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發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸制造技術(shù)進(jìn)展與未來(lái)

時(shí)間:2011-05-27 08:31:25 來(lái)源:未知
 
曲軸是發(fā)動(dòng)機(jī)中承受沖擊載荷、傳遞動(dòng)力的重要零件，在發(fā)動(dòng)機(jī)五大件中最難以保證加工質(zhì)量。由于曲軸工作條件惡劣，因此對(duì)曲軸材質(zhì)以及毛坯加工技術(shù)、精度、表面粗糙度、熱處理和表面強(qiáng)化、動(dòng)平衡等要求都十分嚴(yán)格。如果其中任何一個(gè)環(huán)節(jié)質(zhì)量沒(méi)有得到保證，則可嚴(yán)重影響曲軸的使用壽命和整機(jī)的可靠性。世界汽車(chē)工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家對(duì)曲軸的加工十分重視，并不斷改進(jìn)曲軸加工工藝。隨著WTO的加入，國(guó)內(nèi)曲軸生產(chǎn)廠家已經(jīng)意識(shí)到形勢(shì)的緊迫性，引進(jìn)了為數(shù)不少的先進(jìn)設(shè)備和技術(shù)，以期提高產(chǎn)品的整體競(jìng)爭(zhēng)力，使得曲軸的制造技術(shù)水平有了大幅提高，特別是近5年來(lái)發(fā)展更為迅猛。
目前車(chē)用發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸材質(zhì)有球墨鑄鐵和鋼兩類(lèi)。由于球墨鑄鐵的切削性能良好，可獲得較理想的結(jié)構(gòu)形狀，并且和鋼質(zhì)曲軸一樣可以進(jìn)行各種熱處理和表面強(qiáng)化處理來(lái)提高曲軸的抗疲勞強(qiáng)度、硬度和耐磨性。球墨鑄鐵曲軸成本只有調(diào)質(zhì)鋼曲軸成本的1/3左右，所以球墨鑄鐵曲軸在國(guó)內(nèi)外得到了廣泛應(yīng)用。統(tǒng)計(jì)資料表明，車(chē)用發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸采用球墨鑄鐵材質(zhì)的比例在美國(guó)為90%，英國(guó)為85%，日本為60%，此外，德國(guó)、比利時(shí)等國(guó)家也已經(jīng)大批量采用。國(guó)內(nèi)采用球墨鑄鐵曲軸的趨勢(shì)則更加明顯，中小型功率柴油機(jī)曲軸85%以上采用球墨鑄鐵，功率在160kW以上的發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸多采用鍛鋼曲軸。

曲軸制造技術(shù)/工藝的進(jìn)展

  1. 球墨鑄鐵曲軸毛坯鑄造技術(shù)
    球墨鑄鐵曲軸的生產(chǎn)繼QT800-2、QT900-2等幾種牌號(hào)后，廣西玉柴等經(jīng)過(guò)攻關(guān)已能穩(wěn)定生產(chǎn)QT800-6牌號(hào)的曲軸，為曲軸“以鐵代鋼”奠定了基礎(chǔ)。
    • 熔煉
      高溫低硫純凈鐵水的獲得是生產(chǎn)高質(zhì)量球墨鑄鐵的關(guān)鍵。國(guó)內(nèi)主要是以沖天爐為主的生產(chǎn)設(shè)備，鐵水未進(jìn)行預(yù)脫硫處理；其次是高純生鐵少、焦炭質(zhì)量差。目前已采用雙聯(lián)外加預(yù)脫硫的熔煉方法，采用沖天爐熔化鐵水，經(jīng)爐外脫硫，然后在感應(yīng)電爐中升溫并調(diào)整成分。目前，在國(guó)內(nèi)鐵水成分的檢測(cè)已普遍采用真空直讀光譜儀來(lái)進(jìn)行。
    • 造型
      氣流沖擊造型工藝明顯優(yōu)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(wú)反彈變形量等特點(diǎn)，這對(duì)于多拐曲軸尤為重要。目前，國(guó)內(nèi)已有一些曲軸生產(chǎn)廠家從德國(guó)、意大利、西班牙等國(guó)引進(jìn)氣流沖擊造型工藝，不過(guò)，引進(jìn)整條生產(chǎn)線的只有極少數(shù)廠家，如文登天潤(rùn)曲軸有限公司引進(jìn)了德國(guó)KW鑄造生產(chǎn)線。
