引言：說起曲軸，我們能夠想到的可能就是汽車發(fā)動(dòng)機(jī)中的曲軸部件，其作用自然是承受連桿傳來的力，并將其轉(zhuǎn)變?yōu)檗D(zhuǎn)矩通過曲軸輸出并驅(qū)動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)上其他附件工作，是發(fā)動(dòng)機(jī)中非常重要的組成部件之一。本文，我們主要來介紹一下曲軸設(shè)計(jì)與加工的過程。

曲軸是發(fā)動(dòng)機(jī)中最典型、最重要的零件之一，其功用是將曲軸連桿傳遞來的氣體壓力轉(zhuǎn)變?yōu)檗D(zhuǎn)矩，作為動(dòng)力而輸出做功，驅(qū)動(dòng)其他工作機(jī)構(gòu)，并帶動(dòng)內(nèi)燃機(jī)輔助裝備工作。這就意味著劇烈的加速和減速，并伴隨高彎曲變形、高扭矩和振動(dòng)沖擊，導(dǎo)致非常高且多變的應(yīng)力。如此極端化的應(yīng)力需要精心的設(shè)計(jì)和計(jì)算、選擇合適的材料以及批量加工工藝。

軸類零件在機(jī)械中的主要作用是傳遞動(dòng)力和扭矩，同時(shí)也對(duì)軸上的其他零件起到支撐作用。發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸是發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力元件，這就要求發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸有足夠的尺寸精度和結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，因此對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸進(jìn)行加工時(shí)就要仔細(xì)考慮選擇何種材料，使用何種毛坯成型工藝，加工過程分為哪幾步，怎樣進(jìn)行熱處理保證曲軸的機(jī)械性能等。一般的加工工藝流程是：確定零件材料和毛坯成型方式、確定加工順序和加工基準(zhǔn)、粗、精加工發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸的主軸頸和連桿頸、加工法蘭孔和信號(hào)輪孔、熱理、加工沉割槽、精磨主軸頸和連桿頸、拋光、檢查尺寸結(jié)構(gòu)并涂油入庫。

曲軸設(shè)計(jì)加工過程介紹

1、確定曲軸材料和成型工藝

(1)確定材料

目前階段制作汽車發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸的材料主要是球墨鑄鐵和調(diào)質(zhì)鋼。球墨鑄鐵具有良好的切削性能，比較容易加工出合適的尺寸結(jié)構(gòu)，其強(qiáng)度、韌性和塑性可達(dá)到中等水平，具有較高的機(jī)械綜合性能和良好的耐磨性與減震性，鑄造工藝性能優(yōu)良，也可通過熱處理來改變其結(jié)構(gòu)性能。除具備良好的機(jī)械性能之外，球墨鑄鐵的成本也比較低廉，制作同樣規(guī)格的零件，球墨鑄鐵的成本僅為調(diào)質(zhì)鋼的三分之一左右，因此大多數(shù)汽車制造企業(yè)都選用球墨鑄鐵作為制造發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸的材料。國內(nèi)的汽車制造商對(duì)球墨鑄鐵的使用也非常廣泛，八成以上的中小型功率發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸的材料均為球墨鑄鐵。

(2)成型工藝

發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸屬于結(jié)構(gòu)復(fù)雜的零件，一般都會(huì)預(yù)先將材料進(jìn)行成型處理，加工成零件的大致尺寸再進(jìn)行精細(xì)加工，成型方式有兩種一種是模鍛成形，一種是鑄造成型。模鍛成形加工出的毛坯尺寸精度較高，后期的加工余量小，且鍛件內(nèi)部的鍛造流線按鍛件輪廓分布，從而提高了零件的力學(xué)性能和使用壽命。鑄造成型的毛坯需要加工的余量大，且對(duì)加工的刀具影響大，加工時(shí)還容易產(chǎn)生較多廢氣。因此選擇鍛造件作為發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸的毛坯。

2、確定加工順序和加工基準(zhǔn)

確定加工順序時(shí)要遵循先粗后精、先主后次、先面后孔、基面先行的原則。加工基準(zhǔn)分為粗基準(zhǔn)與精基準(zhǔn)，確定粗基準(zhǔn)的原則是不以加工面為基準(zhǔn)且粗基準(zhǔn)不能重復(fù)使用。確定精基準(zhǔn)時(shí)要遵循基準(zhǔn)重合和基準(zhǔn)統(tǒng)一原則，每更換一次加工基準(zhǔn)就會(huì)使零件的尺寸精度降低，所以精基準(zhǔn)應(yīng)盡量保持統(tǒng)一。加工曲軸時(shí)，選擇軸的兩個(gè)端面為粗基準(zhǔn)，在兩端面上加工出中心孔，作為精基準(zhǔn)。

3、粗加工、精加工主軸頸和連桿頸

發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸加工時(shí)的重點(diǎn)結(jié)構(gòu)就是主軸頸連桿頸。此道工序加工工步多，加工耗時(shí)長，切削量大，且需要專用夾具和設(shè)備。一般的固定方式是用兩個(gè)頂尖分別頂在兩端面的中心孔，中心架作為定位支撐，以減小其加工時(shí)造成的精度誤差。加工時(shí)控制切削速度和進(jìn)給量，最好使用帶有刀庫的數(shù)控加工中心進(jìn)行加工以減少換刀時(shí)長。

