曲轴夹具相关数据资料.docx
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曲轴夹具相关数据资料
曲轴属异形轴，是发动机上的重要零件。
该零件加工面数量多，对位置、形状、尺寸精度有较高要求。
其加工质量直接影响工作性能。
本设计针对某柴油机厂生产的S195-05006型曲轴零件进行零件分析，制定工艺规程和工序尺寸。
选择铣端面打中心孔工序进行组合机床总体设计，给出机床结构方案、配置类型和机床联系尺寸，绘制所选工序图和零件加工示意图，确定夹具外形轮廓尺寸，并制定定位方案，选择夹紧元件，进行专用夹具设计，夹紧可靠，定位稳定。
组合机床与专用夹具的配套设计，便于流水线生产，实现生产自动化。
节约成本，提高生产率。
目录
第1章概述…………………………………………………………………………1
第2章零件分析……………………………………………………………………3
2.1曲轴的结构特点…………………………………………………………3
2.2零件的技术要求…………………………………………………………4
2.3设计要求………………………………………………………………4
第3章工艺规程的制定……………………………………………………………5
3.1S195-05006曲轴材料及毛坯…………………………………………5
3.2生产类型及工艺特征…………………………………………………5
3.3定位基准的选择………………………………………………………6
3.4工艺路线的拟定………………………………………………………6
3.5毛坯机械加工余量及工序尺寸确定…………………………………7
第4章铣端面打中心孔组合机床的总体设计…………………………………10
4.1组合机床结构方案的确定……………………………………………10
4.2铣端面打中心孔组合机床配置型式的选择…………………………10
4.3被加工零件工序图……………………………………………………11
4.4被加工零件加工示意图………………………………………………13
4.5组合机床联系尺寸图的绘制…………………………………………15
第5章专用夹具设计………………………………………………………………19
5.1组合机床专用夹具的特点……………………………………………19
5.2组合机床夹具设计步骤………………………………………………20
5.3夹具定位支承系统……………………………………………………20
5.4夹紧机构………………………………………………………………22
5.5铣床夹具设计要点……………………………………………………24
第6章对刀装置工作原理………………………………………………………25
结论…………………………………………………………………………………26
参考文献……………………………………………………………………………27
致谢…………………………………………………………………………………28
第1章概述
曲轴是柴油机中的关键零件之一，其材质大体分为两类：
一是钢锻曲轴，二是球墨铸铁曲轴。
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，且机械加工余量随铸造工艺水平的提高而减小。
球铁的切削性能良好，并和钢制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，应力集中也没有钢制曲轴来的敏感。
所以球墨铸铁曲轴在国内外得到广泛采用。
本次设计中曲轴的材质为球铁。
从目前整体水平来看,毛坯的铸造工艺存在生产效率低，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。
从以下几个工艺环节采取措施对提高曲轴质量具有普遍意义。
