柴油机设计与制造
Design and Manufacture of Diesel Engine2020年第4期第26卷（总第173期）doi：10. 3969/j. issn. 1671 -0614. 2020. 04. 012
柏立志
(南京汽车集团有限公司，南京210061)
摘要曲轴轻量化设计给加工曲轴止推面带来挑战文中介绍了加工曲轴止推面的不同方法及选择原则.结合Majorl.5L发动机曲轴的减重优化对曲轴止推面精车滚压加工质量的影响，分析了问题产生的原因并提出解决方法。这对曲轴生产线的规划和曲轴批量生产具有一定的指 导作用
关键词：曲轴减重变形止推面高速磨削精车滚压参数程序优化 Effect of Engine Crankshaft Weight Reduction
on Fine Turning and Rolling of Crankshaft Thrust Face
BAI Lizhi
(Nanjing Automobile (Group)Corporation,Nanjing210061 ,China)
Abstract：The light weight design of crankshaft I)rings challenges to the machining of crankshaft thrust face.This paper introducesthe different methods and selection principles of crankshaft th i*u st face
machining.Analysis was made of the effect of optimization of Major 1.5 L engine cmnkshaft by reducing the weight on fine turning and rolling of crankshaft thrust face,and the solution to the problem was pro
posed.This can guide the})lanning of crankshaft production line and crankshaft mass production.
Keyw ords:crankshaft weight reduction,deformation,thrust face,high speed grinding, fine turning and rolling,parameter program,optimization
0 引言
蜂窝纸板托盘当前，在日益严峻的排放和油耗的法规要求 下，小型乘用车轻量化已成为现代小型乘用车发展 的趋势。发动机作为整车的重要总成部件，占整车 重量10%左右，发动机的减重对整车轻量化至关 重要发动机减重主要是通过零件结构优化及新材 料和新T艺使用来实现曲轴是发动机最重要的旋 转部件，其减重优化是其他运动部件轻量化的前提 和基础。曲轴在T.作中承受循环变化的冲击载荷，故减重时要充分考虑曲轴的强度和使用寿命，同时 还要考虑其可加工性。
某发动机曲轴因减重优化，给其曲轴止推面加 T带来影响，通过分析，发现了问题的原因，并给 出相应的解决方案。
1曲轴减重优化简介
Majorl.5L发动机曲轴在原有NSE1.5L发动机 曲轴的基础上进行了减重优化设计，曲轴材料没有 来稿日期:2020 -05 -06改变（Q700-2)，止推面位置在第4主轴颈两侧s 曲轴减重优化设计主要体现在3个方面：（1)连 杆轴颈的直径由48 mm减小到43 mm;(2) 4个平 衡块进行了结构优化；（3)部分曲柄臂进行了减 薄。经减重优化设计后，Majorl.5L发动机曲轴为 9.37 kg，比NSE1.5L发动机曲轴重量（10.57 kg)降低了 11.35%。2种曲轴的外形结构如图1所示。从外形结构上看，减重效果还是比较明显的。
