CA6110发动机曲轴的加工工艺及夹具设计

CA6110 发动机曲轴的加工 工艺及夹具设计 学生姓名： 学 号: 指导教师： 所在学院：工程学院 专 业：机械设计制造及其自动化 摘 要 曲轴是汽车发动机的关键零件之一,其性能好坏直接影响到汽车发动机的质量和 寿命.曲轴在发动机中承担最大负荷和全部功率,承受着强大的方向不断变化的弯矩及 扭矩，同时经受着长时间高速运转的磨损，因此要求曲轴材质具有较高的刚性、疲劳 强度和良好的耐磨性能。发动机曲轴的作用是将活塞的往复直线运动通过连杆转化为 旋转运动，从而实现发动机由化学能转变为机械能的输出。 本课题是柴油机曲轴的加工工艺的分析与设计进行探讨。工艺路线的拟定是工艺 规程制订中的关键阶段，是工艺规程制订的总体设计。所撰写的工艺路线合理与否， 不但影响加工质量和生产率，而且影响到工人、设备、工艺装备及生产场地等的合理 利用，从而影响生产成本。 所以，本次设计是在仔细分析曲轴零件加工技术要求及加工精度后，合理确定毛 坯类型，经过查阅相关参考书、手册、图表、标准等技术资料，确定各工序的定位基 准、机械加工余量、工序尺寸及公差，最终制定出曲轴零件的加工工序卡片。 关键词：发动机 曲轴 工艺分析 工艺设计 Abstract The car engine crankshaft is one of the key parts and its direct influence on the performance of the quality of life and the car engine crankshaft in engine. For maximum load and power, with all of the changes direction, bending and torque through long run, so the crankshaft material wear high rigidity, fatigue strength and wear resistance. Engine crankshaft role of piston is reciprocal linear motion through the link into the rotary motion, thus realize engine by chemical energy into mechanical energy output. This topic is only diesel engine crankshaft process analysis and design are discussed. The process route plan is the key stage procedure formulation of regulations, is the overall design process. Which route reasonable or not, not only influence processing quality and productivity, and affect worker, equipment, and process equipment and production sites, which affect the reasonable utilization of production cost. Therefore, the design is in the careful analysis of the crankshaft parts processing technical requirements and machining precision, reasonably determine the blank type, after consulting relevant reference, manuals, charts, standards, technical data to determine the locating datum, mechanical process and procedure limits.but dimensions and tolerances, eventually developing a crank parts processing process card. Keywords: engine crankshaft process analysis and process design 目录 摘 要 .I ABSTRACT .II 前 言 .IV 1.6110 发动机曲轴零件图的分析 .1 1.1 曲轴的功能和用途 .1 1.2 曲轴的结构和技术要求 .1 2.工艺过程设计 .2 2.1 计算生产纲领，确定生产类型 .2 2.2 审查零件图样工艺性 .3 2.3 选择毛坯 .3 2.4 工艺过程设计 .3 2.5 确定加工余量及毛坯尺寸、设计毛坯图 .8 2.6 重要工序设计 .9 2.7 确定切削用量及基本时间 .11 3.夹具设计 .16 3.1 机床夹具的分类、基本组成和功用 .17 3.2 6110 发动机曲轴夹具的设计思路 .17 3.3 6110 曲轴连杆轴颈粗磨夹具设计 .19 总 结 .27 参考文献 .28 致 谢 .29 前 言 曲轴是发动机上的一个重要的旋转机件，装上连杆后，可承接活塞的上下(往 复)运动变成循环运动。曲轴主要有两个重要加工部位：主轴颈和连杆颈。主轴颈 被安装在缸体上，连杆颈与连杆大头孔连接，连杆小头孔与汽缸活塞连接，是一 个典型的曲柄滑块机构。发动机工作过程就是：活塞经过混合压缩气的燃爆， 推 动 活 塞 做 直 线 运 动 ， 并 通 过 连 杆 将 力 传 给 曲 轴 ， 由 曲 轴 将 直 线 运 动 转 变 为 旋 转 运 动 。 