發動機曲軸加工工具機的高效專用性是曲軸製造裝備的一大典型特徵，「高效專用」對工具機的基本要求是高剛度、高速度、大功率。高效專用工具機的基本特徵是量體裁衣型，即按照用戶需求提供個性化產品。

高效專用工具機具有精益性——去除冗餘功能，具有高效率和極強針對性的特點。現代高效專用工具機的供貨方式是整體解決方案。整體解決方案有如下要求：

（1）協同工程 要求從設備研製到投產後都採用協同工程——與上下游合作夥伴（供應商）及用戶，通過異地設計建立動態聯盟。聯合研製貫穿於全過程，為用戶服務貫穿於產品全生命周期。

（2）集成能力 要求供貨商熟悉用戶產品（包括預測中期發展的新產品），熟悉用戶工藝，具有編程能力、設備優化使用能力、工藝裝備成套能力及集成能力，即可將工藝系統、物流系統、信息系統集成為製造單元及完成相應的人員培訓。

（3）具備自主技術創新能力 要求供貨商提供的不僅是全面的，還必須是當代技術水平可達到的「最佳」方案。促使供貨商實現用戶需求「拉動」的自主創新。同時，與用戶聯合研製過程中積累的大大小小創新，為開發的產品「原創性」打下基礎。

（4）具備經濟分析能力 要求供應商能夠根據用戶資金（包括動態資金）提出幾個方案及報價，並且為用戶提出投資回報周期及盈利分析。

（5）能生產樣件 按照用戶提供擬加工工件圖樣或典型工件的圖樣和技術要求，提出應達到的生產率（單件加工工時）和質量水平（均應適當地高出現有的水平），工件在本工具機加工前後工序的情況，試製出合格樣件。使得工具機一到廠即可立即投入生產，而且加工效率和加工質量均能立刻穩定可靠地符合或高於用戶原來提出的要求，立即開始創造效益。

典型曲軸高效專用工具機

1.曲軸質量定心機

曲軸屬於細長類零件，加工過程中主要定位基準是兩端中心孔。按其加工位置可分為兩種：幾何中心和質量中心。幾何中心就是利用雙V形塊或其他方式找出曲軸支承軸頸的幾何中心，在此中心上加工出的中心孔稱為幾何中心孔；質量中心是利用專門的質量定心機測出曲軸的質量中心，在此中心上加工出的中心孔稱為質量中心孔。由於毛坯的幾何形狀誤差和質量分布不勻等原因，一般兩者並不重合。國外大都採用了質量中心孔，利用專門設計的測試設備來測試質量中心，然後加工出中心孔，並且可將銑兩端和加工質量中心孔合併為一道工序，採用CNC技術控制，加工效率很高。這樣就基本上解決了由於採用幾何中心孔而造成的問題。但值得一提的是，若毛坯彎曲變形嚴重或質量嚴重分布不均勻，採用質量中心孔仍不能徹底解決上述問題。

全自動曲軸質量定心機的工作原理是：曲軸放置在兩端滑動單元法蘭盤的支撐上並被夾緊，法蘭盤迴轉中心形成測量中心線。迴轉過程中，支撐的位置即曲軸的位置不斷調整，使質量中心線靠近迴轉中心線。當曲軸毛坯不平衡量很小，接近設定值時，鑽削單元鑽中心孔。此中心孔作為後續加工步驟的定位基準。

目前曲軸質量定心機的核心技術掌握在德國申克公司和美國平衡工程公司等手中，他們生產的設備是比較成熟的工具機，國內的瀋陽工具機（集團）成套設備有限公司已開發出曲軸質量定心機並成功應用於生產。

2.數控車－車拉工具機

車拉技術是起源於美國的一項技術專利，在曲軸加工中逐漸得到發展。目前應用較為普遍，在國外大量用於半精加工曲軸的主軸頸和連杆軸頸。車拉技術加工形式可分為三種：直線車拉、內環刀具旋轉車拉和外環刀具旋轉車拉。

車拉工藝大約在1983年開發出來，從1983～1988年短短的五年中，車拉工藝從直線式發展成迴轉式，到1988年發展到車－車位工藝，到目前為止其拉削方法也逐步改為梳刀工藝代替。

其主要特點有：一次設定能完成所有同心圓的車削，具有在同一台工具機上完成車－車拉加工、高效率、通過使用特殊卡盤和刀具系統實現柔性加工、工具機保養簡便及維護成本低等優點，特別適用於平衡塊側面不需加工、軸頸有沉割槽的曲軸。其中拉削工藝可用高效的梳刀技術代替，梳刀加工通常放到該工序的最後工步，通過微量的徑向進給和縱向車削實現高速精加工。

