曲轴加工工艺设计 毕业设计(论文).doc

曲轴加工工艺设计摘 要曲轴是发动机中承受冲击载荷、传递动力的重要零件，由于曲轴服役条件恶劣，因此对曲轴材质的选择，毛坯的加工技术、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，因此要制定合理的加工工艺。首先要根据要求选择合适的毛坯，在加工过程中要选择合理的加工设备及刀具、通用夹具、量具及测量方法，在加工工艺中要进行加工工序设计，加工尺寸计算，零件加工要设计合理的专用夹具。伴随着曲轴加工工艺的发展，加工方法不断改进，加工方法越来越先进，所以设计合理的曲轴加工工艺和装夹的夹具，不但可以提高加工精度，还可以提高生产效率，从而降低生产的成本，以期提高产品的竞争力。关键词：曲轴，工艺，夹具 crank shaft processing technologyabstractthe crank shaft is to launch to bear pound at to carry a lotus and deliver in the machine motive of importance spare parts, because of the crank shaft undergo military service a condition bad, so to crank shaft material, semi-finished product processing technology, accuracy, surface rough degree, hot processing and the surface enhance, move balance etc. request all very strict. therefore want to draw up reasonable of process a craft, want first according to request choice reasonable of semi-finished product, in the process of process in want to choose reasonable of process equipments and knife, tongs, quantity and measure method, want to carry on to process a work preface design in process the craft, process size, time settle sum of calculation, the spare parts process to want design reasonable of appropriation tongs. accompany with crank shaft to process a develop of craft, process a method to not only improve, process a method more and more advanced, so the crank shaft of design reasonable process a craft and pack to clip of tongs, not only can raise to process accuracy, but also can raise production efficiency, the cost for lowering produce thus with expect exaltation product of competition ability.key words: crank shaft, technology, jig 目录前言11 曲轴的作用12 