此外，连杆和凸轮轴也进行了相应地减重。减 重后的Majorl.5L发动机功率提高了，排放和油耗 降低了。减重后的Majorl.5L发动机曲轴，在 99. 9%存活率下的弯曲疲劳强度为827 Nm，安全系 数为3.2
Majorl.5L发动机曲轴通过改变平衡块的厚度 和宽度来确保其弯曲疲劳强度与NSE1.5L发动机 曲轴弯曲疲劳强度基本一致。但是，曲柄臂的减薄 造成M aju rU L曲轴圆角滚压变形加大1，影响了
作者简介：柏立志（1%6-)，男，工程师，主要研究方向为曲轴、凸轮轴加工工艺-50
曲轴止推面精车滚压的质量_
MAJOR1.5L
NSE1.5L
图1Maj〇rl.5L(减重）和NSE1.5L曲轴结构对比2 曲轴止推面加工工艺的演变
曲轴止推面不仅是曲轴精加的轴向基准，而 且还承受曲轴受热伸长或受斜齿轮、离合器等轴向 力作用而产生的轴向窜动所带来的冲击曲轴安装 在发动机机体中，通过其止推面与曲轴止推片的接 触配合来实现轴向定位。因此，曲轴止推面的加工 质量至关重要，直接影响发动机的整体性能。
2. 1先期加工工艺
20世纪70、80年代，国内曲轴止推面加工采 用多刀车床车削、磨削和抛光，或采用成型砂轮一 次性
切人方法磨削曲轴的两止推面（见图2)，也 有采用单侧砂轮切人法磨削止推面和轴颈外圆(见图3 )，成型砂轮切人法磨削对砂轮两侧面直接 修整比较困难:2:，经常通过修整砂轮外圆来缓解砂 轮钝化；因此，加工效率低，砂轮消耗大。单侧砂 轮切人法虽然砂轮侧面可以连续修整，但轴颈和止 推面要求不一样，止推面开档尺寸不易保证，而且 效率极低。无论采用哪种方法磨削止推面，都是使 用刚玉砂轮，砂轮主轴转速较低，磨削止推面时接 触面积大，冷却效果差；而且磨削时都产生大量热 量，极易烧伤止推面：
图2成型砂轮切入法
曲轴加工20世纪90年代左右，曲轴外铣和车-车拉机床 出现，使曲轴的粗加工精度和效率更高。车-车拉 机床不仅可以粗加工主轴颈外圆、沉割槽、端面、也可以粗加工止推面开档...车-车拉机床的车拉加工为精车滚压曲轴止推面奠定了基础，之后，采用 精车滚压加工替代磨削和抛光来加T.曲轴止推面,
图3单侧砂轮切入法
2.2精车滚压
精车滚压加工（见图4)是一种干式加工，对环境污染小，而且因其滚压轮（高铬硬质合金）寿命长、加工成本低、工艺稳定性好的特点在曲轴 加T中被广泛运用：曲轴精车滚压加工主要步骤：(1 )对粗加
工后的曲轴止推面从左右两边分别进 行精车（精车前需对2止推面进行测量，计算分中 位置并对下一件加工进行补偿，精车后需要测量，以保证止推面开档尺寸）；（2)精车后，滚压轮通 过液压油缸的驱动运行至曲轴两止推面之间，并旋 转一定角度后，对止推面两侧进行滚压通过滚压提高止推面表面的加工质量和硬度，并产生浅层压 应力，从而提高止推面的耐磨性，以此提高曲轴的 使用寿命但近几年来，曲轴轻量化设计不断涌 现，量产曲轴也进行减重和结构优化，这对曲轴止 推面的加工不断提出要求：止推面表面不但要有粗 糙度要求（办《〇. 15 (xm)，而且还要有轮廓波峰 高度（/?p)和轮廓支撑长度率（ftmr)的要求。采用精车滚压方法加工曲轴止推面.滚压深度比较 浅，不能满足产品技术要求。要使曲轴止推面加工 质量满足产品设计要求，就必须增加滚压深度，也 就是增加滚轮压力：滚轮压力增加，势必加大止推 面的变形，止推面表面质量提高受到限制_
图4曲轴精车滚压加工
2.3 C B N高速磨削
为了提高止推面表面加工质量，出现了采用 CBN砂轮高速磨削曲轴止推面（见图5)、再进行
2
级抛光的加工方法。曲轴止推面磨削通常与曲轴法 兰面磨削在同一数控磨床上完成，也有与主轴颈、连杆轴颈磨削同时进行。这主要是根据生产线设计 节拍而定。由于使用电主轴和CBN砂轮，磨削速度 大幅提高（磨削曲轴砂轮线速度通常在90〜120 m/s)，单位时间内磨削区的磨粒数增加，磨削效率很 高；每个磨粒磨削的厚度变薄，磨削止推面的弹性变 形层变浅，磨削时变形很小。由于高速磨削时单个磨 粒磨削量变小，磨削表面凸起高度减小，磨削划痕浅，所以表面粗植度就降低，磨削产生的热量也变小。
图5曲轴止推面高速磨削
