柴油机曲轴的加工工艺设计.docx

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柴油机曲轴的加工工艺设计

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。

本课题仅175Ⅱ型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

Crankshaftisoneofthekeypartsofacarengine,itsperformancehasadirectimpactonthequalityandlifeofautomotiveengines.Crankshaftbearingthegreatestloadintheengineandallpower,understrongdirectionchangingmomentandtorque,whilewithstandthewearlonghigh-speedoperation,thusrequiringhighrigiditycrankmaterials,fatiguestrengthandgoodwearresistance.Theroleoftheenginecrankshaftisreciprocatingpistonlinearmotionintorotarymotionthroughtheconnectingrod,enablingtheenginefromthechemicalenergyintomechanicalenergyoutput.

Thisissueonly175Ⅱdieselenginecrankshaftmachiningprocessanalysisanddesignarediscussed.Thedevelopmentofprocessroutesisthekeyprocessplanningstageofdevelopmentistheprocesstoformulatethedesignrules.Thewritingprocessrouteisreasonableornot,willnotonlyaffecttheprocessingqualityandproductivity,butalsoaffecttheworkers,equipment,technicalequipmentandproductionfacilitiessuchastherationaluse,thusaffectingproductioncosts.

Therefore,thisdesignisacarefulanalysisoftechnicalrequirementsandcrankshaftmachiningprecision,therationallydeterminetheroughtype,throughaccesstorelevantreferencebooks,manuals,diagrams,standardsandothertechnicaldata,todeterminetheprocessoflocatingdatum,machiningallowances,processdimensionsandtolerances,culminatinginacrankshaftmachiningprocessescard.

Keywords:

EngineCrankshaftProcessAnalysisProcessDesign

第一章概述

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（旋转）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。

发动机机体是构成发动机的骨架，是发动机各机构和各系统的安装基础，其内、外安装着发动机的所有主要零件和附件，承受各种载荷。

机体组主要由气缸体、曲轴箱、气缸盖等零件组成。

1.1汽缸体

水冷发动机的气缸体和上曲轴箱常铸成一体，气缸体一般用灰铸铁铸成，气缸体上部的圆柱形空腔称为气缸，下半部为支承曲轴的曲轴箱，其内腔为曲轴运动的空间。

在气缸体内部铸有许多加强筋，冷却水套和润滑油道等。

1.2曲轴箱

气缸体下部用来安装曲轴的部位称为曲轴箱，曲轴箱分上曲轴箱和下曲轴箱。

上曲轴箱与气缸体铸成一体，下曲轴箱用来贮存润滑油，并封闭上曲轴箱，故又称为油底壳。

油底壳受力很小，一般采用薄钢板冲压而成，其形状取决于发动机的总体布置和机油的容量。

油底壳内装有稳油挡板，以防止汽车颠动时油面波动过大。

油底壳底部还装有放油螺塞，通常放油螺塞上装有永久磁铁，以吸附润滑油中的金属屑，减少发动机的磨损。

在上下曲轴箱接合面之间装有衬垫，防止润滑油泄漏。

1.3曲轴箱

气缸盖安装在气缸体的上面，从上部密封气缸并构成燃烧室。

它经常与高温高压燃气相接触，因此承受很大的热负荷和机械负荷。

水冷发动机的气缸盖内部制有冷却水套，缸盖下端面的冷却水孔与缸体的冷却水孔相通。

利用循环水来冷却燃烧室等高温部分。

缸盖上还装有进、排气门座，气门导管孔，用于安装进、排气门，还有进气通道和排气通道等。

汽油机的气缸盖上加工有安装火花塞的孔，而柴油机的气缸盖上加工有安装喷油器的孔。

顶置凸轮轴式发动机的气缸盖上还加工有凸轮轴轴承孔，用以安装凸轮轴。

气缸盖一般采用灰铸铁或合金铸铁铸成，铝合金的导热性好，有利于提高压缩比，所以近年来铝合金气缸盖被采用得越来越多。

而作为发动机上的一个重要的旋转机件——曲轴，其加工方法仍有一般轴的加工规律，如铣两端面，钻中心孔，车、磨及抛光，但是曲轴也是有它的特点，它由主轴颈，连杆轴颈与连杆轴颈之间的连接板组成，其结构细长、曲拐多、刚性差，因而安排曲轴加工工艺应采取相应的工艺措施。

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。

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。

第二章曲轴工艺设计

2.1分析零件图

2.1.1零件的作用

曲轴是汽车发动机中的重要零件，它与连杆配合将作用在活塞上的气体压力变为旋转的动力，传给底盘的传动机构，同时，驱动配气机构和其它辅助装置。

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，同时，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。

