发动机曲轴加工工艺及夹具设计

本科毕业设计（论文）汽车发动机曲轴加工工艺及夹具设计学院名称专业名称学生姓名学号指导教师 六月汽车发动机曲轴加工工艺及夹具设计摘要：机械制造业加工水平是一国经济发展水平的标志。机械制造业为国民经济各部门提供装备，它的发展水平直接影响到国民经济各部门技术水平和经济效益的提高。长期以来，汽车制造业，作为国家重点投资和发展的产业，虽然取得了一定的成绩，但是与国际上汽车工业先进国家相比还有很大差距。随着经济全球化，汽车工业必须面对国内和国际广泛领域的竞争。为提高中国汽车制造业在国际上的竞争力，首先必须要改进汽车重要零件的生产工艺和制造技术。本文深入的分析了汽车发动机曲轴的结构特点和工艺过程，制定了解放牌汽车CA6102发动机曲轴的加工工艺。并以实现高生产效率和低成本为出发点来设计了曲轴加工过程中的工装夹具。并以AUTOCAD和三维造型软件UG(Unigraphics)为设计平台，分别绘制了CA6102发动机曲轴零件图、三维模型以及曲轴工装夹具的零件图和三维模型。关键词：汽车发动机；曲轴；工艺；夹具The Processing Technology of Crankshaft and the Design of FixturesAbstract:The level of machinery manufacturing is the sign of national economy development .Machinery manufacturing supplies equipments to the national economy, and its development has a direct influence on the level of technique and the improvement of economic efficiency in the departments of our national economy. Over the years, the automobile industry is regarded as the main investment and development industry in our country. In spite of some achievements, we still lag far behind when compared with other countries in the world which are advanced in automobile industry. With the globalization of world economy, the automobile industry has to face the fierce competition in a large domestic and international area. In order to enhance the competitiveness of Chinas automobile industry in the international fields, we should firstly enhance the craft of its key parts and manufacturing technology of the automobile.This article analyzes deeply in the structural characteristics and process of the engine crankshaft, and has developed the crankshaft processing of the engine of Jiefang automobile CA6102. And it takes achieving high efficiency of production and low cost as the starting point to design power tools of the crankshafts producing processing. And it is in the platform of AUTOCAD and three-dimensional shape software UG, having drawn the charts of CA6102 engine crankshaft components, models of three-dimensional and drawings of crankshaft tool components and models of three-dimensional.Key words: engine, crankshaft, process, fixtures目 录第1章 绪论11.1课题背景11.2国内外研究状况21.3中国内燃机曲轴发展趋势41.3.1铸造技术41.3.2锻造技术51.3.3机械加工技术61.3.4热处理技术和表面强化技术61.3.5曲轴表面强化技术71.4国外内燃机发展趋势71.5研究内容和研究方法91.6课题研究的意义和目的101.7论文正文的结构10第2章 零件工艺总体设计112.1曲轴零件介绍112.1.1曲轴零件分析122.1.2曲轴的主要加工表面及技术要求132.2曲轴加工工艺分析142.2.1毛坯选择162.2.2基准的选择172.3确定工艺路线18第3章 