圖1 多刀盤車-車?yán)?/p>
目前，曲軸加工技術(shù)已向高速、高效、復(fù)合化方向發(fā)展，而應(yīng)用較為廣泛的加工工藝是內(nèi)銑、車-車?yán)案咚偻忏娙N。由于各種工藝都有其優(yōu)缺點(diǎn)和適用領(lǐng)域，因此，應(yīng)根據(jù)產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)選用或組合選用不同的工藝方法，從而保證產(chǎn)品高質(zhì)、高效生產(chǎn)。
曲軸是發(fā)動機(jī)中最重要的零件之一，也是發(fā)動機(jī)中承受負(fù)荷最大的零件。發(fā)動機(jī)工作時，通過曲軸把活塞和連桿的直線往復(fù)運(yùn)動轉(zhuǎn)變?yōu)樾D(zhuǎn)運(yùn)動并輸出功率。曲軸工作時要承受巨大的熱沖擊荷載和多種力的綜合作用，因此曲軸需要具有較高的強(qiáng)度。由于曲軸是在高轉(zhuǎn)速、高交變載荷下工作，因此有較嚴(yán)格的技術(shù)條件、形位公差以及尺寸精度，如對材料、軸頸表面硬度、動平衡及抗彎曲能力等方面都有較高要求。然而，曲軸的結(jié)構(gòu)復(fù)雜、剛性差，尤其是主軸頸與連桿軸頸重疊系統(tǒng)小的曲軸，給加工帶來難度。
曲軸的形位公差、尺寸精度以及技術(shù)要求，主要集中在曲軸的主軸頸和連桿軸頸上，因此，這兩種軸頸的加工工藝構(gòu)成了曲軸加工技術(shù)的主要內(nèi)容。下面我們著重討論曲軸軸頸的粗加工工藝方法。
曲軸軸頸粗加工技術(shù)
曲軸軸頸粗加工技術(shù)在20世紀(jì)70年代之前主要為多刀車削，包括：用于主軸頸車削的中間傳動全軸頸多刀車削，可以同時對各主軸頸進(jìn)行多刀加工；用于連桿軸頸車削的雙頭傳動仿形多刀車削，可以對各相位連桿軸頸進(jìn)行車削或通過偏心裝夾對相同相位連桿軸頸進(jìn)行多刀車削等。這種切削方法因加工精度低、切削力大，容易造成工件變形，應(yīng)力增加，以及柔性差等，目前已經(jīng)基本不被采用。
隨著數(shù)控車床的出現(xiàn)，可以采用數(shù)控車床對軸頸進(jìn)行粗加工。這種工藝消除了多刀車削的缺點(diǎn)，但在加工曲柄側(cè)面時為斷續(xù)切削，對刀具的壽命不利，因而也限制了切削用量的提高。由于這種工藝是單刀切削，生產(chǎn)效率較低，目前在連桿軸頸及主軸頸的粗加工中也已經(jīng)很少被使用，但在曲軸大、小頭其他軸頸的粗加工中仍被采用。
20世紀(jì)六、七十年代，德國的Heller、日本小松等公司開發(fā)出軸頸外銑工藝。當(dāng)時，外銑刀具與工件的轉(zhuǎn)速都較高，工件旋轉(zhuǎn)實(shí)現(xiàn)圓周進(jìn)給而刀具旋轉(zhuǎn)并緩慢徑向進(jìn)給，對軸頸進(jìn)行圓周銑削。之后，德國伯林格等公司又推出了內(nèi)銑工藝，內(nèi)銑有工件回轉(zhuǎn)及工件不動兩種工藝方法。內(nèi)銑在刀盤夾持力、切削平穩(wěn)性方面都優(yōu)于當(dāng)時的外銑，因而外銑工藝逐漸被內(nèi)銑所取代。由于內(nèi)銑的獨(dú)特優(yōu)點(diǎn)，尤其是在加工過程中工件可以保持不動，通過采用高剛性的支撐，使工件在加工過程中剛性增強(qiáng)，并可采用CNC控制，所以目前大排量汽車發(fā)動機(jī)曲軸軸頸的粗加工仍將內(nèi)銑工藝作為首選，尤其對鍛鋼曲軸，內(nèi)銑更有利于斷屑。
20世紀(jì)80年代，隨著CNC技術(shù)的發(fā)展與普及，CNC車?yán)败?車?yán)に嚨玫娇焖偻茝V。這兩種工藝加工精度和生產(chǎn)效率較高，可以實(shí)現(xiàn)沉割槽的加工，目前廣泛用于中小排量發(fā)動機(jī)曲軸的軸頸粗加工，并可省去粗磨工序，軸頸直接進(jìn)入精磨。但連桿頸和主軸頸不能在同一工序?qū)崿F(xiàn)加工，要分別在兩臺機(jī)床上完成，且連桿頸加工由于相位角不同，要經(jīng)過多次裝卡才能實(shí)現(xiàn)不同相位角的軸頸加工。圖1所示為多刀盤車-車?yán)庸ぁ?/p>