而 曲 轴 加 工 的 好 坏 将 直 接 影 响 着 发 动 机 整 体 性 能 的 表 现 。 曲 轴 的 材 料 是 由 碳 素 结 构 钢 或 球 墨 铸 铁 制 成 的 ， 有 两 个 重 要 部 位 ： 主 轴 颈 ， 连 杆 颈 ， （ 还 有 其 他 ） 。 主 轴 颈 被 安 装 在 缸 体 上 ， 连 杆 颈 与 连 杆 大 头 孔 连 接 ， 连 杆 小 头 孔 与 汽 缸 活 塞 连 接 ， 是 一 个 典 型 的 曲 柄 滑 块 机 构 。 曲 轴 的 润 滑 主 要 是 指 与 摇 臂 间 轴 瓦 的 润 滑 和 两 头 固 定 点 的 润 滑 这 个 一 般 都 是 压 力 润 滑 的 ， 曲 轴 中 间 会 有 油 道 和 各 个 轴 瓦 相 通 ， 发 动 机 运 转 以 后 靠 机 油 泵 提 供 压 力 供 油 进 行 润 滑 、 降 温 。 发 动 机 工 作 过 程 就 是 ， 活 塞 经 过 混 合 压 缩 气 的 燃 爆 ， 推 动 活 塞 做 直 线 运 动 ， 并 通 过 连 杆 将 力 传 给 曲 轴 ， 由 曲 轴 将 直 线 运 动 转 变 为 旋 转 运 动 。 曲 轴 的 旋 转 是 发 动 机 的 动 力 源 。 曲轴的结构包括轴 颈 、 曲 轴 臂 、 曲 轴 销 、 侧 盖 以 及 连 杆 大 端 轴 承 。 轴 颈 具 有 一 第 一 油 路 。 曲 轴 臂 连 接 于 轴 颈 。 曲 轴 销 设 置 于 曲 轴 臂 之 中 ， 并 且 抵 接 于 轴 颈 。 曲 轴 销 具 有 第 一 机 油 缓 冲 室 、 第 二 机 油 缓 冲 室 以 及 第 二 油 路 。 第 一 机 油 缓 冲 室 系 连 接 于 第 二 机 油 缓 冲 室 ， 第 二 油 路 连 接 于 第 二 机 油 缓 冲 室 。 侧 盖 设 置 于 曲 轴 臂 中 ， 侧 盖 与 曲 轴 销 之 间 成 形 有 一 空 间 ， 该 空 间 连 接 于 第 一 油 路 与 第 一 机 油 缓 冲 室 之 间 。 连 杆 大 端 轴 承 设 置 于 曲 轴 臂 之 中 ， 曲 轴 销 套 设 于 连 杆 大 端 轴 承 之 中 ， 第 二 油 路 连 接 于 第 二 机 油 缓 冲 室 与 连 杆 大 端 轴 承 之 间 。 本 实 用 新 型 可 将 机 油 内 微 小 异 物 过 滤 掉 ， 减 少 了 连 杆 大 端 轴 承 遭 受 微 小 异 物 侵 入 的 机 会 ， 并 避 免 连 杆 大 端 轴 承 损 坏 ， 进 而 可 延 长 曲 轴 结 构 的 使 用 寿 命 。 在曲轴的机械加工中，采用新技术和提高自动化程度都不断取得进展。目 前，国内较陈旧的曲轴生产线多数由普通机床和专用机床组成，生产效率和自动 化程度相对较低。粗加工设备一般采用多刀车床车削曲轴主轴颈及连杆轴颈，工 序质量稳定性差，容易产生较大的加工应力，难以达到合理的加工余量。精加工 普遍采用 MQ8260 等普通曲轴磨床进行粗磨、半精磨、精磨、抛光，通常靠人工操 作，加工质量不稳，尺寸一致性差。现在加工曲轴粗加工比较流行的工艺是：主 轴颈采用车拉工艺和高速外铣，连杆颈采用高速外铣，而且倾向于高速随动外铣， 全部采用干式切削。在对连杆颈进行随动磨削时，曲轴以主轴颈为轴线进行旋转， 并在一次装夹下磨削所有连杆颈。在磨削过程中，磨头实现往复摆动进给，跟踪 着偏心回转的连杆颈进行磨削加工。 1 6110 发动机曲轴零件图的分析 1.1 曲轴的功能和用途 曲轴是发动机上极为重要的零件，他是将连杆传来的径向力转变成饶其本身 轴线旋转的扭矩，并将此扭矩输出给汽车或其他装置。同时，曲轴还驱动配气机 构以及其它各辅助装置。曲轴在工作时，受气体压力，惯性力及惯性力矩的作用， 受力大而且受力复杂，曲轴又是高速旋转件，因此，要求曲轴具有足够的刚度和 强度，具有良好的承受冲击载荷的能力，耐磨损且润滑良好。 1.2 曲轴的结构和技术要求 曲轴绝大部分是整体式，只有极少数柴油机采用组合式。大致结构如图所示， 曲柄臂和连杆轴颈、主轴颈由圆角连接。通常在前端设有驱动附件、凸轮轴的轴 颈，在后端设有输出法兰。曲轴内设有主轴颈通向连杆轴颈的供油孔。 图 1.1 曲轴结构图 曲轴在低转速时主要受到燃烧压力的作用，在高转速时主要受到惯性力和弯曲 振动、扭转振动合成的附加力的作用。振动引起的附加力的精确计算非常复杂， 所以常和实测并用。 曲轴的主要要求 1.主轴颈、连杆轴颈本身的精度，即尺寸公关等级 IT6，连杆轴颈本身的精度， 即尺寸公关等级 IT6，表面粗糙度 Ra 值为 1.250.63m。轴颈长度公差等级为 IT9IT10。轴颈的形状公差，如圆度、圆柱度控制在尺寸公差之半。 2.位置精度，包括主轴颈与连杆轴颈的平行度：一般为 100mm 之内不大于 0.02mm；曲轴各主轴颈的同轴度：小型高速曲轴为 0.025mm，中大型低速曲轴为 0.030.08mm。 3.各连杆轴颈的位置度不大于20。 2.工艺过程设计 2.1 计算生产纲领，确定生产类型 解放 CA6110 发动机的曲轴，该产品年产量 Q=100000（台/ 年） ，n=1（件/台） ， 设其备品率 a%为 10%，机械加工废品率 %为 1%，现制定该曲轴零件的机械加 工工艺规程。 年生产纲领： （2-n(1)00NQa 1） 曲轴的年产量为 111000 件，现在已知该产品为中型机械，根据机械制造工 艺设计手册表 1.1-2 生产类型与生产纲领的关系，可确定其生产类型为大批量生 产。 2.2 审查零件图样工艺性 曲轴零件图样的视图正确、完整，尺寸、公差及技术基本要求齐全。但油封 轴颈端轴承孔的内表面粗糙度未给出，一般 7 级孔的表面粗糙度为 即可。