曲轴的机械加工分析

曲轴的机械加工分析

作者：赵晶 孙哲

来源：《科技传播》2013年第04期

摘 要 在车辆发动机上曲轴作为重要部件，受力情况较为复杂。发动机的工作性能受其影响，因此，对曲轴的机械加工质量要求较高。对于曲轴的机械加工设备设施的研究，技术的改进，具有重大的实用意义。 关键词 曲轴加工；轴颈

中图分类号TH13 文献标识码A 文章编号 1674-6708（2013）85-0166-02

目前，汽车市场在整体呈现健康发展、速度快的特点。据中国汽车工业协会发布的统计资料显示，2012年全国汽车产销1927.18万辆和1930.64万辆，同比分别增长4.6%和4.3%，预测2013年中国汽车全年销售2065万辆，与去年同期相比增长7%。中国汽车行业的良好发展，给国内汽车装备制造业带来了巨大的机遇和挑战。在车辆发动机上，作为关键的旋转部件，曲轴是机械加工工艺较难的，发动机使用的寿命和使用过程中的可靠性完全受其加工质量的影响。

目前，曲轴的机械加工质量，世界各国都非常重视，各个科研机构都在研制新的加工工艺，设计并制造出许多优秀的加工设备，使曲轴的制造水平有了很大提高。这给我国曲轴生产装备的技术条件提出了挑战，促使我们必须加快对曲轴加工国内的技术力量和机械装备性能。 作为发动机的关键部件，曲轴的机械加工质量直接关系到发动机的使用时间和在使用过程中的可靠性和安全性，曲轴工作时，负责将连杆产生的上下往复运动转换成发动机输出轴的旋转运动。在工作过程中由于气体压力和惯性力矩，曲轴每个工作循环中都承受的扭转和弯曲应力较大，并且受力分布不匀，因此，在设计制造时需要考虑曲轴能承受较高的冲击、刚度大、抗拉强度、耐磨性好等。而且连杆颈的轴线相对于主轴颈的轴线不同心，轴颈的过度磨损和疲劳断裂是曲轴的主要失效形式，这给曲轴的加工质量提出的很高的要求，尤其是曲轴连杆颈部位的加工。

目前汽车用发动机的曲轴材质主要有球墨铸铁和钢两大类。主轴颈表面还需要进行高频淬火或者渗碳等热处理，最后经过精磨，获得较高的精度和表面质量。由于调质钢的曲轴成本是球墨铸铁曲轴成本的3倍左右，在加工时，球墨铸铁切削阻力小，各种理想的结构形状都易于实现加工，并且在机械加工后，对其进行各种表面热处理和强化处理就能实现和钢质一样的效果，从而实现曲轴产品的高硬度化、高抗疲劳强度化、耐磨性强的特点。因此，球墨铸铁材料在曲轴的生产加工中，国内外都的使用都较为广泛。据数据显示统计，车用发动机曲轴采用球墨铸铁材质的比例在日本、英国、美国分别为85%、60%和90%，另外，其他一些国家，例如比利时、德国等也在大批量最为常用材质生产加工。球墨铸铁曲轴在我国的加工中使用比例也

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在日趋增长，160kW功率以上的发动机才采用锻钢，而中小型功率的发动机85%以上采用球墨铸铁。

作为发动机最重要的构件之一，曲轴通常由主轴颈、曲柄、连杆轴颈、平衡块以及前后端组成。一个曲拐由单个主轴颈、曲柄和连杆颈构成。V型发动机上气缸数的一半是曲轴曲拐数。直列式发动机气缸数等于曲拐数量，

目前，国内外曲轴轴颈和连杆轴颈的加工工艺，主要经历了以下几个阶段的演变：传统的曲轴主轴颈和连杆轴颈的车削工艺，生产效率和自动化程度相对较低，多刀车床车削加工作为粗加工，生产的产品质量稳定性、尺寸的一致性差，质量不稳定，并且产生的内应力较大，不易留好合适的精加工余量，对于内应力较大的工件，还需要进行回火热处理来消除内应力，加工较为繁琐。第二阶段为数控车、外铣加工阶段，此阶段加工设备价格相对便宜，刀具简单，但生产规模较小，适合小批量生产。第三阶段为数控内铣阶段，此阶段加工时，性能比外铣好，对于加工锻钢类的曲轴工件，内铣加工时切屑易断，加工刚性好，但是设备成本较高，刀具投入费用较多，主要用于大批量生产。第四阶段为数控车——车拉阶段，此阶段的机械加工形式有：直线车拉方式、外环刀具旋转和内环刀具旋转车拉工艺。在国外该技术大量用于半精加工曲轴的主轴颈和连杆轴颈。优点是对宽轴径可以进行分层加工，切削精度高、效率高，加工质量稳定，加工后的曲轴直接进行精磨，可以节省粗磨工序。但该工艺刀具结构复杂，技术含量高，长期依赖进口。CNC高速外铣工艺，该工艺加工精度高，柔性化程度高，但设备价格昂贵。

目前我国曲轴加工工艺主要是由普通机床和专用机床组成，自动化程度和生产效率相对较低。高端的曲轴加工设备主要还是依赖于进口设备，这就增加了曲轴加工的成本。曲轴复合加工车床是一种以加工连杆颈和轴颈为主的新型机床。该机床的设计集多种功能于一体，具有广阔的前景，对其进行结构改进和操作研究将有利于改善曲轴的加工质量，提高我国曲轴加工水平。

曲轴加工复合车床是通过随动车削的方式对连杆轴颈进行车削加工。机床采用平行四边形刀架的机构来实现随动车削。通过对车削的过程进行分析，可以得到一个圆为刀尖点的运动轨迹，此圆的半径为连杆侧臂的长度，由此将平行四边形机构作为刀具运动的执行机构。接着对刀尖点的相对运动进行进一步研究，利用软件对曲轴和刀架机构组成的系统进行仿真，当刀架机构和曲轴的转动同步时，得到了刀尖点相对曲轴连杆轴颈的运动轨迹为圆周运动，且半径等于轴颈的半径。

车辆的制造水平作为一个国家机械装备行业能力的体现，而曲轴作为车辆发动机的关键部件，其机械加工质量的高低能反映出装备制造工业的发展状况。近几年，我国的汽车市场不断扩大，配件生产需求越来越多，因此需要大力发展制造、装备行业，积极学习和掌握国外的先进制造技术，加大技术和设备投入力度，创新攻关高、精、尖端制造技术，缩小与国外发达国家先进加工技术的距离，这对我国汽车制造行业的发和国家整体实力的提升都具有十分重要的意义。目前，世界各国对汽车制造以及车辆的质量提升都十分重视，作为发动机的关键部件曲

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轴的加工工艺要求不断的改进，设计改进新型加工设备。而我国国内大多曲轴制造技术还比较薄弱，高端曲轴加工设备还依赖于进口，这些昂贵的设备和技术导致了我国曲轴产品成本大幅提高。因此，对于我们而言，更应该认识到形势的紧迫性，不断提高曲轴加工工艺和改进加工设备的自主创新，整体提高曲轴加工的制造技术水平，创立自主的曲轴加工技术民族品牌，将有利于推动整个曲轴加工的水平，增强国际竞争力。 参考文献

[1]曲轴设计制造工艺与安装维修技术及质量检验标准规范（上卷）.机械工业出版社，2007，8.