2.1.2零件的工艺分析

曲轴图样的视图、尺寸、公差和技术要求齐全、正确；零件选用材料为QT800-2，该材料具有较高的强度、韧性和塑性，切削性能良好；结构工艺性比较好。

根据各加工方法的经济精度及一般机床所能达到的位置精度，该零件没有很难加工的表面，上述各表面的技术要求采用常规加工工艺均可以保证。

2.2确定生产类型

已知零件的年生产纲领为120000件，零件质量3.76kg，由《机械制造工艺及设备设计指导手册》表15—2可确定其生产类型为大量生产。

故初步确定工艺安排的基本倾向为：

加工设备以自动化和专用设备为主，通用设备为辅；机床按流水线或自动线排列；广泛采用专用量具、量仪和自动检验装置。

这样生产效率高。

2.3确定毛配

2.3.1零件的工艺分析

根据零件材料确定毛坯为铸件。

并依其结构形状、尺寸大小和生产类型，毛坯的铸造方法选用金属模机械砂型铸造。

根据《机械制造工艺及设备设计指导手册》表15—5铸件尺寸公差等级采用CT9级。

2.3.2零件的工艺分析

根据《机械制造工艺及设备设计指导手册》表15—7，取加工余量为MA-G级。

查《机械制造工艺及设备设计指导手册》表15—8确定各表面的铸件机械加工余量。

对于金属模机械砂型铸造，根据《机械制造工艺及设备设计指导手册》表15—9铸件最小孔的直径，故本零件上的孔不铸出。

2.3.3画铸件、加工图纸（附件）

第三章机械加工工艺过程设计

3.1机械加工工艺过程设计

3.1.1选择表面加工方法

根据各表面加工要求和各种加工方法所能达到的经济精度，查《机械制造工艺及设备设计指导手册》表15—32～表15—34选择零件主要表面（依次为从长头到短头）的加工方法与方案如下：

