汽车发动机曲轴制造中机械加工技术的应用
（泰山科技学院 山东泰安 271002）
作者简介：王恒帅，1990.09，男，工学硕士，工程师，主要从事机械类专业的教学及教学研究工作。
摘要：汽车制造是我国实体经济重要组成部分，对于我国社会有序发展具有重要意义，已经成为社会关注的重点话题。本文整理常见的几类机械加工技术，从铸造与技术、工艺与流程两个方面，详细分析汽车发动机曲轴制造中机械加工技术的应用，并以某汽车生产企业为例，分析机械加工技术的应用案例，旨在为更多汽车制造企业提供技术帮助，推动我国汽车制造领域可持续发展。
关键词：发动机曲轴；机械加工技术；技术应用
前言：根据国家统计局（https://data.stats.gov.cn）数据统计，2021年我国汽车产量为2652.8万辆，同比增长4.8%。在各个省会城市逐渐建设资源集中城市群的当下，汽车市场会进一步拓展，有必要对汽车制造的各个方面制造质量展开深入研究。
1汽车发动机曲轴制造中机械加工技术的常见类型
在当前汽车发动机曲轴制造中，常使用以下几类机械加工技术。
1.1基于CAXA实体设计软件设计曲轴三维模型
发动机曲轴性质为机械产品，其设计质量将会决定后续投入使用效果，这也是许多汽车制造企业重点研究内容。CAXA实体设计软件是一款以CAD（Computer Aided Design，计算机辅助设计）为基础的三维设计软件，用这种软件设计发动机曲轴的三维模型，不仅保障曲轴的设计质量，也能让其使用性能得到有效提升。而且，CAXA实体设计软件是一个具有一体化特性的设计软件，在进行曲轴三维模型设计时，可以全程记录构建模型的各个环节，使用者可以根据发动机的功能需求，对某个环节进行数据修改、内容优化，其他环节也会跟随数据变化进行数据的自动更新[1]。在进行设计研究时，使用者也可以通过三维模型，将自己的设计理念合理传递给其他参与设计的人员，明确讨论内容，优化曲轴设计质量。而且，CAXA实体设计软件也可以为汽车制造企业未来设计其他类型的发动机曲轴模型提供可参考对象。例如在构建曲轴三维模型时，需要在曲轴使用需求基础上，调用元素库的圆柱体工具，结合三维球，完成三维模型的设计工作。以最简单的发动机曲轴为例，其结构设计两个35mm的连杆轴径，以及三个35mm、一个30mm主轴颈，要求曲轴总长度为380mm。如169GPa弹性模量、420MPa屈服极限等参数，也可以通过CAXA实体设计软件进行添加、调整。
1.2基于ANSYS软件分析曲轴三维有限元
曲轴三维有限元的分析质量，是发动机曲轴制造的重点关注内容。而在获得CAXA实体设计软件设计的曲轴三维模型后，经过有限元分析，就能让三维模型得到进一步优化，各个细节都可以贴近曲轴实体。在参考曲轴实体，构建三维模型时，需要以发动机实际应用情况为主，详细分析曲轴在运动状态下，各个结构情况后，将已经构建的逆模型数据导入ANSYS软件中，对曲轴三维有限元做深入分析。需要注意，在进行分析作业时，需要先将三维模型合理划分成若干区域，在不同区域内做详细分析。完成各个区域的分析工作后，再着手对整个三维模型做整体分析。对于发动机曲轴，涉及连杆轴径、曲柄、主轴颈、后轴端等多个组成部分，而连杆轴径与主轴颈则是曲轴的核心内容，在分析时要额外注意这两个部分。可以使用上下左右前后的六面体分析模式，降低三维模型分析难度。对于曲柄与后轴端，则建议通过自由网格划分模式，做细致分析，从而提升ANSYS软件的计算精度。而在使用ANSYS软件获得曲轴的有限元模型后，则要在有限元模型基础上，对曲轴的振动特性做进一步分析。分析对象则要放在机器部件与曲轴结构上，确保曲轴在制造期间，拥有符合使用标准的频率与振型。在具体应用中，曲轴也会受到动载荷影响，产生周期性变化，严重者可能会出现强烈共振，造成曲轴获得更大的动应力。长期出现这种使用条件，曲轴会产生疲劳损坏，影响其使用寿命。可以通过Lanczos算法，获得曲轴在固有频率下的模态振型图，实现曲轴的动力分析[2]。