①熔炼国内外一致认为,高温低硫纯净铁水的获得是生产高质量球铁的关键所在。
为获得高温低硫磷的纯净铁水，可用冲天炉熔化铁水，经炉外脱硫，然后在感应电炉中升温并调整成分。
②球化处理③孕育处理冲天炉熔化球铁原铁水,对铜钼合金球铁采用二次孕育。
这对于防止孕育衰退，改善石墨形态，细化石墨及保证高强度球铁机械性能具有重要作用。
④合金化 配合好铜和钼的比例对形成珠光体组织十分有利,可提高球铁的强度,而且铜和钼还可大大降低球铁件对壁厚的敏感性。
⑤造型工艺 气流冲击造型工艺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无反弹变形量的特点,这对于多拐曲轴尤为重要。
⑥浇注冷却工艺 采用立浇—立冷，斜浇—斜冷、斜浇—反斜冷三种浇注方式较为理想,其中后一种最好。
斜浇—反斜冷的优点是：
型腔排气充分，铁水充型平稳，浇注系统撇渣效果好，冒口对铸件的补缩效果好，适应大批量流水线生产。
目前，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。
曲轴的关键技术项目仍与国外相差1～2个数量级。
国外的机加工工艺大致可归纳为如下几个特点。
①广泛采用数控技术和自动线，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，切削液分粗加工与精加工两段集中供应和回收处理。
②曲轴的主要加工工序基准中心孔，一般采用质量定心加工方式，这样在静平衡时，加工量很少。
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国外的曲轴磨床均采用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功能，使曲轴的磨削精度和效率显著提高。
⑤油孔的加工采用鼓轮钻床和自动线，近几年随着枪钻技术的应用，油孔的加工大多已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多秒，粗糙度可达Ra0.4以下，大大减小了发动机的磨合期。
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检验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、显示和打印。
⑨曲轴的清洗采用专用精洗机定点定位清洗，保证了曲轴清洁度要求。
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可自动调节，使圆角处产生最佳的残余压应力，提高了曲轴的疲劳强度。
曲轴热处理的关键技术是表面强化处理。
一般均正火处理，为表面处理作好组织准备。
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。
球铁曲轴具有诸多优点，国内外广泛采用。
但整体水平与国外还有相当差距，除生产规模小、管理落后外，主要差距仍是制造工艺的落后。
借鉴国外的先进技术和工艺方法是提高我国曲轴制造水平的捷径。
制定工艺规程的思路是：
①收集和熟悉制定工艺规程的有关资料图样，进行零件的结构工艺性；②确定毛坯的类型及制造方法；③选择定位基准；④拟定工艺路线；⑤确定各工序的工序余量、工序尺寸及其公差；⑥确定各工序的设备，刀具、夹具、量具和辅助工具；⑦确定各工序的切削用量及时间定额；⑧确定主要工序的技术要求及检验方法；⑨进行技术经济分析，选择最佳方案；⑩编制工艺文件。
第2章零件分析
2.1曲轴的结构特点
轴类零件的功用为支承传动零件。
传递扭矩和承受载荷以及保证装在轴上的工件（刀具）具有一定的回转精度。
曲轴轴类零件的分类中属于异形轴，是发动机上的一个重要零件，承受由活塞通过连杆传来的力，并将活塞的往复运动通过曲柄连杆机构变为旋转运动，将发动机所做的功传递出去。
