球墨铸铁汽车曲轴的加工工艺
学 院 机电工程学院 专 业 机械类 年级班别 创新实验班12（1） 学 号 3112010453 3112010454 3112010455 3112010462 学生姓名 罗毓健 骆智伟
马欣华 冼文飞
指导教师 王成勇
2014年 6 月
摘 要
球墨铸铁具有优良的机械性能，已经大量用于制造强度、韧性、耐磨性要求较高的零件。球墨铸铁大量地应用于汽车发动机曲轴的加工生产，结合球墨铸铁的特性，本文讲述了球墨铸铁应用于曲轴的切削与磨削加工机理及其加工工艺，介绍了聚晶立方氮化硼（PCBN）刀具切削加工等温淬火球墨铸铁（ADI）时的特征。介绍了奇瑞公司曲轴的加工工艺以及几款相关的曲轴专用加工机床。
关键词：球墨铸铁，曲轴，ADI，PCBN
目 录
1 球墨铸铁基本性质与应用 ........................................1 1.1 1.2 1.3 1.4 1.5 球墨铸铁的成分与组织结构 ......................................................................1 球墨铸铁的机械、物理、力学性能 ..........................................................1 典型零件、应用场合 ..................................................................................2 球墨铸铁曲轴加工批量和加工质量要求 ..................................................2 小结 ..............................................................................................................2
2 球墨铸铁切削与磨削加工机理 ....................................2 2.1 2.2 2.3 2.4 2.5 等温淬火球墨铸铁（ADI）的切削与磨削可加工性简述 ........................3 铸铁应用于曲轴的主要切削、磨削去除过程 ..........................................3 球墨铸铁的切削加工过程特征 ..................................................................4 加工等温淬火球墨铸铁常用刀具 ..............................................................5 曲轴加工工艺 ..............................................................................................6
3 曲轴加工专用机床 .............................................12 3.1 3.2 3.3 3.4 曲轴质量定心机 ........................................................................................13 数控车－车拉机床 ....................................................................................13 曲轴圆角滚压机床 ....................................................................................13 绿色粗磨“扒皮”机床 ............................................................................13 参 考 文 献 ...................................................14
