康明斯柴油机关键性零部件制造技术流程详解
康明斯柴油机关键零部件制造技术的发展主要体现在零件材料的变化、加工工艺的改进、生产设备的更新、检测技术的提升、生产线建设以及管理方式的转变等方面。这些方面的改进促使了康明斯柴油机关键零部件制造技术的提升，从而有力地促进了康明斯柴油机整机制造技术的提升。
康明斯柴油机关键零部件制造技术
1.缸体、缸盖制造技术
（1）缸体、缸盖材料的发展
重型康明斯柴油机大功率、低排放以及低能耗的发展方向，迫使康明斯柴油机的设计者们提高点火爆发压力，使康明斯柴油机的热负荷和机械负荷大幅度增加，对铸件材料提出了新的、更高的要求。
灰铸铁具有良好的铸造工艺性能和机械性能，其具有优越的耐磨性、减震性和导热性，而且生产方便、价格便宜，因此灰铸铁广泛应用于康明斯柴油机缸体、缸盖的制造上。随着材料技术的发展，缸体的材料也从原来的HT200、HT250更替为现在的HT280或者相当牌号的合金铸铁。随着康明斯柴油机升功率及最大爆发压力的提高，康明斯柴油机缸体与缸盖的工作温度越来越高，而每种材料都有承受最大爆发压力的极限，目前使用的常规铸铁已达到或超过了其使用上限。
目前，蠕墨铸铁已经成为了缸体、缸盖材料的热点和亮点。由于灰铸铁中的片状石墨长且薄、表面平坦且端部尖锐，承受负荷时尖端易产生应力集中，造成铸件的强度和韧度下降；同时由于片状石墨的存在，使得为了满足更高要求而继续提高灰铸铁强度、韧度和耐磨性变得极为困难。因此，为了迅速提高缸体的性能，将蠕墨铸铁应用于康明斯柴油机缸体的制造已经成为康明斯柴油机制造技术热点。与灰铸铁相比，蠕墨铸铁能大大提高康明斯柴油机缸体的抗拉强度、弹性模量以及耐磨性等性能。
依照节能减排的要求，康明斯柴油机轻量化是未来康明斯柴油机制造的趋势。缸体、缸盖作为康明斯柴油机重要的零件之一，采用轻质的材料可以大幅度减轻康明斯柴油机的重量，性能优良的铝合金材料也将逐渐成为小型柴油机缸体、缸盖的制造趋势。
（2）缸体、缸盖制造工艺现状
目前，国内多数内燃机企业只进行缸体和缸盖的机械加工，其余零部件外委采购，整个行业向专业化方向发展。随着近十年来柴油机产销量的高速增长，国内新建了一批国际先进的缸体和缸盖生产线，如设备主要采用引进高速卧式加工中心组成柔性生产线；冷却液集中供应；桁架机械手上下料；自动在线监测等，其生产工艺及装备技术水平达到了国际领先水平。对于单缸和多缸小缸径柴油机：主要以国产组、专机床和少量通用机床加专用夹具组成流水线为主；而对于船舶、铁道机车和其他特种用途大型柴油机则以引进龙门加工中心、龙门五面体加工中心、落地式镗铣床和专用机床组成缸体流水线以及以加工中心、组专机床组成缸盖流水线为主。
现以6缸柴油机机加工生产线为例，介绍一下国内柴油机缸体、缸盖生产线的概况。
（3）缸体、缸盖生产线的设计
生产线的设计应在保证产品质量的同时，充分考虑生产周期、成本和环境保护；根据本企业的能力，积极采用国内外先进的工艺技术和装备，不断提高企业工艺水平。近几年，国内缸体、缸盖生产线的设计基本遵循以下原则：
①产品制造根据产品生产纲领及成本要求的不同而选用不同的生产加工线，如：单件、小批量生产；专用机床（刚性生产）线大批量生产；数控机床（单工序）、加工中心（多工序）为主的柔性生产线生产；专机与数控设备结合的刚柔混合生产线；柔性制造系统和柔性生产为主的智能生产线等。
②平面布置图的设计要保证生产线节拍平衡、物流顺畅。
