曲軸的案例
【汽車曲軸知識(shí)】2
檢測(cè)修理
1.曲軸的常見(jiàn)損傷
曲軸的常見(jiàn)損傷形式有:軸頸磨損、彎扭變形和裂紋等。
(1)軸頸的磨損。曲軸主軸頸和連桿軸頸的磨損是不均勻的，且磨損部位有一定的規(guī)律性。
(2)曲軸的彎扭變形。所謂曲軸彎曲是指主軸頸的同軸度誤差大于0.05mm。若連桿軸頸分配角誤差大于0度30分，則稱為曲軸扭曲。
(3)曲軸的斷裂。曲軸的裂紋多發(fā)生在曲柄與軸頸之間的過(guò)渡圓角處以及油孔處。
2.曲軸的檢修
曲軸的檢驗(yàn)主要包括裂紋的檢驗(yàn)、變形的檢驗(yàn)和磨損的檢驗(yàn)。
(1)裂紋的檢修。曲軸清洗后，首先應(yīng)檢查有無(wú)裂紋。可用磁力探傷器或染色滲透劑進(jìn)行裂紋的檢驗(yàn)。若曲軸檢驗(yàn)出裂紋，一般應(yīng)報(bào)廢更換。
(2)曲軸彎曲的檢修。檢驗(yàn)彎曲變形應(yīng)以兩端主軸頸的公共軸線為基準(zhǔn)，檢查中間主軸頸的徑向圓跳動(dòng)誤差。檢驗(yàn)時(shí)，將曲軸兩端主軸頸分別放置在檢驗(yàn)平板的V型塊上，將百分表觸頭垂直地抵在中間主軸頸上，慢慢轉(zhuǎn)動(dòng)曲軸一圈，百分表指針?biāo)镜淖畲髷[差，即中間主軸頸的徑向圓跳動(dòng)誤差值，若大于0.15mm，則應(yīng)進(jìn)行壓力校正。低于此限，可結(jié)合磨削主軸頸予以修正。
曲軸彎曲變形的校正，一般可采用冷壓校正法或敲擊校正法。
冷壓校正是將曲軸用v型鐵架住兩端主軸頸，用油壓機(jī)沿曲軸彎曲相反方向加壓。由于鋼質(zhì)曲軸的彈性作用，壓彎量應(yīng)為曲軸彎曲量的10~15倍，并保持2min~4min，為減小彈性后效作用，最好采用人工時(shí)效法消除。人工時(shí)效處理，即在冷壓后，將曲軸加熱至573K~773K，保溫O.5h~1h，便可消除冷壓產(chǎn)生的內(nèi)應(yīng)力。
(3)曲軸扭曲變形的檢修。曲軸扭曲變形的檢驗(yàn)是將連桿軸頸轉(zhuǎn)到水平位置上，用百分表分別確定同一方位上兩個(gè)軸頸的高度差。這個(gè)高度差即為扭曲變形量。
曲軸若發(fā)生輕微的扭曲變形，可直接在曲軸磨床上結(jié)合對(duì)連桿軸頸磨削時(shí)予以修正。曲軸扭曲變形的校正可采用液壓扳桿扭轉(zhuǎn)校正法。
展開(kāi) 【汽車曲軸知識(shí)】1
造型
氣流沖擊造型工藝明顯優(yōu)于粘土砂型工藝，可獲得高精度的曲軸鑄件，該工藝制作的砂型具有無(wú)反彈變形量等特點(diǎn)，這對(duì)于多拐曲軸尤為重要。國(guó)內(nèi)已有一些曲軸生產(chǎn)廠家從德國(guó)、意大利、西班牙等國(guó)引進(jìn)氣流沖擊造型工藝，不過(guò)，引進(jìn)整條生產(chǎn)線的只有極少數(shù)廠家。
鍛造概述
國(guó)內(nèi)已引進(jìn)了一批先進(jìn)的鍛造設(shè)備，但由于數(shù)量少，加之模具制造技術(shù)和其他一些設(shè)施跟不上，使一部分先進(jìn)設(shè)備未發(fā)揮應(yīng)有的作用。從總體上來(lái)講，需改造和更新的陳舊的普通鍛造設(shè)備多，同時(shí)，落后的工藝和設(shè)備仍占據(jù)主導(dǎo)地位，先進(jìn)技術(shù)有所應(yīng)用但還不普遍。
機(jī)械加工
目前國(guó)內(nèi)曲軸生產(chǎn)線多數(shù)由普通機(jī)床和專用機(jī)床組成，生產(chǎn)效率和自動(dòng)化程度相對(duì)較低。粗加工設(shè)備多采用多刀車床車削曲軸主軸頸及拐頸，工序的質(zhì)量穩(wěn)定性差，容易產(chǎn)生較大的內(nèi)應(yīng)力，難以達(dá)到合理的加工余量。一般精加工采用MQ8260等曲軸磨床粗磨-半精磨-精磨-拋光，通常靠手工操作，加工質(zhì)量不穩(wěn)定。
隨著貿(mào)易全球化的到來(lái)，各廠家已意識(shí)到了形勢(shì)的嚴(yán)峻性，紛紛進(jìn)行技術(shù)改造，全力提升企業(yè)的競(jìng)爭(zhēng)力，進(jìn)展速度很快。這些設(shè)備和技術(shù)基本依賴進(jìn)口。
強(qiáng)化處理
曲軸的熱處理關(guān)鍵技術(shù)是表面強(qiáng)化處理。球墨鑄鐵曲軸一般均采用正火處理，為表面處理做好組織準(zhǔn)備，表面強(qiáng)化處理一般采用感應(yīng)淬火或氮化工藝。鍛鋼曲軸則采用軸頸與圓角淬火工藝。引進(jìn)的設(shè)備有AEG全自動(dòng)曲軸淬火機(jī)床、EMA淬火機(jī)床等。
據(jù)國(guó)外資料介紹，球墨鑄鐵曲軸采用圓角滾壓工藝與離子氮化結(jié)合使用進(jìn)行復(fù)合強(qiáng)化，可使整條曲軸的抗疲勞強(qiáng)度提高130%以上。國(guó)內(nèi)部分廠家近幾年也進(jìn)行了這方面的實(shí)踐，取得了良好的效果。