<1>M36X2螺纹：

粗车（IT12）—精车（IT6）—割槽Ф33X4.8（IT11）—车螺纹M36X2。

<2>1：

8圆锥面：

粗车（IT12）—半精车（IT10）—铣键槽12N9（IT8）—磨削（IT6）。

<3>Ф45圆柱面：

粗车（IT12）—半精车（IT10）—磨削（IT6）—抛光（IT5）。

<4>Ф50圆柱面：

粗车（IT12）—半精车（IT10）—割槽Ф47X2.2—粗磨（IT7）—精磨（IT6）。

<5>Ф60圆柱面：

粗车（IT12）—半精车（IT10）。

<6>K面：

铣（IT9）—钻孔4—Ф8（IT12）—铰孔4—Ф8（IT9）—钻孔2—M10（IT12）—攻丝2-M10。

<7>Ф45连杆颈圆柱面：

粗车（IT12）—半精车（IT10）—粗磨（IT7）—精磨（IT6）—抛光（IT5）。

<8>Ф14.2斜孔：

钻（IT12）。

<9>Ф5斜油孔：

钻（IT12）—抛光（IT8）。

<10>Ф60圆柱面：

粗车（IT12）—半精车（IT10）。

<11>Ф50圆柱面：

粗车（IT12）—半精车（IT10）—粗磨（IT7）—精磨（IT6）。

<12>Ф40圆柱面：

粗车（IT12）—半精车（IT10）—割槽Ф38.5X3（IT10）—铣键槽5N9（IT8）—粗磨（IT7）—精磨（IT6）。

<13>Ф19孔：

钻孔Ф18.5（IT12）—铰孔Ф19（IT8）。

<14>M6螺纹：

钻孔2—Ф5（IT12）—攻丝2-M6。

3.1.2确定工艺过程方案

（1）拟定方案

由于各表面加工方法已基本确定，现按照“先粗后精”、“先主后次”、“先面后孔”、“基准先行”的原则，初步拟定两种工艺过程方案，见表1.1。

表1.1工艺过程方案

方案Ⅰ

方案Ⅱ

工序号

工序内容

工序号

工序内容

毛坯

毛坯

10

按铸件要求检验

10

批量毛坯抽检

20

热处理

20

铣两端面

30

批量毛坯抽检

30

钻中心孔B5

40

铣两端面

40

检测曲轴硬度

方案Ⅰ

方案Ⅱ

工序号

工序内容

工序号

工序内容

50

钻中心孔B5

50

粗车短头，依次为Ф40h6，Ф50k6，Ф60

60

检测曲轴硬度

60

粗车长头，依次为M36X2，1：

8圆锥面，Ф45h9，Ф50m6,Ф60

70

粗车短头，依次为Ф40h6，Ф50k6，Ф60

70

精车短头，依次为Ф40h6，Ф50k6，Ф60

80

粗车长头，依次为M36X2，1：

8圆锥面，Ф45h9，Ф50m6,Ф60

80

精车长头，依次为M36X2，1：

8圆锥面，Ф45h9，Ф50m6,Ф60

90

车开档，粗车连杆颈Ф45

90

割槽Ф38.5X3,割槽Ф33X4.8,割槽Ф47X2.2

100

精车短头，依次为Ф40h6，Ф50k6，Ф60,割槽Ф38.5X3

100

车开档

110

精车长头，依次为M36X2，1：

8圆锥面，Ф45h9，Ф50m6,Ф60,割槽Ф33X4.8,割槽Ф47X2.2

110

粗、精车连杆颈Ф45

120

精车连杆颈Ф45

120

钻孔Ф14.2

130

钻孔Ф14.2

130

钻斜油孔Ф5

140

钻斜油孔Ф5

140

钻孔Ф18.5，铰孔Ф19

150

钻孔Ф18.5，铰孔Ф19

150

修正中心孔

160

修正中心孔

160

粗磨两端主轴颈Ф50

170

按工艺要求进行中间检验

170

粗磨连杆颈Ф45

180

粗磨两端主轴颈Ф50

180

铣键槽5N9

190

粗磨连杆颈Ф45

190

铣键槽12N9

200

铣键槽5N9

200

铣K面

210

铣键槽12N9

210

钻铰4—Ф8

220

铣K面

220

钻攻2—M10

230

钻铰4—Ф8

230

钻攻2—M6

240

钻攻2—M10

240

精磨主轴颈Ф50k6，Ф50m6，磨Ф45h9

250

钻攻2—M6

250

精磨连杆颈Ф45

260

精磨主轴颈Ф50k6，Ф50m6，磨Ф45h9

260

磨1：

8圆锥面

270

精磨连杆颈Ф45

270

车螺纹M36X2

280

磨Ф40h6

280

油孔Ф5抛光

290

磨1：

8圆锥面

290

在N处打厂标及检验标记

300

车螺纹M36X2

300

探伤

方案Ⅰ

方案Ⅱ

工序号

工序内容

工序号

工序内容

310

油孔Ф5抛光

310

清洗

320

探伤

320

氮化

330

检验各相关尺寸

330

抛光连杆颈、油封档

340

在N处打厂标及检验标记

340

清洗、检验、包装

360

氮化

370

按氮化工艺要求检验

380

抛光连杆颈、油封档

390

清洗、检验、包装

（2）方案论证

方案Ⅰ的优点在于基本遵循粗精加工划分阶段的原则。

方案Ⅱ的不足之处是加工过程中的检验太少，不利于控制曲轴的加工质量。

根据以上分析，确定方案Ⅰ为曲轴零件加工的工艺路线。

3.2选择加工设备而被与工艺装备

3.2.1选择机床

考虑到大量生产，尽量选用高效机床。

①工序070、080、090、100均为圆柱面的车削加工，用GSK6136-2广州数控车床加工方便且效率高。

②工序180、190、260、270、280、290均为圆柱面的磨削加工，用J4MM1420A×500万能外圆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：

C6140卧式车床、X5330B数显万能钻铣床等。

3.2.2选择夹具

考虑到大量生产，均采用专用夹具。

3.2.3选择刀具

①在车床上加工的工序，均采用YG6硬质合金外圆车刀，并尽量采用成形车刀。

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在万能钻铣床上加工的工序，均选用麻花钻和机用丝锥。

3.2.4选择量具

工序070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Ф40h6mm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U1=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

其他工序所用量具详见工序卡片。

3.3确定工序尺寸

径向各圆柱表面加工时的工艺基准与设计基准重合。

前面根据资料已初步确定工件各面的总加工余量，现依据《机械制造工艺及设备设计指导手册》第十五章有关资料确定各表面精加工、半精加工余量，由后向前推算工序尺寸，并确定其公差，见表1.2。

