加工應(yīng)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�？咳斯げ僮�，加工質(zhì)量不穩(wěn)定、尺寸一致性差。
    老式生產(chǎn)線一個主要的特點就是普通設(shè)備太多，按加工球墨鑄鐵曲軸來計算，一條生產(chǎn)線有35～40臺設(shè)備。筆者曾考查過國內(nèi)某一鍛鋼曲軸生產(chǎn)線，粗加工采用普通外銑加工主軸頸和連桿頸，然后數(shù)控精車主軸頸和連桿頸，再經(jīng)過多道工序的磨削方轉(zhuǎn)入精加工工序。所以這條生產(chǎn)線設(shè)備達60多臺，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。
而當(dāng)今的汽車發(fā)動機曲軸制造業(yè)面臨的卻是以下幾個問題：
1.多品種、小批量生產(chǎn)；
2.交貨期大大縮短；
3.降低生產(chǎn)成本；
4.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；
5.為保護環(huán)境，要求少用或不用切削液，即實現(xiàn)干式切削或準干式切削；
    正是基于以上情況，在進入21世紀以來，高速、高精、高效的復(fù)合加工技術(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)效率得到了很大提高，因此發(fā)動機曲軸生產(chǎn)線中生產(chǎn)設(shè)備數(shù)量得以減少。筆者曾在某一轎車發(fā)動機曲軸生產(chǎn)線看到，全線設(shè)備（包括熱處理、表面強化）只有13臺設(shè)備左右，產(chǎn)品周轉(zhuǎn)線短、加工效率高、易于質(zhì)量控制管理。
曲軸復(fù)合加工技術(shù)的發(fā)展
    20世紀80年代后期，德國BOEHRINGER公司和HELLER公司開發(fā)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完美結(jié)合，生產(chǎn)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國際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(xiàn)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(nèi)銑與CNC高速曲軸外銑對比，內(nèi)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(huán)時間較長。而CNC高速曲軸外銑具有以下優(yōu)點：切削速度高（可高達350m/min）、切削時間較短、工序循環(huán)時間較短、切削力較小、工件溫升較低、刀具壽命高、換刀次數(shù)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(fā)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(chǎn)線見到德國BOEHRINGER公司兩臺設(shè)備，其中1臺為數(shù)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(jù)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(cè)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(fā)動機曲軸設(shè)計制造的柔性數(shù)控銑床，該設(shè)備應(yīng)用工件回轉(zhuǎn)和銑刀進給伺服連動控制技術(shù)，可以一次裝夾不改變曲軸回轉(zhuǎn)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(fù)合材料一體化結(jié)構(gòu)床身，工件兩端電子同步旋轉(zhuǎn)驅(qū)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(tǒng)，通過輸入零件的基本參數(shù)即可自動生成加工程序，可以加工長度在450～700mm、回轉(zhuǎn)直徑在380mm以內(nèi)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(shè)備價格昂貴，產(chǎn)品加工成本很高，國內(nèi)一些機床生產(chǎn)廠家（如青海第二機床制造有限責(zé)任公司）相繼開發(fā)出了數(shù)控曲軸車床、數(shù)控高速曲軸銑床，數(shù)控曲軸車拉機床等專用機床。