工艺详细设计213.1主要工序分析213.1.1轴颈的车削213.1.2轴颈的磨削263.1.3轴颈深油孔的加工283.1.4轴颈的光整加工303.2切削用量选择原则313.2.1粗加工时切削用量的选择原则323.2.2精加工时切削用量的选择原则333.3机械加工余量和工序尺寸以及毛坯尺寸的确定333.3.1确定工序尺寸333.3.2尺寸链计算353.4切削用量及工额定时363.4.1铣曲轴两端面和钻中心孔363.4.2粗车第四主轴颈及两端面373.4.3粗磨第4主轴颈：383.4.4粗车其余主轴颈及其它外圆端面：383.4.5精车第2、3、5、6、7主轴颈和油封轴颈及法兰393.4.6铣工艺定位平面393.4.7车六个曲柄销及其端面403.4.8钻油孔413.4.9精磨主轴颈413.4.10粗磨连杆轴颈413.4.11精磨连杆轴颈423.4.12铣键槽423.4.13精加工法兰端轴承孔433.4.14抛光43第4章 专用夹具设计444.1夹具的概念以及作用444.1.1机床夹具的概念444.1.2机床夹具的分类444.1.3夹具的组成454.2精磨连杆轴颈专用夹具设计454.2.1总体分析454.2.2夹具设计464.2.3切削力及夹紧力的计算484.2.4定位误差的分析51结 论52致 谢53参考文献54第1章 绪论1.1课题背景我国制造业水平正在高速发展，长期以来，汽车制造业，作为国家重点投资和发展的产业，虽然取得了一定的成绩，但是与国际上汽车工业先进国家相比还有很大差距。我国汽车汽车工业尚属幼稚产业。随着经济全球化，汽车工业必须面对国内和国际广泛领域的竞争。为提高中国汽车制造业在国际上的竞争力，首先必须要改进汽车重要零件的生产工艺和制造技术。曲轴是内燃机中的重要零件之一，是承受冲击载荷传递动力的关键零件，在内燃机五大件机体、缸盖、曲轴、连杆、凸轮轴中是最难以保证加工质量的零件。由于曲轴工况条件恶劣，因此对曲轴的材质、毛坯加工技术、精度、表面粗糙度、热处理和表面强化、动平衡等要求都十分严格。若其中任何一个环节的质量没有得到保证，将会严重影响曲轴的寿命和整机的可靠性，因此包括中国在内的世界各国对曲轴的加工都十分重视，都在不断地改进曲轴加工工艺，最大限度地提高曲轴的寿命。我国内燃机曲轴专业生产改进企业共63家。近年来随着行业的不断发展，通过引进技术消化吸收和自行开发，总体水平有了较大的提高。但是也应看到，我国内燃机曲轴生产技术距世界先进水平仍相差很远，甚至于还满足不了我国内燃机行业技术发展的要求。国内曲轴专业生产厂家虽然不是很多，但存在整体规模小、专业化程度低、企业设备陈旧、产品设计和工艺落后、性能和可靠性差、品种杂乱和“三化”程度低等问题，它是影响整机适应国内及国际市场能力的重要因素。随着我国加人WTO，内燃机零部件行业将面临更加激烈的市场竞争，也将迎来新的发展与机遇。我们只有充分了解国内外内燃机曲轴制造技术现状及发展趋势，及时地改进和提高曲轴制造技术水平，生产出具有世界一流水平的内燃机曲轴，才能以实力参与市场激烈的竞争。11.2国内外研究状况（1）毛坯的制造技术球铁曲轴的生产继，QT600-2，700-2之后，现已能稳定地生产QT800-2，QT900-2等几种牌号，目前已能大批量生产QT800-6球铁曲轴。但从整体水平来看, 存在生产效率低，工艺装备落后，毛坯机械性能不稳定，精度低，废品率高等问题。（2）熔炼方面高温低硫纯净铁水的获得是生产高质量球铁的关键所在。经大量分析研究表明，国外球铁中硫、磷、镁及稀土元素含量明显低于国产件，且金相组织中的石墨圆整均匀。究其原因，主要是国内以冲天炉为主的生产设备，铁水未进行预脱硫处理其次是高纯生铁少，焦炭质量差。为获得高温低硫磷的铁水，可采用双联外加预脱硫的熔炼方法，即可以用冲天炉熔化铁水，经炉外脱硫把硫降到以0.01%以下），然后在感应电炉中升温并调整成分。炉前铁水成分的检测国内已普遍采用真空直读光谱仪来进行，真空直读光谱仪多从日本、美国、英国等国引进。（3）造型方面气流冲击造型工艺明显优于粘土砂造型工艺，可获得高精度的曲轴铸件，该工艺制作的砂型具有变形量无反弹的特点，这对于多拐曲轴尤为重要。目前国内一些厂家已从瑞士、德国、意大利、西班牙等国的公司引进。在国外，曲轴造型多采用壳形工艺，其中酚醛树脂砂热固化壳形工艺是比较成熟的一种。利用该工艺及其配套设备可制取高强度的铸型壳，从而确保铸件具有较高的精度、较低的表面粗糙度和致密的金相组织。目前国内极少数厂家已引进整条生产线。（4）砂处理和清理型砂质量是确保铸形质量的重要条件，在高效混砂和旧砂冷却方面是我国的薄弱环节。因此，国内部分厂家从德国、日本、瑞士、美国引进了混砂机和旧砂冷却装置，以及大容量的滚筒筛、斗式提升机、砂形水分检测控制仪等。铸件的清理使用吊链式抛丸室和铸件水平旋转鼠笼式抛丸机。国外砂处理系统和单元多为自动化微机管理，型砂中水分和有效粘土含量及煤粉含量实行自动检测和控制，型砂运输系统多为自动化控制。铸件清理全部在专机自动线上进行，多数劳动由机械手和机器人操作。（5）毛坯的锻造技术目前，国内虽已有一批先进的锻造设备，但由于数量少，加之模具制造技术和其他一些设施跟不上，使一部分先进设备未充分发挥应有的作用。但从总体上来讲，需改造和更新的陈旧普通锻造设备多，工艺落后，先进的技术虽有所应用但还不普遍，检测手段以手工测量为主，锻件质量不稳定，加工余量偏大，材料利用率偏低，能耗高，噪声、振动和烟尘治理差，劳动强度大，生产效率低。