採用梳刀工藝的優點在於精度高、效率高、切屑易清理、軸向進刀量小等。

圖1為雙刀盤工具機，主要應用於轎車曲軸的高速加工，完工後可直接精磨，省去粗磨工序。

3.數控高速外銑工具機

20世紀90年代中期開發出來的CNC高速外銑技術，對於平衡塊側面需要加工的曲軸，比CNC車削、CNC內銑、車－車拉的生產效率還要高。以四拐曲軸為例，CNC車－車拉工藝加工連杆軸頸要兩道工序，而CNC高速外銑只要一道工序就能完成（應用工件迴轉和銑刀進給伺服連動控制技術，可以一次裝夾不改變曲軸迴轉中心，隨動跟蹤銑削曲軸的連杆軸頸）。CNC高速外銑技術具有以下優點：切削速度高（高達350m/min）、切削時間較短、工序循環時間較短、切削力較小、工件溫升較低、刀具壽命高、換刀次數少、加工精度更高及柔性更好。所以CNC高速外銑將是曲軸主軸頸和連杆軸頸粗加工的發展方向。

圖2為雙刀盤高速外銑，同樣主要是應用於轎車曲軸的高速加工。

4.數控內銑工具機

數控內銑是20世紀80年中期出現的工藝，數控內銑加工性能指標要高於普通外銑加工，尤其是對於鍛鋼曲軸，內銑更有利於斷屑，剛性特別好。數控內銑銑削工藝是目前國際上曲軸連杆頸粗加工先進的加工方法之一，尤其對於大功率鍛鋼曲軸的加工內銑工藝更是首選。內銑工具機有多種加工形式，使用最多的是曲軸固定型數控曲軸內銑加工工藝。其主要特點是：生產效率高、加工精度好、適用範圍廣、柔性好。具有代表性的工藝裝備有德國HELLER公司開發的數控曲軸內銑工具機系列。其主要功能特點有：曲軸固定後不動，銑刀跟隨連杆頸銑削；工具工具機身為復合材料一體化結構；工件兩端電子同步電動機旋轉驅動；具有乾式切削、加工精度高、切削效率高等特點。可通過控制系統輸入零件的基本參數，即可生成自動加工程序。圖3為數控內銑工具機，主要是應用於大型鍛鋼曲軸的高速加工。

5.CBN數控曲軸磨床曲軸

加工傳統的磨削工藝均採用磨削線速度為35m/s的普通曲軸磨床，砂輪進給和修整為手動進給，軸徑和台肩的磨削餘量大，砂輪壽命低，需技術工人精工細作才能磨出精品，因此產量和質量總是非常矛盾。目前曲軸磨削採用多種磨削方式來加工，圖4為曲軸CBN磨削。

曲軸磨削可採用的技術有單序加工和復合加工等工藝。單序加工如磨削四拐曲軸主軸頸，採用的工藝有五砂輪磨削（見圖5），磨削四拐曲軸連杆頸採用的工藝有雙砂輪磨削（見圖6）。採用這種方式加工，磨削效率很高，磨削後軸頸的跳動量容易控制，砂輪一次修整完畢後能保證各軸頸尺寸的一致性；缺點是柔性差，只能加工一個系列產品；加工曲軸前端和後端有寬砂輪組合磨削等。復合加工是指一次裝夾磨削所有主軸頸和連杆軸頸，磨削連杆軸頸採用先進的擺動跟蹤磨削技術，這種磨削方式一個最大的優點就是柔性化好。

復合加工有兩種可以採用的工藝：順序磨削主軸軸頸及連杆軸頸（見圖7）和同步磨削主軸軸頸及連杆軸頸（見圖8）。

6.曲軸深油孔加工專機

曲軸深油孔加工是曲軸尤其是鍛鋼曲軸加工中的一個難題。曲軸深油孔的直徑一般在5～8mm，從主軸頸到連杆頸傾斜貫通，屬典型細長孔而且在曲面上加工，工藝性差。

加工深油孔最好的辦法是採用槍鑽工藝。槍鑽不但可用來加工深孔（徑長比1∶250），而且也可用來加工淺孔（徑長比1∶1）。槍鑽由鑽柄（用於裝夾刀具）、鑽杆（用於連接刀頭，按加工孔的長度確定，採用韌性較好的材料）、鑽頭（切削部分，刀尖是偏心的，採用硬質合金材料）三部分焊接在一起，中間有一通孔，外側面有一直V形槽。依靠中間通孔實現內冷卻，切削液從刀上的通孔噴出，可直接對切削區冷卻。當使用高壓切削液時，其切屑能從被加工孔中通過直V形槽有效排出，無需在鑽削過程中定期退刀來排出切屑。在加工細長孔時，槍鑽可以將鑽孔、鏜孔、鉸孔一次完成，一次進給便可加工出精度IT6～IT8級、直線度0.16 ～0.33mm/1000mm和表面粗糙度值R a=3.2～0.1µ m的孔。