球墨铸铁汽车曲轴的加工工艺
1 球墨铸铁基本性质与应用
1.1 球墨铸铁的成分与组织结构
根据铸铁中石墨形态的不同，铸铁可分为以下四类：
（1）普通灰铸铁。石墨呈曲片状存在于铸铁中，简称灰铸铁或灰铁，是目前应用最广的一种铸铁。
（2）可锻铸铁。由一定成分的白口铸铁经过石墨化退火而获得。石墨呈团絮状存在于铸铁中，有较高的韧性和一定的塑性。
（3）蠕墨铸铁。铁水在浇注前经蠕化处理，使析出的石墨成蠕虫状存在于铸铁中，简称蠕铁。
（4）球墨铸铁。铁水在浇注前经过球化处理，使析出的石墨呈球状存在于铸铁中，简称球铁。
球墨铸铁由于通过球化和孕育处理得到球状石墨，有效地提高了铸铁的机械性能，特别是提高了塑性和韧性，从而得到比碳钢还高的强度。球墨铸铁除铁外的化学成分通常为：含碳量3.0～4.0%，含硅量1.8～3.2%，含锰、磷、硫总量不超过3.0%和适量的稀土、镁等球化元素。不同牌号的球墨铸铁的基体组织不同，一般含有铁素体，珠光体随着力学性能的提高铁素体含量减少，出现贝氏体和回火组织。
图1
1.2 球墨铸铁的机械、物理、力学性能
兼具优良的综合机械性能以及低廉的制造成本，球墨铸铁已经大量用于制造强度、軔性、耐磨性要求较高的零件。球墨铸铁是铁液凝固时碳以石墨形式呈球状析出的铸铁。由于石墨以球状存在，避免因片状或尖角可能导致的应力集中，降低了石墨对基体的割裂作用，其强
1 度、塑性、初性均显著优于灰铸铁。球墨铸铁屈强比较高,其强度质量比也优于铸钢。其中,铁素体球墨铸铁具有优良的室温强度和初性,广泛地应用于重要传动部件，如汽车曲轴、凸轮轴、齿轮、及高速铁路结构件等。然而，与结构钢材类似，铁素体球墨铸铁的塑性随着温度降低而下降，在一定温度下发生初性断裂向脆性断裂的转变。
1.3 典型零件、应用场合
一般用于内燃机、机床阀体、车辆轴瓦和机油泵齿轮、柴油机曲轴、凸轮、汽缸体、汽缸套、活塞环以及部分磨床、铣床、车辆的主轴、汽车的螺旋锥齿轮、拖拉机减速齿轮、柴油机凸轮轴等。
表1 各牌号球墨铸铁的用途距离
1.4 球墨铸铁曲轴加工批量和加工质量要求
随着球墨铸铁技术的发展，其性能也在不断提高，优质廉价的球铁已成为制造曲轴的重要材料之一。
曲轴作为柴油机的关键零件, 除了强度和韧性的要求之外，还需要较高的表面硬度, 以保证其耐磨性。球墨铸铁曲轴经各种处理后能满足其服役要求，这也是球墨铸铁被广泛用作曲轴材料的原因之一。热处理工艺有: 正火+ 中频淬火，正火+ 氮化或等温淬火。此外，为了提高曲轴的疲劳强度，广泛采用圆角强化手段，其中应用多且效果好的是圆角滚压，圆角滚压和其他热处理工艺的复合强化更能较大幅度地提高曲轴疲劳强度
1.5 小结
球墨铸铁以其优良的物理和力学性能，在曲轴的生产制造中得到广泛应用。随球墨铸铁熔炼与合金化技术及等温淬火球墨铸铁的发展，球墨铸铁性能不断提高。采用球墨铸铁取代锻钢生产发动机曲轴可节约成本，从而成为曲轴生产的发展趋势。对中小功率发动机曲轴的生产可采用铸态珠光体球墨铸铁，或附加表面强化工艺；而等温淬火球墨铸铁以其优异的力学性能，在大功率发动机曲轴制造中将发挥更大的作用。
2 球墨铸铁切削与磨削加工机理
2 2.1 等温淬火球墨铸铁（ADI）的切削与磨削可加工性简述
等温淬火球墨铸铁（ADI）是近三十多年发展起来的新一代球墨铸铁材料，被誉为材料领域的高科技，在国内外各工业部门都获得了广泛应用。
