康明斯柴油機關鍵性零部件制造技術流程詳解

 　康明斯柴油機關鍵零部件制造技術的發展主要體現在零件材料的變化、加工工藝的改進、生產設備的更新、檢測技術的提升、生產線建設以及管理方式的轉變等方面。這些方面的改進促使了康明斯柴油機關鍵零部件制造技術的提升，從而有力地促進了康明斯柴油機整機制造技術的提升。

　　康明斯柴油機關鍵零部件制造技術

　　1.缸體、缸蓋制造技術

　　（1）缸體、缸蓋材料的發展

　　重型康明斯柴油機大功率、低排放以及低能耗的發展方向，迫使康明斯柴油機的設計者們提高點火爆發壓力，使康明斯柴油機的熱負荷和機械負荷大幅度增加，對鑄件材料提出了新的、更高的要求。

　　灰鑄鐵具有良好的鑄造工藝性能和機械性能，其具有優越的耐磨性、減震性和導熱性，而且生產方便、價格便宜，因此灰鑄鐵廣泛應用于康明斯柴油機缸體、缸蓋的制造上。隨著材料技術的發展，缸體的材料也從原來的HT200、HT250更替為現在的HT280或者相當牌號的合金鑄鐵。隨著康明斯柴油機升功率及最大爆發壓力的提高，康明斯柴油機缸體與缸蓋的工作溫度越來越高，而每種材料都有承受最大爆發壓力的極限，目前使用的常規鑄鐵已達到或超過了其使用上限。

　　目前，蠕墨鑄鐵已經成為了缸體、缸蓋材料的熱點和亮點。由于灰鑄鐵中的片狀石墨長且薄、表面平坦且端部尖銳，承受負荷時尖端易產生應力集中，造成鑄件的強度和韌度下降；同時由于片狀石墨的存在，使得為了滿足更高要求而繼續提高灰鑄鐵強度、韌度和耐磨性變得極為困難。因此，為了迅速提高缸體的性能，將蠕墨鑄鐵應用于康明斯柴油機缸體的制造已經成為康明斯柴油機制造技術熱點。與灰鑄鐵相比，蠕墨鑄鐵能大大提高康明斯柴油機缸體的抗拉強度、彈性模量以及耐磨性等性能。

　　依照節能減排的要求，康明斯柴油機輕量化是未來康明斯柴油機制造的趨勢。缸體、缸蓋作為康明斯柴油機重要的零件之一，采用輕質的材料可以大幅度減輕康明斯柴油機的重量，性能優良的鋁合金材料也將逐漸成為小型柴油機缸體、缸蓋的制造趨勢。

　　（2）缸體、缸蓋制造工藝現狀

　　目前，國內多數內燃機企業只進行缸體和缸蓋的機械加工，其余零部件外委采購，整個行業向專業化方向發展。隨著近十年來柴油機產銷量的高速增長，國內新建了一批國際先進的缸體和缸蓋生產線，如設備主要采用引進高速臥式加工中心組成柔性生產線；冷卻液集中供應；桁架機械手上下料；自動在線監測等，其生產工藝及裝備技術水平達到了國際領先水平。對于單缸和多缸小缸徑柴油機：主要以國產組、專機床和少量通用機床加專用夾具組成流水線為主；而對于船舶、鐵道機車和其他特種用途大型柴油機則以引進龍門加工中心、龍門五面體加工中心、落地式鏜銑床和專用機床組成缸體流水線以及以加工中心、組專機床組成缸蓋流水線為主。

　　現以6缸柴油機機加工生產線為例，介紹一下國內柴油機缸體、缸蓋生產線的概況。

　　（3）缸體、缸蓋生產線的設計

　　生產線的設計應在保證產品質量的同時，充分考慮生產周期、成本和環境保護；根據本企業的能力，積極采用國內外先進的工藝技術和裝備，不斷提高企業工藝水平。近幾年，國內缸體、缸蓋生產線的設計基本遵循以下原則：

　　①產品制造根據產品生產綱領及成本要求的不同而選用不同的生產加工線，如：單件、小批量生產；專用機床（剛性生產）線大批量生產；數控機床（單工序）、加工中心（多工序）為主的柔性生產線生產；專機與數控設備結合的剛柔混合生產線；柔性制造系統和柔性生產為主的智能生產線等。