使用CBN砂轮磨削曲轴止推面（见图6)时, 采用电主轴式金刚滚轮修正装置，可实现高速修 正。电主轴驱动金刚滚轮（见图7)高速旋转，通 过砂轮主轴实现X、Z两轴联动，来实现CBN砂轮 两端面修整，修整后的砂轮具有自动补偿功能，磨 削精度大幅提高。，基于以上优点，CBN高速砂轮 磨削曲轴止推面工艺方案，近几年在主机厂被逐渐 广泛运用。
图6磨削止推面砂轮3 曲轴轻量化对其止推面精车滚压的影响
减重后的Majorl.5L发动机曲轴是在原有NSE1.5L发动机曲轴生产线上生产的，通过对部分 夹具改造及
对加工程序优化来实现对设计变更部分 的加工。Majorl.5L发动机曲轴整个加工工艺流程 与NSE1.5发动机曲轴的是一致的，主要工艺流程 见表1
表1Majorl.5L发动机曲轴加工主要工艺流程
工序加工内容
O P10
O P20
铣端面，钻中心孔
车-车拉轴颈，前端轴颈、法兰
外圆、发信轮外圆，端面
01)30外铣连杆颈外圆
O P40钻主轴颈和连杆颈油孔
O P50滚压主轴颈和连杆颈沉割槽并校直
黄粉虫筛选机
O P60两端面孔加工
O P70车滚压止推面
O P80粗精磨主轴颈
O P90粗精磨连杆颈
O P100粗精磨法兰肩、法兰外圆、端面、发信轮外圆和端面
O P110粗精磨轴头外圆和端面
O P120压销
O P130动平衡
O P140抛光
O P150清洗
O P160测量分组
Q P170目测检查
如果从减重的Majorl.5L发动机曲轴角度来考 虑止推面的加工，则采用CBN高速砂轮磨削加抛光 是最合理的，可以有效避免曲轴减重后的加工变形: 但这需要新增和改造设备，投资比较大。减重和结 构优化后的Majorl.5L发动机曲轴，其止推面的要 求与NSE1.5L发动机曲轴的是一样的：宽度 23. 2 +00.4 |xm，垂直度 0.025 mm；粗植度 /?a要求没有超过0.2 jxm，也没有材料支撑率（/?mr)要求。采用精车滚压工艺，理论上是可以满足Ma-jorl.5L发动机曲轴止推面的技术要求（见图8):
3.1精车滚压后产生“黑皮”
Majorl.5L发动机曲轴止推面的粗加工是在前 面OP20工序（曲轴主轴颈外圆车-车拉加工）同时完成的。经过外铣连杆轴颈、钻油孔、圆角滚 压、两孔加工后，在OP70工序，对止推端面进 行精车滚压。批量加工时，每天出现2 ~3根曲轴，其止推面边缘有“黑皮”，如图9所示6
经分析，主要原因是Majorl.5L
发动机曲轴的
曲柄臂减薄后，在（)P50Ti序圆角滚压时，加大了 止推面端面的变形圆角滚压后，止推面最外端的 开档宽度加大了为与NSE1.5L发动机曲轴的止 推面开档进行比较，2种曲轴各取4根，分别在 前、后的止推面边缘圆周上相隔40°取1个点，共选取9个点，测M开档宽度分析测f i数据得 到，Majorl.5 L发动机曲轴的止推面开档宽度与NSE1.5L发动机曲轴的最大差异为0.08 m m这 说明需要对OP20 T序祖车止推面宽度尺寸进行 优化宽度尺寸由（22. 6+0. 2) mni，优化为 (22. 5+0. 2) mm；相应地，靠近曲轴法兰端的 止推面到定位距离由（112.52 ±0.10) mm更改 为（112.57 ±0_ 1) m m(见图10)，确保精车滚 压加工的精车余量优化粗加工止推面开档尺寸后，精车滚压止推面边缘再也没有出现“黑皮”现象,
图8 Majorl.5L发动机曲轴止推面技术要求
止推面表面“黑皮”
图9止推面上“黑皮“位置
止推面圆角滚压后止推面变形加大，但可以通 过调整圆角滚压压力来减小。圆角滚压压力调整必 须大于图纸规定的主轴颈最小滚压压力，小于图纸 规定的连杆轴颈最大滚压压力，否则需要进行曲轴 弯曲疲劳验证。
3.2精车滚压后止推面粗糙度超差
