柴油机曲轴工艺过程及夹具毕业设计论文.docx

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柴油机曲轴工艺过程及夹具毕业设计论文

重庆大学网络教育学院

毕业设计（论文）

柴油机曲轴零件加工工艺及夹具设计

学生所在校外学习中心江苏张家港校处学习中心

批次层次专业111专升本机械设计制造及其自动化

学号w11107861

学生

指导教师

起止日期2013.1.21--2013.4.14

摘要

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。

这次毕业设计介绍柴油机曲轴加工工艺规程及相关夹具的设计，及曲轴的规程制定中遇到问题的分析，经济性分析，工时定额，切削用量的计算。

同时还介绍曲轴加工中用到的两套夹具的设计过程。

在工艺设计中，结合实际进行设计，对曲轴生产工艺进行了改进，优化了工艺过程和工艺装备，使曲轴的生产加工更经济、合理。

根据现阶段机械零件的制造工艺和技术水平，本着以制造技术的先进性，合理性，经济性进行零件的形状、尺寸、精度等级、表面粗糙度、材料等技术分析。

并根据以上分析来选择合理的毛坯制造方法，设计工艺规程，夹具设计。

关键词：

柴油机曲轴　工艺　夹具

目录

中文摘要…………………………………………………………………………………………

1.引言……………………………………………………………………………………………1

2.曲轴的生产纲领…………………………………………………………………………2

3.零件的分析…………………………………………………………………………………2

3.1曲轴的用途及工作条件…………………………………………………………………………2

3.2分析零件上的技术要求，确定要加工的表面…………………………………………3

3.3加工表面的尺寸和形状精度…………………………………………………………………4

3.4尺寸和位置精度………………………………………………………………………4

3.5加工表面的粗糙度及其它方面的质量要求………………………………………………4

3.6热处理要求…………………………………………………………………………………4

4.曲轴材料和毛坯的定…………………………………………………………………………4

4.1确定毛坯的类型…………………………………………………………………………4

4.2确定毛坯的生产方法…………………………………………………………………………4

4.3确定毛坯的加工余量…………………………………………………………………………4

5.曲轴的工艺过程设计…………………………………………………………………………5

5.1粗、精加工的定位基准…………………………………………………………………5

5.1.1粗加工……………………………………………………………………………………5

5.1.2粗加工……………………………………………………………………………………5

5.2工件表面加工方法的选择………………………………………………………………5

5.3曲轴机械加工的基本路线…………………………………………………………………5

5.4加工余量及毛坯尺寸……………………………………………………………………6

5.5工序设计………………………………………………………………………………6

5.5.1加工设备与工艺装备的选择………………………………………………………………8

5.5.2机械加工余量、工序尺寸及公差的确定…………………………………………9

5.6确定工时定额………………………………………………………………………11

5.7机械加工工艺规程卡片和机械加工工序卡片……………………………………………12

5.7.1机械加工工艺过程卡片……………………………………………………………12

5.7.2机械加工工序卡片……………………………………………………………12

6.柴油机曲轴加工键槽夹具设计………………………………………………………13

6.1.1夹具类型的分析………………………………………………………………13

6.1.2工装夹具定位方案的确定………………………………………………………13

6.1.3工件夹紧形式的确定……………………………………………………………………13

6.1.4对刀装置………………………………………………………………………………13

6.1.5分度装置的确定以及补补助装置…………………………………………………14

6.1.6夹具定位夹紧方案的分析论证…………………………………………………14

6.1.7夹具结构类型的设计……………………………………………………………………15

6.2夹具总图设计…………………………………………………………………………16

6.4绘制夹具零件图………………………………………………………………16

7.结论………………………………………………………………………………………17

8.参考文献……………………………………………………………………………………………18

1.引言

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没有保证质量，即可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，都在不断的改进曲轴加工工艺，最大可能的提高曲轴寿命。

曲轴质量（指轻重）约占内燃机质量的10%，成本约占整机的10%～12%，其材质大体分两类：

一类是锻钢，一类是球墨铸铁。

由于采用铸造方法可获得较为理想的结构形状，从而减轻质量，且机加工余量随铸造工艺水平的提高而减小，目前国外球铁铸造曲轴的单边加工余量可达2～3mm。

另外球墨铸铁的切削性能良好，并且和钢质曲轴一样可以进行各种热处理和表面强化处理来提高曲轴的抗疲劳强度、硬度和耐磨性。

而且球铁中的内摩擦所耗功比钢大，减小了工作时的扭转振动的振幅和应力，应力集中也没有刚质曲轴敏感。

所以球墨铸铁曲轴在国内外得到了广泛的应用。

统计资料表明，车用发动机曲轴采用球铁材质的比例为：

美国85%，日本40%，俄罗斯、比利时、荷兰和德国也已大批量生产。

国内采用球铁曲轴的趋势则更加明显，中小型功率柴油机曲轴85%以上用球铁。

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。

但是我们也应该看到，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工业技术发展的要求。

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、性能寿命和可靠性差、品种杂乱和“三化”程度低等差距，它是影响整机适应国内及国际市场能力的重要因素。