等温淬火球墨铸铁作为发动机曲轴材料（如图2.1），具有高强度、高韧度、高耐磨性等综合机械性能可以替代锻钢材料用于轿车及载货车发动机曲轴。然而，高强度、高硬度和高韧性使等温淬火球墨铸铁在切削加工时切削刃口受到更高的应力, 造成一定困难。但是，根据等淬球铁特有的金属基体组织和力学性能，选择合适的刀具，调整和优化刀具及加工参数，等淬球铁完全可以成功地进行切削加工。
图2.1
2.2 铸铁应用于曲轴的主要切削、磨削去除过程
2.2.1 铣曲轴两端面，钻中心孔
本过程在钻铣车组合车床上完成，主要保证曲轴总长及中心孔的质量。若端面不平会导致中心钻上的两切削刃的受力不均匀，钻头可能引偏而折断，因此采用先面后孔的原则。中心孔除影响曲轴质量分布外，还是曲轴加工的重要基准。贯穿整个曲轴加工始终，因而直接影响曲轴加工精度。打中心孔在本次工艺设计中因考虑设备因素，采用找出曲轴的几何中心代替质量中心。打中心孔以毛坯的外表面作为基准，因而毛坯外表面质量好坏直接影响孔的位置误差程度。
2.2.2 曲轴主轴颈的车削
主轴颈加工采用车削，在刚度较强的普通车床上进行。曲轴安装在前、后顶尖上线一端用大盘夹住而另一端用顶尖顶住，用硬质台金车几道工序上完成主轴颈的车削。由于加工余量大且不均匀，旋转不平衡，加工时产生冲击，因此工件要夹牢固。车床、刀具、夹具要有足够的刚性。主轴颈车削顺序是先精车一端主轴颈及轴肩，然后以车好的主轴颈定位。另一侧用顶尖以中心孔定位。车另一端主轴颈、肩及各个轴颈，半精度及精车都按此顺序进行，逐渐提高主轴颈及其他轴颈的加工精度。
2.2.3 曲轴连杆轴颈的车削
主轴颈及其他外圆车好后，以主轴颈作为加工连杆轴颈的基准，采用专用的车夹具、车削连杆轴颈，车削同样在普通车床上进行。车削连杆轴颈需要解决的是角度定位(2个连杆轴颈轴线需要控制在180°+30°或180°-30°)以及曲轴旋转的不平衡问题。这些都由专用夹具来保证，夹具为一对用以定位的“V”形块组成，装在接盘上。接盘与车床过渡接盘靠
3 中间的定位销定位并连接，接盘在过渡接盘上靠棱形定位销可转180°，依次车削2个连杆轴颈。“V”形块中心与车床主轴线距离一个曲轴半径。车削过程中，一端与曲轴主轴颈定位并夹紧，另一端靠偏中心座夹紧，中心座上钻有中心孔，中心孔偏心距同样为一个曲轴半径。用顶尖顶紧中心孔，这样就能保证连杆轴颈轴线与车床主轴线一致。安装夹具体的接盘上有平衡块，消除曲轴旋转时不平衡力矩的生成。曲轴加工时由于受到离心力和两顶尖的轴向压紧偏心力的作用，容易发生弯曲变形，为了加强工件刚度，用撑杆来撑住另一个曲拐的开移。车削连杆轴颈时为了使切削力不至于太大，每次车削余量控制在1~1.5 mm内，同时车床旋转不能太高，刀具采用高速钢。
2.2.4 键槽加工
这个键槽主要用于飞轮，加工此键槽应安排在主轴颈车工序之后，这样能保证定位精度和控制键槽的深度以及对称度。键槽加工是以两主轴颈定位，同样用专用夹具在普通铣床上进行。
2.2.5 轴颈的磨削
由于主轴颈及连轩轴颈精度较高，尺寸精度为IT6级，表面粗糙度为1.6~0.8 μm，并且具有较高的形状精度及位置精度。因此主轴颈与连杆轴颈精车后要进行磨削，以提高精度表面粗糙度。
在工艺设计中，首先磨主轴颈然后磨连杆轴颈。中间主轴颈磨好后才能磨其余轴颈，磨主轴颈和连杆轴颈的安装方法基本上与车轴颈相同，磨主轴颈是以中心孔定位，在外圆磨床上进行，磨连杆轴颈则以经过精磨的两端主轴颈定位，以保证与主轴颈的轴线距离及平行度要求，磨连杆轴颈是在曲轴磨床上进行的。
由于轴颈宽度不大，采用横向进给磨削法，生产率较高，磨轮的外形需仔细地修整，因为直接影轴颈与圆角的形状，磨削余量根据车削后的精度而定，粗磨余量值每边0.2~0.3mm，精磨余量控制在0.1~0.15mm以内。
2.3 球墨铸铁的切削加工过程特征
2.3.