（6）机械加工技术国内大部分专业厂家普遍采用普通机床和专用组合机床组成的流水线生产，生产效率、自动化程度较低。粗加工设备多采用S1-206A，S1217或S1-130曲轴车床加工主轴颈及连杆颈，工序质量稳定性较差，容易产生较大的内部应力，难以达到合理的加工余量。外圆的磨削余量一般单边留0.50.8mm；止推面单边余量一般留0.30.4mm，为保证成品尺寸，采用多次磨削方式。一般精加工采用MQ8260曲轴磨床粗磨一半精磨一精磨一抛光。通常靠手工操作，加工质量不稳定，废品率较高。“八五”期间，部分企业曾先后引进数控内铣床铣曲轴主轴颈和连杆轴颈，数控磨床、数控砂带抛光机等先进设备使曲轴机加工水平提高，但整体工艺水平仍很低，曲轴的关键技术项目与国外相差一个数量级。国外的机加工技术大致可归纳为以下几个特点：1、广泛采用数控技术及自动线，生产线一般由几段独立的自动化生产单元组成，具有很高的灵活性和适应性。采用龙门式自动上下料，集放式机动滚道传输，切削液分粗加工和精加工两段集中供应和回收处理。2、曲轴中心孔一般采用质量定心加工方式，这样可保证后续工序加工时工件运转稳定，有利于提高产品质量。另外，在曲轴动平衡工序中，不平衡量很小，有利于改善曲轴的内部质量补偿。3、轴颈的粗加工一般采用数控铣削或车拉工艺。工序质量可以达到国内粗磨后的水平，且切削变形小、效率高。铣削和车拉是曲轴粗加工的发展方向。4、国外的数控磨床多采用CNC控制技术，具有自动进给、自动修正砂轮、自动补偿和自动分度等功能，使曲轴的磨削精度和效率显著提高。主轴颈一般采用多砂轮磨削，连杆轴颈一般采用双砂轮磨削。5、油孔的加工采用鼓轮钻床和自动线。近几年来，随着枪钻技术的应用，油孔的加工大多采用枪钻自动线钻孔-修缘-抛光。6、曲轴的抛光采用CNC控制的砂带抛光机，所有轴颈一次抛光只需20多s，粗糙度可达Ra0.4以下，大大缩短了发动机的磨合期。7、动平衡一般采用CNC控制的综合平衡机，测量、修正一次完成。8、检测一般在生产线上配备MARPOSS或HOMWORK综合检测机，实现在线检测，对曲轴的几乎所有机加工项目均可一次完成检测、显示、打印。9、曲轴的清洗采用专用精洗机定点定位清洗，能有效地保证曲轴的清洁度要求。10、广泛采用了轴颈过渡圆角滚压技术。专用圆角滚压机自动控制，对所有轴颈圆角进行一次滚压，而且滚压力和滚压角度自动调节，使圆角处产生最佳的残余压应力，提高了曲轴的疲劳强度。（7）热处理和表面强化技术曲轴的热处理关键技术是表面强化处理。曲轴一般均采用正火处理，为表面处理做好组织准备。国内在正火工艺方面也进行了大量的探索和创新。例如有的厂家试验成功了用铸造余热进行正火热处理的工艺，具有明显的节能降耗效果，值得推广应用。表面强化处理一般采用感应淬火或氮化工艺，少数厂家还引进了圆角淬火技术和设备。“八五”期间我国引进了多套美国、意大利等国家的曲轴淬火和气体氮化设备，近年来还引进了德国的曲轴软液软氮化和气体二段式氮化技术以及离子氮化工艺，使我国的曲轴表面强化处理水平达到或接近国际先进水平。据国外资料介绍，球墨铸铁曲轴采用圆角滚压工艺与离子氮化结合使用进行复合强化，可使整个曲轴的抗疲劳强度提高130%以上。东风汽车公司工艺研究所的“曲轴圆角滚压强化与液压校直技术研究开发及应用”解决了国内企业所遇到的问题，该课题获得了国家机械工业局科技进步二等奖。1.3中国内燃机曲轴发展趋势1.3.1铸造技术（1）融化方面对于高牌号铸铁的熔化，将采用大容量中频炉进行熔炼或变频中频炉熔炼，对各类金属原材料的使用将进行更为严格的管理，并采用直读光谱仪检测铁水成分。对于普通铸铁的熔化，采用双联熔炼工艺，但冲天炉向大型化和外水冷无炉衬热风或富氧送风方向发展，对冲天炉使用的非金属原材料和金属原材料要求更加严格，对铁水中S，P及杂质含量严加限制。球铁处理采用转包研制新品种球化剂，采用随流孕育、型内孕育及复合孕育等先进的孕育方法。熔化过程的各项参数实现微机控制和屏幕显示，采用自动和半自动浇注机进行浇注，减少操作人员，实现冲天炉烟尘净化无污染排放。（2）造型和制芯消失模铸造将进一步发展和推广。在砂型铸造中，无箱射压造型和挤压造型将受到重视，并继续在新建厂或改建厂中推广应用。原有的高压造型线将继续使用，其中部分关键元件将得到改进。实现自动组芯和下芯。自动快换型板及模具可适应不同产品的更换交替。在制芯工艺上新型冷芯盒或新型温芯盒制芯设备将出现，组合射芯将在新型设备上进一步推广和应用。Repset砂的造型和制芯工艺将进一步推广。（3）砂处理和清理砂处理系统和单元将实现微机化管理，型砂中水分和有效粘土含量及煤粉含量将实现自动检测和控制，型砂运输系统将实现自动化程序控制。铸件清理将全部在专机自动线上进行，主要是机器人操作，在清理自动线上实现荒加工和质量检测。1.3.2锻造技术（1）计算机技术的应用计算机将广泛应用于生产过程的自动化控制，能实现锻造温度控制，过热和欠热棒料的自动化分选，润滑油点油温监控，设备公称力显示，自动喷雾冷却模具，设备操纵系统控制，故障自动诊断、报警，工艺编程，模具设计与制造。计算机的广泛应用在工艺过程的规范化管理，促进曲轴乃至内燃机锻造行业的生产技术进步等方面发挥着重要的作用。（2）形成柔性制造系统以热模锻压力机、电液锤为主机的自动线是今后生产曲轴的发展方向，这些生产线将普遍采用精密剪切下料、辊锻（楔横轧）制坯、中频感应加热、精整液压机精压等先进工艺，同时配有机械手、输送带、带回转台的换模装置等辅机，形成柔性制造系统。