随着我国加入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，及时的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竞争。

2.曲轴的生产纲领

生产纲领是企业在计划期内应当生产的产品产量，曲轴的的年生产纲领就是包括备品和废品在内的年产量，计算公式如下：

N=Q×n（1+a%）（1+b%）（件/年）

式中N—零件的年常量（件/年）;Q—产品的年产量（根/年）;

N—每台产品中该曲轴的数量（件/台）；a%--备用率；b%--废品率；

本次设计的柴油机曲轴年产量为5000台，其中n=1，a=8，b=1，

故生产纲领：

N=5000×1×（1+8%）（1+1%）=5454（件/年）

生产类型为企业生产，生产专业化程度分类为，单件生产、小批量生产、中批量生产、大批量生产。

本次设计的柴油机曲轴生产纲领为5454件，零件重量不超过20KG,根据有关资料分析得出结论为，中批量生产。

3.零件的分析

3.1曲轴的用途及工作条件

曲轴的功用是把活塞、连杆传来的气体力转变为转矩，用以驱动汽车的传动系统和发动机的配气机构以及其他辅助装置。

曲轴在周期性变化的气体力、惯性力及其力矩的共同作用下工作，承受弯曲和扭转交变载荷。

曲轴应有足够的抗弯曲、抗扭转的疲劳强度和刚度；轴颈应有足够大的承压表面和耐磨性；曲轴的质量应尽量小；对各轴颈的润滑应该充分。

图1-1曲轴的结构图

曲轴一般由主轴颈，连杆轴颈、曲柄、平衡块、前端和后端等组成。

一个主轴颈、一个连杆轴颈和一个曲柄组成了一个曲拐。

主轴颈是曲轴的支承部分，通过主轴承支承在曲轴箱的主轴承座中。

主轴承的数目不仅与发动机气缸数目有关，还取决于曲轴的支承方式。

连杆轴颈是曲轴与连杆的连接部分，在连接处用圆弧过渡，以减少应力集中。

曲柄是主轴颈和连杆轴颈的连接部分，断面为椭圆形，为了平衡惯性力，曲柄处铸有（或紧固有）平衡重块。

平衡重块用来平衡发动机不平衡的离心力矩，有时还用来平衡一部分往复惯性力，从而使曲轴旋转平稳。

曲轴前端装有齿轮，驱动风扇和水泵的皮带轮以及起动爪等。

为了防止机油沿曲轴轴颈外漏，在曲轴前端装有一个甩油盘，在齿轮室盖上装有油封。

曲轴的后端用来安装飞轮。

3.2分析零件图上技术要求，确定主要加工表面

技术要求零件应经正火处理，处理后硬度要求HBS240-300.

主要加工表面是主轴颈、连杆轴颈以及键槽的加工。

3.3加工表面的尺寸和形状精度

.主轴颈、连杆轴颈本身的精度，即尺寸公关等级h6，轴颈长度公差等级为IT9～IT10。

轴颈的形状公差，如圆度、圆柱度控制在尺寸公差之半。

3.4尺寸和位置精度

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；

圆柱度：

不大于0.008mm；同轴同心度：

不大于ø0.02mm；全跳度：

不大于ø0.025mm;

跳度：

不大于0.03mm;连杆轴颈的位置度不大于±20′。

3.5加工表面粗糙度及其它方面的表面质量要求

表面粗糙度Ra值为1.25～0.4μm。

3.6热处理要求

曲轴在加工前需正火处理HBS240-300.