表1.2各表面工序尺寸及公差

加工内容

加工余量

精度等级

表面粗糙度Ra（µｍ）

M36X2螺纹

铸件

车螺纹

精车

半精车

粗车

5

0.4

1.0

3.6

IT9

IT6

IT10

IT12

0.8

6.3

12.5

1：

8圆锥面

铸件

磨削

半精车

粗车

5

0.4

.0

3.6

CT9

IT6

IT10

IT12

0.8

6.3

12.5

Ф45油封档

铸件

研磨

磨削半精车

5

0.4

1.0

CT9

IT6

IT10

0.8

0.8

6.3

加工表面

加工内容

加工余量

精等级

表面粗糙度Ra（µｍ）

Ф45油封档

粗车

3.6

IT12

12.5

Ф50主轴颈（长头）

铸件

精磨

粗磨

半精车

粗车

5

0.2

0.6

1.1

3.1

CT9

IT6

IT7

IT10

IT12

0.8

0.8

6.3

12.5

Ф60（长头）

铸件

半精车

粗车

5

1.1

3.9

CT9

IT10

IT12

6.3

12.5

Ф60（短头）

铸件

半精车

粗车

5

1.1

3.9

IT9

IT10

IT12

6.3

2.5

Ф50主轴颈（短头）

铸件

精磨

粗磨

半精车

粗车

5

0.2

0.6

1.1

3.1

CT9

IT6

IT7

IT10

IT12

0.8

0.8

6.3

12.5

6.3

Ф40圆柱面

铸件

精磨

粗磨

半精车

粗车

5

0.2

0.6

1.0

3.2

CT9

IT6

IT7

IT10

IT12

0.8

0.8

6.3

12.5

加工表面

加工内容

加工余量

精度等级

表面粗糙度Ra（µｍ）ｍ）

Ф45连杆颈

铸件

研磨

精磨

粗磨

半精车

粗车

5

0.2

0.6

1.0

3.2

CT9

IT5

IT6

IT7

IT10

IT12

0.4

0.8

0.8

6.3

12.5

4—Ф8孔

铰孔

钻孔

0.2

7.8

IT8

IT12

1.6

12.5

2-10X1.25

攻丝

钻孔

8.8

IT12

12.5

Ф19孔

铰孔

钻孔

0.5

18.5

IT8

IT12

1.6

12.5

2—M6

攻丝

钻孔

5

IT12

12.5

Ф14.2斜孔

钻孔

14.2

IT12

12.5

Ф5斜油孔

抛光

钻孔

5

IT8

IT12

0.8

12.5

3.4确定切削用量及时间定额

3.4.1工序070（粗车短头）切削用量及时间定额

本工序选用C6140卧式车床，拨盘、顶尖装夹，分三个工步：

工步1为车Ф40h6，工步2为车Ф50k6主轴颈，工步3为车Ф60。

加工后表面粗糙度为Ra≤12.5µｍ。

（1）工步1粗车Ф40h6

1）选择刀具

①选择外圆车刀。

②根据《切削用量简明手册》表1.1，由于车床的中心高为200mm（表1.30），故选刀杆尺寸BXH=16mmX25mm，刀片厚度为4.5mm。

③根据《切削用量简明手册》表1.2，可选择YG6牌号硬质合金。

④车刀几何形状（见表1.3），选择平面带倒棱前刀面，κr=60°，κr′=10°，α。

=6°，γ。

=12°，λs=—10°，γε=0.8mm，γ01=—10°，by1=0.4mm。

2）选择切削用量

①确定切削深度αp由于粗加工余量仅为1.6mm，可在一次走刀内切完，故

αp=（45—41.8）/2mm=1.6mm

②确定进给量f根据《切削用量简明手册》表1.6，在粗车铸铁、表面粗糙度Ra=12.5μm时

f=0.25～0.40mm/r

按C6140卧式车床说明书选择

f=0.36mm/r

③选择车刀磨钝标准及寿命根据《切削用量简明手册》表1.9，车刀后刀面最大磨损量取为1.0mm，车刀寿命T=60min。

④确定切削速度Vc切削速度Vc可根据公式计算，也可直接由表中查出。

根据《切削用量简明手册》表1.27

（1—1）

式中

=

故Vc=69.6m/minn=492r/min

按C6140卧式车床说明书，选择n=500r/min，这时Vc=110m/min。

最后决定的车削用量为

αp=1.6mm，f=0.36mm/r，n=500r/min，Vc=110m/min。

（1-2）

3）计算基本工时

式中L=l+y+△，l=12mm，根据《切削用量简明手册》表1.26，车削时的入切量及超切量y+△=2.1mm，则L=12+2.1mm=14.1mm，故tm=0.08min

（2）工步2粗车Ф50k6主轴颈

1）选择刀具

①选择外圆车刀。

②根据《切削用量简明手册》表1.1，由于车床的中心高为200mm（表1.30），故选刀杆尺寸BXH=16mmX25mm，刀片厚度为4.5mm。

③根据《切削用量简明手册》表1.2，可选择YG6牌号硬质合金。

④车刀几何形状（见表1.3），选择平面带倒棱前刀面，

κr=60°，κr′=10°，α。

=6°，γ。

=12°，λs=—10°，rε=0.8mm，γ01=—10°，by1=0.4mm。

3.4.2工序130（钻孔Ф14.2）切削用量及时间定额

本工序选用万能数显钻铣床，专用夹具装夹。

（1）选择刀具

选择高速钢麻花钻头，其直径d。

=