汽車發(fā)動機曲軸加工工藝探討

時間:2022-01-20 09:01:05

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汽車發(fā)動機曲軸加工工藝探討

摘要:目前,傳統(tǒng)材料以及汽車發(fā)動機制造技術(shù)和現(xiàn)階段的汽車行業(yè)市場發(fā)展趨勢和要求之間還存在一定差異,汽車發(fā)動機機械加工技術(shù)也存在一些難以攻克的技術(shù)難點。在汽車生產(chǎn)制造中,對發(fā)動機曲軸機械生產(chǎn)的標(biāo)準(zhǔn)也越來越高。曲軸機械加工環(huán)境相對比較惡劣,很容易對曲軸機械加工質(zhì)量產(chǎn)生不利的影響,所以,需要嚴(yán)格控制曲軸材料材質(zhì),保證曲軸加工工藝的精準(zhǔn)度。對此,本文以汽車發(fā)動機中的曲軸機械為例,分析曲軸機械加工工藝。

關(guān)鍵詞:汽車發(fā)動機;曲軸機械;加工工藝

隨著汽車制造業(yè)生產(chǎn)加工水平的不斷提升,汽車發(fā)動機中的曲軸部件加工質(zhì)量也在不斷優(yōu)化。這里的曲軸部件對于汽車發(fā)動機的整體結(jié)構(gòu)合理性和使用性能都會產(chǎn)生很大影響,是汽車制造業(yè)系統(tǒng)中的技術(shù)研究重點和難點之一。在汽車發(fā)動機零部件生產(chǎn)制造中,曲軸是旋轉(zhuǎn)部件,工藝難度比較大,對于發(fā)動機的使用壽命和效率會有很大影響,也嚴(yán)重影響汽車駕駛安全性,所以在曲軸制造中,必須要保證質(zhì)量可靠,提升曲軸的加工精度,降低因為誤差和加工工藝等導(dǎo)致的廢品率,提升生產(chǎn)效益和效率,這對于汽車生產(chǎn)制造業(yè)來說至關(guān)重要。

1汽車發(fā)動機的工作原理

汽車結(jié)構(gòu)是由很多元件組成,如馬達、輪胎、底板等元件。其中底板結(jié)構(gòu)的重要作用是承載汽車的整體荷載,保證汽車運行時的穩(wěn)定性,是汽車裝置中最為基本的結(jié)構(gòu)構(gòu)架。馬達是汽車的核心動力,其動力的正常發(fā)揮受到其他元件功能的影響。馬達品匯的優(yōu)劣直接決定汽車運行的安全性和動力,一般在發(fā)動機中馬達會設(shè)定有四個沖程:①進氣環(huán)節(jié),曲軸連帶活塞進行活動,進氣后,活塞移動增加汽缸空間容積量,內(nèi)外壓強不斷增加,產(chǎn)生氣體流入汽缸;當(dāng)活塞下移至最底部,結(jié)束進氣。這個過程中,氣體介質(zhì)溫度不斷升高。②壓縮環(huán)節(jié),活塞從下向上移動,關(guān)閉進氣口和排氣口,此時汽缸的容積量逐漸下降,其中的氣體介質(zhì)不斷壓縮。③發(fā)動機作業(yè)環(huán)節(jié),活化塞部件將壓縮后的氣體混合,即變成可燃?xì)怏w,將其引燃,活塞元件高壓下移動,從上至下作業(yè)。④排氣環(huán)節(jié),將打開的所有排氣口關(guān)閉,隨后曲軸帶動連桿,活塞由下向上活動至頂端,整個排氣環(huán)節(jié)完成,氣缸空間中的燃燒廢氣向外排放。