③在加工设备选型方面，刚性线加工设备选型采用组合机床为主，刚柔结合的原则；柔性线加工设备选型以卧式加工中心为主，粗加工工序选用普通专机，关键工序（如缸体主轴孔、凸轮轴孔、缸孔珩磨和缸盖枪铰等）采用高精度专用机床。
④工序集中与工序分散原则如下，关键尺寸（如缸体上平面、缸孔及止口，主轴孔、凸轮轴孔以及惰轮轴孔，缸盖导管、阀座等）的精加工工序，采用集中在一道工序一次装夹完成全部加工内容的方案，以确保加工精度满足产品关键品质的工艺能力和有关技术要求；部分一般面及孔系的加工需要根据节拍的安排适当分散。
⑤在夹具及输送系统的选择方面，采用液压夹具，夹紧元件、液压泵、液压控制元件及输送机构采用进口的优质可靠元器件能大大提高产品加工的稳定性和一致性。
⑥刚性生产线由干式加工转向湿式加工，采用大流量地沟排屑；柔性生产线采用单机独立排屑，高精度关键加工工序采用恒温冷却并加装高精度、高压双回路带旁通精过滤系统，柔性加工单元全部带有高压内冷。
⑦注重信息化建设及辅助设备的选择，关注清洁度和去除毛刺等工艺安排。
曲轴制造技术
1.曲轴材料的发展
目前，车用康明斯柴油机曲轴材质有球墨铸铁和锻钢两类。由于球墨铸铁的切削性能良好，可获得较理想的结构形状，且和中小功率段的锻钢曲轴一样，可以通过各种热处理和表面强化处理来提高曲轴的抗疲劳强度、硬度和耐磨性，尤其是其成本只有调质钢曲轴的1/3左右，所以球墨铸铁曲轴在国内外得到了广泛应用。资料表明，车用康明斯柴油机曲轴采用球墨铸铁材质的比例在美国占90％，英国占85％，日本占60％；此外，德国、比利时等国家也已大批量采用。由于国内球墨铸铁工艺技术水平与国外的差异，车用康明斯柴油机曲轴采用球墨铸铁在不同车型上有所区别，汽油机曲轴多数采用锻钢曲轴，中小型功率柴油机曲轴85％以上采用球墨铸铁，功率在160kW以上的康明斯柴油机曲轴多采用锻钢曲轴。
重型货车的狂飙性增长，牵引着曲轴“铸”升“锻”的快跑步伐。重型载货车所需康明斯柴油机功率越来越大，康明斯柴油机功率已从180～220kW发展到300～450kW，曲轴质量也从60kg增加到175kg，目前国内最大的汽车模锻曲轴质量已达到200kg。随着康明斯柴油机功率增大和转速提高，对曲轴金相组织和力学性能提出了更高的要求，并且形状越来越复杂，精度要求也越来越高。大部分曲轴多是由于弯曲疲劳而损坏，球墨铸铁曲轴由于存在石墨孔穴、磷化物与合金元素的晶界偏析，因此其疲劳强度较低且不与抗拉强度成正比；而锻钢曲轴由于是钢制材料具有较高的弯曲疲劳强度，而且基本上与抗拉强度成正比，所以其金相组织和力学性能更好。经美国福特汽车公司试验证明，对于同样的曲轴和连杆颈支撑面宽度，铸造曲轴的寿命只有锻造曲轴的一半。
从技术层面分析，随着高功率、低油耗以及低排放的要求，康明斯柴油机的爆发压力从12MPa上升到16MPa，甚至20MPa，球墨铸铁曲轴难以承受，这也是锻造曲轴比例上升的原因之一。无论是理论上技术水平提升的需要，还是实际上用于大功率柴油机装机的曲轴数量都充分表明，曲轴“铸”升“锻”的趋势日益明显。
2.曲轴制造工艺现状
近几年来，国内外企业十分重视曲轴的生产，不断改进其材质及加工手段以提高其性能水平、满足康明斯柴油机行业的需要。随着汽车工业的快速发展，国内曲轴尤其是大功率柴油机曲轴的制造技术发展十分迅速，曲轴制造技术进步主要表现在毛坯的制作、毛坯热处理以及强化处理等方面。
