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摘要：曲轴是船舶柴油机的非常关键的组成部件之一，对它的性能要求轻量化、优质化。本文介绍了曲轴材料的发展，重点论述了等温淬火球铁和非调质钢等目前典型的新型材料；论述了船用柴油机曲轴的机械加工和特种加工工艺。
关键词：曲轴； 新型材料；加工工艺；圆角滚压
引言
在船用柴油机中，曲轴是其关键零件之一。曲轴不但要承受巨大的不断变换着方向的弯矩及扭矩，同时长时间高速运转所带来的磨损也是曲轴所要承受着的。这样的工况条件使得船舶柴油机特别是大型船比柴油机的曲轴承受越来越高的爆发压力、越来越快的旋转速度以及越来越大的输出功率。为确保能够可靠运转柴油机，要不断地提高制造曲轴的材料及工艺要求。
1.曲轴材料的发展
在进行曲轴材料的选择时，材料应具有疲劳强度较高、循环韧性（内摩擦所消耗功） 较好以及轴颈表面硬度足够和淬透性较好等机械性能。20世纪50年代中后期是铸造曲轴的时代，普遍使用球墨铸铁材料铸造的曲轴。具有良好的减振性、耐磨性和工艺性能的球墨铸铁，使得由其铸造的曲轴比锻钢曲轴降低了50%～80%的成本，也减少30%～50%的加工工时，并且毛坯的重量得以减轻，耐磨性能也得到改善。目前，有锻造和铸造两种曲轴毛坯的制造方法，锻造毛坯通常采用钢材，如优质碳素钢、合金钢、低合金钢等；而铸造毛坯多采用球墨铸铁这种材料。
随着材料科学技术的飞速发展，不断涌现出很多新型的材料并用于曲轴的加工制造。其中，等温淬火球铁（ADI）和非调质钢是两种可用于大批量生产的典型新型曲轴材料。等温淬火球铁的英文名称为Austempered Ductile Iron，简写为ADI。70年代末80年代初，ADI这种新型球墨铸铁开始发展起来，这也被誉为近30多年来铸铁冶金中最重要的成就之一。等温淬火球铁ADI在性能角度上讲是一种高韧性、高强度、高耐磨性以外还具有特别高的疲劳强度，其疲劳强度数值大小为350～500MPa。等温淬火球铁ADI与普通牌号球铁相比，具有相同的伸长率，但其强度却比普通牌号大一倍。等温淬火球铁ADI的疲劳强度如此之高是由于大量的残余奥氏体存在于基体之中，而且贝氏体与奥氏体呈相间排列状态。因此，当零件在交变载荷作用下，导致奥氏体发生相变，从而形成马氏体，提高了强度硬度，并且大量奥氏体的存在，使得对于采用等温淬火球铁ADI制造的曲轴进行滚压强化就十分有益。目前无论在国内还是国外，球墨铸铁曲轴都占据重要的地位。
非调质钢这种材料的问世，是在借鉴了微合金钢的生产经验，通过采用控轧、控冷工艺进行加工后，只需经锻后钢材就能达到使用时要求的力学等性能，以取消调质处理这一能耗费用非常高的工序。
2.曲轴机械加工工艺发展
根据曲轴的制造方法不同，可以将曲轴划分为整体式曲轴和组合式曲轴（包含半组合式）。曲轴的加工方法包括锻造和铸造两种方式。近几十年以来船用锻件的要求越来越高，因此加强船用锻件特别是船用柴油机曲轴锻件的研究具有非常重要的意义。常见的船用柴油机曲轴的锻造方法包括块型锻造法、环锻法、模锻法等。
将曲轴的毛坯锻造成方块之后在进行机械加工成型的锻造方法是块型锻造法。使用该方法加工曲轴不仅会造成余量大，成本高而且所生产的曲轴质量差，常会出现疏松性伤痕等缺陷。环锻法是将空心的钢锭先锻造成U型的毛坯之后，通过对毛坯两面的锥度进行挤压之后，使用带有模锻块的模具使毛坯成型。这种方法对于零件的加工余量小，受力良好，金属的流动性能也就好，但是加工工艺复杂。模锻法是来自日本的一种锻造方法，其主要的哟点是合格率非常高、组织致密、生产工序锻、加工费用低但是其通用性差不同的曲拐需要用不同的模具进行加工。
对于曲轴进行毛坯进行铸造或者锻造之后就需要进行机械加工。目前，在我国国内大部分厂家大多采用通用机床和专用机床组成流水线进行生产，生产效率低下，自动化水平不高；从稳定性角度看，工序质量很差，很难达到合理的加工余量。对于外圆的磨销余量来讲，一般留0.5～0.8mm的单边余量；对于止推面来讲留0.3 ～0.4mm的单边余量，通过进行多次磨削，从而保证成品的尺寸。一般采用MQ8260曲轴磨床进行精加工，其方式为粗磨一半精磨一精磨一抛光。由于一般靠手工操作，使得加工质量很差，废品率很高。在国内，经过了八五之后，铣主支承颈和曲柄销颈主要通过数控内铣床进行加工，其中采用数控磨床磨削和车拉工艺等陆续被部分企业引进。
