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1、曲轴制造工艺,汽车典型零件制造工艺,主要内容,曲轴概述 1.1 曲轴的概念与工作原理 1.2 曲轴的结构特点 1.3 曲轴的材料与毛坯曲轴的加工制造工艺 2.1 曲轴的技术要求 2.2 曲轴机械加工的定位基准 2.3 曲轴机械加工工艺分析 2.4 大批生产六缸汽油机曲轴的机械加工的工艺过程 2.5 曲轴部分表面的加工曲轴加工的先进技术 3.1 质量中心孔技术 3.2 车拉技术 3.3 圆角深滚压技术,曲轴概述,1.1 曲轴的概念和工作原理,曲轴是汽车发动机的重要零件之一。它主要将连杆的上下往复运动变为旋转运动。在发动机中，曲轴主轴颈被安装在缸体上，连杆颈与连杆大头孔连接，连杆小头孔与汽缸活塞连
2、接，这是一个典型的曲柄滑块机构。曲轴的旋转是发动机的动力源。,据2013-2017年中国曲轴行业市场前瞻与投资预测分析报告数据显示，随着国内汽车需求旺盛、全球汽车市场中心向发展中国家转移，中国以曲轴为代表的汽车零部件工业蓬勃发展。上图显示了2007-2010年，中国曲轴总产量（包括摩托车用单缸发动机曲轴）。,曲轴概述,曲轴简介与工作原理：,曲轴概述,1.2 曲轴的结构特点,曲轴一般由主轴颈、连杆轴颈、曲柄、平衡块、前端和后端等组成。一个主轴颈、一个连杆轴颈和一个曲柄组成一个曲拐，直列式发动机曲轴曲拐的数目等于气缸数；V型发动机曲轴的曲拐数等于气缸数的一半。,7个主轴颈,曲轴后端油封轴颈,曲轴前
3、端正时齿轮,6个连杆颈,8个平衡块,曲柄,曲轴概述,主轴颈是曲轴的支承部分，通过主轴承支承在曲轴箱的主轴承座上，其数目不仅与发动机气缸数有关，还取决于曲轴的支承方式。连杆轴颈是曲轴与连杆的连接部分，连接处圆弧过渡以减少应力集中。曲柄是主轴颈和连杆轴颈的连接部分，断面椭圆形，为平衡惯性力，曲柄处铸有(或紧固)平衡重。平衡重用来平衡发动机不平衡的离心力矩，有时还用来平衡一部分往复惯性力，从而使曲轴旋转平稳。曲轴前端装有齿轮、驱动风扇、水泵的皮带轮以及起动爪等。为防止机油沿曲轴轴颈外漏，在曲轴前端装有甩油盘，在齿轮室盖上装有油封。曲轴后端用来安装飞轮，在后轴颈与飞轮凸缘之间制成挡油凸缘与回油螺纹，以
4、阻止机油向后窜漏。,曲轴各部分的功用：,曲轴概述,根据主轴颈的支撑方式不同，曲轴可分为：全支承曲轴：在相邻曲拐之间都设置一个主轴颈的曲轴。多用于柴油机。优点：曲轴刚性好，不易弯曲；缺点：缸心距加大，机体加长，制造成本增加。非全支承曲轴：主轴颈数等于或少于连杆轴颈数。多用于中小功率的汽油机。优缺点与全支承曲轴恰好相反。,曲轴概述,曲轴的结构特点：,连杆轴颈与主轴颈不同轴，相互平行。不同曲轴其曲拐之间的夹角可能不同。从而为加工连杆轴颈时的角度定位带来困难。,曲拐夹角180,曲拐夹角120,曲拐夹角90,结构细长多曲拐，刚性很差。,曲轴概述,曲轴上加工有贯穿主轴颈、曲柄和连杆轴颈的油道，以便润滑主轴
5、颈和连杆轴颈。,曲轴概述,1.3 曲轴的材料和毛坯,曲轴工作时要承受很大的转矩和交变的弯曲应力，其主要失效形式是疲劳断裂和轴颈严重磨损，对曲轴的材料要求：,优良的综合机械性能，有高的强度和韧性；高的抗疲劳能力，防止疲劳断裂，提高寿命；良好的耐磨性。,曲轴常用材料有：球墨铸铁、调质钢、非调质钢。对于汽油机曲轴，由于功率较小，曲轴毛坯一般采用球墨铸铁铸造而成。常用材料有：QT600-2、QT700-2、QT800-2、QT900-6、QT800-6等温淬火球铁。柴油机曲轴毛坯材料一般采用调质钢或非调质钢，调质钢常用材料有：45、40Cr或42CrMo；非调质钢常用材料有48MnV、C38N2、38
