曲轴工艺发展及研究

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1、曲轴工艺发展及研究2010-03-0914:34:11作者:撰文/奇瑞发动机事业部杨厚忠随着发动机轻量化、结构简单化、性能优质化的发展趋势，作为发动机中最关键零件Z—的曲轴，它的加工工艺、材料选用及设计耍求是相互促进的，需不断进行改进和发展。发动机曲轴作为重要运动部件，设计要求高，同时因曲轴工况及其恶劣，因而对曲轴材料、曲轴尺寸精度、表面粗糙度、热处理和表面强化、动平衡等要求十分严格。在大批量生产的条件卜，传统工艺已不能满足当前设计和生产需求，在长时间、高速运传下，曲轴极容易过早岀现失效或断裂，严重影响曲轴的寿命和整机可靠性。曲轴材料选择趋势根据曲轴工作在发动

2、机过程屮承受弯曲、扭转、剪切、拉压等交变应力，要求具有较高的抗拉强度、疲劳强度、表面强度及耐磨性，芯部具有一定的韧性。即要具有很高的疲劳强度、耐磨性及高淬透性，且进行强化处理时变形小，高温下具有高的蠕变强度。随着发动机性能的捉升，对曲轴的原材料及加工工艺提出新的要求，现汽油机所用曲轴材料主要有钢和球墨铸铁两类，其中钢制曲轴毛坯采用锻造成型，一般有优质碳素钢、低合金钢、合金钢等。■代・比K子冷■20%-60%这类曲轴采用精锻中碳钢或中碳合金钢，采20%120%-250%小沁I钳嗣I4A.怡曲俸丈+阪"■漳次《I■■淬火K子冷■个IMitGE锻钢曲轴70S妙姗斜八

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4、亠“Ju近年在大功率发动机较广泛应用i种新钢种，即微合金非调质钢。所谓微合金非调质钢，即通过咋'昨添加V、Nb、Ti等合金元素细化晶粒，强化钢的基体，提高钢的强度。微合金非调质钢的优点：①取消调质（或正火）热处理工艺，简化工艺、节时节能；②改善切削加工性能，提高加工刀片寿命，显著降低加工成本，相对调质碳钢可降低成本7%~11%,相对调质合金钢可降低成本11%~19%。国外汽车发动机应用微合金非调质钢曲轴已十分广泛，口前已经国产化的典型非调质微合金钢主要有49MnVS3、48MnV、50MnV等。缺点：加工工艺性差，原材料及

5、制造成木高。球墨铸铁曲轴球墨铸铁比钢轻约10%,无残留应力，加工时产生缺陷少，且球墨铸铁减震性、耐磨性及缺口敏感性等要优于锻钢。铸造曲轴与锻造曲轴相比，可使连杆轴径屮空，减轻冋转质量，且可减少轴拐处的应力集屮。同吋加工工艺性要比钢轴工艺性好，材料及制造成本较低。材料选择的发展趋势球墨铸铁要取代锻钢，最大的障碍就是强度和韧性有限，重点是提咼韧性，尤其是动态韧性，可以采用：细化晶粒及显微组织；降低有害杂质含量；球化或钝化、分散弱相以减小应力集屮系数；生成或引入韧性好的不连续组织来提高性能，如ADI中的残余奥氏体。随着高强度、高韧性球铁，尤其是奥氏体等温淬火球铁(A

6、DI)技术的日趋成熟，凭借其高强度、高韧性、成型性能好、成本低、综合机械性能优良等诸多优点，必将在更大范围内取代锻钢。以ADI代替锻钢,可减重10%〜30%,相对降低成本15%〜30%。机加工性能比较曲轴材料的选择对曲轴加工工艺性能的因索主要有：毛坯硬度、加工驶化性、加工吋刀片的磨损、热处理变形趋势、切削断屑性等。以卜•为球墨铸铁、锻钢及ADI的机加工性能分析。球墨铸铁的加工性：铸造性能好，适用于精密铸造，可获得理想的结构形状,并大大降低机加工余量；屈服强度、抗拉强度及延伸率均远小于锻钢，因而所需的切削力及切削断屑性能更好；因基体中含冇游离石墨，切屑吋具冇良好

7、的抗振性，可大大提高刀具寿命。非调质钢的加工性：不需要进行正火和调制处理，屈服强度、抗拉强度均小于调质钢，且硫含量较高，基体为珠光体组织，加工吋切削力较小，切削温度低,刀具耐用度高，可以高效率进行机加工。但因非调质钢的韧性较高，因而进行机加工切削时断屑较困难，为有效解决断屑问题，要求刀具具有更大的切削深度、更复杂的刀尖形状及刀尖强度。调质钢的加工性：调质钢具有较高的硬度及强度，且具有较好的延伸性，因而切削时需较人的切削力，切削过程振动较人，同时断屑困难，机加工性能较差。中心MXK何中5亠AD1的加工性分析：当前常用的几种曲轴材料中，ADI的硕度最高，且易产生加

8、工硬化，因而导致机加工切削力大，粗加工吋对刀片要求较高，是影响ADI曲轴推广应用的关键因素，但AD1的延伸率又较小，切削断屑性较好，若能找到合适的高硕度切削刀具，更有利于ADI的推广。综合比较四种材料的机加工工艺性，采用球墨铸铁的机加工性能最优，其余依次为非调质钢、ADT、调质钢。曲轴强化处理工艺的发展趋势发动机曲轴的失效，主要为疲劳断裂和轴颈磨损严重，对断轴的统计分析表明，其中80%左右的断轴是出弯曲疲劳引起的。为了保证发动机正常可靠地工作,要求曲轴具有足够的强度、刚度、耐磨性和平衡进度，因而必须对曲轴进行强化处理。国内外曲轴制造厂家进行曲轴强化，主要冇6大

9、强化方式：①表而化学热处理；②喷丸；③