2汽車發(fā)動機曲軸裝置及加工特點

2.1汽車發(fā)動機曲軸裝置

在汽車發(fā)動機的相關(guān)組成零部件中,曲軸是重要的組成部分,曲軸的功能是通過活塞連桿裝置中傳遞的氣體進行轉(zhuǎn)換,使其變成旋轉(zhuǎn)力矩,再通過汽車離合器裝置、飛輪裝置及傳動系統(tǒng)來為汽車提供驅(qū)動力,并驅(qū)動發(fā)動機裝置。在曲軸裝置中,包含多個曲拐裝置,每一個曲拐裝置中又有兩個曲柄裝置、兩個曲軸徑裝置以及一個連桿軸頸裝置(詳見圖1)。在曲軸的運行中,因為慣性作用以及力矩影響等,和汽車內(nèi)部氣體共同作用,在實際運轉(zhuǎn)中,可能會出現(xiàn)磨損。所以,要確保曲軸裝置的正常運行和工作,必須要避免磨損,提升曲軸的生產(chǎn)加工質(zhì)量,不斷提升曲軸零部件的生產(chǎn)加工強度,提升其耐磨性,做好潤滑處理等,才能延長曲軸的使用壽命。

2.2曲軸加工特點

就汽車發(fā)動機曲軸制造加工技術(shù)來看,在實際操作中,存在多個特點:第一,技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)嚴(yán)格。曲軸是汽車發(fā)動機中比較重要的組成部分,在加工中也需要嚴(yán)格執(zhí)行相關(guān)技術(shù)要求和加工質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)[5]。因為曲軸零部件和一般零部件不同,曲軸零部件一般有多個加工面,可能不同加工面的尺寸、形狀等還是不一樣的,在加工中對于相應(yīng)加工面的加工尺寸、形狀、位置等參數(shù)要求都十分嚴(yán)苛,需要執(zhí)行的加工工序也比較麻煩。在具體加工中,還需要關(guān)注粗細(xì)加工流程分配,保證精準(zhǔn)性和可靠性。第二,剛性偏差。因為汽車發(fā)動機中的曲軸長徑是很大的,因為連接著曲軸結(jié)構(gòu),所以在運行中很難保證剛性,就容易出現(xiàn)形變的情況。相關(guān)機械加工生產(chǎn)人員在進行曲軸零部件加工中,就需要注意到這一問題。一般為了解決這一問題,需要在粗加工環(huán)節(jié),確保夾具和機床刀具剛度達標(biāo),同時,保證加工期間切削力作用能夠?qū)崿F(xiàn)相互抵消[6]。第三,加工形狀比較復(fù)雜。在汽車發(fā)動機的曲軸零部件中,連桿軸頸和主軸頸間有一定的偏心距,在加工中因為對偏心距的精度控制有嚴(yán)格要求,相應(yīng)曲軸結(jié)構(gòu)還有平衡重問題,所以在進行夾具設(shè)計中需要確保精度控制達標(biāo),避免產(chǎn)生誤差影響曲軸零部件的生產(chǎn)加工質(zhì)量[7]。

3曲軸加工技術(shù)

3.1曲軸毛坯加工

在開展曲軸毛坯的加工處理中,多采取兩種加工方式,即鑄造加工模式以及鍛造加工模式。在進行鍛造加工中,多使用碳合金鋼材料以及中碳鋼材料。在開展鑄造加工中,多使用球墨鑄鐵、鑄鋼以及合金鑄鐵材料。相比較而言,球墨鑄鐵材料整體性能更加理想,材料性質(zhì)和碳鋼材料比較類似,而且這種材料的成本更低,所以更容易被接受,并且在很多企業(yè)的生產(chǎn)加工中能夠得到廣泛應(yīng)用。

