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曲軸是汽車發動機的關鍵部件之一,其性能好壞直接影響汽車的壽命。曲軸工作時承受著大負荷和不斷變化的彎矩及扭矩作用,常見的失效形式為彎曲疲勞斷裂及軸頸磨損,因此要求曲軸材質具有較高的剛性和疲勞強度以及良好的耐磨性能。

燒腦的曲軸,加工製造技術

曲軸的工作原理:

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,並帶動內燃機輔助裝備工作。

燒腦的曲軸,加工製造技術

發動機主要受力零件曲軸其疲勞破壞最常見的是金屬疲勞破壞,即彎曲疲勞破壞和扭轉疲勞破壞,前者的發生概率大於後者。彎曲疲勞裂紋首先產生在連桿軸頸(曲柄銷)或主軸頸圓角處,然後向曲柄臂發展。扭轉疲勞裂紋產生於加工不良的油孔或圓角處,然後向與軸線成 方向發展。金屬疲勞破壞是由於隨時間周期性變化的變應力作用的結果。曲軸破壞的統計分析表明,80%左右是彎曲疲勞產生的。

曲軸製造工藝:

目前車用發動機曲軸材質有球墨鑄鐵和鋼兩類。由於球墨鑄鐵的切削性能良好,可獲得較理想的結構形狀,並且和鋼質曲軸一樣可以進行各種熱處理和表面強化處理來提高曲軸的抗疲勞強度、硬度和耐磨性。球墨鑄鐵曲軸成本只有調質鋼曲軸成本的 1/3 左右,所以球墨鑄鐵曲軸在國內外得到了廣泛應用。統計資料表明,車用發動機曲軸採用球墨鑄鐵材質的比例在美國為 90%,英國為 85%,日本為 60%,此外,德國、比利時等國家也已經大批量採用。國內採用球墨鑄鐵曲軸的趨勢則更加明顯,中小型功率柴油機曲軸 85%以上採用球墨鑄鐵,功率在160kW 以上的發動機曲軸多採用鍛鋼曲軸。

曲軸製造技術:

1、球墨鑄鐵曲軸毛坯鑄造技術

球墨鑄鐵曲軸的生產繼 QT800-2、QT900-2 等幾種牌號后,廣西玉柴等經過攻關已能穩定生產 QT800-6 牌號的曲軸,為曲軸「以鐵代鋼」奠定了基礎。

(1) 熔煉

高溫低硫純凈鐵水的獲得是生產高質量球墨鑄鐵的關鍵。國內主要是以衝天爐為主的生產設備,鐵水未進行預脫硫處理;其次是高純生鐵少、焦炭質量差。

目前已採用雙聯外加預脫硫的熔煉方法,採用衝天爐熔化鐵水,經爐外脫硫,然後在感應電爐中升溫並調整成分。目前,在國內鐵水成分的檢測已普遍採用真空直讀光譜儀來進行。

(2) 造型

氣流衝擊造型工藝明顯優於粘土砂型工藝,可獲得高精度的曲軸鑄件,該工藝製作的砂型具有無反彈變形量等特點,這對於多拐曲軸尤為重要。目前,國內已有一些曲軸生產廠家從德國、義大利、西班牙等國引進氣流衝擊造型工藝,不過,引進整條生產線的只有極少數廠家,如文登天潤曲軸有限公司引進了德國KW 鑄造生產線。

2、鋼曲軸毛坯的鍛造技術

近幾年來,國內已引進了一批先進的鍛造設備,但由於數量少,加之模具製造技術和其他一些設施跟不上,使一部分先進設備未發揮應有的作用。從總體上來講,需改造和更新的陳舊的普通鍛造設備多,同時,落後的工藝和設備仍佔據主導地位,先進技術有所應用但還不普遍。

3、機械加工技術

目前國內曲軸生產線多數由普通機床和專用機床組成,生產效率和自動化程度相對較低。粗加工設備多採用多刀車床車削曲軸主軸頸及拐頸,工序的質量穩定性差,容易產生較大的內應力,難以達到合理的加工余量。一般精加工採用MQ8260 等曲軸磨床粗磨-半精磨-精磨-拋光,通常靠手工操作,加工質量不穩定。

隨著貿易全球化的到來,各廠家已意識到了形勢的嚴峻性,紛紛進行技術改造,全力提升企業的競爭力,近年來引進了許多先進設備和技術,進展速度很快。就目前狀況來講,這些設備和技術基本依賴進口。

4、熱處理和表面強化處理技術

曲軸的熱處理關鍵技術是表面強化處理。球墨鑄鐵曲軸一般均採用正火處理,為表面處理做好組織準備,表面強化處理一般採用感應淬火或氮化工藝。鍛鋼曲軸則採用軸頸與圓角淬火工藝。引進的設備有 AEG 全自動曲軸淬火機床、EMA 淬火機床等。