发动机曲轴加工工艺的历史发展演变13 曲轴加工工艺现状3第1章 零件加工工艺设计41.1 零件工艺分析41.2 零件加工特点及解决方法51.2.1 零件加工特点51.2.2 加工零件采取的措施61.3 确定毛坯61.3.1 确定毛坯61.3.2 确定机械加工余量61.4 设计毛坯图81.4.1 确定毛坯尺寸公差81.4.2 确定圆角半径91.4.3 确定拔模角度101.4.4 确定分模位置101.4.5 确定毛坯及毛坯的热处理方式101.5 加工工艺路线拟定101.5.1 主要技术要求101.5.2 加工方法101.5.3 加工顺序的安排111.6 加工工序设计131.6.1 工序20铣侧面及底面131.6.2 工序40粗主轴颈，工序50精车主轴颈141.7 工件中孔的加工151.7.1 工件中的孔和螺纹孔的精度和加工步骤151.7.2 工序80中钻、铰，攻丝至m1216第2章 热处理工艺设计182.1 35crmo热处理的技术要求182.2 调质工艺与用材分析182.2.1 调质工艺参数的确定182.2.2 组织性能的分析192.3 去应力退火工艺202.4 表面处理及用材分析212.4.1 表面热处理工艺212.4.2 组织性能的分析22第3章 夹具设计253.1 夹具设计应该具备的基本要求253.2 连杆颈加工专用夹具计算方法253.3 专用夹具设计273.3.1 问题的提出273.3.2 确定设计方案273.3.3 计算夹紧力283.3.4 定位精度分析28第4章 检验方法设计294.1 定位基准选择294.1.1 粗基准的选择294.1.2 精基准的选择294.2 测量工具选择及测量方法设计294.3 技术要求的测量方法304.4 曲轴的最终检测方法31结 论32谢 辞33参考文献34iv前言1 曲轴的作用曲轴是内燃机最重要零件之一，它与汽缸、活塞和连杆等零件组成的发动机的动力装置。曲轴的作用是将做功冲程经连杆传来的力变成扭矩，并带动发动机其他机件运动和向外输出动力。曲轴转速为发动机每个工作行程都有很大的燃气压力，通过活塞、连杆突然传递到曲轴上，以一定的频率反复冲击到曲轴上，因此曲轴作为发动机的重要部件，在传递动力的过程中主要承受交变周期性的弯曲-转载荷和一定的冲击载荷的作用，同时承受不但变形的气体压力、活塞和连杆运动所产生的惯性力和离心力作用，即曲轴的各部件产生变形、扭转、剪切、拉伸等复杂交变应力，因此将造成曲轴扭转振动和弯曲振动，同时在一定的条件下还会产生很大的附加应力，因此受力十分复杂。曲轴的主轴颈、连杆轴颈和曲轴臂各处受到较严重的磨损，受力各不相同。2 发动机曲轴加工工艺的历史发展演变20世纪70年代以前，发动机曲轴粗加工采用的加工方式是多刀车床车削曲轴主轴颈和连杆轴颈。采用这种方式加工精度较低、柔性很差、工序质量稳定性低，且容易产生较大的内部应力，难以达到合理的加工余量。在粗加工后一般需要进行去应力回火处理，释放应力。因此粗加工需要给后续精加工工序留较大的加工余量，以去除弯曲变形量。曲轴精加工采用的是普通磨削工艺，一般采用mq8260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，废品率较高。20世纪70年代到80年代左右，曲轴粗加工采用cnc车削、cnc外铣加工，加工状况有所改善。精加工仍以普通磨床磨削工艺为主。20世纪80年中期又出现了cnc内铣工艺，cnc内铣加工性能指标要高于cnc外铣加工，尤其是对于锻钢曲轴，内铣更有利于断屑。精加工工艺多采用半自动曲轴磨床，头架和尾座同步传动，加工精度有一定的提高。1985年到1990年左右开发出了曲轴车拉、车车拉工艺，该工艺具有精度高、效率高等优点，特别适合于平衡块侧面不需要加工且轴颈有沉割槽(包括轴向沉割槽)的曲轴，加工后曲轴可直接进行精磨，省去粗磨工序。曲轴精加工已少量采用数控磨床磨削工艺，尺寸的一致性得到改善。