發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸：復(fù)合加工取代老工藝

    進(jìn)入21世紀(jì)以后，發(fā)動(dòng)機(jī)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(gè)多世紀(jì)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(tái)。高速、高效的復(fù)合加工技術(shù)及裝備迅速進(jìn)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(shì)。
曲軸加工技術(shù)設(shè)備現(xiàn)狀
    目前，國(guó)內(nèi)較陳舊的曲軸生產(chǎn)線多數(shù)由普通機(jī)床和專用機(jī)床組成，生產(chǎn)效率和自動(dòng)化程度相對(duì)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(dá)到合理的加工余量。精加工普遍采用MQ8260等普通曲軸磨床進(jìn)行粗磨、半精磨、精磨、拋光，通常靠人工操作，加工質(zhì)量不穩(wěn)，尺寸一致性差。
    老式生產(chǎn)線一個(gè)主要的特點(diǎn)就是普通設(shè)備太多，按加工球墨鑄鐵曲軸來(lái)計(jì)算，一條生產(chǎn)線有35～40臺(tái)設(shè)備。筆者曾考查過(guò)國(guó)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(guò)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(dá)60多臺(tái)，導(dǎo)致產(chǎn)品周轉(zhuǎn)線長(zhǎng)、場(chǎng)地占用面積大，其生產(chǎn)效率完全是靠多臺(tái)設(shè)備分解工序和余量來(lái)提高的。
而當(dāng)今的汽車發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸制造業(yè)面臨的卻是以下幾個(gè)問(wèn)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(hù)環(huán)境，要求少用或不用切削液，即實(shí)現(xiàn)干式切削或準(zhǔn)干式切削；
    正是基于以上情況，進(jìn)入21世紀(jì)以來(lái)，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(dòng)機(jī)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(dòng)機(jī)曲軸生產(chǎn)線看到，全線設(shè)備（包括熱處理、表面強(qiáng)化）只有13臺(tái)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(jì)80年代后期，德國(guó)BOEHRINGER公司和HELLER公司開(kāi)發(fā)出了完善的曲軸車－車?yán)瓩C(jī)床，該加工工藝是將曲軸車削工藝與曲軸車?yán)�工藝完美結(jié)合，生產(chǎn)效率高、加工精度好、柔性強(qiáng)、自動(dòng)化程度高、換刀時(shí)間短，特別適合有沉割槽曲軸的加工，加工后曲軸可直接進(jìn)行精磨，省去粗磨工序。因此，曲軸車－車?yán)�加工工藝是目前�?guó)際上曲軸粗加工中流行的加工工藝之一。
    20世紀(jì)90年代中期出現(xiàn)的新型CNC高速曲軸外銑機(jī)床使曲軸粗加工工藝又上了一個(gè)新臺(tái)階。CNC曲軸內(nèi)銑與CNC高速曲軸外銑對(duì)比，內(nèi)銑存在以下缺點(diǎn)：不容易對(duì)刀、切削速度較低（通常不大于160m/min）、非切削時(shí)間較長(zhǎng)、機(jī)床投資較多、工序循環(huán)時(shí)間較長(zhǎng)。而CNC高速曲軸外銑具有以下優(yōu)點(diǎn)：切削速度高（可高達(dá)350m/min）、切削時(shí)間較短、工序循環(huán)時(shí)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(dòng)車有限公司菲亞特轎車曲軸生產(chǎn)線見(jiàn)到德國(guó)BOEHRINGER公司兩臺(tái)設(shè)備，其中1臺(tái)為數(shù)孔曲軸車－車?yán)瓩C(jī)床，另外1臺(tái)為CNC高速曲軸外銑，親身體驗(yàn)了一次“削鐵如泥”的感覺(jué)。據(jù)專家介紹，曲軸車－車?yán)瓩C(jī)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(guó)BOEHRINGER公司的VDF315OM-4高速隨動(dòng)外銑床，它是德國(guó)BOEHRINGER公司專為汽車發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸設(shè)計(jì)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(jìn)給伺服連動(dòng)控制技術(shù)，可以一次裝夾不改變曲軸回轉(zhuǎn)中心，并隨動(dòng)跟蹤銑削曲軸的連桿軸頸。VDF315OM-4高速隨動(dòng)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(dòng)，具有干式切削、加工精度高、切削效率高等特點(diǎn)；該銑床使用SIEMENS840DCNC控制系統(tǒng)，通過(guò)輸入零件的基本參數(shù)即可自動(dòng)生成加工程序，可以加工長(zhǎng)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?yán)�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(dòng)外銑，全部采用干式切削。由于國(guó)外此類設(shè)備價(jià)格昂貴，產(chǎn)品加工成本很高，國(guó)內(nèi)一些機(jī)床生產(chǎn)廠家（如青海第二機(jī)床制造有限責(zé)任公司）相繼開(kāi)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?yán)瓩C(jī)床等專用機(jī)床。
