圖1 多刀盤車-車拉
目前，曲軸加工技術已向高速、高效、復合化方向發展，而應用較為廣泛的加工工藝是內銑、車-車拉及高速外銑三種。由于各種工藝都有其優缺點和適用領域，因此，應根據產品的結構選用或組合選用不同的工藝方法，從而保證產品高質、高效生產。
曲軸是發動機中最重要的零件之一，也是發動機中承受負荷最大的零件。發動機工作時，通過曲軸把活塞和連桿的直線往復運動轉變為旋轉運動并輸出功率。曲軸工作時要承受巨大的熱沖擊荷載和多種力的綜合作用，因此曲軸需要具有較高的強度。由于曲軸是在高轉速、高交變載荷下工作，因此有較嚴格的技術條件、形位公差以及尺寸精度，如對材料、軸頸表面硬度、動平衡及抗彎曲能力等方面都有較高要求。然而，曲軸的結構復雜、剛性差，尤其是主軸頸與連桿軸頸重疊系統小的曲軸，給加工帶來難度。
曲軸的形位公差、尺寸精度以及技術要求，主要集中在曲軸的主軸頸和連桿軸頸上，因此，這兩種軸頸的加工工藝構成了曲軸加工技術的主要內容。下面我們著重討論曲軸軸頸的粗加工工藝方法。
曲軸軸頸粗加工技術
曲軸軸頸粗加工技術在20世紀70年代之前主要為多刀車削，包括：用于主軸頸車削的中間傳動全軸頸多刀車削，可以同時對各主軸頸進行多刀加工；用于連桿軸頸車削的雙頭傳動仿形多刀車削，可以對各相位連桿軸頸進行車削或通過偏心裝夾對相同相位連桿軸頸進行多刀車削等。這種切削方法因加工精度低、切削力大，容易造成工件變形，應力增加，以及柔性差等，目前已經基本不被采用。
隨著數控車床的出現，可以采用數控車床對軸頸進行粗加工。這種工藝消除了多刀車削的缺點，但在加工曲柄側面時為斷續切削，對刀具的壽命不利，因而也限制了切削用量的提高。由于這種工藝是單刀切削，生產效率較低，目前在連桿軸頸及主軸頸的粗加工中也已經很少被使用，但在曲軸大、小頭其他軸頸的粗加工中仍被采用。
20世紀六、七十年代，德國的Heller、日本小松等公司開發出軸頸外銑工藝。當時，外銑刀具與工件的轉速都較高，工件旋轉實現圓周進給而刀具旋轉并緩慢徑向進給，對軸頸進行圓周銑削。之后，德國伯林格等公司又推出了內銑工藝，內銑有工件回轉及工件不動兩種工藝方法。內銑在刀盤夾持力、切削平穩性方面都優于當時的外銑，因而外銑工藝逐漸被內銑所取代。由于內銑的獨特優點，尤其是在加工過程中工件可以保持不動，通過采用高剛性的支撐，使工件在加工過程中剛性增強，并可采用CNC控制，所以目前大排量汽車發動機曲軸軸頸的粗加工仍將內銑工藝作為首選，尤其對鍛鋼曲軸，內銑更有利于斷屑。
20世紀80年代，隨著CNC技術的發展與普及，CNC車拉及車-車拉工藝得到快速推廣。這兩種工藝加工精度和生產效率較高，可以實現沉割槽的加工，目前廣泛用于中小排量發動機曲軸的軸頸粗加工，并可省去粗磨工序，軸頸直接進入精磨。但連桿頸和主軸頸不能在同一工序實現加工，要分別在兩臺機床上完成，且連桿頸加工由于相位角不同，要經過多次裝卡才能實現不同相位角的軸頸加工。圖1所示為多刀盤車-車拉加工。
20世紀90年代，CNC高速外銑被開發出來。這種工藝是裝有多個刀齒的圓盤銑刀高速旋轉，并沿徑向進給到加工尺寸，工件慢速旋轉一周作圓周進給，即可完成一個軸頸的加工。這種工藝可以用兩個刀盤分別對連桿軸頸和主軸頸進行加工，刀具切削速度快，不同相位角的連桿頸一次安裝就可完成加工，節省了工件裝卡和上下料時間，具有很高的生產效率和柔性，因此目前已愈來愈多地用于曲軸軸頸的粗加工中。圖2所示為雙刀盤高速外銑加工。
圖2 雙刀盤高速外銑
幾種加工方法特點分析
曲軸加工技術已向高速、高效、復合化方向發展，目前應用比較廣泛的是內銑、車-車拉及高速外銑三種工藝。其不同特點和優勢主要表現在：
1. 車-車拉
車-車拉采用圓盤形車-車拉刀具對軸頸及止推面進行加工，其特點包括：
（1）每一瞬間只有一把刀具與工件接觸，每個刀片在工件高速旋轉下切削的金屬很薄，約0.4～0.6mm，因而切削力小，工件彎曲變形也小，且切削平穩、加工精度高、表面精度好。
（2）在加工一個工件的循環中，每把刀只與工件接觸一次，因此刀具壽命長，每個刀片可加工4 000～5 000個工件。
（3）整個加工采用多刀片完成，可以根據不同工件、材料及用途對刀片布置進行優化，選擇最適宜的刀具材料。
（4）車-車拉設備的數控系統除控制回轉和徑向坐標外，還可控制軸向坐標，可以加工帶軸向沉割槽的工件。