20世纪90年代中期又开发出cnc高速外铣，它对平衡块侧面需要加工的曲轴，比cnc车削、cnc内铣、车车拉的生产效率还要高。另外，cnc车车拉工艺加工连杆轴颈要二道工序，cnc高速外铣只要一道工序就能完成，具有以下优点：切削速度高(可高达350m/min)、切削时间较短、工序循环时间较短、切削力较小、工件温升较低、刀具寿命高、换刀次数少、加工精度更高、柔性更好。所以cnc高速外铣将是曲轴主轴颈和连杆轴颈粗加工的发展方向。精加工使用数控磨床，采用静压主轴、静压导轨、静压进给丝杠(砂轮头架)和线性光栅闭环控制等控制装置，使各尺寸公差及形位公差得到可靠的保证，精加工还广泛使用数控砂带抛光机进行超精加工，经超精加工后的曲轴轴颈表面粗糙度至少提高一级精度。20世纪90年代开发的cbn高速磨削。英国landis公司生产的曲轴磨床，磨削速度高达120m/s，用扒皮法一次装夹从毛坯到精磨完毕，耗时仅几分钟的时间，这将会出现以磨代替其它粗加工工艺的新局面。 进入21世纪以后，复合加工工艺已进入曲轴制造业中。复合机床应具有工序集成功能，多种加工集成功能。奥地利wfl公司生产的卧式车铣复合加工中心(m40g型)能在曲轴硬化前“一次装夹，全部加工”，加工后的曲轴可直接转入精加工工序；曲轴精加工方面，也出现了工序集成的cbn数控磨床，即一次装夹磨削全部曲轴主轴颈和连杆轴颈(摆动跟踪磨削)。由以上演变可以看出，曲轴的加工工艺正向着高速、高效、复合化方向发展。目前较为流行的粗加工工艺是主轴颈采用车车拉工艺和高速外铣，连杆颈采用高速随动外铣，全部采用干式切削；精加工采用数控磨床加工，具有自动进给、自动修正砂轮、尺寸和圆度自动补偿、自动分度和两端电子同步驱动等功能。主轴颈和连杆颈可一次装夹全部磨削完毕；超精加工采用数控砂带抛光机，带尺寸控制装置。3 曲轴加工工艺现状曲轴是发动机的关键零件之一，其结构复杂，生产批量大，品种更换频繁，精度要求高。主轴连杆颈的尺寸精度为it6it7，圆度0.005mm，表面粗糙度ra0.20.4。因此，一条先进的曲轴生产线不仅要实现柔性换产以面对市场需求，还要满足工艺要求，保证加工精度，最终生产出合格的产品。锻钢曲轴生产线拥有世界顶级的数控机床、先进的加工工艺及日臻完善的管理制度，不仅大幅提升了曲轴的加工效率，实现了柔性快速换产能力，而且更好地保证了曲轴的加工质量。当前，曲轴的质量主要通过机加工和热处理的过程控制来保证，其途径大致有以下三种：1. 人为检测：指通过专业质检人员(或操作人员自检、互检)对每道工序按照工艺要求进行在线测量，及时调整工艺参数，避免不合格产品周转到下道工序或出现批量废品。2. 设备控制：指依靠较高设备精度保证当前工序的加工精度，是保证尺寸精度、形状精度和位置精度的有效方式，也是先进曲轴加工生产线的标志之一。3. 工艺保障：工艺是机加工过程中将曲轴毛坯转化成成品的法律准绳，是产品质量的根本保证，也是提高加工效率的前提。通过不断地改进人们发现：人为检测相对难度较低，但是后期改善效果不明显。通过先进设备控制加工精度已在锻钢生产线和部分铁轴生产线上实施，改善效果可观。对于工艺保障，由于国内外锻钢曲轴的加工工艺大同小异，且刀具、砂轮、切削液、淬火涨量、加工参数及加工余量等影响质量因素涉及改善周期长、优化空间小及普及性差等特点，因此要通过加工工艺的改进、优化来提高产品质量。第1章 零件加工工艺设计1.1 零件工艺分析从曲轴的形状来看，其横断面会沿轴线方向急剧变化，应力的分布极不均匀，尤其是曲柄臂和曲轴颈、过渡圆角部分以及油孔附近会产生应力集中。曲轴要承受自身的扭转振动所引起的附加力，曲轴在长期的运行过程中，在应力集中区产生疲劳破坏，因此弯曲和疲劳断裂是主要的破坏形式，曲轴连杆轴颈、主轴颈及轴承副在较高的比压下进行高速的相对旋转，轴颈与曲轴过渡处疲劳引起的裂纹，将会造成磨损发热和烧伤，其中曲轴表面的磨削下当将产生严重后果。7根据曲轴的工作状况，为保证曲轴进行可靠的工作，曲轴必须有足够的强度、硬度、良好的耐磨性和高的抗疲劳性能，质量要小，各工作标表面要求耐磨、润滑良好。