6、MnS6。,曲轴概述,曲轴的毛坯根据批量大小、尺寸、结构及材料品种来决定。批量较大的小型曲轴，采用模锻；单件小批的中大型曲轴，采用自由锻造；而对于球墨铸铁材料则采用铸造毛坯。,采用不同毛坯材料，曲轴的热处理及加工工艺路线也不相同：锻钢曲轴的常规工艺路线：下料锻造正火粗加工表面淬火及回火精加工球铁曲轴的常规工艺路线：铸造正火回火粗加工表面淬火及回火精加工,2.曲轴的加工制造工艺,2.1 曲轴的技术要求,1）主轴颈、连杆轴颈本身的精度，即直径尺寸公差等级通常为IT6IT7；主轴颈的宽度极限偏差为+0.05-0.15mm；曲拐半径极限偏差为0.05mm；曲轴的轴向尺寸极限偏差为0.15 0.50mm
7、。2）轴颈长度公差等级为IT9IT10。轴颈的形状公差，如圆度、圆柱度控制在尺寸公差一半之内。3）位置精度，包括主轴颈与连杆轴颈的平行度：一般为100mm之内不大于0.02mm；曲轴各主轴颈的同轴度：小型高速发动机曲轴为0.025mm，中大型低速发动机曲轴为0.030.08mm；各连杆轴颈的位置度不大于30。4）曲轴的连杆轴颈和主轴颈的表面粗糙度为Ra0.20.4m；曲轴的连杆轴颈、主轴颈、曲柄连接圆角的表面粗糙度为Ra0.4m。除上述技术要求外，还有热处理、动平衡、表面强化、油道孔的清洁度、曲轴裂纹、曲轴旋转方向等规定和要求。,2.曲轴的加工制造工艺,某工厂7个型号曲轴加工技术要求：,2.曲
8、轴的加工制造工艺,2.2 曲轴机械加工的定位基准,曲轴加工定位基准选择的基本原则：曲轴加工的定位基准主要分径向基准、轴向基准和角向基准。径向基准：一般选用两端的主轴颈（两边主轴颈中心连线；两端面中心孔连线)；轴向基准：曲轴为了防止轴向力作用而发生轴向窜动，采用止推结构。加工的轴向基准一般选择止推面；,2.曲轴的加工制造工艺,角向基准：粗加工连杆轴颈前，在曲柄上铣角向定位面或定位凸台作为角向基准。,角向定位面,铣削角向定位基准面,2.曲轴的加工制造工艺,在汽车制造业中，一些专用夹具设备被应用于曲轴加工的定位夹紧，极大提高了装夹质量和效率。在加工连杆轴颈时，一般利用已经加工过的主轴颈定位，安装到专
9、用偏心卡盘分度夹具中，使连杆轴颈的轴线和转动轴线4重合。连杆轴颈之间的角度位置精度靠夹具上的分度装置保证，加工时依次加工同一轴线上的连杆轴颈以及曲轴端面，工件2通过在夹具体3上的分度板1与分度定位销5分度。,为进一步提高生产效率，还可采用专用的半自动曲轴车床或磨床，工件能在一次装夹下（仍以主轴颈定位）加工连杆所有轴颈。,偏心卡盘分度夹具1-分度板 2-工件 3-夹具体 4-转动轴线 5-分度定位销,2.曲轴的加工制造工艺,2.3 曲轴机械加工工艺分析,曲轴加工工艺路线编制原则：,先粗后精 先基准后其他 先面后孔 先主要表面后次要表面,外圆粗加工,其他表面加工,粗基准加工,精基准加工,外圆精加工
