曲軸是發動機中最典型、最重要的零件之一，其功用是將活塞連桿傳遞來的氣體壓力轉變為轉矩，作為動力而輸出做功，驅動器他工作機構，并帶動內燃機輔助裝備工作。這就意味著劇烈的加速和減速，并伴隨高彎曲變形、高扭矩和振動沖擊，導致非常高且多變的應力。如此極端化的應力需要精心的設計和計算、選擇合適的材料以及批量加工工藝。這些應力集中于支承軸頸和平衡塊輻板之間的圓角半徑處以及油孔上，因此需要特別關注這些位置的加工。

 

　　曲軸的工作原理

 

　　（先來看一段視頻，此視頻介紹了寶馬曲軸生產線，自動化程度很高。）

 

　　曲軸的結構及材料

　　曲軸屬細長桿件，主要由主軸頸、連桿頸、油封軸頸、齒輪軸頸組成，在主軸頸、連桿頸上有油孔，兩端有螺紋孔。

 

　　根據發動機的結構，曲軸主要有直列和V型曲軸，上圖為直列曲軸，主軸頸用于支撐整個曲軸，連桿頸與連桿相連，帶動連桿活塞做上下往復運動根據發動機的工作狀況。

 

　　曲軸常用材料有：球墨鑄鐵、合金鋼。對于汽油機曲軸和小型柴油機曲軸，由于功率較小，曲軸毛坯一般采用球墨鑄鐵和優質碳素鋼，常用材料有：QT700-2、45鋼等；中、重型柴油機曲軸毛坯一般采用合金鋼，常用材料有：48MnV、35CrMo等。

 

　　曲軸是發動機中的重要零件，由于曲軸具有結構復雜、剛性差、技術要求高的特性，因此加工工藝難度大，而其加工質量又直接影響到發動機的技術性能和壽命，且曲軸屬細長桿件零件，在加工中極易產生變形，這就需要在進行加工工藝設計時，根據曲軸的材料、技術要求、生產能力等要求，綜合、考慮加工方案。

 

　　曲軸加工工藝

 

　　曲軸加工工藝過程雖然曲軸的品種較多，結構上一些細節有所不同，但加工工藝過程大致相同。

　　主要工藝介紹

 

　　1）曲軸主軸頸及連桿頸外銑加工

 

　　現在的數控外銑機床，采用了模塊化設計，使外銑數控機床具備可變形的多種不同的結構，從而適應曲軸品種規格變化的需要。在進行曲軸零件加工時，由于圓盤銑刀本身結構的影響，刀刃與工件始終是斷續接觸，有沖擊。因此，機床整個切削系統中控制了間隙環節，降低了加工過程中因運動間隙產生的振動，從而提高了加工精度和刀具的的使用壽命。

 

　　外銑機床可由兩個外銑刀盤組成，刀盤在做主運動切削的同時還可以上下擺動，從而適應于加工連桿頸的需要。此時，曲軸轉動，連桿頸繞主軸頸中心轉動，銑刀盤隨連桿頸旋轉而上下擺動，實現隨動切削。由于兩銑削頭可沿著主軸軸心線移動，從而完成對曲軸每個主軸頸和連桿頸的銑削。

 

　　2）曲軸主軸頸及連桿頸磨削

 

　　目前隨著機床制造技術的發展，連桿頸的磨削則采用跟蹤磨削法。跟蹤磨削法是以主軸頸中心線為回轉中心，一次裝夾依次完成曲軸連桿頸的磨削加工（也可用于主軸頸磨削），磨削連桿軸頸的實現方式是通過CNC控制砂輪的進給和工件回轉運動兩軸聯動，來完成曲軸加工進給。跟蹤磨削法采用一次裝夾、在一臺數控磨床上依次完成曲軸主軸頸和連桿頸的磨削加工，能有效地減少設備費用，降低加工成本，提高加工精度和生產效率。

 

　　３）曲軸主軸頸、連桿頸圓角滾壓機床

 

　　近年來，滾壓機床應用越來越多，主要是為了提高曲軸的疲勞強度。據統計資料表明，球墨鑄鐵曲軸經圓角滾壓后的曲軸壽命可提高120％～230％；鍛鋼曲軸經圓角滾壓后壽命可提高70％～130％。滾壓的旋轉動力來源于曲軸的旋轉，帶動滾壓頭中的滾輪轉動，而滾輪的壓力是由油缸實施的。滾壓力的大小直接影響到滾壓的效果。力大則在短時間內就會滾壓出規定的深度，但由于壓力過大，除了易使滾壓輪破損外，更易使曲軸整體產生彎曲變形。為此，油缸的壓力是可變的、可調的，在曲軸旋轉過程中的任一角度都可隨時變化，靠液壓伺服閥控制，實現脈沖滾壓。

 

　　在滾壓過程中，因滾壓輪薄、硬度高，在壓力作用下超過一定的時間會破損，因此，滾壓頭具有滾壓輪破損檢測報警功能。由于在滾壓過程中曲軸的高速旋轉，受滾壓力的作用及滾壓臂的隨動負載的影響，盡管脈沖滾壓能保證曲軸在滾壓過程中的變形很小，但曲軸還是有變形存在。因此，滾壓機床采用了在線檢測技術，測頭可在任意位置對曲軸進行彎曲變形檢測，若變形超差，確定變形方向，通過專家系統控制，使滾壓油缸的力根據變形方向而變化，從而達到校直的目的，一般需19~21KN的校直力。在滾壓加工過程中，為了控制滾壓力的大小，在滾壓臂最易產生變形的位置安裝了一個應變儀，通過滾壓臂受張力產生變形的大小，來監控滾壓力，從而對壓力進行控制。

 

　　４）曲軸油道孔數控鉆削機床

 

　　曲軸油道孔的加工經歷了普通鉆床、組合機床、槍鉆等不同時代的不同的加工方法，而今已開始采用數控柔性鉆床。其結構特點如下：

 

　　（1）采用帶中孔的涂鈦硬質合金鉆頭；

 

　　（2）采用油氣通過鉆頭中孔對切削部位進行潤滑，其用油為菜子油，不含硫、硅、氯等成分，也不含石油成分，潤滑效果好；

 

　　（3）可同時加工兩根曲軸；

 

　　（4）可自動換刀；

 

　　（5）油道孔加工角度在一定范圍內可調；

 

　　（6）實現6軸運動。即主軸運動，主軸頭擺動；

 

　　主軸頭前后移動；主軸頭左右移動（換刀和油道孔加工位置用）；主軸頭上下進給運動；被加工曲軸的轉動。這種鉆床，大大減少了切削液的使用量，而且提高了加工的柔性。切削液的使用，在曲軸加工中也是需要關注的問題，如何減少加工現場的油霧，一些專業的切削液廠家也提供了相應的解決方案。

 

　　５）曲軸法蘭孔加工

 

　　針對曲軸法蘭孔的加工。在鉆孔工序常采用整體硬質合金階梯鉆，適合高精度鉆孔加工。攻絲常采用新型整體硬質合金切削絲錐及擠壓絲錐，一般會采用針對不同材質的加工特點而特別設計的絲錐在攻絲過程中經常遇到絲錐的纏屑問題，OSG提供了相應的解決方案。

 

　　當然，大型曲軸作為國之重器，在加工過程中會存在很多問題和困難，需要工藝人員不斷的積累經驗，為大型發動機做出好的“心臟”。