曲軸圓角滾壓加工方面，德國(guó)赫根塞特(HEGENSCHEIDT-MFD AUTOMATIC)生產(chǎn)的機(jī)床應(yīng)用了變壓力滾壓和矯正專利技術(shù)，是比較好的圓角滾壓設(shè)備，但價(jià)格昂貴。
展開(kāi) 發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸的斷裂失效分析
（5）曲軸軸心線偏移使飛輪偏擺，在慣性力的作用下，也易使曲軸產(chǎn)生疲勞斷裂。按要求飛輪擺差不能超過(guò)0.8mm。
（6）曲軸與飛輪的錐孔配合不符合技術(shù)要求。若兩者之間貼合不是接觸而形成線接觸，則發(fā)動(dòng)機(jī)工作時(shí)，飛輪就會(huì)松動(dòng)，造成曲軸與飛輪之間的沖擊，此時(shí)飛輪受到兩個(gè)方向的沖擊，將易使曲軸鍵槽兩側(cè)面很快出現(xiàn)裂紋，如繼續(xù)使用，裂紋逐漸擴(kuò)大，必將導(dǎo)致曲軸斷裂。這種情況一般在單缸機(jī)中多見(jiàn)。
2.裝配問(wèn)題
（1）軸承裝配間隙過(guò)大或合金脫落，引起沖擊載荷增大。當(dāng)曲軸轉(zhuǎn)動(dòng)之后產(chǎn)生甩動(dòng)現(xiàn)象，或機(jī)器發(fā)生飛車、搗缸、頂氣門等，造成曲軸過(guò)度受力，也可導(dǎo)致曲軸斷裂。
（2）曲軸換裝了不符合要求的平衡塊，或安裝時(shí)錯(cuò)位以及曲軸磨修時(shí)采用偏心法，使曲軸半徑超差，破壞了原來(lái)的平衡，曲軸產(chǎn)生較大的慣性力，使曲軸疲勞而斷裂。
（3）在裝配軸承時(shí)，各曲軸主軸承緊度不一，使曲軸軸頸受力不均而造成曲軸斷裂。
（4）曲軸軸向間隙過(guò)大，運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)前后串動(dòng)，在柴油機(jī)負(fù)荷工作時(shí)，曲軸臂受到端面的附加反擊力，使應(yīng)力集中而加速曲軸斷裂。
3.使用不當(dāng)
（1）運(yùn)行中發(fā)生飛車、燒瓦、抱軸、瓦蓋斷裂、活塞頂氣門等事故，導(dǎo)致曲軸斷裂。
（2）飛輪連接螺栓松動(dòng)，運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)曲軸發(fā)生抖動(dòng)而失去平衡，產(chǎn)生較大的慣性力，使曲軸疲勞，極易在其尾端斷裂。
（3）發(fā)動(dòng)機(jī)潤(rùn)滑油道不暢通，使曲軸與軸瓦長(zhǎng)時(shí)間處于摩擦狀態(tài)，導(dǎo)致曲軸斷裂。
（4）軸頸磨損超過(guò)使用極限，或表面裂紋劃痕太深，導(dǎo)致斷裂。
（5）長(zhǎng)期處于各缸供油量不均的情況下運(yùn)轉(zhuǎn)，因而各缸爆發(fā)力的大小也不一致，從而使曲軸各軸頸受力不均，時(shí)間長(zhǎng)了也可能引起曲軸斷裂。
展開(kāi) 發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸加工制造大揭秘
由于發(fā)動(dòng)機(jī)燒瓦，曲軸受到嚴(yán)重磨損。發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸采用換修修理，即購(gòu)一根新曲軸裝機(jī)，將損壞曲軸送制造廠修理后備用。部分用戶在車輛出現(xiàn)了曲軸磨損的問(wèn)題后，出于費(fèi)用、時(shí)間的考慮，在本地找一些小廠修理加工，將嚴(yán)重磨損的曲軸進(jìn)行堆焊，加工，整體熱處理后磨削加工。由于修理手段及工藝問(wèn)題，曲柄銷和主軸頸與曲柄臂的連接圓角發(fā)生了變化，造成局部應(yīng)力集中;由于曲軸為精45號(hào)鋼模鍛，堆焊又使曲輛的金相織發(fā)生了變化。上述兩項(xiàng)是造成曲軸斷裂的主要原因。(2)發(fā)動(dòng)機(jī)修好后，裝車沒(méi)經(jīng)過(guò)磨合期，即超載超掛，發(fā)動(dòng)機(jī)長(zhǎng)期超負(fù)荷運(yùn)行，使曲軸負(fù)荷超出容許的極限。(3)在曲軸的修理中采用了堆焊，破壞了曲軸的動(dòng)力平衡，又沒(méi)有做平衡校驗(yàn)，不平衡量超標(biāo)，引起發(fā)動(dòng)機(jī)較大的振動(dòng)，導(dǎo)致曲軸的斷裂。(4)由于路況不佳，車輛又嚴(yán)重超載超掛，發(fā)動(dòng)機(jī)經(jīng)常在扭振臨界轉(zhuǎn)速內(nèi)行，減振器失效，也會(huì)造成曲軸扭轉(zhuǎn)振動(dòng)疲勞破壞而斷裂。
三、曲軸磨損后的修復(fù)一般來(lái)說(shuō)，軸頸直徑在80mm以下，圓度及圓柱度誤差超過(guò)0.025mm；或軸頸直徑在80mm以上。圓度及圓柱度誤差超過(guò)0.0400的曲軸，均應(yīng)按規(guī)定尺寸進(jìn)行修磨，或進(jìn)行振動(dòng)堆焊、鍍鉻、鍍鐵后再磨削至規(guī)定購(gòu)尺才或修理尺寸。