10、,由于要加工主轴颈作为后续加工其他外圆的定位基准，因此，通常先加工主轴颈，而后加工连杆轴颈和其他外圆。,2.曲轴的加工制造工艺,由于曲轴的结构特点形状复杂，刚性很差，加工精度要求还很高。因此，在确定曲轴的加工工艺路线时，还需注意以下问题：,粗加工时由于切削余量大，切削力较大，可用中间托架增强刚性，减小变形和振动，同时机床刀具及夹具都应有较高的刚度。,加工时尽量使切削力的作用相互抵消，可用前后刀架同时横向进给。,中间托架,切削力相互抵消,2.曲轴的加工制造工艺,合理安排工位次序以减少加工变形，按先粗后精的原则安排加工工序，逐步提高精度。,在有可能产生变形的工序后面增设校直工序。,对于左图这种7个
11、主轴颈的曲轴。加工主轴颈顺序为：4-7-1-6-2-5-3,2.曲轴的加工制造工艺,2.4 大批生产六缸汽油机曲轴的机械加工的工艺过程,汽车发动机制造过程中，曲轴的加工多属大批大量生产，按工序分散原则安排工艺过程。以下为大量生产六缸汽油机曲轴的工艺过程。加工过程中广泛采用了先进工艺和专用机床，实现了机械加工、检验和清洗等工序的自动化。,2.曲轴的加工制造工艺,2.曲轴的加工制造工艺,2.曲轴的加工制造工艺,2.曲轴的加工制造工艺,2.曲轴的加工制造工艺,2.曲轴的加工制造工艺,2.5 曲轴部分表面的加工,曲轴的主要加工表面有主轴颈、连杆轴颈、各外圆、两端面、键槽以及油孔道等。此外，还有还有检验
12、、清洗、去毛刺等工序。,铣两端面,定位基准：两端主轴颈止推面限制5个自由度,2.曲轴的加工制造工艺,加工主轴颈及与主轴颈同轴外圆面,采用两端中心孔定位，限制5个自由度。使用成型刀具，加工效率高，但刀具寿命低。,主轴颈加工工序：粗车、精车、磨削；,2.曲轴的加工制造工艺,加工连杆轴颈,连杆轴颈加工工序：粗车、精车、磨削；,采用两端主轴颈径向定位，限制4个自由度；止推面轴向定位，限制一个移动自由度；第一平衡块的侧面定位面周向定位，限制一个旋转自由度。,2.曲轴的加工制造工艺,加工油孔道,曲轴上的深油孔是典型的斜长孔。传统的加工方法采用高速钢深孔麻花钻加工，但刀具寿命低，设备柔性差，目前已逐渐被枪钻
13、和MQL技术麻花钻代替。,定位基准：两端中心孔、止推面、连杆轴颈。限制6个自由度。,2.曲轴的加工制造工艺,精车止推面，铣键槽，精镗导向孔,此时采用前端中心孔限制2个自由度（后端导向孔被加工为导向孔），后端外圆限制2个自由度。后端面轴向定位限制一个移动自由度。,曲轴加工过程中，需要在两端面加工中心孔作为定位基准。按照其加工位置不同，可分为几何中心孔和质量中心孔。,曲轴加工的先进技术,3.1 质量中心孔技术,几何中心孔是以曲轴两端主轴颈外圆定位钻出的中心孔，其形成的轴线是几何中心线。在质量定心机上先找出曲轴的质量轴线，按其所处的位置钻出的中心孔则为质量中心孔，其形成的轴线是质量中心线。,质量定心
14、机简图,曲轴加工的先进技术,如果曲轴几何形状旋转对称、质量密度完全均匀，则其几何中心线和质量中心线重合；而实际生产中，由于毛坯上的几何形状误差和质量分布不均等原因，几何中心线与质量中心线往往不重合。,传统曲轴加工工艺多采用几何中心孔。但利用几何中心孔作为定位基准进行车削或磨削加工时，会产生很多不利影响：由于工件旋转会产生离心力，这不仅会影响加工质量，而且加工后余下的动不平衡量较大，在以后装配前的动平衡工序中，需要多次反复测量去重才能达到要求，影响生产效率。,现在一些国家大都采用质量中心孔技术，可基本解决采用几何中心孔产生的问题。我国一些曲轴生产企业也已采用质量中心孔技术。,曲轴加工的先进技术,