    曲軸精加工采用國(guó)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(duì)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(dòng)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(lái)，更要求曲軸磨床具有穩(wěn)定的加工精度，為此，對(duì)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(shí)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(dòng)和控制技術(shù)、測(cè)量控制、CBN（立方氮化硼）砂輪和先進(jìn)的機(jī)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(dòng)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(dòng)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(duì)連桿頸進(jìn)行隨動(dòng)磨削時(shí)，曲軸以主軸頸為軸線進(jìn)行旋轉(zhuǎn)，并在一次裝夾下磨削所有連桿頸。在磨削過(guò)程中，磨頭實(shí)現(xiàn)往復(fù)擺動(dòng)進(jìn)給，跟蹤著偏心回轉(zhuǎn)的連桿頸進(jìn)行磨削加工。要實(shí)現(xiàn)隨動(dòng)磨削，X軸除了必須具有高的動(dòng)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(shí)現(xiàn)連桿頸隨動(dòng)磨削的重要條件。由于CBN砂輪耐磨性高，在磨削過(guò)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(dá)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(jī)床
    提到復(fù)合加工技術(shù)，就不得不提到復(fù)合加工機(jī)床，復(fù)合加工機(jī)床的定義也是隨時(shí)代變化的。過(guò)去將加工中心稱為復(fù)合加工機(jī)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(jī)床了。復(fù)合機(jī)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(jī)床將一直是重點(diǎn)開(kāi)發(fā)的機(jī)床產(chǎn)品之一，功能不斷擴(kuò)大，會(huì)向著“一臺(tái)機(jī)床成為一個(gè)小工廠”的方向邁進(jìn)。
    在曲軸復(fù)合加工機(jī)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(biāo)功能于一身，在一臺(tái)具有雙主軸的車銑復(fù)合加工中心上可以對(duì)曲軸進(jìn)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(guó)內(nèi)也推出了類似的復(fù)合機(jī)床，在CIMT2005期間，沈陽(yáng)數(shù)控機(jī)床有限責(zé)任公司展出的CKZ80-5車銑加工中心就是一臺(tái)復(fù)合機(jī)床，代表了我國(guó)同類機(jī)床的最高水平。該機(jī)床五軸中X、Y、Z、B軸采用直線光柵尺或圓度光柵尺檢測(cè)，可實(shí)現(xiàn)閉環(huán)控制。該加工中心備有48～96工位刀庫(kù)可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)換刀，一次裝卡可進(jìn)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(jī)、德國(guó)勇克（JUNKER）、德國(guó)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(jiǎn)要介紹一下日本TOYADA工機(jī)開(kāi)發(fā)生產(chǎn)的GF70M-T曲軸磨床的性能：該機(jī)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(jì)的數(shù)控曲軸磨床，應(yīng)用工件回轉(zhuǎn)和砂輪進(jìn)給伺服聯(lián)動(dòng)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(dòng)跟蹤磨削連桿軸頸；采用靜壓主軸、靜壓導(dǎo)軌、靜壓進(jìn)給絲杠（砂輪頭架）和線性光柵閉環(huán)控制，使用TOYADA工機(jī)生產(chǎn)的GC50CNC控制系統(tǒng)，磨削軸頸圓度精度可達(dá)到0.002mm；采用CBN砂輪，磨削線速度高達(dá)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。現(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(zhǎng)高速鋼鉆頭，鉆孔和攻絲用硬質(zhì)合金材料來(lái)代替過(guò)去的高速鋼材料。目前曲軸的精加工也漸漸開(kāi)始使用CBN砂輪加工，CBN砂輪價(jià)格昂貴，但由于加工效率和耐用度高，分?jǐn)偟矫總�(gè)工件上的刀具費(fèi)用反而比采用價(jià)格低廉的普通砂輪要低。據(jù)德國(guó)NAXOS磨床廠的資料顯示，采用CBN砂輪加工時(shí)間通�？煽s短50%，而加工費(fèi)用可節(jié)約50%以上。
結(jié)語(yǔ)
    以上主要從曲軸機(jī)械加工方面論述了曲軸加工的進(jìn)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(tái)，盡管這一時(shí)期較長(zhǎng)；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(gè)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。