以下是柴油机曲轴的典型生产工艺：
（1）锻造毛坯
曲轴锻造工艺过程：下料→加热→辊锻（如需要）→预成形→终锻→切边→扭拐→校正。材料的加热在中频电感应连续加热炉内进行，将坯料加热到（1150±50）℃，与传统油料加热相比较，不仅简化了操作同时也解决了加热温度不稳定、坯料加热不均匀导致过热、过烧、材料热消耗高以及不利于环境保护等一系列问题。
扭拐是对连杆轴颈不在一个平面内的曲轴在终锻时将所有连杆轴颈锻在一个平面上，切边后在扭拐机上根据需要将连杆颈绕主轴颈中心线扭转到要求角度，通常是90°或120°。增加扭拐工序解决了终锻模具分模复杂、型腔深、锻造工艺性差以及毛坯缺肉等问题，并且提高了生产效率。
（2）毛坯热处理
曲轴毛坯热处理是决定曲轴力学性能的关健工序，连续工作的正火、淬火和回火机组在热处理工序的应用越来越广泛并逐渐取代箱式炉，使热处理加热温度稳定、保证材料的力学性能和金相指标，并大幅度地提高了生产效率。
3.强化处理
①表面感应淬火
强化机理：表层材料硬度提高，圆角形成残余压应力。强化效果（零件弯曲疲劳极限提高幅度）：锻钢曲轴80％以上，球铁曲轴20％左右。钢＋轴颈及圆角表面感应淬火是目前承载能力最高的一种曲轴材料工艺组合，为重型及高爆压康明斯柴油机所广泛采用，但其工艺难度较大（变形、淬硬层均匀性和圆角表面光洁度等）。
②圆角滚压
曲轴的圆角滚压强化，主要是为了提高曲轴的疲劳强度。据统计资料表明，球铁曲轴经圆角滚压后寿命可提高120％～230％；锻钢曲轴经圆角滚压后寿命可提高70％～130％。
球铁＋轴颈表面感应淬火＋圆角滚压是目前性价比最高的一种曲轴材料工艺组合，虽然其疲劳强度较同等圆角淬火钢曲轴低15％左右，但它具有以下优点：成本约下降40％～50％；减重8％以上；耐磨性好；减振降噪。圆角滚压球铁曲轴广泛应用于轻型车和轿车康明斯柴油机，它在相当程度上可取代锻钢曲轴用于中等增压的柴油机（已有小批量应用于16MPa康明斯柴油机的实例）。
③复合强化处理
它是指应用多种强化工艺对曲轴进行强化处理，球墨铸铁曲轴采用圆角滚压工艺与离子氮化工艺结合使用，可使整个曲轴的抗疲劳强度提高130％以上。
（4）曲轴机加工
传统的加工方法主要是以几何定心，通过粗车、回火、精车、粗磨、半精磨、精磨和抛光等方法进行曲轴加工，这种加工方法曲轴的变形量大、工序繁多且质量稳定性差。现代加工新技术对曲轴中心孔的加工采用质量定心而不是几何定心，这使得后续加工过程中曲轴的不平衡量大大减少，曲轴粗加工逐步采用CNC车削、CNC外铣、CNC内铣、车拉、车—车拉以及车铣复合等工艺，精加工则采用CNC高速磨削工艺。曲轴的加工工艺正向着高速、高效和复合化方向发展。
曲轴粗加工和半精加工工艺的发展大概经过以下几个阶段：曲轴主轴颈及连杆颈的多刀车削工艺、数控车削和数控铣削工艺以及数控车拉和数控高速铣削工艺。目前，曲轴粗加工主要有三种工艺：车削工艺、车拉工艺和铣削工艺。
曲轴主轴颈和连杆轴颈精加工工艺的发展大体上分为两个阶段：普通曲轴磨床和CNC曲轴磨床。普通曲轴磨床存在加工稳定性差、加工精度低以及柔性生产性能差的缺点，已经逐步被当今的CNC曲轴磨床所代替；而CNC曲轴磨削工艺则是目前国际上较为先进的精加工方法，它具有加工效率高、性能稳定、产品一致性好且适应性较强以及柔性化生产性能强的特点。