0.8Ram 第四主轴颈，齿轮轴颈和皮带轮轴颈的表面粗糙度也未给，一般 7 级基准要求 即可。本零件的各表面加工并不困难。斜油孔倾斜较深，但由于只做储0.8Ram 油孔用，位置精度不需要太高的要求，只要钻到轴颈的中间靠外就可以了，所以 斜油孔的加工也不成问题。 2.3 选择毛坯 曲轴是发动机上必须的传动件，要求具有较高的刚度、强度、耐磨性和平衡。 该零件的材料为整体软氮化，轮廓尺寸不大且形状比较复杂，又属于大批量生产， 因此采用模锻成型。 曲轴零件的形状比较复杂，因此毛坯形状要与零件的形状尽量接近，即外形 锻成六拐形式，两端空寂台阶不用锻出。毛坯尺寸通过确定加工余量后决定。 2.4 工艺过程设计 2.4.1 定位基准的选择 （一）粗基准的选择 曲轴的毛坯一般都呈弯曲状态，为保证两端中心孔都能在两端面的几何中心 上，粗基准应选靠近曲轴两端的轴颈。为保证其他轴颈外圆余量均匀，在钻中心 孔后，应对曲轴进行校直。 由于大批量生产的曲柄毛坯的精度高，曲柄不加工，所以轴向的定位基准一 般选取中间主轴颈两边的曲柄。因为中间主轴颈两边的曲柄处于曲轴的中间部位， 用作粗基准可以减少其它曲柄的位置误差。 （二）精基准的选择 曲轴和一般的轴类零件相同，最重要的精基准三中心孔。 曲轴轴向上的精基准，一般选取曲轴一端的端面或轴颈的止推面。但在曲轴 加工的过程中，定位基准要经过多次转换。曲轴圆周方向上的精基准一般选取曲 轴上的定位平台或法兰上的定位孔。 2.4.2 加工阶段的划分与工序顺序的安排 曲轴的主要加工部位是主轴颈和连杆轴颈，次要加工部位是法兰盘、曲柄、 斜油孔、螺孔和键槽等。除机械加工外还有轴颈淬火、磁探伤、动平衡等。在加 工过程中还要安排校直、检验、清洗等工序。 （一）加工阶段的划分 曲轴的机械加工工艺过程大致可分为：加工基准面粗加工主轴颈和连杆 轴颈加工斜油孔等次要表面主轴颈和连杆轴颈的热处理精加工主轴 颈和连杆轴颈加工键槽和两端孔等动平衡光整加工主轴颈和连杆轴 颈。 曲轴的主轴颈和连杆轴颈的技术要求都很严格，所以各轴颈表面加工一般安 排为：粗车精车粗磨精磨超精加工。 对于本 6110 发动机曲轴进行粗加工时，以中间主轴颈为辅助定位基准，所以 先粗加工和半精加工中间主轴颈，然后再加工其他主轴颈。而连杆轴颈的粗、精 加工，一般都要以曲轴两端主轴颈定位，所以连杆的粗精加工都安排在主轴颈加 工之后进行的。 （二）工序安排 斜油孔的进出口都安排在曲轴的轴颈上，所以在轴颈淬火之前加工。钻 斜油孔时，用加工过的轴颈定位，可以保证其位置精度。 主轴颈是连杆轴颈的设计基准，所以，主轴颈与连杆轴颈的车削（铣削）和 磨削，一般都是先加工主轴颈再加工连杆轴颈。 在精磨主轴颈的过程中，先精磨第四主轴颈，这样在精磨其他主轴颈、油封 轴颈时就可以以第四主轴颈为辅助支撑面，因而可以大大降低曲轴精磨后的弯曲 变形。 在最后检查后，以曲轴两端的主轴颈为测量基准，测量其他轴颈的径向跳动。 钢曲轴在加工的过程中，轴颈产生跳动的原因之一是，曲轴经加工后应力重新分 布，从而造成变形，所以在曲轴的第一主轴颈精磨之后，应紧接着安排齿轮轴、 皮带轮轴颈的精磨工序，在第七主轴颈精磨工序之后，应紧接着安排油封轴颈的 精磨工序，以免内应力重新分布，造成过大的影响。同时为了避免曲轴刚度降低 造成这些轴颈磨削后径向跳动增大，其他主轴颈的精磨应该放在这些轴颈的精磨 之后。 校直对曲轴的疲劳强度有着不利的影响，在制定曲轴的加工工艺过程中，应 尽量减少曲轴的校直的次数。为了保证余量均匀、减少变形的影响，在关键工序 上，如第四主轴颈加工前、淬火后、动平衡去重后仍需安排校直。 曲轴各轴颈的表面粗糙度要求较高，所以把各轴颈的超精密加工放在最后。 如果在超精密加工后再安排其他工序，则有可能破坏已加工好的轴颈表面。 2.4.3 制定工艺路线 制定 6110 曲轴工艺路线的出发点，应当使曲轴的几何形状、尺寸精度及位置 精度等技术要求得到合理保证，在大批量的生产情况下，可以考虑采用专用机床 和专用夹具等，并尽量使工序集中来提高生产率，除此之外，还应当考虑经济因 素，以降低生产成本。 由于曲轴在加工过程中塑性变形大，因此为了保证余量均匀、减少变形的影 响，应该在关键工序上安排一些校直工序，而方案一中只有一次校直。斜油孔口 在淬火时由于受热不均匀很容易发裂，因此必须在热处理前对其进行压堵处理， 而方案一也忽略了这一点。方案二对方案一中的问题作了一些较大改进，但如果 仔细分析其在工序安排上仍然存在问题，如连杆轴颈的粗、精铣最好安排在相邻 两道工序中以减少工件的搬运，在一台机器上进行加工完毕，提高生产效率。 因此，经过综合考虑，最终确定 6110 曲轴加工工过程如下表 2-1。 表 2-1 曲轴的加工工序 序号 工序名称 定位基准 1 2 3 4 铣端面中心孔 粗车第四主轴颈 校直第四主轴颈 半精车第四主轴颈 第一、七主轴颈及第四主轴颈侧 面，并以三、四主轴颈为辅助支 撑面 顶尖孔、油封轴颈，并以第二、 六主轴颈为辅助支撑面 第一、七主轴颈 顶尖孔、油封轴颈，并以第二、 六主轴颈为辅助支撑面 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 粗磨第四主轴颈 粗车第四主轴颈以外的主轴颈、 齿轮轴颈和皮带轮轴颈 校直主轴颈摆差 粗磨第一主轴颈和齿轮轴颈 精车第二、三、五、六、七主 轴颈、油封轴颈和法兰 粗磨第七主轴颈 粗磨第二、三、五、六、七主 轴颈 在第一、十二曲柄上铣定位面 内铣六个连杆轴颈及过度圆角 内精铣六个连杆轴颈过度圆角 清洗 在连杆轴颈、主轴颈上锪球窝 钻一、二和六、七轴颈上两道 斜油孔 钻四、五和三、四轴颈上两道 斜油孔 钻五、六和二、三轴颈上两道 斜油孔 各油孔口倒角 攻各油孔口螺纹 去除各油孔口锐边毛刺 清洗各油孔及螺孔 顶尖孔，并以第四主轴颈为辅助 支撑面 