1.3基于CAXA制造工程师的模拟数控加工
发动机曲轴在完成三维建模与模态分析后，还需要使用CAXA制造工程师软件，做相应的模拟数控加工处理。整理1.1、1.2章节获得的曲轴三维模型数据，通过进行加工处理，获得相应的加工参数表，并输入CAXA制造工程师软件。技术人员会根据系统提示信息，对加工对象进行调整，在确认待加工的曲面方向后，软件系统会做自动计算，在屏幕上生成加工刀具的模拟轨迹，从而达到精准数控加工的效果。以某曲轴模具的加工仿真作业为例，通过CAXA制造工程师软件做模拟数控加工。技术人员使用3轴数控铣床，通过铸造工序获得毛坯。因为圆柱部分和两端使用普通机床即可完成加工，所以仅关注曲轴部分。在加工期间使用粗加工搭配精加工的加工工艺，确保曲轴加工符合发动机使用需求。在加工期间，技术人员通过设置加工的坐标系，选择刀具，调整操作细节后，由系统符合完成加工各个环节。完成加工工序后，则对曲轴做后处理，结合几何仿真，稳定提升加工精度，减少加工材料的损耗率，缩短曲轴的生产周期，从而达到控制曲轴的生产成本效果。
2汽车发动机曲轴制造中机械加工技术的应用
2.1铸造技术与锻造技术
在对汽车发动机曲轴做铸造、锻造作业时，技术人员需要根据曲轴型号，选择合适的光谱仪设备，充分读取制造材料的熔炼成分，并对成分信息进行详细分析。在熔炼材料期间，可以根据发动机曲轴设计需求，在熔炼环节投入新型材料，对原本制造材料做融合加工处理，通过复合型材料制造发动机曲轴。需要注意，在熔炼制造材料时，需要确保熔炼过程的公开性，确保技术人员可以及时监督熔炼过程，优化细节内容，确保最后获得的制造材料符合发动机曲轴制造需求。如果技术人员发现熔炼过程出现问题，需要立即翻阅相应的工作手册，找到与问题相匹配的解决方案，及时处理问题。如果仍无法有效控制问题，则要和专业人员取得联系，详细描述当前问题情况，在研讨过程中，设计合理的补救方案，降低生产损失。建议生产企业积极引进新型发动机曲轴造型方法，比如通过外力挤压塑形的挤压造型法。既可以降低生产过程中的能源消耗，降低污染气体生成量，也可以稳定提升发动机曲轴生产质量，达到扩大生产企业市场的效果[3]。除此之外，在锻造发动机时，也建议引入新型生产设备，利用自动感应器等设备，让生产线上升到自动化生产水平，从源头上解决不容易处理的人为失误，让发动机曲轴实现精细化生产，也可以推动我国汽车制造领域上升到新的发展层次。国内一些汽车制造龙头企业，已经开始大规模应用自动化机械设备，以实时测量模式，实现跟踪测量发动机曲轴模具各种参数，达到动态化管理效果。如果合作方对于该批次的发动机曲轴有额外生产需求，可以操控自动化机械设备，对部分模具参考细节内容进行调整，等待数据更新完毕后，发动机曲轴生产质量会得到进一步提升。而且，自动化机械设备也会收集发动机曲轴的锻造数据，将其和预设参数做实时对比，调节各方面的锻造程序，让锻造数据更贴近预设参数，进而合理降低锻造数据误差发生概率，优化发动机曲轴生产精度。
2.2机械加工工艺与流程