1、曲軸的磨削曲軸軸頸的磨削是在曲軸校正的基礎(chǔ)上進(jìn)行的。曲軸的磨削除了軸頸表面尺寸精度和表面粗糙度符合技術(shù)要求外，還必須達(dá)到形位公差的要求：磨削曲軸時(shí)，必須保證主軸頸和連桿軸頸各軸心線的同軸度及兩軸心線間的平行度，限制曲柄半徑誤差。并保證連桿軸頸相互位置夾角的精度。曲軸的磨削通常是在專用的曲軸磨床上進(jìn)行的。
2、連桿軸頸的磨削由于連桿軸頸磨損不均勻，由此產(chǎn)生兩種磨削方法：偏心磨削法和同心磨削法。同心磨削法就是磨削后保持連桿軸頸的軸線位置不變，即曲柄半徑和分配角不變。柴油機(jī)曲軸磨削時(shí)，常采用同心法，保持曲柄半徑不變，柴油機(jī)的壓縮比不變，但每次的磨削量大。
展開(kāi) 
某大型鑄改鍛船機(jī)曲軸鍛件研制
用戶半成品交貨狀態(tài)留量偏大，曲軸鍛件設(shè)計(jì)時(shí)，軸向余量不宜大，否則定位、夾緊擋板及彎曲上模易變形，不利于曲軸鍛件質(zhì)量穩(wěn)定，也不利于控制曲軸坯料重量。
鍛造工藝方案
⑴曲軸交貨狀態(tài)：粗加工+時(shí)效半成品或成品交貨，優(yōu)先保證半成品交貨。
⑵鍛造設(shè)備：通用水壓機(jī)+TR 曲軸專用鍛造裝置。
⑶鍛后預(yù)備熱處理：正火。
⑷調(diào)質(zhì)熱處理：曲軸鍛件黑皮調(diào)質(zhì)，其中8 缸曲軸鍛件采用立式，6 缸曲軸鍛件采用臥式。
⑸曲軸鍛件交驗(yàn)依據(jù)、交驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)：曲軸鍛件交驗(yàn)依據(jù)為用戶提供的半成品交貨圖，結(jié)合以往曲軸制造經(jīng)驗(yàn)，經(jīng)工序間協(xié)商，交驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)確定為軸向余量不小于5mm，徑向余量不小于10mm。
⑹曲軸鍛件兩端工藝尺寸留放：8 缸曲軸鍛件自由端、輸出端除用戶工藝頸外，由于調(diào)質(zhì)重量超過(guò)3000kg，需在兩端加放200mm 力學(xué)性能試棒，此外，由于8 缸曲軸鍛件采用立式調(diào)質(zhì)，需在自由端加放145mm 吊裝頭；6 缸曲軸鍛件由于采用臥式調(diào)質(zhì)，可以省去145mm 吊裝頭，其余與8 缸曲軸鍛件相同。
⑺模具設(shè)計(jì)：由于模具項(xiàng)、件多，需盡可能借用或者改制封存模具。
⑻鍛造成形工藝試驗(yàn)：采用替代料實(shí)施2 拐鍛造成形，運(yùn)用“試錯(cuò)法”驗(yàn)證模具設(shè)計(jì)及其他工藝參數(shù)。
鍛造工藝設(shè)計(jì)
鍛造工藝流程為：光坯入廠復(fù)驗(yàn)→機(jī)加工制坯→TR 鍛造→曲軸鍛件工序交驗(yàn)→正火→校直→高溫回火→表面清理→曲軸鍛件完工交驗(yàn)。
曲軸鍛件
曲軸鍛件設(shè)計(jì)遵循工藝方案的要求，力求通過(guò)工藝設(shè)計(jì)解決鍛造難點(diǎn)。
針對(duì)曲柄臂外圓周為非加工面的工藝難點(diǎn)，通過(guò)與用戶技術(shù)交流，用戶同意修改曲柄臂外形并將其外圓周改為加工面，減小了鍛造難度，有利于保證曲軸半成品、成品質(zhì)量。
展開(kāi) 六缸曲軸鍛件質(zhì)量提升
★項(xiàng)目支持：高職院校“雙師型”教師能力提升策略研究，JYLX2020010
曲軸是發(fā)動(dòng)機(jī)中最重要的零件之一，它輸出發(fā)動(dòng)機(jī)的全部功率，將活塞的往復(fù)直線運(yùn)動(dòng)變成旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，用來(lái)驅(qū)動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)其他零件進(jìn)行工作。曲軸的工作環(huán)境非常惡劣，在工作時(shí)不僅承受活塞連桿組往復(fù)運(yùn)動(dòng)及旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的慣性力作用，還承受著周期性變化的爆發(fā)壓力，使曲軸長(zhǎng)期處于彎曲、扭轉(zhuǎn)、壓力等循環(huán)應(yīng)力的作用下，極易發(fā)生彎曲和扭轉(zhuǎn)變形，導(dǎo)致曲軸產(chǎn)生疲勞和裂紋，甚至斷裂。
圖1 曲軸旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的產(chǎn)生
曲軸容易產(chǎn)生疲勞及裂紋部位