1切削力、切削温度、切削震动分析
切削试验在CA6140 车床上进行，用瑞士Kistler9257B型测力仪、Kist ler 5807A 型电荷放大器、Kist ler 9403型刀架和计算机组成的切削力数据采集系统进行三向切削力的测量。由于切削速度是影响刀具切削性能的最主要因素，故本实验只改变切削速度。具体切削参数分别为进给量f=0.15mm*r-1 ,切削深度ap= 0.2mm，五种切削速度v1-v5 = 164, 129, 102, 82，46m*min-1。
4
图2.3.1
上图为各刀具在切削过程中切削力的变化。低速切削时切屑为块状，刀具震动较严重， 虽然刀尖处存在积屑瘤，但是极不稳定；并且ADI 的硬度较大, 所以切削力较大。随着速度的提高，切削温度升高，工件材料硬度降低而强度增加，切屑形态由块状向带状转变, 切削力趋于稳定，切屑底层抗剪强度减小，使得切削力有减小的趋势；高速切削时刀屑接触表面发生了变化使得切削力有所不同。
在硬态切削加工中，切削速度的变化对切削力的影响主要有两方面：(1)速度增大，切削温度升高，黏结、扩散磨损严重，使刀具与切屑、工件间的摩擦力增大，切削力变大。(2)切削温度随速度增大而升高，发生金属软化效应，工件材料塑性增加，流动应力减小，使切削力降低。
ADI的导热性比球墨铸铁和钢稍低一些，因而与球铁、灰铁和铝相比，其工件与刀具的接触面将会更热一些。利用大剂量的冷却液可以减弱这种作用，如果采用干切削，必须使用耐高温的刀具。ADI的屈服强度高于大部分钢，但是它的杨氏模数比钢低20%，因而在机械加工时易产生振动。故加工时要求有刚性好的工件和刀具夹持装置，以避免切削时产生振动，这会促使刀具加速磨损、降低工件表面光洁度，并使尺寸偏差增大。
2.3.2 切屑形态与处理
ADI在切削时会产生致密、断续的切屑，切屑易碎易断，大多呈崩碎屑。ADI切削加工性能较DI差，刀具磨损较为严重。
图2.3.2
2.4 加工等温淬火球墨铸铁常用刀具
2.4.1 聚晶立方氮化硼刀具加工等温淬火球墨铸铁
5 等温淬火球墨铸铁( ADI) 硬度大、强度高, 在切削加工时会产生大量的热量, 属于铸铁类中最难加工的材料之一。使用硬质合金刀具和陶瓷刀具来加工ADI 时刀具磨损严重, 使用寿命短。而聚晶立方氮化硼( PCBN) 材料硬度高、耐磨性好, 用它制成的PCBN 复合刀具用于铸铁类材料的加工范围越来越广。由于切削铸铁类工件时刀具的磨损形式主要为高温条件下引起的化学磨损，因此降低切削时刀具的温度是保证PCBN 复合刀具加工质量和切削性能的必要手段。PCBN 刀具切削过程中刀-屑间的摩擦是切削热产生的主要原因，因此减小刀具的摩擦因数，对减小切削热、降低刀-屑间的摩擦有重要的意义。所以切削铸铁类工件的PCBN 复合刀具不仅要有高的热导率, 还要有低的摩擦因数。
2.4.2 各公司PCBN刀具对比
选用国内外产四种切削铸铁的PCBN 复合刀具，刀具几何角度相同( 前角γ0= 0°, 后角α0= 6°,刀尖圆弧γε= 0.8 mm, 负倒棱- 15°* 0.20 mm) 。
表2 各公司PCBN刀具成分对比
PCBN复合刀具英国Elem ent SixAMBORITE DBA80日本住友BN500韩国日进SB95中国刀具PCBN体积分数/%粒径/μm80659590-956435N6.782.7919.2917.22粘结剂成分（原子分数/%）TiAlCo38.1345.824.113.2727.877.376.976.871.7-36.4532.85W25.51-33.1929.7Hf-43.16--Mg-0.87--
2.5 曲轴加工工艺
2.5.1 曲轴的组成
曲轴由一下结构组成：（1）曲轴前端（小头）；（2）由连杆轴颈、曲柄臂及主轴颈组成的曲拐；（3）曲轴后端（法兰）
图2.5.1
2.5.2 有关曲轴定位基准的选择
