468曲轴工艺规程及钻模夹具的设计.docx

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468曲轴工艺规程及钻模夹具的设计

摘　　要

本文介绍了曲轴加工过程中定位、装夹、加紧、钻模以及曲轴加工方面、夹具设计上的相关知识。

综述了国内外目前微型车曲轴的制造技术及发展趋势。

通过对曲轴的使用性能、工作条件、结构、技术要求的了解，对曲轴的加工工艺规程进行研究改进,提出了在加工过程中常出现的问题及改进的办法，使曲轴的精度和表面质量得到很大提高，降低了废品率，提高了劳动生产率。

并绘制夹具的二维与三维图形。

与在对国内外夹具的设计现状进行分析的基础上，针对中小企业广泛使用夹具常出现的情况，我们有必要对夹具进行设计，具有现代机床夹具设计的相关知识，这样可有效地提高夹具设计的速度和质量，从而提高企业效益。

此外，本文顺应现代机械设计发展趋势，利用Pro/E绘出曲轴及重要工序夹具的三维图。

关键词：

曲轴；夹具；设计；三维图；Pro/E

ABSTRACT

Thispaperintroducesthecrankshaftmachiningprocessoflocation、clamping、intensify、jigandtherelevantknowledgeoncrankshaftprocessingandthedesignoffixture.Reviewedthecurrentmicro-carcrankshaftmanufacturingtechnologyanddevelopmenttrends.Throughtheuseofperformance,workingconditions,structureandunderstandingofthetechnicalrequirementsofthecrankshaftprocessingimprovementsintheprocessingofthoseproblemsandimprovingthemethod,sothatthecrankshaftprecisionandsurfacequalitycanbeimprovedgreatly,reducedtherejectrate,improvedlaborproductivity.Furthermore,Iamconversingthesizeofthechain.Inconsideringthereasonablenessofthecrankshaftdesign,stressanalysisforthecrankshaftandtherelatedcalculationandverification.Inthedomesticandinternationalfixturedesignfortheanalysisofthestatusquo,basedonextensiveuseoftheregularfixture.Weneedtodesignfixture,fixturewithmoderndesignknowledge,Thiswilleffectivelyincreasethespeedfixturedesignandquality,therebyimprovingenterpriseefficiency.Inaddition,thepaperconformtothemodernmechanicaldesigndevelopmenttrends,usingthePro/Etodrawthe3Dmapofcrankshaftandtheimportantprocessesonthefixture.

Keywords：

Crank；Fixture；Design；3DMap；Pro/E

第1章绪论

1.1选题背景

微型汽车在我国有很大的市场，从0.9L到1.3L，价格也适合我国国情，同时适合正在发展的中国的现况，曲轴飞轮组结构、材料及加工手段等也在不断发展。

曲轴是内燃机中承受冲击载荷传递动力的关键零件，也是在内燃机5大件（机体、缸盖、曲轴、连杆、凸轮轴）中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。

其中任何一个环节的质量对曲轴的寿命和整机的可靠性都具有很大的影响。

因此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，最大可能地提高曲轴寿命。

曲轴质量约占内燃机质量的10%，成本约占整机的10%~12%，其材质大体可分2类：

一类是锻钢，一类是球墨铸铁。

由于球墨铸铁的切削性能良好，并可通过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。

球墨铸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，应力集中也没有钢质曲轴敏感，所以球墨铸铁曲轴在国内外得到了广泛的应用。

近年来，我国内燃机曲轴专业生产厂家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。

但是我国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。

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，及时改进和提高曲轴制造技术水准，才能制造出具有世界一流水平的内燃机曲轴，以实力参与市场竞争。

1.2国内外曲轴制造技术的发展趋势

1.2.1国外曲轴制造技术的发展趋势

1、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应力和变形状态。

在20世纪70年发达国家对新建或改建的大的专业锻造厂点，大都是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，随着计算机辅助设计（ComputerAidedDesign，简称CAD）、计算机辅助制造（ComputerAidedManufacturing，简称CAM）的广泛采用，管理信息系统和集成生产系统的引入，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。