CNC技术和自动生产线是在国外广泛采用的机加工工艺。一般来讲，一条生产线通常由几处局部自动化的生产单元模块组成，自动化程度高，工作效率高。质量定心加工方式是进行曲轴中心孔加工的通常方法，由此在后续加工时可以保证工件运转的稳定性，有利于产品质量的提高；通常铣削或车拉工艺是进行曲轴轴颈粗加工的常用方法，加工质量水平比较高，曲轴粗加工的发展方向是铣削和车拉。
3.曲轴特种加工工艺的发展
曲轴工作时，因为存在较大而复杂的冲击载荷需要承受，因此要求有较高的抗疲劳强度，最薄弱的环节存在于曲轴轴颈与侧面的连接过渡圆角处应力集中处，因此为了提高疲劳强度，通常采用表面强化的方法来实现。具体方法主要有：氮化、圆角喷丸、激光强化、感应淬火、圆角滚压和复合强化等方法。
截止到目前，对曲轴滚压的工艺研究，即使是国外也不是十分充分。国内通常需要从美德等国引进，引进滚压设备等专用滚压设备，不仅价格高昂、设计方法等核心技术保密，而且另一个特别窘迫的问题就是相关滚压工艺参数的选取。前不久，西安某大学曾进行过相关研究。他们利用有限元分析软件对圆角滚压进行了研究，确定了曲轴圆角滚压过程中滚压力、滚压圈数、滚压速度等一些重要的滚压参数，这在实际生产中具有重要的参考价值。
4.结语
随着对船用柴油机曲轴机械性能要求的提高，需要曲轴的材料环保、成本低、易加工且有较高的疲劳强度；船用柴油机曲轴的机械加工要求采用先进技术，通过大量采用CNC控制技术，从而形成柔性生产，简化工艺过程，使得加工质量得以提高和稳定；柴油机曲轴的特种加工工艺，大多是从国外引进设备，价格高昂、设计方法保密，如何合理的进行滚压工艺参数的选取同样是一个面临的窘迫问题。在这一方面，国内外的专家学者有一些成就。
参考文献：
[1]孙亮.大型船舶曲轴曲柄成形优化.冶金自动化 2009
[2]左阳春，冯丽魁，赵恒义，乔博.大型曲轴的几种成形方法及比较.热加工工艺.2008
[3]李群，聂绍珉，武玉波.大型船用曲拐弯锻成形缺陷分析.燕山大学学报.2006
[4]胡金华.特大型船用曲轴曲柄锻造工艺优化研究.锻压技术 2010.
关键词：曲轴； 新型材料；加工工艺；圆角滚压
引言
在船用柴油机中，曲轴是其关键零件之一。曲轴不但要承受巨大的不断变换着方向的弯矩及扭矩，同时长时间高速运转所带来的磨损也是曲轴所要承受着的。这样的工况条件使得船舶柴油机特别是大型船比柴油机的曲轴承受越来越高的爆发压力、越来越快的旋转速度以及越来越大的输出功率。为确保能够可靠运转柴油机，要不断地提高制造曲轴的材料及工艺要求。
1.曲轴材料的发展
在进行曲轴材料的选择时，材料应具有疲劳强度较高、循环韧性（内摩擦所消耗功） 较好以及轴颈表面硬度足够和淬透性较好等机械性能。20世纪50年代中后期是铸造曲轴的时代，普遍使用球墨铸铁材料铸造的曲轴。具有良好的减振性、耐磨性和工艺性能的球墨铸铁，使得由其铸造的曲轴比锻钢曲轴降低了50%～80%的成本，也减少30%～50%的加工工时，并且毛坯的重量得以减轻，耐磨性能也得到改善。目前，有锻造和铸造两种曲轴毛坯的制造方法，锻造毛坯通常采用钢材，如优质碳素钢、合金钢、低合金钢等；而铸造毛坯多采用球墨铸铁这种材料。
随着材料科学技术的飞速发展，不断涌现出很多新型的材料并用于曲轴的加工制造。其中，等温淬火球铁（ADI）和非调质钢是两种可用于大批量生产的典型新型曲轴材料。等温淬火球铁的英文名称为Austempered Ductile Iron，简写为ADI。70年代末80年代初，ADI这种新型球墨铸铁开始发展起来，这也被誉为近30多年来铸铁冶金中最重要的成就之一。等温淬火球铁ADI在性能角度上讲是一种高韧性、高强度、高耐磨性以外还具有特别高的疲劳强度，其疲劳强度数值大小为350～500MPa。等温淬火球铁ADI与普通牌号球铁相比，具有相同的伸长率，但其强度却比普通牌号大一倍。等温淬火球铁ADI的疲劳强度如此之高是由于大量的残余奥氏体存在于基体之中，而且贝氏体与奥氏体呈相间排列状态。因此，当零件在交变载荷作用下，导致奥氏体发生相变，从而形成马氏体，提高了强度硬度，并且大量奥氏体的存在，使得对于采用等温淬火球铁ADI制造的曲轴进行滚压强化就十分有益。目前无论在国内还是国外，球墨铸铁曲轴都占据重要的地位。
