1、可替代進口的先進曲軸加工設備 一、概述一、概述汽車制造裝備在汽車產業(yè)的自主創(chuàng)新中有舉足輕重的作用，從汽車整車和關鍵零部件總成生產線裝備中，瞄準汽車裝備巿場中長期需求、鎖定那些急需盡快縮小的重要差距，以及世界汽車制造技術與裝備發(fā)展的前沿技術進行研究是目前裝備制造行業(yè)的緊迫任務。在激烈的市場競爭環(huán)境中，縮短和保證交貨期十分重要。一個產品的加工過程鏈越長，生產周期就越難以控制。隨著數(shù)控機床性能的提高，機動時間越來越短，影響交貨期的瓶頸往往在于機床輔助時間和工件在工序之間的滯留，減少工作地的數(shù)目也就意味著縮短生產周期。 近年來，我國的內燃（發(fā)動）機生產行業(yè)的不斷發(fā)展，通過與國外著名廠家的合作，引進、消

2、化、吸收國外的先進技術，行業(yè)的整體水平有了長足的進步。曲軸是內燃機中的關鍵零件之一，重量約占內燃機的10%，成本占整機的10%12%，其材質大體分為鋼鍛曲軸和球墨鑄鐵曲軸兩類。由于技術要求高、加工工序長，是內燃機中最難加工的工件之一，對加工設備的要求十分高。雖然國內汽車行業(yè)花費大量資金從國外引進了先進的制造設備，但部分技術被國外廠家封鎖，致使很多設備只應用于少數(shù)型號的曲軸加工。多數(shù)企業(yè)無力支付高昂的進口設備和轉讓技術費用。目前汽車發(fā)動機曲軸制造業(yè)主要面臨：1、敏捷制造的要求：曲軸品種多、批量小，要求生產交貨期短；2.、綠色制造的要求：為保護環(huán)境，要求實現(xiàn)干式切削或準干式切削；3、生產成本的要求

3、；為降低生產成本，要求減少專用夾具、刀具，降低廢品率；4、加工難度大的要求：難切削材料的出現(xiàn)使加工難度明顯增加，要求能夠適應如硬切削等要求；5、制造精度的要求：發(fā)動機整機排放要求的提高，直接要求關鍵零件的制造精度的提高。如何有效的采用先進的曲軸制造技術，提高生產系統(tǒng)的柔性化、高效化和精益化是裝備制造企業(yè)與汽車制造企業(yè)的共同任務。在這種要求下，為適應這一形勢的需要，我公司通過與國內高校、研究所進行“產學研”合作，在曲軸、凸輪軸等關鍵零件制造設備和制造技術方面取得了一定的突破，為今后曲軸、凸輪軸等精密制造設備的開發(fā)打下了良好的基礎。 二、曲軸加工工藝二、曲軸加工工藝曲軸是內燃（發(fā)動）機的重要零件之

4、一，曲軸加工工藝方法在幾十年發(fā)生了根本性變化，近幾年，數(shù)控機床的大量應用，使加工效率和加工質量迅速提高。對于軸頸的加工工藝的變化直接反映了曲軸加工技術的發(fā)展方向復合化加工。在粗加工的發(fā)展過程中，數(shù)控車-車拉機床，數(shù)控高速外銑為了進一步提高加工效率，相繼出現(xiàn)了雙刀盤的機床，兩個刀盤可以同時采用不同的工藝參數(shù)加工曲軸的不同部位。目前精加工方面，工序集成的cbn數(shù)控擺動（隨動）跟蹤磨床，一次裝夾磨削全部曲軸主軸頸和連桿軸頸。止推面加工則是通過“精車滾壓”的方式替代傳統(tǒng)的磨削加工方式。曲軸圓角滾壓強化工藝，是目前提高曲軸疲勞強度的最有效的工藝方法，曲軸圓角滾壓校直是20世紀70至80年代國外研究出的新