通过FMS，可自动更换工件和模具以及自动进行参数调节，在工作过程中不断测量。显示和记录锻件厚度和最大压力等数据并与定值比较，选择最佳变形量以获得优质产品。由中央控制室监控整个系统，实现无人化操作。（3）发展电液锤锻造生产线随着市场竞争的激烈，质量价格在市场竞争中的作用日显重要，电液锤也应运而生，出现了以行程、打击能量、速度可控与预选的电液锤为主机的曲轴现代化水平生产线。由于电液锤锻造生产线投资小，技术水平高，适应性强，所以21世纪电液锤与热模锻压力机将同时得到发展，都将为各种新型或改进型内燃机提供合格的精密锻造毛坯。1.3.3机械加工技术曲轴粗加工将广泛采用数控车床，CNC数控内铣床，CNC车削，拉削机床等先进设备对主轴颈和连杆轴颈进行数控车削、内铣削、车削、拉削加工，以有效地减少曲轴加工的变形量。曲轴精加工将广泛采用CNC控制的曲轴磨床对其轴颈进行精磨加工，此种磨床将配备砂轮自动动平衡装置、中心架自动跟踪装置、自动测量、自动补偿装置、砂轮自动修整、恒线速度等功能要求，以保证磨削质量的稳定。工件的输送，将广泛采用带自动编码识码的机动滚道输送，龙门式机械手上下工件，减少输送中人为的碰撞，实现曲轴的自动加工。曲轴超精加工将广泛采用砂带抛光机抛光加工，以改善曲轴表面粗糙度和提高曲轴疲劳强度1.3.4热处理技术和表面强化技术（1）曲轴中频感应淬火曲轴中频感应淬火，将采用微机监控闭环中频感应加热装置，该装置的特点是：1、能动态地显示系统工况，具有多任务、多窗口及动态数据交换等功能，操作方便。2、多幅画面，各画面之间以动态图像实时显示中频设备运行过程中各重要参数状态、各点温控监控画面，具有显示曲轴多点温度、时间等情况，及根据不同直径、材质选用加热温度的功能。3、记录实时及历史趋势曲线，记录打印装置运行过程中或某一范围内的各项参数，主要用于档案管理及过程分析。4、报警功能，当某项关键参数达到相应极限值时自动报警。该装置具有效率高，质量稳定，运行可靠等特点，今后将得到广泛应用。（2）曲轴软氮化为了提高产品质量，对于大批量生产的曲轴将采用微机控制的氮基气氛气体软氮化生产线，此工艺是今后的发展方向。氮基气氛气体软氮化生产线由前清洗机（清洗干燥）、预热炉、软氮化炉、冷却油槽、后清洗机(清洗干燥)、控制系统及制气配气等系统组成。该工艺具有安全、节能，工艺控制可靠，气源成本低，产品质量稳定，性能重现性好，易实现自动化、计算机管理，生产率高的显著特点，具有较高的应用推广前景。1.3.5曲轴表面强化技术为了大幅度提高曲轴的疲劳强度，圆角滚压强化将大量应用于曲轴加工中。另外，曲轴圆角滚压强化加轴颈表面淬火等复合强化工艺也将大量应用于曲轴加工中。1.4国外内燃机发展趋势（1）铸造技术采用先进工艺，提高机械化自动化水平，大力扩展计算机的应用范围，优质、高效地生产出轻量化、精密化的铸造毛坯，是国外铸造行业发展的总趋势。（2）轻量化采用高强度、高韧性材质，以减小壁厚和断面尺寸壳形铸造、复砂造型生产曲轴毛坯进一步生产出少、无切削余量的铸造毛坯计算机将在各个工艺环节的检测、诊断、控制和自动化生产等方面广泛应用。（3）熔化冲天炉仍然朝着大容量、连续化、高温热风方向发展，同时，在精确配料、炉况检测、故障诊断、自动控制等方面进一步计算机化。球铁熔炼工艺将得到进一步发展。变频电炉同时用于熔化、保温的双炉体交替生产的范围将得到发展。（4）造型冷壳型将可能逐步替代覆膜砂壳型铸造。在制芯方面，将发展冷芯工艺，并进一步完善比较成熟的制芯工艺。在制芯设备方面，多功能、多用途、制芯中心化将得到进一步发展。（5）砂处理和清理型砂质量也是确保铸型质量的重要条件，重点发展采用计算机控制砂处理系统乃至全过程，即运用计算机进行预测、诊断、控制型砂性能。清理将重点发展机械手或机器人对铸件进行抛丸、打磨和切割。（6）锻造技术随着锻压技术的进步，在变形理论上采用有限元法，借助电子计算机研究应力和变形状态。20世纪70年代，发达国家新建或改建的大的专业锻造厂大都是用以微机数控和群控的模锻压力机或电动液压锤及螺旋压力机为主机的生产线大批量生产曲轴等锻件。近年来，随着CAD/CAM的广泛采用，管理信息系统和集成生产系统的引人，锻造生产软件、硬件和数据库的研究，以实现锻造生产从原材料、工艺和工艺装备最佳方案的选择和整个过程的控制，推动着锻造生产向合理化、自动化方向发展。（7）机加工技术由于数控技术的飞速发展，国外的机加工自动线将具有更高的适应性和灵活性，大批量生产的曲轴轴颈粗加工，国外采用车削、铣削和车拉三种方式，其中数控内铣和车拉逐渐显示出其高效和经济性，是曲轴粗加工的发展趋势。曲轴的磨削广泛采用全数控、全封闭自动线进行。广泛采用圆角滚压工艺强化圆角，轴颈抛光广泛采用CNC砂带抛光机。曲轴动平衡采用自动线，一般均为计算机控制，自动测量和修正。曲轴的检测将广泛采用在线自动检测和终检相结合的方式，关键设备设有电子量仪，能连续监控加工精度，提高生产率，保证产品质量。（8）热处理技术主要是表面强化技术的进一步发展和材质的开发和选择。非调质钢、微量合金钢、高强度贝氏体铸铁等将广泛地应用于曲轴。在提高曲轴的弯曲疲劳性能方面圆角滚压最为有效；曲轴的感应处理采用中频圆角轴颈淬火能同时提高耐磨性和疲劳强度曲轴的表面化学热处理以德国的二段式气体软氮化法较先进，可获得单相化合物层，大大提高产品的质量和性能，估计将会得到广泛的应用曲轴化学复合表面热处理强化、中频淬火+圆角滚压复合强化也将会得到广泛应用。通过详细介绍国内外内燃机曲轴制造技术的现状及发展趋势可以看出，目前国内曲轴制造技术与国外先进技术有相当的差距。