大型曲轴加工的关键难题

曲轴结构如图1所示，是由5件轴与4件曲柄组合而成的装配体，外形尺寸为4945mm（长）×1025mm（宽）×1565mm（高），拐轴距离（610±0.05）mm。轴与曲柄为过盈配合，配合尺寸为轴孔包含配重质量约49t。轴和曲柄的材质分别为35CrMo和35CrMoA，热处理调质硬度为241～269HBW，超声波探伤要求达到Ⅱ级。曲轴加工精度要求高，主轴从左至右外圆尺寸及其相应的表面粗糙度值分别为：Ra＝3.2mm；Ra＝1.6mm；Ra＝3.2mm。主轴与拐轴平行度＜0.1mm，主轴同轴度＜φ 0.1mm。

图1   曲轴结构

现有机床加工曲轴过程中，曲轴回转直径接近卧式车床卡盘**回转直径，曲拐轴与主轴偏心距离大，达到（610±0.05）mm，旋转处于不平衡状态，需要进行配重。由于装夹安全性差，车床转速低，刀杆伸出长，不便对刀，所以难以保证图样尺寸、表面粗糙度及位置精度要求。轴外圆与曲柄内孔为过盈配合，过盈量0.7mm，装配间隙0.7mm，实际需要曲柄内孔热胀1.4mm，要对曲柄内孔进行红套热装。由于曲柄壁厚不均匀，热胀冷缩会使其发生变形，影响加工精度，因此加工装配过程控制曲柄的热变形显得尤为重要。热装前轴的尺寸全部加工至达到图样要求，为保证装配精度，需对曲柄孔局部加热，而不能将曲轴整体加热，因此必须选用合适的加热方式。由于曲轴制造过程中需要经过多道装配和镗孔工序，反复加热和起吊容易产生变形和累积误差，影响曲轴精度，所以控制曲柄的装配精度同样重要。

设备加工过程中出现加工误差流的传递和叠加问题，可利用泰勒公式级数展开及长期的加工经验，通过各工序产生的尺寸误差建立误差间的参数方程，建立制造过程产生加工误差流的因素回归模型，对其进行优化以消除误差。通过线性插补的计算方法，可得出误差理论值与误差预算值之间的偏离趋势，对其进行优化拟合，以此消除对机械加工过程产生的误差。本工艺采取分段加工组合装配的方式，即曲轴热装前，在卧式车床上将所有拐轴、主轴全部加工至达到图样要求；在普通镗床上将部分曲柄内孔加工至达到图样要求，另外部分曲柄内孔直径留余量；多次红套装配，将另外部分曲柄内孔加工至达到图样要求。由于曲柄孔若采用燃气加热，容易造成加热表面积炭和严重氧化，同时污染车间环境，因此选择电阻式履带电热板加热法，该法操作方便，便于温度控制，并且加热板可以在曲柄上灵活放置，容易达到对称加热。曲柄孔加热时外面用石棉板覆盖，防止热量散失。热装后，用石棉板进行保温，缓慢冷却，防止产生应力及变形。为了防止冷却过程中收缩产生变形，制作专用工装，在轴端增加压盖，保证曲柄与轴台阶定位贴紧，可在曲柄适当位置用重物压住，防止装配过程变形。

制定曲轴的具体加工工艺路线如下：铸锻毛坯→粗加工→探伤→热处理→探伤→半精加工→精加工→装配→精加工（组合）→总装配→检测。

为实现加工工艺路线，工艺方案实施前需准备及制作装配平台、专用胎具、测量及装配工具。将装配基准平台平面加工精铣，平台底部垫斜铁，调整平台高度，用水平仪找平平台达到要求精度。为了防止轴热装入曲柄后冷却收缩，必须制作工艺压盖，待轴和曲柄热装后用压盖将其压紧。为防止热装过程曲柄水平方向发生位移造成偏差，需要使用方箱等重物压紧以防止曲柄位移。作为热装难点的曲柄孔，使用局部加热的专用履带电加热板（见图2）和支撑工具。制备过程需准备千斤顶、百分表及框式水平仪等检测工具，这些仪器配合使用，以调平主轴和拐轴；此外需要拉杆、压板、起吊环和螺栓等工具，用于起吊、压紧曲柄。