4、加工法蘭孔和信號(hào)輪孔

加工法蘭孔和信號(hào)輪孔時(shí)要注意保證孔和曲軸軸線的同軸度，加工時(shí)可采用增大頂尖和中心孔接觸面積的方式減小軸跳動(dòng)。加工深孔時(shí)要先鉆一個(gè)定位孔，進(jìn)刀方式要選擇螺旋進(jìn)刀，且確保加工時(shí)能夠正常排出廢屑，加工到一定深度時(shí)應(yīng)將刀具整個(gè)退出，將孔內(nèi)和刀具上的鐵屑清理干凈再繼續(xù)加工。

5、熱處理

曲軸在工作時(shí)，主軸頸、連桿頸部分需要傳遞較大的扭矩且要承受較大的載荷因此需要有較高的強(qiáng)度和韌性，所以熱處理方式一般選擇調(diào)質(zhì)處理，即淬火+高溫回火。這種熱處理方式，能有效提高零件強(qiáng)度和收縮率，降低其脆性，并且能夠消除加工產(chǎn)生的應(yīng)力。熱處理的順序是先對(duì)連桿頸進(jìn)行淬火處理，然后對(duì)主軸頸進(jìn)行淬火處理。完成淬火之后再對(duì)零件進(jìn)行加熱，之后再冷卻完成回火，經(jīng)調(diào)制之后曲軸的洛氏硬度能達(dá)到45到60之間。

6、修磨中心孔

曲軸兩端面的中心孔是精磨時(shí)的重要基準(zhǔn)，應(yīng)盡量保證兩端中心孔軸線相互重合，中心孔錐角角度合理，因?yàn)轫敿鈱儆诰軍A具，所以中心孔的尺寸精度要求很高，否則會(huì)對(duì)頂尖造成破壞，在加工過程中也會(huì)因中心孔孔壁粗糙，發(fā)生輕微軸跳動(dòng)，影響零件的同軸度。中心孔在完成主軸頸和連桿頸的加工和經(jīng)過熱處理后會(huì)有一定的磨損變形，影響之后加工工步的尺寸精度。所以在精磨之前，要對(duì)中心孔進(jìn)行修磨，消除誤差。一般的修磨方式有：通過硬質(zhì)合金頂尖、鑄鐵頂尖以及用中心孔磨床修磨。發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸有較高的精度要求，因此采用中心孔修磨床完成修磨。

7、加工沉割槽

進(jìn)行沉割槽的加工時(shí)可選用不同的滾壓頭來加工曲軸的各個(gè)沉割槽，由于各個(gè)滾壓頭的扭矩不同，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)曲軸的沉割槽的同時(shí)加工，極大地提高加工效率。加工過程中使用感應(yīng)接頭來控制加工余量，通過監(jiān)測(cè)滾壓過程中刀具震動(dòng)情況和刀具轉(zhuǎn)速，來分析滾壓過程中刀具的工作狀態(tài)，確保加工精度。

8、磨削加工

雖然不同車型的發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸各部分的尺寸精度要求不同，但是曲軸屬于精密零件，一般加工達(dá)不到其精度要求，所以為保證其尺寸精度，要對(duì)主軸頸和連桿頸進(jìn)行研磨加工。以中心孔作為精磨加工的精基準(zhǔn)，先加工主軸頸后加工連桿頸。加工時(shí)用中心架對(duì)其進(jìn)行固定，并配備進(jìn)給連桿和止推軸承，邊加工邊測(cè)量，確保精度要求。磨削加工時(shí)工件與刀具摩擦?xí)a(chǎn)生非常大的熱量，容易燒傷零件的加工表面，所以磨削時(shí)應(yīng)采取良好的冷卻措。

9、拋光處理

精磨之后曲軸加工大致完成，由于加工過程中由于刀具磨損和固定夾具會(huì)在工件表面產(chǎn)生螺旋線或者夾痕，因此需要拋光處理。拋光帶磨削力高，具有較好的強(qiáng)度和柔韌性，能夠達(dá)到精密的拋光效果，有效去除工件表面損傷。

10、曲軸強(qiáng)化工藝

曲軸的機(jī)械加工步驟完成之后，為保證曲軸的表面硬度、耐磨性和抗咬合性，應(yīng)對(duì)其進(jìn)行強(qiáng)化處理。經(jīng)過軟氮化處理之后的曲軸，氮碳共滲層薄、摩擦系數(shù)低，其內(nèi)部形成經(jīng)過塑性變形形成強(qiáng)化層，強(qiáng)化層內(nèi)形成較高的殘余應(yīng)力，整體的抗疲勞強(qiáng)度得到提高。

曲軸零件的主要加工表面是主軸頸外圓面以及連桿上下、左右表面。因此，對(duì)于曲軸來說，加工過程中的主要問題是保證主軸頸外圓面的同軸度，處理好孔和平面。

以上這些內(nèi)容就是關(guān)于曲軸設(shè)計(jì)與加工的相關(guān)介紹了，相信大家在看了上面的介紹之后，對(duì)曲軸設(shè)計(jì)已經(jīng)有所了解了。如果還想了解更多曲軸設(shè)計(jì)的知識(shí)，以及自動(dòng)化設(shè)計(jì)的知識(shí)，可以關(guān)注我們的公眾號(hào)。