4.曲轴的材料和毛坯的确定

4.1确定毛坯的类型

曲轴工作时要承受很大的转矩及交变的弯曲应力，容易门生扭振、折断及轴颈磨损，因此要求用材应有较高的强度、冲击韧度、疲劳强度和耐磨性。

常用材料有：

一般曲轴为35、40、45钢或球墨铸铁QT700-2；对于高速、重载曲轴，可采用40Cr、42Mn2V等材料。

本次设计的曲轴材质采用QT700-2.就可以满足需求。

4.2确定毛坯的生产方法

因为此次产品属于中批量生产，毛坯需要用铁型覆砂造型加工，以保证产品质量及产品产量。

4.3确定毛坯的加工余量

查寻相关手册确定了产品加工用余量。

5.曲轴工艺过程设计

5.1粗、精加工的定位基准

曲轴的尺寸精度、加工表面形状精度以及位置精度的要求都很高，但刚性比较差，容易产生变形，这就给曲轴的机械加工带来了很多困难，必须予以充分的重视。

5.1.1粗加工

在粗车主轴颈的时候用两端的中心孔定位，大头卡在卡盘上，进行加工。

在粗加工连杆轴颈的时候一毛坯基准定位，以保证180°的限位角。

5.1.2精加工

精磨主轴以磨床轴瓦定位，精磨连杆以轴瓦定位并用百分表调整。

键槽加工以连杆定位

5.2工件表面加工方法的选择

曲轴需要加工的表面有：

主轴颈、连杆轴颈、键槽、外圆、磨削外圆、铣键槽。

根据曲轴的结构特点及机械加工的要求，加工顺序大致可归纳为：

铣两端面；钻中心孔；粗、精车连杆轴颈；粗、精车各处外圆；精磨连杆轴颈、主轴颈和外圆；车端面、铣键槽等。

5.3曲轴机械加工工艺基本路线

（1）检验铸件

（2）热处理正火

（3）批量毛坯抽查

（4）铣两端面

（5）钻主轴颈中心孔

（6）检验硬度值

（7）粗车短头

（8）粗车长头

（9）粗车连杆轴颈

（10）精车连杆轴颈

（11）精车短头

（12）精车长头

（13）修正中心孔

（14）按工艺要求检验

（15）粗磨主轴颈

（16）粗磨连杆轴颈

（17）精磨连杆轴颈

（18）精磨主轴颈

（19）精磨Ø30小头

（20）精磨锥度

（21）研磨抛光

（22）铣短头键槽

（23）铣长头键槽

（24）除污垢，煤油清洗

（25）全数检验

5.4加工余量及毛坯尺寸

见毛坯图

5.5工序设计

此轴的除一般加工规律外，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

铣曲轴两端面,钻中心孔：

本工序在钻铣车组合车床上完成，主要保证曲轴总长及中心孔的质量，若端面不平则中心钻上的两切削刃的受力不均，钻头可能引偏而折断，因此采用先面后孔的原则。

中心孔除影响曲轴质量分布外，它还是曲轴加工的重要基准贯穿整个曲轴加工始终。

因而直接影响曲轴加工精度。

打中心孔在本次工艺设计中因考虑设备因素，采用找出曲轴的几何中心代替质量中心。

打中心孔以毛坯的外表面作为基准，因而毛坯外表面质量好坏直接影响孔的位置误差。

曲轴主轴颈的粗、精车削：

由于曲轴年产量大，主轴颈加工采用车削，在刚度较强的普通车床上进行。

曲轴安装在前、后顶尖上线一端用大盘夹住而另一端用顶尖顶住，用硬质合金车几道工序上完成主轴颈的车削。

由于加工余大且不均匀，旋转不平衡，加工时产生冲击，因此工件要夹牢固。

车床、刀具、夹具要有足够的刚性。

主轴颈车削顺序是先精车一端主轴颈及轴肩，然后以车好的主轴颈定位。

另一侧用顶尖以中心孔定位。

车另一端主轴颈、肩及各个轴颈，半精度及精车都按此顺序进行，逐渐提高主轴颈及其他轴颈的加工精度。

曲轴连杆轴颈的粗、精车削：

主轴颈及其它外圆车好后，以主轴颈作为加工连杆轴颈的基准，采用专用的车夹具、车削连杆轴颈，车削同样在普通车床上进行。

车削连杆轴颈需要解决的是角度定位（两连杆轴颈轴线需要控制在180度+30度或180度—30度）以及曲轴旋转的不平衡问题。

这些都由专用夹具来保证，夹具体为一对用以定位的V型块组成，装在接盘上。

接盘与车床过渡接盘靠中间的定位销定位并连接，接盘在过渡接盘上靠棱形定位销可转180度，依次车削两个连杆轴颈。

V型块中心与车床主轴线距离一个曲轴半径。

车削过程中，一端与曲轴主轴颈定位并夹紧，另一端靠偏中心座夹紧，中心座上钻有中心孔，中心孔偏心距同样为一个曲轴半径。

用顶尖顶紧中心孔，这样就能保证连杆轴颈轴线与车床主轴线一致。

安装夹具体的接盘上有平衡块，消除曲轴旋转时不平衡力矩的生。

曲轴加工时由于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，为了加强工件刚度，用撑杆来撑住另一个曲拐的开移。