　　②平面布置圖的設計要保證生產線節拍平衡、物流順暢。

　　③在加工設備選型方面，剛性線加工設備選型采用組合機床為主，剛柔結合的原則；柔性線加工設備選型以臥式加工中心為主，粗加工工序選用普通專機，關鍵工序（如缸體主軸孔、凸輪軸孔、缸孔珩磨和缸蓋槍鉸等）采用高精度專用機床。

　　④工序集中與工序分散原則如下，關鍵尺寸（如缸體上平面、缸孔及止口，主軸孔、凸輪軸孔以及惰輪軸孔，缸蓋導管、閥座等）的精加工工序，采用集中在一道工序一次裝夾完成全部加工內容的方案，以確保加工精度滿足產品關鍵品質的工藝能力和有關技術要求；部分一般面及孔系的加工需要根據節拍的安排適當分散。

　　⑤在夾具及輸送系統的選擇方面，采用液壓夾具，夾緊元件、液壓泵、液壓控制元件及輸送機構采用進口的優質可靠元器件能大大提高產品加工的穩定性和一致性。

　　⑥剛性生產線由干式加工轉向濕式加工，采用大流量地溝排屑；柔性生產線采用單機獨立排屑，高精度關鍵加工工序采用恒溫冷卻并加裝高精度、高壓雙回路帶旁通精過濾系統，柔性加工單元全部帶有高壓內冷。

　　⑦注重信息化建設及輔助設備的選擇，關注清潔度和去除毛刺等工藝安排。

　　曲軸制造技術

　　1.曲軸材料的發展

　　目前，車用康明斯柴油機曲軸材質有球墨鑄鐵和鍛鋼兩類。由于球墨鑄鐵的切削性能良好，可獲得較理想的結構形狀，且和中小功率段的鍛鋼曲軸一樣，可以通過各種熱處理和表面強化處理來提高曲軸的抗疲勞強度、硬度和耐磨性，尤其是其成本只有調質鋼曲軸的1/3左右，所以球墨鑄鐵曲軸在國內外得到了廣泛應用。資料表明，車用康明斯柴油機曲軸采用球墨鑄鐵材質的比例在美國占90％，英國占85％，日本占60％；此外，德國、比利時等國家也已大批量采用。由于國內球墨鑄鐵工藝技術水平與國外的差異，車用康明斯柴油機曲軸采用球墨鑄鐵在不同車型上有所區別，汽油機曲軸多數采用鍛鋼曲軸，中小型功率柴油機曲軸85％以上采用球墨鑄鐵，功率在160kW以上的康明斯柴油機曲軸多采用鍛鋼曲軸。

　　重型貨車的狂飆性增長，牽引著曲軸“鑄”升“鍛”的快跑步伐。重型載貨車所需康明斯柴油機功率越來越大，康明斯柴油機功率已從180～220kW發展到300～450kW，曲軸質量也從60kg增加到175kg，目前國內最大的汽車模鍛曲軸質量已達到200kg。隨著康明斯柴油機功率增大和轉速提高，對曲軸金相組織和力學性能提出了更高的要求，并且形狀越來越復雜，精度要求也越來越高。大部分曲軸多是由于彎曲疲勞而損壞，球墨鑄鐵曲軸由于存在石墨孔穴、磷化物與合金元素的晶界偏析，因此其疲勞強度較低且不與抗拉強度成正比；而鍛鋼曲軸由于是鋼制材料具有較高的彎曲疲勞強度，而且基本上與抗拉強度成正比，所以其金相組織和力學性能更好。經美國福特汽車公司試驗證明，對于同樣的曲軸和連桿頸支撐面寬度，鑄造曲軸的壽命只有鍛造曲軸的一半。

　　從技術層面分析，隨著高功率、低油耗以及低排放的要求，康明斯柴油機的爆發壓力從12MPa上升到16MPa，甚至20MPa，球墨鑄鐵曲軸難以承受，這也是鍛造曲軸比例上升的原因之一。無論是理論上技術水平提升的需要，還是實際上用于大功率柴油機裝機的曲軸數量都充分表明，曲軸“鑄”升“鍛”的趨勢日益明顯。

　　2.曲軸制造工藝現狀

　　近幾年來，國內外企業十分重視曲軸的生產，不斷改進其材質及加工手段以提高其性能水平、滿足康明斯柴油機行業的需要。隨著汽車工業的快速發展，國內曲軸尤其是大功率柴油機曲軸的制造技術發展十分迅速，曲軸制造技術進步主要表現在毛坯的制作、毛坯熱處理以及強化處理等方面。

