雙轉子發動機偏心主軸高效精密車銑加工工藝應用

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1.雙轉子發動機總體結構特點

一般往復運動式發動機，工作時活塞在氣缸里做往復直線運動，為了把活塞的直線運動轉化為旋轉運動，必須使用曲柄連桿機構。轉子發動機是直接用燃燒產生的高壓氣體推動轉子旋轉的；它也有四個沖程，跟活塞往復式發動機一樣，也分進氣、壓縮、做功和排氣，但它并不是靠氣門的開閉來控制換氣，而是通過轉子自身對進、排氣口的掃氣進行換氣。與往復式發動機相比，轉子發動機取消了無用的直線運動，因而同樣功率的轉子發動機尺寸較小、質量較輕，而且振動和噪聲較低，具有較大優勢。

轉子發動機引擎每旋轉1周做功3次與一般的四沖程發動機旋轉兩周才做功1次相比，具有高馬力容積比的優點。轉子發動機不需要精密的曲軸平衡就能達到較高的運轉轉速，整個發動機只有兩個轉動部件，與一般的四沖程發動機具有進、排氣活門等20多個活動部件相比結構大大簡化。轉子發動機比普通活塞式發動機要輕很多，因而其具有運動慣性小、轉速提高快和油門響應快等特點。

如圖1所示的某低排量雙轉子發動機可實現8 000r/min的高轉速，產生180Ps（1Ps＝0.735kW）以上的強大動力，主要原因是發動機在一個沖程的時間內輸出軸每轉動一周，發動機要做3次功。而四沖程發動機的曲軸每轉兩周發動機才做1次功，所以在排量不變的情況下，動力輸出自然就成倍的提高。所謂雙轉子，就是把兩個轉子發動機串聯在一起，相當于多缸發動機把幾個汽缸串聯在一起，既能提高輸出功率，又能平衡旋轉時產生的震動。轉子發動機并不是提高了把熱能轉換成機械能的工作效率，而是相當于把V6發動機簡化。

圖1 雙轉子發動機總體布置

本三角形轉子發動機驅動軸采用了雙偏心機構，使得該發動機在和傳統的轉子發動機相同轉子形狀的情況下，工作室容積增加了近一倍，同時驅動軸的等效偏心量約為原來的2.17倍。這種轉子發動機在作為汽油機時燃燒室容積得到大幅提升，燃料燃燒更充分；作為柴油機時燃燒室又不至于太狹小，因此它能采用壓燃式。同時由于該發動機驅動軸的等效偏心量的成倍增加和燃氣壓力的上升使得該發動機輸出轉矩數倍增加，以滿足民用車輛的需要。轉子發動機可以用于輔助動力系統APU，起到發電的作用，這對于混合動力或者增程式電動車來說，有用武之地。如圖2所示為某雙轉子發動機核心部件及運動示意圖。

2.雙偏心主軸的結構特點分析

從圖3中可以看出，該雙偏心主軸有兩端面的外圓作為基準特征，偏心孔軸線需保證兩個偏心圓各自的同軸度。因此兩端面外圓和頂尖孔的精度是關鍵基準，需首先保證兩個端面的外圓同軸度，然后利用該外圓加工兩端面的各三處頂尖孔，各自頂尖孔的同軸度保證了必需的精度后，該偏心主軸的核心關鍵就保證了。其次是各工序余量的設計、各工序加工工藝基準及切削方案、切削參數的制定、熱處理制度的設計等。

雙偏心主軸的加工幾何精度要求很高，兩端面φ（66±0.01）mm的基準外圓的圓度控制在0.003mm，圓跳動要求為0.005mm，軸向圓跳動在0.005mm，端面的平行度要求為0.003mm，外圓的直線度0.003mm；工作部分兩處φ106±0.02mm偏心外圓的圓度為0.003mm，兩處偏心距為（20±0.02）mm；所有工作外圓的表面粗糙度要求0.4um，因此需要進行磨削，目前普通數控車削中心設備精度很難達到表面表面粗糙度要求。

材料熱處理要求大于32HRC以上，因此需要進行調質或者淬火熱處理工序。考慮到熱處理導致的變形及表面粗糙度要求，熱處理工序需安排在大余量加工之后，精密車削或者精密磨削之前進行；考慮各端面的跳動及精度要求，熱處理安排在精密車削之前，從而確保熱處理后采用精密車削和最終磨削能保證該雙偏心主軸的系統整體精度要求。