在刀具选择方面，由于曲轴加工不同于普通机械加工许多工序必须使用专用刀具，这些刀具的刀体制造复杂、价格也比较昂贵，如果产品变型牵涉曲轴结构的变化，则必须使用新的刀体来加工曲轴，影响产品开发周期和制造成本，最终导致产品缺乏竞争力。现在，瓦尔特等刀具制造商已开发出柔性化的曲轴制造专用刀具—模块化刀具，模块化刀具的应用将是曲轴加工的发展趋势。
在曲轴的校直方面，传统的方法是采用压力校直，先进的加工技术已经将曲轴滚压和校直两道工序综合在1台滚压校直一体化设备上实现。它首先对曲轴进行圆角滚压强化，然后通过在线检测获得曲轴的变形规律，再针对曲轴变形的具体情况、在计算机专家系统指导下用适当的压力在曲轴的圆角处进行滚压，使之产生与原变形方向相反的变形，从而达到校直的目的。采用这种先进的工艺方法，不仅进一步提高了生产效率，而且使工件的被校部位得到了强化，从而提高了曲轴的整体强度和可靠性。为国内现典型柴油机曲轴加工工艺流程。
连杆制造技术
1连杆材料的发展
目前，高强度、轻量化以及低成本是汽车康明斯柴油机连杆用材料的发展趋势，我国的康明斯柴油机锻钢连杆制造技术与国外差距不大，但在连杆轻量化方面还相当落后。
调质钢是传统的连杆材料，到目前为止我国仍大部分沿用这类材料，如：45、40Cr、35CrMo、42CrMo和40MnB,美国AISI C-1541、德国CK45、DIN37MnSi5以及日本S45C等。这类钢由于强韧性高、质量易保证，在我国还能沿用一段时间，但由于其工艺较繁、耗能较大，所以加工成本较高。
为了节省调质工序，随着材料技术的发展非调质钢正在逐步取代调质钢。近年来，采用的柴油机连杆非调质钢材料有两类：第一类为微合金非调质结构钢，如康明斯柴油机均使用38MnV（或40MnV）、S43CVS、S53CV-FS以及SPLITASCO38等非调制钢；第二类为高碳非调质结构钢，为适应连杆体-盖“涨断”加工技术（又称“裂解”）的需要而迅速发展，如德国的高碳微合金非调质钢C70和C70S6，法国的高碳微合金非调质钢C70E3、SPLITASCO70等。“涨断”技术的应用可以简化连杆螺栓孔的结构设计和整体加工工艺, 该技术具有加工工序少、节省加工设备、节材节能、产品质量高以及生产成本低等诸多优点。据统计,连杆涨断可减少机加工工序30％～40％、降低生产成本10％以上, 对经济效益的提升效果十分显著。
2.连杆制造工艺现状
连杆的生产，其传统的加工方法是通过锯、铣等方法将留有切断余量的连杆锻件分离成连杆盖和连杆体，再通过镗、铣和磨等多种加工方法分别加工连杆盖和连杆体，最后装配而成。这种加工方法工序多而复杂，尤其是连杆盖和连杆体的结合面以及螺栓孔的装配和定位要求，使结合面和螺栓孔的精度要求非常高，需要多道工序才能完成，加工难度大。
目前，对连杆分离面的最新加工方法是涨断工艺。随着连杆涨断工艺的成熟发展，国内不少厂家开始采用涨断连杆来装配康明斯柴油机。涨断技术极大地降低了成本，并大大减少了工序数量，节省了连杆盖和连杆体结合面的加工，保证了连杆盖和连杆体在装配时的重复定位精度。连杆大头孔的形状公差的精度（圆度、圆柱度）也明显优于传统方式加工的连杆。
连杆大头分离面涨断工艺的优点如下：
（1）提高了连杆和连杆盖分离面的结合质量。在采用了连杆分离面的涨断工艺后，连杆和连杆盖的分离面是完全啮合的。因此，靠螺栓拧紧后涨断连杆有很大的剪切力，在工作时杆身和杆盖不会出现相对滑动；而传统连杆在分离面会加工出一个或一对键齿或键槽或用螺栓定位，发生相对滑动的可能性较大。