虽然国内部分骨干企业从发达国家引进了不少先进设备，但整体技术水平仍比较低。我们只有借鉴国外的先进经验，立足于本国现实，既引进先进技术，又进行消化、吸收，才能全面提高我国的曲轴制造技术水平。1220211.5研究内容和研究方法主要研究汽车发动机曲轴的加工工艺，以及机加工的工装夹具设计。首先搜集曲轴的相关资料，研究出曲轴的以下分析方法：（1）首先分析曲轴零件图中的形状特点、尺寸大小、精度要求、原材料尺寸规格和力学性能等参数，并结合当今的制造条件、生产批量等因素，分析曲轴的机加工工艺性。良好的工艺性应保证工序数目少、占用设备数量少、生产效率高、夹具结构简单而寿命高、产品质量稳定、操作简单。设计一套工装夹具。（2）确定工艺方案和主要工艺参数的计算。在曲轴工艺分析的基础上，找出曲轴制造工艺及其工装夹具设计的特点和难点。根据实际情况，提出各种可能的工艺方案，内容包括工序性质、工序数目、工序顺序及组合方式等。有时同一种零件也可能存在多个可行的工艺方案，通常每种方案各有优缺点，应从产品质量、生产效率、设备占用情况、夹具制造的难易程度和寿命高低、生产成本、操作方便与安全程度等方面进行综合分析、比较，确定出适合于现有生产条件的最佳方案。此外，了解零件的作用及使用要求对零件工艺与夹具设计是有帮助的。工艺参数指毛坯的选择，定位基准的选择，工艺路线的拟定，确定加工余量及工序尺寸和公差，表面质量等。（3）选择机加工设备。根据要完成工序的性质和各种机加工设备的加工能力，结合工厂现有设备情况，合理选择曲轴机加工设备。（4）工装夹具的设计。根据拟定的工艺方案，设计夹具的结构和计算结构参数。需要校核夹具结构上的有关参数。例如，夹具的强度，刚度，定位元件的尺寸，定位误差，夹具力等。（5）绘制夹具总装图以及零件图。夹具总装图，反应了夹具的定位机构、加紧机构、导向或对刀装置及其它辅助装置等，用夹具体连接起来，直观形象。对于夹具总装图中的非标准零件，要分别绘制零件图，并标注全部的尺寸，公差与配合及技术要求。31.6课题研究的意义和目的在汽车零部件的生产过程中，曲轴是内燃发动机中的关键零件之一，也是内燃机中最难加工的工件之一。优化曲轴的生产工艺及其夹具的设计方案，达到提高曲轴质量和提高生产效率降低生产成本，提高国产汽车发动机质量及其市场占有率。通过对课题的分析与设计能够全力提高机械制造水平、降低生产成本，发展先进制造技术，促进产品升级换代，提高企业整体竞争能力，迎接新世纪的机遇和挑战。1.7论文正文的结构本文共分为四章，内容包括：第一章绪论（简述了该课题的研究背景以及国内外研究现状和研究方法以及意义和目的）。第二章零件工艺总体设计（分析了零件各部分的加工要求拟定了零件加工工艺路线）。第三章工艺详细设计（深入分析了加工过程中的重要工序，确定切削用量）第四章专用夹具设计（设计了精磨连杆轴颈的磨床夹具）。第2章 零件工艺总体设计2.1曲轴零件介绍曲轴是发动机内一个高速旋转的长轴，是发动机最重要的和承受负荷最大的零件之一。曲轴的作用是将活塞的往复运动通过连杆变形成回转运动，进而通过飞轮把扭矩输送给底盘的传动系，因此曲轴不但承受着周期性的弯曲力矩和扭转力矩，同时受到扭转振动的附加应力的作用。这样就使曲轴的受力情况非常复杂。此外，发动机转速不断提高，平均有效压力不断增加，发动机日益强化来提高功率，各轴颈要在很高的比压下高速转动，所以要求曲轴有很高的强度、刚度、耐磨性、耐疲劳性及冲击韧性，而且润滑良好。曲轴常用强度很高的材料制成，轴颈需要热处理以提高耐磨性，在曲轴截面突变的部位应尽量避免应力集中，否则在工作中曲轴就有可能发生断裂。曲轴的主轴颈和曲柄销要有很高的尺寸精度、形状精度、位置精度及光洁度，轴颈表面的硬度要高，为了不致影响各缸的配气相位，对各曲拐中心线的偏移和装正时齿轮键槽中心线的偏移也提出一定的要求。曲轴主要由主轴颈、连杆轴颈、油封轴颈、齿轮轴颈、皮带轮轴颈和曲柄臂等组成。如图2-1。图2-1 曲轴的组成图2-2曲轴工作示意图2.1.1曲轴零件分析曲轴需要加工的表面以及加工表面的位置精度要求分析如下：按照NJ-64的规定，用于拖拉机、柴油机、固定式及移动式柴油机以及小型船用柴油及的曲轴的一些技术要求如下：（1）锻钢曲轴应经过调质处理，硬度为HB207269。曲轴长度在1.5米以上，可经过正火处理，硬度为HB170241。球墨铸铁曲轴应经过正火处理，硬度为HB220290。（2）锻钢曲轴的主轴颈和曲柄销，须经表面淬火，淬火层深度在37毫米范围内。硬度为HRC5563。每根曲轴上的硬度差不大于6个单位。曲柄销和主轴颈圆角出的硬度须过渡至调质或正火硬度。（3）主轴颈和曲柄销按2级精度制造，椭圆度和锥度应不大于直径公差的1/3。（4）当曲轴用两端最外的主轴颈支承时：主轴颈轴心线与曲柄销轴心线的不平行度允许差为0.02/100毫米。（5）曲轴上的主动齿轮键槽中心线对第一曲拐中心线的偏移允差为30。（6）曲轴上各个曲拐中心线的偏移允差为20。（7）曲轴主轴颈和曲柄销以及曲柄过渡（连接）圆角的粗糙度不低于Ra0.8；主轴颈和曲柄销上的润滑油孔口表面应抛光，其粗糙度不低于Ra0.4；主轴颈和曲柄销空的内表面粗糙度不低于Ra6.3（不包括铸造曲轴的铸孔）。（8）曲轴的加工表面应光洁，不允许有分层、裂缝、压痕、毛刺、气孔、凹痕以及非金属夹杂物，在曲轴的磨光表面不得有刻痕和黑点。（9）曲轴的不加工表面应光洁，不允许有分层、裂缝、夹灰、夹渣及其它非金属夹杂物和硬伤等缺陷。