曲轴在工作时所承受的是很大的扭转力矩以及大小和方向都变化的弯曲力。
本次设计给出的零件是某柴油机厂生产的S195-05006型曲轴零件，如图2.1所示。
图2.1曲轴
其材料为球磨铸铁（QT60-2），零件为铸件。
汽车、拖拉机用的发动机和固定式高速发动机的曲轴常用整体式模锻件，而重型和低速发动机的曲轴常用组合式的模锻件，而重型和低速发动机的曲轴常用组合式的模锻件。
整体式曲轴具有强度高、刚性好、结构紧凑等优点，但是组合式曲轴毛坯制造和机械加工比整体式的简单。
S195-05006型曲轴有左、右二个主轴颈和一个连杆轴颈，其外形结构是曲轴类零件中比较简单的一种。
它的工作过程是：
在外力作用下使曲轴旋转，通过连杆轴颈上的连杆将运动传递到缸筒内的活塞，从而压缩缸内的高压油并将油点燃，燃烧的高压油将自身的内能转换为动能推动活塞运动，运动又传到连杆再通过连杆带动连杆轴颈，这样曲轴继续旋转。
2.2零件的技术要求
（1）铸件应该经正火处理，硬度为240～290HB，显微组织按部标JB1802，石墨数不低于5级，球化体大于75%。
允许有少于5%的碳化铁+磷共晶，但磷共晶为0%～5%。
（2）未注圆角半径为3mm。
（3）加工面不应该有毛刺、裂缝、结疤、夹渣等缺陷，并应清理清洁。
（4）所有加工表面应光洁，不可有裂缝、压痕、毛刺、气孔、凹痕以及非金属夹杂物，在磨光表面上不应该有深痕和黑点。
（5）锥形规涂色检查锥面密合面应不少于70%。
（6）清除油道及其他部分的金属屑、污染物及其他杂物，并清洗吸干。
（7）中心孔必须保持完好。
（8）精加工后，应经磁力探伤并退磁。
（9）允许在R96表面上钻孔调整不平衡力矩，外孔15mm，孔边应不小于10mm，深度不大于30mm，不平衡重心应在曲轴对称平面内允许偏差1°。
（10）ф70、ф65三处轴颈淬硬40～48HRC，淬深1.5～4.5mm。
轴颈圆角处允许不淬火，但在距离轴颈端面10mm内均匀过渡。
2.3设计要求
该零件加工要求高，加工面数量多，并且种类繁多，有车外圆面，车端面，钻中心孔，攻螺纹，扩孔，车倒角，钻斜油孔等，位置、形状、尺寸精度都各有要求。
出于现代化生产的考虑，我们设计了生产流水线加工，多数采用了组合机床及专用夹具，以实现自动化生产，节约成本，提高生产率，减小人工劳动强度。
主要的设计内容如下：
（1）绘制被加工零件毛坯图。
（2）绘制被加工零件的加工工序图。
（3）绘制被加工零件的加工示意图。
（4）绘制组合机床联系尺寸图。
（5）绘制铣端面打中心孔专用夹具装配图。
（6）绘制夹具主要零件图。
（7）编写设计说明书。
第3章工艺规程的制定
零件加工的工艺规程就是一系列不同工序的综合。
由于生产规模和具体情况的不同，对同一零件的加工工序可能有很多的方案。
应当根据具体条件采用其中最完善和最经济的一种方案。
工艺规程选择要考虑的基本因素如下。
（1）生产规模是决定生产类型的主要因素，即设备、用具、机械化、自动化程度等。
（2）制造零件所用的坯料或型材的形状、尺寸和精度。
（3）零件材料性质。
（4）零件制造的精度，包括尺寸公差、形位公差以及零件图上所指定的要求。
（5）表面粗糙度。
（6）特殊限制条件，如：
工厂设备和用具条件。
（7）编制的加工规程要在生产规模与生产条件下达到最经济与安全的效果。
3.1S195-05006曲轴材料及毛坯
S195-05006型曲轴材料为球墨铸铁（QT60-2）。
该材料强度高、耐磨，并有一定的韧性，用于制作部分机床的主轴，空压机、冷冻机的曲轴、缸体，小水轮发电机主轴，中小型柴油机、汽油机曲轴，部分轻型柴油机、汽油机的凸轮轴、汽缸套，农业机械小负荷齿轮等。
毛坯种类的确定是与零件的结构形状、尺寸大小、材料的力学性能和零件的生产类型直接相关的，另外还和毛坯车间的具体生产条件相关。
铸件：
包括铸钢、铸铁、有色金属及合金的铸件等。