顶尖孔和第四主轴颈 第一、第七主轴颈 顶尖孔、第七主轴颈，并以第一、 第四主轴颈为辅助支撑面 顶尖孔、第一主轴颈，并以第六 主轴颈为辅助支撑面 顶尖孔、第一主轴颈，并以第三、 五主轴颈为辅助支撑面 顶尖孔、第七主轴颈，并以第四 主轴颈为辅助支撑面 第一、第七主轴颈及第一连杆轴 颈 第一、第七主轴颈及曲柄定位面 第一、第七主轴颈及曲柄定位面 第一主轴颈和油封轴颈，并以第 四主轴颈为辅助支撑面 第一主轴颈和油封轴颈，并以第 三主轴颈为辅助支撑面 第一主轴颈和油封轴颈，并以第 四主轴颈为辅助支撑面 齿轮轴颈和油封轴颈 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 各油孔口压堵 校直曲轴 精磨第四主轴颈及其过度圆角 精磨第七主轴颈及其过度圆角 精磨第一主轴颈与齿轮轴颈及 其圆角 精磨油封轴颈和法兰 精磨二、三、五、六主轴颈及 其过度圆角 粗磨六个连杆轴颈 精磨六个连杆轴颈 在皮带轮轴颈、齿轮轴颈上铣 键槽 钻扩铰中心孔 52 钻中心孔 . 镗中心孔 及 内环槽和 中心孔 的 锥面25.06 攻 L 螺纹71M 钻油封轴颈 6 孔 攻 螺纹4.5 曲轴动平衡，去不平衡重 去毛刺 校直曲轴 氮化 第一、七主轴颈 顶尖孔、油封轴颈，并以第四主 轴颈为辅助支撑面 顶尖孔、第四主轴颈，并以第六 主轴颈为辅助支撑面 顶尖孔、第七主轴颈，并以第四 主轴颈为辅助支撑面 顶尖孔、第一主轴颈，并以第四、 七主轴颈为辅助支撑面 油封轴颈、第一主轴颈，并以第 四、七主轴颈为辅助支撑面 顶尖孔，第一、七主轴颈，并以 其他主轴颈为辅助支撑面 顶尖孔，第一、七主轴颈，并以 其他主轴颈为辅助支撑面 齿轮轴颈，并以第二、七主轴颈 为辅助支撑面 第七主轴颈、皮带轮轴颈 第一、七主轴颈 第七主轴颈、皮带轮轴颈 第二、六主轴颈 第二、六主轴颈 第二、六主轴颈 第一、七主轴颈 第一、七主轴颈 44 45 46 抛光主轴颈和连杆轴颈 清洗 检验 第一、七主轴颈，并以第四主轴 颈为辅助支撑面 2.5 确定加工余量及毛坯尺寸、设计毛坯图 2.5.1 确定机械加工余量 钢质模锻件的机械加工余量按 JB3835-85 确定，根据估算的锻件质量、加工 精度及锻件形状复杂系数，由机械制造工艺设计简明手册表 2.2-24 查得。表 中余量值为单面余量。 （1）锻件质量 根据零件成品质量 76.4kg 估算为 92.5kg。 （2）加工精度 零件除两端孔外的各表面为磨削加工精度 。2F （3）锻件的形状复杂系数 2S （2-12MS 2） M1 为锻件质量，M2 为锻件包容体的质量，假设锻件的最大直径为 220mm， 长 965mmm2()96.57821487.mgkg1.kg 由机械制造工艺设计简明手册表 2.2-10 可查得形状复杂系数 ，属于一2S 般级别。 （4） 机械加工余量 根据锻件质量、 、 查机械加工工艺手册第2FS 一卷表 3.1-56 查得直径方向为 2.5-3.2mm，水平方向为 3.0-4.5mm。以上查得的 加工余量适用于机械加工表面粗糙度 Ra1.6m，Ra1.6m 的表面余量要适当 增大。 2.5.2 设计毛胚图 （一）确定毛胚尺寸公差 本零件的锻件质量 92.5kg，形状复杂系数 ，含 C 为 0.42%0.50%，按机2S 械制造工艺设计简明手册表 2.2-11，锻件的材质系数 M1，采取平直分模线，锻 件为精密精度等级，则毛坯的公差可从机械制造工艺设计简明手册表 2.2- 14，2.2-17 查得。 本零件毛坯的尺寸公差如表 2-2。毛坯的同轴度误差允许值为 1.2mm，残留飞 边为 1.2mm。 表 2-2 曲轴毛坯（锻件）尺寸公差（mm） 零件尺寸 单面加工余 量 锻件尺寸 偏差 114 3 120 +2.1 105 3 110 +2.1 54 3.5 60 +2.1 84.9 3.5 90 +1.9 71 3 76 +1.9 52 4 50 +1.9 1040 4 1100 -2 （二）确定毛坯热处理 钢质曲轴毛坯颈锻造后应安排正火，以消除残留的锻造应力，并使不均匀的 金相组织通过重新结晶而得到细化均匀的组织，从而改善了加工性。 2.6 重要工序设计 2.6.1 选择加工设备和工艺装备 工序 1：选用 MP-73 铣钻组合加床，使用 MP-73 铣钻组合机床夹具，根据 金属机械加工工艺人员手册表 10-39 选用镶齿套式铣刀（GB1126-85）直径 =125mm，宽 L=40mm 的中心钻头，据金属机械加工工艺人员手册表 10- 21（GB6078-85）选用 B 形带护锥的中心钻 d=8mm，l=100mm；量具选用 1000mm 钢 直尺和分度值 0.05 测量范围 0125 的游标卡尺。 工序 8：据金属机械加工工艺人员手册表 8-33 选用 MQ1350B 外圆磨床； 使用顶尖定位、100300JB3392-83 鸡心卡头夹紧，并使用中心架，保证加工效 率和精度；由金属机械加工工艺人员手册表 10-76（GB127-84）选用 PSA1501640-A46-L5-B35 型砂轮；量检具选用测量范围为 75100mm，分度为 0.01 的外径千分尺，分度值 0.05、0125 的游标卡尺，同轴度、端面跳动检具， 手提式曲轴表面粗糙度检验仪。 工序 9：根据曲轴的车削直径和长度，为保证加工精度和加工效率，据金 属机床加工工艺人员手册表 8-18 选用 CK6140 数控机床，采用精车主轴颈专用 夹具，采用 YT15 硬质合金车刀，选用可转位车刀（GB2078-87，GB2080-87） ，切 槽刀亦选用高速钢。量检具选用 24-240C 型气动量具和手提式曲轴表面粗糙度检 验仪。 