20世紀(jì)90年代，CNC高速外銑被開發(fā)出來。這種工藝是裝有多個刀齒的圓盤銑刀高速旋轉(zhuǎn)，并沿徑向進(jìn)給到加工尺寸，工件慢速旋轉(zhuǎn)一周作圓周進(jìn)給，即可完成一個軸頸的加工。這種工藝可以用兩個刀盤分別對連桿軸頸和主軸頸進(jìn)行加工，刀具切削速度快，不同相位角的連桿頸一次安裝就可完成加工，節(jié)省了工件裝卡和上下料時間，具有很高的生產(chǎn)效率和柔性，因此目前已愈來愈多地用于曲軸軸頸的粗加工中。圖2所示為雙刀盤高速外銑加工。
圖2 雙刀盤高速外銑
幾種加工方法特點(diǎn)分析
曲軸加工技術(shù)已向高速、高效、復(fù)合化方向發(fā)展，目前應(yīng)用比較廣泛的是內(nèi)銑、車-車?yán)案咚偻忏娙N工藝。其不同特點(diǎn)和優(yōu)勢主要表現(xiàn)在：
1. 車-車?yán)?/strong>
車-車?yán)捎脠A盤形車-車?yán)毒邔S頸及止推面進(jìn)行加工，其特點(diǎn)包括：
（1）每一瞬間只有一把刀具與工件接觸，每個刀片在工件高速旋轉(zhuǎn)下切削的金屬很薄，約0.4～0.6mm，因而切削力小，工件彎曲變形也小，且切削平穩(wěn)、加工精度高、表面精度好。
（2）在加工一個工件的循環(huán)中，每把刀只與工件接觸一次，因此刀具壽命長，每個刀片可加工4 000～5 000個工件。
（3）整個加工采用多刀片完成，可以根據(jù)不同工件、材料及用途對刀片布置進(jìn)行優(yōu)化，選擇最適宜的刀具材料。
（4）車-車?yán)O(shè)備的數(shù)控系統(tǒng)除控制回轉(zhuǎn)和徑向坐標(biāo)外，還可控制軸向坐標(biāo)，可以加工帶軸向沉割槽的工件。
車-車?yán)瓩C(jī)床生產(chǎn)效率高、加工精度好、柔性強(qiáng)、自動化程度高且換刀時間短，加工后曲軸可直接進(jìn)行精磨，省去了粗磨工序。但是，如果加工平衡塊的側(cè)面，當(dāng)車?yán)犊焖偾斑M(jìn)靠近曲軸時，首先加工曲軸的平衡塊側(cè)面。由于平衡塊側(cè)面是斷續(xù)表面，所以加工是斷續(xù)切削，當(dāng)加工到曲軸的凸肩到軸頸外圓時才是連續(xù)表面，而曲軸的轉(zhuǎn)速較高，刀具受到較大的沖擊力，會很快就被打壞，這就是平衡塊側(cè)面需要加工的曲軸采用車-車?yán)庸r存在的問題。
目前，用車-車?yán)庸でS平衡塊側(cè)面及軸頸時，國外都采用增加刀片數(shù)量的方法來解決問題，這會導(dǎo)致刀具不正常的消耗和刀具費(fèi)用的增加。尤其是在毛坯質(zhì)量不好、加工余量很大的情況下，不應(yīng)采用車-車?yán)に嚰庸でS的平衡塊側(cè)面。
2. 高速外銑
數(shù)控高速曲軸外銑工藝的優(yōu)點(diǎn)是：切削速度高（可以達(dá)到350m/min）、切削時間短、工序循環(huán)時間短、切削力較小、工件溫升較低、刀具壽命高、換刀次數(shù)少以及加工精度高，且柔性更好。
采用高速外銑加工時，工件作圓周進(jìn)給慢速旋轉(zhuǎn)，而圓盤外銑刀作高速切削并徑向進(jìn)給。工件的慢速運(yùn)動減少了工件不平衡質(zhì)量的動態(tài)干擾影響。而圓盤刀具進(jìn)行高速切削，每個刀片切削力小，可以獲得較好的精度。刀盤作徑向進(jìn)給到預(yù)定深度，工件慢速回轉(zhuǎn)一圈即完成一個軸頸的加工。機(jī)床采用CNC控制，通過一個快速獨(dú)立的刀具控制和相應(yīng)的程序調(diào)整，可以在一臺機(jī)床上加工不同缸數(shù)曲軸的不同相位角的連桿軸頸。采用雙刀盤高速外銑機(jī)床，可以同時用一個刀盤銑主軸頸，而另一個刀盤銑連桿軸頸，是一種高效、高柔性的工藝方法。
3.內(nèi)銑