具体来讲曲轴应具有以下力学性能：(1) 具有足够的强度，减少轴颈的翘曲变形，提高自抗振能力。(2) 表面有高的硬度、弯曲疲劳强度、扭转强度和耐磨性。(3) 有良好的抗疲劳强度和冲击性。(4) 有良好的润滑作用。曲轴失效的形式主要有以下两种：(1) 疲劳破坏。一是在轴颈与轴柄过渡圆角处产生疲劳裂纹；二是轴颈中部的油道内壁产生环行的裂纹，逐渐发展为曲柄处的断裂。(2) 轴颈表面严重磨损。连杆的大端通过剖分式滑动轴承(轴瓦)，安装在68g10(mm)的连杆轴颈中，连杆小头整体套装在活塞中的活塞销中。曲轴两端70m6(mm)的主轴颈用来安装轴承，将曲轴支承在发动机箱体中。70m6(mm)的主轴颈外侧的环形槽内嵌放弹性挡圈，可实现主轴承的轴向定位。主轴右侧的锥形轴安装齿轮或皮带轮，将发动机产生的转矩传递给工作机构，实现动力输出。左侧30s(mm)的轴颈上安装正时齿轮，驱动正时齿轮箱中的各种正时齿轮，实现发动机的配气正时，燃油供给正时，并驱动润滑系统、冷却系统，完成发动机正常工作时需要的各种辅助功能，其轴颈30s7(mm)环形槽内放置弹性挡圈，实现正时齿轮的轴向定位，右端的主传动齿轮或皮带轮用m44x2-6h螺母压装在50h10的锥形轴上，同样也可以实现轴向定位，曲柄下端4个m12x1.2-5h螺纹孔，用来安装一对平衡块,实现曲轴高速回转时所必需的动平衡要求。3m33x1.5的螺纹孔用来安放油堵，实现连杆轴颈处滑动轴承的润滑。同样主轴颈70m6(mm)上的斜油孔内，也需安放油堵，才能形成封闭的油滑油路，可靠的实现曲轴高速旋转时，连杆滑动轴承所需要的润滑，圆柱螺纹rp1/4用来联结润滑系统的供油。1.2 零件加工特点及解决方法1.2.1 零件加工特点1. 偏心工件中心孔的加工质量对工件的加工精度影响很大，偏心工件两端各对中心孔的位置要求一一对应，如果两端中心孔不在同一直线上，造成轴线歪斜，或中心孔表面加工不圆整、不光滑；都会严重引起曲轴工件加工后的形状误差和位置误差。所以，精度要求较高的偏心工件，中心孔一般都应在精度较高的坐标镗床上加工。 2. 在两顶尖上装夹偏心工件，由于工件外圆上的受力点分布不均匀，会使装夹不牢固，开车后或切削加工中将产生较大的离心力和冲击振动，会使工件出现不圆度和工件外圆切削振动等，甚至会发生严重事故。 3. 加工较长的曲轴工件时，最突出的矛盾是工件刚性差，回转不平衡，容易变形，加工较困难；曲轴加工后用支撑螺钉支撑的方法可增加工件刚性，减少变形和振动；但一定要注意顶尖和支撑螺钉不能顶得过紧，过紧会使工件弯曲变形；若支撑螺钉顶得太松则起不到支承作用，加工中螺钉容易飞出来发生事故。 4. 偏心工件装夹后，原中心线已偏移一定距离，为了防止打坏车刀产生事故，进刀切削时应先从工件最高点开始。 5. 车削偏心工件，切削速度不宜选得过高，车刀前角与后角不宜磨得过大。 6. 车偏心工件时顶尖受力不均匀，前顶尖容易损坏或移位。因此必须经常检查并保证两顶尖处在有摩擦力又有间隙的状况。 7. 注意调整车床主轴的间隙，特别是当车床精度较差时，更显得重要。1.2.2 加工零件采取的措施1. 偏心工件中心孔的加工质量对工件的加工精度影响很大，偏心工件两端各对中心孔的位置要求一一对应，如果两端中心孔不在同一直线上，造成轴线歪斜，或中心孔表面加工不圆整、不光滑；都会严重引起曲轴工件加工后的形状误差和位置误差。所以，精度要求较高的偏心工件，中心孔一般都应在精度较高的坐标镗床上加工。2. 在两顶尖上装夹偏心工件，由于工件外圆上的受力点分布不均匀，会使装夹不牢固，开车后或切削加工中将产生较大的离心力和冲击振动，会使工件出现不圆度和工件外圆切削振动等，甚至会发生严重事故。3. 加工较长的曲轴工件时，最突出的矛盾是工件刚性差，回转不平衡，容易变形，加工较困难；曲轴加工后用支撑螺钉支撑的方法可增加工件刚性，减少变形和振动；但一定要注意顶尖和支撑螺钉不能顶得过紧，过紧会使工件弯曲变形；若支撑螺钉顶得太松则起不到支承作用，加工中螺钉容易飞出来发生事故。 