在我国汽车制造行业快速发展的当下，常规的机械加工工艺已经无法满足市场扩张需求，零部件的智能化加工逐渐成为机械加工工艺研究的主要方向，越来越多的汽车制造企业开始对这方面投入资金与时间，探索机械加工工艺的深层次发展。特别是发动机曲轴是重要零部件，需要多道工序完成，对于机械加工工艺的有额外的使用需求。技术人员在原有机械加工工艺基础上，根据发动机曲轴生产需求，对部分环节进行合理调整，获得更为精细的构件，有效降低零部件的高效、高质量生产难度。生产企业在做零部件生产时，需要确保零部件机械加工流程的完整性，保证操作程序和加工流程拥有良好的契合度，才能让各个零部件生产满足生产标准。而要提升发动机曲轴的加工精度，不仅要严格规划加工工艺体系，确认各个加工工序的使用方法与注意事项，科学使用生产设备，选择合适的加工技术，还需要落实发动机曲轴生产的质量检验工作，确保加工技术拥有合适的生产环境条件，降低对发动机曲轴加工造成的负面影响，实现发动机曲轴的规范加工。建议生产企业从管理方面入手，保证机械加工工艺与流程符合生产交付需求。第一、根据月度设计详细的生产计划，并要确认具体机械构件类型，做好机械加工前期准备工作；第二、合理分析发动机曲轴各个零部件的效果图，并以装配图作为参考，使用符合生产需求的机械加工工艺；第三、明确机械加工流程，根据各个生产程序采购相应的加工设备；第四、完成发动机曲轴的机械加工，并详细填写加工文件，方便后续信息查找，改进机械加工技术应用方案[4]。
3机械加工技术在汽车发动机曲轴制造中的应用案例
为让本文内容更具有参考价值，本人研究若干全球顶尖汽车生产企业，选择某汽车生产企业作为典型案例，详细分析机械加工技术在汽车发动机曲轴制造中的具体应用。
该汽车生产企业的发动机曲轴，可以细分为44道工序，需要57台机械设备同时投入生产中，并要求7名技术人员同时到岗，进行相应的机械操作。其中，对发动机曲轴制造材料切削需要涉及19道工序，分别为高频淬火、清洗工序、动平衡修正、压键工序、加热压入、中心孔测定，以及油孔贯通、齿轮检查、连杆轴颈三道检测工序，检测刻印与工件搬送等[5]。将以上工序更新为机械化生产模式，生产出的发动机曲轴运行性能将会远超过同类型发动机曲轴。对于发动机曲轴端面位置，该汽车生产企业使用新型钻中心孔机械设备，并不选择常规的曲轴几何中心位置，而是在分析曲轴质量、规格后，综合分析确认钻孔中心位置，在该位置进行钻孔作业。而技术人员还需要启动基准平衡测定设备，检测中心孔的选择对于发动机曲轴后续使用产生的影响。为提升中心孔测量精度，该生产企业还投入双转塔数控车床，对发动机曲轴的前端与后端外圆做相应的检测工作，使用单轴数控机床，完成主轴颈止推面等位置的粗加工作业。结束曲轴热处理作业后，再使用相应的机床设备对中心孔做二次处理，进行前端面与后端面的精加工作业。使用动平衡试验机，完成发动机曲轴的动平衡检测工作，确保发动机获得更高的使用性能，大幅度提升其安全系数。在发动机曲轴正式投入应用前，还通过特化专用机械设备，详细检测曲轴轴径是否符合规范，把握发动机曲轴机械加工各个环节，落实机械加工各项细节内容。
结论：尽管本文对汽车发动机曲轴制造中机械加工技术的应用做详细研究，具有一定的参考价值，但是在实际应用时，仍需要以具体的发动机曲轴制造需求为主，合理调整本文细节内容，设计制造水平更高、使用性能更为稳定的机械加工技术应用方案。希望更多汽车制造企业可以对机械加工技术做深入研究，应用在汽车制造方面，助力我国汽车制造行业的稳定发展。
参考文献
[1]陈华明.机械加工技术在汽车发动机曲轴制造中的应用实践[J].内燃机与配件,2020(18):122-123.
[2]侯学勤,陆菁.汽车发动机曲轴断裂分析[J].失效分析与预防,2020,15(02):132-136.
[3]李亚鹏,苏亚辉.汽车发动机曲轴机械加工技术分析[J].内燃机与配件,2021(22):100-101.
[4]姜薇薇,史天舒,龙春彦.机械加工技术在汽车发动机曲轴制造中的应用[J].河南科技,2020(08):55-57.
[5]张文龙,黄永辉,王刚.汽车发动机曲轴生产工艺探讨[J].世界制造技术与装备市场,2020(03):73-75.
