曲轴制造技术进展与敏捷柔性生产线方案概况样本.doc

曲轴制造技术进展及灵敏柔性生产线方案初探曲轴是发动机心脏；曲轴制造技术是发动机制造技术集中表现。中国汽车发动机关键零部件关键制造技术装备现在依靠进口，而发动机曲轴加工灵敏柔性生产线还处于早期阶段，需要一个长久技术积累和发展过程。 曲轴加工工艺发展演变 1) 20世纪70年代以前，发动机曲轴粗加工采取加工方法是多刀车床车削曲轴主轴颈和连杆轴颈。采取这种方法加工精度较低、柔性很差、工序质量稳定性低，且轻易产生较大内部应力，难以达成合理加工余量。在粗加工后通常需要进行去应力回火处理，释放应力。所以粗加工需要给后续精加工工序留较大加工余量，以去除弯曲变形量。曲轴精加工采取是一般磨削工艺，通常采取MQ8260曲轴磨床粗磨-半精磨-精磨-抛光。通常靠手工操作，加工质量不稳定，废品率较高。 2) 20世纪70年代到80年代左右，曲轴粗加工采取CNC车削、CNC外铣加工，加工情况有所改善。精加工仍以一般磨床磨削工艺为主。 3) 20世纪80年中期又出现了CNC内铣工艺，CNC内铣加工性能指标要高于CNC外铣加工，尤其是对于锻钢曲轴，内铣更有利于断屑。精加工工艺多采取半自动曲轴磨床，头架和尾座同时传动，加工精度有一定提升。 4) 1985年到1990年左右开发出了曲轴车拉、车车拉工艺（图1为双刀盘车车拉），该工艺含有精度高、效率高等优点，尤其适合于平衡块侧面不需要加工且轴颈有沉割槽（包含轴向沉割槽）曲轴，加工后曲轴可直接进行精磨，省去粗磨工序。曲轴精加工已少许采取数控磨床磨削工艺，尺寸一致性得到改善。图1 双刀盘车车拉5) 20世纪90年代中期又开发出CNC高速外铣（图2为双刀盘高速外铣），它对平衡块侧面需要加工曲轴，比CNC车削、CNC内铣、车车拉生产效率还要高。另外，CNC车车拉工艺加工连杆轴颈要二道工序，CNC高速外铣只要一道工序就能完成，含有以下优点：切削速度高（可高达350m/min）、切削时间较短、工序循环时间较短、切削力较小、工件温升较低、刀具寿命高、换刀次数少、加工精度更高、柔性愈加好。所以CNC高速外铣将是曲轴主轴颈和连杆轴颈粗加工发展方向。精加工使用数控磨床，采取静压主轴、静压导轨、静压进给丝杠（砂轮头架）和线性光栅闭环控制等控制装置，使各尺寸公差及形位公差得到可靠确保，精加工还广泛使用数控砂带抛光机进行超精加工，经超精加工后曲轴轴颈表面粗糙度最少提升一级精度。图2 双刀盘高速外铣20世纪90年代开发CBN高速磨削。英国LANDIS企业生产曲轴磨床，磨削速度高达120m/s，用扒皮法一次装夹从毛坯到精磨完成，耗时仅几分钟时间。这将会出现以磨替换其它粗加工工艺新局面。 6) 进入二十一世纪以后，复合加工工艺已进入曲轴制造业中。复合机床应含有工序集成功效，多个加工集成功效。奥地利WFL企业生产卧式车铣复合加工中心（图3为M40G型）能在曲轴硬化前“一次装夹，全部加工”，加工后曲轴可直接转入精加工工序；曲轴精加工方面，也出现了工序集成CBN数控磨床，即一次装夹磨削全部曲轴主轴颈和连杆轴颈（摆动跟踪磨削）。 图3 M40G车铣复合加工中心由以上演变能够看出，曲轴加工工艺正向着高速、高效、复合化方向发展。现在较为流行粗加工工艺是主轴颈采取车车拉工艺和高速外铣，连杆颈采取高速随动外铣，全部采取干式切削；精加工采取数控磨床加工，含有自动进给、自动修正砂轮、尺寸和圆度自动赔偿、自动分度和两端电子同时驱动等功效。主轴颈和连杆颈可一次装夹全部磨削完成；超精加工采取数控砂带抛光机，带尺寸控制装置。 经典曲轴加工优异装备性能介绍 1) CNC高速随动外铣（图4）：现介绍一款型号为VDF 315 OM-4高速随动外铣床性能。该机床是德国BOEHRINGER企业专为汽车发动机曲轴设计制造柔性数控铣床，该设备应用工件回转和铣刀进给伺服连动控制技术，能够一次装夹不改变曲轴回转中心随动跟踪铣削曲轴连杆轴颈。