5、技術，目前在曲軸制造行業(yè)運用越來越廣泛。 早期的曲軸圓角滾壓和校直是分別在兩臺不同的機床上完成的。曲軸的滾壓和校直一般是由一個主軸頸滾壓鉗和一個連桿頸滾壓鉗完成。現(xiàn)在通過采取工序集成的技術，發(fā)展出四鉗（兩個主軸頸鉗，兩個連桿頸鉗），九鉗（用于四缸曲軸，五個主軸頸鉗，四個連桿頸鉗），滾壓校直則采用滾壓后再進行一次校直加工，或直接在滾壓過程中實現(xiàn)校直功能。 三三、數(shù)控高速曲軸外銑數(shù)控高速曲軸外銑曲軸高速外銑機床可以加工：帶沉割槽和不帶沉割槽的主軸頸，帶沉割槽和不帶沉割槽的不同沖程和分度的連桿頸，平衡塊兩側面，平衡塊外圓及部分非圓外輪廓。數(shù)控高速外銑將成為曲軸主軸頸和連桿軸頸粗加工及曲軸外輪廓加工的

6、主要工藝。（一）數(shù)控高速曲軸外銑主要的技術特點（一）數(shù)控高速曲軸外銑主要的技術特點 1、工序的復合化：、工序的復合化：為縮短加工時間，減少零件裝夾和工序間運輸?shù)臅r間，曲軸的復合加工技術日趨成熟。所謂復合加工，是指當工件在機床上一次裝夾后，能進行同一類工藝方法的多工序加工或者不同類工藝方法的多工序加工，從而能在一臺機床上順序地完成工件的全部或大部分加工工序。把許多加工工序集中到一臺機床上完成，不僅消除了分散加工時工件在各工序流通過程中的運輸和等待時間等加工輔助時間。又符合在統(tǒng)一基準的多工序加工，從而提高了工件的加工精度。2 2、高速數(shù)控系統(tǒng)控制：、高速數(shù)控系統(tǒng)控制：速度和精度是數(shù)控機床的兩個重要

7、指標，它直接關系到加工效率和產品質量。高速、高精度數(shù)控機床是多品種、變批量加工環(huán)境下保持高效與柔性統(tǒng)一的必要工具。為了能夠優(yōu)化金屬切削的加工過程，現(xiàn)代化的加工將越來越多地采用高性能切削。高性能切削技術不僅要求提高切削速度(即提高主軸轉速)，而且要求提高刀具的進給速度。提高刀具的切削硬度，提高機床主軸的旋轉速度，尤其是提高機床主軸在高速下的切削功率和旋轉扭矩，可以使金屬切削加工更快、更好、更經(jīng)濟。3 3、高速切削：、高速切削：高速切削可以提高機床生產率，縮短產品的制造周期。在精加工工序中，通過采用輕切削以及穩(wěn)定的加減速控制，確保機床高速平穩(wěn)運轉，從而提高工件的表面質量。同時高速切削可以延長刀具壽

8、命。在粗加工工序中，采用大、大切深切削，提高機床的切削效率 。雖然主軸轉速非常高，但刀具每齒分擔的進給量反而小，這樣切削力就小，磨損也少。另外切屑快速飛出不粘刀，因而刀具表面溫度低，硬度也就基本不變，加之主軸具有良好的剛性和運轉穩(wěn)定性，從而有利于延長刀具壽命4 4、數(shù)控編程自動技術、數(shù)控編程自動技術在曲軸多刀盤的高速切削中，將工件旋轉（c軸）作為數(shù)控編程的基準，通過旋轉量推算出刀具回轉中心的位置，通過相對量的方式控制刀盤的移動。在曲軸連桿頸跟蹤切削時，刀具的切削點是在變化的，瞬時切削速度、切削力以及排屑狀態(tài)也是在變化的，因此，針對跟蹤切削，數(shù)控nc加工程序則需考慮這些因素。通過手工是根本不可能