铸件毛坯的形状可以相当复杂，尺寸可以相当大，且吸振性能好，但铸件的力学性能差。
在大批量生产中，常采用精度和生产率高的毛坯制造方法，如金属型铸造，可以使毛坯的形状接近于零件的形状，因此可以减小切削加工用量，从而提高材料的利用率，降低了机械加工成本。
本零件选用的造型方法为砂型机器造型。
3.2生产类型及工艺特征
零件的生产纲领：
（3-1）
式中N=零件的生产纲领，件/年；
Q=产品的年产量，台/年；
n=每台产品中包含该零件的数量；
a=该零件的百分率，%；
b=该零件废品的百分率。
%。
划分生产类型时，既要根据生产纲领，同时还要考虑零件的体积、质量等因素。
值得一提的是生产类型将直接影响工艺过程的内容和生产的组织形式，并在一定程度上对产品的结构设计也起着重要作用。
由于本零件是大批量生产，零件的生产纲领N为15000件/年，它的主要工艺特征是广泛采用专用机床、专用夹具及专用刀具、量具，机床按工艺路线排列组织流水生产。
为减轻工人的劳动强度，留有进一步提高生产率的可能，该曲轴在工艺设计上采用了组合机床流水线加工的方式。
3.3定位基准的选择
工件在机床上用夹具进行加紧加工时，用来决定工件相对于刀具的位置上的这些表面称为定位基准。
定位基准分为粗基准和精基准。
曲轴和一般轴类零件的主要区别是：
一般轴件的全部轴颈都位于同一轴线上，而曲轴的主轴颈虽然也位于同意轴线上，但是其连杆轴颈不与主轴颈同轴，而是离开一定距离而彼此平衡。
为保证各轴颈的同轴度要求，在基准选择时采用基准统一的原则，即粗、精加工各主轴颈时都采用顶尖孔作为定位基准。
对于连杆轴颈的加工，为保证连杆轴颈轴线与主轴颈的轴线之间的平行，在基准选择时应采用定位基准和装配基准重合的原则，即粗、精加工连杆轴颈时都采用两个主轴颈作为定位基准。
若有两个或者两个以上连杆轴颈，还要多选一个基准作为加工连杆轴颈的角度定位面，通常是在曲柄上铣出两个小平面作为辅助基准。
根据本曲轴的特点，连杆轴颈只有一个，因此不存在与主轴颈的角度问题。
在加工连杆轴颈时选择主轴颈定位，加工主轴颈时则选择顶尖孔定位。
3.4工艺路线的拟定
拟定工艺路线的出发点是使零件的几何形状、尺寸精度以及位置精度等技术要求能得到保证。
工艺路线的拟定一般需要做两个方面的工作：
一是根据生产纲领确定加工工序和工艺内容，根据工序的集中和分散程度划分工艺；二是选择工艺基准，即主要选择定位基准和检验基准。
在生产纲领已确定为批量生产的条件下，可以考虑采用万能机床、组合机床和专用夹具，并尽量采用工序集中的原则，减少安装的次数来提高生产率。
除此之外，还应尽量考虑经济精度以便使生产成本尽量下降，根据以上原则，拟定的工艺路线如下。
10铸造
15正火
20铣端面，打中心孔
30粗车扇形面外圆及侧面
40粗车长轴端外圆及侧面
45粗车锥面1：
10
50粗车短轴端外圆及侧面
60粗车长轴端外圆及侧面
70精车短轴端外圆及侧面
80铣扇形侧面
90铣连杆轴颈
100扩孔ф25
110检验
120淬火
130修理中心孔
140粗磨主轴颈
150铣键槽
160磨锥面1：
10
165粗磨连杆轴颈
170精磨主轴颈
175精磨连杆轴颈
180车退刀槽
190车螺纹M40
200抛光主轴颈及连杆轴颈
210检验，探伤，退磁，清理油孔
3.5毛坯机械加工余量及工序尺寸确定
3.5.1毛坯机械加工余量确定
因曲轴形状较为复杂且生产批量大，故毛坯选用铸件，造型方法为砂型机器造型。
查《机械加工工艺手册》，综合得出铸件机械加工余量见表3-1、表3-2，曲轴毛坯图见图3-1。
表3-1零件圆柱面加工余量
基本尺寸/mm
加工余量/mm
附注
基本尺寸/mm
加工余量/mm
附注
ф30
ф70
R96
ф65
5.0
5.0
5.0
5.0
双侧
双侧
单侧
双侧
ф50
ф25
5.0
5.0
双侧
双侧
表3-2零件各端面加工余量
