曲轴圆角深滚压机床的设计

1—主轴颈　2—连杆颈　3—圆角　4—曲柄臂

在机械制造领域，曲轴作为内燃机的核心部件，长期使用后极易出现轴颈磨损和疲劳断裂问题，严重影响发动机的性能与寿命。为攻克这一难题，我们精心设计了曲轴圆角深滚压机床与曲轴校直机床。本文将深入阐述曲轴圆角深滚压机床的总体设计思路，并对其关键构件及机械动作顺序展开详细剖析。
一、行业背景与研究现状

曲轴结构复杂，由主轴颈、连杆颈等多个部分构成。主轴颈负责支撑与转动曲轴，连杆颈则连接连杆与曲轴，其表面粗糙度要求极高。目前，空刀槽加工多采用车削技术，但因各轴颈不同轴，加工复杂且易产生棱角，导致应力集中，对曲轴性能产生不利影响。

在曲轴表面强化工艺研究方面，众多学者已取得一定成果。李海国、张树礼等人借鉴国内外技术，研发出曲轴圆角滚压机床；吴淑霞等人在滚压机床基础上增加校直功能；魏云平等人依据 Hertz 接触理论研究液压卡盘夹持对曲轴的影响；王燕等人通过有限元法分析滚压力对曲轴性能的影响。国内部分厂家也已推出相关产品，如大连机床集团全资子公司 INGERSOLL 的 DFR - 30 型曲轴滚压机，青海二机与武汉理工大学共同开发的 QH2 - 042 曲轴圆角滚压及滚压校直机床。
二、创新工艺与设计亮点

通过对比多种曲轴表面强化工艺，我们采用曲轴滚压方式设计了四缸曲轴圆角深滚压机床。该机床具有以下显著优势：

变压力滚压工艺：相较于传统恒压工艺，硬化层均匀性提升 27%，有效提升了曲轴的表面质量。

模块化设计：滚压单元可快速更换（<15min），能灵活适应不同轴径的加工需求，大大提高了机床的通用性和生产效率。

三、机床结构深度解析
（一）整体布局规划

以四缸发动机曲轴为设计对象，采用深滚压工艺对曲轴轴颈和沉割槽进行强化处理。机床以平床身数控车床为基本框架，床身为长方形箱体，经焖火和振动时效处理，保证了整体刚性和热稳定性。床身上合理布置主轴箱、尾台、立柱和横梁等部件，结构紧凑，上下料方便。床身边沿设有挡水牙，加工区设计集油盘，冷却油可快速回流至床身集油盘，再通过冷却齿轮泵抽回冷却箱形成循环，有效保证了机床的润滑和冷却效果。
（二）关键部件设计

主轴箱设计：上料机械手臂将四缸曲轴送至主轴中心附近，推进液压缸使主轴箱整体向加工区推进。自定心液压卡盘夹紧工件，另一端由尾台套筒内的莫 5 顶尖顶紧。伺服主电动机通过胀紧套与小带轮连接，经齿形传动带将动力传递到主轴端，带动曲轴转动。滚压完毕后，松开自定心液压卡盘，退回主轴箱，完成一个工作循环。

尾台设计：尾台主要对四缸曲轴进行轴向顶紧和径向定位。上料机械手使曲轴轴心与尾台主轴中心重合，主轴上的自定心液压卡盘夹紧曲轴后，启动尾台顶紧液压缸，尾台套筒带动尾台主轴前进，用镶嵌合金头尾台顶尖顶紧曲轴，确保滚压过程中的精度。

滚压臂总成设计：滚压臂是机床的核心部件，由支撑滚轮总成、滚压轮总成、液压缸等组成。材料选用锰铬合金优质结构钢，并采用整体淬火工艺，具有较高硬度和使用寿命。液压缸压力直接影响深滚压效果，压力过大易导致压头体损坏、滚压轮寿命降低以及曲轴弯曲变形。为此，在滚压臂下方安装应变仪检具，通过检测滚压臂张口变形来测量压力大小，并反馈给系统 IO 模块，通过伺服阀调节压力。压头体和推块依靠直线导轨和滑块在滚轮臂上平稳运行，动力来源于后端专用液压缸。支撑轮与滚压轮间隔与实际曲轴轴颈长度相同，利用液压缸实现滚压动作。滚压轮为硬度极高的薄壁无轴小圆盘，在滚压过程中易受交变载荷作用而破损，因此增加滚压轮破损检测装置，通过传感器检测滚压轮完整性，一旦破损，机床停机报警，保证加工质量和稳定性。