精基准的选择，曲轴与一般的轴类零件相同，最重要的精基准是中心孔。曲轴轴向的精
6 基准一般选取止推曲轴径向定位一般选取平衡块的定位平台或法兰上的定位孔。
粗基准的选择，曲轴的毛坯一般呈弯曲状态，为了保证两端中心孔都能钻在两端面的几何中心上，粗基准选择靠近两端的轴颈（
1、5主轴颈）;轴向定位基准一般选择中间主轴颈两边的曲柄。因为中间主轴颈两边的曲柄处于曲轴的中间部位，用作粗基准可以减小其它曲柄的位置误差。
2.5.3 奇瑞公司发动机曲轴加工工艺
OP10 铣两端面
图2.5.2
OP20 钻质量中心孔
质量中心孔：当物体绕一轴线旋转时，如果对外未表现出力的作用，那么这一轴线称为该物体的质量中心线，再按此质量中心线钻出中心孔，这样的中心孔称为质量中心孔。 几何中心孔：中心孔位于几何轴线上，这样的孔称为几何中心孔；比较：质量中心孔先要对曲轴进行动平衡找出曲轴的质量轴线，可以减少曲轴动平衡时的去重工作量，提高动平衡的合格率。但质量定心机床要比普通几何中心孔机床的价格贵得多。
图2.5.3
OP30 铣传送搭子
7
图2.5.4
OP40车与主轴颈同轴的所有轴颈。
采用中心孔定位，驱动采用第三连杆轴颈上的传送搭子。使用成型刀具，加工效率高，但刀具寿命低。
图2.5.5
OP50车全部连杆轴颈。
1，5 主轴颈定位、夹紧驱动，止推面轴向定位，第一平衡块侧面定角向。靠模车削方式。
8
图2.5.6
OP60加工所有油孔
图2.5.7
OP70加工小头的螺纹底孔、攻丝；加工法兰上的导向孔，螺纹孔和工艺销孔。
9
图2.5.8
OP80粗精磨所有主轴颈和法兰
图2.5.9
OP90粗精磨所有连杆轴颈，1，5主轴颈定位夹紧，法兰工艺孔角向定位、驱动
图2.5.10
OP100磨小头（油泵、油封、皮带轮轴颈）
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图2.5.11
OP110精车止推面、油泵传动面，键槽，精镗导向孔
图2.5.12
OP120动平衡去重
（1）动平衡：发动机在稳定工况运转时，如果传给支撑的作用力的大小和方向不随时间而变化，这种状态称为动平衡。
（2）发动机的动平衡包括：惯性力系的平衡性和扭矩的平衡性。
（3）静平衡：旋转质量系统在静平衡器上能够随遇平衡，即系统的质心位于旋转轴线上。 曲轴工作时，它的各个质点都有离心惯性力。理想的情况是惯性力都能在曲轴内相互平衡，不传递到支承上。但曲轴的质量分布不是均匀的，旋转时离心力系不能平衡，也就是说曲轴的不平衡现象是以主轴颈轴线为中心的质量分布不对称引起的惯性力所致。
曲轴的不平衡，破坏了发动机的平稳运转，产生振动和噪音，加剧磨损，影响发动机的工作和使用寿命。
曲轴的平衡去重包括两个部分：不平衡量的检测；不平衡量的修整。 不平衡量的单位：
F＝mrw2，由于mr是物体本身的性质决定的，不随转速的变化而变化，用mr（g.mm）
11 作为不平衡量的单位。
图2.5.13
OP130抛光
图2.5.14
OP140清洗
3 曲轴加工专用机床
发动机曲轴加工机床的高效专用性是曲轴制造装备的一大典型特征，“高效专用”对机
12 床的基本要求是高刚度、高速度、大功率。高效专用机床的基本特征是量体裁衣型，即按照用户需求提供个性化产品.3.1 曲轴质量定心机
曲轴属于细长类零件，加工过程中主要定位基准是两端中心孔。按其加工位置可分为两种：几何中心和质量中心。几何中心就是利用双V形块或其他方式找出曲轴支承轴颈的几何中心，在此中心上加出的中心孔称为几何中心孔；质量中心是利用专门的质量定心机测出曲轴的质量中心，在此中心上加工出的中心孔称为质量中心孔。由于毛坯的几何形状误差和质量分布不匀等原因，一般两者并不重合。国外大都采用了质量中心孔，利用专门设计的测试设备来测试质量中心，然后加工出中心孔，