图2　专用履带电加热板

曲轴装配详细工艺路线如图3所示。①组合一的装配。曲柄垫等高垫块，找正、垫平、平放曲柄于平台上，加热4#曲柄主轴内孔，测量杆检测其尺寸至合格，将5#主轴竖装到孔内；依主轴自重，使轴肩与曲柄端面贴紧，冷却至室温，再将4#曲柄基准面垫基准块侧立，找正，前后焊接挡块定位，端面压盖螺栓拉紧。之后，加热6#曲柄主轴内孔，测量杆检测合格后，将其水平装入5#主轴上，再将端面压盖螺栓拉紧，压板压紧，冷却至室温。将组合一整体上镗床，按5#轴外圆及曲柄侧面基准面找正，分别镗4#、6#曲柄拐轴内孔至达到图样精度要求。需要注意的是，4#曲柄侧立找正后，其前后左右各方向要用焊接挡块固定。为防止曲柄在热装后位置有窜动，在其缓慢冷却过程中，用压盖和螺栓压紧4#、6#主轴端面。②进行组合二、组合三的装配。3#、7#拐轴竖立在平台上，将轴承加热，装到拐轴上，依轴承自重，端面与轴肩贴近，缓慢冷却至室温。使用加热工装对4#、6#内孔均匀加热，外部覆盖石棉保温。测量杆检测合格后，将拐轴和轴承整体水平装到对应的曲柄上，用千斤顶调整3#和7#拐轴水平，防止冷却的过程中因拐轴自重致使拐轴下挠。同样，为防止曲轴在冷却过程中轴向窜动和径向扭转，用压盖和螺栓压紧4#、6#拐轴内侧端面。③进行组合四、组合五的装配。分别将组合一、组合二、组合三及2#、8#曲柄装配在一起。加热2#、8#曲柄拐轴内孔，检测内孔尺寸合格后，将2#、8#曲柄装入，用端面压盖螺栓把紧。用方箱压紧2#和8#曲柄，防止曲柄冷却过程中，相对拐轴轴向移动和径向转动。待缓慢冷却至室温，将组合一、组合二、组合三、组合四和组合五整体上镗床，分别镗曲柄2#、8#主轴内孔至达到图样精度要求。④进行组合六、组合七的总装配。分别加热2#和8#曲柄的主轴内孔，检测合格后，将1#轴和9#轴水平装配至达到图样要求，内侧端面压盖、螺栓拉紧，外端用千斤顶调平主轴，待冷却后整体起吊至龙门铣床，检测各尺寸精度，直至整套设备符合图样要求。

为了给曲轴确定合理的热装温度，根据公式t_n＝（Δ₁＋Δ₂）/（αd_f）＋t，其中t_n为拐轴与曲柄配合热装时加热的理论温度；Δ₁为过盈量；Δ₂为热装最小间隙；α为热膨胀系数；d_f为拐轴与曲柄装配时，配合的轴与孔的公称直径；t为室温。由过盈量Δ₁=0.7mm、热装最小间隙Δ₂=0.68mm，可计算出拐轴与曲柄配合热装时的加热温度为328℃。

组合件合套装配时，依据曲轴零件之间的相互位置，在组合件端面上划十字中心线，热装时要求中心线必须对齐。加热过程中，在轴承外面用石棉与履带链隔开，防止轴承升至较高的温度。仔细核对配合件根部圆角、端面倒角，相关尺寸精度和位置精度不相互干涉，之后进行热装，复查配合尺寸，不允许有任何失误。装配过程中，组合一的主轴与曲柄装配采用曲轴立式放置，便于起吊装配；零件依靠自重，使曲柄与轴台阶面自动贴合压紧。其余各组合部分采用曲柄竖直，依次从中间向两边水平装配，并使用方箱、螺杆和压板紧固，挡块固定，以减小累积误差。