連桿是連接曲軸及活塞的零件，將活塞承受的力傳遞給曲軸，并將活塞的往復(fù)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)變?yōu)?em>曲軸的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，如圖1 所示。從圖1 可以看到連桿連接在曲軸連桿頸處，曲軸在連桿頸處受力大，極易產(chǎn)生疲勞及裂紋。拋開(kāi)使用時(shí)產(chǎn)生疲勞及裂紋，在鍛造時(shí)連桿頸處也易出現(xiàn)裂紋，圖2 所示為曲軸連桿頸處剖切后顯示的裂紋，此處裂紋若不消除，極易造成曲軸斷裂報(bào)廢。
六缸曲軸連桿頸處鍛造裂紋分析
裂紋位置
在鍛造時(shí)曲軸連桿頸處易出現(xiàn)裂紋的位置如圖3所示，一般位于連桿頸的檔部。
圖2 連桿頸剖切后顯示的裂紋
原因分析
⑴六缸曲軸及模具結(jié)構(gòu)。
圖4 所示為某六缸曲軸鍛件三維立體圖，其連桿頸互成120°，如圖5 所示，曲柄半徑為65mm，主軸頸直徑為86mm，連桿頸直徑為75mm。
六缸曲軸鍛造時(shí)可采用整體式鍛造或扭拐式鍛造，當(dāng)然采用扭拐式鍛造需要有扭拐機(jī)。扭拐式鍛造原理是將曲軸連桿軸頸鍛造成180°夾角，在扭拐機(jī)上將連桿軸頸扭成120°夾角。使用扭拐設(shè)備會(huì)增加較大成本，只有整體鍛造成形困難時(shí)才考慮使用扭拐設(shè)備，如生產(chǎn)斯太爾曲軸。由于該曲軸有12 個(gè)較大的平衡塊，如圖6 所示，在不具備扭拐設(shè)備前提下平衡塊很難鍛造飽滿。
展開(kāi) 低成本曲軸鏈輪冷擠壓工藝開(kāi)發(fā)
本文以某公司的1.8T 發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸鏈輪為研究對(duì)象，通過(guò)結(jié)構(gòu)分析和成本分析，最終開(kāi)發(fā)出一套以冷鍛工藝為主的低成本曲軸鏈輪工藝，替代原型機(jī)的插齒工藝，實(shí)現(xiàn)技術(shù)達(dá)標(biāo)和成本降低20%的目標(biāo)。
曲軸鏈輪結(jié)構(gòu)和成本分析
曲軸鏈輪結(jié)構(gòu)分析
圖1 曲軸鏈輪
圖2 初始生產(chǎn)工藝
某公司的1.8T 渦輪增壓發(fā)動(dòng)機(jī)是借鑒德國(guó)EAXXX 原型機(jī)進(jìn)行逆向開(kāi)發(fā)的，該曲軸鏈輪如圖1所示，屬于一端凸臺(tái)，另外一端三排圓柱齒的異形結(jié)構(gòu)。由于齒面不貫穿，無(wú)法采用滾齒法加工。結(jié)合圖紙要求表面硬度最小為57HRC，而傳統(tǒng)的粉末冶金曲軸鏈輪硬度只能達(dá)到30 ～45HRC，無(wú)法采用粉末冶金工藝。綜合零件的結(jié)構(gòu)和硬度要求，推斷德國(guó)原型機(jī)的曲軸鏈輪采用插齒工藝生產(chǎn)。
曲軸鏈輪成本分析
根據(jù)上述的曲軸鏈輪結(jié)構(gòu)分析，原型機(jī)曲軸鏈輪采用插齒工藝生產(chǎn)，梳理德國(guó)原型機(jī)的曲軸鏈輪初始生產(chǎn)工藝如圖2 所示。
再根據(jù)制造業(yè)的生產(chǎn)成本經(jīng)驗(yàn)值，對(duì)原型機(jī)曲軸鏈輪的成本進(jìn)行分析，如表1 所示，成本中占比前三的項(xiàng)目分別是插齒、材料費(fèi)用、管理費(fèi)和利潤(rùn)。
曲軸鏈輪降本目標(biāo)分解
從表1 可以看出德國(guó)原型機(jī)曲軸鏈輪的成本價(jià)格為25.7 元，而該1.8T 項(xiàng)目的成本目標(biāo)是較原型機(jī)降低20%，即20.56 元。表1 中成本排名前三項(xiàng)分別是插齒、材料、管理費(fèi)和利潤(rùn)，合計(jì)占比達(dá)61.56%，其中管理費(fèi)和利潤(rùn)這個(gè)項(xiàng)目一般是產(chǎn)品單價(jià)的12%，且隨著產(chǎn)品單價(jià)的降低而降低，所以降本重點(diǎn)是降材料和插齒費(fèi)用。由此我們想到引入冷鍛工藝，根據(jù)金屬材料的塑性變形原理，在金屬再結(jié)晶溫度下，利用模具壓制成形齒面，省去齒面加工工序，同時(shí)可以節(jié)約材料。
展開(kāi) 發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸熱處理工藝開(kāi)發(fā)
產(chǎn)品技術(shù)要求
⑴熱處理達(dá)到的技術(shù)要求：曲軸要求調(diào)質(zhì)態(tài)交貨，實(shí)物取樣達(dá)到的技術(shù)要求見(jiàn)表4。
⑵其中拉伸試驗(yàn)以及沖擊試驗(yàn)均為兩組，淬透層深度通過(guò)曲軸指定部位的硬度梯度進(jìn)行反映，相關(guān)試驗(yàn)的取樣位置要求如圖2所示。
表2 42CrMoH曲軸非金屬夾雜物
表3 42CrMoH曲軸低倍組織