全自动曲轴质量定心机的工作原理是：曲轴放置在两端滑动单元法兰盘的支撑上并被夹紧，法兰盘回转中心形成测量中心线。回转过程中，支撑的位置即曲轴的位置不断调整，使质量中心线靠近回转中心线。当曲轴毛坯不平衡量很小，接近设定值时，钻削单元钻中心孔。此中心孔作为后续加工步骤的定位基准。
3.2 数控车－车拉机床
车拉技术是起源于美国的一项技术专利，在曲轴加工中逐渐得到发展。目前应用较为普遍，在国外大量用于半精加工曲轴的主轴颈和连杆轴颈。车拉技术加工形式可分为三种：直线车拉、内环刀具旋转车拉和外环刀具旋转车拉。
1988年发展的车－车位工艺，到目前为止其拉削方法也逐步改为梳刀工艺代替。其主要特点有：一次设定能完成所有同心圆的车削，具有在同一台机床上完成车－车拉加工、高效率、通过使用特殊卡盘和刀具系统实现柔性加工、机床保养简便及维护成本低等优点，特别适用于平衡块侧面不需加工、轴颈有沉割槽的曲轴。其中拉削工艺可用高效的梳刀技术代替，梳刀加工通常放到该工序的最后工步，通过微量的径向进给和纵向车削实现高速精加工。采用梳刀工艺的优点在于精度高、效率高、切屑易清理、轴向进刀量小等。
3.3 曲轴圆角滚压机床
曲轴工作时需承受较大而复杂的冲击载荷，对抗疲劳强度有较高的要求。曲轴轴颈与侧面的连接过渡圆角处为应力集中区，也是曲轴疲劳破坏的敏感区域，是薄弱环节。因此，国外发展了圆角深滚压技术
代替成形磨削方式。曲轴的圆角滚压，就是利用滚轮的压力作用，在曲轴的主轴颈和连杆轴颈过渡圆角处形成一条滚压塑性变形带，这条塑性变形带具有以下特点。
（1）产生残余压应力 可与曲轴在工作时的拉应力抵消或部分抵消，从而提高疲劳强度。 （2）硬度提高 滚压使圆角处形成高硬度的致密层，使曲轴的机械强度和疲劳强度得到提高。 （3）表面粗糙度值降低 圆角滚压可使圆角表面粗糙度值R a达到0.1 m以下，从而大大减小了圆角处的应力集中，提高了疲劳强度。
国外应用的曲轴圆角滚压技术已相当先进，可一次对所有圆角进行滚压完成，且可做到主轴颈与连杆轴颈圆角的压力不同，同一连杆轴颈圆角在不同方向上的压力也可不同。这样可经济地达到最佳的滚压效果，最大限度地提高曲轴的抗疲劳强度。
3.4 绿色粗磨“扒皮”机床
英国L a n d i s公司生产的C B N数控曲轴粗磨机床，被称作“绿色粗磨”，超越传统的
13 “扒皮法”磨削，一次装夹从毛坯到磨削完毕，耗时仅4～6m i n。采用电镀C B N砂轮，从锻件或铸件直接粗磨，磨削线速度高达200m/s，磨削效率超过500m m3/s，4m i n磨削余量高达7k g以上，可以取代铣床或车床加工，出现了“以磨代车”的局面。
参
考
文
献
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读书的好处
1、行万里路，读万卷书。
2、书山有路勤为径，学海无涯苦作舟。
3、读书破万卷，下笔如有神。
4、我所学到的任何有价值的知识都是由自学中得来的。——达尔文
5、少壮不努力，老大徒悲伤。
6、黑发不知勤学早，白首方悔读书迟。——颜真卿
7、宝剑锋从磨砺出，梅花香自苦寒来。
8、读书要三到：心到、眼到、口到
9、玉不琢、不成器，人不学、不知义。
10、一日无书，百事荒废。——陈寿
11、书是人类进步的阶梯。
12、一日不读口生，一日不写手生。
13、我扑在书上，就像饥饿的人扑在面包上。——高尔基
14、书到用时方恨少、事非经过不知难。——陆游
15、读一本好书，就如同和一个高尚的人在交谈——歌德
16、读一切好书，就是和许多高尚的人谈话。——笛卡儿
17、学习永远不晚。——高尔基
18、少而好学，如日出之阳；壮而好学，如日中之光；志而好学，如炳烛之光。——刘向
19、学而不思则惘，思而不学则殆。——孔子
20、读书给人以快乐、给人以光彩、给人以才干。——培根
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