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1、发动机曲轴加工工艺分析与设计发动机曲轴加工工艺分析与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.曲轴在发动机中承当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，因而要求曲轴材质具有较高的刚性、疲惫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，进而实现发动机由化学能转变为机械能的输出。本课题仅175型柴油机曲轴的加工工艺的分析与设计进行讨论。工艺道路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。所撰写的工艺道路合理与否，不但影响加工质量和生产率，而且影响到工人、
2、设备、工艺装备及生产场地等的合理利用，进而影响生产成本。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，工艺设计目录第一章概述1第二章确定曲轴的加工工艺经过32.1曲轴的作用32.2曲轴的构造及其特点32.3曲轴的主要技术要求分析42.4曲轴的材料和毛坯确实定42.5曲轴的机械加工工艺经过42.6曲轴的机械加工工艺道路5第三章曲轴的机械加工工艺经过分析63.1曲轴的机械加工工艺特点63.2曲轴的机械加
3、工工艺特点分析73.3曲轴主要加工工序分析(8)3.3.1铣曲轴两端面,钻中心孔(8)3.3.2曲轴主轴颈的车削(8)3.3.3曲轴连杆轴颈的车削(8)3.3.4键槽加工(9)3.3.5轴颈的磨削(9)第四章机械加工余量、工序尺寸及公差确实定94.1曲轴主要加工外表的工序安排94.2机械加工余量、工序尺寸及公差确实定104.2.1主轴颈工序尺寸及公差确实定104.2.2连杆轴颈工序尺寸及公差确实定104.2.322-00.12外圆工序尺寸及公差确实定104.2.4200-0.021外圆工序尺寸及公差确实定114.3确定工时定额114.4曲轴机械加工工艺经过卡片的制订12谢辞13参考文献14附录
4、15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。发动机工作经过就是：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气缸体
5、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。在气缸体内部铸有很多加强筋，冷却水套和润滑油道等。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，下曲轴箱用来储存润滑油，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
6、面之间装有衬垫，防止润滑油泄漏。3气缸盖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，因而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
7、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，其构造细长、曲拐多、刚性差，因此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获得进展。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，难以到达合理的加工余量。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
8、人工操作，加工质量不稳，尺寸一致性差。如今加工曲轴粗加工比拟流行的工艺是：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。在磨削经过中，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，目前国际上还有愈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
9、就需要我们现代的青年和科技工作者的不断努力。第二章确定曲轴的加工工艺经过2.1曲轴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，因而，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。2.2曲轴的构造及其特点图2-1曲轴的构造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，曲轴的曲拐数目等于气缸数(直列式发动机)；
10、V型发动机曲轴的曲拐数等于气缸数的一半。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，进而使曲轴旋转平稳。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，在后轴颈与飞轮凸缘之间制成挡
11、油凸缘与回油螺纹，以阻止机油向后窜漏。2.3曲轴的主要技术要求分析1.主轴颈、连杆轴颈本身的精度，即尺寸公关等级IT6，外表粗糙度Ra值为1.250.63m。轴颈长度公差等级为IT9IT10。轴颈的形状公差，如圆度、圆柱度控制在尺寸公差之半。2.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，中大型低速曲轴为0.030.08mm。3.各连杆轴颈的位置度不大于20。2.4曲轴的材料和毛坯确实定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，因而要求用材应有较高的强度、冲击韧度、疲惫强度和