　　以下是柴油機曲軸的典型生產工藝：

　　（1）鍛造毛坯

　　曲軸鍛造工藝過程：下料→加熱→輥鍛（如需要）→預成形→終鍛→切邊→扭拐→校正。材料的加熱在中頻電感應連續加熱爐內進行，將坯料加熱到（1150±50）℃，與傳統油料加熱相比較，不僅簡化了操作同時也解決了加熱溫度不穩定、坯料加熱不均勻導致過熱、過燒、材料熱消耗高以及不利于環境保護等一系列問題。

　　扭拐是對連桿軸頸不在一個平面內的曲軸在終鍛時將所有連桿軸頸鍛在一個平面上，切邊后在扭拐機上根據需要將連桿頸繞主軸頸中心線扭轉到要求角度，通常是90°或120°。增加扭拐工序解決了終鍛模具分模復雜、型腔深、鍛造工藝性差以及毛坯缺肉等問題，并且提高了生產效率。

　　（2）毛坯熱處理

　　曲軸毛坯熱處理是決定曲軸力學性能的關健工序，連續工作的正火、淬火和回火機組在熱處理工序的應用越來越廣泛并逐漸取代箱式爐，使熱處理加熱溫度穩定、保證材料的力學性能和金相指標，并大幅度地提高了生產效率。

　　3.強化處理

　　①表面感應淬火

　　強化機理：表層材料硬度提高，圓角形成殘余壓應力。強化效果（零件彎曲疲勞極限提高幅度）：鍛鋼曲軸80％以上，球鐵曲軸20％左右。鋼＋軸頸及圓角表面感應淬火是目前承載能力最高的一種曲軸材料工藝組合，為重型及高爆壓康明斯柴油機所廣泛采用，但其工藝難度較大（變形、淬硬層均勻性和圓角表面光潔度等）。

　　②圓角滾壓

　　曲軸的圓角滾壓強化，主要是為了提高曲軸的疲勞強度。據統計資料表明，球鐵曲軸經圓角滾壓后壽命可提高120％～230％；鍛鋼曲軸經圓角滾壓后壽命可提高70％～130％。

　　球鐵＋軸頸表面感應淬火＋圓角滾壓是目前性價比最高的一種曲軸材料工藝組合，雖然其疲勞強度較同等圓角淬火鋼曲軸低15％左右，但它具有以下優點：成本約下降40％～50％；減重8％以上；耐磨性好；減振降噪。圓角滾壓球鐵曲軸廣泛應用于輕型車和轎車康明斯柴油機，它在相當程度上可取代鍛鋼曲軸用于中等增壓的柴油機（已有小批量應用于16MPa康明斯柴油機的實例）。

　　③復合強化處理

　　它是指應用多種強化工藝對曲軸進行強化處理，球墨鑄鐵曲軸采用圓角滾壓工藝與離子氮化工藝結合使用，可使整個曲軸的抗疲勞強度提高130％以上。

　　（4）曲軸機加工

　　傳統的加工方法主要是以幾何定心，通過粗車、回火、精車、粗磨、半精磨、精磨和拋光等方法進行曲軸加工，這種加工方法曲軸的變形量大、工序繁多且質量穩定性差?，F代加工新技術對曲軸中心孔的加工采用質量定心而不是幾何定心，這使得后續加工過程中曲軸的不平衡量大大減少，曲軸粗加工逐步采用CNC車削、CNC外銑、CNC內銑、車拉、車—車拉以及車銑復合等工藝，精加工則采用CNC高速磨削工藝。曲軸的加工工藝正向著高速、高效和復合化方向發展。

　　曲軸粗加工和半精加工工藝的發展大概經過以下幾個階段：曲軸主軸頸及連桿頸的多刀車削工藝、數控車削和數控銑削工藝以及數控車拉和數控高速銑削工藝。目前，曲軸粗加工主要有三種工藝：車削工藝、車拉工藝和銑削工藝。

　　曲軸主軸頸和連桿軸頸精加工工藝的發展大體上分為兩個階段：普通曲軸磨床和CNC曲軸磨床。普通曲軸磨床存在加工穩定性差、加工精度低以及柔性生產性能差的缺點，已經逐步被當今的CNC曲軸磨床所代替；而CNC曲軸磨削工藝則是目前國際上較為先進的精加工方法，它具有加工效率高、性能穩定、產品一致性好且適應性較強以及柔性化生產性能強的特點。

