通用機床加工大型單拐曲軸的工藝分析

李 麒

(常州寶菱重工機械有限公司，江蘇 常州 213019)

1 概 述

在大型煉鋼設備、船用設備的傳動部件中，通常會應用大型曲軸，如圖1所示；其作為主要核心零部件，裝上連桿后，承接連桿的上、下(往復)運動變成循環(旋轉)運動。

大型曲軸承受著彎曲、扭轉、剪切和拉壓等交變應力的作用，受力狀態十分惡劣，曲軸本身結構復雜，加工難度較大。

在飛剪設備中，就出現了如圖2所示的大型單拐曲軸，其能否成功的制作，關鍵在于其核心的工藝流程和制作要領。

圖1 各種常用曲軸圖

圖2 單拐曲軸的外形

圖3 單拐曲軸的技術參數圖

2 加工難點分析

如圖2所示的曲軸結構復雜、緊湊、裝配精度要求高，尤其是作為以傳遞載荷為主的傳動曲軸，是飛剪重要的零部件之一，主要承受連桿傳來的力矩，并將其轉變為轉矩通過曲軸輸出，曲軸受到旋轉質量的離心力、周期變化的氣體慣性力和往復慣性力的共同作用，使曲軸承受彎曲扭轉載荷的作用。因此要求曲軸有足夠的強度和剛度，軸頸表面需耐磨及確保曲軸工作均勻，有足夠的平衡性。

該曲軸重量重，偏重多，偏心量也大，結構相對復雜，因此加工難度大。為了保證整個飛剪的剪切精度及使用壽命，對傳動曲軸的加工制造就需要有著嚴格的技術控制要求。

該曲軸的最大直徑為Φ1090 mm， 長度為4780 mm，有兩個偏心部位，一處偏心量20 mm，一處偏心量270 mm，重量15.8噸，由于曲軸的最大偏心大，由此造成刀鼓的偏重比較大，加工難度高，從曲軸的參數分析可知：曲軸的主要加工難度是裝軸承的兩個軸頸Φ1090 mm，偏心最大處的兩個Φ630 mm以及各處外圓的尺寸及形位公差，如圖3所示。

3 加工工藝流程分析

專業的曲軸加工公司，有著相對專業的加工設備，但是無法滿足該曲軸的制作要求。結合其技術特點、技術參數，制訂規范、合理的曲軸加工工藝流程，實現了利用現有普通設備(普通車床、數控車床、磨床等通用設備)解決制作難點，主要工藝流程如下：

鍛造毛坯—粗加工—UT—熱處理調質—半精車—配重—精車—粗磨外圓—檢測偏心—精磨外圓—平兩端面，鉆小偏心中心孔—數控精車兩端偏心外圓—銑軸頸鍵槽(及加工螺紋)—成品檢驗。

針對曲軸制造過程，從材料、熱處理、制造難點等方面逐個進行可行性分析。主要加工難點有：毛坯鍛造、熱處理、機加工偏心精度以及大偏心量引起的偏重問題。

3.1 毛坯鍛造

毛坯的質量對傳動曲軸生產使用會產生重要的影響，針對鍛造質量提出嚴格的要求。該曲軸的材質為50CrMo，鍛造時通過熱處理多道鍛模，鍛成單拐平面狀，在紅熱狀態下最后一道工序將拐擰轉到相應的角度，毛坯制造商必須提供如下完整記錄：

化學成分分析表、機械性能試驗報告、無損探傷檢驗報告、尺寸檢驗報告、全部熱處理報告、機械性能試驗報告；此類報告對曲軸后續的熱處理、機械加工有很大的幫助。

針對該曲軸偏心量的特點，左端Ф598.36 mm外圓及右端Ф1010 mm外圓考慮工藝長度余量，確保偏心中心孔的制作。

3.2 粗加工

在數控龍門上找出曲軸的中心，一次性完成中心孔的制作，確保偏心精度。車床加工時，依據同一軸心線，分別進行車削加工。刀具主要采用特固克CNMG120408RNKCP40，主偏角為80°的重型斷續加工硬質合金刀片。