12、耐磨性。常用材料有：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40Cr、42Mn2V等材料。本课题采用球墨铸铁QT600-2.曲轴的毛坯根据批量大小、尺寸、构造及材料品种来决定。批量较大的小型曲轴，采用模锻；单件小批的中大型曲轴，采用自由锻造；而对于球墨铸铁材料则采用铸造毛坯。2.5曲轴的机械加工工艺经过曲轴的尺寸精度、加工外表形状精度以及位置精度的要求都很高，但刚性比拟差，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。曲轴需要加工的外表有：主轴颈、连杆轴颈、键槽、22的外圆。由于使用了工艺搭子，铣键槽安排在切除工艺搭子后，磨削外圆
13、安排在保留工艺搭子前。根据曲轴的构造特点及机械加工的要求，加工顺序大致可归纳为：铣两端面；车工艺搭子和钻中心孔；粗、精车三连杆轴颈；粗、精车各处外圆；精磨连杆轴颈、主轴颈和20、22外圆；切除工艺搭子、车端面、铣键槽等。2.6曲轴机械加工工艺道路在进行大量的工艺分析之后，制定出大批大量生产曲轴的加工工艺道路：1锻造2热处理3铣两端面4车两端工艺搭子外圆5钻主轴颈中心孔6钻连杆轴颈中心孔7检验8粗车三个连杆轴颈9精车三个连杆轴颈10车工艺搭子两端面11粗车各处外圆12精车各处外圆13检验14磨削连杆轴颈外圆15磨削两主轴颈16磨削22-00.12mm外圆17磨削200-00.021mm外圆18检
14、验19车掉两端工艺搭子20车两端面21铣键槽22倒角23去毛刺24最后检验第三章曲轴的机械加工工艺经过分析3.1曲轴的机械加工工艺特点三拐曲轴除了具有轴的一般加工规律外，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，分析如下：1、形状复杂曲轴主轴颈与连杆轴颈不在同一轴上线，偏心距有一定的尺寸要求，并且两轴有较高的位置度要求，同时主轴颈与连杆轴颈间有较大的平衡块，因而在工艺设计中应解决下面几点问题：a.设计加工连杆轴颈的偏心夹具，即连杆轴颈与机床主轴重合，并使夹具能回转180度，加工另一连杆轴颈。b.为消除加工时的不平衡力的产生，设计夹具时应准确设计平衡重
15、。2、刚性差因本曲轴长径比拟大，同时具有曲拐，因而刚性较差。曲轴在切削力及自重的作用下会产生严重的扭曲及弯曲变形，十分在单边传动的机床上加工更为严重，在工艺设计中应解决下面问题：1：粗加工时由于切削余量大，切削力也较大，可用中间托架来加强刚性，减小变形和振动，同机会床刀具及夹具都应有较高的刚度。2：在加工时尽量使切削力的作用互相抵消，可用前后刀架同时横向进给。3：合理安排工位次序以减少加工变形，按先粗后精的原则安排加工工序，逐步提高精度。4：在有可能产生变形的工序后面增设校直工序。3、技术要求高曲轴技术要求较高，加工面多，需要保证的尺寸、形状、位置精度较多。因此总的工艺道路较长，精加工占有相当
16、比例。加工时应要解决下面问题：A：正确分配粗加工、半精加工及精加工余量。B：粗基准选择用曲轴两端的中心孔。中心孔的加工以主轴颈外圆作为基准，这样能保证曲轴加工径向及轴向加工余量的均匀性。C：精加工时仍用中心孔作为基准，但要重新修磨中心孔，避免精加工时因中心孔磨损引起加工误差。可以一端用主轴颈定位，另一端用中心孔定位以提高刚度。D：曲轴轴向定位以主轴颈轴肩定位，工艺设计时定位基准应尽量与设计基准一致。3.2曲轴的机械加工工艺特点分析1)该零件是三拐小型曲轴，生产批量不大，故选用中心孔定位，它是辅助基准，装夹方便，节省找正时间，又能保证三处连杆轴颈的位置精度。但轴两端的轴颈分别是20mm和25mm
17、，而三处连杆轴颈中心距分布在32mm的圆周上，故不能直接在轴端面上钻三对中心孔。于是，在曲轴毛坯制造时，预先铸造两端45mm的工艺搭子，这样就能够在工艺搭子上钻出四对中心孔，到达用中心孔定位的目的。2在工艺搭子端面上钻四对中心孔，先以两主轴颈为粗基准，钻好主轴颈的一对中心孔；然后以这一对中心孔定位，以连杆轴颈为粗基准划线，再将曲轴放到回转工作台上，加工32mm、圆周120均布的三个连杆轴颈的中心孔，这样就保证了它们之间的位置精度。3该零件刚性较差，应按先粗后精的原则安排加工顺序，逐步提高加工精度。对于主轴颈与连杆轴颈的加工顺序是，先加工三个连杆轴颈，然后再加工主轴颈及其他各处的外圆，这样安排能
18、够避免一开场就降低工件刚度，减少受力变形，有利于提高曲轴加工精度。4由于使用了工艺搭子，铣键槽工序安排在切除中心孔后进行，故磨外圆工序必须提早在还保留工艺搭子中心孔时进行，同时要注意防止已磨好的外表被碰伤。3.3曲轴主要加工工序分析3.3.1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，因而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。因此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
19、坯的外外表作为基准，因此毛坯外外表质量好坏直接影响孔的位置误差。3.3.2曲轴主轴颈的车削由于曲轴年产量不大，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，因而工件要夹牢固。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，逐步提高主轴颈及其他轴颈的加工精度。3.3.3曲轴连杆轴颈的车削主轴颈及其它外圆车好后，以主轴颈
20、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，夹详细为一对用以定位的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。车削经过中，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。安装夹详细的
21、接盘上有平衡块，消除曲轴旋转时不平衡力矩的生。曲轴加工时由于遭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11.5mm内，同时车床旋转不能太高，刀具采用高速钢。3.3.4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。键槽加工是以两主轴颈定位，同样用专用夹具在普通铣床上进行。3.3.5轴颈的磨削由于主轴颈及连杆轴颈精度较高，尺寸精度为IT6级，外表粗糙度1.60.8m，并且具有较高的形状精度及位置精度。因而主轴颈