提升机械总成设计：提升机械总成包括滑台移动机构和液压支撑机构。滑台移动依靠伺服电动机带动行星齿轮减速机，通过刚性联轴器使齿轮箱罩内齿轮转动，底座通过贯穿口使齿轮与齿条啮合，带动滑台沿滚珠导轨垂直移动。滑台上有槽杆，内侧凹槽可安装非标承载板组件，实现不同曲轴的滚压快换功能。为保证移动安全，滑台两侧安装聚氨酯撞停块和接近开关，通过机械和电气手段保护设备行程安全。

四、机床动作精准控制

设备动作顺序如下：安装曲轴工件→主轴箱通过液压缸前进到位，尾台液压缸推进内置套筒伸出，升起和转动滚轮臂→闭合滚轮、自定心卡盘夹紧曲轴大头，放下滚轮臂提升机械装置→滚压曲轴轴颈→升起滚轮臂机械装置，张开卡盘卡爪并退回尾台和主轴→放下滚轮臂提升装置，摆动后放下滚轮臂，卸下曲轴→将滚轮臂调整至合适位置，方便下一工件安装。

高速滚压（转速>60r/min）会使表面温升超过 200℃，引发马氏体相变。采用变速滚压工艺，初始转速 30r/min 预压，中段转速 45r/min 主压，末段转速 30r/min 保压，既保证了加工效率，又避免了热损伤，硬化层均匀性提升 27%。
五、滚压校直关键技术

滚压校直是曲轴圆角深滚压强化工艺的关键环节。曲轴在滚压强化过程中因形状复杂易受力发生弯曲变形，因此校直必不可少。校直通过滚压工艺对曲轴进行轻微弯曲纠正，提高其几何形状精度和尺寸一致性。

机床设计中，通过优化液压驱动系统、滚轮臂总成和提升机械总成等部件，提高机床对曲轴的纠正能力。例如，采用高精度液压驱动系统保证力的准确控制和调节；设计稳定可靠的滚轮臂总成，保证曲轴受力均匀并能精细调整；优化机械总成设计，使校直过程运动平稳可靠；采用精确控制算法和传感器实现实时监测，确保校直准确性和稳定性。

在曲轴圆角滚压过程中，通过电感传感器测量主轴颈的最大径向圆跳动量。若跳动量符合工艺要求，则无需校直；若超过规定范围，则需进一步滚压校直。根据测量结果和形变规律，使用适当压力对变形轴颈进行滚压，使工件产生反方向变形实现校直。完成第一轮滚压校直后，电感测量系统再次检测每个主轴颈，若跳动仍不达标，则进行多轮校直，但对同一轴颈的校直次数有限制，超过规定次数仍不合格的曲轴将视为废品。
六、试验验证与成果展望

滚压夹紧力通常控制在 15k～30kN，此范围基于实际生产经验，能有效改善曲轴圆角处表面质量。基于有限元法对滚轮臂进行挠度试验，试验夹紧力为 4375 lbf（1kN = 224.81 lbf），FEA 中最大挠度为 0.568mm，单位压力下的 FEA 分析挠度为 0.0293mm。设置不同压力进行试验，通过拉力传感器测量工件实际挠度，并与有限元法计算结果对比，两者偏差 0.0010mm，挠度误差百分比为 3.2%，表明试验与 FEA 结果相近，FEA 数据可靠。同时，滚轮臂在 4375 lbf 下滚压臂的挠度 0.568mm 符合使用要求。

该曲轴圆角深滚压和曲轴校直机床可显著改善曲轴主轴颈和连杆颈的疲劳强度，可替代高端进口数控曲轴专机。目前，该机床已在国内乘用车四缸曲轴生产中得到应用，且在工程机械六缸曲轴及船用中速机曲轴领域的横向扩展具备显著可行性，其工艺路径的可复制性为进一步规模化应用奠定了坚实技术基础。