加工發動機曲軸的深油孔時需選擇專用的槍鑽油。一般槍鑽用的切削液應有極壓添加劑，以保證在高壓下形成油膜，防止產生干摩擦。切削液的黏度與鑽孔直徑有關，直徑越小，黏度越低。送往槍鑽切削區的切削液和一般金屬切削加工的切削液相比具有壓力高、流量大、過濾精度高的特點。流量應隨孔深的增大而增大，以保證切削液有更大的流速，達到通暢排屑的目的。

7.曲軸圓角滾壓工具機

曲軸工作時需承受較大而複雜的衝擊載荷，對抗疲勞強度有較高的要求。曲軸軸頸與側面的連接過渡圓角處為應力集中區，也是曲軸疲勞破壞的敏感區域，是薄弱環節。因此，國外發展了圓角深滾壓技術代替成形磨削方式。曲軸的圓角滾壓，就是利用滾輪的壓力作用，在曲軸的主軸頸和連杆軸頸過渡圓角處形成一條滾壓塑性變形帶，這條塑性變形帶具有以下特點。

（1）產生殘餘壓應力 可與曲軸在工作時的拉應力抵消或部分抵消，從而提高疲勞強度。

（2）硬度提高 滾壓使圓角處形成高硬度的緻密層，使曲軸的機械強度和疲勞強度得到提高。

（3）表面粗糙度值降低 圓角滾壓可使圓角表面粗糙度值Ra達到0.1µ m以下，從而大大減小了圓角處的應力集中，提高了疲勞強度。

國外應用的曲軸圓角滾壓技術已相當先進，可一次對所有圓角進行滾壓完成，且可做到主軸頸與連杆軸頸圓角的壓力不同，同一連杆軸頸圓角在不同方向上的壓力也可不同。這樣可經濟地達到最佳的滾壓效果，最大限度地提高曲軸的抗疲勞強度。

經德國HEGENSCHEID公司測定，球鐵曲軸經滾壓後壽命可增加100%～280%。

圖9為HEGENSCHEID公司某型號圓角滾壓工具機的滾壓鉗部分。

8.綠色粗磨「扒皮」工具機

英國LANDIS公司生產的CBN數控曲軸粗磨工具機，被稱作「綠色粗磨」，超越傳統的「扒皮法」磨削，一次裝夾從毛坯到磨削完畢，耗時僅4～6min。採用電鍍CBN砂輪，從鍛件或鑄件直接粗磨，磨削線速度高達200m/s，磨削效率超過500mm3/s，4min磨削餘量高達7kg以上，可以取代銑床或車床加工，出現了「以磨代車」的局面。

典型曲軸高效專用工具機的合理應用

下面以數控車－車拉、高速外銑、內銑工具機為例，分析它們加工的工藝性。

（1）當曲軸軸頸有沉割槽時，數控內銑工具機不能加工；如果曲軸軸頸軸向有沉割槽時，數控高速外銑工具機和數控內銑工具機均不能加工，但數控車－車拉工具機能很方便地加工。

（2）當平衡塊側面需要加工時，數控內銑工具機應當為首選工具機，因為內銑刀盤外圓定位、剛性好，尤其適用於加工大型鍛鋼曲軸；此時不適合用數控車－車拉工具機，因為在曲軸的平衡塊側面需要加工的情況下，採用數控車－車拉工具機加工，平衡塊側面是斷續切削，且曲軸轉速又很高，在這種工況下，崩刀現象比較嚴重。

（3）當曲軸的軸頸無沉割槽且平衡塊側面不需加工時，原則上幾種工具機都能加工。當加工轎車曲軸時，主軸頸採用數控車－車拉工具機，連杆軸頸採用數控高速外銑工具機則應成為最佳高效加工選擇；當加工大型鍛鋼曲軸時，則主軸頸和連杆軸頸均採用數控內銑工具機比較合理。曲軸可以分為體形較大的鍛鋼曲軸和輕量化的轎車曲軸，鍛鋼曲軸軸頸一般無沉割槽，且側面需要加工，餘量較大；轎車曲軸一般軸頸有沉割槽，且側面不需要加工。因此可以得出結論：加工鍛鋼曲軸採用數控內銑工具機，加工轎車曲軸主軸頸採用數控車－車拉工具機、連杆軸頸採用數控高速外銑工具機是比較合理的高效加工選擇。

結語

高效專用工具機提供了曲軸加工的整體解決方案，使曲軸加工技術走向高效復合化。但曲軸高效專用工具機也有它的加工局限性，只有合理應用合適的加工工具機，才能發揮出曲軸加工工具機的高效專用性，從而提高工序的加工效率。

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