工序 13：查 CFM 公司曲轴内铣机床号及技术参数表选用 FKP20/1 型单刀盘内 铣床，使用内铣自带卡座和中心定位和夹紧；选用刀盘型号为 MKJ，内径 300mm，刀片号 16/8；量检具选 24-240C 型气动量仪，曲轴自动检验机和圆规 卡规，手提式曲轴表面粗糙度检验仪。 工序 29：据金属机械加工工艺人员手册表 8-33 选用 MO1350B 外圆磨床， 使用顶尖定位、100130JB3392-83 鸡心卡头夹紧，并使用中心架，由表 10- 76（GB4127-84）选用 PSA1501640-A46-L5-B35 型砂轮；量检具选用分度值 0.05 测量范围 0125mm 的游标卡尺，24-240C 型气动测量仪，圆柱度、端面跳动 检具和圆规卡规，手提式曲轴表面粗糙度检验仪。 工序 35：据连杆轴颈磨削直径和曲轴长度，由金属机械加工工艺人员手册 表 8-33 选用 MB1350B 外圆磨床；使用精磨连杆轴颈专用夹具；由表 10- 76（GB4127-84）选用 PSA1501640-A46-L5-B35 型砂轮；量检具选用分度值 0.05 测量范围 0125mm 的游标卡尺，24-240C 型气动测量仪，曲轴自动检验机和 圆规卡规，手提式曲轴表面粗糙度检验仪。 工序 36：据金属机械加工工艺人员手册表 9.1-1 选用 XQ6125 卧式铣床； 使用铣键槽专用夹具定位夹紧；据金属机械加工工艺人员手册表 10-39 选用 直径 D=50mm、内径 d=16mm，L=6mm，齿数为 14 的直齿三面铣刀（GB1121-85） ；选 用分度值 0.05 的测量范围 0125mm 的游标卡尺和键槽尺寸专用夹具。 2.6.2 确定工序尺寸 确定工序尺寸的一般方法是，由加工表面的最后工序往前推算，最后工序的 工序尺寸按零件图样的要求标注。当无基准转换时，统一表面多次加工的工序尺 寸只与工序（或工步）的加工余量有关，当基准不重合时，工序尺寸应用工艺尺 寸链解算。 1. 确定主要圆柱面的工序尺寸 圆柱表面多次加工的工序尺寸只与加工余量有关。前面根据有关资料已查出 本零件各圆柱面的总加工余量（毛坯余量） ，应将总加工余量分为各工序加工余量， 然后往前计算工序尺寸。中间工序尺寸的公差按加工方法的经济加工精度确定。 参照机械加工工艺手册表 3.2-21、3.2-22，表 3.2-2 由最后工序的尺寸 可一次算得本零件各圆柱表面的加工余量、工序尺寸及公差以及表面粗糙度。如 表 2-3 所示（另附） 。 2. 确定主要轴向工序尺寸 参照机械加工工艺手册表 3.2-21、3.2-22，由零件图上的轴向尺寸及所 设计的毛坯尺寸可以一次算得本零件的工序的轴向尺寸。本零件各主要端面的加 工余量、工序尺寸及公差、表面粗糙度。如表 2-4 所示（另附） 。 3. 铣键槽 零件图样要求键槽精度为 IT7，槽宽 。0.56 2.7 确定切削用量及基本时间 切削用量一般包括切削深度、进给量及切削速度三项，确定方法是先确定切 削深度、进给量，再确定切削速度。 2.7.1 工序 1（铣端面钻中心孔）切削用量及时间的确定 本工序为粗加工工序。已知材料为 QT800-2， =650 ，锻件，有外皮；bMpa 机床型号为 铣钻组合机床，工件装夹在铣钻专用夹具上。MP-73 铣端面 确定切削深度 ： p 由于单边余量为 2.5mm，参照金属机械加工人员手册表 14-68，可在一次 走刀内切完，故 （2-9612.5pm 3） (2) 确定进给量 ：zf 参照金属机械加工人员手册表 14-69，铣刀为高速钢套式镶刃面铣刀， 机床的功率为 kw,系列刚度为中等，可查得 =0.13mm/r。510zf （3）确定切削速度 v ： 切削速度 v 可以根据公式计算，也可以由表中直接查出。参照金属机械加 工人员手册表 14-70，由铣刀直径 d=125mm,铣刀齿数 z=6 和 =0.13mm/r 查zf 得 v=261m/min。 (4) 确定铣端面的基本时间 1fT （2-12403.28min.67fmlTif 4） 2.钻中心孔 （1）确定切削深度 ： pa 钻中心孔一次行程即可完成， =22mm。p （2）确定进给量 f ： 参照金属机械加工人员手册表 14-49，选用的中心空钻，为带护锥 60 复合中心钻，由 d=8mm 可查得 f=0.08mm/r。 （3）确定切削速度 v： 同进给量，可查得 v=1225mm/min,本工序中取 v=20m/min。 （4）确定主轴转速 n 按 MP-73 铣钻组合机床的转速，取 n=655r/min。 （5）确定钻中心孔的基本时间 （2-12230.84min.65jlTfn 5） 故工序 1 的基本时间是 =0.28+0.24=1.12min （2-12jjjT 6） 2.7.2 工序 8（粗磨第一主轴颈）切削用量及时间的确定 1. 粗磨第一主轴颈 （1）确定磨削深度 ： pa 由于双边余量仅为 0.2mm，参照金属机械加工人员手册表 14-128，工作 台一次往复行程横向进给量 mm,取为 mm,故可在两次行0.25.48tf0.5tf 程内完成 （2-0.21pam 7） （2）确定进给量 ：Bf 参照金属机械加工人员手册表 14-128，可算得纵向进给量 =（ 0.50.8） =（0.50.8） 16mm=812.8mm/r,取 =10mm/r。BfMbBf （3）确定切削速度 v ： 切削速度 v 可以根据公式计算，也可以直接由表中查出。参照金属机械加 工人员手册表 14-128，工件磨削表面的直径 d=75mm, 查得 =1316min,本工wv 序去 =13m/min;由机械加工工艺手册 表 13.4-5 取砂轮轮速为 =25m/s。w sV （4）确定主轴转速 n： （2-106sVnd 8） 按 MQ1350B 外圆磨床的转速，n=3200r/min。 （5）确定粗磨第一主轴颈的基本时间： 参照金属机械加工人员手册表 15-27 可查得外圆磨床的机动时间为： （2-1(43.92.5)01.20.3min48jwBtLhKTinf 9） 其中 K外圆磨系数，据表 15-27 取 1.1； 工件每分钟转数（r/min ）,wn （2-100135/min.47wvrd 10） 粗磨齿轮轴颈 确定切削深度 ： ea 由于双边余量为 0.3mm,参照金属机械加工人员手册表 14-128，工作台一 次往复行程横向进给量 ,取为 ，故可在 2.5 次0.236.47tfm0.5tfm 行程内完成。 0.3152eam （2）确定进给量 ：Bf 参照金属机械加工人员手册表 14-128，可算得纵向进给量 ，取 。(0.58)(0.58)162.8/BMfbmr12/Bfmr （3）确定切削速度 v： 切削速度 v 可以根据公式计算，也可直接由表中查出。参照金属机械加工 人员手册表 14-128，工件磨削表面的直径 d=52mm,查得 ，本工124/inv 序 v=12m/min;据机械加工工艺手册表 13.4-5 取砂轮速度为 。5s （4）确定主轴转速 n =3184.7r/min （2-102560/mi3.14svnrd 11） 据 MQ1350B 外圆磨床的转速，取 n=3200r/min. （5）确定粗磨齿轮轴项的基本时间 同上可知 （2-2(3521)0.52.03min7.47jwBtLhKTinf 12） 工序的基本时间为 12T0.30.64injjj 2.7.3 工序 9（精车第二、三、五、六、七主轴颈、油封轴颈和法兰） 切削用量即基本时间的确定 本工序为精加工工序，选用 CK6140 数控车床和 YT15 硬质合金车刀，选用可 转位车刀（GB2078-87,GB2080-87）,刀具副偏角 ，刀尖圆弧半径10rk 。1.0rm 精车轴项部分： .572pa3/inv0.fmr1/injT 切槽（采用 高速钢车刀）：84rWCv4.95pam1/inv0.3fr59/i2.4njT 工序的基本时间： （2-13）120.314minjjj 2.7.4 工序 13（内铣六个连杆轴颈）切削用量即基本时间的确定 本工序为粗加工工序。已知条件同工序 1，查 GFM 公司曲轴内铣床型号及技 术参数表选用 FKP20/1 型单刀盘内铣床，选用刀盘型号为 MKJ，内径 ，刀30m 片号 16/8。 各数据计算方法同 2.7.1、2.7.2，步骤从略。2.5pam1/inv0.fr6/i17.9njT 2.7.5 工序 29（精磨第四主轴颈及其过渡圆角）切削用量及基本时间 的确定 本工序为精加工工序，选用 MQ1350B 外圆磨床，是用顶尖定位、 鸡心头夹紧，并使用中心架，所选砂轮的宽度为 。1039283JB 32Mbm.pam25/inWv3s0/Bfr45minn.3jT 2.7.6 工序 35（精磨六个连杆轴颈）切削用量及基本时间的确定 本工序为精加工工序，连用 MB0350B 外圆磨床，使用精磨连杆曲轴专业夹具， 所选砂轮的宽度 16Mbm 各数据计算方法同 2.7.1、2.7.2，步骤从略。0.25ea3/vs1bfmr850/inn 2.68minjT 2.7.7 工序 36（铣键槽）切削用量及基本时间的确定 各数据计算方法同 2.7.1、2.7.2，步骤从略。7.5pam0/inv.zfr35/iT0.21nj 3.夹具设计 一个机床的机械制造工艺系统由机床、工件、刀具和夹具组成。机床夹具的 用以装夹工件的一种装置，其作用是使工件相对于机床或刀具有一个正确的位置， 并在加工过程中这个位置不变，可以看出夹具在机械加工中占有很重要的地位， 尤其是在成批生产时更是大量采用机床夹具，它们是机床和工件之间的连接装置， 使工件相对机床或刀具获得正确的位置。机床夹具的好坏直接影响工件加工表面 的位置精度。所以，机床夹具设计是装备设计中的一项重要工作。 3.1 机床夹具的分类、基本组成和功用 机床夹具按其使用范围可分为以下五种基本类型：通用夹具，专用夹具，通 用可调整夹具和成组夹具，组合夹具，随行夹具。机床夹具的基本组成，根据功 用一般可分为：1）定位原件或装置，用以确定工件在夹具中的正确位置；2）刀 具导向原件或装置，用以引导刀具或用以调整刀具相对于工件的位置；3）夹紧元 件或装置，用以夹紧元件；4）连接原件，用以确定工件在机床上的正确位置并与 机床相连接；5）夹具体，用以连接各夹具元件及装置，使之成为一个整体，并通 过它将夹具安装在机床上；6）其他元件及装置，如分度装置、防错装置等。 机床夹具的功用一般为：1）保证加工质量；2）提高生产率，降低成本；3） 扩大机床工艺范围，做到一机多能；4）平衡各工序时间，以便组织流水生产； 5）减轻工人劳动强度，保证生产安全。 3.2 6110 发动机曲轴夹具的设计思路 曲轴除了具有轴的一般加工规律外，也有它的工艺特点，主要包括形状复杂， 刚性差及技术要求高，针对这些特点应采取相应的措施，分析如下： 3.2.1 形状复杂 曲轴主轴颈与连杆轴颈不在同一轴上线，偏心距有一定的尺寸要求，并且两 轴有较高的位置度要求，同时主轴颈与连杆轴颈间有较大的平衡块，因此在工艺 设计中应解决以下几点问题：a.设计加工连杆轴颈的偏心夹具，即连杆轴颈与机 床主轴重合，并使夹具能回转 180 度，加工另一连杆轴颈。b.为消除加工时的不 平衡力的产生，设计夹具时应精确设计平衡重。 3.2.2 刚性差 因本曲轴长径比较大，同时具有曲拐，因此刚性较差。曲轴在切削力及自重 的作用下会产生严重的扭曲及弯曲变形，特别在单边传动的机床上加工更为严重， 在工艺设计中应解决以下问题： （1）：粗加工时由于切削余量大，切削力也较大，可用中间托架来增强刚性， 减小变形和振动，同时机床刀具及夹具都应有较高的刚度。 （2）：在加工时尽量使切削力的作用相互抵消，可用前后刀架同时横向进给。 （3）：合理安排工位次序以减少加工变形，按先粗后精的原则安排加工工序， 逐步提高精度。 （4）：在有可能产生变形的工序后面增设校直工序。 3.2.3 技术要求高 曲轴技术要求较高，加工面多，需要保证的尺寸、形状、位置精度较多。因 而总的工艺路线较长，精加工占有相当比例。 加工时应要解决以下问题： A：正确分配粗加工、半精加工及精加工余量。 B：粗基准选择用曲轴两端的中心孔。中心孔的加工以主轴颈外圆作为基准， 这样能保证曲轴加工径向及轴向加工余量的均匀性。 C：精加工时仍用中心孔作为基准，但要重新修磨中心孔，避免精加工时因中 心孔磨损引起加工误差。也可一端用主轴颈定位，另一端用中心孔定位以提高刚 度。 D：曲轴轴向定位以主轴颈轴肩定位，工艺设计时定位基准应尽量与设计基准 一致。 综上分析，鉴于磨削连杆轴颈夹具的典型性和特殊性，决定设计六个连杆轴 颈的粗磨夹具，本夹具将用于 MQ1350B 外圆磨床。 本夹具可同时粗磨位于同一轴心线上的连杆轴颈、两侧面及过度圆角。其中， 各连杆轴心线的相位差要求控制在 之内对夹具的分度装置精度要求较高，同时30 连杆轴颈有较高的尺寸和位置精度，对夹具的定位夹紧机构精度要求较高。连杆 轴颈侧面有较高的端面跳动要求，并同时满足和磨削表面的粗糙度要求，这就要 求夹具有较好的定位和夹紧装置，尽量减少定位和夹紧误差。由于只能同时磨削 在同一轴心线上的连杆轴颈，所以在每一组磨削完两道轴颈之后都要将工件进行 角度调整使待磨削的连杆轴颈和机床中心线能够在同一条轴心线上，这就可012 以考虑在夹具上设计出专用的 分度盘进行分度来提高生产效率，不过 分度装012 置的精度等级要高出连杆轴颈精度等级 1 级以上。 综合分析以上问题，本夹具的设计存在特殊之处，对各部分的要求都相对较 高，在设计时必须认真思考和全面地衡量，尽可能地减少夹具导致的加工误差和 降低精度的因素。在保证加工质量的前提下，还要考虑提高生产率和降低成本， 减轻工人的劳动强度。 3.3 6110 曲轴连杆轴颈粗磨夹具设计 3.3.1 定位基准的选择 工件在机床上的定位，实际上包括工件在夹具上的定位和夹具在机床上的定 位两个方面，这里只讨论工件在夹具上的定位。在本夹具设计中，由零件图可知， 曲轴六个连杆轴颈中心线对主轴中心线有平衡度要求，其设计基准为主轴颈中心 线。为了使定位误差为零，应该选择以主轴颈为定位面的夹具，其轴向定位面为 第一主轴颈上的止推面，因此这里设计以第一、七主轴颈和止推面为定位基准面 的夹具。 采用翻转压盖式机械夹紧，具有结构简单、通用性好、夹紧可靠、增力比大 等特点。 在制定曲轴的粗磨工艺规程时，已经初步考虑了加工工艺基准问题，并绘制 了工序简图如 3-1。 B R30-0.5 620-0.0 09 0.8 0.32 0.4 38+0.10 0.4 0.4 70+0.070 1.6 1.6R30-0.05 0.8 0.4 A D 640.10-0.2 0.08A-B 0.01A-B0.019 52.60-0.2 405.10-0.2 25.90-0.2 138.40-0.2 210-0.2 120?20 120?2 0 120?20 6-M14?1.5 12+0.040-0.067 以以以以:1.以以以以以以以以以以以以 以?30以以 图 3-1 6110 曲轴连杆轴颈粗磨工序图 3.3.2 磨削力及夹紧力的计算 计算切削力 刀具： 型砂轮80134653PSALB 在一般外圆磨削情况下，磨削力可分为相互垂直的三个分力，即； -切向磨削力（砂轮旋转的切向方向）tF -法向磨削力（砂轮和工件接触面的法线方向）n -轴向磨削力（纵向进给方向）a 其中，切向磨削力 是确定磨床电动机功率的主要参数，又称为主磨削力：tF 法向力 作用于砂轮的切入方向，压向工件，直接影响工件的精度和加工表面的nF 质量；轴向磨削力 作用于机床的进给系统，但与 和 相比较数值较小，一般a tFn 不考虑。由机械加工工艺手册表 13.1-3 查得 / 2.04。外圆磨床磨削力nFt 的实验公式： （3-1）tFpswasCvfbN 式中 -切除单位体积的切屑所需压力（ ） ；2/Nm -切削深度（mm） ；p -工件速度（m/min） ；wv -砂轮速度（m/s） ；s -轴向进给量（mm） ；af -砂轮宽度（mm） ；sb 参照机械加工工艺手册表 13.1-4，可查得 =22， =0.6， =0.76， =0.76， =0.8， =0.62；由机械加工工艺手册FCa 表 13.4-5 取 =35m/s；已知 =0.1，工件磨削表面直径 =62mm，由机械加工svpawd 工艺手册表 13.4-6 可查得 =24m/min；砂轮宽度 =8mm，wvsb ，本工序取 ，由此算得：(0.58)0.46af m0.5afm.670.0.623821355197tntFNN 在计算切削力时，必须考虑安全系数，安全系数 1234KK （3-2） 式中 -基本安全系数，1.5；1K -加工性质系数，1.2；2 -磨具钝化系数，1.2；3 -断续切削系数，1.1；4 则： 1.52.132.14.8tFKN 由于法向切削力有左右两夹具体承受，因此在计算所需夹紧力时只需考虑切 向磨削力 。t 计算夹紧力 ：夹紧工件所需的夹紧力i 如前所述，本工序只需计算防止工件转动所需的夹紧力 W，根据工件力矩平 衡条件可得： （3-12DWfNfM 3） 式中 N-V 型块工作面对工件的反作用力， （3-2sin GWN 4） G-工件自重； D-工件定位基准直径； M-切削力矩； ， -夹紧面和夹具定位面上的摩擦系数。1f2 将 N 值带入上世的实际夹紧力为： （3- 21sini2MGfDWf 5） 其中已知 D=75.1mm，G=748.7N， = =0.25， ，1f209 ，算得：314.87598.32FDMNm0592.7.sin6.5.45W ：压盖夹紧机构产生的夹紧力i 查机床夹具设计手册表 1-2-13 螺母夹紧力可得用扳手的 M20 六角螺母许 用夹紧力 =7950N，显然 ，故本夹具可以安全的工作。