3.2零部件粗加工

針對汽車發(fā)動機進行曲軸粗加工處理中,使用的加工處理技術(shù)也比較多樣,包含車-車?yán)庸ぜ夹g(shù)、復(fù)合粗加工技術(shù)、外銑加工技術(shù)以及內(nèi)銑加工技術(shù)。在具體加工過程中,需要結(jié)合加工的零部件實際需要,選擇最合適的加工技術(shù),這對于降低切削變形,提升加工準(zhǔn)確率很有必要。這樣的加工處理中能夠有效保證曲軸加工質(zhì)量。相關(guān)加工技術(shù)人員在進行粗加工技術(shù)應(yīng)用中,應(yīng)該要把握技術(shù)應(yīng)用要點,一方面,應(yīng)該做好曲軸毛坯余量的記錄,要是余量在5mm范圍外,就需要選擇外銑或者內(nèi)銑加工技術(shù)。要是余量在3mm范圍內(nèi),應(yīng)該選擇使用車?yán)夹g(shù)。另一方面,相關(guān)技術(shù)人員需要結(jié)合曲軸長度來進行粗加工技術(shù)的優(yōu)化選擇。曲軸長度如果在700mm范圍上下,應(yīng)該選擇連桿軸徑加工技術(shù)。在具體的粗加工處理中,需要結(jié)合相應(yīng)的加工變形原因,進行加工過程中的質(zhì)量控制,而使用連桿軸徑粗加工技術(shù),能夠有效避免這些問題出現(xiàn),而在使用車?yán)夹g(shù)加工中,則需要做好相應(yīng)的加工尺寸和參數(shù)控制,保證加工精度可靠。

3.3零部件精加工

目前,汽車發(fā)動機曲軸零部件加工中,精加工技術(shù)也必不可少,這一加工技術(shù)近幾年來發(fā)展迅速,其加工的自動化水平也在不斷提升。在此前的加工過程中,很多曲軸零部件加工都是通過手工曲磨床裝置來進行的,該裝置在加工使用中的缺陷明顯,無法保證精度,容易出現(xiàn)嚴(yán)重誤差,所以不適應(yīng)汽車發(fā)動機現(xiàn)代化的生產(chǎn)需求了?,F(xiàn)代曲軸精加工技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)數(shù)控效果,保證加工精度,且很多環(huán)節(jié)實現(xiàn)自動化操作,讓加工的效率也明顯提升。在很多汽車發(fā)動機生產(chǎn)加工中,被應(yīng)用到曲軸加工環(huán)節(jié),但是實際使用中機械占地面積大,在生產(chǎn)效率提升上也沒有明顯成效。對此,需要進一步優(yōu)化曲軸軸徑表面光滑性,可以借助數(shù)控拋光機裝置,解決上述數(shù)控機床加工的弊端,確保加工效率、精度以及密度等,確保曲軸機械加工的常規(guī)模式得到構(gòu)建,提升生產(chǎn)加工效率。

3.4銑曲軸兩端面、中心孔加工

在曲軸兩端面進行鉆銑的過程中,鉆銑機床需對曲軸兩端鍛煉實施鉆銑,控制曲軸的長度及中心孔,保證兩端斷面平整滿足受力均勻的需求(詳見圖2)。所以,在對曲軸鉆銑時,先對斷面進行鉆銑,然后再打孔。中心孔加工直接影響曲軸加工的質(zhì)量,甚至?xí)绊懬S加工的精準(zhǔn)度,在中心孔打孔前,相關(guān)工作人員需要對設(shè)備功能提高重視;同時,在打孔前,對曲軸毛坯外表面質(zhì)量加以重視,避免對打孔位置造成影響。

3.5主軸頸車削

主軸頸車削過程中,需將曲軸安裝到頂尖前后部位,隨后利用硬質(zhì)合金車工序,完成對主軸頸的車削作業(yè)。在這個過程中,車削之前,加工工人需要考慮主軸頸加工時的均勻,同時考慮旋轉(zhuǎn)不平衡等問題,甚至加工時,可能產(chǎn)生加工沖擊,此時在加工前,必須保證曲軸安裝牢固,保證車床、夾具及道具設(shè)備滿足車削剛度的工藝需求。整個車削流程應(yīng)該流暢,先處理主軸與軸肩,隨后定位主軸頸,對頂尖與中心孔進行定位,汽車一段的主軸頸及軸肩等軸徑,都需要按照流程進行車削,控制好車削精度。