  2. 鋼曲軸毛坯的鍛造技術(shù)
    近幾年來(lái)，國(guó)內(nèi)已引進(jìn)了一批先進(jìn)的鍛造設(shè)備，但由于數(shù)量少，加之模具制造技術(shù)和其他一些設(shè)施跟不上，使一部分先進(jìn)設(shè)備未發(fā)揮應(yīng)有的作用。從總體上來(lái)講，需改造和更新的陳舊的普通鍛造設(shè)備多，同時(shí)，落后的工藝和設(shè)備仍占據(jù)主導(dǎo)地位，先進(jìn)技術(shù)有所應(yīng)用但還不普遍。
  3. 機(jī)械加工技術(shù)
    目前國(guó)內(nèi)曲軸生產(chǎn)線多數(shù)由普通機(jī)床和專(zhuān)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)備多采用多刀車(chē)床車(chē)削曲軸主軸頸及拐頸，工序的質(zhì)量穩(wěn)定性差，容易產(chǎn)生較大的內(nèi)應(yīng)力，難以達(dá)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(zhì)量不穩(wěn)定。
    隨著貿(mào)易全球化的到來(lái)，各廠家已意識(shí)到了形勢(shì)的嚴(yán)峻性，紛紛進(jìn)行技術(shù)改造，全力提升企業(yè)的競(jìng)爭(zhēng)力，近年來(lái)引進(jìn)了許多先進(jìn)設(shè)備和技術(shù)，進(jìn)展速度很快。就目前狀況來(lái)講，這些設(shè)備和技術(shù)基本依賴(lài)進(jìn)口。下面就哈爾濱東安動(dòng)力、一汽大柴、文登天潤(rùn)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(tuán)曲軸生產(chǎn)線為全自動(dòng)柔性流水生產(chǎn)線，粗加工生產(chǎn)線由德國(guó)的專(zhuān)機(jī)自動(dòng)線(LINDENMAIER)、數(shù)控車(chē)-車(chē)?yán)?、?shù)控高速隨動(dòng)外銑(BOEHRINGER)、圓角滾壓機(jī)(HEGENSCHEIDT-MFD)和止推面車(chē)滾專(zhuān)機(jī)、淬火機(jī)(EMA)等組成；精加工生產(chǎn)線由日本的數(shù)控高速CBN磨床(TOYODA)、動(dòng)平衡機(jī)、拋光機(jī)(IMPCO-NACHI)、檢測(cè)機(jī)、清洗機(jī)等組成。#p#分頁(yè)標(biāo)題#e#
連桿軸頸加工則采用了數(shù)控高速隨動(dòng)加工技術(shù)，全線采用高速CBN砂輪磨削技術(shù)，磨削線速度達(dá)到120m/s。
文登天潤(rùn)曲軸通過(guò)引進(jìn)德、美、意等發(fā)達(dá)國(guó)家的先進(jìn)設(shè)備，組建了具有當(dāng)今國(guó)際先進(jìn)水平的大型曲軸生產(chǎn)基地，由CBN磨床、HAAS立式和臥式加工中心、意大利SAIMP磨床、德國(guó)HELLER曲軸內(nèi)銑床和SA-FINA拋光機(jī)等設(shè)備組成的機(jī)加工生產(chǎn)線已經(jīng)開(kāi)始大批量生產(chǎn)。
一汽大柴曲軸生產(chǎn)線粗、精加工工序位于不同的車(chē)間，從而保證了精加工車(chē)間的清潔。粗加工有曲軸質(zhì)量定心機(jī)、數(shù)控內(nèi)銑床等設(shè)備，精加工設(shè)備由英國(guó)LANDIS、日本TOYADA數(shù)控曲軸磨床等進(jìn)口先進(jìn)設(shè)備組成。