3.雙偏心主軸的材料性能選型

如表1和表2所示，為常用合金鋼的常溫和高溫力學性能對比，表3為常用合金鋼的價格對比表。高溫合金在航空發動機和燃氣輪機的渦輪葉片、葉盤、葉輪和機匣應用較廣泛，涉及到的高溫疲勞性能，GH4169常用于＞850～950℃的場合，GH1131常用于650～800℃的場合。高溫合金用于型號空氣舵舵軸成本高、周期長且切削性能差等；常溫抗拉強度性能與GH4169相比的材料有4Cr5MoSiv1（H13）、30CrMnSiA、40Cr、20CrMo、20Cr13和45CrMo等；用這些高強度合金鋼材料替代高溫合金，成本至少可以降低50%，且可大幅度節省制造周期。常用合金鋼與高溫合金在常溫和高溫性能的對比如下表1所示。

圖2 某雙轉子發動機核心部件及運動示意1.主軸 2.轉子 3.主軸齒輪 4.偏心連接柄齒輪 5.偏心連接柄

圖3 雙偏心主軸產品結構示意

其中4Cr5MoSiv1（美國牌號H13）為熱作模具鋼，在模具行業沖壓、高溫鍛造及高壓鑄造等場合應用非常多，性能非常好，價格便宜，比它略低的熱塑模具鋼是P20，在注塑模具場合應用極其廣泛；40Cr常用于汽車發動機曲軸、凸輪軸、連桿等，經調質后抗拉強度可達到980MPa，接近30CrMnSi，疲勞性能比30CrMnSi好；15CrMo/20CrMo常用于數控機床的主軸刀柄，經熱處理后強度可以達到1 800MPa，國內外應用非常廣泛，30CrMnSi這種材料歐美、日本基本不用，都是用20CrMo，價格非常便宜，常用合金鋼材料價格對比如表2所示。

42CrMo牌號合金材料具有強度高，淬透性高、韌性好和淬火變形小的特點，在高溫時有高的蠕變強度與持久強度等特點。常用于機車牽引大齒輪、增壓器傳遞齒輪、后軸、彈簧、發動機氣缸、受載荷較大的連桿及彈簧等零部件；也可用于1 200～2 000m石油鉆井桿接頭及打撈工具等。常規力學性能抗拉強度為1 158MPa，屈服強度為993MPa，延伸率16%，彈性模量212GPa，比熱容498J/kg·K，熱膨脹系數為13X10-6/K。價格較低：20～25元/kg（定制鍛件另議）；市場采購方便也較穩定；其淬透性好可實現φ80mm可靠性淬透；合金含量不高，切削加工性適中。

40CrA鋼是機械制造業使用最廣泛的鋼種之一。調制處理后，具有高的強度、良好的塑性和韌性、好的低溫沖擊韌性、低的缺口敏感性及高的疲勞強度。該鋼適合碳氫共滲和高頻淬火處理，表面淬火后可作負荷及耐磨性要求較高且無很大沖擊的零件；切削加工性能和淬透性尚好，但冷變形塑性和焊接性能較差。40CrA在航空工業中已長期用于制造在高速及小沖擊負荷下工作的零件，如齒輪、軸套、脹圈、凸輪及螺栓、銷等。40CrA鋼的冷變形塑性低，但熱壓力加工性能良好、焊接性能較差及切削加工性能良好。

常用合金鋼材料價格對比如表3所示。綜合考慮對比，決定優先選用40Cr合金鋼作為偏心主軸的材料進行制造攻關。

4.雙偏心主軸熱處理工藝制度

40Cr合金鋼雙偏心主軸經調質后具有良好的綜合力學性能，常用于中速、中載的零件，如機床齒輪、軸、蝸桿和花鍵軸等。其低溫沖擊性良好，缺口敏感性較低。40Cr合金調質鋼材料的抗拉強度、屈服強度及淬透性均比45#優質碳素結構鋼高很多。該材料有較高的疲勞強度和良好的韌性，有很好的淬透性，正火調質后切削加工性能良好。缺點是焊接性能不佳，容易產生裂紋，焊接之前要預熱到100～150℃；但是其焊接退火后可切削性也較好。