（2）减少了加工工序，提高了加工节拍。采用涨断工艺不需要对连杆大头分离面进行切削加工，取消了连杆大头分离面的拉削和磨削加工。由于连杆大头分离面是完全啮合的，连杆和连杆盖装配时不需要增加额外的螺栓孔精确定位，只需两个螺栓拉紧，取消了螺栓孔的铰孔或镗孔精加工工序。
（3）与传统的连杆大头加工工艺相比，由于取消了连杆大头分离面的拉削加工、磨削加工和螺栓孔的精加工，因此节约了其设备投资费用和这些设备占用的生产面积以及制造费用。在采用涨断工艺后，连杆盖和连杆体涨断后自行装配，不再需要连杆盖在加工生产线上的单独自动运输装置。
在连杆大小头孔加工方面，采用静压镗头的精镗连杆大小头孔专用机床，装有自动测量和自动补偿装置，加工精度可达6级，圆柱度0.003～0.004mm，粗糙度控制在0.8～1.6μm。连杆大、小头孔逐步由加工中心完成，以适应多品种的加工，采用珩磨或珩磨工艺对连杆大、小头孔进行超精加工，可靠的保证大、小头表面粗糙度及圆柱度的要求。
在连杆螺栓孔加工方面，当前广泛采用枪钻、枪铰连杆螺栓底孔和挤丝工艺，以保证连杆螺栓孔对结合面垂直度的要求，随着连杆涨断新工艺的推广应用，采用加工中心加工连杆螺栓孔将获得推广。表5为国内现典型柴油机连杆加工工艺流程。
凸轮轴制造技术
1.凸轮轴材料的发展
凸轮轴用于气门定时控制，不过通常它的转速很高而且需要承受很大的转矩。因此，设计中对凸轮轴在强度和支撑方面的要求很高，由于工作进程中进、排气凸轮表面和挺柱直接接触运动，有很高的周期性接触应力和相对滑动速度，所以在凸轮表面常出现擦伤、点蚀及快速磨损等失效形式，要求凸轮轴凸轮表面具有较高的硬度、耐磨性和抗冲击性能。
凸轮轴常用材料有45钢、合金钢、球铁和合金铸铁，目前高速柴油机的凸轮轴一般采用高频淬火钢制造。
2.凸轮轴制造工艺
目前，在我国康明斯柴油机凸轮轴的制造方法中通常有三种。第一种是冷激铸铁凸轮轴，主要用于轿车康明斯柴油机；第二种是碳钢楔横轧凸轮轴，主要用于载货汽车康明斯柴油机；第三种是两种以上材料组合装配的凸轮轴，装配式凸轮轴是目前凸轮轴零件的工艺发展趋势。
凸轮的轮廓加工是整个凸轮轴加工工艺的难点。凸轮轮廓形状复杂，属于非圆磨削。凸轮磨削工艺经历了三个发展阶段：机械靠模仿形磨削加工、数控靠模仿形磨削加工和全数控无靠模仿形磨削加工。靠模仿形磨削加工，进、排气凸轮都有一个母靠模，凸轮轴上有几个凸轮就有几个靠模，母靠模的加工误差会复映到加工的成品凸轮上。该加工存在以下缺陷：
（1）凸轮轴只能用固定转速旋转，凸轮轮廓上每个磨削点的线速度不一样，磨削时单位时间的切除量和磨削力不一样，导致凸轮轮廓加工产生误差，且容易产生磨削烧伤和裂纹。
（2）工件安放在装有尾座、中心架的摇架上，摇架机构往复摆动，影响凸轮轮廓精度、粗糙度和生产效率的提高。
（3）同一个靠模只能用于同一种凸轮轴，因此只适用于单一品种生产，否则就需要重新换靠模，不能实现柔性化、多品种生产。
目前，全数控无靠模仿形磨削加工工艺正在广泛推广和应用，像德国肖特ZEUS-M数控凸轮轴磨床。它具有如下特点：砂轮可实现高速、恒线速度磨削；具有较大的柔性，可以加工近20种凸轮轮廓，满足了凸轮轴多品种变化的柔性生产需要，其单台设备日产能可提高近四倍。
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