    曲軸精加工采用國內(nèi)數(shù)控磨床磨削情況已相當(dāng)普遍，產(chǎn)品加工精度已有相當(dāng)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�，F(xiàn)代曲軸磨床除了要有很高的靜態(tài)、動態(tài)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(wěn)定的加工精度，為此，對曲軸磨床的工序能力系數(shù)規(guī)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(xiàn)代驅(qū)動和控制技術(shù)、測量控制、CBN（立方氮化硼）砂輪和先進的機床部件的應(yīng)用，為曲軸磨床的高精度、高效磨削加工創(chuàng)造了條件。一種稱之為連桿頸隨動磨削的工藝。正是體現(xiàn)了這些新技術(shù)綜合應(yīng)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(zhuǎn)，并在一次裝夾下磨削所有連桿頸。在磨削過程中，磨頭實現(xiàn)往復(fù)擺動進給，跟蹤著偏心回轉(zhuǎn)的連桿頸進行磨削加工。要實現(xiàn)隨動磨削，X軸除了必須具有高的動態(tài)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(yīng)用是實現(xiàn)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。
用于曲軸復(fù)合加工的機床
    提到復(fù)合加工技術(shù)，就不得不提到復(fù)合加工機床，復(fù)合加工機床的定義也是隨時代變化的。過去將加工中心稱為復(fù)合加工機床，但因工具交換加工的品種受到限制，而且也走不出切削加工的領(lǐng)域，現(xiàn)在已經(jīng)不再將一般的加工中心稱之為復(fù)合加工機床了。復(fù)合機床應(yīng)具有工序集成功能，多種加工集成功能。從制造業(yè)所處的環(huán)境看，復(fù)合加工機床將一直是重點開發(fā)的機床產(chǎn)品之一，功能不斷擴大，會向著“一臺機床成為一個小工廠”的方向邁進。
    在曲軸復(fù)合加工機床中，奧地利WFL公司生產(chǎn)的臥式車銑復(fù)合加工中心具有一定的代表性。WFL公司提出了“一次裝卡，全部完工”的概念。M40G該車銑中心集成了雙主軸車削中心，五軸加工中心，深孔鏜、銑、鉆和三坐標功能于一身，在一臺具有雙主軸的車銑復(fù)合加工中心上可以對曲軸進行完全加工，加工后的曲軸可直接轉(zhuǎn)入精加工工序。目前國內(nèi)也推出了類似的復(fù)合機床，在CIMT2005期間，沈陽數(shù)控機床有限責(zé)任公司展出的CKZ80-5車銑加工中心就是一臺復(fù)合機床，代表了我國同類機床的最高水平。該機床五軸中X、Y、Z、B軸采用直線光柵尺或圓度光柵尺檢測，可實現(xiàn)閉環(huán)控制。該加工中心備有48～96工位刀庫可實現(xiàn)自動換刀，一次裝卡可進行車、銑、鉆、鏜、攻絲等的加工。
    在曲軸精加工方面，也出現(xiàn)了工序集成的CBN數(shù)控磨床，即一次裝夾磨削全部曲軸主軸頸和連桿軸頸，此類磨床一般配雙砂輪頭架。日本TOYADA工機、德國勇克（JUNKER）、德國NAXOS等生產(chǎn)的此類數(shù)控磨床都是比較成熟的設(shè)備。這里簡要介紹一下日本TOYADA工機開發(fā)生產(chǎn)的GF70M-T曲軸磨床的性能：該機床是為了滿足多品種、低成本、高精度、大批量生產(chǎn)需要而設(shè)計的數(shù)控曲軸磨床，應(yīng)用工件回轉(zhuǎn)和砂輪進給伺服聯(lián)動控制技術(shù)，可以一次裝夾而不改變曲軸回轉(zhuǎn)中心即可完成所有軸頸的磨削，包括隨動跟蹤磨削連桿軸頸；采用靜壓主軸、靜壓導(dǎo)軌、靜壓進給絲杠（砂輪頭架）和線性光柵閉環(huán)控制，使用TOYADA工機生產(chǎn)的GC50 CNC控制系統(tǒng)，磨削軸頸圓度精度可達到0.002mm；采用CBN砂輪，磨削線速度高達120m/s，配雙砂輪頭架，磨削效率極高。
曲軸加工中刀具材料多樣化
    切削刀具性能的提高為高效、高速加工發(fā)展提供了可能性，除了高速鋼、硬質(zhì)合金以外，超硬材料的發(fā)展起到了重要的作用。PCD、PCBN為難加工材料的切削、干切削、硬切削等的加工創(chuàng)造了條件。
    為適應(yīng)曲軸加工高速化、高效率、干式切削的需求，目前大量采用涂層刀具。涂層的材料從TiN發(fā)展為A12O3、TiC、ZrO2等，根據(jù)加工的要求，為提高耐高溫的性能，又發(fā)展了TiCN、TiAlN、TiSiN、CrSiN等�，F(xiàn)在PVD(物理氣相沉積)、CVD（化學(xué)氣相沉積）技術(shù)不斷推陳出新，由單層發(fā)展成多層、千層、復(fù)合涂層，現(xiàn)在又發(fā)展成納米涂層；深油孔的加工采用槍鉆加工代替普通加長高速鋼鉆頭，鉆孔和攻絲用硬質(zhì)合金材料來代替過去的高速鋼材料。目前曲軸的精加工也漸漸開始使用CBN砂輪加工，CBN砂輪價格昂貴，但由于加工效率和耐用度高，分攤到每個工件上的刀具費用反而比采用價格低廉的普通砂輪要低。據(jù)德國NAXOS磨床廠的資料顯示，采用CBN砂輪加工時間通�？煽s短50%，而加工費用可節(jié)約50%以上。
結(jié)語
    以上主要從曲軸機械加工方面論述了曲軸加工的進展，由此可得出以下結(jié)論：曲軸多刀車削工藝將逐步退出歷史舞臺，盡管這一時期較長；高速高效加工在曲軸制造業(yè)已有相當(dāng)程度的應(yīng)用；適合于多品種、小批量的復(fù)合加工技術(shù)是今后曲軸加工的一個發(fā)展方向；切削刀具性能的提高為高效、高速、復(fù)合加工發(fā)展提供了技術(shù)保障。