內(nèi)銑加工的切削過程設(shè)置在環(huán)狀刀盤的里面，通過加工刀具繞固定工件旋轉(zhuǎn)達(dá)到去除材料的目的。在整個加工過程中工件的位置是固定的，支撐條件良好。這種剛度條件使工件能夠吸收大的切削力和承受高的材料去除率，因此，內(nèi)銑更適合需要大量去除材料工件的粗加工，在商用車或大型發(fā)動機(jī)的曲軸、曲軸加工面較大的情況下使用得較為普遍。
內(nèi)銑加工的生產(chǎn)效率比較高，采用多刀銑削，可以在一次裝夾中完成所有主軸頸的加工。在連桿軸頸的加工過程中，材料的去除比較少，往往用高速外銑代替內(nèi)銑。
不同加工工藝的加工精度對比見表。
曲軸粗加工工藝方法的選用
通過分析目前廣泛采用的三種工藝方法的特點(diǎn)可以看出，每種工藝都有其優(yōu)缺點(diǎn)和適用領(lǐng)域，應(yīng)該根據(jù)產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)選用或組合選用不同的工藝方法。
1. 當(dāng)曲軸平衡塊側(cè)面需要加工時，主軸頸加工應(yīng)優(yōu)先選用CNC內(nèi)銑或CNC高速外銑，連桿頸的加工采用CNC高速外銑。如果毛坯是鍛鋼毛坯，CNC內(nèi)銑更有利于斷屑。CNC車-車?yán)に嚥灰瞬捎茫驗(yàn)槠胶鈮K側(cè)面是斷續(xù)車削，曲軸轉(zhuǎn)速又很高（約1 000r/min），崩刀現(xiàn)象比較嚴(yán)重。
2. 如果曲軸平衡塊側(cè)面不需要加工，主軸頸加工選用CNC車-車?yán)?，加工精度高。由于連桿頸軸線不在一條中心線上，用車-車?yán)庸?dǎo)致機(jī)床數(shù)量增加，可以采用CNC高速外銑或內(nèi)銑。
3. 對于軸頸有沉割槽的曲軸，CNC車-車?yán)审w現(xiàn)出優(yōu)越性，如果曲軸有軸向沉割槽，CNC高速外銑和CNC內(nèi)銑不能加工，應(yīng)該采用車-車?yán)M(jìn)行加工。
以上設(shè)備應(yīng)采用獨(dú)立雙刀盤、模塊化刀具系統(tǒng)，在提高生產(chǎn)效率的同時實(shí)現(xiàn)柔性化加工。
國產(chǎn)曲軸軸頸粗加工設(shè)備的現(xiàn)狀
近年來，我國裝備制造廠的技術(shù)水平有了很大的發(fā)展和進(jìn)步，開發(fā)了一些發(fā)動機(jī)曲軸粗加工所需要的設(shè)備，如數(shù)控曲軸內(nèi)銑機(jī)床、數(shù)控曲軸油孔鉆機(jī)床等。但是從發(fā)動機(jī)制造廠的角度來看，目前國內(nèi)設(shè)備還難以滿足現(xiàn)代制造業(yè)在精度、效率及可靠性等方面的要求。因此，目前在大規(guī)模的發(fā)動機(jī)生產(chǎn)廠中，進(jìn)口設(shè)備所占比例較高。國產(chǎn)設(shè)備的差距主要表現(xiàn)在：同樣類型的機(jī)床，性能方面存在差距； 有些先進(jìn)制造工藝所需要的裝備國產(chǎn)設(shè)備尚不成熟，如用于曲軸軸頸加工的車-車?yán)瓩C(jī)床等；國內(nèi)設(shè)備在生產(chǎn)效率與可靠性方面不如國外設(shè)備，在精度方面不能滿足產(chǎn)品的要求，通過Cmk值驗(yàn)收困難；國產(chǎn)設(shè)備故障率高，MTBF（機(jī)床能力指數(shù)）為500h左右，而國外設(shè)備均在1 000h以上。
鑒于發(fā)動機(jī)在整車中的重要性，且發(fā)動機(jī)主要零件結(jié)構(gòu)復(fù)雜、精度高，國產(chǎn)設(shè)備在以上幾方面的差距表現(xiàn)得較為突出。因此，通過提高發(fā)動機(jī)制造關(guān)鍵技術(shù)與裝備來提升我國汽車制造技術(shù)水平和國內(nèi)自主制造設(shè)備的能力，徹底改變在發(fā)動機(jī)主要零件生產(chǎn)線以引進(jìn)設(shè)備為主的現(xiàn)狀仍然是十分必要的。