在粗加工的時候，充分考慮熱處理變形，粗加工中預留單邊15 mm的后續余量(左端Ф598.36 mm外圓除外，考慮工藝余量)，兩端長度方向留有中心孔加工余量。

在工件配重平衡的前提下，首先加工車主軸頸外圓及長度；其次，在車床卡盤處搭配重塊，車偏心距270 mm各外圓。

曲軸的粗加工示意圖如圖4所示。

圖4 曲軸的粗加工示意圖

3.3 熱處理

傳動曲軸的材質是50CrMo，技術要求為屈服強度490 MPa，抗拉強度690～840 MPa，延伸率15%，沖擊功31 J。其執行的熱處理工藝如圖5所示，確保晶粒細化、均勻，從而達到更好的機械性能；熱處理后，調質硬度為35～40 HSD。

圖5 傳動曲軸的熱處理工藝圖

在熱處理過程中，根據經驗，曲軸圓周單邊余量為15 mm；另外在具體熱處理實施時，采取了以下措施，防止變形過大，如圖6所示。

(1)為有效控制變形，在曲軸突出臺階處焊接圓棒做支撐，熱處理在焊接前注意用測溫槍檢測焊接部位溫度，確保預熱充分。

(2)采用井式爐熱處理，在軸向中心軸線上打吊裝孔，起吊用垂直式，盡量避免較大的變形，影響后續加工。

(3)熱處理在淬火出油后，用拉絲的方式測變形，在回火過程中加以控制。

(4)在回火過程中，放置在設計的專用工裝上，對變形加以控制。

圖6 熱處理防止變形圖

3.4 精加工

修磨精加工中心孔是關鍵工序，在數控龍門修兩端中心孔(主軸頸、偏心距270 mm)，兩端中心孔應盡量做到孔軸線相互重合，中心孔的錐角要準確，與頂尖的接觸面積要大，表面粗糙度要小，否則裝夾于兩頂尖間的傳動曲軸在加工過程中將因接觸剛度的變化而出現圓度誤差。

中心孔修磨時用程序走75°錐度，再用75°中心鉆修整，確保中心孔偏心距和粗糙度。在磨削加工之前，修研中心孔工序，以消除誤差，保證兩端中心孔的精度。

精加工車削刀具采用特固克CNMG120408MTTT8115，主偏角為5°硬質合金刀片，切削參數為：V=150～250 m/min，f=0.1～0.3 mm/rev；在半精車時單邊留3 mm的后續余量，在精車時單邊留0.5～0.7mm的后續粗、精磨余量。

另外，工件磨削前的平衡精度將決定曲軸尺寸和形狀位置精度以及表面粗糙度。

曲軸的半精(精)加工示意圖如圖7所示。

圖7 曲軸的半精(精)加工示意圖

傳動曲軸的偏心量270 mm很大，預先借助三維軟件計算配重塊的外形尺寸及重量，通過模擬，曲軸兩端的若干圓形偏心塊作靜平衡配重計算，靜平衡配重分別為曲軸中間軸軸線水平面下的若干圓形偏心塊重量與曲軸中間軸軸線水平面上的若干圓形偏心塊重量之差。

3.5 偏重、配重

根據靜平衡配重計算結果分別制作曲軸兩端的配重塊，使曲軸中間配重后中心與曲軸中間零件中心線兩個方向偏差均在0.1 mm之內，配重塊分別安裝在曲軸兩端非加工面，并與曲軸兩端偏重重心平衡，啟動機床試切曲軸中間軸外圓，圓度≤0.04 mm時，即可進行曲軸的加工，保證傳動曲軸尺寸及形位公差滿足技術要求。

4 結束語

通過對材料、熱處理及工裝、工具的合理選用，實現了采用通用設備完成大型曲軸的加工并滿足了設計及裝配要求，為以后加工制造該類大型單拐曲軸積累了加工經驗。