2、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。

曲轴的磨削广泛在全数控、全封闭自动在线进行。

广泛采用圆角滚压工艺强化圆角，轴颈抛光广泛采用砂带抛光机。

曲轴动平衡采用自动线，一般均为计算机控制，进行自动测量和修正。

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。

3、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的应用于曲轴。

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（Deganit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、圆角滚压复合强化等也将会得到广泛应用。

1.2.2国内曲轴制造技术的发展趋势

目前国内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。

粗加工设备多采用多刀车床车削曲轴主轴颈及拐颈，工序的质量稳定性差，容易产生较大的内应力，难以达到合理的加工余量。

一般精加工采用MQ8260等曲轴磨床粗磨-半精磨-精磨-抛光，通常靠手工操作，加工质量不稳定。

曲轴的热处理关键技术是表面强化处理。

球墨铸铁曲轴一般均采用正火处理，为表面处理做好组织准备，表面强化处理一般采用感应淬火或氮化工艺。

锻钢曲轴则采用轴颈与圆角淬火工艺。

引进的设备有AEG全自动曲轴淬火机床、EMA淬火机床等。

而在近几年里，国内制造技术将向以下方向发展：

1、锻造艺术

（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。

计算机的广泛应用对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,发挥着重要的作用[1]。

（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资料并与定值比较，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，电液对击锤也就应运而生了。

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，技术水准高，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。

2、机械加工技术

曲轴粗加工将广泛采用数控车床、CNC（Computerizednumericalcontrol）数控内铣床、CNC车削、拉削机床等先进设备对主轴颈、连杆轴颈进行数控车削、内铣削、车削、拉削加工，以有效的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,实现砂轮自动修整、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，减少输送中的人为碰撞，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抗疲劳强度。

3、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，将采用微机监控死循环中频感应加热装置，该装置的特点主要为：

能动态的显示系统工况，具有多任务、多窗口及动态数据交换等功能，操作方便；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；记录实时及历史趋势曲线，记录打印装置运行过程中某一范围内的各项参数，主要用于档案管理及过程分析；报警功能，当某项关键参数达到相应极限值时自动报警。

该装置具有高效率，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[2]。

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、生产率高等显著特点，具有较高的实用性和应用推广前景。

（3）曲轴表面强化技术

为了大幅度提高曲轴的抗疲劳强度，圆角滚压强化将大量应用于曲轴加工中。

另外，曲轴圆角滚压强化和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。

1.3选题的目的和意义

了解曲轴飞轮组的功用及工作条件和受力情况，及了解相关零部件的材质及加工和使用特点。

确定加工工艺方案，通过对加工工艺方案的改进及加工工艺分析，提出相应加工方案，从而达到对曲轴飞轮组在发动机运转的工况了解和原理认知，为将来设计发动机打下坚实基础。

同时了解机床夹具的功用、组成和分类。

以及机床夹具设计的步骤和方法，夹具总图的设计和绘制方法，及了解曲轴三维图的画法。

曲轴是发动机中承受冲击载荷，传递动力的重要零件，在发动机五大件中最难以保证加工质量。

由于曲轴工作条件恶劣，因此对曲轴工艺规程的编制、夹具的选择都要有严格的要求。

如果其中任何一个环节质量没有得到保证，则可严重影响曲轴的使用寿命和整机的可靠性，因此我们应不断改进曲轴加工工艺。

我国曲轴专业生产厂家不是很多，且整体规模小、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，这些都影响了整机适应国内及国际市场的能力。

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，及时改进和提高曲轴制造技术水准，才能制造出具有世界一流水平的内燃机曲轴，以实力参与市场竞争。