　　在刀具選擇方面，由于曲軸加工不同于普通機械加工許多工序必須使用專用刀具，這些刀具的刀體制造復雜、價格也比較昂貴，如果產品變型牽涉曲軸結構的變化，則必須使用新的刀體來加工曲軸，影響產品開發周期和制造成本，最終導致產品缺乏競爭力?，F在，瓦爾特等刀具制造商已開發出柔性化的曲軸制造專用刀具—模塊化刀具，模塊化刀具的應用將是曲軸加工的發展趨勢。

　　在曲軸的校直方面，傳統的方法是采用壓力校直，先進的加工技術已經將曲軸滾壓和校直兩道工序綜合在1臺滾壓校直一體化設備上實現。它首先對曲軸進行圓角滾壓強化，然后通過在線檢測獲得曲軸的變形規律，再針對曲軸變形的具體情況、在計算機專家系統指導下用適當的壓力在曲軸的圓角處進行滾壓，使之產生與原變形方向相反的變形，從而達到校直的目的。采用這種先進的工藝方法，不僅進一步提高了生產效率，而且使工件的被校部位得到了強化，從而提高了曲軸的整體強度和可靠性。為國內現典型柴油機曲軸加工工藝流程。

　　連桿制造技術

　　1連桿材料的發展

　　目前，高強度、輕量化以及低成本是汽車康明斯柴油機連桿用材料的發展趨勢，我國的康明斯柴油機鍛鋼連桿制造技術與國外差距不大，但在連桿輕量化方面還相當落后。

　　調質鋼是傳統的連桿材料，到目前為止我國仍大部分沿用這類材料，如：45、40Cr、35CrMo、42CrMo和40MnB,美國AISI C-1541、德國CK45、DIN37MnSi5以及日本S45C等。這類鋼由于強韌性高、質量易保證，在我國還能沿用一段時間，但由于其工藝較繁、耗能較大，所以加工成本較高。

　　為了節省調質工序，隨著材料技術的發展非調質鋼正在逐步取代調質鋼。近年來，采用的柴油機連桿非調質鋼材料有兩類：第一類為微合金非調質結構鋼，如康明斯柴油機均使用38MnV（或40MnV）、S43CVS、S53CV-FS以及SPLITASCO38等非調制鋼；第二類為高碳非調質結構鋼，為適應連桿體-蓋“漲斷”加工技術（又稱“裂解”）的需要而迅速發展，如德國的高碳微合金非調質鋼C70和C70S6，法國的高碳微合金非調質鋼C70E3、SPLITASCO70等。“漲斷”技術的應用可以簡化連桿螺栓孔的結構設計和整體加工工藝, 該技術具有加工工序少、節省加工設備、節材節能、產品質量高以及生產成本低等諸多優點。據統計,連桿漲斷可減少機加工工序30％～40％、降低生產成本10％以上, 對經濟效益的提升效果十分顯著。

　　2.連桿制造工藝現狀

　　連桿的生產，其傳統的加工方法是通過鋸、銑等方法將留有切斷余量的連桿鍛件分離成連桿蓋和連桿體，再通過鏜、銑和磨等多種加工方法分別加工連桿蓋和連桿體，最后裝配而成。這種加工方法工序多而復雜，尤其是連桿蓋和連桿體的結合面以及螺栓孔的裝配和定位要求，使結合面和螺栓孔的精度要求非常高，需要多道工序才能完成，加工難度大。

　　目前，對連桿分離面的最新加工方法是漲斷工藝。隨著連桿漲斷工藝的成熟發展，國內不少廠家開始采用漲斷連桿來裝配康明斯柴油機。漲斷技術極大地降低了成本，并大大減少了工序數量，節省了連桿蓋和連桿體結合面的加工，保證了連桿蓋和連桿體在裝配時的重復定位精度。連桿大頭孔的形狀公差的精度（圓度、圓柱度）也明顯優于傳統方式加工的連桿。

　　連桿大頭分離面漲斷工藝的優點如下：

　?。?/font>1）提高了連桿和連桿蓋分離面的結合質量。在采用了連桿分離面的漲斷工藝后，連桿和連桿蓋的分離面是完全嚙合的。因此，靠螺栓擰緊后漲斷連桿有很大的剪切力，在工作時桿身和桿蓋不會出現相對滑動；而傳統連桿在分離面會加工出一個或一對鍵齒或鍵槽或用螺栓定位，發生相對滑動的可能性較大。