表1 常用合金鋼常溫力學性能對比表

表2 常用合金鋼高溫（500℃）力學性能對比表

表3 常用合金鋼材料價格對比表

表4 40Cr雙偏心主軸合金鋼熱處理規范

40Cr常用于汽車發動機曲軸、凸輪軸及連桿等，經調質后抗拉強度可達到980MPa，接近30CrMnSi，疲勞性能比30CrMnSi好。40Cr雙偏心主軸調質處理時淬火采用850℃油淬后進行500℃水冷回火。退火硬度小于207HBS，正火硬度小于250HBS。直徑25mm的試樣調質處理后抗拉強度可達到980MPa，屈服強度可達到680MPa，延伸率大于9%，斷面收縮率達到45%，沖擊韌性588.3KJ/m2，沖擊吸收功為47A/J。40CrA退火一般采用825～845℃爐冷，正火采用850～880℃空冷，回火采用400～600℃油冷或者水冷。本文雙偏心主軸合金鋼的熱處理制度如表4所示。

5.雙偏心主軸合金鋼切削性能

該雙偏心主軸合金鋼切削性能具有如下幾個特點：①經調質后的40Cr合金鋼硬度高、強度高，屬于相對難切削金屬材料。②該材料切削力大、切削溫度高。要從高硬度和高強度的工件上切下切屑，其單位切削強度可達4 500MPa。為了改善切削條件，增大散熱面積，刀具選擇較小的主偏角和副偏角。這時會引起振動，要求要有較好的工藝系統剛性。③不易產生積屑瘤。淬火鋼的硬度高、脆性大，切削時不易產生積屑瘤，被加工表面可以獲得較低的表面粗糙度。④刀刃易崩碎、磨損。由于淬火鋼的脆性大，切削時切屑與刀刃接觸短，切削力和切削熱集中在刀具刃口附近，易使刀刃崩碎和磨損。⑤導熱系數低。導熱系數為13.12W/（m2K），約為45號鋼的1/3；由于導熱系數低，切削熱很難通過切屑帶走，切削溫度很高，加快了刀具磨損。

在刀具涂層方面，對于淬火及調質的高硬度高強度合金鋼的銑削和車削，TiAlCN涂層綜合性能高于TiAlN涂層。切削小于20HRC低硬度合金鋼40Cr時，摩擦因數導致的磨損占主導因數；而在切削硬度大于30HRC的高硬度高強度40Cr切削時，涂層刀具表面的氧化膜對切削的影響占主導因數，TiAlN涂層刀具的切削力遠小于未涂層的刀具，且當切削速度越高時優勢越明顯。在切削調質38～42HRC之間的40Cr材料，切削速度小于50m/min時，摩擦力占主導因數，隨著切削速度的提高，涂層刀具的氧化膜占主導因數。

6.雙偏心主軸的加工工藝

雙偏心主軸要求兩端大偏心外圓與基準外圓偏心方向一致，且偏心尺寸不同，偏心距為（20±0.02）mm，精度要求較高，因此找正要求較高。如大批量生產偏心主軸時可以通過雙卡罐和雙頂尖裝夾，四爪夾緊卡罐旋轉，對基準兩端外圓打表測量，調整卡罐上的螺釘，調整至不同的偏心量，車削各偏心外圓至尺寸；采用雙卡罐雙頂尖配合四爪裝夾操作簡便、可靠，可有效避免鏜床或銑床打中心孔的繁瑣，可應用于要求方向一致的多個偏心的偏心主軸加工。

為了滿足以上要求，首先需將基準外圓進行粗精加工并留工藝夾頭，同時設計合理的余量進行粗加工；其次是需對偏心孔進行反復數控銑削或鏜削加工時打中心孔及偏心圓的中心孔，確保偏心圓的中心孔同軸度要求；再次是需利用四爪進行裝夾配合雞心夾頭頂尖找正，當偏心主軸全部靜加工完后切去兩端多余的工藝夾頭；最后是基準外圓和偏心孔需要反復多次進行精調，從而提高偏心距的位置精度和同軸精度。具體詳細工藝方案流程如下：