表4 42CrMoH曲軸技術(shù)要求
圖2 42CrMoH曲軸取樣示意圖
熱處理工藝分析及工藝試驗(yàn)
工藝分析
⑴材料分析。
42CrMoH屬于淬透性較高的優(yōu)質(zhì)合金結(jié)構(gòu)鋼，強(qiáng)度高、韌性好，淬火變形小，熱處理后能夠獲得優(yōu)良的綜合機(jī)械性能。
⑵熱處理方式及冷卻選擇。
考慮到42CrMoH具有優(yōu)良的淬透性，雖然曲軸形狀復(fù)雜且在實(shí)物指定部位雙倍取樣進(jìn)行機(jī)械性能、金相等試驗(yàn)難度較高，但綜合考慮，熱處理采用爐溫均勻性達(dá)到±10℃以內(nèi)的臺(tái)車式電爐進(jìn)行加熱保溫，先正火以優(yōu)化鍛后組織，再進(jìn)行調(diào)質(zhì)處理，淬火采用油冷，回火采用水冷。
⑶裝爐、變形要求。
曲軸總長(zhǎng)549mm，兩端及各平衡塊間截面在35～95mm范圍內(nèi)變化較大，要求熱處理后曲軸的直線度不大于1.2mm，否則要冷校直并去應(yīng)力回火，裝爐方式采用曲軸平放于專用工裝內(nèi)，以減少熱處理變形。
表5 42CrMoH曲軸工藝試驗(yàn)結(jié)果
圖3 42CrMoH曲軸裝爐示意圖
工藝試驗(yàn)
42CrMoH原材料為用戶來(lái)料，由于試鍛原材料不足，且急于驗(yàn)證鍛造質(zhì)量，所以鍛造的四件曲軸中兩件42CrMoH，兩件42CrMoA。采用電爐與其他產(chǎn)品配爐熱處理，分別進(jìn)行實(shí)物解剖及相關(guān)試驗(yàn)以作對(duì)比。
由于曲軸指定拉伸試棒取樣部位較窄，只能取兩套直徑為φ5mm的拉伸試棒，得到的機(jī)械性能及金相組織等數(shù)據(jù)見(jiàn)表5。
展開(kāi) 乘用車曲軸鍛造工藝及改進(jìn)
平衡重塊用來(lái)平衡發(fā)動(dòng)機(jī)不平衡的離心力矩，有時(shí)還用來(lái)平衡一部分往復(fù)慣性力，從而使曲軸旋轉(zhuǎn)平穩(wěn)。曲軸加工時(shí)對(duì)動(dòng)平衡的要求非常高，對(duì)生產(chǎn)過(guò)程要進(jìn)行嚴(yán)格的批次管理，對(duì)同批次鍛造件的一致性和尺寸穩(wěn)定性提出了極高的要求。曲軸工藝設(shè)計(jì)和鍛造模具制造要求高，鍛造過(guò)程中控制也是需要精準(zhǔn)的把控。
2019 年全國(guó)汽車產(chǎn)量達(dá)2580 萬(wàn)輛，其中乘用車為2130 萬(wàn)輛，乘用車曲軸年需求2300 萬(wàn)件。轎車曲軸因其形狀復(fù)雜，安全性要求高，加工余量少，鍛造加工中曲軸難度最大，目前具備大批量生產(chǎn)能力的廠家很少。隨著產(chǎn)品的更新?lián)Q代，各大主機(jī)廠紛紛投產(chǎn)節(jié)能環(huán)保型發(fā)動(dòng)機(jī)，對(duì)曲軸追求高強(qiáng)度和輕量化，特別是乘用車曲軸大批量自動(dòng)化生產(chǎn)線開(kāi)始普及，對(duì)鍛件的要求也不斷提高；必須選用節(jié)能和高效的鍛造工藝才能跟上主機(jī)廠的發(fā)展。
我們?cè)诙嗄曛圃爝^(guò)程中對(duì)乘用車4 缸曲軸鍛造工藝摸索中積累了一些寶貴經(jīng)驗(yàn)，以下重點(diǎn)對(duì)某型轎車的1.5 升4 缸曲軸的鍛造工藝特點(diǎn)及實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中的一些經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行分析和總結(jié)。
典型乘用車曲軸鍛造工藝設(shè)計(jì)要點(diǎn)
典型轎車的4 缸曲軸（圖1）的鍛造，采用水平分模鍛造的工藝方式，一般工藝流程為：中頻加熱→除鱗→制坯（輥鍛或壓擠）→預(yù)鍛→終鍛→切邊、整形→控溫冷卻線冷卻（或調(diào)質(zhì)熱處理）→噴丸→探傷→清洗→包裝。
根據(jù)曲軸的功能和工藝特點(diǎn)，曲軸為典型的長(zhǎng)軸類鍛件，平衡塊部分窄且深，拔模斜度小(一般1°～1.5°)，因而平衡塊部位難以成形，按照鍛造工藝手冊(cè)上正常工藝進(jìn)行拍扁、預(yù)鍛和終鍛設(shè)計(jì)模具并進(jìn)行模擬，選取合適的圓棒料，平衡塊部位未能充滿，如圖2(a)所示。需要對(duì)預(yù)鍛和終鍛模具進(jìn)行優(yōu)化，經(jīng)過(guò)一系列的優(yōu)化后模擬結(jié)果可以充滿如圖2(b)所示。
展開(kāi) 低成本曲軸鏈輪冷擠壓工藝開(kāi)發(fā)
本文以某公司的1.8T 發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸鏈輪為研究對(duì)象，通過(guò)結(jié)構(gòu)分析和成本分析，最終開(kāi)發(fā)出一套以冷鍛工藝為主的低成本曲軸鏈輪工藝，替代原型機(jī)的插齒工藝，實(shí)現(xiàn)技術(shù)達(dá)標(biāo)和成本降低20%的目標(biāo)。