濱州海得曲軸經(jīng)過(guò)技術(shù)改造，組建了數(shù)控曲軸機(jī)加工生產(chǎn)線，粗加工設(shè)備由數(shù)控車(chē)床、數(shù)控曲軸銑床等設(shè)備組成，精加工設(shè)備由數(shù)控磨床、數(shù)控砂帶拋光機(jī)、滾磨光整機(jī)等設(shè)備組成，近期準(zhǔn)備購(gòu)進(jìn)日本TOYADA工機(jī)數(shù)控磨床等關(guān)鍵設(shè)備，檢驗(yàn)設(shè)備有美國(guó)ADCOLE曲軸三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)、粗糙度儀等組成。值得一提的是，海得曲軸公司在全國(guó)專(zhuān)業(yè)曲軸生產(chǎn)廠家中率先應(yīng)用了球墨鑄鐵曲軸圓角滾壓和滾磨光整新技術(shù)，取得了良好的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。
可以看出，發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸制造技術(shù)進(jìn)展最為迅速的是機(jī)械加工裝備，比較典型的加工工藝是銑削和磨削。下面簡(jiǎn)要介紹GF70M-T曲軸磨床和VDF 315 OM-4高速隨動(dòng)外銑床，其先進(jìn)程度可見(jiàn)一斑：
GF70M-T曲軸磨床是日本TOYADA工機(jī)開(kāi)發(fā)生產(chǎn)的專(zhuān)用曲軸磨床，是為了滿(mǎn)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。該磨床應(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GC50 CNC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。
VDF 315 OM-4高速隨動(dòng)外銑床是德國(guó)BOEHRINGER公司專(zhuān)為汽車(chē)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)中心隨動(dòng)跟蹤銑削曲軸的連桿軸頸。VDF 315 OM-4高速隨動(dòng)外銑采用一體化復(fù)合材料結(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)；使用SIEMENS 840D CNC控制系統(tǒng)，設(shè)備操作說(shuō)明書(shū)在人機(jī)界面上，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450～700mm、回轉(zhuǎn)直徑在380mm以?xún)?nèi)的各種曲軸，連桿軸頸直徑誤差為±0.02mm。
  • 熱處理和表面強(qiáng)化處理技術(shù)
    • 曲軸的熱處理關(guān)鍵技術(shù)是表面強(qiáng)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(zhǔn)備，表面強(qiáng)化處理一般采用感應(yīng)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(jìn)的設(shè)備有AEG全自動(dòng)曲軸淬火機(jī)床、EMA淬火機(jī)床等。
    據(jù)國(guó)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(jié)合使用進(jìn)行復(fù)合強(qiáng)化，可使整條曲軸的抗疲勞強(qiáng)度提高130%以上。國(guó)內(nèi)部分廠家近幾年也進(jìn)行了這方面的實(shí)踐，取得了良好的效果。
    曲軸圓角滾壓加工方面，德國(guó)赫根塞特(HEGENSCHEIDT-MFD AUTOMATIC)生產(chǎn)的機(jī)床應(yīng)用了變壓力滾壓和矯正專(zhuān)利技術(shù)，是比較好的圓角滾壓設(shè)備，但價(jià)格昂貴。目前國(guó)內(nèi)在這方面的研究也有了一定的成果，東風(fēng)汽車(chē)有限公司工藝研究所的“曲軸圓角滾壓強(qiáng)化與滾壓校直技術(shù)研究開(kāi)發(fā)及應(yīng)用”解決了國(guó)內(nèi)企業(yè)化巨資引進(jìn)國(guó)外技術(shù)的問(wèn)題，該課題獲得了原國(guó)家機(jī)械工業(yè)局科技進(jìn)步二等獎(jiǎng)。