002W 3.3.3 定位误差分析 因为工件的定位基准和定位元件均有制造误差，所以工件在夹具中定位后的 实际位置将在一定范围内变动，即存在一定的定位误差，设计定位装置时，就要 控制这一误差在加工中所允许的范围内。 产生定位误差的原因有以下两个方面：1）定位基准和工序基准不重合；2） 定位基准位移。定位误差就是由基准不重合误差和基准位移公差综合引起的同批 工件工序尺寸的那部分公差，也就是等于两者的代数和。 （3-2DwBgj 6） 本夹具的主要定位元件为 V 型块，轴向定位时定位基准右夹具体的左端 面与止推面的接合面即为曲轴连杆轴颈工序基准，即不存在基准位移公差也不存 在基准不重合误差，所以 。0 求工序尺寸 的定位误差，定位基准为主轴颈与 V 型块接触母线 A.4623 和 B，工序基准为主轴中心线，当主轴颈直径存在误差 时，定位基准 A 或 B 沿g V 型块工作面的位移为 （3-12cotgA 7） 所以基准不重合误差为 （3-12cosctos2gwA 8） 基准位移误差为 （3-12cosBA 9） 则总的定位误差为 （3-12singwBO 10） 已知本工序中 ， ，故0.34g09 （3-0.34.22sin5.7m 11） 3.3.4 夹具结构设计 本夹具使用 V 型块定位，分度盘分度，如图所示 C A 45 B 180 +0.0 20 215 +0.0 20 384 180 215+0. 020 384 195 260 1150 1 2 3 4 5 6 7 89101112 B B C D C D 17 57.15 ?0.05 以以3以104-22以 B-B以以 245 C-C以以 10 245 4-2以以以3以10 D-D以以 157 图 3-2MQ1350B 外圆磨床 6110 曲轴连杆轴颈夹具装备图 该夹具主要由左夹具体 1、右夹具体 7、左夹具 V 型块 10、右夹具 V 型块 11、分度盘 6、压盖 2、定位块 14 和翻转块 19 等零件组成。左右夹具的一端分别 和磨床的头架和尾架主轴相连接，用 V 型块定位。左右夹具体的中心线即为主轴 的回转中心线。翻转块整体淬火处理，分度盘的 3 个齿面和 M16 螺孔淬火处理， 以保证耐磨性。分度盘 的分度精度等级要高出连杆轴颈等级 1 级以上。012 3.3.5 夹具的使用方法 将左右夹具体固定在头架和尾架中的主轴上，然后把定位销（4 个）打入夹 具体，再把左右两 V 型块固定到各自的夹具体上。V 型块的定位靠定位销 8 来实 现。V 型块的下面和侧面分别垫一块儿底面垫板 9 和侧面垫板 18，用来调整工件 的中心线，最后装上压盖 2、定位块 14 和活结螺栓 15 等零件。 加工时，将精磨后的第七主轴颈和第一主轴颈只与夹具的左右 V 型块上，用 百分表调整第 1 或第 6 连杆轴颈轴心线，使其处于磨床主轴回转中心位置，然后 夹紧曲轴，再将分度盘套在曲轴皮带轮轴颈上，使 3 个齿面中的一个紧靠在翻转 块上，然后用内六角螺钉将其固在皮带轮轴颈上，这样就可以磨削第 1、6 连杆轴 颈了。当磨削第 2、5 和 3、4 连杆轴颈时，只需要将翻转块掀起，曲轴顺时针旋 转一定角度( )再返向旋转曲轴，是分度盘的另一个齿面紧靠在翻转快上，然01 后夹紧曲轴就又可以磨削了。由于分度盘的 3 个齿面为 精确分度，因此保证012 了个连杆轴颈的角度偏差并满足了工艺要求。 由于用 V 型块定位，零件支撑轴颈的偏差会引起曲轴轴颈的变化和产生锥度， 因此要严格控制支撑轴颈的偏差。 3.3.6 夹具的调整 （1）调整曲轴连杆轴颈轴心线的平行度误差采用修磨侧面垫板来实现 （2）调整曲轴的回转中心半径采用修磨地面板来完成 （3）加工回转半径不同的曲轴时，可以通过更换不同厚度的地面板来实现 总体来说，该夹具能够大大提高生产效率，因为可以调整，所以其加工范围 增大，能够解决设备不足的情况；能够有效的保证加工精度，无需高技能操作者； 结构简单。制造方便、快捷，能够为新产品的顺利生产奠定技术基础。 总结 对任何制造业来说，制造工艺的基本要求主要是两个方面：一是质量要达到 产品的设计要求；二是生产时消耗的物质和劳动量最少。在达到这两项要求的情 况下，才能使产品的质量可靠，企业的经济效益好。对大量生产的汽车制造业来 说，这两个基本要求尤为重要。在好的产品设计的前提下，汽车的质量和可靠性 就取决于工艺工作的好坏。当然，目前国际上还有更加先进的曲轴加工工艺和机 床设备，只钻一对质量中心孔，选用日本的 Mazak 五轴联动的数控机床进行一系 列的加工。类似这样的新技术，目前国内汽车发动机曲轴的加工还处于研究阶段， 从经济效益和加工难度上考虑这是显而易见的。但是对于新技术、新工艺的追求 是不会止步的，这就需要我们当代的青年和科技工作者的不断努力。 参考文献 1徐灏.机械设计手册M.北京：机械工业出版社,1995. 2吴宗泽.机械设计师M.北京:机械工业出版社,2006. 3刘建生 王仲仁 卢志永.曲轴 RR 镦锻成形的数值模拟与缺陷预测J.中国机械工程, 2001,12(4):429-432. 4郑州机械研究所.GB/T 3480-1997 渐开线圆柱齿轮承载能力计算方法S.北京:中国标准 出版社出版,1998. 5廖常初.FX 系列 PLC 编程及应用M.北京:机械工业出版社,2005,4. 6周志雄 罗红平 等.切点跟踪磨削法磨削曲轴零件的若干问题探讨J.中国机械工程 7谈荣望.内燃机设计M.北京:中国铁道出版社,1989. 8李海国. 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