曲軸鏈輪結(jié)構(gòu)和成本分析
曲軸鏈輪結(jié)構(gòu)分析
某公司的1.8T 渦輪增壓發(fā)動(dòng)機(jī)是借鑒德國(guó)EAXXX 原型機(jī)進(jìn)行逆向開(kāi)發(fā)的，該曲軸鏈輪如圖1所示，屬于一端凸臺(tái)，另外一端三排圓柱齒的異形結(jié)構(gòu)。由于齒面不貫穿，無(wú)法采用滾齒法加工。結(jié)合圖紙要求表面硬度最小為57HRC，而傳統(tǒng)的粉末冶金曲軸鏈輪硬度只能達(dá)到30～45HRC，無(wú)法采用粉末冶金工藝。綜合零件的結(jié)構(gòu)和硬度要求，推斷德國(guó)原型機(jī)的曲軸鏈輪采用插齒工藝生產(chǎn)。
圖1 曲軸鏈輪
曲軸鏈輪成本分析
根據(jù)上述的曲軸鏈輪結(jié)構(gòu)分析，原型機(jī)曲軸鏈輪采用插齒工藝生產(chǎn)，梳理德國(guó)原型機(jī)的曲軸鏈輪初始生產(chǎn)工藝如圖2 所示。
圖2 初始生產(chǎn)工藝
再根據(jù)制造業(yè)的生產(chǎn)成本經(jīng)驗(yàn)值，對(duì)原型機(jī)曲軸鏈輪的成本進(jìn)行分析，如表1 所示，成本中占比前三的項(xiàng)目分別是插齒、材料費(fèi)用、管理費(fèi)和利潤(rùn)。
曲軸鏈輪降本目標(biāo)分解
從表1 可以看出德國(guó)原型機(jī)曲軸鏈輪的成本價(jià)格為25.7 元，而該1.8T 項(xiàng)目的成本目標(biāo)是較原型機(jī)降低20%，即20.56 元。表1 中成本排名前三項(xiàng)分別是插齒、材料、管理費(fèi)和利潤(rùn)，合計(jì)占比達(dá)61.56%，其中管理費(fèi)和利潤(rùn)這個(gè)項(xiàng)目一般是產(chǎn)品單價(jià)的12%，且隨著產(chǎn)品單價(jià)的降低而降低，所以降本重點(diǎn)是降材料和插齒費(fèi)用。由此我們想到引入冷鍛工藝，根據(jù)金屬材料的塑性變形原理，在金屬再結(jié)晶溫度下，利用模具壓制成形齒面，省去齒面加工工序，同時(shí)可以節(jié)約材料。
展開(kāi) 如何合理使用典型的曲軸高效專用機(jī)床？
曲軸高效專用機(jī)床也有它的加工局限性，只有合理應(yīng)用合適的加工機(jī)床，氣門嘴才能發(fā)揮出曲軸加工機(jī)床的高效專用性，從而提高工序的加工效率。
1.當(dāng)曲軸軸頸有沉割槽時(shí)，數(shù)控內(nèi)銑機(jī)床不能加工;如果曲軸軸頸軸向有沉割槽時(shí)，數(shù)控高速外銑機(jī)床和數(shù)控內(nèi)銑機(jī)床均不能加工，平衡塊但數(shù)控車-車?yán)瓩C(jī)床能很方便地加工。
2.當(dāng)平衡塊側(cè)面需要加工時(shí)，數(shù)控內(nèi)銑機(jī)床應(yīng)當(dāng)為首選機(jī)床，因?yàn)閮?nèi)銑刀盤外圓定位，剛性好，尤其適用于加工大型鍛鋼曲軸;此時(shí)不適合用數(shù)控車-車?yán)瓩C(jī)床，不銹鋼排氣尾管因?yàn)樵?em>曲軸的平衡塊側(cè)面需要加工的情況下，采用數(shù)控車-車?yán)瓩C(jī)床加工，平衡塊側(cè)面是斷續(xù)切削，且曲軸轉(zhuǎn)速又很高，在這種工況下，崩刀現(xiàn)象比較嚴(yán)重。
3.當(dāng)曲軸的軸頸無(wú)沉割槽，且平衡塊側(cè)面不需加工時(shí)，原則上幾種機(jī)床都能加工。當(dāng)加工轎車曲軸時(shí)，主軸頸采用數(shù)控車-車?yán)瓩C(jī)床，不銹鋼沖壓連桿頸采用數(shù)控高速外銑機(jī)床則應(yīng)成為最佳高效加工選擇;當(dāng)加工大型鍛鋼曲軸時(shí)，則主軸頸和連桿頸均采用數(shù)控內(nèi)銑機(jī)床比較合理。
曲軸可以分為體形較大的鍛鋼曲軸和輕量化的轎車曲軸，鋅合金鍛鋼曲軸軸頸一般無(wú)沉割槽，且側(cè)面需要加工，余量較大;轎車曲軸一般軸頸有沉割槽，且側(cè)面不需要加工。因此可以得出結(jié)論：加工鍛鋼曲軸采用數(shù)控內(nèi)銑機(jī)床，加工轎車曲軸主軸頸采用數(shù)控車-車?yán)瓩C(jī)床，輪胎加寬法蘭連桿頸采用數(shù)控高速外銑機(jī)床是比較合理的高效加工選擇
展開(kāi) 
淺談6拐印度曲軸鐓鍛工藝設(shè)計(jì)
本文分析了6拐印度曲軸基本結(jié)構(gòu)和參數(shù)、鐓鍛工藝難點(diǎn)；采用了新工藝設(shè)計(jì)、計(jì)算機(jī)模擬仿真和工藝試驗(yàn)等研究方法；成功開(kāi)發(fā)了6拐印度曲軸，材料利用率達(dá)到62%。