9、完成的。在切削中，由于切削力不斷變化，會引起軸頸的橢圓度增大，根據(jù)不同軸頸的受力特點，確定出橢圓度系數(shù)，自動補償?shù)郊庸こ绦蛑小? 5、跟蹤切削技術：、跟蹤切削技術：跟蹤切削工藝是與常規(guī)切削工藝不同的，曲軸始終是以主軸頸的軸心線進行定心裝夾。當切削曲軸連桿頸時，刀具跟蹤連桿頸的表面作往復擺動。跟蹤切削就是采用刀具運動輪廓于與加工工件輪廓重合的技術。對于凸輪軸或其它非同心圓的光滑表面，均可采用跟蹤切削技術。跟蹤切削的關鍵是將工件的輪廓點影射為刀具中心的位置點。一般是以工件回轉角度在數(shù)控加工中的c軸-作為計算基準，通過數(shù)學跟蹤模型和工件的輪廓模型推算相應刀具中心的數(shù)學模型。跟蹤切削目前常見的是兩軸（

10、c軸-x軸）聯(lián)動、三軸（c軸-x軸-y軸）聯(lián)動方式。我公司到目前為止已經(jīng)設計制造了多個型號的曲軸數(shù)控高速銑床，最典型的是：qh2-062a（單刀盤）qh2-060a（雙刀盤）qh2-059（單刀盤）qh2-063（雙刀盤）（二）我公司生產的數(shù)控曲軸（凸輪軸）銑床（二）我公司生產的數(shù)控曲軸（凸輪軸）銑床1 、 qh2-060a與qh2-062a高速數(shù)控曲軸銑床機床規(guī)格： 3001600（最大回轉直徑最大工件長度）機床特點：機床是采用硬質合金成形銑刀盤高速外銑加工曲軸主軸頸、連桿頸及沉割槽的專用機床，工件由左右兩個車頭同步驅動，專用液壓卡盤自動夾緊，液壓中心架支撐，可加工曲軸的主軸頸、連桿頸、軸肩

11、、平衡塊側面、平衡塊外圓、軸頸圓角、軸肩圓角等。專用液壓卡盤夾持曲軸的主軸頸，工件以主軸頸軸線為回轉中心，銑刀盤沿曲軸連桿頸偏心回轉軌跡隨動，工件回轉360即可完成一個連桿軸頸、軸肩及其平衡塊側面的加工，不需調整偏心，不需分度，就能適應不同規(guī)格曲軸的加工。2 2、qh2-059qh2-059高速數(shù)控曲軸銑床高速數(shù)控曲軸銑床機床規(guī)格： 200600（最大回轉直徑最大工件長度）機床特點：機床采用三軸三聯(lián)動數(shù)控系統(tǒng)，分別控制工件主軸的旋轉，銑刀的橫向進給和縱向進給來完成曲軸的加工。一次裝夾可全部自動完成曲軸連桿頸、主軸頸的加工（如連桿頸與主軸頸檔寬不同，則需要換刀）。輸入不同的程序參數(shù)即可加工不同規(guī)

12、格的曲軸，傳動鏈簡單可靠，使用調整方便，可實現(xiàn)除裝卸工件外加工過程的全自動控制，適合于大批量曲軸生產。國外高速隨動外銑床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。銑床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。（三）與國外同類機床比較（三）與國外同類機床比較我公司生產的曲軸銑床與國外同類銑床具有同樣的隨動加工技術原理，均可實現(xiàn)高速、高效切削。并且更加適合國內毛坯和小批量生產的現(xiàn)狀，機床價格僅是進口機床的1/5。由于我們機床的出現(xiàn)，近些年來，進口機床的價格大幅度下降。我們和國外曲軸銑床的