（1）數控粗車（見圖4）：①夾左端找正兩端外圓（外圓余量較?。?；平右端面見光，打中心孔深度＜7mm。②頂右端面車外圓見光，外圓尺寸≥φ149mm。③車下陷保證各部分尺寸；平右端面保證尺寸（90＋7）mm，頂尖處加工不到的端面可保留。④精車外圓φ148.5mm，要求外圓圓柱度0.02mm。⑤上中心架支承右端外圓，平右端面未加工到部位，只允許中間部位凹。⑥拆下零件。⑦上四爪夾外圓，另一端外圓中心架支承，找正外圓φ0.02mm；平端面保證尺寸320mm，兩端平行度0.05mm。⑧車未加工部位外圓與已加工外圓接平。

（2）數控銑削（見圖4）：①零件平放，壓兩端外圓，找正兩端外圓母線等高，允差0.02mm；在中間外圓部位銑扁深3mm。②零件立裝，以端面定位，在中間銑扁部位安裝標準塊（采用弓形夾夾緊），兩端對稱，找正標準塊兩端在0.02mm以內，壓緊零件，找正外圓在0.01mm以內，加工端面3處B5中心孔，深度9mm。③在端面刻十字中心線。④掉面找正裝夾，加工另一端中心孔（掉面時注意勿碰撞標準塊）。

（3）數控半精車（見圖5）：按虛線所標尺寸加工，所有根部未注圓角R3mm。①夾左端頂右端中心部位中心孔，加工外圓及端面，各面留余量單面0.5mm。②掉面加工另一端，各面留余量單面0.5mm，頂偏心距20mm兩端中心孔，加工外圓φ110mm。③掉面頂偏心距18.79mm兩端中心孔，加工外圓至φ110mm。④頂兩端中心部位中心孔車各端面及外圓至尺寸，保證兩端φ76mm同軸度0.05mm。

（4）熱處理調質：28～36HRC。

（5）數控銑削（見圖6）：將小端面刻線轉移至大端面上。

圖4

圖5

圖6

圖7

（6）數控精車（見圖6）：①頂兩端中心部位中心孔，見光兩端φ75mm外圓及兩端面，要求兩端φ75mm外圓保持一致允差0.02mm，同軸度0.02mm。②上四爪及中心架，找正外圓φ0.01mm，平去右端面10mm余量，除去中心孔。③掉面加工另一端保證尺寸300mm，兩端面平行度0.02mm。

（7）數控精銑（見圖7）：①工件立放按圖式裝夾定位，以φ75mm下端面為基準，檢測上端面平行度在0.02mm以內，找平端面刻線，壓緊零件；安裝基準塊，找平基準塊兩端在0.01mm以內。②找正φ75mm外圓在φ0.01mm以內，加工端面B5頂尖孔深13.9mm，孔口尺寸φ16mm（見圖7尺寸）。③掉面裝夾找正加工另一端B5頂尖孔深13.9mm，φ16mm（掉面裝夾過程中勿碰撞基準塊）。

（8）數控精車（見圖8）：①上中心架，夾左端架右端，加工端面1mm下陷φ58mm，頂右端撤去中心架。②采用一夾一頂，所有端面加工到尺寸，外圓兩處φ64mm下陷加工到尺寸，其余外圓均留直徑方向余量1.5mm。③采用兩頂尖裝夾，安裝雞心夾，加工所有外圓φ（66±0.01）mm（兩處）、φ（106±0.01）mm（兩處）留直徑方向余量0.5±0.1mm，其余外圓加工到尺寸。

（9）精密磨削：產品加工后達到如圖所示的表面粗糙度，外圓單邊磨削余量大于0.1mm，小于0.2mm。該產品加工完后實物如圖9所示。

7.結語

本文簡略介紹了某雙轉子發動機驅動用高精度偏心主軸的加工工藝，偏心驅動主軸的結構特點分析、材料選型、熱處理工藝制度及詳細加工工藝方案涉及的余量設計、工序設計、工步協調、裝夾找正等關鍵技術。通過傳統的數控車削和數控銑削及精美磨削工序間的配合協調，在保證產品的精度前提下降低了制造成本，同時規避了產品研制和小批量生產需求的情況下，對于高精密制造裝備如昂貴的車銑磨復合加工中心裝備的依賴。該偏心主軸的工藝應用研究成果表明，在設備能力有限的前提下，通過提高工藝研究及應用的整體水平，也是提高產品高精度加工的有效途徑之一。

本課題為國家科技重大專項“高檔數控機床與基礎制造裝備”（課題編號：2017ZX04009001）支持項目。

圖8

圖9 偏心主軸產品加工實物示意