1.4课题研究的主要内容

本设计主要是通过了解曲轴飞轮组的功用及工作条件和受力情况，以及了解相关零部件的材质及加工和使用特点。

确定加工工艺方案，通过对加工工艺方案的改进及加工工艺的分析，提出相应加工方案。

通过了解机床夹具的功用，分类，组成以及在设计中应注意的问题，完成机床夹具总图与零件图的设计和绘制。

另外，了解目前曲轴制造业的一些情况及其未来的发展趋势，熟悉曲轴夹具设计的相关知识。

从设计方法、结构原理、材料及应用等方面分析曲轴加工技术，提出自己的设计思想、加工方法及改进方法。

第2章曲轴加工工艺研究及钻模夹具的设计

2.1概述

2.1.1曲轴使用的性能与工作条件

曲轴是将直线运动变成旋转运动，或将旋转运动变成直线运动的零件。

它是往复式发动机、压缩机、剪切机与冲压机械的重要零件。

曲轴工作时要承受很大的扭应力及大小和方向都在不断变化的弯曲应力的作用，因此曲轴应具有足够的强度和支承刚性。

曲轴工作时的旋转速度很高，曲轴的轴颈和连杆轴颈需要足够的耐磨性，且曲轴的质量分布应当平衡，以防因不平衡而产生离心力使曲轴承受附加载荷。

多拐曲轴是多个曲柄连杆机构的组合，主轴颈和连杆轴颈不在同一条在线，各连杆轴颈间应有一定的角度位置要求，曲轴在各个连杆轴颈处形成了多个开檔，因此曲轴设计时应根据这些特点，正确确定其结构及尺寸、位置、形状精度，满足曲轴使用性能要求。

2.1.2曲轴的结构与技术要求

1、曲轴的结构

根据上述的使用要求及结构特点，可以看出曲轴是一个形状复杂、结构细长、多曲拐、刚性极差、技术要求高的异形轴类零件。

2、曲轴的主要技术要求

为了保证曲轴的正常工作，对曲轴规定了严格的技术要求。

其主要技术要求如下：

主轴颈和连杆轴颈的尺寸精度通常为IT6~IT7，同轴度允许偏差0.015mm，表面粗糙度

值为0.2~0.4um。

轴颈长度公差等级IT9~IT10。

轴颈的形状公差，如圆度、圆柱度控制在尺寸公差之内。

本次设计圆柱度公差为0.005。

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，中大型低速轴为0.03～0.08mm；各连杆轴颈的位置度不大于±20°。