13、差距主要是在機床的可靠性方面和機床的防護、外型美觀以及機床的滲漏方面，四、曲軸的滾壓校直機四、曲軸的滾壓校直機 圓角滾壓工藝是一種在曲軸的曲柄和軸頸過渡圓角等應力集中部位，用機械的方法，對圓角表面進行滾壓，使其表面產生冷加工硬化，從而形成殘余壓應力表面層，并消除亞微觀裂紋，從而提高曲軸疲勞強度的一種工藝方法。f1為工件的夾緊力，f2為工件的滾壓力，f3為工件的校直力，f4為工件的最大校直力。所有的主軸頸和連桿頸在一個工作循環(huán)過程全部滾壓完成。通過測量，找出最大彎曲位置和彎曲量，通過專家系統(tǒng)確定校直位置和滾壓力完成校直工序。 滾壓校直工作原理，1 1、圓角滾壓強化技術、圓角滾壓強化技術曲軸圓角滾

14、壓強化工藝，是目前提高曲軸疲勞強度的最有效的工藝方法，曲軸圓角滾壓校直是20世紀70至80年代國外研究出的新技術。表面滾壓強化是一種無屑光整加工方法。它是在常溫狀態(tài)下，利用高硬度材料(如淬火鋼，硬質合金以及紅寶石等)制成的工具對被加工零件表面施加一定的壓力，使表面層金屬產生塑性變形，產生表面殘余壓應力的一種強化方法。（一）、圓角滾壓機床包含的技術（一）、圓角滾壓機床包含的技術 圓角滾壓強化跟其它的曲軸強化方法比較起來具有以下的特點:能夠降低曲軸表面粗糙度，強化被滾壓的表面，經(jīng)滾壓后產生殘余壓應力，硬化層深度一般為0.51.5mm，硬度可提高5%50%。能減小切削加工時留下的刀痕跡等表面缺陷，從

15、而降低了應力集中程度。 目前，廣泛采用的是沉割滾壓。該工藝要求預先在曲軸圓角處加工一沉割槽，滾壓強化部位在槽內，軸頸磨削時不會破壞滾壓層，又消除了滾壓凸緣和滾壓變形，生產效率高，滾壓強化效果好。采用沉割圓角滾壓可減少磨削時間，提高砂輪的壽命。曲軸采用冷彎校直要降低曲軸疲勞強度。滾壓校直是在曲軸經(jīng)過液壓后，由機內測量系統(tǒng)測量后將結果反饋給計算機系統(tǒng)，由計算機系統(tǒng)計算出每個方向上所需加載的壓力，發(fā)出該壓校直指令，連續(xù)在沉割槽圓周上每個方向上加不同的壓力，使曲軸產生局部塑性變形，從而達到校直效果。滾壓校直工藝最大優(yōu)勢在于它給曲軸校直時連續(xù)在沉剖槽圓周上施加了壓力，消除了拉應力對原有應力場的破壞，因此

16、這種工藝既達到了校直效果，又不降低原有疲勞強度。液壓校直工藝可以在隨意方向上多點進行校直，解決了冷彎單點校直的局限性，而且由于滾壓校直使曲軸產生局部的塑性變形，基本上，沒有了彈性變形存在。因此避免了校直后回彈現(xiàn)象。2 2、圓角滾壓校直技術、圓角滾壓校直技術（二）、我公司生產的曲軸圓角滾壓機床（二）、我公司生產的曲軸圓角滾壓機床根據(jù)曲軸圓角滾壓強化工藝的要求，我公司與東風汽車集團公司工藝研究所和武漢理工大學合作，率先研制成功了qh2-040數(shù)控曲軸圓角滾壓智能柔性加工機床、qh2-041數(shù)控全自動曲軸圓角滾壓加工機床 。qh2-040數(shù)控曲軸圓角滾壓智能柔性加工機床，配有計算機校直專家系統(tǒng)，具有

