曲轴加工工艺

发布日期：2021-07-07 作者：西安海翔机电点击：

曲轴是发动机中最重要的部件。它承受连杆传来的力，并将其转变为转矩通过曲轴输出并驱动发动机上其他附件工作。曲轴受到旋转质量的离心力、周期变化的气体惯性力和往复惯性力的共同作用，使曲轴承受弯曲扭转载荷的作用。因此要求曲轴有足够的强度和刚度，轴颈表面需耐磨、工作均匀、平衡性好。

为减小曲轴质量及运动时所产生的离心力，曲轴轴颈往往作成中空的。在每个轴颈表面上都开有油孔，以便将机油引入或引出，用以润滑轴颈表面。为减少应力集中，主轴颈、曲柄销与曲柄臂的连接处都采用过渡圆弧连接。

曲轴平衡重（也称配重）的作用是为了平衡旋转离心力及其力矩，有时也可平衡往复惯性力及其力矩。当这些力和力矩自身达到平衡时，平衡重还可用来减轻主轴承的负荷。平衡重的数目、尺寸和安置位置要根据发动机的气缸数、气缸排列形式及曲轴形状等因素来考虑。平衡重一般与曲轴铸造或锻造成一体，大功率柴油机平衡重与曲轴分开制造，然后用螺栓连接在一起。

1 关于曲轴毛坯的材料

曲轴主要有两种材料类型，一种是钢制曲轴，一种是球墨铸铁曲轴。钢制曲轴主要是钢的材料决定了曲轴的主要质量，另外就是加工工艺和加工精度，钢制曲轴一般都使用圆角滚压工艺。曲轴行业精度是肉眼看不出来的。球墨铸铁曲轴除使用圆角滚压工艺外，还要进行氮化处理，氮化处理过的曲轴颜色发乌。一般人员买曲轴建议买发动机厂家原装的，基本可以保证质量。挑选时只要注意在曲径部分不要有沙眼、拉痕等就可以了，一般都不会出问题。

材料球磨铸铁

材料：合金钢

备注：锻钢材料一般为中碳钢和中碳低合金钢,如45钢、53钢、35CrMo、40Cr等。球铁曲轴牌号有QT600 - 3、QT700 - 2、QT800 - 2、QT900-2、QT900-5。

毛坯铸造技术：

熔炼

对于高牌号铸铁的熔化，将采用大容量中频炉进行熔炼或变频中频炉熔炼，并采用直读光谱仪检测铁水成分。球墨铸铁处理采用转包，研制新品种球化剂，采用随流孕育、型内孕育及复合孕育等先进孕育方法。熔化过程的各参数实现微机控制和屏幕显示。

上图：合模下图：浇注

造型

消失模铸造将得到发展和推广。在砂型铸造中，无箱射压造型和挤压造型将受到重视并继续在新建厂或改建厂中推广应用。原有的高压造型线将继续使用，其中部分关键元件将得到改进，实现自动组芯和下芯。

左图：组芯 |右图：涂料喷涂 | 下图：检芯

2 曲轴工艺及刀具选定要素

曲轴结构：

CNC内铣不能加工轴颈有沉割槽；CNC高速外铣不能加工轴向沉割槽，车拉(含车－车拉)能加工。
当曲轴的轴颈无沉割槽时，几种工艺都能加工。
当曲轴的平衡块侧面不用加工时，CNC车拉(含车－车拉)加工循环时间与CNC内铣相差无几。
当曲轴的平衡块侧面要加工时，CNC内铣的加工循环时间大大优于CNC车拉(含车－车拉)。
在曲轴的平衡块侧面要加工的情况下，采用车拉(含车－车拉)工艺，由于加工平衡块侧面是断续切削，且曲轴转速又很高(约1000r/min)，打刀现象比较严重，采用车拉工艺加工曲轴平衡块侧面很不合理。

其他要素：

主轴颈加工：只有在年产纲领为150,000件以下，以及平衡块侧面不加工的情况下采用CNC车削才是合理的方案；但这里尚需说明一点，平衡块侧面要加工及轴颈无沉割槽的情况下，年生产纲领为150,000件，采用CNC车削的设备价格与CNC内铣(双刀盘)的设备价格很接近，所以这种情况下采用CNC车削工艺亦可。
连杆轴颈加工：只有在平衡块侧面要加工及轴颈无沉割槽的情况下采用CNC内铣，才是合理的方案。
当曲轴平衡块侧面要加工且轴颈无沉割槽的情况下，CNC内铣加工工艺方案比CNC车拉(含车－车拉)更加经济。曲轴平衡块侧面不用加工且轴颈有沉割槽的情况下，CNC车拉(含车－车拉)加工工艺方案比CNC内铣更为经济。
当年产纲领为300,000台以及曲轴衡块侧面要加工时，曲轴的主轴颈和连杆轴颈粗加工采用CNC高速外铣方案最为经济。

延伸阅读：什么是曲轴车-车-拉？

车－车拉比CNC高速外铣及CNC内铣加工精度高。
在曲轴的平衡块侧面要加工的情况下，采用车拉(含车－车拉)工艺，由於加工平衡块侧面是断续切削，且曲轴转速又很高(约1000r/min)，在这种切削工况条件下，打刀现象比较严重，采用车拉工艺加工曲轴平衡块侧面很不合理。
当曲轴平衡块侧面不用加工，且轴颈有沉割槽的情况下，CNC车拉(含车－车拉)加工工艺方案最适合；当曲轴的平衡块侧面不用加工时，车－车拉加工循环时间与CNC内铣相差无几。

简述工艺路线：

中心孔加工

主轴颈加工

连杆径加工

中清洗（水溶性）

热处理加工

滚压校直

磨削止推面+法兰径

磨削主轴颈/连杆颈（精磨+粗磨）

孔系加工（各螺纹孔径/铰孔等）

动平衡孔加工

连杆颈+主轴颈+法兰（抛光加工）

终清洗（油性）

终检（成品打标下线）

关于曲轴热处理工艺

热处理示意图

连杆轴径表面淬火和回火。
法兰轴径表面淬火和回火。
主轴轴径表面淬火和回火。

曲轴的淬火与回火

淬火工艺和目的

将工件加热到奥氏体化温度并保持一定时间，然后以大于临界冷却速度冷却，以获得马氏体组织的热处理工艺。
目的提高工件硬度高，耐磨性

低温回火工艺和目的

将淬火后的钢，再加热250℃保温后冷却下来的热处理工艺。
目的是保持淬火工件高的硬度和耐磨性，降低淬火残留应力和脆性。

感应淬火原理

感应加热表面淬火是利用电磁感应的原理，使工件表层产生涡流而被迅速加热，进行淬火的方法。感应加热的原理是把钢制工件放在用紫铜管制成的感应器内通入交变电流，产生交变磁场。由于电磁感应，在工件内将产生和感应器内的电流频率相同，方向相反的感应电流~~~~涡流。

由于肌肤效应，涡流在工件截面上的分布是不均匀的，表面的电流密度越大，中心的电流密度越小。交变电流的频率越高，趋肤效应越显著，感应加热的深度越浅，由于工件本身有电阻，根据焦耳~~~楞次定律，集中于工件表层的涡流产生的电阻热，使工件表层迅速被加热到淬火温度，而芯部温度基本不变。在随即进行喷水（合金钢浸油）冷却后，工件表层被淬硬，实现了感应加热表面淬火。