發動機曲軸制造技術進展與未來
2013-5-16 來源： 作者：
曲軸是發動機中承受沖擊載荷、傳遞動力的重要零件，在發動機五大件中最難以保證加工質量。由于曲軸工作條件惡劣，因此對曲軸材質以及毛坯加工技術、精度、表面粗糙度、熱處理和表面強化、動平衡等要求都十分嚴格。如果其中任何一個環節質量沒有得到保證，則可嚴重影響曲軸的使用壽命和整機的可靠性。世界汽車工業發達國家對曲軸的加工十分重視，并不斷改進曲軸加工工藝。隨著WTO的加入，國內曲軸生產廠家已經意識到形勢的緊迫性，引進了為數不少的先進設備和技術，以期提高產品的整體競爭力，使得曲軸的制造技術水平有了大幅提高，特別是近5年來發展更為迅猛。
目前車用發動機曲軸材質有球墨鑄鐵和鋼兩類。由于球墨鑄鐵的切削性能良好，可獲得較理想的結構形狀，并且和鋼質曲軸一樣可以進行各種熱處理和表面強化處理來提高曲軸的抗疲勞強度、硬度和耐磨性。球墨鑄鐵曲軸成本只有調質鋼曲軸成本的1/3左右，所以球墨鑄鐵曲軸在國內外得到了廣泛應用。統計資料表明，車用發動機曲軸采用球墨鑄鐵材質的比例在美國為90%，英國為85%，日本為60%，此外，德國、比利時等國家也已經大批量采用。國內采用球墨鑄鐵曲軸的趨勢則更加明顯，中小型功率柴油機曲軸85%以上采用球墨鑄鐵，功率在160kW以上的發動機曲軸多采用鍛鋼曲軸。
曲軸制造技術/工藝的進展
1.球墨鑄鐵曲軸毛坯鑄造技術
球墨鑄鐵曲軸的生產繼QT800-2、QT900-2等幾種牌號后，廣西玉柴等經過攻關已能穩定生產QT800-6牌號的曲軸，為曲軸“以鐵代鋼”奠定了基礎。
熔煉高溫低硫純凈鐵水的獲得是生產高質量球墨鑄鐵的關鍵。國內主要是以沖天爐為主的生產設備，鐵水未進行預脫硫處理；其次是高純生鐵少、焦炭質量差。目前已采用雙聯外加預脫硫的熔煉方法，采用沖天爐熔化鐵水，經爐外脫硫，然后在感應電爐中升溫并調整成分。目前，在國內鐵水成分的檢測已普遍采用真空直讀光譜儀來進行。
造型氣流沖擊造型工藝明顯優于粘土砂型工藝，可獲得高精度的曲軸鑄件，該工藝制作的砂型具有無反彈變形量等特點，這對于多拐曲軸尤為重要。目前，國內已有一些曲軸生產廠家從德國、意大利、西班牙等國引進氣流沖擊造型工藝，不過，引進整條生產線的只有極少數廠家，如文登天潤曲軸有限公司引進了德國KW鑄造生產線。
2.鋼曲軸毛坯的鍛造技術
近幾年來，國內已引進了一批先進的鍛造設備，但由于數量少，加之模具制造技術和其他一些設施跟不上，使一部分先進設備未發揮應有的作用。從總體上來講，需改造和更新的陳舊的普通鍛造設備多，同時，落后的工藝和設備仍占據主導地位，先進技術有所應用但還不普遍。
3.機械加工技術
目前國內曲軸生產線多數由普通機床和專用機床組成，生產效率和自動化程度相對較低。粗加工設備多采用多刀車床車削曲軸主軸頸及拐頸，工序的質量穩定性差，容易產生較大的內應力，難以達到合理的加工余量。一般精加工采用MQ8260等曲軸磨床粗磨-半精磨-精磨-拋光，通常靠手工操作，加工質量不穩定。
隨著貿易全球化的到來，各廠家已意識到了形勢的嚴峻性，紛紛進行技術改造，全力提升企業的競爭力，近年來引進了許多先進設備和技術，進展速度很快。就目前狀況來講，這些設備和技術基本依賴進口。下面就哈爾濱東安動力、一汽大柴、文登天潤曲軸、濱州海得曲軸等公司的情況作以介紹。