4. 偏心工件装夹后，原中心线已偏移一定距离，为了防止打坏车刀产生事故，进刀切削时应先从工件最高点开始。 5. 车削偏心工件，切削速度不宜选得过高，车刀前角与后角不宜磨得过大。 6. 车偏心工件时顶尖受力不均匀，前顶尖容易损坏或移位。因此必须经常检查并保证两顶尖处在有摩擦力又有间隙的状况。 7. 注意调整车床主轴的间隙，特别是当车床精度较差时，更显得重要。61.3 确定毛坯1.3.1 确定毛坯根据零件材料，确定毛坯材料为35crmo。曲轴为发动机上一个关键核心零件，由参考文献5表1.1-2，表1.1-3可知，其生产类型为大批生产；毛坯宜采用模锻成形，其优点是锻造精度高，加工余量小，但产品的组织不均匀及表面有硬化层。为改善切削性能，要进行正火处理。1.3.2 确定机械加工余量钢制模锻件的机械加工余量按gb383585确定。确定时，根据估算的锻件质加工精度及锻件形状复杂系数，由文献5表2.22.5,可查得各加工表面的加工余量（表中余量值为单边余量）。1. 锻件质量根据成品重量为25kg估算为35kg。2. 加工精度除圆锥面以外的各表面均为一般加工精度f10级。3. 锻件形状复杂系数s式中 锻件的质量；外廓包容体的质量。假设锻件的外廓包容体为105145342的长方体，则查文献1p45，表2.210可确定锻件的形状复杂系数为s1，属于简单级。根据锻件重量f1， 查文献1表2.2-25得：直径方向为 2.33.0mm水平方向：0315mm内：2.03.0mm；315400mm内：2.53.0mm；锻件各外径的单面余量为2.33.0mm；轴向尺寸的单面余量为：2.03.0mm(315mm)； 2.53.0mm (315400mm)。1.3.3 确定毛坯尺寸上面查的加工余量数据，适用于加工表面粗糙度ra1.6m ，对于表面粗糙度ra6mm）的工件时，可以应用扇形垫片如图3-2。 图3-2 扇形垫片示图扇形垫片的厚度可用下面的近似的公式计算：x垫片的厚度d偏心工件的偏心距e爪夹部分的直径零件图中可知 d59.5、e70 3. 垫片厚度的修正由于通过计算得出的垫片厚度只是个近似值，而三爪卡盘卡爪精度、垫片材料的硬度和强度等因素也影响着偏心距；而且在实际操作中，使用按计算厚度的垫片加工偏心零件，往往大于所需要的偏心距，这就需要用试验的方法修正垫片厚度。一般是根据计算的垫片厚度先车削一个偏心工件，接着检验这个工件的偏心距，测出偏心误差值并适当修正垫片厚度，直到加工出偏心距合格的零件为止。 3.3 专用夹具设计3.3.1 问题的提出利用本夹具主要是钻曲下底面，在后道工序中需在曲柄下底面上钻孔，因此，对曲柄下底面有平行度要求，在本夹具设计中，其定位基面是曲轴两端70m6主轴颈圆柱面，即定位基准为主轴线，故足以满足其对主轴的平行度要求，因此本道工序的加工，主要是应考虑如何提高劳动的生产率，降低劳动强度，而精度则不是主要问题。3.3.2 确定设计方案本道工序为钻曲柄下底面四配通孔，参考文献13曲柄下底面对曲轴的主轴线有位置精度的要求，按照基准重合原则，并考虑目前曲轴两端70m6(mm)主轴颈已经精加工，则定位基面选择为曲轴两端70m6(mm)主轴颈圆柱面，本道工序夹具选用普通通用夹具结构即可。经过与指导老师协商，采用v型块结构。通过查阅资料，并与指导老师协商，确定以下两种设计方案：方案一：工件用两个v型块，一个中间浮动型块及左型块的端面定位，采用型块与螺钉连接夹紧工件。方案二：工件用两个v型块、两个中间定位螺栓及及左v型块后端面定位。采用两个铰链压板（半圆弧形）夹紧工件，在两个压板中间部位固定一个钻模板，考虑到产品为大批量生产，选用可换式钻套可以克服固定式钻套磨损后无法更换的特点。方案比较：方案一用一个中间浮动型块，来限制曲轴的一个转动自由度，其定位精度高 ，但使得夹具的总体高度增加，降低了夹具的刚度和稳定性。方案二用两个中间定位螺柱限制其一个转动自由度。