采取一体化复合材料结构床身，工件两端电子同时旋转驱动，含有干式切削、加工精度高、切削效率高等特点；使用SIEMENS 840D CNC控制系统，设备操作说明书在人机界面上，经过输入零件基础参数即可自动生成加工程序，能够加工长度450700mm、回转直径在380mm以内多种曲轴，连杆轴颈直径误差为0.02mm。 图4 CNC高速随动外铣机CNC车-车拉机床：该设备一次设定能完成全部同心圆车削，并在同一台机床上完成车车拉（车侧端面）加工，加工效率高，经过使用特殊卡盘和刀具系统还能实现柔性加工，且机床保养简便维护成本也较低，尤其适适用于平衡块侧面不需加工、轴颈有沉割槽曲轴。其中拉削工艺可用高效梳刀（图5）车削工艺替换，梳刀加工通常放到该工序最终工步，经过微量径向进给和纵向车削实现高速精加工。 图5 梳刀刀片2) 曲轴止推面车滚专机（图6）：该设备用于对曲轴止推面精车滚压加工，并含有以下技术特点：滚压抛光止推面并在线测量、滚压抛光替换磨削加工、可同时进行车削加工、在刀盘上装有滚压抛光装置、可取得更高精度。现在性能很好设备有德国赫根塞特（HEGENSCHEID）企业曲轴止推面车滚专机等。 图6 止推面精车滚压机3) CNC曲轴磨床：以德国埃尔温勇克机器制造（JUNKER）摆动跟踪系列磨床为例，该设备采取了用于高速加工CBN砂轮和使用油冷却曲轴组合，适适用于加工汽车发动机曲轴，质量可靠。关键性能有：在加工过程中检测并修正轴颈圆度和尺寸；带有“学习功效”控制系统，附加对圆度偏差和干扰量自动赔偿，可进行赔偿干扰量是：温度，机械及动力影响，磨削余量改变，材料和金相结构改变，砂轮可切削性，机床磨损情况；磨削主轴颈和连杆轴颈一次装夹，理论上偏差为零；切入式磨削及摆动式磨削；对 “敏感工件”支撑，在主轴上采取自动对中心三点式中心架；CNC控制冷却剂供给保障了磨削区域持久用量；采取静压圆型导轨，无爬行现象，确保持久高正确度（X轴导轨，进给丝杠，止推轴承）；减震抗扭转床身，使用矿物合成材料浇注而成，含有良好吸震抗弯功效；砂轮轴适适用于高达140m/s磨削。图7是型号为“JUCRANK 6000/50-50”数控曲轴磨床。该磨床含有四片CBN砂轮，每片均可独立磨削，一次装夹可磨削全部主轴颈和连杆颈。 图7 JUCRANK 6000/50-50型CBN磨床前端和后端形状从以上所介绍多个优异设备能够看出一个共同点，就是高速高效柔性化，适合于当今产品多品种、小批量发展趋势。因为曲轴加工不一样于一般机械加工，很多工序必需使用专用刀具，如上面介绍内铣、车车拉和高速外铣，所使用全部是专用刀具，这些刀具刀体制造复杂，价格也比较昂贵。假如产品变型要牵涉曲轴结构改变，就造成必需使用新刀体来加工曲轴，这就会影响产品开发周期和制造成本，最终造成产品缺乏竞争力。现在瓦尔特等刀具制造商已开发出柔性化曲轴制造专用刀具模块化刀具（图8）。大大缩短了产品开发周期，降低了制造成本。 图8 模块化曲轴刀具系统曲轴灵敏柔性生产线（AFTL）方案探讨 现在中国轿车曲轴生产线多为高速柔性生产线FTL(Flexible Transfer Line)，这种生产线特点是不仅能够加工同系列曲轴，而且还可加工变型产品、换代产品和新产品，真正含有柔性意义。为深入提升高速柔性生产线生产效率，愈加快适应巿场，FTL下一步发展是灵敏柔性生产线AFTL（Agile Flexible Transfer Line）。其关键目标是： 1）满足巿场改变需求。不仅满足目前产品要求，还应考虙未来巿场需求。 2）满足生产方法需求。能满足现代发动机“多品种、大中批量、高效率、低成本”生产需求。 3）符合“精益生产”标准。杜绝浪费，用最少投资、最大回报谋取利润。 