基本尺寸/mm
加工余量/mm
附注
基本尺寸/mm
加工余量/mm
附注
305（两外端面）
281（ф70左侧面）
203.5（ф70右侧面）
5.0
5.0
5.0
单侧
单侧
单侧
40（厚度为29的扇形面内侧）
192（厚度为29的扇形面外侧）
-
4.5
4.5
-
单侧
单侧
-
图3.1曲轴毛坯图
3.5.2主要切削用量的确定
查《组合机床设计手册》得硬质合金端铣刀的铣削用量，如表3-3所示。
表3-3硬质合金端铣刀的铣削用量
加工材料
工序名称
铣削深度/mm
铣削速度v/m·minˉ
每齿走刀量S/（mm/齿）
铸铁
粗铣
2～5
50～80
0.2～0.4
精铣
0.5～1
80～130
0.05～0.2
初选v=62.8m/min，S齿=0.3mm/齿，铣削深度为5mm。
查《组合机床设计手册》得高速钢钻头加工铸件的切削用量，见表3-4。
表3-4高速钢钻头加工铸铁件的切削用量
加工直径d/mm
160～200HB
200～241HB
300～400HB
v/m·minˉ
S转/mm·minˉ
v/m·minˉ
S转/mm·rˉ
v/m·minˉ
S转/mm·rˉ
22～50
16～24
0.4～0.8
10～18
0.25～0.4
5～12
0.2～0.3
初选v=62.8m/min，S转=0.2mm/r。
查中心钻刀具尺寸得：
切深为15.5mm。
第4章铣端面打中心孔组合机床的总体设计
4.1组合机床结构方案的确定
组合机床是按系列化、标准化设计的通用部件和按被加工零件的形状及加工工艺要求设计的专用部件组成的专用机床，组合机床是按具体加工对象专门设计，可以按最合理的工艺过程进行加工，也可以同时以几个方面采用多把刀具对工件进行加工，它是实行工序集中的最佳途径，是提高生产率的有效设备。
本专题“铣端面打中心孔组合机床设计”是针对S195-05006曲轴左右两个端面进行设计的，工艺要求在工序20#中完成铣端面和打中心孔。
该工序采用双面铣和钻的方法同时对两个端面进行加工。
该零件总体轮廓尺寸较小，属于小型零件加工，零件的定位夹紧元件也不会太大，设计时考虑到诸多因素后，决定选用卧式双面铣削和钻削组合机床。
4.2铣端面打中心孔组合机床配置型式的选择
⒈组合机床配置型式
组合机床有大型和小型两种，大、小型组合机床虽有其共性但又都有其特俗性，无论是使用范围、配置型式、通用部件和驱动方式都各有特点。
用大型通用部件组成的机床成为大型组合机床，用小型通用部件组成的成为小型组合机床。
大型组合机床的配置型式，主要有单工作组合机床和多工位组合机床两大类。
通用部件可分为如下几部分。
（1）动力部件用于传递动力，实现工作运动的通用部件，如动力滑台、动力箱、各种动力头等。
它为刀具提供主运动和进给运动，是组合机床及自动线的主要通用部件。
（2）支承部件支承部件是用于安装动力部件、输送部件等的通用部件（如侧底座、中间底座、立柱、立柱底座、支架等），它是组合机床的基础部件。
机床各部件之间的相对位置精度、机床的刚度等主要依靠它来保证。
（3）输送部件输送部件具有定位和夹紧装置，用于装夹工件并运送到预定工位的通用部件（如回转工作台、移动工作台、和回转鼓轮等），定位精度高。
（4）辅助部件辅助部件有定位、夹紧、润滑、冷却、排屑以及自动线清洗机等。
单工位组合机床通常是用于加工一个或者两个工件，特别适用于大中型箱体的加工，根据配置动力部件的数量，这类机床可以从单面或同时从几个方面对工件进行加工。
一下是这类机床的主要配置型式。
①卧式单面组合机床②立式单工位组合机床
③卧式双面组合机床④复合式双面组合机床
⑤卧式三面组合机床⑥复合式三面组合机床
⑦卧式四面组合机床⑧复合式四面组合机床