非调质钢这种材料的问世，是在借鉴了微合金钢的生产经验，通过采用控轧、控冷工艺进行加工后，只需经锻后钢材就能达到使用时要求的力学等性能，以取消调质处理这一能耗费用非常高的工序。
2.曲轴机械加工工艺发展
根据曲轴的制造方法不同，可以将曲轴划分为整体式曲轴和组合式曲轴（包含半组合式）。曲轴的加工方法包括锻造和铸造两种方式。近几十年以来船用锻件的要求越来越高，因此加强船用锻件特别是船用柴油机曲轴锻件的研究具有非常重要的意义。常见的船用柴油机曲轴的锻造方法包括块型锻造法、环锻法、模锻法等。
将曲轴的毛坯锻造成方块之后在进行机械加工成型的锻造方法是块型锻造法。使用该方法加工曲轴不仅会造成余量大，成本高而且所生产的曲轴质量差，常会出现疏松性伤痕等缺陷。环锻法是将空心的钢锭先锻造成U型的毛坯之后，通过对毛坯两面的锥度进行挤压之后，使用带有模锻块的模具使毛坯成型。这种方法对于零件的加工余量小，受力良好，金属的流动性能也就好，但是加工工艺复杂。模锻法是来自日本的一种锻造方法，其主要的哟点是合格率非常高、组织致密、生产工序锻、加工费用低但是其通用性差不同的曲拐需要用不同的模具进行加工。
对于曲轴进行毛坯进行铸造或者锻造之后就需要进行机械加工。目前，在我国国内大部分厂家大多采用通用机床和专用机床组成流水线进行生产，生产效率低下，自动化水平不高；从稳定性角度看，工序质量很差，很难达到合理的加工余量。对于外圆的磨销余量来讲，一般留0.5～0.8mm的单边余量；对于止推面来讲留0.3 ～0.4mm的单边余量，通过进行多次磨削，从而保证成品的尺寸。一般采用MQ8260曲轴磨床进行精加工，其方式为粗磨一半精磨一精磨一抛光。由于一般靠手工操作，使得加工质量很差，废品率很高。在国内，经过了八五之后，铣主支承颈和曲柄销颈主要通过数控内铣床进行加工，其中采用数控磨床磨削和车拉工艺等陆续被部分企业引进。
CNC技术和自动生产线是在国外广泛采用的机加工工艺。一般来讲，一条生产线通常由几处局部自动化的生产单元模块组成，自动化程度高，工作效率高。质量定心加工方式是进行曲轴中心孔加工的通常方法，由此在后续加工时可以保证工件运转的稳定性，有利于产品质量的提高；通常铣削或车拉工艺是进行曲轴轴颈粗加工的常用方法，加工质量水平比较高，曲轴粗加工的发展方向是铣削和车拉。
3.曲轴特种加工工艺的发展
曲轴工作时，因为存在较大而复杂的冲击载荷需要承受，因此要求有较高的抗疲劳强度，最薄弱的环节存在于曲轴轴颈与侧面的连接过渡圆角处应力集中处，因此为了提高疲劳强度，通常采用表面强化的方法来实现。具体方法主要有：氮化、圆角喷丸、激光强化、感应淬火、圆角滚压和复合强化等方法。
截止到目前，对曲轴滚压的工艺研究，即使是国外也不是十分充分。国内通常需要从美德等国引进，引进滚压设备等专用滚压设备，不仅价格高昂、设计方法等核心技术保密，而且另一个特别窘迫的问题就是相关滚压工艺参数的选取。前不久，西安某大学曾进行过相关研究。他们利用有限元分析软件对圆角滚压进行了研究，确定了曲轴圆角滚压过程中滚压力、滚压圈数、滚压速度等一些重要的滚压参数，这在实际生产中具有重要的参考价值。
4.结语
随着对船用柴油机曲轴机械性能要求的提高，需要曲轴的材料环保、成本低、易加工且有较高的疲劳强度；船用柴油机曲轴的机械加工要求采用先进技术，通过大量采用CNC控制技术，从而形成柔性生产，简化工艺过程，使得加工质量得以提高和稳定；柴油机曲轴的特种加工工艺，大多是从国外引进设备，价格高昂、设计方法保密，如何合理的进行滚压工艺参数的选取同样是一个面临的窘迫问题。在这一方面，国内外的专家学者有一些成就。
参考文献：
[1]孙亮.大型船舶曲轴曲柄成形优化.冶金自动化 2009
[2]左阳春，冯丽魁，赵恒义，乔博.大型曲轴的几种成形方法及比较.热加工工艺.2008
[3]李群，聂绍珉，武玉波.大型船用曲拐弯锻成形缺陷分析.燕山大学学报.2006
[4]胡金华.特大型船用曲轴曲柄锻造工艺优化研究.锻压技术 2010.