哈爾濱東安集團曲軸生產線為全自動柔性流水生產線，粗加工生產線由德國的專機自動線(LINDENMAIER)、數控車-車拉、數控高速隨動外銑(BOEHRINGER)、圓角滾壓機(HEGENSCHEIDT-MFD)和止推面車滾專機、淬火機(EMA)等組成；精加工生產線由日本的數控高速CBN磨床(TOYODA)、動平衡機、拋光機(IMPCO-NACHI)、檢測機、清洗機等組成。
連桿軸頸加工則采用了數控高速隨動加工技術，全線采用高速CBN砂輪磨削技術，磨削線速度達到120m/s。
文登天潤曲軸通過引進德、美、意等發達國家的先進設備，組建了具有當今國際先進水平的大型曲軸生產基地，由CBN磨床、HAAS立式和臥式加工中心、意大利SAIMP磨床、德國HELLER曲軸內銑床和SA-FINA拋光機等設備組成的機加工生產線已經開始大批量生產。
一汽大柴曲軸生產線粗、精加工工序位于不同的車間，從而保證了精加工車間的清潔。粗加工有曲軸質量定心機、數控內銑床等設備，精加工設備由英國LANDIS、日本TOYADA數控曲軸磨床等進口先進設備組成。
濱州海得曲軸經過技術改造，組建了數控曲軸機加工生產線，粗加工設備由數控車床、數控曲軸銑床等設備組成，精加工設備由數控磨床、數控砂帶拋光機、滾磨光整機等設備組成，近期準備購進日本TOYADA工機數控磨床等關鍵設備，檢驗設備有美國ADCOLE曲軸三坐標測量機、粗糙度儀等組成。值得一提的是，海得曲軸公司在全國專業曲軸生產廠家中率先應用了球墨鑄鐵曲軸圓角滾壓和滾磨光整新技術，取得了良好的經濟效益和社會效益。
可以看出，發動機曲軸制造技術進展最為迅速的是機械加工裝備，比較典型的加工工藝是銑削和磨削。下面簡要介紹GF70M-T曲軸磨床和VDF 315 OM-4高速隨動外銑床，其先進程度可見一斑：
GF70M-T曲軸磨床是日本TOYADA工機開發生產的專用曲軸磨床，是為了滿足多品種、低成本、高精度、大批量生產需要而設計的數控曲軸磨床。該磨床應用工件回轉和砂輪進給伺服聯動控制技術，可以一次裝夾而不改變曲軸回轉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、靜壓導軌、靜壓進給絲杠(砂輪頭架)和線性光柵閉環控制，使用TOYADA工機生產的GC50 CNC控制系統，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。
VDF 315 OM-4高速隨動外銑床是德國BOEHRINGER公司專為汽車發動機曲軸設計制造的柔性數控銑床，該設備應用工件回轉和銑刀進給伺服連動控制技術，可以一次裝夾不改變曲軸回轉中心隨動跟蹤銑削曲軸的連桿軸頸。VDF 315 OM-4高速隨動外銑采用一體化復合材料結構床身，工件兩端電子同步旋轉驅動，具有干式切削、加工精度高、切削效率高等特點；使用SIEMENS 840D CNC控制系統，設備操作說明書在人機界面上，通過輸入零件的基本參數即可自動生成加工程序，可以加工長度450～700mm、回轉直徑在380mm以內的各種曲軸，連桿軸頸直徑誤差為±0.02mm。
4.熱處理和表面強化處理技術