15、3.2 车拉技术,传统曲轴轴颈加工一般采用车削或铣削加工。切削过程中工件受力大，加工精度不高。1983年美国首先采用直线型车拉刀具加工曲轴主轴颈获得成功。现在，曲轴车拉技术主要演化为三种方式：直线式刀具车拉、内环式刀具旋转车拉和外环式刀具旋转车拉。,直线车拉 b)圆刀具外环车拉 n-工件速度 nwz-刀具速度,曲轴,曲轴加工的先进技术,车削加工轴承与车拉轴承对比：刀具的进给方向不同，导致车削工件受力很大，车拉加工工件受力较小，加工更稳定。,车拉是车削和拉削加工的结合，加工过程中，除了工件做旋转运动以外，刀具也做进给运动，以实现车拉切削加工。,车削,车拉,曲轴加工的先进技术,车拉技术的优点,加工
16、精度高车拉加工刀具分直线型和圆盘型2种。刀体上镶装的刀齿片分粗切刀齿和精切刀齿2组。每个刀片在与工件高速的相对运动中仅参加短暂切削,切下的金属层很薄(约0.40.6mm)。因而刀刃承受的冲击小,刀齿切削热负荷小,减少了工件切削后的残余应力，保证了工件精切后的表面精度和质量。据有关厂测定，车拉后的曲轴尺寸参数：1）主轴颈直径误差0.04mm；2）主轴颈宽度误差0.04mm；3）连杆轴颈回转半径误差0.05mm；4）连杆轴颈分度位置误差0.07mm；,曲轴加工的先进技术,生产效率高 车拉加工的切削速度高(加工锻钢曲轴时约为150220m/min，加工铸铁曲轴时约250300m/min)，进给速度快
17、(粗加工时约为3000mm/min，精加工时约为1000mm/min)，所以加工节拍短，生产效率高。加工柔性好 车拉加工只需更换程序或重新编程序，对夹具、刀具略作调整，就可很快适应曲轴品种的变换和不同批量的生产，充分发挥计算机数字控制技术的特长。,工艺总投资少由于车拉加工精度高,车拉后不再进行粗磨或半精磨，简化了工艺过程，省去粗磨磨床的投资和有关生产费用。此外，车拉刀具承受载荷小，使用寿命长、费用低。,曲轴加工的先进技术,3.3 圆角深滚压技术,曲轴服役工况条件恶劣，在工作时需要承受较大而复杂的冲击载荷，其失效形式一般是轴颈磨损和疲劳断裂。,当曲拐顶部受压力P时，曲拐两内侧圆角过渡处表现为拉应
18、力，主轴圆角过渡处则为压应力；另外，曲轴还承受惯性力矩、输出扭矩、扭振力矩，受力情况十分复杂。,由于轴颈磨削加工后留下的刀痕引起应力集中，加之过渡圆角处本身就存在应力集中，曲轴在工作时圆角过渡处属于薄弱环节，主轴颈和连杆颈的过渡处更为严重。因此，为了增强曲轴抗疲劳能力，发展出了圆角深滚压技术。,曲轴加工的先进技术,圆角深滚压技术的原理：曲轴圆角深滚压，是利用滚轮的压力作用，在曲轴的主轴颈和连杆颈过渡圆角处形成一条滚压塑性变形带，这条塑性变形带具有以下特点：1)产生了残余压应力，可与曲轴在工作时的拉应力抵消或部分抵消，从而提高疲劳强度。2)硬度提高，滚压使圆角处形成高硬度的致密层，使曲轴的机械强
19、度和疲劳强度得到提高。3)表面粗糙度降低，圆角滚压可使圆角表面粗糙度达到Ra0.2以下，从而大大减小了圆角处的应力集中，提高了疲劳强度。,施力器 2.滚轮 3.工件 Fw-滚压力,曲轴加工的先进技术,圆角深滚压技术的优点：,经过测定，球墨铸铁曲轴经滚压后寿命可增至280%，锻钢热处理曲轴滚压后寿命可提高237%，滚压加工时间只需2040s。但如果半成品因加工或热处理原因存在不合理残余应力时，滚压后必须安排校直工序，或滚压前安排去应力工序，方可保证稳定加工质量。,校直就是对单个轴颈进行深滚压。曲轴在经过深滚压后，测量出工件的跳动量，如果轴颈的跳动超过机床的设定值，可通过计算机计算出当前最佳的校直方法，用适当的力对其中某一轴颈进行校直。,谢 谢,