印度6拐曲軸是印度國(guó)家鐵路公司從美國(guó)引進(jìn)的機(jī)車柴油機(jī)用曲軸。此前資陽(yáng)公司已成功開(kāi)發(fā)2種印度曲軸，印度ALCO16V251曲軸和印度EMD710曲軸，印度6拐曲軸是第3種，其柴油機(jī)轉(zhuǎn)速為1100轉(zhuǎn)/分鐘，功率為2940kW。
鐓鍛工藝分析
6拐曲軸基本機(jī)構(gòu)及參數(shù)
圖1為印度6拐曲軸三維零件圖，材料為42CrMoA，由6個(gè)曲拐和3個(gè)法蘭組成（1個(gè)曲拐=2個(gè)曲柄臂+1個(gè)連桿頸+1個(gè)主軸頸）。6個(gè)曲拐有3個(gè)相位，1(6）曲拐、2(5）曲拐、3(4）曲拐在圓周上以120°分布。為方便表達(dá)，本文將從左至右編號(hào)為1～6拐。
圖1 6拐曲軸三維零件圖
與印度ALCO16V251曲軸零件參數(shù)比較
從表1和2可以看出，6拐印度曲軸和印度ALCO16V251曲軸比，連桿頸開(kāi)檔和單拐長(zhǎng)度尺寸有差異。由于這兩個(gè)參數(shù)的差異，鐓鍛工藝及鐓鍛模具不能借用印度ALCO16V251曲軸，必須全新設(shè)計(jì)。
表1 6拐印度曲軸主要結(jié)構(gòu)參數(shù)
表2 印度ALCO16V251曲軸結(jié)構(gòu)參數(shù)表
工藝設(shè)計(jì)目標(biāo)及難點(diǎn)分析
⑴難點(diǎn)1：為節(jié)約生產(chǎn)成本，本次工藝設(shè)計(jì)要求減少校直工序。
⑵難點(diǎn)2：印度ALCO16V251曲軸連桿頸開(kāi)檔為177.8mm，6拐印度曲軸連桿頸開(kāi)檔為101.6mm，開(kāi)檔尺寸比印度ALCO16V251曲軸小76.2mm，鐓鍛難度大。
展開(kāi) 基于ANSYS的曲軸受力分析與改進(jìn)
該曲軸的主要是在ANSYS經(jīng)典界面中建立模型的，其實(shí)由于ANSYSworkbench的出現(xiàn)，推薦大家以后使用ANSYSWorkbench的界面中做分析吧，這就好比傻瓜相機(jī)和專業(yè)相機(jī)的區(qū)別，作為接觸該軟件的新手，建議大家先接觸傻瓜相機(jī)吧。以后用到相關(guān)技巧的話可以插入APDL命令的方式來(lái)完成。
基于Ansys曲軸受力分析與改進(jìn)
曲軸是發(fā)動(dòng)機(jī)的重要組成部分之一，它的作用是將活塞的往復(fù)直線運(yùn)動(dòng)變?yōu)樾D(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，再將這一旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)傳遞給其他機(jī)械。曲軸的受力情況是曲軸使用壽命的關(guān)鍵，如何提高受力情況，改進(jìn)曲軸的結(jié)構(gòu)是發(fā)動(dòng)機(jī)壽命的關(guān)鍵之處。因此本次分析，對(duì)曲軸在不同階段的受力情況進(jìn)行了分析，并將受力最大的地方進(jìn)行改進(jìn)，以減小內(nèi)應(yīng)力，提高曲軸的使用壽命。
在ansys中對(duì)曲軸進(jìn)行建模，并劃分網(wǎng)格。
在ansys建模時(shí)采用自頂向下的方式建模，建立圓柱，再依次向右建模，采用面拉伸，在相同結(jié)構(gòu)時(shí)候可以采用copy命令進(jìn)行復(fù)制，在不同部分采用偏移工作平面的方式進(jìn)行局部繪圖，最后將所做的幾部分實(shí)體圖進(jìn)行布爾加操作，使之成為一個(gè)整體。為了便于劃分網(wǎng)格，以及受力分析是便于施加90°方向的面壓力，采用divide\volume by workplane劃分實(shí)體為兩部分。繪制的最終結(jié)構(gòu)圖如圖所示。
劃分網(wǎng)格時(shí)候，該結(jié)構(gòu)采用solids45單元進(jìn)行劃分，全體尺寸采用10.劃分時(shí)由于該結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，曲軸受力不均勻，因此用free自由網(wǎng)格劃分。劃分結(jié)果如圖所示。
在受力情況中，對(duì)齊材料屬性為：彈性模量3E7，泊松比0.3
由于汽缸活賽在工作工程中，每次循環(huán)有四個(gè)沖程：壓縮沖程、做功沖程、排氣沖程、吸氣沖程，因此對(duì)曲軸左右部分進(jìn)行不同時(shí)間的受力情況分析。
展開(kāi) 我國(guó)超大型曲軸再補(bǔ)世界空白！
近日，經(jīng)Win G&D專利公司、法國(guó)船級(jí)社、用戶上海中船三井的最終聯(lián)檢，由大連華銳船用曲軸有限公司研制的全球首支、世界最大22000標(biāo)箱集裝箱船用曲軸（W12X92型）成功下線，使大連華銳曲軸在與國(guó)內(nèi)外同行業(yè)企業(yè)的試制競(jìng)賽中一馬當(dāng)先，成就了“全球首支”。