本设计中各连杆轴颈的轴心线应与主轴颈中心线在同一平面内，位置公差为0.2。

2.1.3材料与毛坯

曲轴工作时要承受很大的转矩及交变的弯曲应力，容易产生扭振、折断及轴颈磨损，因此要求所用材料应有较高的强度、疲劳强度和耐磨性。

对于材料的选择有一定的要求：

一般曲轴为35、40、45钢或球墨铸铁QT600-2；对于高速、重载曲轴，可采用35CrMoAl、42Mn2V等材料。

本次设计曲轴所采用的材料为45钢。

曲轴是发动机的重要零件，在工作时承受很大的扭矩以及大小和方向都在变化的弯曲应力。

为增强曲轴的强度，其毛坯一般采用锻造毛坯，对于复杂的曲轴也可采用铸造毛坯。

曲轴的毛坯根据批量大小、尺寸、结构及材料品种来决定。

本次设计的曲轴是批量较大的小型曲轴，采用模锻。

2.2曲轴加工工艺分析

2.2.1曲轴加工工艺过程

曲轴的材料为45钢，经模锻和调质处理，发动机为4缸驱动，因此曲轴可分为4段曲轴，小头连齿轮及凸轮：

大头为动力输出。

其加工工艺过程如表2.1所示。

表2.1工序目录表

工序号

工序名称

设备名称

110

铣两端面、钻中心孔

铣端面钻中心孔机床

130

检查

150

铣工艺定位面

双柱铣床

170

粗车各主轴颈

数控车床

190

半精车各主轴颈

数控车床

210

铣定位基准面

铣床

230

粗车各连杆轴颈

数控车床

250

半精车各连杆轴颈

数控车床

270

钻、铰工艺孔

专用钻床

290

钻油孔

深孔组合钻床

310

清洗

330

中间检查并热校正

350

粗磨各主轴颈

数控磨床

370

粗磨各连杆轴颈

数控磨床

390

精磨各主轴颈

数控磨床

410

精磨各连杆轴颈

数控磨床

430

铣键槽

键槽铣床

450

磁力探伤

470

倒角、去毛刺

490

中间检查

510

校直

油压机

530

动平衡检查

动平衡机

550

粗抛光各轴颈

抛光机床

570

精抛光各轴颈

抛光机床

590

清洗

清洗机

610

尺寸检验

630

最终检查

2.2.2定位基准的选择

1、基准的概念：

在构成零件形状的点、线、面中，总有这样的一些点、线、面是用以确定其它点、线、面相对位置或方向的，这样的一些点、线、面称作基准。

选择基准是加工的第一步。

2、粗基准的选择：

精基准选定之后，就应在最初的工序中把这些精基准的基面加工出来。

这时，工件的各个表面均为经过加工，选择粗基准时，主要要求保证各加工表面有足够的余量，一般应考虑下列原则：

（1）如果必须首先保证工件上各表面加工余量均匀，则应选择此种表面为粗基准。

（2）若在设计上要求保证加工面与不加工面间的相互位置精度，则应选不加工面为粗基准。

（3）作为粗基准的表面，应尽量平整光洁，有一定面积，不能有飞边、浇口、冒口或其它缺陷，以使工件定位可靠、夹紧方便。

（4）粗基准一般只在第一工序中使用一次，以尽量避免重复使用。

因为毛坯面粗糙且精度低，重复使用将产生较大的误差。

3、精基准的选择：

选择精基准时，考虑的重点是有利于保证工件的加工精度并使装夹准确、牢固、方便。

其选择的原则有：

（1）基准重合原则：

应尽量选用零件的设计基准作为定位基准，以避免定位基准与设计基准不重合而引起的定位误差。

（2）基准统一原则：

应尽可能采用同一组基准定位加工零件上尽可能多的表面，这就是基准统一的原则。

（3）互为基准原则：

当对工件上两个相互位置精度要求很高的表面进行加工时，需要用两个表面互相作为基准，反复加工，以保证位置精度要求。

（4）自为基准原则：

某些加工工序，加工余量小而不均匀，常选择加工表面本身作为定位基准。

4、基准的选择

曲轴本身的结构特点是主要表面的位置精度要求都决定了以轴线为定位基准是最理想的。

这样既基准统一，又基准重合。

在曲轴加工工艺过程中，除了主要表面的加工外，还有基准的准备与转换的有关工序。

在机加工开始，先以第二、四主轴颈定位（粗基准）加工两端面和中心孔，就是为后续工序准备精基准，用曲轴的两中以孔来定位即可。

在选择第一道工序的定位基准时，应考虑以后各道工序中都应保持基准不变的原则。