本次设计的组合机床为卧式机床，卧式机床在配置时候可将铣削头安装在专用卧式床身或滑台上，而被加工零件放在移动工作台上，以组成铣削头固定的卧式组合机床；也可以将铣削头安装在水平配置的滑台上，而被加工零件放在固定夹具上，以组成铣削头移动的卧式组合机床；由于本道工序需要先铣在钻，所以工件需要安装在滑台上；同时钻头也必须移动才能加工中心孔，所以本次设计的组合机床为刀具和工件都安装在各自的滑台上。
在配置铣削头固定的卧式组合机床时，其传动装置的电动机通常是采用顶置式，即电动机放在铣削头上方。
在配置铣削头移动的卧式组合机床时，其传动装置的电动机通常是采用侧置式，即电动机放在铣削头侧面。
本次设计采用的铣削头是安装在滑台上，可随滑台一起移动，但是铣削头调整到适当位置后边不再移动，所以采用电动机安装在铣削头上方的配置型式。
4.3被加工零件工序图
4.3.1被加工零件工序图的作用和要求
被加工零件工序图是根据选定的工艺方案来表示在一台机床上或一条自动线上完成的工艺内容，是包括加工部位尺寸精度、表面粗糙度及技术要求、加工用定位基准、夹压部位以及被加工零件材料的硬度和本道工序加工前毛坯或半成品情况的图纸。
它不能用用户提供的产品图纸代替，必须在原零件图的基础上突出机床或自动线的加工内容，加上必要的说明而绘制的，它是组合机床设计的主要依据，也是制造、誓言和调整机床，检查精度等级的重要技术文件。
4.3.2零件工序图的内容
（1）应标出被加工零件的形状、轮廓尺寸及本机床设计有关的部位的结构形状及尺寸，尤其是当需要设置中间的导向套时，应表示出零件内部的筋、壁布置及有关结构的形状及尺寸，以便检查工具、夹具、刀具是否发生干涉。
（2）加工用定位基准、夹压部位及夹压方向，以便依此进行夹具的定位支承（包括辅助定位支承）、限位、夹紧、导向系统的设计。
（3）本道工序加工部位的尺寸、精度、表面粗糙度、形状、位置尺寸精度及技术要求，还包括本道工序对前道工序提出的要求。
（4）必要的说明文字，为被加工的零件编号、名称、材料、硬度、重量及加工部位的余量等。
绘制工序图时应注意的事项如下。
（1）为了使被加工零件工序图清晰明了，一定要突出本机床的加工内容，绘制时要采用合适的比例，选择足够的视图及剖视突出加工部位（用粗实线），并把零件轮廓及与机床、夹具有关的部位用实现表示清楚，凡与本道工序保证的尺寸、角度等均有关的部位用粗实线表示清楚，加工用的定位基准符号用“”，夹压位置及方向用符号“↓”，如图4.1所示。
图4.1曲轴铣端面打中心孔工序简图
（2）加工部位的位置尺寸应从定位基准注起，为便于加工及检查尺寸，应采用直角坐标系标注，而不采用极坐标系，但有时因选择与设计基准的不重合，则需要加工部位要求的位置尺寸公差换成对称尺寸公差，其公差数值的决定要考虑两方面；一是要能达到产品图纸要求的精度；二是采用组合机床能够加工出来。
（3）注明零件加工对机床提出的某些特殊要求。
4.4被加工零件加工示意图
4.4.1加工示意图的作用和内容
加工示意图是组合机床设计的主要图纸之一，在总体设计上占据重要地位，它是刀具、辅具、夹具、主轴箱、液压电气装置设计及通用部件选择的主要原始材料，也是整台组合机床布局和性能的原始要求，同时还是调整机床、刀具及试车的依据。
加工示意图要反映机床的加工过程和加工方法，并决定浮动夹头或接杆的尺寸，镗杆长度，主轴、刀具、导向与工件间的联系尺寸等，根据机床要求的生产率及刀具特点，合理地选择切削用量，决定动力头的工作循环。
加工示意图绘制成展开图，其绘制顺序：
首先按比例绘制工件的外形及加工部位的展开图，特别注意将那些距离很近的孔严格按比例相邻绘制，以便清晰看出相邻刀具、工具、主轴等是否相碰；然后，根据工件加工要求及选定的加工方法绘制刀具，并确定导向型式，位置尺寸，选择主轴和接杆；从这些刀具中找出影响其关系尺寸的关键刀具，按其中最长的一把刀具，从主轴箱到工件间的最下距离来确定全部刀具、导向及工件
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