百科详情

发动机是机械行业最核心的动力装置，曲轴是发动机上最重要、承受载荷最大的运动机件之一，主要承担旋转作用，装上活塞连杆后，在气体压力作用下，可将活塞的往复运动转变成曲轴的旋转运动。曲轴的旋转是发动机的动力源，也是整个机械系统的源动力。^[1]

曲轴在周期性变化的气体压力、运动质量惯性力及其力矩的作用下，在其内部产生迅速变化的拉、压、弯、扭交变应力。同时在周期变化的载荷作用下，曲轴系统可能在发动机转速范围内发生共振，产生附加的动应力，致使曲轴过早地出现弯曲和扭转疲劳破坏。正是基于曲轴的重要性以及其加工工艺的复杂性，在对某型号发动机曲轴进行设计分析的基础上，拟通过有限元分析来探讨改变曲轴曲柄臂上斜面加工工艺对曲轴强度等性能产生的影响。分析改进加工工艺后曲轴承载能力的改善。^[1]

曲轴一般都是通过车加工、铣加工，以及配以数控技术来实现。

车床是加工件在中轴旋转，刀具从外面加工，适合轴具外加工； 铣床是铣刀旋转运动为主运动，工件和铣刀的移动为进给运动，主要适用于面加工。加工工艺改进方案是曲柄臂上斜面的加工工艺由原 30°车曲面改为 32°铣平面。通过建立有限元模型，分析静态方案下应力、模态、刚度等方面的变化情况。^[1]

分析了 2 种加工工艺方案在最大爆发压力为19 MP_a时，曲柄销和主轴颈的圆角处应力集中的情况，得到 2 种方案的等效应力( 平均值的 75% ) 云图及最大主应力云图。曲柄臂上斜面 32°铣平面方案下的等效应力以及最大主应力相比于车曲面有所增加，两方案应力差别不大，都在设计可靠范围以内。^[1]

对 2 种方案进行模态分析，比较改变加工工艺对模型的固有频率的影响。第 1 阶为弯曲、第 2 阶为扭转、第 3 阶为侧弯、第 4 阶为剪切、第5 阶为弯扭组合、第 6 阶为拉弯 /压弯。

曲轴第 1 阶模态的频率有小幅增大，其他各阶频率均略小于车曲面曲轴。^[1]

分析了改变加工工艺对曲轴扭转刚度( GI，G 为剪切模量； I 为惯性矩) 和弯曲刚度( EI，E 为弹性模量) 的影响。将曲轴由车曲面改为铣平面后，曲轴的扭转刚度有小幅增加； 曲轴的弯曲刚度也略微增加。^[1]

通过比较分析可以得到以下结论：

a． 铣平面方案下的等效应力以及最大主应力相比于车曲面有所增加，但总体来说两方案应力差别不大，都在设计可靠范围以内；^[1]

b． 模态分析表明，两方案前 6 阶频率差别不大，除第 1 阶频率有小幅增大外其他各阶频率均略小于车曲面；

c． 铣平面方案的弯曲刚度和扭转刚度都优于车曲面方案。

由于分析结果只比较了 30°车曲面和 32°铣平面的情况，加工工艺角度对车曲面及铣平面分析结果的定性影响规律，以及是否存在可统计的定量规律还需更进一步的研究分析。^[1]

曲轴是发动机的心脏零件之一，在发动机中承受着交变反复的弯曲和扭转载荷。绝大多数曲轴在使用过程中 ，存在着疲劳强度不足，实际断裂的曲轴都是发生在轴颈圆角 R 的曲柄臂侧面圆角 R₁处，尤其各发动机厂都在增大发动机功率时，这种现象显得非常突出，成为影响发动机使用寿命的重要因素之一。所以曲轴在制造过程中 ，要不断提高曲轴轴颈圆角 R 和曲柄臂侧面圆角 R_I的加工质量。^[2]

随着大功率柴油机需求量的增大，大功率柴油机使用的圆角淬火曲轴的需求量也在大幅度增加。对数根断裂 的圆角淬火曲轴进行分析，发现从曲柄臂侧面圆角 R_l处断裂的曲轴数量明显增多。而造成这种现象的主要原因是 曲柄臂侧面圆角 R_I加工不成形，导致曲柄臂侧 面圆角 R₁处产生应力集中。特别是圆角淬火曲轴的曲柄臂侧面 圆角R_l，恰好处于轴颈圆角 R 的淬火区和曲柄臂上非淬火区的过渡区内，是曲轴进行圆角淬火时，产生应力最集中的地方，也是曲轴断裂的危险截面。^[2]

