圖1 多刀盤車-車拉
目前，曲軸加工技術已向高速、高效、復合化方向發(fā)展，而應用較為廣泛的加工工藝是內(nèi)銑、車-車拉及高速外銑三種。由于各種工藝都有其優(yōu)缺點和適用領域，因此，應根據(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)動機中最重要的零件之一，也是發(fā)動機中承受負荷最大的零件。發(fā)動機工作時，通過曲軸把活塞和連桿的直線往復運動轉(zhuǎn)變?yōu)樾D(zhuǎn)運動并輸出功率。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度。由于曲軸是在高轉(zhuǎn)速、高交變載荷下工作，因此有較嚴格的技術條件、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
曲軸軸頸粗加工技術在20世紀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行車削或通過偏心裝夾對相同相位連桿軸頸進行多刀車削等。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)控車床對軸頸進行粗加工。這種工藝消除了多刀車削的缺點，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。當時，外銑刀具與工件的轉(zhuǎn)速都較高，工件旋轉(zhuǎn)實現(xiàn)圓周進給而刀具旋轉(zhuǎn)并緩慢徑向進給，對軸頸進行圓周銑削。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)銑的獨特優(yōu)點，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，并可采用CNC控制，所以目前大排量汽車發(fā)動機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80年代，隨著CNC技術的發(fā)展與普及，CNC車拉及車-車拉工藝得到快速推廣。這兩種工藝加工精度和生產(chǎn)效率較高，可以實現(xiàn)沉割槽的加工，目前廣泛用于中小排量發(fā)動機曲軸的軸頸粗加工，并可省去粗磨工序，軸頸直接進入精磨。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)過多次裝卡才能實現(xiàn)不同相位角的軸頸加工。圖1所示為多刀盤車-車拉加工。
20世紀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)，并沿徑向進給到加工尺寸，工件慢速旋轉(zhuǎn)一周作圓周進給，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
幾種加工方法特點分析
曲軸加工技術已向高速、高效、復合化方向發(fā)展，目前應用比較廣泛的是內(nèi)銑、車-車拉及高速外銑三種工藝。其不同特點和優(yōu)勢主要表現(xiàn)在：
1. 車-車拉
車-車拉采用圓盤形車-車拉刀具對軸頸及止推面進行加工，其特點包括：
（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行優(yōu)化，選擇最適宜的刀具材料。
（4）車-車拉設備的數(shù)控系統(tǒng)除控制回轉(zhuǎn)和徑向坐標外，還可控制軸向坐標，可以加工帶軸向沉割槽的工件。
車-車拉機床生產(chǎn)效率高、加工精度好、柔性強、自動化程度高且換刀時間短，加工后曲軸可直接進行精磨，省去了粗磨工序。但是，如果加工平衡塊的側(cè)面，當車拉刀快速前進靠近曲軸時，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-車拉加工時存在的問題。
目前，用車-車拉加工曲軸平衡塊側(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，這會導致刀具不正常的消耗和刀具費用的增加。尤其是在毛坯質(zhì)量不好、加工余量很大的情況下，不應采用車-車拉工藝加工曲軸的平衡塊側(cè)面。
2. 高速外銑
數(shù)控高速曲軸外銑工藝的優(yōu)點是：切削速度高（可以達到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，工件作圓周進給慢速旋轉(zhuǎn)，而圓盤外銑刀作高速切削并徑向進給。工件的慢速運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。刀盤作徑向進給到預定深度，工件慢速回轉(zhuǎn)一圈即完成一個軸頸的加工。機床采用CNC控制，通過一個快速獨立的刀具控制和相應的程序調(diào)整，可以在一臺機床上加工不同缸數(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可以看出，每種工藝都有其優(yōu)缺點和適用領域，應該根據(jù)產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)選用或組合選用不同的工藝方法。
1. 當曲軸平衡塊側(cè)面需要加工時，主軸頸加工應優(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-車拉工藝不宜采用，因為平衡塊側(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-車拉，加工精度高。由于連桿頸軸線不在一條中心線上，用車-車拉加工會導致機床數(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-車拉可體現(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，應該采用車-車拉進行加工。
以上設備應采用獨立雙刀盤、模塊化刀具系統(tǒng)，在提高生產(chǎn)效率的同時實現(xiàn)柔性化加工。
國產(chǎn)曲軸軸頸粗加工設備的現(xiàn)狀
近年來，我國裝備制造廠的技術水平有了很大的發(fā)展和進步，開發(fā)了一些發(fā)動機曲軸粗加工所需要的設備，如數(shù)控曲軸內(nèi)銑機床、數(shù)控曲軸油孔鉆機床等。但是從發(fā)動機制造廠的角度來看，目前國內(nèi)設備還難以滿足現(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)動機生產(chǎn)廠中，進口設備所占比例較高。國產(chǎn)設備的差距主要表現(xiàn)在：同樣類型的機床，性能方面存在差距； 有些先進制造工藝所需要的裝備國產(chǎn)設備尚不成熟，如用于曲軸軸頸加工的車-車拉機床等；國內(nèi)設備在生產(chǎn)效率與可靠性方面不如國外設備，在精度方面不能滿足產(chǎn)品的要求，通過Cmk值驗收困難；國產(chǎn)設備故障率高，MTBF（機床能力指數(shù)）為500h左右，而國外設備均在1 000h以上。
鑒于發(fā)動機在整車中的重要性，且發(fā)動機主要零件結(jié)構(gòu)復雜、精度高，國產(chǎn)設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)動機制造關鍵技術與裝備來提升我國汽車制造技術水平和國內(nèi)自主制造設備的能力，徹底改變在發(fā)動機主要零件生產(chǎn)線以引進設備為主的現(xiàn)狀仍然是十分必要的。