車-車拉機床生產效率高、加工精度好、柔性強、自動化程度高且換刀時間短，加工后曲軸可直接進行精磨，省去了粗磨工序。但是，如果加工平衡塊的側面，當車拉刀快速前進靠近曲軸時，首先加工曲軸的平衡塊側面。由于平衡塊側面是斷續表面，所以加工是斷續切削，當加工到曲軸的凸肩到軸頸外圓時才是連續表面，而曲軸的轉速較高，刀具受到較大的沖擊力，會很快就被打壞，這就是平衡塊側面需要加工的曲軸采用車-車拉加工時存在的問題。
目前，用車-車拉加工曲軸平衡塊側面及軸頸時，國外都采用增加刀片數量的方法來解決問題，這會導致刀具不正常的消耗和刀具費用的增加。尤其是在毛坯質量不好、加工余量很大的情況下，不應采用車-車拉工藝加工曲軸的平衡塊側面。
2. 高速外銑
數控高速曲軸外銑工藝的優點是：切削速度高（可以達到350m/min）、切削時間短、工序循環時間短、切削力較小、工件溫升較低、刀具壽命高、換刀次數少以及加工精度高，且柔性更好。
采用高速外銑加工時，工件作圓周進給慢速旋轉，而圓盤外銑刀作高速切削并徑向進給。工件的慢速運動減少了工件不平衡質量的動態干擾影響。而圓盤刀具進行高速切削，每個刀片切削力小，可以獲得較好的精度。刀盤作徑向進給到預定深度，工件慢速回轉一圈即完成一個軸頸的加工。機床采用CNC控制，通過一個快速獨立的刀具控制和相應的程序調整，可以在一臺機床上加工不同缸數曲軸的不同相位角的連桿軸頸。采用雙刀盤高速外銑機床，可以同時用一個刀盤銑主軸頸，而另一個刀盤銑連桿軸頸，是一種高效、高柔性的工藝方法。
3.內銑
內銑加工的切削過程設置在環狀刀盤的里面，通過加工刀具繞固定工件旋轉達到去除材料的目的。在整個加工過程中工件的位置是固定的，支撐條件良好。這種剛度條件使工件能夠吸收大的切削力和承受高的材料去除率，因此，內銑更適合需要大量去除材料工件的粗加工，在商用車或大型發動機的曲軸、曲軸加工面較大的情況下使用得較為普遍。
內銑加工的生產效率比較高，采用多刀銑削，可以在一次裝夾中完成所有主軸頸的加工。在連桿軸頸的加工過程中，材料的去除比較少，往往用高速外銑代替內銑。
不同加工工藝的加工精度對比見表。
曲軸粗加工工藝方法的選用
通過分析目前廣泛采用的三種工藝方法的特點可以看出，每種工藝都有其優缺點和適用領域，應該根據產品的結構選用或組合選用不同的工藝方法。
1. 當曲軸平衡塊側面需要加工時，主軸頸加工應優先選用CNC內銑或CNC高速外銑，連桿頸的加工采用CNC高速外銑。如果毛坯是鍛鋼毛坯，CNC內銑更有利于斷屑。CNC車-車拉工藝不宜采用，因為平衡塊側面是斷續車削，曲軸轉速又很高（約1 000r/min），崩刀現象比較嚴重。
2. 如果曲軸平衡塊側面不需要加工，主軸頸加工選用CNC車-車拉，加工精度高。由于連桿頸軸線不在一條中心線上，用車-車拉加工會導致機床數量增加，可以采用CNC高速外銑或內銑。
3. 對于軸頸有沉割槽的曲軸，CNC車-車拉可體現出優越性，如果曲軸有軸向沉割槽，CNC高速外銑和CNC內銑不能加工，應該采用車-車拉進行加工。
以上設備應采用獨立雙刀盤、模塊化刀具系統，在提高生產效率的同時實現柔性化加工。
國產曲軸軸頸粗加工設備的現狀
近年來，我國裝備制造廠的技術水平有了很大的發展和進步，開發了一些發動機曲軸粗加工所需要的設備，如數控曲軸內銑機床、數控曲軸油孔鉆機床等。但是從發動機制造廠的角度來看，目前國內設備還難以滿足現代制造業在精度、效率及可靠性等方面的要求。因此，目前在大規模的發動機生產廠中，進口設備所占比例較高。國產設備的差距主要表現在：同樣類型的機床，性能方面存在差距； 有些先進制造工藝所需要的裝備國產設備尚不成熟，如用于曲軸軸頸加工的車-車拉機床等；國內設備在生產效率與可靠性方面不如國外設備，在精度方面不能滿足產品的要求，通過Cmk值驗收困難；國產設備故障率高，MTBF（機床能力指數）為500h左右，而國外設備均在1 000h以上。
鑒于發動機在整車中的重要性，且發動機主要零件結構復雜、精度高，國產設備在以上幾方面的差距表現得較為突出。因此，通過提高發動機制造關鍵技術與裝備來提升我國汽車制造技術水平和國內自主制造設備的能力，徹底改變在發動機主要零件生產線以引進設備為主的現狀仍然是十分必要的。