     曲軸制造技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)

    1. 鑄造技術(shù)
      • 熔煉
        對(duì)于高牌號(hào)鑄鐵的熔化，將采用大容量中頻爐進(jìn)行熔煉或變頻中頻爐熔煉，并采用直讀光譜儀檢測(cè)鐵水成分。球墨鑄鐵處理采用轉(zhuǎn)包，研制新品種球化劑，采用隨流孕育、型內(nèi)孕育及復(fù)合孕育等先進(jìn)孕育方法。熔化過(guò)程的各參數(shù)實(shí)現(xiàn)微機(jī)控制和屏幕顯示。 #p#分頁(yè)標(biāo)題#e#
      • 造型
        消失模鑄造將得到發(fā)展和推廣。在砂型鑄造中，無(wú)箱射壓造型和擠壓造型將受到重視并繼續(xù)在新建廠或改建廠中推廣應(yīng)用。原有的高壓造型線將繼續(xù)使用，其中部分關(guān)鍵元件將得到改進(jìn)，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)組芯和下芯。
    2. 鍛造技術(shù)
      以熱模鍛壓力機(jī)、電液錘為主機(jī)的自動(dòng)線是鍛造曲軸生產(chǎn)的發(fā)展方向，這些生產(chǎn)線將普遍采用精密剪切下料、輥鍛(楔橫軋)制坯、中頻感應(yīng)加熱、精整液壓機(jī)精壓等先進(jìn)工藝，同時(shí)配有機(jī)械手、輸送帶、帶回轉(zhuǎn)臺(tái)的換模裝置等輔機(jī)，形成柔性制造系統(tǒng)(FMS)。通過(guò)FMS可自動(dòng)更換工件和模具以及自動(dòng)進(jìn)行參數(shù)調(diào)節(jié)，在工作過(guò)程中不斷測(cè)量。顯示和記錄鍛件厚度和最大壓力等數(shù)據(jù)并與定值比較，選擇最佳變形量以獲得優(yōu)質(zhì)產(chǎn)品。由中央控制室監(jiān)控整個(gè)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)無(wú)人化操作。
    3. 機(jī)械加工技術(shù)
      曲軸粗加工將廣泛采用數(shù)控車(chē)床、數(shù)控內(nèi)銑床、數(shù)控車(chē)?yán)驳认冗M(jìn)設(shè)備對(duì)主軸頸、連桿軸頸進(jìn)行數(shù)控車(chē)削、內(nèi)銑削、車(chē)-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(duì)其軸頸進(jìn)行精磨加工。此種磨床將配備砂輪自動(dòng)動(dòng)平衡裝置、中心架自動(dòng)跟蹤裝置、自動(dòng)測(cè)量、自動(dòng)補(bǔ)償裝置、砂輪自動(dòng)修整、恒線速度等功能要求，以保證磨削質(zhì)量的穩(wěn)定。高精設(shè)備依賴(lài)進(jìn)口的現(xiàn)狀，估計(jì)短期內(nèi)不會(huì)改變。
    4. 熱處理技術(shù)和表面強(qiáng)化技術(shù)
      • 曲軸中頻感應(yīng)淬火
        曲軸中頻感應(yīng)淬火將采用微機(jī)監(jiān)控閉環(huán)中頻感應(yīng)加熱裝置，具有效率高、質(zhì)量穩(wěn)定、運(yùn)行可控等特點(diǎn)。
      • 曲軸軟氮化
        對(duì)于大批量生產(chǎn)的曲軸來(lái)說(shuō)，為了提高產(chǎn)品質(zhì)量，今后將采用微機(jī)控制的氮基氣氛氣體軟氮化生產(chǎn)線。氮基氣氛氣體軟氮化生產(chǎn)線由前清洗機(jī)(清洗干燥)、預(yù)熱爐、軟氮化爐、冷卻油槽、后清洗機(jī)(清洗干燥)、控制系統(tǒng)及制氣配氣等系統(tǒng)組成。
      • 曲軸表面強(qiáng)化技術(shù)
        球墨鑄鐵曲軸圓角滾壓強(qiáng)化將廣泛應(yīng)用于曲軸加工中，另外，圓角滾壓強(qiáng)化加軸頸表面淬火等復(fù)合強(qiáng)化工藝也將大量應(yīng)用于曲軸加工中，鍛鋼曲軸強(qiáng)化方式將會(huì)更多地采用軸頸加圓角淬火處理。