Majml.5L发动机曲轴精车滚压后，工艺要求止推面祖糙度心《0.4 i ju n抽检位于第4主轴颈 两侧止推面（靠近曲轴轴头一侧的止推面以下称 为前止推面，靠近曲轴法兰一侧的止推面称为后止 推面）祖糙度时，发现后止推面（离最边缘2 m m 左右处，有凸起的车刀痕（见图11)。经检测，车刀痕处的袓糙度偶有超差现象，心约为0.5 pn 根据祖糙度检测结果，对止推面精车切削速度进行 调整，由180 m/min降低到150 m/min，进给量由 0. 18 m m/转降低到0. 13 m m/转精车滚压后，对 后止推面粗糙度进行检测，测M 1〇个点（见图 12)，点2 ~ 10 (9个点）的粗糙度心矣0.4 |xm，点I(有车刀痕）的粗糙度/Ja为0.5 pm。车刀痕 处的粗糙度没有得到改善
图10 OP20工序止推面粗车尺寸
止推面表面凸起车刀纹
图11后止推面有车刀痕
后止推面
10
1
y W，
图12止推面粗糙度检测位置
用霍梅尔T8000K法对点1处车刀痕进行测 量，车刀痕凸起约2 pm(见图13)，即精车后的滚
53
压没有将车削产生的车刀痕波峰滚人波谷.精车的 目的是为了使止推面的开档距离接近技术要求，同时给滚轮滚压止推面提供良好的表面祖糙度基础
M aj o r 1.5 L发动机曲轴滚压止推面滚PR量在8 |xm左右滚压头通过液压油缸驱动运行至曲轴两 止推面之间，伺服电机使滚压头转动，此时滚乐头 内的2个滚压轮开始接触止推面边缘由于转动滚 压单元的弹簧被加载，产生滚压力.滚压压力可通 过伺服电机调节滚压角度来调整调节的角度一般 限制在36°〜41°。通常，增大滚压头角度，可以降 低止推面的表面粗糙度，故分别将滚压角度从36° 提高到37。、39。和41。进行滚压但结果是，有车 刀痕地方的粗糙度并没有降低，且止推面的垂直度 随着
角度的增大而变差：采用常规的调整方法不能 解决此问题主要原因是曲轴减重后，加T.变形加 大针对止推面表面粗糙度超差主要现象是在滚压 后出现明显车刀痕，对止推面出现车刀痕凸起处进 行硬度和金相检测检测结果：平均硬度为254 H I3W，金相组织中的球化率& 85%、珠光体>90%(见图14)，均符合图纸要求同时，还检自动输入验证码
查了机床顶尖的夹紧力、车削时丁_件旋转方向3 (从曲轴法兰端看，逆时针旋转）、滚轮滚压止推 面时油雾润滑情况检查结果表明这些都正常
a)硬度 b)球化率 c)珠光体
图14硬度和金相组织检测
测量后止推面外圆直径，发现曲轴曲柄臂外形 尺寸减薄后，止推面不是完整的圆，靠近曲柄臂一 端（图15中K轴）比水平方向大2.5 mm左右。精车止推面边缘时，形成断续切削，车刀切削时受 到持续交变的干扰力4；尤其是空行程切人曲轴 时，受到瞬间冲击，车刀所受切向力迅速增大，车 刀离开止推面进人空行程时发生负剪切现象，导致 车刀应力场急剧变化，加快车刀破损用新刀具精车止推面时，止推面上没有凸起车刀痕由于是断续切削，当加T.曲轴止推面30件后，就陆续出现 凸起车刀痕。
后止推面
图15止推面外形
为r降低断续切削影响，在前期降低车刀切削 速度和进给量的基础上，再对车削加工程序进行优 化，改变切深厚度。一刀车削改为二刀车削，第1刀车至直径66 mm处（见图16)，覆盖了原来凸起 车刀痕位置，距离主轴颈约8 mm处，并给第2刀车削预留0. 1mm的加丁.余量，使第2刀车削达到 到技术要求。采用一刀车削和二刀车削2种方法，各加丁.30件，不进行滚压，各抽10件，检查曲轴 止推面上点1处（出现凸起车刀痕位置）的粗糙 度，检查结果表明，采用二刀车削，点1处的粗糙 度有明显改善（见图17) ，采用2刀车削，降低了 断续切削对后止推面粗糙度的影响，改善了精车后 的止推面表面粗糙度，同时提高了刀具的寿命：
后止推面
水利u型槽成型机削位置 3手机背光源
图16改变车削加工程序
采用二刀精车、滚压后，跟踪止推面的表面粗 糙度随机抽检8根曲轴，每侧止推面上相隔90° 测量1个点（见表2)从表2中可以发现，前止 推面粗糙度优于后止推面粗糙度后止推面点1处(凸起车刀痕处）粗糙度比一刀车削粗糙度有所改 善，但还是偶有超差现象，最大0.42 pm。
梢乍后滚压时，必须解锁支撑曲轴的头架和尾
架的锁紧机构，以适应轴向尺寸的微小变化。滚压
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