传统的曲柄臂侧面圆角 R_l的加工方法，是采用硬质合金焊接刀头来直接车成。加工圆角 R_l的车刀圆角刃磨主要是靠操作者用 R₁圆角磨刀样板来实现，由于手工刃磨刀具圆角的方法比较落后，导致刀具刃磨后的圆角不成形。特别是操作者刃磨刀具水平上的差别，造成曲柄臂侧面圆角R_l加工后千差万别，达不到产品图样要求，甚至根本就没有加工出圆角。^[2]

针对传统的曲柄臂侧面圆角 R₁的加工方法中存在的问题，对刀具做了改进设计，由焊接刀头改成可转位成形刀具。它由定位键、成形圆刀片、刀垫、勾销、刀盒、刀体、螺钉等件组成。成形圆刀片3 和刀垫4、通过勾销 6、由紧定螺钉5 固定压紧在刀盒7上。而刀盒7通过内六角头螺钉8固定压紧在刀体9上。定位键1由内六角头螺钉2固定在刀体9上，用来对刀盒7进行定位。成形圆刀片外圆直径D的大小，取决于被加工曲柄臂的侧面圆角 R₁的大小，D = 2 R_I。^[2]

改进设计后 的可转位成形刀具，经过近两年多的使用效果较好。不但使圆角淬火曲轴的曲柄臂侧面圆角R₁达到产品图样要求，而且使曲轴的断轴率下降为最低。且刀具简单易做，非常耐用，每个圆刀片可旋转使用1 2次 ，不用经常刃磨刀具，装夹对刀，生产效率也得到了提高，具有较高的推广价值。^[2]

其特点是曲轴的配重块不是在曲柄臂上采用常规的整体锻造方式，而是采用分体锻造。然后曲轴和配重块分别进行机械加工，再用内六角头螺钉安装组合在一起。曲轴转速很高。如果加工曲轴曲柄臂上配重块结合面的尺寸及形位公差，满足不了图样要求，将导致组装后曲轴整体中心偏离旋转中心，使柴油机工作时产生振动和振动力，引起柴油机噪声大，轴承发热，整车振动大。^[3]

正在使用的普通硬质合金可转位面铣刀和加工工艺方法看，要保证 v s 曲轴的曲柄臂铣削出符合图样的加工精度有一 定难度。因为尺寸精度、形位精度、表面粗糙度值这三个方面图样要求较严，根据以往实际加工情况， 如果形位精度和表面粗糙度值控制较好，尺寸精度就容易超差；而尺寸精度控制好了，形位精度和表面粗糙度值就不容易达到要求。在实际铣削生产加工中，要解决它们三者之间的相互关系，还是比较困难。^[3]

传统的可转位面铣刀，在铣削 V S 曲轴曲柄臂 L 的平面时，存在的主要问题是：

( l) 刀片的寿命短， 磨损太快， 可靠性相对较差试制时，采用一次性铣削一个平面，一根V 8 曲轴需要在6个曲柄臂上铣6个平面，一 盘新的可转位面铣刀，二根 v8 曲轴 12 个平面没加工完，刀片就磨损了，表而明显有 “ 刀花” 痕迹，平面度超差，尺寸控制的也不好。最后只能更改工艺。^[3]

( 2 ) 刀片的耐热性差，铣刀在使用过程中，刀片易出现 “ 烧刀 ” 现象，由于 V8 曲轴的材料为 42CrMoA 合金钢，热处理时效后的硬度为258 一 320HBW，切削性能稍差一 些，所以在铣削时出现 “ 烧 刀” 现象，一盘可转位面铣刀中，有一 块刀片 “ 烧 刀 ”，平面度就差了，表面粗糙度值就大，铣削平面就出现 “ 刀 痕” 了。

( 3) 刀片尺寸的一致性差。 一 盘可转位面铣刀的刀片调整好后，如果再换个方向安装，铣削时就 “ 带 刀 ”要是更换一个刀片，铣削效果就更差了， “ 刀 花” 明显加大。^[3]

根据工厂实际生产现状的需要，通过各种分析，最终选择了 Coromill490 面铣刀，用于铣削 V8 曲轴曲柄臂上的平面。经过实际使用， 效果确实比较理想，图样上有关铣削曲柄臂平面的尺寸精度、形位精度和表面粗糙度要求，加工后通过检测，基本上都在图样标注的要求范围之内。^[3]

（1）机床主轴的回转精度要在机床说明书要求的精度范围之内，径向和轴向跳动要符合要求，实际测量数值超差，应调整恢复机床主轴的回转精度。^[3]

（2） 机床工作台的移动精度要在机床说明朽要求的精度范围之内，机床导轨间隙大，不符合出厂要求，要进行调整恢复精度。

（3） 工艺装备的刚性要好，因为曲轴属于细长轴类加工，本身刚性较差，夹具的刚性不好，加工时要产生变形振动，影响加工质量。

（4） 合理安排铣削工艺，工艺是机械加工中最灵活的要素之一。^[3]