3.6連桿軸頸車削

主軸頸與其余軸徑在車削完成后,需要將主軸頸作為加工基礎(chǔ),通過利用專用汽車夾具以及車削連桿軸頸,從而利用車床,實施車削流程,在連桿軸頸車削過程中,加工技術(shù)人員需要控制好角度問題,需要將角度調(diào)控在150°-210°之間,同時解決曲軸旋轉(zhuǎn)問題,確保夾具性能,由于夾具屬于V形結(jié)構(gòu),可以在接盤中進行安裝。接盤、車床過渡接盤需要在車床中間定位鏈接,在菱形定位削的作用下,可以將接盤旋轉(zhuǎn)180°,從而能夠?qū)B桿軸頸進行車削。隨后控制夾具與車床主抽線間距,一般達到曲軸半徑。隨后在車削的過程中,需要對曲軸主軸頸一段進行夾緊。曲軸另一端則需要依靠中心座,從而夾緊,此時中心孔偏心距與曲軸長度一般相同,中心孔也會被頂尖頂緊,確保連桿軸頸的抽線達到平衡,并與車床主軸保持一致。在曲軸機械加工的過程中,很容易受到李引力的影響,導(dǎo)致曲軸出現(xiàn)變形或者彎曲等問題,為了確保連桿軸頸車削力度達到標(biāo)準(zhǔn)后,需要在車削的過程中,將車削余量控制在1.2mm左右,車床在旋轉(zhuǎn)的過程中不宜過高,盡可能使用高速鋼刀具進行車削。

4曲軸加工案例

汽車發(fā)動機在曲軸制造時,設(shè)計是最為重要的環(huán)節(jié)。CAXA是實體設(shè)計軟件曲軸中應(yīng)用最多的三維模型,通過CAXA加工能提升曲軸加工工藝整體的精準(zhǔn)度,同時,使用CAXA還能記錄整個加工建模的過程,在設(shè)計時傳遞建構(gòu)設(shè)計的理念。CAXA在設(shè)計時建立三維模型,在曲軸加工中的應(yīng)用,根據(jù)曲軸自身的特點,利用元素庫里面的元素配合三維球工具一起構(gòu)建實體模型。如圖3所示,利用CAXA實體設(shè)計的三維模型,結(jié)合曲軸的相關(guān)特點和元素庫中“圓柱體”素材,利用三維球構(gòu)建曲軸的實體模型。圖3曲軸兩個連桿軸頸,其直徑為35mm,還有三個主軸頸,其直徑分別為35mm、35mm和30mm。根據(jù)圖3實體模型,采用有限元構(gòu)建三維模型(詳見圖4)。有限元網(wǎng)絡(luò)模型中,將小圓角和西油孔對曲軸整體結(jié)構(gòu)動力學(xué)的影響減小到極限,半徑<5mm的圓角和直徑<12mm的油道忽略。建立模型之后,對其進行模擬數(shù)控加工。按照“加工”、“多軸加工”,根據(jù)指令填寫參數(shù),系統(tǒng)計算生成刀具軌跡,然后點擊工具“加工”、“后置處理”、“生成”、“生成G代碼”命令,生成加工代碼,然后CAXA編譯助手打開文件夾,檢查刀具軌跡。第二步進行曲軸車床夾具車削,選擇自定心式定位元件,曲軸通過兩端軸承頸定位,將零件過渡盤和夾具體后裝入,打開夾具體的三維球,對三維球進行定位,找到中心點,最后點擊過渡盤上的圓,夾具移動至過渡盤上面,打開三維球再次將中心移動至過渡底座上,點擊到“中心點”,然后裝配完成過渡底座和過渡盤。最后對夾緊、夾具體進行建模,得出曲軸實體。

5總結(jié)

汽車發(fā)動機中,曲軸零部件對于發(fā)動機的使用性能和質(zhì)量都會產(chǎn)生很大影響。曲軸裝置本身有一定的特殊性,結(jié)構(gòu)剛性不足,所以在進行曲軸零部件加工中更需要做好相應(yīng)的質(zhì)量控制工作。目前,可以應(yīng)用到曲軸零部件加工中的機械加工技術(shù)還比較多,不同加工技術(shù)有不同優(yōu)勢,適用的曲軸零部件也不一樣,具體的機械加工技術(shù)選擇需要結(jié)合具體情況來選擇,確保合理性和適用性。

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作者:侯瑞麗 單位:新疆石河子職業(yè)技術(shù)學(xué)院