在不能保持各工序基准统一的情况下，对有关工序应通过计算工艺尺寸，并根据尺寸链原理给出它们的极限偏差。

工艺基准选定后，还应考虑夹紧方式，并用定位、夹紧符号在工艺简图上标明。

5、选择工艺定位基准必须遵循的原则

（1）尽可能选用设计基准作为工艺定位基准，以保证基准统一，避免或减少定位误差。

（2）在工件的各个主要加工工序中，尽可能使各加工表面选用同一基准，尤其是有相互位置精度要求的表面更应如此。

（3）粗加工后定位基准应尽量选用不加工或加工余量小的平整面，可提高加工精度。

（4）精加工工序定位基准应是已加工表面。

（5）所选用的定位基准应保证必须使工件定位、夹紧方便、加工时稳定可靠。

主要定位基准面应尽量选用工件上较大的表面。

（6）所选用的定位基准面应保证工件在一次安装中能加工出尽可能多的表面，以保证各加工表面间的位置精度和提高加工效率。

2.2.3加工工序的安排

1、加工顺序的安排

先粗后精：

先安排粗加工，中间安排半精加工，最后安排精加工和光整加工。

本文的曲轴是先粗加工、半精加工各轴颈，然后再安排精加工和光整加工。

先主后次：

先安排主要表面的加工，后安排次要表面的加工。

曲轴的主要加工表面为主轴颈、连杆轴颈、各轴颈与轴肩端面间的圆角等；次要加工端面为键槽、斜油孔、法兰端面螺栓孔及回油螺纹等。

先基面后其它面：

加工开始，首先应该把精基准加工出来。

如果精基准不只一个，应该按照基准转换的顺序逐个进行加工。

曲轴的工艺基准依次为中心孔、曲柄上的定位平台及法兰上的定位孔、作轴向定位的轴肩。

作为精基准的中心孔应该首先加工，加工两端面及中心孔时以两端主轴颈和中间轴颈开档作为粗基准。

曲柄定位平台应在连杆轴颈加工之前进行。

粗加工主轴颈时要以中间主轴颈作为辅助支承，所以中间主轴颈的加工应该在其它轴颈之前，进行粗加工和半精加工。

2、热处理及辅助工序的安排

包括轴颈淬火、平衡、探伤、校直、检验、清洗等工序。

淬火放在轴颈精加工之前，平衡放在精加工之后，毛坯探伤放在粗加工之前，磁力探伤主要用来检查零件的细微裂纹和其它缺陷。

磁力探伤一般安排在精加工之后。

校直放在容易引起弯曲变形的工序后进行。

检查分中间检查和最终检查，中间检查放在重要工序之后。

零件全部加工完毕后，进行最终检验。

最后清洗一般放在曲轴光整加工之后，最终检验工序之前进行。

3、加工阶段的划分

曲轴的结构比较复杂，精度要求高，表面粗糙度值小，所以不能在几个工序内全部完成所有表面的加工。

对于曲轴，总是先粗加工而后再精加工。

粗加工主要是用来高效地切掉大部分余量，精加工是为了达到规定的精度和表面粗糙度。

因此，按加工性质的不同，将主要表面的加工，一般划分为粗加工、半精加工、精加工和光整加工四个阶段。

2.3夹具的设计

2.3.1夹具的定义和作用

1、夹具的定义：

夹具是用以装夹工件的装置。

机械制造过程中广泛地使用各种夹具，包括机床夹具、装配夹具、焊接夹具、热处理夹具、检验夹具等。

机床夹具用于切削加工。

在切削加工中，用以固定加工对象，使之定位。

机床、夹具、刀具、工件在加工时组成加工系统，工件实现定位和夹紧。

2、夹具的作用：

保证加工精度；减少安装工件的辅助时间，提高劳动生产率；改善劳动条件，减少劳动量和劳动强度；降低加工成本，扩大机床的使用范围；保证安全生产等[3]。

2.3.2夹具的分类

机床夹具一般按适用对象、使用特点、使用机床和动力源分类。

具体说来，有：

1、通用夹具：

用以加工两种或两种以上工件的同一夹具。

特点：

能较好地适应加工工序和加工对象的变换，一般结构均已定型，尺寸、规格系列化。

2、专用夹具：

专为某一工件的某一工序而设计的夹具。

我们设计的钻模夹具就是专用夹具的一种。

3、可调夹具：

通过调整或更换个别零、部件，能适用多种工件加工的夹具。

特点：

夹具的使用对象在设计前并不非常确定，通用性范围大。

4、成组夹具：

根据成组技术原理设计的用于成组加工的夹具。

设计成组夹具的前提是成组工艺。

特点：

只需对个别定位和夹紧组件进行调整或更换，即可用于加工成组内的所有零件。

5、组合夹具：

由可循环使用的标准夹具零、部件组