曲轴止推面的显著特点及工艺分析

魔神

    

曲轴止推面一个显著特点就是其接触面积比其他轴颈侧面大很多，各项精度要求也很高。目前，止推面磨削烧伤是曲轴生产中普遍存在的缺陷。

曲轴是发动机中的重要零件之一。其形状特殊、又细又长，所用材料加工性能差，加工工艺繁多。如图1所示为某轿车发动机曲轴的设计图。

 

图1  某轿车发动机曲轴
 

从图1中可以看出，止推面（止推轴颈和宽度）的显著特点就是接触面积大，各项加工精度要求高。随着加工精度要求的不断提高，止推面的磨削烧伤成为了普遍存在的缺陷，尤其是在成形磨削过程中。磨削烧伤破坏了表层金相组织，使表层金属强度和硬度降低，严重影响了止推面的耐磨性和曲轴使用寿命。

止推轴颈的圆跳动对由两端主轴颈组成的公共轴线的圆跳动公差为0.04，对相邻两轴颈的圆跳动公差为0.02；止推颈宽度为260+0.05mm；止推面左侧面要求对公共轴线的跳动公差0.02，垂直度公差0.01，平面度公差0.013；止推面右侧面要求平面度公差要求外凸不超过0.005，内凹不超过0.01；止推轴颈表面粗糙度Rz1.5μm，止推面表面粗糙度Rz3μm，止推轴颈的直径为φ50mm，止推面外径为φ85mm，其面积高达单侧3 848mm2。在大批量生产的条件下，要想止推面（包括止推轴颈）达到如此高的精度，单靠普通的磨削工艺是很难实现，应该使用高精度的数控磨床磨削，并且采用一系列的严格措施才能满足图纸要求。

我公司在曲轴加工过程中，碰到了止推面磨削烧伤这样的加工缺陷，虽然各方面尺寸和形状位置公差达到了图纸要求，但是曲轴止推面烧伤缺陷却始终难以解决。通过调查研究，我们从理论和实践两个方面进行攻关，最终解决了这个问题。

磨削烧伤

磨削表面质量包括磨削表面粗糙度和磨削表面层的物理机械性能两方面。因为磨削加工时磨粒对工件的作用包括滑擦、刻划和切削，并且大多数磨粒是负前角和小后角，所以在整个磨削过程中，会产生大量的磨削热，使磨削区的瞬时温度可达1 000℃左右。这样高的温度会使工件表面层的金相组织发生变化，造成磨削烧伤。

磨削烧伤会破坏曲轴止推面表层金相组织，使表层金属强度和硬度降低，并伴有残余应力产生，甚至出现微观裂纹，而使工件表面质量恶化，严重地影响曲轴止推面的耐磨性和使用寿命。这种磨削烧伤在砂带抛光时无法去除，因此必须避免磨削烧伤。

在磨削淬火钢曲轴止推面时，可能产生以下3种烧伤：

1.回火烧伤

如果磨削区的温度未超过淬火钢的相变温度，但已超过马氏体的转变温度，止推面表层金属的回火马氏体组织将转变成硬度较低的回火组织（索氏体或托氏体），这种烧伤称为回火烧伤。

2.淬火烧伤

如果磨削区温度超过了相变温度，再加上冷却液的急冷作用，表层金属发生二次淬火，使表层金属出现二次淬火马氏体组织，其硬度比原来的回火马氏体的高，在它的下层，因冷却较慢，出现了硬度比原先的回火马氏体低的回火组织（索氏体或托氏体），这种烧伤称为淬火烧伤。

3.退火烧伤

如果磨削区温度超过了相变温度，而磨削区域又无冷却液进入，表层金属将产生退火组织，表面硬度将急剧下降，这种烧伤称为退火烧伤。在曲轴成形磨削中，多属于此种烧伤。

改善磨削烧伤的途径

磨削热是造成磨削烧伤的根源，故改善磨削烧伤有两个途径：一是尽可能地减少磨削热的产生；二是改善冷却条件，尽量使产生的热量少传入工件。

1.有沉割槽的曲轴止推轴颈

在图2中，曲轴止推轴颈有较深的沉割槽，而沉割槽已在以前工序加工好，在磨削时不用磨削沉割槽，只需磨削止推轴颈和两个止推面。在这种情况下，即使是使用成形砂轮磨削，只要使用强力冷却、合理的磨削余量和选择好砂轮参数，一般情况下可以避免磨削烧伤缺陷的出现。在使用窄砂轮磨削止推轴颈时，可采用的方案是：调整程序和砂轮的角度磨削，使砂轮从轴颈的右侧以斜切方式进入，磨削至要求尺寸，再快速沿原角度方向斜退出；使砂轮从轴颈的左侧以斜切方式进入，磨削至要求尺寸，再快速沿原角度方向斜退出；使砂轮从轴颈的中间快速切入磨削至要求尺寸，再快速退出。在上述磨削时，要应用强力冷却。至此，止推轴颈及两侧面磨削完毕。

 

图2  曲轴止推轴颈带有沉割槽

2.无沉割槽的曲轴止推轴颈

图3所示曲轴止推轴颈无沉割槽，在磨削时需磨削止推轴颈和两个止推面，另外还有两个成形圆角。在这种情况下，即使是使用窄砂轮磨削，使用强力冷却，也很难避免磨削烧伤缺陷的出现。