不允许用焊补方法消除缺陷；允许用砂轮或锉刀修整模锻痕迹，修整处应圆滑的过渡。（10）精加工后的每根曲轴，应经动平衡试验，不平衡度允差及校正平衡重量时所切除金属的位置和重量，按产品图样规定。（11）曲轴经精加工后应经磁力探伤，磁力探伤技术条件有制造厂规定。磁力探伤后应作退磁处理。2.1.2曲轴的主要加工表面及技术要求（1）主轴颈：曲轴共有7个主轴颈，它们是曲轴的支点。为了最大限度的增加曲轴的刚度，通常将主轴颈设计得粗一些，尽管这会增加质量，但是它可以大大提高曲轴的刚度，增加重叠度，减轻扭振的危害。主轴颈为75h6Ra0.32m，圆柱度公差为0.005mm。第一轴颈长mm，第四轴颈宽mm，第七轴颈宽59.70.23mm，第二、三、五、六、轴颈宽mm。以第一、七主轴颈为基准，第四主轴颈的径向跳动公差为0.05mm。（2）连杆轴颈：曲轴共有六个连杆轴颈，它与连杆总成大头相连接。轴颈为62h6Ra0.32m，圆柱度公差为0.005mm。轴颈宽mm，其与主轴颈的重叠度为11.35mm。（3）油封轴颈：油封轴颈为100h7mm。（4）曲柄臂：曲柄臂用于连接主轴颈和连杆轴颈，共有十二个。它呈长圆形，是曲轴的薄弱环节，容易产生扭断和疲劳破坏。曲柄半径为R(57.150.07) mm。（5）连杆轴颈轴心线的相位差在30之内。（6）曲轴必须经过动平衡，精度为50gcm。（7）主轴颈、栏杆轴颈要进行表面淬火，淬硬深度24mm，5563HRC。油封轴颈（即安装飞轮轴颈）也要进行表面淬火，淬硬深度不小于1mm，5063HRC。（8）曲轴还要进行探伤检查。要求曲轴的加工表面不允许出现裂纹。42.2曲轴加工工艺分析生产纲领：年产30000件产品，单班生产。曲轴零件图如图2-3所示：图2-3曲轴零件图2.2.1 毛坯选择曲轴材料有45号钢（精选含碳量为0.450.47%）、45Mn2、50Mn、40Cr钢及QT60-2球墨铸铁等。钢制曲轴的毛坯是锻造的。通过锻造能使金属纤维按最有利的方向分布，材料内部的缩孔和气孔被粘结起来，因此组织紧密，从而获得较高的冲击值、延伸率及疲劳极限。在单件、小批生产中，曲轴毛坯往往采用自由锻造，简化了锻压设备。但毛坯精度低，余量大，金属利用率低，也增加了机械加工劳动量生产率低。而且金属纤维被割断，以致纤维不沿曲柄臂的方向分布，减低了曲柄的强度。在成批、大量生产中，一般是用模锻。毛坯精度高，余量小（每边余量约为22.5毫米，轴颈直径余量为2.53毫米），曲轴的非工作表面可不加工。金属纤维能按最有利的方向排列，从而提高曲柄的强度。模锻后的曲轴毛坯应进行正火。并且去除氧化皮，以便在机械加工中提高刀具的耐用度。模锻毛坯的表面不应有裂纹、氧化皮斑点、砂孔、密集的发纹（特别是垂直于轴向的发纹）、过深的锤痕等缺陷。但这些缺陷的深度不超过余量的2/3时，则是允许的。模锻毛坯的径向和轴向错模以及切边的偏移过大都会影响余量不均匀，甚至粗车后仍留有黑皮而报废，而且导致曲轴动平衡发生困难，不能去重或去除过多，影响曲轴强度。因此要对锻造质量提出一定的要求。总的来说，锻钢曲轴具有较高的机械性能，产品质量比较稳定，在生产中占有重要的地位。在国外，目前着重于减小拔模斜度及减小机械加工余量，采用一些新工艺如冷锻、多级模压等，有利于提高质量和降低成本，在模锻中钢材利用率已经达到77%。近年来，我国在内燃机制造中广泛采用球墨铸铁曲轴。此外，完全取材于国内的稀土镁球墨铸铁曲轴也得到广泛推广。球墨铸铁曲轴的优点是：1、铸造工艺好。浇注时型腔有良好的充满性，因此在设计上可以改进曲轴的结构，例如曲柄的形状、轴颈可铸出空腔等。但在产量小时，普通造型的铸铁件在加工余量较大。在大批、大量生产中可采用精密铸造，如壳模铸造等，曲轴毛坯更能接近于曲轴所要求的形状和尺寸，可达69级精度和Ra12.5Ra25的粗糙度，不仅大大减少机械加工余量，而且为毛坯制造的自动化创造条件，提高生产率和降低成本。2、有较高的强度及对应力集中的敏感程度较低。3、有较好的减震性和耐磨性。表2-1锻钢曲轴和球墨铸铁曲轴耐磨性比较曲轴材料热处理运转时间（小时）主轴颈磨损（毫米）曲柄销磨损（毫米）锻钢曲轴表面淬火10000.020.0640.030.11球墨铸铁曲轴正火15000.020.0240.010.033稀土镁球墨铸铁曲轴正火15000.0020.0060.0010.004但是球墨铸铁曲轴的延伸率比锻钢曲轴低。此外，在使用中还有曲轴断裂的情况发生。对曲轴进行等温淬火可以减少断裂。为了保证铸造曲轴毛坯的质量，需要进行磁力探伤。由于年产量30000件，达到大批生成水平，故曲轴毛坯采用模锻，材料为45号钢。2.2.2基准的选择（1）粗基准的选择加工主轴颈及与其同轴心的轴颈及法兰盘外表面时，为了保证轴颈和端面之间的位置精度，用曲轴两端的中心孔定位。所以曲轴最初的工序是铣曲轴两端面和钻中心孔。为了保证中心孔钻在主轴颈毛坯外圆面的轴线位置上，选用主轴颈的外圆面为粗基准。铣曲轴两端面和钻中心孔时，就是以两端主轴颈（第1、7主轴颈）的外圆面为粗基准，同时为了保证所加工的基准面的轴向尺寸，选用中间主轴颈（第4主轴颈）两侧曲柄臂斜面为粗基准。这样加工出的基准面（中心孔）就可以保证曲轴加工时径向和轴向余量的均匀性。在加工连杆轴颈时要在曲柄臂上铣出两个工艺平面，在铣削过程中是以最远的两个主轴颈和一个连杆轴颈作为定位基面。（2）辅助精基准的选择如上所述，在曲柄臂上铣出的两个工艺平面是加工连杆轴颈所用的辅助精基准，这两个平面距离连杆轴颈与主轴颈轴心线要有一定的尺寸公差要求，以保证加工连杆轴颈时余量的均匀性。