车削连杆轴颈时为了使切削力不致于太大，每次车削余量控制在1~1.5mm内，同时车床旋转不能太高，刀具采用高速钢或Yg8的合金刀具。

轴颈的磨削：

由于主轴颈及连杆轴颈精度较高，尺寸精度为h6级，表面粗糙度1.6~0.4μm，并且具有较高的形状精度及位置精度。

因此主轴颈与连杆轴颈精车后要进行磨削，以提高精度表面粗糙度。

在工艺设计中，首先磨主轴颈然后磨连杆轴颈。

中间主轴颈磨好后才能磨其余轴颈，磨主轴颈和连杆轴颈的安装方法基本上与车轴颈相同，磨主轴颈是以中心孔定位，在外圆磨床上进行，磨连杆轴颈则以经过精磨的两端主轴颈定位，以保证与主轴颈的轴线距离及平行度要求，磨连杆轴颈是在曲轴磨床上进行的。

由于轴颈宽度不大，采用横向进给磨削法，生产率较高，磨轮的外形需仔细地修整，因为直接影响轴颈与圆角的形状，磨削余量根据车削后的精度而定，粗磨余量值每边0.2~0.3mm，精磨余量控制在0.1~0.15mm内。

在横向进给磨削中，磨轮对工件的压力很大，为避免曲轴弯曲，采用可以调节的中心架，否则就不能去掉上道工序留下的弯曲度，最好待这个轴颈的摆差减小才开始使用中心架。

磨削主轴颈时应把两顶尖孔倒角处抹干净，去砂粒及油泥，确保加工基准——中心孔的精度，磨削工序之前必须修研中心孔。

钻连杆轴颈孔：

钻连杆直径25的孔，使用专用的钻孔胎具，使用旋转胎具保证位置的精度，可以长头和短头两面的连杆孔快速的反转。

键槽加工：

这个键槽主要用于飞轮，加工此键槽应安排在主轴颈精车工序之后，这样能保证定位精度及控制键槽的深度以及对称度。

键槽加工是以连杆轴颈定位平行度，用主轴颈来定位同轴同心度，同样用专用夹具在普通铣床上进行可是加工出来的产品更加稳定，使加工效率提升。

研磨抛光：

因为产品尺寸精度为h6级，表面粗糙度1.6~0.4μm，要求较高所以用毡轮加研磨膏抛光，以达到标准的要求。

5.5.1加工设备与工艺装备的选择

工序号

工序名称

设备名称型号

夹具、刀检具及辅具

004

铣两侧面

断面铣床ZBT8216-1

 铣刀

005

打中心孔

中心孔钻床ZBT8216-1

可调中心架中心钻

007

粗车短头

CW6130

顶尖车刀

008

粗车长头

CW6130

顶尖 车刀

009

粗车连杆轴颈

CW6130

专用偏心车床车刀 

010

精车连杆轴颈

CA6140

专用偏心车床车刀

011

精车短头

CJK6140

顶尖车刀

012

精车长头

CJK6140

 顶尖车刀

014

修正中心孔

CA6140

顶尖，中心钻

016

粗磨主轴颈

MQ8260 

轴瓦 千分尺、卡板

017

粗磨连杆轴颈

MQ8260

轴瓦偏心胎具千分尺、卡板

018

精磨连杆轴颈

MQ8260

轴瓦偏心胎具千分尺、卡板

019

精磨主轴颈

MQ8260

轴瓦千分尺、卡板

020

粗磨Ø30小头

MQ8260

轴瓦千分尺

021

精磨锥度

MQ8260

轴瓦顶尖 千分尺

022

研磨抛光

顶尖

023

铣短头键槽

ZX6350C

铣键槽工装

024

铣短头键槽

ZX6350C

铣键槽工装

a.机床的选择

考虑到中批量生产，尽量选用高效机床。

①工序009、010均为圆柱面的车削加工，用CJK6140数控车床加工方便且效率高。

②工序016、017、018、019、020、021均为圆柱面的磨削加工，用MQ8260曲轴磨床加工方便且效率高。

③其余表面加工均采用通用机床。

如：

CW6130卧式车床、ZX6350C钻铣床、Z3020A立式钻床等。

b.选择夹具

考虑到大量生产，均采用专用夹具。

c.选择刀具

①在车床上加工的工序，均采用YG8硬质合金外圆车刀。

②在铣床上加工的工序，铣平面选用YG6A硬质合金圆盘铣刀，铣键槽选用键槽铣刀。

③在磨床上加工的工序，磨主轴颈选用砂轮P600X63X305，C46K2B35，其外径为600mm，厚度为63mm，内径为305mm；磨连杆颈选用砂轮P600X25X305，C46K2B35，其外径为600mm，厚度为25mm，内径为305mm。