據國外資料介紹,球墨鑄鐵曲軸採用圓角滾壓工藝與離子氮化結合使用進行複合強化,可使整條曲軸的抗疲勞強度提高 130%以上。國內部分廠家近幾年也進行了這方面的實踐,取得了良好的效果。

曲軸圓角滾壓加工方面,德國赫根塞特(HEGENSCHEIDT-MFDAUTOMATIC)生產的機床應用了變壓力滾壓和矯正專利技術,是比較好的圓角滾壓設備,但價格昂貴。目前國內在這方面的研究也有了一定的成果,東風汽車有限公司工藝研究所的「曲軸圓角滾壓強化與滾壓校直技術研究開發及應用」解決了國內企業化巨資引進國外技術的問題,該課題獲得了原國家機械工業局科技進步二等獎。

曲軸製造技術的發展趨勢

1、鑄造技術

(1)熔煉

對於高牌號鑄鐵的熔化,將採用大容量中頻爐進行熔煉或變頻中頻爐熔煉,並採用直讀光譜儀檢測鐵水成分。球墨鑄鐵處理採用轉包,研製新品種球化劑,採用隨流孕育、型內孕育及複合孕育等先進孕育方法。熔化過程的各參數實現微機控制和屏幕顯示。

(2)造型

消失模鑄造將得到發展和推廣。在砂型鑄造中,無箱射壓造型和擠壓造型將受到重視並繼續在新建廠或改建廠中推廣應用。原有的高壓造型線將繼續使用,其中部分關鍵元件將得到改進,實現自動組芯和下芯。

2、鍛造技術

以熱模鍛壓力機、電液錘為主機的自動線是鍛造麯軸生產的發展方向,這些生產線將普遍採用精密剪切下料、輥鍛(楔橫軋)制坯、中頻感應加熱等。

3、機械加工技術

曲軸粗加工將廣泛採用數控車床、數控內銑床、數控車拉床等先進設備對主軸頸、連桿軸頸進行數控車削、內銑削、車-拉削加工,以有效減少曲軸加工的變形量。曲軸精加工將廣泛採用 CNC 控制的曲軸磨床對其軸頸進行精磨加工。

此種磨床將配備砂輪自動動平衡裝置、中心架自動跟蹤裝置、自動測量、自動補償裝置、砂輪自動修整、恆線速度等功能要求,以保證磨削質量的穩定。高精設備依賴進口的現狀,估計短期內不會改變。

4、熱處理技術和表面強化技術

(1)曲軸中頻感應淬火

曲軸中頻感應淬火將採用微機監控閉環中頻感應加熱裝置,具有效率高、質量穩定、運行可控等特點。

(2)曲軸軟氮化

對於大批量生產的曲軸來說,為了提高產品質量,今後將採用微機控制的氮基氣氛氣體軟氮化生產線。氮基氣氛氣體軟氮化生產線由前清洗機(清洗乾燥)、預熱爐、軟氮化爐、冷卻油槽、后清洗機(清洗乾燥)、控制系統及制氣配氣等系統組成。

(3)曲軸表面強化技術

球墨鑄鐵曲軸圓角滾壓強化將廣泛應用於曲軸加工中,另外,圓角滾壓強化加軸頸表面淬火等複合強化工藝也將大量應用於曲軸加工中,鍛鋼曲軸強化方式將會更多地採用軸頸加圓角淬火處理。

曲軸斷裂的主要原因:

(1)機油長期使用變質;嚴重的超載、超掛,造成發動機長期超負荷運行而出現燒瓦事故。由於發動機燒瓦,曲軸受到嚴重磨損。

(2)發動機修好后,裝車沒經過磨合期,即超載超掛,發動機長期超負荷運行,使曲軸負荷超出容許的極限。

(3)在曲軸的修理中採用了堆焊,破壞了曲軸的動力平衡,又沒有做平衡校驗,不平衡量超標,引起發動機較大的振動,導致曲軸的斷裂。

(4)由於路況不佳,車輛又嚴重超載超掛,發動機經常在扭振臨界轉速內行,減振器失效,也會造成曲軸扭轉振動疲勞破壞而斷裂。

燒腦的曲軸,加工製造技術

曲軸的維修注意事項:

(1)在曲軸修理過程中,應仔細檢查曲軸有無裂紋、彎曲、扭曲等缺陷,和主軸瓦與連桿軸瓦的磨損情況,保證主軸頸與主軸瓦、連桿軸頸與連桿軸瓦之間的配合間隙在允許範圍之內。

(2)曲軸裂紋多發生在曲柄臂與軸頸之間的過渡圓角處,以及軸頸中的油孔處。

(3)維修裝復曲軸時應保證飛輪的運轉平衡。

(4)內燃機發生了燒瓦、搗缸等重大事故后,要對曲軸進行全面的檢修。

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