（3）精基准的选择如上所述，加工主轴颈及与其同轴心的轴颈及法兰盘外表面时，是从中心孔为精基准的。有时也用量端主轴颈和中间主轴颈作为基准。加工连杆轴颈时，为了保证栏杆轴颈的曲柄半径精度和对主轴颈的不平行度的要求，可用磨过的最远的两个主轴颈的外圆面作为精基准。这样定位便于保证技术要求，并且夹紧牢靠，安装性好，工件不易变形。此外，个轴颈的两端面还有一定的轴向尺寸及公差要求，需要轴向定位。轴向定位基准往往采用主轴颈的一个端面，也有用中心孔的。轴向定位基准应尽量和轴向设计基准一致。2.3确定工艺路线根据生产纲领年产30000件，以及零件的技术要求，拟定工艺路线如下：表2-2曲轴工艺路线工序号工序名称设备名称型号夹具、刀检具及辅具1铣曲轴两端面和钻中心孔铣钻组合机床以1、7主轴颈和第4主轴颈两侧曲柄臂斜面为粗基准2粗车第4主轴颈及两端面双边传动曲轴车床以中心孔为基准3校直压力机4粗磨第4主轴颈外圆磨床以中心孔为基准5粗车其余主轴颈及其他外圆和端面中间传动的的曲轴车床以中心孔为基准6校直压力机7精车其余主轴颈及其他外圆和端面中间传动的曲轴车床以中心孔为基准8粗磨第1主轴颈和装齿轮的轴颈及其端面端面外圆磨床以中心孔为基准9粗磨第7主轴颈和法兰盘外圆外圆磨床以中心孔为基准10粗磨第2、3、5、6主轴颈及其端面多砂轮外圆磨床1、7主轴颈外圆面为基准11在第1曲柄梢侧面曲柄臂上铣角度定位平面龙门铣床以第1、7主轴颈和第8曲柄梢为基准12车六个曲柄梢及其端面曲柄梢车床以第1、3、5、7主轴颈定位夹紧、并以第1主轴颈端面及曲柄臂上角度定位平面为基准13中间检验检验台14清洗清洗机15在轴颈上锪球形孔组合钻床以1、7主轴颈定位16在轴颈上钻油孔组合钻床以1、7主轴颈定位17在轴颈上钻油孔组合钻床以1、7主轴颈定位18在轴颈上钻油孔组合钻床以1、7主轴颈定位19油孔倒角20去毛刺21中间检查22表面淬火中频表面淬火机23校直压力机24精磨第4主轴颈及其端面外圆磨床以中心孔为基准25精磨第7主轴颈及其端面外圆磨床以中心孔为基准26精磨第1主轴颈、装齿轮装皮带轮的轴颈及端面端面外圆磨床以中心孔为基准27精磨油封轴颈外圆磨床以中心孔为基准28依次精磨第2、3、5、6主轴颈及其端面外圆磨床以1、7主轴颈外圆表面为基准29粗磨六个曲柄梢及其端面曲轴磨床以第1、7主轴颈定位夹紧，并以第1主轴颈端面及曲柄臂上角度定位平面为基准30精磨六个曲柄梢及其端面曲轴磨床以第1、7主轴颈定位夹紧31同时铣齿轮轴颈和皮带轮轴颈上的键槽钻用键槽铣床以第1、7主轴颈，第一曲柄梢及第1主轴颈端面为基准32中间检查33在曲轴法兰端面及小头端面对各孔钻，铰及攻丝双面多工位组合机床34动平衡动平衡机35去不平衡重立式钻床36去毛刺37校直压力机38后端法兰孔切槽车床1、7主轴颈为基准39精加工法兰孔镗床1、7主轴颈为基准40去毛刺41粗超精加工各轴颈超精加工机床1主轴颈和齿轮轴颈为基准42精超精加工各轴颈超精加工机床1主轴颈和齿轮轴颈为基准43清洗清洗机44按需要修理缺陷45最后检验（具体的工艺过程见附录工艺卡片）5第3章 工艺详细设计3.1主要工序分析3.1.1轴颈的车削（1）主轴颈的车削主轴颈一般作为加工曲柄销的基准，所以在铣曲轴两端面和钻中心空后，先车削主轴颈及其它外圆面，然后车削曲柄销。在单件、小批量生产中，主轴颈的车削都是在刚性较强的普通车床上进行的。曲轴安装在机床的前、后顶尖上，或是一端用卡盘夹住而另一端用顶尖顶住，用硬质合金车刀在几道工序中完成各主轴颈的车削。由于批量较小，曲轴毛坯大多数是采用自由锻或者砂型铸造，加工余量大及不均匀，并且旋转不平衡，加工时产生冲击，因此工件要加持牢靠，机床、夹具、刀具等要有足够的刚性。在大量生产的工厂中，曲轴的加工一般是在专用的多刀半自动车床上进行的，采用宽刃成形车刀和切线偏刀，实现横向进给。切削力很大，所以对机床系统的刚度要求特别高。曲轴刚度低，为了减少切削力造成的扭转变形和弯曲变形，除了采用一般轴类加工常用的方法如用中心架支承及时传动尽量靠近加工部位等以外，车中间主轴颈可采用双边传动的多到半自动车床，车两端的主轴颈则采用中间传动的多刀半自动车床，可使扭矩在靠近加工的地方传到曲轴上。为了使切削力的作用相互抵消，前后刀架式同时相对作出横向进给而进行切削的如图3-1：图3-1前后车刀同时车削轴曲轴车削的顺序是先车中间主轴颈及相邻的两曲柄臂端面，然后粗磨此主轴颈，以便用来传动和支承曲轴本身并以中心孔定位来加工其余的主轴颈及能同时加工的其它表面。如图3-2图3-2曲轴两端主轴颈的车削车轴颈是从车曲柄臂端面开始，用切线偏刀向回转中心进给。在转速固定时切削速度将降低，刀具的利用就不够充分。因此这些专用车床应能自动加大主轴的转速，以便在车曲柄臂端面的过程中加工直径减小后仍能使切削速度相差不大。另一方面，由于模锻斜度的关系，越是靠近工件的中心则切削深度越大，切削力也大，因此也要求主轴的转速自动增加，而主轴每转的进给量能自动降低。（2）连杆轴颈的车削主轴颈及其它外圆车好后，可车削曲柄销，需要解决角度定位和曲轴旋转的不平衡的问题。在单件，小批量生产中，仍用普通车床车削曲柄销。如图3-3所示：图3-3在普通车床上车削连杆轴颈在曲轴法兰盘和第一主轴颈处装有工艺法兰盘，在工艺法兰盘上距主轴轴颈线为曲柄半径处有定位用的中心孔，这个中心孔通过角度定位元件的作用能与曲柄销同轴线。加工时，车床的前、后顶尖就顶在工艺法兰盘的中心孔上，是曲柄销和机床主轴同轴线。采用专用夹具应注意机床主轴的平衡，可在床头的夹盘上装设平衡重。