22、与连杆轴颈精车后要进行磨削，以提高精度外表粗糙度。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一样，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，由于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0.20.3mm，精磨余量控制在0.10.15mm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，采用能够调节的中心
23、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场使用中心架。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。第四章机械加工余量、工序尺寸及公差确实定4.1曲轴主要加工外表的工序安排曲轴的主要加工外表为主轴颈、连杆轴颈、各外圆；次要加工外表为两端面、键槽。此外，还有还有检验、清洗、去毛刺等工序。连杆各主要外表的工序安排如下：1、主轴颈：粗车、精车、磨削；2、连杆轴颈：粗车、精车、磨削；3、220-0.12mm外圆：粗车、精车、磨削；3、200-0.021mm外圆：粗车、精车、磨削;4.2机械加工余量、工序尺寸及公差确
24、实定4.2.1主轴颈工序尺寸及公差确实定表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301粗车3.2mmIT1126.80-0.13精车1.3mmIT825.50-0.033磨削0.5mmIT625+0.021+0.0084.2.2连杆轴颈工序尺寸及公差确实定表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281粗车2.2mmIT1025.80-0.084精车1.3mmIT824.50-0.033磨削0.5mmIT824-0.020-0.0534.2.322-00.12mm外圆工序尺寸及公差确实定表4-3:曲轴220-0.12mm外圆的
25、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281粗车3.5mmIT1124.50-0.13精车2mmIT822.50-0.033磨削0.5mmIT11220-0.124.2.420-00.021mm外圆工序尺寸及公差确实定表4-4:曲轴20-00.021mm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261粗车3.5mmIT1122.50-0.13精车2mmIT820.50-0.033磨削0.5mmIT720-00.0214.3确定工时定额工序8：粗车三个连杆轴颈至25.80-0.084。选用机床：CA6140卧式车床。1)被吃刀量：取=1mm，2)进给量f：取。3)机
26、床主轴转速:取n=600r/min4)切削速度：5)计算切削工时：被切削层长度=322=66mm，由于粗车走刀两次，故tm=0.44min工序9：精车三个连杆轴颈至24.50-0.033。选用机床：CA6140卧式车床1)被吃刀量：取=0.65mm，2)进给量f：取f=0.3mm/r3)机床主轴转速:取n=800r/min4)切削速度：5)计算切削工时：被切削层长度=322=66mm，由于粗车走刀两次，故tm=0.55min4.4连杆机械加工工艺经过卡片的制订制订机械加工工艺规程的最后一项工作就是填写工艺卡片，它主要包括发动机曲轴的工序顺序及内容的填写、工序简单的绘制、合理选择各工序所用机床设
27、备的名称与型号、工艺装备即刀具、夹具、量具等的名称与型号。见附录：参考文献1陈明主编，机械制造工艺学M.北京:机械工业出版社,2005.072陈宏钧主编，实用机械加工工艺手册第2版M.北京:机械工业出版社,2004.083王茂元主编，机械制造技术M.北京:机械工业出版社,2001.084丁柏群、王晓娟主编，汽车制造工艺技术M.北京:国防工业出版社,2020.085曾东建主编，汽车制造工艺学M.北京:机械工业出版社，2005.096林杰伦主编，内燃机工作经过数值计算M.西安:西安交通大学出版社,19867周泽华主编，金属切削原理M.上海：上海科学技术出版社，19928吴国华主编，金属切削机床M.
28、北京:机械工业出版社，19969马幼祥主编，机械加工基础M.北京:机械工业出版社，198410孙业保主编，车用内燃机M.北京:北京理工大学出版社,199711谢云臣,赵英才，发动机曲轴工艺设备选型的可拓评价研究J.汽车技术,2006，25(4)：38-4012田晓锋，闫红彦，常新录，100系列发动机曲轴淬火工艺实验研究J.拖拉机与农用运输车，2007，34(6)：97-9813宋正元，康明斯B系列曲轴工艺的设计J.柴油机，2000,(8)5：47-5014王秋冰，马鸣，卢震鸣，来建刚，李光瑾，发动机曲轴用材料与工艺的发展趋势，柴油机设计与制造，2007,15(1)：40-4415:/docsj
29、/doc/3ea0eb5e580216fc700afd83.html附录各工序简图编排：机械加工工艺经过综合卡片产品名称零件名称材料某柴油机厂175型柴油机曲轴球墨铸铁QT600-2序号工序名称技术条件及检查要求工序简图设备1铸造按曲轴铸造工艺进行2热处理正火3铣两端面总长为265mm铣床4车两端工艺搭子外圆直径45mm车床5钻主轴颈中心孔车床6钻连杆轴颈中心孔正对连杆中心7检验8粗车三个连杆轴颈留余量2.6mm车床9精车三个连杆轴颈留余量0.5mm车床10车工艺搭子两端面车床11粗车各处外圆留余量2mm车床12精车各处外圆留余量0.5mm车床13检验14磨削连杆轴颈外圆24-0.020-0.053mm外圆磨床15磨削两主轴颈25+0.021+0.008mm外圆磨床16磨削22-00.12mm外圆外圆磨床17磨削20-00.021mm外圆外圆磨床18检验19车掉两端工艺搭子长度为215mm以上车床20车两端面外表粗糙度Ra=10车床21铣键槽铣床22倒角为1mm车床23去毛刺24最后检验