W12X92型曲軸的下線，是大連華銳曲軸立足于“高端制造、世界一流”發(fā)展戰(zhàn)略，加快產(chǎn)品結(jié)構(gòu)調(diào)整取得的又一重要成果，是繼成功出產(chǎn)國(guó)內(nèi)首支曼恩系列特大對(duì)接11S90ME-C型曲軸、G80型曲軸和瓦錫蘭系列82T型曲軸之后，在超大型低速船用柴油機(jī)用曲軸制造領(lǐng)域中首次登頂，填補(bǔ)了世界空白，標(biāo)志著大連華銳曲軸一躍成為世界首批具有該類超大型曲軸生產(chǎn)能力的公司。
W12X92型船用曲軸采用對(duì)接式結(jié)構(gòu)，總長(zhǎng)度23.519米，重量達(dá)到488噸，在全球尚屬首次研制，無(wú)任何依據(jù)可供參考，給制造、加工帶來(lái)巨大挑戰(zhàn)。為此,大連華銳曲軸投入大量資金對(duì)加工設(shè)備進(jìn)行了升級(jí)改造,并在加工工藝優(yōu)化、刀具選用上進(jìn)行了大膽創(chuàng)新和提升改進(jìn),最終成功攻克了熱裝精度、曲拐加工回轉(zhuǎn)直徑超限等5項(xiàng)技術(shù)難點(diǎn)，產(chǎn)品所有檢測(cè)數(shù)據(jù)全部滿足質(zhì)量規(guī)范和圖紙要求。
W12X92型船用曲軸是Win G&D專利公司研發(fā)的缸徑最大、全球首款采用雙燃料推進(jìn)的兩沖程X-DF型船用柴油發(fā)動(dòng)機(jī)的關(guān)鍵部件，隨發(fā)動(dòng)機(jī)安裝于中國(guó)首次制造的全球首批世界最大、最新型的22000TEU（20英尺標(biāo)準(zhǔn)箱）集裝箱船，是我國(guó)從“造船大國(guó)”到“造船強(qiáng)國(guó)”升級(jí)的標(biāo)志性產(chǎn)品，預(yù)示著我國(guó)高技術(shù)船舶制造實(shí)現(xiàn)了從跟隨到引領(lǐng)的重大飛躍，是我國(guó)船舶工業(yè)堅(jiān)持創(chuàng)新驅(qū)動(dòng)發(fā)展戰(zhàn)略的結(jié)果，更是我國(guó)實(shí)施海洋強(qiáng)國(guó)戰(zhàn)略的重要成果。
展開(kāi) 基于MeshFree的曲軸連桿機(jī)構(gòu)有限元仿真分析
基于MeshFree的曲軸連桿機(jī)構(gòu)有限元仿真分析
曲軸連桿機(jī)構(gòu)是發(fā)動(dòng)機(jī)中的關(guān)鍵機(jī)構(gòu)，針對(duì)連桿的計(jì)算分析在早期多采用經(jīng)驗(yàn)公式，關(guān)于有限元的理論和方法出現(xiàn)后，迅速在連桿分析上得到了廣泛應(yīng)用。最早的連桿有限元分析模型是將曲軸連桿模型簡(jiǎn)化為梁模型進(jìn)行仿真計(jì)算，現(xiàn)在的有限元分析軟件已經(jīng)完全可以進(jìn)行三維實(shí)體模型的仿真計(jì)算。在曲軸連桿機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)中，希望曲軸連桿機(jī)構(gòu)有較高的可靠性和較長(zhǎng)的使用壽命，而且曲軸連桿機(jī)構(gòu)在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中會(huì)承受較大的沖擊載荷，使各運(yùn)動(dòng)件承受過(guò)大的載荷，并造成過(guò)大的振動(dòng)，同時(shí)也會(huì)加速磨損，降低性能。因此，本文針對(duì)曲軸連桿機(jī)構(gòu)通過(guò)MeshFree進(jìn)行相應(yīng)部件的受力分析，從而得知外載荷作用下的應(yīng)力分布趨勢(shì)及應(yīng)力集中點(diǎn)，為曲軸連桿機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)提供參考。
1.建立有限元模型
首先采用三維建模軟件UG NX建立曲軸連桿機(jī)構(gòu)的三維模型，如圖1所示，模型中保留了主要零件結(jié)構(gòu)：曲軸、連桿、連桿蓋和活塞，曲軸兩端采用軸套約束，從而模擬實(shí)際轉(zhuǎn)動(dòng)，將各零件裝配完成并通過(guò)中間格式Parasolid（.x_t）導(dǎo)出
圖1 曲軸連桿機(jī)構(gòu)的三維模型
在MeshFree中建立新項(xiàng)目，并選擇分析類型為非線性靜力分析，導(dǎo)入已有的Parasolid（.x_t）模型，并勾選搜索接觸面。
2.建立接觸
導(dǎo)入Parasolid（.x_t）格式模型后，MeshFree自動(dòng)創(chuàng)建接觸對(duì)：曲軸與軸套、曲軸與連桿、曲軸與連桿蓋、連桿與連桿蓋、連桿與活塞銷、活塞與活塞銷，將各接觸對(duì)接觸類型改為滑動(dòng)接觸，連桿與連桿蓋仍為焊接接觸，如圖2所示。
展開(kāi) 