因为发动机曲轴本身结构特殊性，笔者认为曲轴AFTL应含有以下特点：由高速加工中心和高效专用机床（含少许组合机床）组成。按工艺步骤排列机床并由自动输送装置连接，采取柔性夹具和高效专用刀具生产。为预防关键工序设备故障造成全线停产，可增设平行设备增补，亦能满足大批量生产需要。以下是其工艺步骤（仅金属加工部分）： 铣端面、定总长、钻质量中心孔、车大小端外圆铣主轴颈及轴肩铣连杆颈及轴肩车拉主轴颈及沉槽车拉连杆颈及沉槽枪钻油孔清洗圆角滚压法兰钻孔攻丝精磨主轴颈（CBN）精磨连杆颈（CBN）斜切磨小端斜切磨法兰端车滚止推面、铣键槽动平衡砂带抛光主轴、连杆及法兰外径清洗、冷却检测分类。 对上述工艺步骤有多个问题探讨以下： 1、曲轴质量中心孔和几何中心孔选择。 1）毛坯质量好，加工余量小且加工余量分布均匀。这时曲轴质量中心孔和几何中心孔基础重合，则无须花费较高经费购置质量定心设备而直接钻几何中心孔。 2）毛坯质量较差，加工余量大且加工余量分布不均匀，要优先选择质量中心孔。因初始不平衡量较大，假如钻几何中心孔，质量分布不均匀，转动惯量较大，损坏后续加工设备精度。再者，采取几何中心孔，在进行动平衡时，初始不平衡量可能超出平衡机要求而无法平衡。在这种情况下应优先选择质量定心机。 2、曲轴粗加工机床合理选择 1）选择标准 优异金属加工设备在曲轴制造中关键性毋庸置疑，它能够可靠地确保尺寸精度和一致性，适应生产节拍要求，提升整体工艺水平。但不能采取“拿来主义”，也并不是设备越优异越好，应符合以下三个标准：1）符合工艺性标准，结合产品结构，能满足尺寸精度和一致性要求。2）符合经济性标准，采取招标形式降低成本。3）符合设备管理和维修性标准，考察设备生产商售后服务质量，设备易损件是否能够随时采购等。 2）合理组合 中国曲轴制造企业对引进设备存在部分误区，比如认为设备越优异、昂贵越好。其实假如使用不妥，优异设备起不到应有作用 ，造成浪费。下面以CNC高速外铣、CNC内铣、CNC车-车拉合理组合为例来介绍。 （1）曲轴平衡块侧面需加工，主轴颈加工应优先选择CNC内铣或CNC高速外铣，连杆颈加工用CNC高速外铣。假如毛坯是锻钢毛坯，CNC内铣更有利于断屑。不宜采取CNC车-车拉，因为平衡块侧面是断续车削，曲轴转速又很高（约1000r/m），崩刀现象很严重。 （2）曲轴平衡块侧面不需加工，主轴颈加工选择CNC车-车拉比较合理，加工精度高。因为连杆颈轴线不在一条中心线上，如六拐曲轴，用车-车拉加工就有部分麻烦，CNC高速外铣就比较合理。 （3）轴颈有沉割槽曲轴，此时CNC车-车拉表现出其优越性，若轴向有沉割槽，CNC高速外铣和CNC内铣不能加工，而车-车拉能加工。 以上设备应采取独立双刀盘、模块化刀具系统等实现柔性化加工。 3、曲轴圆角滚压强化 曲轴圆角滚压强化，关键是为了提升曲轴疲惫强度。据统计资料表明，球铁曲轴经圆角滚压后寿命可提升120-230%；锻钢曲轴经圆角滚压后寿命可提升70-130%。所以这种强化手段受到各曲轴生产厂家高度重视。现在国外轿车曲轴几乎全部采取滚压强化工艺。采取这种设备应注意柔性化，以适应不一样产品加工。 4、曲轴砂带抛光 采取砂带抛光可同时抛光主轴颈、连杆颈、法兰、圆角及至推面，由曲轴轴向窜动实现圆角及止推面抛光。抛光后表面粗糙度最少提升一级精度以上。为实现曲轴多品种、变型产品加工，可采取独立抛光头、分多工步加工实现柔性化。 5、曲轴清洗 曲轴通常采取二次清洗，第一次清洗安排在枪钻油孔以后，去除油孔内铁屑和曲轴表面润滑油，为下道工序提供清洁半成品。第二次清洗安排在砂带抛光以后，选择定点定位专用清洗机对油孔、法兰螺孔等用专用喷嘴清洗。 6、曲轴精加工 曲轴精磨主轴颈和精磨连杆颈工序应选择单砂轮、独立双砂轮CBN数控磨床，不易选择多砂轮一体化磨床，虽效率高，但不能适应多品种柔性化需要。