曲軸的熱處理關鍵技術是表面強化處理。球墨鑄鐵曲軸一般均采用正火處理，為表面處理做好組織準備，表面強化處理一般采用感應淬火或氮化工藝。鍛鋼曲軸則采用軸頸與圓角淬火工藝。引進的設備有AEG全自動曲軸淬火機床、EMA淬火機床等。
據國外資料介紹，球墨鑄鐵曲軸采用圓角滾壓工藝與離子氮化結合使用進行復合強化，可使整條曲軸的抗疲勞強度提高130%以上。國內部分廠家近幾年也進行了這方面的實踐，取得了良好的效果。
曲軸圓角滾壓加工方面，德國赫根塞特(HEGENSCHEIDT-MFD AUTOMATIC)生產的機床應用了變壓力滾壓和矯正專利技術，是比較好的圓角滾壓設備，但價格昂貴。目前國內在這方面的研究也有了一定的成果，東風汽車有限公司工藝研究所的“曲軸圓角滾壓強化與滾壓校直技術研究開發及應用”解決了國內企業化巨資引進國外技術的問題，該課題獲得了原國家機械工業局科技進步二等獎。
曲軸制造技術的發展趨勢
1.鑄造技術
熔煉對于高牌號鑄鐵的熔化，將采用大容量中頻爐進行熔煉或變頻中頻爐熔煉，并采用直讀光譜儀檢測鐵水成分。球墨鑄鐵處理采用轉包，研制新品種球化劑，采用隨流孕育、型內孕育及復合孕育等先進孕育方法。熔化過程的各參數實現微機控制和屏幕顯示。
造型消失模鑄造將得到發展和推廣。在砂型鑄造中，無箱射壓造型和擠壓造型將受到重視并繼續在新建廠或改建廠中推廣應用。原有的高壓造型線將繼續使用，其中部分關鍵元件將得到改進，實現自動組芯和下芯。
2.鍛造技術
以熱模鍛壓力機、電液錘為主機的自動線是鍛造曲軸生產的發展方向，這些生產線將普遍采用精密剪切下料、輥鍛(楔橫軋)制坯、中頻感應加熱、精整液壓機精壓等先進工藝，同時配有機械手、輸送帶、帶回轉臺的換模裝置等輔機，形成柔性制造系統(FMS)。通過FMS可自動更換工件和模具以及自動進行參數調節，在工作過程中不斷測量。顯示和記錄鍛件厚度和最大壓力等數據并與定值比較，選擇最佳變形量以獲得優質產品。由中央控制室監控整個系統，實現無人化操作。
3.機械加工技術
曲軸粗加工將廣泛采用數控車床、數控內銑床、數控車拉床等先進設備對主軸頸、連桿軸頸進行數控車削、內銑削、車-拉削加工，以有效減少曲軸加工的變形量。曲軸精加工將廣泛采用CNC控制的曲軸磨床對其軸頸進行精磨加工。此種磨床將配備砂輪自動動平衡裝置、中心架自動跟蹤裝置、自動測量、自動補償裝置、砂輪自動修整、恒線速度等功能要求，以保證磨削質量的穩定。高精設備依賴進口的現狀，估計短期內不會改變。
4.熱處理技術和表面強化技術
曲軸中頻感應淬火曲軸中頻感應淬火將采用微機監控閉環中頻感應加熱裝置，具有效率高、質量穩定、運行可控等特點。
曲軸軟氮化對于大批量生產的曲軸來說，為了提高產品質量，今后將采用微機控制的氮基氣氛氣體軟氮化生產線。氮基氣氛氣體軟氮化生產線由前清洗機(清洗干燥)、預熱爐、軟氮化爐、冷卻油槽、后清洗機(清洗干燥)、控制系統及制氣配氣等系統組成。
曲軸表面強化技術球墨鑄鐵曲軸圓角滾壓強化將廣泛應用于曲軸加工中，另外，圓角滾壓強化加軸頸表面淬火等復合強化工藝也將大量應用于曲軸加工中，鍛鋼曲軸強化方式將會更多地采用軸頸加圓角淬火處理。
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