④在钻床上加工的工序，均选用麻花钻和机用丝锥。

c.选择量具

工序009粗加工可选通用量具。

现按计量器具的不确定度选择量具。

粗车Ф70h6mm至Φ

mm。

查《互换性技术测量应用手册》表5.1-1知计量器具不确定度允许值

=0.029mm。

查《互换性技术测量应用手册》表5.1-2，选择分度值0.02mm的游标卡尺，其不确定度U=0.02mm，U<

，可以选用。

其他工序所用量具详见工序卡。

5.5.2机械加工余量、工序尺寸及公差的确定

主轴颈工序尺寸及公差的确定

表4-1:

曲轴主轴颈的工序及公差

工序名称

工序余量

经济精度

工序尺寸及公差

铸造

Φ79±1

粗车

6.2mm

IT11

精车

1.3mm

IT8

磨削

0.5mm

0.5mm

Φ70h6

连杆轴颈工序尺寸及公差的确定

表4-2:

曲轴连杆轴颈的工序及公差

工序名称

工序余量

经济精度

工序尺寸及公差

铸造

Φ73±1

粗车

6.5mm

IT10

精车

1.3mm

IT8

磨削

0.5mm

IT8

Φ65h6

φ50-00.1mm外圆工序尺寸及公差的确定

表4-3:

曲轴φ220-0.12mm外圆的工序及公差

工序名称

工序余量

经济精度

工序尺寸及公差

铸造

Φ59±1

粗车

6.5mm

IT11

精车

1.5mm

IT8

磨削

0.5mm

IT11

φ50-00.1mm

5.6确定工时定额

曲轴主要加工表面的工序安排

曲轴的主要加工表面为主轴颈、连杆轴颈、各外圆；次要加工表面为两端面、键槽。

此外，还有还有检验、清洗、去毛刺等工序。

确定工时定额

粗车连杆轴颈至φ66.80-0.2。

（1）被吃刀量

：

取

=1mm，

（2）进给量f：

取

。

（3）机床主轴转速:

取n=600r/min

（4）切削速度：

（5）计算切削工时：

被切削层长度

=30mm

，因为粗车走刀两次，故tm=0.22min

精车连杆轴颈至φ65.50-0.2。

（1）被吃刀量

：

取

=0.65mm，

（2）进给量f：

取f=0.3mm/r

（3）机床主轴转速:

取n=800r/min

（4）切削速度：

（5）计算切削工时：

被切削层长度

=38mm

，因为粗车走刀两次，故tm=0.275min

5.7机械加工工艺规程卡片和机械加工工序卡片

5.7.1机械加工工艺过程卡片（见附件1）

5.7.2机械加工工序卡片（见附件2）

6.柴油机曲轴加工键槽夹具设计

6.1夹具结构方案的确定

6.1.1夹具类型的分析

铣床夹具主要用于加工零件上的平面、凹槽、键槽、花键、缺口及各种成形面。

由于铣削加工通常是夹具随工作台一起作进给运动，按进给方式不同铣床夹具可分为直线进给式、圆周进给式和靠模进给式三种类型。

　　这类铣床用得最多。

夹具安装在铣床工作台上，加工中随工作台按直线进给方式运动。

根据工件质量、结构及生产批量，将夹具设计成单件多点、多件平行和多件连续依次夹紧的联动方式，有时还要采用分度机构，均为了提高生产效率。

　　　圆周进给铣削方式在不停车的情况下装卸工件，一般是多工位，在有回转工作台的铣床上使用。

　　这种夹具结构紧凑，操作方便，机动时间与辅助时间重叠，是高效铣床夹具，使用于大批量生产。

　　　这种带有靠模的铣床夹具用在专用或通用铣床上加工各种非圆曲面。

靠模的作用是使工件获得辅助运动，形成仿形运动。

按主进给运动方式，靠模铣床夹具可分为直线进给和圆周进给两种。

6.1.2工件夹具定位方案的确定

轴类夹具用V型铁支撑，待工件精加工完成后，用Ø90台肩定位。

6.1.3工件夹紧形式的确定

（1）夹紧既不应破坏工件的定位，或产生过大的夹紧变形，又要有