17、循環(huán)啟動、自診斷、程序存儲等功能，適用于各種曲軸的圓角滾壓強化及校直。該機床的主要關鍵部件為在線檢測裝置、連桿頸滾壓鉗、主軸頸滾壓鉗。機床采用工業(yè)控制計算機控制電機的運轉和液壓系統(tǒng)的壓力變化，由校直專家系統(tǒng)自動確定校直參數(shù)。1、qh2-040數(shù)控曲軸圓角滾壓智能柔性加工機床數(shù)控曲軸圓角滾壓智能柔性加工機床與國外同類加工系統(tǒng)相比： (1)設備的加工范圍大于國外同類產品，適合于我國絕大多數(shù)大小曲軸的加工，以適應我國曲軸生產廠家產品品種多且產品經(jīng)常改型的國情。（2）專家系統(tǒng)具有學習功能，該系統(tǒng)能將今后生產實踐中的成功校直實例不斷地動態(tài)補充到專家系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫中去，不斷修正專家系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫中的不理想數(shù)據(jù)，并

18、將理想的范例進行優(yōu)化與正交分析，以提高校直成功的概率。機床按預先設定的滾壓力和滾壓次數(shù)對發(fā)動機曲軸所有主軸頸、連桿頸的底切圓角進行滾壓，通過對底切圓角滾壓，在曲軸疲勞強度敏感圓角區(qū)域內，形成局部壓應力場，從而提高曲軸的疲勞強度，同時，機床具有校直功能，改善曲軸的彎曲變形。機床主軸由交流伺服電機實現(xiàn)無級變速和準確定位，左、右橫向移動溜板分別由伺服電機驅動，滾壓力大小由電液伺服系統(tǒng)控制，機床配有自動送料及自動檢測裝置，工件由液壓缸實現(xiàn)自動頂緊和自動夾緊，機床其它動作均通過液壓缸自動完成。機床特點：2 2、qh2-041qh2-041數(shù)控全自動曲軸圓角滾壓加工機床數(shù)控全自動曲軸圓角滾壓加工機床校直校

19、直在“校直”模式下，機床首先對工件的彎曲變形進行測量，如果超差則施行滾壓校直，直至變形合格或滿足某一判據(jù)為止。測量測量機床在此模式下工作時，其功能相當于一臺曲軸彎曲變形測量機，可自動測量工件的彎曲變形并顯示測量結果。 滾壓滾壓按預先設定的滾壓力和滾壓次數(shù)對發(fā)動機曲軸所有主軸頸、連桿頸的底切圓角進行同時滾壓。 調整調整專為機床調試而設置的工作模式，在此模式下機床的所有動作均通過手動操作實現(xiàn)。機床具有以下機床具有以下4 4種工作模式：種工作模式： 機床由以下部件組成：床身、車頭箱、支承架、九個滾壓鉗、九副滾壓頭、尾座、送料及檢測機構、液壓箱、潤滑箱、數(shù)控箱、強電箱等。車頭箱固定在臥式床身左前端，支

20、承架固定在床身后部，尾座在機床右前端v-平導軌上，主軸頸、連桿頸滾壓頭分別裝在主軸頸支承架、連桿頸支承架上，主軸頸、連桿頸滾壓頭通過各自的定位鍵固定在各自上下鉗體之間。機床配有計算機校直專家系統(tǒng)，具有循環(huán)啟動、自診斷、程序存儲等功能。是一種集精密機械加工、液壓控制系統(tǒng)、計算機控制、在線檢測技術和智能專家系統(tǒng)于一體的高技術產品。機床可按預先設定的滾壓力和滾壓次數(shù)對發(fā)動機曲軸所有主軸頸、連桿頸的底切圓角進行同時滾壓，通過對底切圓角滾壓，在曲軸疲勞強度敏感圓角區(qū)域內，形成局部壓應力場，從而提高曲軸的疲勞強度，同時，機床具有校直功能以改善曲軸的彎曲變形。機床主軸由交流伺服電機實現(xiàn)無級變速和準確定位，滾壓力大小由比例減壓閥控制，機床配有自動送料裝置，工件由液壓缸實現(xiàn)自動頂緊和自動夾緊，機床其它動作均通過液壓缸自動完成。機床特點：曲軸圓角滾壓機床中，德國的機床