由于此道工序加工精度要求不是很高，因此定位方案足可以满足其加工要求，并以总体上降低了夹具的高度，增加了刚度。另外方案一用螺钉和v型块联结夹紧工件，看起来比较繁杂又刚度不够。而方案二，采用两个铰链压板夹紧工件看起来结构简单又紧凑。结合以上分析，并与指导老师协商，决定采用方案二的夹具结构。3.3.3 计算夹紧力由于主切削力是向下，加紧力也是向下的，主切削力起着帮助夹紧工件的作用，所以当其它的切削力均较小时，通常不必计算，仅需较小的夹紧力来防止工件在加工时产生的振动和转动即可。由于采用了铰链压板，用m20的螺栓完全能够满足要求。但从夹具的刚度和整体结构的对称性考虑，这里选用m22的螺栓。3.3.4 定位精度分析基面10mm的尺寸，是在一次装夹下完成，其尺寸为自由尺寸，加工要求不是很高。根据零件图上的要求，及对端面的垂直度又要求，定位精度与浮动的偏移量为0.056mm ，故能够满足加工要求。第4章 检验方法设计4.1 定位基准选择4.1.1 粗基准的选择粗基准的选择：考虑到以下几点要求，选择上表面为粗基准，选择要加工面为粗基准粗基准加工余量要均匀，粗基准之能用一次且表面平整。4.1.2 精基准的选择1. 用工序基准作为基准，实现基准的重合，以免产生基准不重合误差，例如法兰孔的加工。2. 当工件以一组精基准定位可以方便的加工其他表面时，尽可能多数工序中采用此组精基准定位，实现基准统一。如曲轴的各轴台的加工都是以大头的轴台为精基准加工。3. 当精加工或光整加工工序要求余量小，而均匀时，应该选择加工表面自身作为精基准，即遵守自为基准原则，如连杆颈的磨加工。4.2 测量工具选择及测量方法设计由于生产类型为大批量生产，固加工设备宜以通用机床为主。由于零件的结构原因，其生产方式以通用机床专用夹具和通用夹具为主，辅以专用夹具。工件在各机床上的装卸及各机床间的传送均由人工完成。粗铣、粗精铣削两侧面。考虑到工件的定位夹紧方案及夹具结构设计等问题，采用立铣，选用x5032万能铣床（参考文献1表9.2-11），选择直径d0125mm,齿数z6可转位面铣刀、专用夹具和游标卡尺。12的合金钢扩孔麻花钻，m12加工：选用11.8的直柄麻花钻（参考文献1表3.2-10）。先选择12的合金钢扩孔铰刀，再攻丝至m12，专用夹具、游标卡尺、圆孔塞规。在车削加工中选用ca6140车床，游标卡尺。车刀有：端面车刀、外圆车刀、槽刀、螺纹车刀。磨削加工中选用万能磨床，专用夹具，千分表、游标卡尺。4.3 技术要求的测量方法参考文献9知，平行度的测量(如图4-1)，把工件两端轴颈妥放在专用检验工具上，再在垂直和水平4个不同位置检查曲轴轴线对两端轴颈轴线的平行度，其平均误差应小于图纸规定的公差0.05mm。 图4-1平行度的测量示图端面跳动度测量方法(如图4-2)，采用两顶尖把曲轴顶住，把百分表安装在刀架上，百分表的触头指在已精车主轴的轴台上，将曲轴作圆周的转动，在曲轴的转动过程中，根据百分表的读数变化可以读出端面跳动度。图4-2端面跳动度测量示图4.4 曲轴的最终检测方法采用磁力-荧光探伤方法进行，在暗室内用大电流直流电来磁化曲轴，裂纹处漏磁与磁粉相互作用，使磁力线发生变形，逸出工件的表面形成磁极并形成可检测的漏磁场，在工件的表面喷洒荧光粉磁粉磁悬浮液，磁粉便会吸附在裂纹处，显示处裂纹的位置、形状和大小等。用紫外线灯照射，此时曲轴显浅色，而裂纹处为黑色，如检查纵向裂纹则采用小电流进行探伤，该方法仅局限于表面和表面和近表面处的裂纹。另外采用超声波、x射线和涡流检测等方法，同样可以实现对表面和内部裂纹的全面检测，甚至可以明显区分晶粒度的大小，为热处理的产品质量问题提供鉴定和区别的依据。磁粉探伤可直接显示裂纹的特征和严重程度，具有很高的检测灵敏度、不受零件大小限制、检测速度快、操作简单等特点。通常使用的磁粉探伤设备有固态探伤机（cjw4-1000通用式）、md-1060磁粉探伤机等，作为磁粉探伤用磁粉有荧光磁粉和非荧光磁粉，磁悬液为