用这种安装方法加工刚性较差的多缸发动机曲轴时，曲轴受到离心力和两顶尖的轴向压紧偏心力的作用，容易发生弯曲变形。为了加强工件的刚度，可用撑杆来撑住其余曲拐的开档。加工大型曲轴，不平衡现象更为突出，加平衡块还不一定能够解决，因此有时采用旋风车削，即是加工时刀架旋转。在成批生产中可用上述两端传动的车床依次加工位于同一根轴线的一对曲柄销。每次在夹具上安装都应使所加工的一对曲柄销和机床主轴的回转轴线重合。主轴颈的轴线相对于机床主轴的回转轴线的偏移即曲柄半径。车削2、3曲柄销使，基准为第2、4主轴颈（靠近加工面），轴向定位是用第1主轴颈的轴肩端面，角度定位则用在曲柄臂上铣出的工艺平面。拨杆5靠弹簧6的作用推动曲轴紧靠夹具轴向定位元件A面（即是使第1主轴颈轴肩端面紧靠A面）而进行轴向定位。为了避免切削力引起变形，机床仍用前后刀架相对作出横向进给。这种加工方法也可在经过改装的普通车床上进行，但应避免产生振动和变形。但是这种加工方法在一次加工中同时车削的轴颈较少，而同样工序的数目太多，生产率较低。在大批量生产中可以用高生产率的曲轴曲柄销专用车床同时车削全部曲柄销。如图3-4：图3-4在双工位曲轴车床上同时车削全部连杆轴颈这种机床有两个工位，每个工位的刀架数等于曲柄销数。一个工位用多刀同时车削所有的曲柄销轴肩端面，另一个工位用多刀同时车削所有的曲柄销外圆。为了提高工件的刚性，中间主轴颈用中心架支承。曲轴用两端主轴颈、第1主轴颈轴肩端面及在曲柄臂侧面的工艺平面为定位基准。主轴颈和机床主轴同轴心。加工时曲轴绕其主轴颈轴心旋转。曲轴时与所有车刀同步旋转的。机床的工作原理如图3-5：曲轴旋转一周，车刀把外圆表面切去一层金属。车刀还能径向进给，将全部余量切除。这种机床的生产率高，但是更换刀具和机床重新调整的时间较长。图3-5同时车削全部连杆的工作原理图以上所述加工主轴颈和曲柄销的方法，一般来说工件是旋转的。机床主轴旋转不平衡的惯性较大，限制了机床主轴转速的提高，所以不能充分发挥硬质合金刀具的性能，常用高速钢刀进行加工，生产率的提高也就受到一定的限制。国外一些内燃机厂还用铣削的方法加工曲轴轴颈。如采用专门设计制造的曲轴轴颈铣床等。图3-6用盘铣刀铣削曲轴颈如图3-6是采用盘铣刀加工曲柄销的示意图。曲轴以两端主轴颈安装在机床上定位及夹紧。机床是两边传动的。其轴心线与机床主轴线同轴心。在工件两边各有一个铣头，上面安装两把盘铣刀，用来铣削在同一根轴线上的两个曲柄销及轴肩端面。铣刀盘上装有不同的刀片，可以铣削轴颈及端面。硬质合金刀片是不重磨的。工件以主轴颈轴线为中心旋转。铣头的运动有液压靠模控制，进行往复移动。机床的半自动循环按以下工序工作：接通铣刀旋转；刀架向工件快速引进；转换为工作进给；铣刀向不动的工件吃刀至相当于加工余量的深度；停止盘铣刀向工件的进给；接通曲轴的慢速旋转运动，在曲轴旋转一周的过程中铣削轴颈和轴肩端面；快速退回铣刀架；停止铣刀盘和主轴的旋转运动，曲轴装卸时用人工进行，夹紧和松开则是自动的。曲轴铣削和车削比较，最显著的优点是切削速度不受工件旋转不平衡的限制，可以采用较高的切削速度以提高生产率。而且切削力比车削小，工件变形、相对减少。曲轴轴颈铣床的突出优点是曲轴绕主轴颈轴线运动，可以同时加工几个曲柄销，其传动系统比较简单。靠模轴使铣头产生往复运动，这种设计不仅使机床造价降低，而且其刚性也高于同时车削几个曲柄销的车床。圆盘铣削法的缺点是刀具成本高，采用硬质合金刀片更是这样。切削产生的冲击往往造成刀片的崩缺，从而增加了更换刀片的时间。由于刀具切削刃与加工表面断续接触，在要求高生产率的情况下，铣削很难保证光洁度的要求。圆周进给量较大则会在已加工表面上出现相当多的棱边，以致增加轴颈的磨削余量。3.1.2轴颈的磨削主轴颈和曲柄销车好后，还要进行磨削，以提高精度和光洁度。为了比较经济的达到21级精度及Ra0.32Ra1.25的粗糙度，轴颈在热处理前经过一次粗磨，淬火后还要精磨12次。多次磨削是为了加快零件加工的节拍，并且容易达到较高的精度。轴颈宽度不大，通常是横向进给磨削法，生产效率较高。磨轮的外形需要仔细的修整，因为直接影响轴颈及圆角的形状。横向进给量并不大，粗磨时工件每转进给0.0080.02毫米，精磨时为0.0010.012毫米。磨削余量根据车削后的精度而定，一般粗磨余量值是每边为0.20.4毫米，精磨余量值是每边为0.10.15毫米。如果一个工件需要磨削端面及其相接的外圆柱面时，可在具有倾斜主轴的端面外圆磨床上同时磨削。磨轮的轴线与工件的轴线形成一定的角度（一般为45度），磨轮本身也要按照能磨端面和圆柱面的要求进行修整（如图3-7）。图3-7同时磨削外圆和端面这种磨削法的生产率很高，磨轮的进给是垂直于磨轮轴线的。油封轴颈和法兰盘外圆面就是在阶梯轴磨轮上一次磨削的。通常首先磨主轴颈，然后磨曲柄销。中间主轴颈磨好后才磨其余的主轴颈。磨主轴颈和曲柄销的安装方法基本上是与车轴颈相同。磨主轴颈是以中心孔定位。磨曲柄销则是以经过精磨的两端主轴颈定位，以保证与主轴颈的距离和不平行度的要求。如图3-8所示磨发动机曲轴，图3-8磨削连杆轴颈磨曲柄销以1，7主轴颈定位，主轴颈轴线与机床轴线相差一个曲轴半径的距离。角度定位以最后一个曲柄臂的工艺平面来定位。轴向定位以第1主轴颈轴肩端面定位。磨完1，6曲柄销后停车，曲轴旋转120度，磨削2，5曲柄销，磨完后停车，再旋转120度，磨削3，4曲柄销。磨削曲柄销也可用曲轴法兰盘上的定位孔进行角度定位，即是把夹具上装定位销的圆盘通过一个菱形定位销插到该定位孔内。